專利名稱：最優形狀設計方法和設計系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及最優形狀設計方法和設計系統，用于設計減震包裝中所用減震材料的最優形狀。
背景技術：
常規情況下，在減震包裝中所用減震材料的最優形狀設計中，根據板狀減震材料的減震性能數據，使確定的減震厚度和受壓面積滿足機械設計條件。形成了滿足機械設計條件的減震材料形狀后，決定可塑性并計算加工成本。在獲得所述機械設計條件下的最優形狀之前，設計要經過反復修改。
參考常規的結構最優方法，已公開的日本專利申請(JP-A)9-44551號(專利文檔1)公開了一種方法，將包裝產品所用多種減震材料的若干CAD(計算機輔助設計)數據事先存儲在庫組中，根據目標減震部件，通過從所存儲的若干CAD數據中適當地選擇CAD數據來設計減震部件。
JP-A 2002-7487號(專利文檔2)公開了一種方法，檢測減震材料體積的最小值，以便根據在減震材料體積為最小體積時剛度最大的減震材料形狀，確定結構的最優形狀。以減震材料體積的最小值，內容物的最大減速度滿足設計限度。
JP-A 2002-331035號(專利文檔3)公開了一種方法，設定的參數包括客戶組件的需求，比如最大重量、最短壽命、最低可靠性、最低強度、耐久性、最低環境運行條件、對參考的適應值以及設計目標的成本。
JP-A 2001-297118號(專利文檔4)公開了一種方法，通過輸入最優面積獲得減震材料的最優形狀，并且能夠在短時間內使減震材料形狀具有通過增加/減少筋肋或者說凸飾造成的拓撲(狀態和形態)改變。
JP-A 3-224063號(專利文檔5)公開了一種方法，通過輸入減震材料設計需求、早先階段形狀、可應用的設計參數范圍以及邊界條件，設計出滿足設計需求的最優模型。
專利文檔1JP-A 9-44551號專利文檔2JP-A 2002-7487號專利文檔3JP-A 2002-331035號專利文檔4JP-A 2001-297118號專利文檔5JP-A 3-224063號發明內容不過，在以上的常規實例中，由于為了減少設計修改的次數，需要設計者的猜測和經驗，因此難以實現設計自動化。另外，因為在確定了滿足機械設計條件的減震厚度和受壓面積之后才證實其他評價項目，所以存在著最終設計結果難得變為真正最優解決方案的問題。
鑒于以上問題，本發明的目的是提供最優形狀設計方法，考慮到可塑性和加工成本的決策，能夠容易勝任地設計減震包裝中所用減震材料的最優形狀；以及使用所述最優形狀設計方法的最優形狀設計系統。
為了實現以上目的，根據本發明之最優形狀設計方法的典型結構的特征在于，在關于被定義為減震材料CAD數據的減震材料形狀，檢測力學響應量的同時，檢測被定義為CAD數據的所述減震材料形狀的加工決策，所述減震材料CAD數據根據減震包裝中所用的所述減震材料的設計數據而產生，所述力學響應量至少包括墜落沖擊中內容物產生的最大減速度和最大位移以及減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；檢測所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系；在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件且可加工的所述減震材料的最優形狀之前，一直改變所述減震材料CAD數據；以及根據所述改變的減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的所述相關關系，檢測到根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀。
根據本發明之最優形狀設計系統的典型結構的特征在于包括，輸入裝置，用于輸入減震包裝中所用減震材料的設計數據；CAD裝置，用于根據由所述輸入裝置輸入的減震材料設計數據，定義減震材料形狀；力學響應量計算裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測力學響應量，所述力學響應量至少包括內容物產生的最大減速度和最大位移以及所述減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；加工決策檢測裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測加工決策；最優化控制裝置，用于檢測由所述CAD裝置定義的所述減震材料CAD數據、由所述力學響應量計算裝置檢測的所述力學響應量和由所述加工決策檢測裝置檢測的所述加工決策信息之間的相關關系，在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件且可加工的所述減震材料的最優形狀之前，，一直改變所述減震材料CAD數據，根據改變的所述減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系，檢測到根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀；顯示裝置，用于輸出和顯示由所述最優化控制裝置檢測的所述減震材料最優形狀。
