CN104956369A - 形状最优化解析方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一形态的形状最优化解析方法中，计算机将构造体模型中的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间，在所设定的设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型，将生成了的最优化块模型与构造体模型结合，对最优化块模型设定材料特性，对最优化块模型设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件，对结合了最优化块模型的构造体模型设定用于进行碰撞解析的碰撞解析条件，基于所设定的碰撞最优形状化条件及碰撞解析条件，对最优化块模型执行碰撞解析，运算与最优化块模型中的各立体要素的必要/不必要相关的信息，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。

Description

形状最优化解析方法及装置
技术领域
本发明涉及用于提高例如汽车(automobile)等构造体的刚性(stiffness)并实现轻量化(weight reduction of automotive body)，或者用于提高碰撞特性(crash worthiness)并实现轻量化的、构造体的形状最优化解析方法及装置。需要说明的是，在本说明书中称为形状最优化的情况下，是指，不是设想预先规定的形状，例如设想T字形状而以该形状为前提来求出最优的形状，而是不设想规定的形状而求出满足解析条件的最优选的形状。
背景技术
近年来，特别是在汽车产业中，以环境问题为起因的车身整体(fullvehicle)的轻量化不断发展，车身(automotive body)的设计不可缺少基于计算机辅助工程学的解析(以下，称为“CAE(computer aidedengineering)解析”)的技术。在该CAE解析中，已知通过使用数理最优化(mathematical optimization)、板厚最优化、形状最优化(shapeoptimization)、拓扑最优化(topology optimization)等最优化技术来实现刚性的提高、轻量化的情况。例如，CAE解析的最优化技术经常使用于发动机组等的铸件的构造最优化。在这样的CAE解析的最优化技术中，尤其是拓扑最优化逐渐引起关注。
拓扑最优化是如下的方法：设置某程度的大小的设计空间，向该设计空间装入立体要素(three-dimensional element)，保留满足所赋予的条件且必要最小限度的立体要素的部分，由此形成为满足该条件的最优形状。因此，拓扑最优化中，使用的是对作为设计空间的立体要素直接进行限制且直接施加载荷这样的方法。作为与这样的拓扑最优化相关的技术，在日本特开2010-250818号公报中公开了复杂的构造体的组件的拓扑最优化用的方法。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2010-250818号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
汽车等的构造体主要使用薄板(thin sheet)构成，在进行由这样的薄板构成的车身的一部分的最优化的情况下，难以使该部位独立作为设计空间，并使载荷、限制状态反映于该设计空间。因而，存在难以在构造体的一部分应用最优化技术这样的课题。而且，即使通过立体要素求出最优化形状，也存在应当如何将其适当地反映于薄板构造这样的课题。
日本特开2010-250818号公报公开的技术涉及数学运算方面的方法及解析的物理系统，对于上述的课题没有提供任何的解决手段。近年来，希望开发出用于解决上述课题的技术。
本发明为了解决上述那样的课题而作出，其目的在于提供一种在承受外力尤其是碰撞力的构造体的一部分能够应用最优化技术且有助于构造体的最优化的技术。
【用于解决课题的方案】
为了解决上述的课题并实现目的，本发明的形状最优化解析方法是计算机使用平面要素(two-dimensional element)或立体要素进行构成构造体模型的一部分的最优化的形状最优化解析方法，其特征在于，包括如下步骤：设计空间设定步骤，将所述构造体模型的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成步骤，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；结合处理步骤，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；材料特性设定步骤，对所述最优化块模型设定材料特性；碰撞最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件；碰撞解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行碰撞解析的碰撞解析条件；立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述碰撞最优形状化条件及所述碰撞解析条件，对所述最优化块模型执行碰撞解析，运算与所述最优化块模型的关于碰撞的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及最优形状决定步骤，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。
另外，本发明的形状最优化解析方法是计算机使用平面要素或立体要素进行构成构造体模型的一部分的最优化的形状最优化解析方法，其特征在于，包括如下步骤：设计空间设定步骤，将所述构造体模型的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成步骤，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；结合处理步骤，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；材料特性设定步骤，对所述最优化块模型设定材料特性；刚性最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；刚性解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，运算与所述最优化块模型的关于刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及最优形状决定步骤，基于该运算结果来决定与刚性相关的最优形状。
