CN114341859A - 使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理 - Google Patents

使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理 Download PDF

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D·马德利
卢西亚·米拉贝拉
S·加夫拉诺维奇
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Abstract

一种计算系统可以包括设计访问引擎和设计处理引擎。设计访问引擎可以被配置以访问要通过增材制造来构造的对象设计。设计处理引擎可以被配置成将对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率网格单元的组合，并且基于粗略几何单元和高分辨率网格单元两者来处理对象设计。对象设计的处理可以包括网格填充的生成、网格模拟或两者的组合。

Description

使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理
背景技术
计算机系统可用于创建、使用和管理产品和其它项目的数据。计算机系统的示例包括计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)系统(其可以包括计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering，CAE)系统)、计算机辅助制造(Computer-AidedManufacturing，CAM)系统、可视化系统、产品数据管理(Product Data Management，PDM)系统、产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)系统等。这些系统可以包括便于产品结构和产品制造的设计和模拟测试的部件。
附图说明
在以下详细描述中并参考附图描述了某些示例。
图1示出了支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的计算系统的示例。
图2示出了系统可以实施以支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的逻辑的示例。
图3示出了计算系统可以执行以支持类骨网格填充结构的生成的粗略离散化的示例。
图4示出了设计处理引擎可以生成的网格填充结构的示例。
图5示出了系统可以实施以支持基于通过粗略几何单元表示的平均密度值来生成网格填充结构的逻辑的示例。
图6示出了使用包括粗略几何单元和高分辨率网格单元的确定保真度部分的对象设计的示例模拟。
图7示出了系统可以实施以支持用不同保真度部分表示的对象设计的模拟的逻辑的示例。
图8示出了支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的计算系统的示例。
具体实施方式
增材制造(有时称为3维打印或3D打印)可以通过使用可以逐层构造对象的3D打印机来执行。通过提高增材制造能力，任意的和复杂的产品设计的制造已经变得越来越可能。在给定的设计空间内，先前的制造限制已经通过增材制造克服，并且产品设计者现在具有支持制造对象优化的增加的设计自由度。而且，增材制造可以使得能够通过设计或控制零件的几何结构(包括设计形成对象设计的内部几何结构的微结构)来制造具有独特物理特性的零件。
对于用于通过增材制造进行构造的设计对象，网格结构可以提供用以形成对象设计的内部几何结构的轻质且高效的机制，以满足某些物理或几何特性。如本文所用的，网格结构可以指在彼此之间具有空间的情况下彼此相交或彼此以其他方式交叉的设计单元(例如横条)的任何2维(2D)或3维(3D)组合。示例网格结构包括结构化网格(例如横条以规则隔开的间隔排列的2D栅格或3D栅格)或类骨网格(例如以不规则角度相交以模拟自然骨密度图案的非线性或弯曲横条)。
虽然通过增材制造构造的网格结构可以提供填充对象设计的高效且成本有效的能力，但是满足某些物理或几何特性的网格结构的设计可能在计算上是昂贵的。当网格设计在越来越微观的水平上进行设计时，情况尤其如此。而且，用以验证物理性能的网格结构的模拟在计算上可能是密集的，尤其是因为用于有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)的网格结构的离散化可能需要比网格横条(beam)或网格竖条(strut)的宽度或尺寸更精细的3D有限元。因此，为了有效地制造零件设计，可能需要网格结构的设计和模拟，但是这样的设计和模拟可能招致计算时延或资源需求，这些计算时延或资源需求对于现代CAD系统、CAM系统或增材制造(例如3D打印)系统通常是不可用的。
本文的公开内容可以提供用于使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的系统、方法、设备和逻辑。在这样做时，本文描述的技术和特征可以提高网格设计或模拟的效率。如下面更详细地描述的，粗略几何单元可以用于表征对象设计的某些部分，例如以指定对象设计的不同部分的平均密度值。使用这种空间变化平均密度值的局部拓扑优化可以支持以局部的和顺序的方式生成网格填充结构。因此，本文描述的一些特征可以将高分辨率网格单元的网格填充生成局部化，这可以减少生成网格设计(包括类骨网格设计)所需的计算时延或资源。