根據本發明的最優形狀設計方法，檢測根據減震包裝中所用減震材料設計數據產生的減震材料CAD數據、關于被定義為減震材料CAD數據的減震材料形狀的包括墜落沖擊中內容物產生的最大減速度和最大位移以及減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一的所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系，在根據所述相關關系檢測到所述力學響應量滿足減震材料設計條件并且減震材料可加工的所述減震材料最優形狀之前，一直改變所述減震材料CAD數據，根據改變的減震材料CAD數據更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的所述相關關系，檢測根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀。所以能夠容易勝任地設計減震材料的最優形狀。
根據本發明的最優形狀設計系統，檢測根據所述輸入裝置輸入的減震材料設計數據由所述CAD裝置定義的CAD數據、關于由所述CAD裝置定義的減震材料形狀，由所述力學響應量計算裝置算出的包括墜落沖擊中內容物產生的最大減速度和最大位移以及減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一的所述力學響應量和由所述加工決策檢測裝置檢測的所述加工決策信息之間的相關關系，在檢測到根據所述相關關系關系，所述力學響應量滿足減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料最優形狀之前，一直改變所述減震材料CAD數據，根據改變的減震材料CAD數據更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的所述相關關系，檢測根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀。所以能夠容易勝任地設計減震材料的最優形狀。
本發明具有如上所述的結構和措施，所以考慮到可塑性和加工成本的決策，能夠容易勝任地設計減震包裝中所用減震材料的最優形狀。
圖1是框圖，顯示了根據本發明之最優形狀設計系統的示意結構；圖2是流程圖，顯示了最優形狀檢測中的過程實例；圖3是根據CAD數據繪制的圖，顯示了內容物和包裝所述內容物所用減震材料的早期設計階段實例；圖4顯示了減震材料的CAD數據、力學響應量、加工決策和加工成本之間的相關關系；圖5是根據CAD數據繪制的圖，顯示了確定最優形狀的過程中不滿足設計條件的減震材料形狀實例；
圖6是根據CAD數據繪制的圖，顯示了減震材料最優形狀的實例；圖7是根據CAD數據繪制的圖，顯示了減震材料的另一個早期設計階段形狀。
附圖標記的說明1 輸入設備2 運算處理設備2a 最優化控制單元2b CAD單元2c 力學響應量計算單元2d 加工決策檢測單元2e 成本計算單元3 顯示設備4 減震材料4a 孔4b 縫5 內容物M、M1至M8以及Mopt CAD數據具體實施方式
下面將參考附圖，具體地介紹根據本發明的最優形狀設計和設計系統的若干實施例。
在圖1中，號碼1表示輸入設備，它是輸入裝置，用于輸入設計減震材料4所需的設計數據。減震材料4是設計目標，而且包裝所用的減震材料4是以壓模加工的物品。輸入設備1能夠以個人電腦等配備的鍵盤或鼠標或者通過通信線路比如因特網輸入設計數據。
號碼2表示運算處理設備，它執行運算操作，根據從輸入設備1輸入的設計數據，計算減震材料4的最優形狀。號碼3表示顯示設備，比如CRT(布勞恩管)或打印機，它是顯示裝置，用于輸出和顯示由運算處理設備2算出的、減震材料4的最優形狀。顯示設備3也具有讀取功能，讀取數據庫、文件等中存儲的設計結果，以便輸出和顯示所述設計結果。
運算處理設備2包括最優化控制單元2a、CAD單元2b、力學響應量計算單元2c、加工決策檢測單元2d、成本計算單元2e等。最優化控制單元2a是最優化控制裝置，用于控制運算處理單元中執行的運算操作，以便檢測減震材料4的最優形狀。CAD單元2b是CAD裝置，用于根據由輸入設備1輸入的、減震材料4的設計數據，定義減震材料4的減震材料形狀。力學響應量計算單元2c是力學響應量計算裝置，用于檢測力學響應量，對于CAD單元2b定義的、減震材料4的減震材料形狀，包括墜落沖擊中內容物5產生的最大減速度和最大位移以及減震材料4長期使用中產生的蠕變位移其中之一。加工決策檢測單元2d是加工決策檢測裝置，對于CAD單元2b定義的、減震材料4的減震材料形狀，用于檢測加工決策。成本計算單元2e是成本計算裝置，對于CAD單元2b定義的、減震材料4的減震材料形狀，用于檢測加工成本。