另外，本发明的形状最优化解析方法以上述的发明为基础，其特征在于，包括如下步骤：刚性最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；刚性解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；及立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，运算与所述最优化块模型的关于碰撞及刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，所述最优形状决定步骤基于执行了碰撞解析时的所述立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果和执行了刚性解析时的所述立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果，决定与碰撞及刚性相关的最优形状。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述碰撞解析条件设定步骤将对于所述构造体模型预先进行碰撞解析而得到的载荷设定作为碰撞载荷。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述材料特性设定步骤在所述构造体模型中的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素中的杨氏模量(Young’smodulus)设定得比所述平面要素中的杨氏模量低。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述材料特性设定步骤在所述构造体模型的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素的应力-变形曲线(stress-straincurve)的应力设定得比所述平面要素的应力-变形曲线的应力低。
另外，在上述的发明中，其特征在于，作为构成所述最优化块模型的立体要素，由五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素构成。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型生成步骤中，生成沿着所述构造体模型中的设置有所述设计空间的周围的面且与设计空间的具有最大面积的面平行地细分立体要素的所述最优化块模型。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型如下所述地生成：在与构成所述构造体模型的平面要素或立体要素的结合部配置节点，使用六面体立体要素作为构成所述最优化块模型的立体要素，并且以沿着包含配置于所述结合部的所述节点的平面的方式堆积立体要素。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型通过由立体要素构成的多个块体组成，并且所述最优化块模型使用刚体(rigidbody)要素、梁(beam)要素或平面要素将该多个块体连结而形成。
另外，本发明的形状最优化解析方法以上述的发明为基础，其特征在于，在基于数值解析的最优化计算中，利用最优化参数进行离散化(discretization)。
另外，本发明的形状最优化解析装置是计算机使用平面要素或使用平面要素与立体要素进行所构成的构造体模型的一部分的形状的基于数值解析(numerical analysis)的最优化计算的形状最优化解析装置，其特征在于，具备：设计空间设定部，在所述构造体模型的一部分上将成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；结合处理部，进行将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合的处理；材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；碰撞最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件；碰撞解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行碰撞解析的碰撞解析条件；碰撞解析部，基于所设定的所述碰撞最优形状化条件及所述碰撞解析条件，对所述最优化块模型执行碰撞解析；立体要素必要/不必要运算部，在进行该碰撞解析时运算与所述最优化块模型的关于碰撞的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及最优形状决定部，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。
另外，本发明的形状最优化解析装置是计算机使用平面要素或使用平面要素与立体要素进行所构成的构造体模型的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算的形状最优化解析装置，其特征在于，具备：设计空间设定部，在所述构造体模型的一部分上将成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；结合处理部，进行将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合的处理；材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；刚性最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；刚性解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；刚性解析部，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析；立体要素必要/不必要运算部，在进行该刚性解析时，运算与所述最优化块模型的关于刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及最优形状决定部，基于该运算结果来决定与刚性相关的最优形状。