作为另一示例，本文描述的特征可以支持具有提高的效率的网格结构的模拟。对象设计可以分割成不同的保真度区域，并且高保真度区域可以使用高分辨率3D网格单元来表示，以提供具有更高准确性的物理分析。对象设计的低保真度区域可以替代地使用粗略几何单元来表示，粗略几何单元可以通过平均的或均匀化的材料特性来表征。通过这样做，与对象设计的总体高分辨率表示相比，可以以提高的速度或效率来执行网格模拟。因此，本文描述的特征可以支持以提高的效率进行由复杂网格结构组成的对象设计的物理分析，同时维持高的模拟保真度和分析准确性。
这些特征和其它特征以及技术益处在本文中更详细地描述。
图1示出了支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的计算系统的示例。计算系统100可以采取单个或多个计算设备(例如应用服务器、计算节点、台式或膝上型计算机、智能电话或其他移动设备、平板设备、嵌入式控制器等)的形式。在一些示例中，计算系统100是CAD系统、CAM系统或3D打印系统的一部分或计算系统100(至少部分地)实施这些系统。在这方面，计算系统100可以支持位于对象设计内的网格结构的设计或模拟。
作为支持本文描述的特征的任何组合的示例实施方式，图1所示的计算系统100包括设计访问引擎108和设计处理引擎110。计算系统100可以以各种方式实施引擎108和110(包括其组件)，例如作为硬件和编程。用于引擎108和引擎110的编程可以采取存储在非瞬态机器可读存储介质上的处理器可执行指令的形式，并且用于引擎108和引擎110的硬件可以包括执行这些指令的处理器。处理器可以采取单处理器或多处理器系统的形式，并且在一些示例中，计算系统100使用相同的计算系统特征或硬件部件(例如，公共处理器或公共存储介质)来实施多个引擎。
设计访问引擎108和设计处理引擎110的示例操作和特征在本文中通篇描述，例如通过接下来在图2中呈现的逻辑来描述。
图2示出了系统可以实施以支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的逻辑200的示例。作为一个示例，计算系统100可以将逻辑200实施为硬件、存储在机器可读介质上的可执行指令、或两者的组合。计算系统100可以经由设计访问引擎108和设计处理引擎110来实施逻辑200，通过设计访问引擎和设计处理引擎，计算系统100可以执行或实行逻辑200，作为支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格填充生成或网格模拟的方法。使用设计访问引擎108和设计处理引擎110作为示例来提供逻辑200的以下描述。然而，系统的各种其他实施选项是可能的。
在实施逻辑200时，设计访问引擎108可以访问要通过增材制造来构造的对象设计(202)。对象设计可以采取对象的任何表示的形式(例如3D几何结构或3D对象模型)。
在实施逻辑200时，设计处理引擎110可以将对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率单元的组合(204)。对于网格填充生成，这样的表示可以是不同的，其意义是，设计处理引擎110可以首先将整个对象设计表示为粗略几何单元并且随后经由作为所生成的网格填充结构的一部分而包括的高分辨率网格单元来表示对象设计。在顺序网格填充生成中的给定点处，设计处理引擎110还可以将对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率网格单元两者的组合。对于网格模拟，设计处理引擎110可以同时将对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率网格单元两者的组合，并且在一些示例中还包括1维(1D)网格横条单元。
设计处理引擎110可以基于粗略几何单元和高分辨率网格单元两者来处理对象设计(206)。如本文所述，这样的处理可包括用于对象设计的网格填充生成、用于对象设计的网格模拟或两者的组合。接下来通过图3至图7更详细地描述这些特征。具体地，结合图3至图5描述根据本发明的示例网格填充生成特征，并且结合图6至图7描述示例网格模拟特征。
图3示出了计算系统可以执行以支持类骨网格填充结构的生成的粗略离散化的示例。在图3所示的特定示例中，计算系统以设计访问引擎108和设计处理引擎110的形式例示。然而，本文中设想了其它系统实施方式。
如图3中看到的，设计访问引擎108可以访问对象设计310。对象设计310可以表示被设计用于通过增材制造进行构造的零件(或其部分)。例如，图3中的对象设计310可以是包括与对象设计310的部分接界的固定设计区域的较大零件设计的一部分。因此，对象设计310可以表示可以由CAD系统、CAM系统或3D打印系统填充、设计、优化或以其他方式指明的设计空间。
设计处理引擎110可以通过生成用于对象设计310的网格填充来处理对象设计310。为此，设计处理引擎110可以采用用于填充生成的两步方法，包括(i)确定用于对象设计310的平均网格特性规范，以及(ii)根据平均网格特性规范来生成用于对象设计310的网格填充。这些步骤各自依次描述。
在第一步骤中，设计处理引擎110可以确定用于对象设计310的平均网格特性规范，例如作为用于对象设计310的密度分布。为此，设计处理引擎110可以对对象设计310执行拓扑优化。拓扑优化可以根据拓扑优化技术的数量或组合来执行，例如根据有限元法(Finite Element Method，FEM)、带惩罚的固体各向同性微结构(Solid IsotropicMicrostructures with Penalization，SIMP)法、有限元分析等。在该第一步骤中由设计处理引擎110执行的拓扑优化可以是全局拓扑优化，因为它跨由对象设计310形成的整个设计空间执行。