正如后面參考圖4的介紹，最優化控制單元2a檢測CAD單元2b根據減震材料4的設計數據產生的CAD數據、力學響應量計算單元2c檢測的力學響應量、加工決策檢測單元2d檢測的加工決策信息和成本計算單元2e檢測的加工成本信息之間的相關關系。最優化控制單元2a改變減震材料4的CAD數據，直至根據相關關系檢測到減震材料4的最優形狀。以減震材料4的最優形狀，減震材料4是可加工的，力學響應量滿足減震材料4的設計數據，并且以減震材料4實現了最低加工成本。最優化控制單元2a根據改變的CAD數據、力學響應量計算單元2c新檢測的力學響應量、加工決策檢測單元2d再次檢測的加工決策信息和成本計算單元2e新檢測的加工成本信息，更新先前的相關關系。最優化控制單元2a根據更新的相關關系，對減震材料4的最優形狀檢測進行最優化運算操作。以減震材料4的最優形狀，力學響應量滿足減震材料4的設計數據，減震材料4是可加工的，并且以減震材料4實現了最低加工成本。
在本實施例中，加工決策檢測單元2d檢測減震材料4是不是可加工的，使得從壓模中取出減震材料4時，橫斷面的橫斷面形狀外周被垂直于圖3、圖5、圖6和圖7所示抽取方向a的多個平面劃分后，從抽取方向a投影時，外周并不彼此交叉。
在本實施例中，參考由力學響應量計算單元2c檢測的力學響應量，力學響應量計算單元2c設定為檢測墜落沖擊中由減震材料4所包裝的內容物5產生的最大減速度和最大位移以及減震材料4長期使用中產生的蠕變位移其中之一。
然后將參考圖2，介紹過程實例，根據本發明的最優形狀設計方法檢測減震材料4的最優形狀。在步驟S1中，通過輸入設備1的鍵盤或者通過通信線路比如因特網輸入設計目標減震材料4的設計數據。
例如，在設計減震包裝減震材料4的最優形狀的情況下，作為設計數據，輸入內容物5的形狀、重量、墜落高度、墜落方向和設計限度(例如，力學響應量限度，比如內容物5產生的最大減速度，內容物5的最大位移以判斷內容物5是否落出底部或減震材料4，以及減震材料4的蠕變位移以判斷長期使用中減震材料4產生的永久應變)以及箱體內外所用材料和減震材料4的機械性質值(例如，應力、減震厚度和最大減速度、最大瞬時應變以及蠕變應變)。需要時也輸入外箱比如瓦楞板箱的尺寸、內容物5在外箱中所處的位置等作為設計條件。
對于外箱和減震材料4所用材料的機械性質值，準備了存儲著機械性質值多種數據的存儲設備或者數據庫文件，根據所用的材料，通過從存儲設備或者數據庫和文件搜索機械性質值，就可以使用這些機械性質值。
輸入了以上的設計數據后，流程進至圖2的步驟S2，在運算處理設備2中使用CAD單元2b產生例如圖3所示的CAD數據M1作為減震材料4的早期設計階段形狀。這時，形狀數據(例如，筋肋或孔的尺寸、角度及有無)定義為設計參數。
可以為先前設計箱體從數據庫選擇CAD數據M并用作早期設計階段的形狀，而不是采用新產生早期設計階段形狀的方法。在這種情況下，選擇圖3和圖7所示數據庫中存儲的減震材料4的多個不同的早期設計階段形狀，減震材料4的所述多個選定的早期設計階段形狀以及每個早期設計階段形狀中包括的形狀數據可以定義為設計參數。
然后，流程進至步驟S3、步驟S4和步驟S5，在步驟S3、步驟S4和步驟S5中，分別對步驟S1中輸入的設計數據和步驟S2中定義的CAD數據M進行以下處理。
在步驟S3中，力學響應量計算單元2c對步驟S2中定義的CAD數據M計算力學響應量。計算力學響應量用于對比設計限度與內容物5產生的最大減速度等。
在力學響應量的計算中，當場適當地輸入減震材料4所用材料的機械性質值對應的力學響應量，或者以搜索引擎從系統數據庫中先前存儲的機械性質值中搜索減震材料4所用材料對應的力學響應量而輸入力學響應量，或者在減震材料4所用材料的力學響應量由關系表達式表示時，由關系表達式計算力學響應量。
另一方面，在步驟S4中，加工決策檢測單元2d通過檢測在以壓模加工減震材料4時，在步驟S2定義的CAD數據M中是否恰當地提供了脫模所用的抽取坡度而檢測加工決策。
在可塑性檢測中，可以使用一種程序，檢查減震材料4橫斷面的橫斷面面積被垂直于抽取方向a的多個平面劃分后，是否沿抽取方向a逐漸減小，同時橫斷面的外周或內周中任何一個是否與另一個外周或內周交叉，也可以通過應用某些CAD軟件(例如Solid Works；SolidWorks公司生產的商品名)配備的抽取坡度確認功能而進行所述檢測。
在步驟S5中，成本計算單元2e對步驟S2定義的CAD數據M計算加工成本。例如，在珠狀泡沫壓模產品用作減震材料4的情況下，材料使用量對應的CAD數據M的體積乘以材料單位成本的數值被用作材料成本，壓模機等的運行成本被用作處理成本，因此算出了加工成本。
