注射模冷却系统布局设计的一种新的C空间方法外文翻译资料
2023-10-09 11:13:10
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注射模冷却系统布局设计的一种新的C空间方法。
摘要
为了支持冷却系统布局设计的自动化，在以往的研究中发展了一种配置空间（C空间）方法。C-空间的主要功能是捕获布局设计的所有可行几何图形，以便使用遗传算法（GA）探索设计空间。本文从两个方面对C空间法作了进一步的推广。该方法克服了以往设计拓扑不可变性的局限性。通过捕获C空间计算过程中产生的有用信息，新方法使遗传算法能够在进化过程中探索设计的几何和拓扑结构。还开发了一种新技术，使该方法能够处理用户定义的布局设计约束。这些约束被附加的C空间所捕获，并且开发了一个特殊的程序来计算冷却系统的C空间并生成候选设计，以便得到的设计始终满足这些约束。本文有力地证明了该方法的有效性，并以一个实际的冷却系统布局设计为例，说明了该方法的可行性。
1. 介绍
冷却系统是注塑模具中最重要的系统之一。由于不均匀冷却会导致翘曲，因此会影响成型件的质量。成型过程的生产率也很大程度上取决于冷却系统，因为在典型的成型过程中，冷却阶段占循环时间的70%以上。对注射模冷却系统进行了大量的研究，这些研究可分为四个主要领域，即CAE分析、优化、特殊制造技术和智能设计工具。早期的工作，如王和他的研究团队[1,2]所开创的工作，主要集中在冷却系统的CAE分析上。这一研究领域产生了商业软件包，如Moldflow[3]和Moldex3d[4]的MPI/COOL模块，这些软件包现在广泛应用于工业，在设计最终确定之前预测冷却系统的性能。还开发了各种优化冷却系统的技术[5–7]。拉姆等[8]报道了一种使用遗传算法（GA）优化冷却系统的冷却通道和工艺参数。以及Matsumori等人[9]开发了一种考虑冷却液流动影响的技术，以确定冷却通道的最佳形状。在特殊的制造方法方面，保形冷却技术[10]已经开发出来，旨在通过保持冷却通道和模具表面之间的恒定距离来实现更均匀的冷却。Sun等人[11,12]报道了一种通过使用CNC铣削生产用作冷却通道的U形槽来实现更好冷却的方法。Au和Yu[13]提出了一种适形冷却设计的脚手架结构。Park和Pham[14]开发了一种优化保形冷却系统的方法，其中估算填充阶段后零件表面的温度分布，然后将零件分割成不同的小零件。每个部分都被分配一个子系统的保形冷却通道，然后进行优化。在智能设计工具领域，MA和Tong[15]开发了一个用于冷却系统交互设计的关联设计工具。除了基本的几何信息外，该工具还获取有关冷却系统详细部件结构的高级知识。当冷却系统的设计或模具结构发生变化时，该工具能够有效地更新冷却系统。莫克等人。[16]开发了智能设计支持工具。基于用户的交互输入，可以根据专家规则从知识库中检索各种冷却系统设计的建议。虽然[15,16]中报告的工作主要集中于提供交互式工具来支持设计过程，但我们的研究旨在开发一种智能设计工具来自动设计冷却系统。冷却系统设计过程包括三个主要设计阶段，即初步设计、布置设计和详细设计。初步设计阶段主要集中在冷却系统的功能方面，主要考虑冷却效果。在布局设计阶段，主要关注的是模具结构中冷却系统的物理实现和设计的可制造性。在详细设计阶段，确定组成冷却系统的部件的几何细节。在我们早期的研究中，开发了一种基于特征的方法来实现初步设计的自动化[17]。为了使布局设计自动化，我们开发了一种基于图形的技术，该技术使用图形结构捕获所有可行的设计。然后将布局设计问题定义为图搜索问题，并使用启发式方法指导搜索过程[18,19]。最近改进了这种自动布局设计方法，引入配置空间（C-空间）技术来捕获给定拓扑中的所有可行几何设计，并使用遗传算法（GA）在所有可行设计中执行更系统的搜索[20]。本文从两个重要方面对C空间法进行了进一步的改进。首先，在设计过程中允许几何结构和拓扑结构的变化，其次，可以实施用户定义的约束。通过这些改进，可以从给定的初步设计中自动生成实际布局设计，包括具有多个入口和多个出口的设计，以及满足用户定义约束的设计。
2. 背景
为了便于讨论在本研究中如何扩展C-空间方法，本节首先简要回顾了我们先前关于C-空间方法的工作中开发的基本概念、术语和方法。这项工作的主要贡献将在后面的章节中介绍。
冷却系统由一系列冷却通道C1、C2、hellip;、CN组成。单独考虑单个通道ci时，其几何结构完全由三个自由度指定，例如，x1和x2表示其中心位置，x3表示其长度。x1、x2和x3所跨越的空间是ci的c空间。ci中的自由区fri代表了ci的所有可行设计，不受模具结构中其他部件的干扰。冷却系统中所有冷却通道的自由度所跨越的空间是C空间SF。SF中的自由区FRF代表了冷却系统的所有可行设计。SF中的任何点对应于每个自由度的唯一值，该值决定系统中每个通道的几何结构，从而使通道连接起来，并且不受模具结构中其他组件的干扰。下面的定理已经证明了frf[20]的构造。
定理1。FRF = cap;i=1 PROJSF (FRi).