在一些示例中，设计处理引擎110可以执行全局拓扑优化而没有惩罚(例如没有应用任何SIMP惩罚参数)。惩罚参数可以被配置成将拓扑优化的设计单元推向对象设计310的0％或100％密度值的收敛(例如，表示为0.0与1.0之间的归一化密度值)。通过从拓扑优化中去除惩罚参数，设计处理引擎110可以确定对象设计310在从0至100％的整个密度分布上的平均密度值，这与集中在0％和100％密度值上的密度确定(具有惩罚参数)相反。
所确定的平均密度值可以表示在对象设计310的不同部分上变化的目标(例如最优)密度。因此，确定的平均密度值可以在对象设计310范围内空间变化。在确定平均密度时，设计处理引擎110不需要为详细的网格填充解析精细的几何结构。因此，设计处理引擎110可以使用粗略离散化来对对象设计310执行拓扑优化。这样的粗略离散化可以指以比随后生成的用于对象设计310的网格填充的分辨率/离散化尺寸更低的粒度或更低的单元尺寸分辨率来离散化对象设计310。
图3中示出了粗略离散化的一个示例，其中，设计处理引擎110可以将对象设计310离散化成粗略离散化的对象设计320。粗略离散化的对象设计310可由多个粗略几何单元(例如图3所示的粗略几何单元330)组成。各个粗略几何单元可以分别用确定的平均密度值来表征。在图3中，粗略几何单元330具有确定的平均密度值1.0。
注意，粗略几何单元330可以是粗略的，因为它被设计处理引擎110以比设计处理引擎110随后可以生成作为填充结构的一部分的网格单元的粒度更粗的粒度来离散化。在这方面，粗略离散化对象设计320的分辨率可以低于随后生成的网格填充结构的分辨率。
如本文所述，设计处理引擎110可以执行全局拓扑优化，以确定包括粗略离散化对象设计320的粗略几何单元的相应平均密度值。图3所示的平均密度值被归一化到0.0(0％密度)至1.0(100％密度)的范围，并且其值在粗略离散化对象设计320的不同部分(和不同粗略几何单元)范围内空间变化。如所看到的，由设计处理引擎110计算的平均密度值不需要收敛到0.0和1.0，从而允许对象设计310范围内的更宽范围的平均(或最优)密度值。以本文描述的任何方式，设计处理引擎110可以在网格填充生成的第一步骤中确定用于对象设计310的平均网格特性规范。
在网格填充生成的第二步骤中，设计处理引擎110可以根据所确定的平均网格特性规范来生成网格。设计处理引擎110可以以多种方式生成网格填充。作为一个示例，设计处理引擎110可以经由编程过程生成网格填充结构。通过编程过程，设计处理引擎110可以通过选择网格条密度来填充(多达)整个对象设计310，使得在对象设计310的对应部分处满足所计算的平均密度值。这样的编程过程可以导致生成(例如以栅格形式的)结构化的网格填充。然而，这些栅格状、均匀的或对称的网格结构可能缺乏类骨网格结构的鲁棒性、强度或坚固性。
作为网格生成的另一示例，设计处理引擎110可以通过拓扑优化来生成网格填充。在这样做时，设计处理引擎110可以利用局部密度约束(例如在步骤一中确定的空间变化平均密度值)并且这样做而不是使用全局密度约束(例如对象设计310的平均密度值等于固定密度值)，来执行拓扑优化(例如经由FEA或FEM)。这种拓扑优化可以表示为以下拓扑优化函数：
Figure BDA0003521940660000051
s.t.K(pe)·u＝f，
Figure BDA0003521940660000052
Figure BDA0003521940660000053
在该示例中，目标函数可以表达成将柔度/应变能c最小化，其中，位移u是由于施加的力f和刚度矩阵K。而且在该示例中，Ne可以表示用于给定有限元e的定义邻域。
如果设计处理引擎110将使用计算的且变化的平均密度值来为整个对象设计310执行上述拓扑优化功能(例如作为具有局部密度约束的全局拓扑优化)，则可能需要考虑高达数百万个自由度或更多，以便优化整个对象设计310。这样的计算可能招致高执行时延或者需要巨大的计算能力来生成对应的网格填充。使用全局拓扑优化来生成网格填充可能不是商业可行的，或者可能需要相当大的商业成本来确保足够的计算资源。
代替全局地解决整个对象设计310，设计处理引擎110可以采用顺序方法来局部地生成可以降低计算要求的多个填充结构。即，设计处理引擎110可以将对象设计310分成各种片段，并且所划分的片段的尺寸可以是可配置的，以控制计算成本。然后，设计处理引擎110可以使用各个片段内的任何(例如所有)可适用的平均密度值来为该片段生成网格填充结构。这样，设计处理引擎110可以通过连续地且局部地生成网格填充结构来顺序地构建网格填充。接下来通过图4更详细地描述这种能力的示例。
图4示出了设计处理引擎110可以生成的网格填充结构的示例。在图4中，设计处理引擎110可以从对象设计(例如对象设计310或粗略离散化的对象设计320)的所划分片段405生成网格填充结构410。所划分片段405可包含任意数量的粗略几何单元(例如图3所示示例中的粗略离散化对象设计320的六(6)个粗略几何单元)。
为了生成网格填充结构410，设计处理引擎110可以使用可适用于所划分片段405的平均密度值作为局部密度约束来执行局部拓扑优化过程。即，设计处理引擎110可以使用局部部分(例如所划分片段405)内的平均密度值来执行局部拓扑优化，而不是使用整个对象设计310的确定的平均密度值的整个集合。这样做可以(在一些情况下急剧地)减少考虑的设计自由度并且减少计算复杂性，以改进生成网格填充的性能。