在擠壓泡沫壓模產品用作減震材料4的情況下，材料使用量對應的CAD數據M的體積乘以材料單位成本的數值被用作材料成本，切割成本、熱粘合成本、脫模成本等被用作處理成本，就算出了加工成本。
然后，流程進至步驟S6。例如，使用步驟S3、步驟S4和步驟S5中算出的力學響應量、加工決策信息和加工成本信息，繪制出圖3所示CAD數據M1的設計參數、力學響應量、加工決策和加工成本之間的相關關系，如圖4所示。根據所述相關關系確定減震材料4的最優形狀。以所述最優形狀，減震材料4是可加工的，力學響應量滿足減震材料4的設計限度——設計目標，并且加工成本最低。
在確定減震材料4的最優形狀——設計目標的過程中，如果設計條件未滿足，如圖4和圖5所示的CAD數據M2(因為力學響應量超過設計限度而無法進行加工)，或者存在著能夠進一步降低加工成本的減震材料形狀，流程就從步驟S6返回步驟S2，直至確定了最優形狀。如圖4所示，改變CAD數據M，以便更新力學響應量、加工決策和加工成本之間的相關關系，最終確定最優形狀。
在圖4顯示的狀態中，最優化開始于圖3所示的CAD數據M1，CAD數據M1依次改變為CAD數據M2、M3、...M8，例如在第9次最優化中獲得了圖6所示減震材料4最優形狀的CAD數據Mopt。為了確定減震材料4的最優形狀——設計目標，對最優化控制單元2a應用了通用最優化程序，比如iSight(商品名，由Engineous Software公司生產)。
圖7是根據CAD數據繪制的圖，顯示了減震材料的另一個早期設計階段形狀。在圖7中，號碼4a表示減震材料4的四個角落形成的孔，號碼4b表示從孔4a向減震材料4的開口部位延伸的縫。因此，如圖3和圖7所示，選擇數據庫中存儲的減震材料4的多個早期設計階段形狀，減震材料4的所述選定的早期設計階段形狀以及早期設計階段形狀中包括的形狀數據可以定義為設計參數。
在本實施例中，由于將CAD數據M用作設計參數，在確定最優形狀時，方便了繪圖和機器加工NC數據的工作。
另外，除了力學響應量以外，在最優條件中也加入了加工決策和加工成本，所以能夠獲得生產率高的最優形狀，包括處理特征和經濟效益。
工業適用性例如，本發明能夠用于設計方法和設計系統，對減震包裝中所用的減震材料設計最優形狀。
雖然已經以單一的優選實施例介紹了本發明，但是本領域的技術人員將會理解，本發明能夠以附帶的權利要求書的實質和范圍之內的修改實施。
權利要求
1.一種最優形狀設計方法，其特征在于，在關于被定義為減震材料CAD數據的減震材料形狀，檢測力學響應量的同時，檢測被定義為CAD數據的所述減震材料形狀的加工決策，所述減震材料CAD數據根據減震包裝中所用的所述減震材料的設計數據而產生，所述力學響應量至少包括墜落沖擊中內容物產生的最大減速度和最大位移以及所述減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；檢測所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系；在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀之前，一直改變所述減震材料CAD數據；以及根據改變的所述減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系，檢測到根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀。
2.一種最優形狀設計方法，其特征在于，關于被定義為減震材料CAD數據的減震材料形狀，檢測力學響應量的同時，檢測被定義為CAD數據的所述減震材料形狀的加工決策，并且關于被定義為CAD數據的所述減震材料形狀檢測加工成本，所述減震材料CAD數據根據減震包裝中所用的所述減震材料的設計數據而產生，所述力學響應量至少包括墜落沖擊中內容物產生的最大減速度和最大位移以及所述減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；檢測所述減震材料CAD數據、所述力學響應量、所述加工決策和所述加工成本之間的相關關系；在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件、可加工且加工成本最低的所述減震材料的最優形狀之前，一直改變所述減震材料CAD數據；以及根據所述改變的減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量、所述加工決策和所述加工成本之間的所述相關關系，檢測到根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件的、可加工且加工成本最低的所述減震材料的最優形狀。