直观地说，这个定理表明，要找到frf，所有fri必须首先投影到冷却系统sf的c空间上。然后可以通过在投影之间执行布尔交叉来获得frf。然而，构建FRF直接需要在高维空间中进行处理。因此，我们考虑了frf对每个信道ci的c-空间si的投影，并用pri表示。一个可行的设计可以通过提取一系列点来获得，每个点位于每个通道的pri中。因此，在自动布局设计过程中，一个重要的任务就是为每个通道构建PRI。已经证明[20]每个PRI可以通过一系列投影和交叉点获得，这些投影和交叉点在每个通道的3D C空间SI中运行，而不是在高维C空间SF中运行。证明了以下定理[20]。
定理2。PRi = CRi,1 cap; CRi,nC 其中cri，j是从cj到ci的复合区域，是si中表示ci和cj之间所有通道的自由区域的组合效应的区域。对于冷却系统中的两个相邻通道Ci和Ci 1，
CRi 1,i = PROJSi 1(FRi) cap; FRi 1.
CRi,i 1 = PROJSi (FRi 1) cap; FRi.
上面的操作，通过投影生成一个复合区域，然后再生成一个交点，称为组合操作。
一般来说，当ci和cj不是相邻信道时，可以递归地确定crj和i。
如果i gt; j, CRj,i = PROJSj (CRj 1,i) cap; FRj.
如果 i lt; j, CRj,i = PROJSj (CRjminus;1,i) cap; FRj.
如果i = j, CRj,i = FRi.
在这个公式中，PROJSj (R)表示区域r的投影。（在任何空间）到c-空间Sj。
一旦为每个通道构建了PRi，就可以通过提取PRi中的点序列（对应于Sj中的唯一点）来生成布局设计。生成的布局设计始终是可行的（即不受干扰），并且生成过程是有效的，因为它不涉及任何几何操作，如交叉和投影。这种高效的生成过程使得遗传算法（GA）能够在可行的设计空间内进行系统的探索，从而在大量候选设计中确定最佳的布局设计。更多详细说明请参见参考文献[20]。
3.拓扑变化
上一节中回顾的方法仅限于具有固定拓扑的冷却系统的设计。也就是说，通道集、它们的连通性以及每个新通道的钻取方向都是固定的，并且GA过程只调整每个设计的几何图形。如果在遗传算法的进化过程中允许候选设计的连通性发生变化，那么每当连通性发生变化时，必须再次计算每个候选设计中信道的PRi。
每个通道的自由区域取决于钻孔通道和任何附近障碍物之间的潜在干扰。一般来说，有两个可能的钻孔方向来产生一个通道。图1（a）显示了生产渠道C3可能的钻探方向之一。C3的自由区取决于模具结构中靠近该钻孔通道的其他部件。如图1（b）所示，如果反方向钻孔获得C3，则附近的组分不同，这导致C3的自由区不同。为了考虑钻孔方向的变化，每个通道与两个自由区域相关联，每个方向一个。当钻井方向发生变化时，自由区发生变化，必须更新PRi。
3.1. 复合区域的再利用
为了减少由于上述两个变化而获得PRi的计算要求，有必要设计一个捕获PRi或CRi,j的方案以供重复使用。由于几何和拓扑设计空间的大小不同，这种方案是有用的。对于具有n个通道的初步设计中的每个通道，有三个选项（布局设计中可能有两个钻孔方向，或从布局设计中移除通道），因此拓扑设计空间的大小为3n。几何空间的大小是(alpha;n)r,其中alpha;n是冷却系统的总自由度，r是每个自由度的采样大小。对于1lt;alpha;le;3，n=15，r=100的典型冷却系统，显然几何设计空间比拓扑设计空间大几个数量级。因此，可以预期，在GA过程中生成的候选设计中，很大一部分将是相同或相似的拓扑。如果一个新的候选设计与以前的设计具有完全相同的拓扑结构，那么捕获PRi非常有用。然而，捕获CRi,j更有用，因为如果在未来一代中生成类似的设计，则可以重用它。此外，根据已知的CRi,j，只需要一个交叉口来计算PRi，而计算CRi,j，则需要多个组合运算。
图1。通道的不同钻孔方向。
考虑一个新的设计，如图2所示，通过在原始设计中添加一个额外的通道C5获得。本设计的PRI施工需要10个复合区域，即
CR1,1, CR2,1, CR3,1, CR4,1, CR5,1 a和CR5,5, CR4,5, CR3,5, CR2,5, CR1,5如果原始设计的所有CRi,j都已被捕获，那么三个区域(CR2,1, CR3,1, CR4,1)可以重新使用，八个新的复合区域中只有五个需要计算（CR1,1 = FR1 a和CR5,5 = FR5不需要计算）。但是，新设计中所有通道的pri都需要更新，并且原始设计中的PRi都不能重复使用。因此，捕获CRi,j比捕获PRI更有用。一般来说，在构建具有n个通道的冷却回路的PRi时，需要进行2（n-1）个组合操作。如果通过在现有设计的任一端添加额外的通道获得新设计，则可以重用现有设计的复合区域（n-1），并且新设计所需的合成操作数从2n减少到n 1。图3显示了另一种设计，其中所需的复合区域可以从现有的两种设计中获得。如图所示，新设计的前三个通道和后三个通道分别与现有的两个设计相同。在需要计算的八个组合区域中，一半可以从两个现有设计中获得。
图2。由五个通道组成的冷却系统
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