在执行局部拓扑优化时，设计处理引擎110可以以比粗略几何单元的尺寸更精细的粒度来离散化所划分片段405。所划分片段405的这种离散化可以导致最终生成形成网格填充结构410的高分辨率网格单元(例如以比形成粗略离散化对象设计320的粗略几何单元更精细或更高的分辨率)。为了生成网格填充结构410，设计处理引擎110可以利用以上指定的拓扑优化函数，但被局部化到所划分片段405(例如仅使用可适用于所划分片段405的平均密度值)。
用于生成填充结构的局部拓扑优化可以导致微尺度上的类骨网格生成。即，可以将用于所划分片段的各个生成的网格填充结构视为局部计算，并因此独立于(至少部分地)如何生成其他非相邻网格填充结构来进行优化。局部拓扑优化还可以产生类骨网格生成，因为平均密度值可以在所划分片段范围内变化，并且产生不对称的类骨网格，这些类骨网格与结构化网格设计相比可以表现出提高的鲁棒性和强度。
在生成网格填充结构410时，设计处理引擎110可以应用任何数量的在全局层面或是局部层面可适用的边界条件。例如，在全局拓扑优化期间用以确定粗略离散化对象设计320的平均密度值的模拟可以导出对象设计310的各个部分的全局边界条件。可以在由设计处理引擎110执行的局部拓扑优化期间应用特别适用于对象设计310的所划分片段405的这种边界条件，来生成网格填充结构410。
附加地或可替代地，可以应用基于其他生成的网格填充结构的边界条件，来形成由设计处理引擎110生成的用于对象设计310的连续片段或相邻片段的网格填充结构之间的平滑过渡。
图4中通过由设计处理引擎110生成网格填充结构420示出了这样的边界条件的示例。在生成网格填充拓扑以覆盖整个对象设计时，设计处理引擎110可以顺序地生成网格填充结构(例如在对象设计的左下角开始，并且从下到上连续地生成网格填充结构，蜿蜒穿过对象设计310的宽度)。在一些示例中，设计处理引擎110在生成网格填充结构410之后生成网格填充结构420。
在生成网格填充结构420时(在生成网格填充结构410之后)，设计处理引擎110可以考虑先前生成的网格填充结构的界面部分。在图4所示的示例中，设计处理引擎110考虑了网格填充结构410的界面部分430，该界面部分与用于生成网格填充结构420的所划分片段415接界。网格填充结构410的界面部分430实际上可以用作用于生成网格填充结构420的边界条件，以确保相应的网格填充结构410和420的网格单元之间的平滑过渡。
以另一种方式解释，界面部分430和所划分片段415可以用作局部拓扑优化的设计空间，以生成网格填充结构420。界面部分430可以是固定设计区域，使得用以生成网格填充结构420的局部拓扑优化无法改变界面部分430的设计，但是界面部分430可以指定用于所划分片段415上的局部拓扑优化的约束。虽然界面部分430示出为一个示例，但是设计处理引擎110可以识别和考虑多个先前生成的网格填充结构的界面部分(例如，对于要生成的给定网格填充结构，该给定网格填充结构与给定网格填充结构的下方、左侧、右侧或上方的先前生成的网格填充结构接界)。
这样，设计处理引擎110可以将对象设计细分成所划分片段，并且为各个所划分片段生成对应的网格填充结构。设计处理引擎110可以从(例如，包括有具有指定平均密度值的粗略几何单元的)所划分片段顺序地生成网格填充结构，直到为对象设计310生成完整的网格填充为止。
在生成网格填充结构时，所划分片段的尺寸可以是可配置的，以控制计算成本。片段的尺寸越大，执行局部拓扑优化的计算要求就越大，反之亦然。因此，设计处理引擎110可以基于关于可用计算资源(例如在比3D打印机的局部构建处理器具有更多资源的云计算环境中)、时延、网络带宽等的折衷根据各种分割准则来划分对象设计310。
尽管图3和图4中示出的各种对象设计和网格填充示例以2D描述，但是本文描述的网格填充特征可以一致地适用于任何3D对象设计和网格填充结构。
图5示出了系统可以实施以支持基于通过粗略几何单元表示的平均密度值来生成网格填充结构的逻辑500的示例。例如，计算系统100可以将逻辑500实施为硬件、存储在机器可读介质上的可执行指令、或两者的组合。计算系统100可以经由设计访问引擎108和设计处理引擎110实施逻辑500，通过设计访问引擎和设计处理引擎，计算系统100可以执行或实行逻辑500，作为支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格填充生成的方法。使用设计访问引擎108和设计处理引擎110作为示例来提供逻辑500的以下描述。然而，系统的各种其他实施选项是可能的。
在实施逻辑500时，设计访问引擎108可以访问要通过增材制造来构造的对象设计(502)。在实施逻辑500时，设计处理引擎110可以将对象设计离散化成粗略几何单元(504)，并且在没有惩罚参数的情况下对对象设计执行全局拓扑优化过程，以确定对象设计范围内的粗略几何单元的平均密度值(506)。然后，设计处理引擎110可以基于对象设计的平均密度值来为对象设计生成网格填充结构，这些对象设计的平均密度值适用于为其生成给定网格填充结构的对象设计的区域(508)。
例如，设计处理引擎110可以基于对象设计的给定平均密度值(或多个平均密度值)，来为所述对象设计生成第一网格填充结构，所述给定平均密度值可适用于为其生成第一网格填充结构的对象设计的区域(例如所划分片段)。第一网格填充结构的生成可以包括使用给定的平均密度值作为局部密度约束(或可适用于所划分片段的多个密度值作为空间变化的局部密度约束)来执行局部拓扑优化过程。在执行局部拓扑优化时，设计处理引擎110可以包括以比粗略几何单元更精细的粒度或更高的分辨率将所划分片段离散化成有限元，这可以允许设计处理引擎110生成第一网格填充结构，以包括对象设计的高分辨率网格单元和精细细节网格几何结构。