3.根據權利要求1或2的最優形狀設計方法，其特征在于，所述減震材料是使用壓模加工的物品，通過所述物品與壓模彼此分離時，各橫斷面的橫斷面形狀外周被垂直于抽取方向的多個平面分割后，從抽取方向投影時并不彼此交叉來檢測加工決策。
4.一種最優形狀設計系統，其特征在于包括輸入裝置，用于輸入減震包裝中所用減震材料的設計數據；CAD裝置，用于根據由所述輸入裝置輸入的減震材料設計數據，定義減震材料形狀；力學響應量計算裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測力學響應量，所述力學響應量至少包括內容物產生的最大減速度和最大位移以及所述減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；加工決策檢測裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測加工決策；最優化控制裝置，用于檢測由所述CAD裝置定義的所述減震材料CAD數據、由所述力學響應量計算裝置檢測的力學響應量和由所述加工決策檢測裝置檢測的加工決策信息之間的相關關系，在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀之前，不斷地改變所述減震材料CAD數據，根據改變的所述減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量和所述加工決策之間的相關關系，檢測到根據已更新的相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件，且可加工的所述減震材料的最優形狀；顯示裝置，用于輸出和顯示由所述最優化控制裝置檢測的所述減震材料最優形狀。
5.一種最優形狀設計系統，其特征在于包括輸入裝置，用于輸入減震包裝中所用減震材料的設計數據；CAD裝置，用于根據由所述輸入裝置輸入的減震材料設計數據，定義減震材料形狀；力學響應量計算裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測力學響應量，所述力學響應量至少包括內容物產生的最大減速度和最大位移以及所述減震材料長期使用中產生的蠕變位移其中之一；加工決策檢測裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測加工決策；成本計算裝置，對由所述CAD裝置定義的所述減震材料形狀檢測加工成本；最優化控制裝置，用于檢測由所述CAD裝置定義的所述減震材料CAD數據、由所述力學響應量計算裝置檢測的所述力學響應量、由所述加工決策檢測裝置檢測的加工決策信息和由所述成本計算裝置檢測的加工成本信息之間的相關關系，在檢測到根據所述相關關系，所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件、可加工且加工成本最低的所述減震材料的最優形狀之前，不斷地改變所述減震材料CAD數據，根據改變的所述減震材料CAD數據，更新所述減震材料CAD數據、所述力學響應量、所述加工決策和所述加工成本之間的相關關系，檢測到根據已更新的相關關系、所述力學響應量滿足所述減震材料設計條件、可加工且加工成本最低的所述減震材料的最優形狀；顯示裝置，用于輸出和顯示由所述最優化控制裝置檢測的所述減震材料最優形狀。
6.根據權利要求4或5的最優形狀設計系統，其特征在于，所述減震材料是使用壓模加工的物品，通過所述物品與壓模彼此分離時，各橫斷面的橫斷面形狀外周被垂直于抽取方向的多個平面分割后，從抽取方向投影時并不彼此交叉來檢測加工決策。
全文摘要
本發明的目的是能夠提供最優形狀設計方法，能夠容易勝任地設計減震包裝中所用減震材料的最優形狀；以及使用所述最優形狀設計方法的最優形狀設計系統。所述最優形狀設計系統結構的特征在于提供了最優化控制單元2a。所述最優化控制單元2a檢測由CAD單元2b所定義減震材料4的CAD數據M、由力學響應量計算單元2c所檢測的力學響應量、由加工決策檢測單元2d檢測加工決策信息和由成本計算單元2e檢測的加工成本信息之間的相關關系。然后，在根據所述相關關系檢測到所述減震材料4的最優形狀之前，所述最優化控制單元2a更新所述減震材料4的CAD數據M。以所述最優形狀，所述力學響應量滿足所述減震材料4的設計條件，所述減震材料4可加工，并且獲得了最低加工成本。然后，所述最優化控制單元2a根據改變的CAD數據M更新所述相關關系，所述最優化控制單元2a根據更新的相關關系檢測減震材料4的最優形狀。
文檔編號G06F17/50GK1829993SQ20048002147
公開日2006年9月6日 申請日期2004年5月25日 優先權日2003年7月24日
發明者佐佐木貴德, 山本敏治, 深澤義人 申請人:旭化成生活制品株式會社