设计处理引擎110还可以基于对象设计的一个不同的平均密度值，来为所述对象设计生成第二网格填充结构，所述不同的平均密度值适用于为其生成第二网格填充结构的对象设计的区域(例如另一所划分片段)。设计处理引擎110可以使用第一填充结构的界面部分作为用于生成第二填充结构的边界条件来这样做。以一致的方式，设计处理引擎110可以顺序地生成其他网格填充结构，直到为对象设计生成整个网格填充拓扑为止。
图5所示的逻辑500提供了计算系统100可以用来支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格填充生成的说明性示例。本文设想逻辑500中的附加的或可替代的步骤，包括根据本文针对设计访问引擎108、设计处理引擎110或其任意组合描述的任意特征。
以上述各种方式，设计访问引擎108和设计处理引擎110可以支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元生成用于对象设计的网格填充。如本文所述，粗略几何单元可以表示整个对象设计的平均密度值，并且高分辨率网格单元可以是根据由粗略几何单元表示的平均密度值而为对象设计构造的网格填充结构的一部分。通过这样的局部化技术，可以实现具有提高的鲁棒性或提高的性能特性的类骨网格结构，同时还通过使用局部拓扑优化来限制计算要求。因此，可以使用本文所述的特征以提高的速度和效率来执行网格生成。
如接下来结合图6和图7所述，本文还设想用于使用粗略几何单元和高分辨率网格单元模拟网格结构的技术特征和益处。
图6示出了使用包括粗略几何单元和高分辨率网格单元的确定保真度部分的对象设计的示例模拟。在图6所示的特定示例中，计算系统以设计访问引擎108和设计处理引擎110的形式例示。然而，本文中设想了其它系统实施方式。
在图6中，设计访问引擎108可以访问对象设计605。对象设计605可以包括网格结构(例如作为用于对象设计605的内部几何结构)。对象设计605的内部网格结构可以以各种方式(例如作为CAD几何结构)指定，并且设计处理引擎110可以支持对对象设计605的模拟和对对象设计605的网格结构的物理分析。
为了支持网格结构模拟，设计处理引擎110可以选择性地将对象设计分割成不同保真度区域。不同保真度区域可对应于设计保真度的变化水平，以便将对象设计605建模或模拟到阈值准确度。在图6所示的示例中，设计处理引擎110可以将对象设计605分割成三(3)个不同保真度部分，其标记为高保真度部分610、中等保真度部分620和低保真度部分630。
高保真度部分610可以表示对象设计605的部分，其中，需要高度的建模保真度来准确地模拟对象设计605的物理行为。可能需要提高的保真度或更精细的分辨率以便进行准确模拟的对象设计的部分可以包括对象设计605的部分，在这些部分处，向对象设计605施加边界条件(例如图6中示出的施加的载荷，如向下压在对象设计605上的三个箭头或在对象设计605的下边界的部分处示出的对象接触点)。对象设计605的其他高保真度部分可以包括更显著地受边界条件(例如载荷施加)影响的网格结构(例如对象设计605的高应力区域)。下面更详细地描述设计处理引擎110可以实际分割或识别对象设计中的保真度区域的各种方式。
设计处理引擎110可以用高分辨率网格单元611来表示对象设计605的高保真度部分610，以支持具有提高的准确性的FEA。具体地，设计处理引擎110可以将高保真度部分610离散化成3D有限元(例如四面体、六面体、立方体等)的集合，以支持FEA和对3D有限元求解控制物理方程。这样的3D有限元可以包括高分辨率网格单元(例如图6所示的高分辨率网格单元611)。高分辨率网格单元可以是由设计处理引擎110离散化的尺寸小于网格横条或网格竖条的厚度的3D有限元。这样做可以允许设计处理引擎110适当地且准确地模拟网格行为。如图6中看到的，高分辨率网格单元611是对在对象设计605中的单个网格横条建模的许多3D有限元中的一者。
虽然高分辨率网格单元和精细离散化的3D有限元可以支持具有提高的准确性和保真度的网格结构模拟，但是这样的精细离散化可以产生用于FEA模拟的非常大量的有限元。这样的模拟的计算要求可能过高，并且典型的基于工作站的CAD或CAM系统可能具有有限的计算资源，使得在实际的时间帧中执行复杂的网格模拟几乎是不可能的。
为了提高模拟效率，设计处理引擎110可以使用高保真度网格单元仅表示对象设计605的所选部分。如本文所述，这样的所选部分可以包括对象设计605的确定的高保真度部分。对于对象设计605的中等保真度或低保真度部分，设计处理引擎110可以使用对象设计605的内部网格结构的更粗略或高效的表示。
对于为对象设计605确定的中等保真度部分620，设计处理引擎110可以使用1D横条单元来表示网格结构(例如图6中所示的1D横条单元621)。对于中等保真度部分620中的给定网格横条，设计处理引擎110可以将有限元模拟系统中的给定网格横条表示为1D横条单元。这样的1D横条单元可以提供提高的模拟效率和性能时延，但是与高分辨率网格单元相比，FEA准确性更低。即使具有这种提高的效率，具有复杂网格结构的对象设计605可能需要大量的1D横条单元，使得模拟和分析耗时并且在计算上低效。
因此，设计处理引擎110可以确定对象设计的部分以比1D横条单元更高效的方式来表示。在一些示例中，设计处理引擎110可以识别对象设计的低保真度部分，以表示为粗略几何单元。在图6中，设计处理引擎110识别低保真度部分630，并且(至少部分地)使用粗略几何单元631来表示对象设计605中的低保真度部分630。粗略几何单元631可以是具有平均或均匀化材料特性的(相对)大的3D单元。这样的表示可以允许以提高的速度和减少的计算时延进行模拟，但是以模拟准确性和对象行为保真度为代价。
通过不同地表示对象设计605的不同保真度部分，设计处理引擎110可以选择性地分割对象设计605，以提高设计模拟的效率。具体地，设计处理引擎110可以使用对象设计605的高保真度部分610处的高分辨率网格单元来表示对象设计605，在该高保真度部分处需要更高的准确度来建模和模拟对象设计605。设计处理引擎110在需要合理的准确度的中等保真度部分620处使用1D横条单元。在低保真度部分630处，使用粗略几何单元来表示其中需要低准确度来进行建模和模拟的对象设计605。
在一些实施方式中，设计处理引擎110可以在保真度部分边界处应用合适的界面，以确保创建一致的有限元系统来模拟对象设计605。在这方面，设计处理引擎110可以在保真度部分边界处插入或应用各种界面单元或边界约束。例如，设计处理引擎110可以在对象设计605的低保真度部分630与其中一个高保真度部分610之间的边界处使用、应用或插入高分辨率到粗略边界单元(例如网格粘结约束或适形网格)，以将粗略几何单元连接到高分辨率网格单元。
作为另一示例，设计处理引擎110可以在对象设计605的低保真度部分630与中等保真度部分620之间的边界处添加粗略到1D边界单元，以支持对低保真度部分630中的粗略几何单元与中等保真度部分620中的给定1D横条单元之间的能量传递的建模。作为又一示例，设计处理引擎110可以在对象设计605的其中一个高保真度部分610与中等保真度部分620之间的边界处添加高分辨率到1D边界单元，以支持对高保真度部分610中的高分辨率网格单元与中等保真度部分620中的1D横条单元之间的能量传递的建模。
为了以不同的方式表示对象设计605，设计处理引擎110可以将对象设计605分割成不同的保真度部分，并且以不同的方式这样做。在一个实施方式中，设计处理引擎110可以基于对象设计605的应力测试来分割对象设计605。为此，设计处理引擎110可以通过FEA来分析对象设计，以获得对象设计的应力映射。FEA可以使用对象设计605的粗略离散化来执行，以减少计算时延。然后，设计处理引擎110可以将对象设计605的低保真度部分630识别为应力映射的低应力部分，并且将对象设计605的高保真度部分610识别为应力映射的高应力部分。应力映射的中等应力部分可被识别为中等保真度部分620。应力映射的低应力部分、中等应力部分或高应力部分可对应于用于应力映射的预定应力值范围，其由设计处理引擎110可配置或设定。
作为另一种分割方法，设计处理引擎110可以基于高保真度模拟与其他表示(例如1D横条单元或粗略几何单元)之间的不准确性容限来确定保真度部分。为此，设计处理引擎110可以对对象设计605中的网格结构的所选子集(例如，对所考虑的网格模板的一些实例)执行高保真度FEA分析。这样的高保真度FEA分析可包括将所选子集离散化成高分辨率网格单元，以执行FEA。根据高保真度FEA分析，设计处理引擎110可以计算网格结构的均匀化材料特性。然后，设计处理引擎110可以使用所计算的网格结构的均匀化材料特性来在整个对象设计605范围内执行低保真度FEA分析。
通过低保真度FEA分析，设计处理引擎110可以分析应力或位移图案，以表征对象设计605的部分(例如作为低应力或高应力)。这样的表征可以以局部图案的形式，设计处理引擎110可以通过统计分析或其他数据驱动方法来识别局部图案。这样，设计处理引擎110可以将对象设计605表征成不同部分(例如高应力、低应力、中等应力等)。对于各个不同部分，设计处理引擎110可以应用低保真度模拟(例如利用具有均匀化材料特性的粗略几何单元)、中等保真度模拟(例如使用1D横条单元)和/或高保真度模拟(例如利用高分辨率网格单元)。设计处理引擎110可以将这些变化保真度的模拟适用于被表征部分中的所选网格单元或网格实例。
通过这样做，设计处理引擎110可以计算从高保真度模拟到低保真度和中等保真度模拟的误差测量。基于指定的不准确性容限，设计处理引擎110可以选择具有低保真度单元(粗略几何单元)、中等保真度单元(1D横条单元)或高保真度单元(高分辨率网格单元)的被表征部分的表示，使得所选择的单元是满足不准确性容限的最高效的表示。这样，设计处理引擎110可以识别或确定对象设计的低保真度部分、中等保真度部分和/或高保真度部分。
作为分割对象设计605的又一种方法，设计处理引擎110可以基于距离准则来分配对象设计的低保真度部分、中等保真度部分和高保真度部分。设计处理引擎110可以将对象设计的在距边界条件的高保真度阈值距离内的部分确定为高保真度部分。由设计处理引擎110应用的高保真度阈值距离可以是固定值，或者可以取决于边界条件的性质或幅度而变化。例如，设计处理引擎101可以根据边界条件的幅度(例如施加的力)和包围面积来计算要应用的高保真度阈值距离，使得幅度或覆盖面积越大，则被应用以确定高保真度部分的高保真度阈值距离的值越大。
在应用距离准则时，设计处理引擎110可基于距对象边界或边界条件的距离来确定低保真度区域。在这样的情况下，设计处理引擎110可以识别对象设计的低保真度部分，这些低保真度部分定位成距边界条件或对象边界比低保真度阈值距离更远。这样的距离准则可以识别对象设计中的低保真度部分，这些低保真度部分充分远离边界条件或对象边界，因此其可能在FEA模拟中需要更低的保真度。在一些示例中，设计处理引擎110可以将对象设计的中等保真度部分识别为未被识别为低保真度部分或高保真度部分的部分。
以本文描述的任何方式，设计处理引擎110可以确定对象设计的不同保真度部分，并且不同地表示所确定的保真度部分，以便以提高的效率支持FEA模拟。
图7示出了系统可以实施以支持用不同保真度部分表示的对象设计的模拟的逻辑700的示例。例如，计算系统100可以将逻辑700实施为硬件、存储在机器可读介质上的可执行指令、或两者的组合。计算系统100可以经由设计访问引擎108和设计处理引擎110实施逻辑700，通过设计访问引擎108和设计处理引擎110，计算系统100可以执行或实行逻辑700，作为支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格模拟的方法。使用设计访问引擎108和设计处理引擎110作为示例来提供逻辑700的以下描述。然而，系统的各种其他实施选项是可能的。
在实施逻辑700时，设计访问引擎108可以访问要通过增材制造来构造的对象设计(702)。对象设计可以包括网格结构。在实施逻辑700时，设计处理引擎110可以模拟对象设计的网格结构(704)。在这样做时，设计处理引擎110可以例如以本文描述的任何一种方式确定对象设计的不同保真度部分(706)。在一些示例中，所确定的保真度部分可包括对象设计的高保真度部分、低保真度部分、以及中等保真度部分。
设计处理引擎110可以不同地表示对象设计的各种保真度部分。例如，设计处理引擎110可以用粗略几何单元来表示对象设计的第一保真度部分(例如低保真度部分)，并且使用用于粗略几何单元的均匀化材料特性来这样做(708)。设计处理引擎110还可以用高分辨率网格单元来表示对象设计的第二保真度部分(例如高保真度部分)，使得高保真度网格单元是3D的并且被离散化成比粗略几何单元更精细的粒度(710)。在一些示例中，设计处理引擎110可以将对象设计的第三保真度部分(例如中等保真度部分)表示为1D横条单元，这些1D横条单元表示对象设计的第三保真度部分中的对象设计的网格结构(712)。
使用对象设计的不同部分处的对象设计的这种差异化表示，设计处理引擎110可以提高具有网格结构的对象设计的模拟速度，同时维持高保真表示，以适当地且准确地支持对象设计的物理特性的分析。
图7所示的逻辑700提供了计算系统100可以用以支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格模拟的说明性示例。本文设想逻辑700中的附加的或可替代的步骤，包括根据本文针对设计访问引擎108、设计处理引擎110或其任意组合描述的任意特征。例如，设计处理引擎110可以使用逻辑700中描述的保真度部分中的一些、不使用这些保真度部分或使用这些保真度部分的全部来识别或表示对象设计。通过实施逻辑700或支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的网格模拟，计算系统能够执行包括复杂网格结构的对象设计的高效物理分析，这可以提供具有更高保真度和模拟准确性的更快分析。
图8示出了支持使用粗略几何单元和高分辨率网格单元的对象设计处理的计算系统800的示例。计算系统800可以包括处理器810，其可以采取单个或多个处理器的形式。一个或多个处理器810可以包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、微处理器或适于执行存储在机器可读介质上的指令的任意硬件设备。系统800可以包括机器可读介质820。机器可读介质820可以采取存储可执行指令的任意非瞬态电子、磁性、光学或其他物理存储设备的形式，可执行指令例如为图8所示的设计访问指令822和设计处理指令824。因此，机器可读介质820可以是例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，例如动态RAM(Dynamic RAM，DRAM)、闪速存储器、自旋扭矩存储器、电可擦除可编程只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、存储驱动器、光盘等。
计算系统800可以通过处理器810执行存储在机器可读介质820上的指令。执行指令(例如设计访问指令822和/或设计处理指令824)可以使得计算系统800执行本文描述的任何一个特征，包括根据关于设计访问引擎108、设计处理引擎110或两者的组合的任何特征。
例如，由处理器810执行设计访问指令822可以使得计算系统800访问要通过增材制造来构造的对象设计。由处理器810执行设计处理指令824可以使得计算系统800将对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率网格单元的组合，而且基于粗略几何单元和高分辨率网格单元两者来处理对象设计。
如本文所述的任何附加的或可替代的特征可经由设计访问指令822、设计处理指令824或两者的组合来实施。
上述系统、方法、设备和逻辑，包括设计访问引擎108和设计处理引擎110，可以以硬件、逻辑、电路和存储在机器可读介质上的可执行指令的许多不同组合以许多不同方式实施。例如，设计访问引擎108、设计处理引擎110或其组合，可以包括控制器、微处理器或专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)中的电路，或者可以利用分立的逻辑或部件或其他类型的模拟或数字电路的组合来实施，这些分立的逻辑或部件或其他类型的模拟或数字电路的组合被组合在单个集成电路上或分布在多个集成电路之间。产品(例如计算机程序产品)可以包括存储介质和存储在介质上的机器可读指令，当在终端、计算机系统或其他设备中执行时，机器可读指令使得设备执行根据以上描述中的任意一者(包括根据设计访问引擎108、设计处理引擎110或其组合的任意特征)的操作。
本文描述的系统、设备和引擎(包括设计访问引擎108和设计处理引擎110)的处理能力可以分布在多个系统部件之间，例如分布在多个处理器和存储器之间，可选地包括多个分布式处理系统或云/网络元件。参数、数据库和其它数据结构可以被分开存储和管理，可以被结合到单个存储器或数据库中，可以以许多不同的方式在逻辑上和物理上组织，并且可以以许多方式实施，包括例如链表、哈希表或隐式存储机制的数据结构。程序可以是单个程序的部分(例如子例程)、单独的程序、跨若干存储器和处理器分布、或者以许多不同方式实施，例如在库(例如共享库)中。
虽然以上描述了各种示例，但是更多的实施方式是可能的。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
访问要通过增材制造来构造的对象设计；
将所述对象设计表示为粗略几何单元和高分辨率网格单元的组合；以及
基于所述粗略几何单元和所述高分辨率网格单元两者来处理所述对象设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述对象设计包括生成用于所述对象设计的网格填充；并且
其中，
所述粗略几何单元表示所述对象的在所述对象范围内的平均密度值；并且
所述高分辨率网格单元是根据由所述粗略几何单元表示的所述平均密度值而为所述对象设计构造的网格填充结构的一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，生成所述网格填充包括：
将所述对象设计离散化成所述粗略几何单元；以及
在没有惩罚参数的情况下对所述对象设计执行全局拓扑优化过程，以确定所述对象设计范围内的所述粗略几何单元的所述平均密度值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，生成所述网格填充还包括：基于所述对象设计的给定平均密度值来为所述对象设计生成第一网格填充结构，所述给定平均密度值适用于为其生成所述第一网格填充结构的所述对象设计的区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生成所述第一网格填充结构包括使用所述给定平均密度值作为局部密度约束来执行局部拓扑优化过程。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，生成所述网格填充还包括：基于所述对象设计的不同的平均密度值并且使用所述第一填充结构的界面部分作为用于生成第二填充结构的边界条件，来为所述对象设计生成第二网格填充结构，所述不同的平均密度值适用于为其生成所述第二网格填充结构的所述对象设计的区域。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括从所述粗略几何单元顺序地生成所述网格填充结构，直到为所述对象设计生成所述网格填充为止。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述对象设计包括基于所述粗略几何单元和所述高分辨率网格单元两者来模拟所述对象设计的网格结构，包括通过：
用所述粗略几何单元并且使用用于所述粗略几何单元的均匀化材料特性来表示所述对象设计的第一部分；以及
用所述高分辨率网格单元来表示所述对象设计的第二部分，使得所述高分辨率网格单元是3维(3D)的并且被离散化成比所述粗略几何单元更精细的粒度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对象设计的所述第二部分包括所述对象设计的边界，在所述边界处，向所述对象设计应用边界条件。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述粗略几何单元和所述高分辨率网格单元两者来模拟所述对象设计的所述网格结构还包括：
在所述对象设计的所述第一部分与所述对象设计的所述第二部分之间的边界处使用高分辨率到粗略边界单元，以将所述第一部分中的给定粗略几何单元连接到所述第二部分中的给定高分辨率网格单元。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将所述对象设计的第三部分表示为1维(1D)横条单元，所述1D横条单元表示所述对象设计的所述第三部分中的所述对象设计的所述网格结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，基于所述粗略几何单元和所述高分辨率网格单元两者来模拟所述对象设计的所述网格结构还包括：
在所述对象设计的所述第一部分与所述对象设计的所述第三部分之间的边界处添加粗略到1D边界单元，以支持对所述第一部分中的给定粗略几何单元与所述第三部分中的给定1D横条单元之间的能量传递的建模；以及
在所述对象设计的所述第二部分与所述对象设计的所述第三部分之间的边界处添加高分辨率到1D边界单元，以支持对所述第二部分中的给定高分辨率网格单元与所述第三部分中的另一1D横条单元之间的能量传递的建模。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括通过以下步骤确定所述对象设计的所述第一部分和所述第二部分：
通过有限元分析对所述对象设计进行分析，以获得所述对象设计的应力映射；
将所述对象设计的所述第一部分识别为所述应力映射的低应力部分；以及
将所述对象设计的所述第二部分识别为所述应力映射的高应力部分。
14.一种系统，包括：
设计访问引擎；以及
设计处理引擎，
其中，所述设计访问引擎、所述设计处理引擎或两者的组合被配置以执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种包括指令的非瞬态机器可读介质，所述指令在由处理器执行时，使得计算系统执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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