另外，本发明的形状最优化解析装置在求出与碰撞相关的最优形状的段落(0019)的发明中，其特征在于，具备：刚性最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；刚性解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；及刚性解析部，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，所述立体要素必要/不必要运算部具有如下功能：在由所述刚性解析部进行刚性解析时，运算与所述最优化块模型的关于碰撞及刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，所述最优形状决定部基于在进行碰撞解析时运算出的与所述各立体要素的必要/不必要相关的信息、在进行刚性解析时运算出的与所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，决定与碰撞及刚性相关的最优形状。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述碰撞解析条件设定部将对于所述构造体模型预先进行碰撞解析(crashworthiness analysis)而得到的载荷设定作为碰撞载荷(crashworthiness load)。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述材料特性设定部在所述构造体模型中的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素中的杨氏模量设定得比所述平面要素中的杨氏模量低。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述材料特性设定部在所述构造体模型的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素的应力-变形曲线的应力设定得比所述平面要素的应力-变形曲线的应力低。
另外，本发明的形状最优化解析装置以上述的发明为基础，其特征在于，构成所述最优化块模型的立体要素由五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素构成。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型生成部生成沿着所述构造体模型中的设置有所述设计空间的周围的面且与设计空间的具有最大面积的面平行地对立体要素进行细分化的所述最优化块模型。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型生成部如下所述地生成所述最优化块模型：在与构成所述构造体模型的平面要素或立体要素的结合部配置节点，使用六面体立体要素作为构成所述最优化块模型的立体要素，并且以沿着包含配置于所述结合部的所述节点的平面的方式堆积立体要素。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述最优化块模型生成部通过由立体要素构成的多个块体组成所述最优化块模型，并使用刚体要素、梁要素或平面要素将该多个块体连结而生成所述最优化块模型。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述立体要素必要/不必要运算部在基于所述数值解析的最优化计算中，利用最优化参数进行离散化。
另外，在上述的发明中，其特征在于，所述立体要素必要/不必要运算部进行基于拓扑最优化的所述最优化计算。
【发明效果】
本发明能够在承受碰撞力等外力的构造体的一部分中应用最优化技术，能够实现车身等构造体的构造的最优化，由此，起到能够提高构造体的碰撞特性、刚性并实现构造体的轻量化这样的效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的形状最优化解析装置的框图。
图2是本发明的实施方式1的构造体模型的一例的说明图。
图3A是在本发明的实施方式1的构造体模型上设定了设计空间的状态的说明图。
图3B是图3A所示的设计空间的从不同角度观察到的图。
图4是向本发明的实施方式1的构造体模型上设定的设计空间装入最优化块模型的状态的说明图。
图5A是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的一例的说明图。
图5B是图5A所示的最优化块模型的由圆形标记包围的部分的放大图。
图6是说明图5A所示的最优化块模型的内部的情况的说明图。
图7A是向本发明的实施方式1的构造体模型装入的最优化块模型与构造体模型进行了结合的状态的说明图。
图7B是图7A所示的最优化块模型与构造体模型的结合状态的从不同角度观察到的图。
图8是说明本发明的实施方式1的作为碰撞解析条件的载荷限制条件的说明图。
图9是说明本发明的实施方式1的作为碰撞解析条件的碰撞物及碰撞部位的说明图。
图10A是相对于本发明的实施方式1的作为比较例的单独的最优化块模型的说明图。
图10B是图10A所示的单独的最优化块模型的从不同角度观察到的图。
图11A是相对于本发明的实施方式1的比较例的单独的最优化块模型的限制条件的说明图。
图11B是图11A所示的单独的最优化块模型的限制状态的从不同角度观察到的图。
图12是表示本发明的实施方式1的形状最优化解析装置的处理的流程的流程图。
图13A是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的另一形态的说明图。
图13B是图13A所示的最优化块模型的由四边形标记包围的部分的放大图。
图14A是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的另一形态的内部的情况的说明图。
图14B是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的又一形态的内部的情况的说明图。
图15是表示本发明的实施方式1的变形例的形状最优化解析装置的一例的框图。
图16是说明在本发明的实施方式1的变形例中设定的刚性解析条件的一例的说明图。
图17是表示图15所示的形状最优化解析装置的处理的流程的流程图。
图18是本发明的实施方式2的设计空间的说明图。
图19是本发明的实施方式2的最优化块模型的生成方法的说明图。
图20是说明在本发明的实施方式2中生成的最优化块模型的说明图。
图21A是说明在本发明的实施方式2中生成的最优化块模型的结合部的说明图。
图21B是图21A所示的最优化块模型的从不同角度观察到的图。
图22是作为本发明的实施方式2的最优化块模型的生成方法的比较例而利用实施方式1的方法来生成最优化块模型的状态的说明图。
图23A是表示相对于本发明的实施方式2的比较例的最优化块模型及结合部的状态的图。
图23B是图23A所示的比较例的最优化块模型的从不同角度观察到的图。
图24是说明本发明的实施方式3的最优化块模型的生成方法中的设计空间的设定的说明图。
图25A是说明本发明的实施方式3的最优化块模型的生成处理的说明图。
图25B是图25A所示的最优化块模型的从不同角度观察到的图。
具体实施方式
以下，基于附图，详细地说明本发明的形状最优化解析方法及装置的优选的实施方式。需要说明的是，没有通过本实施方式来限定本发明。
[实施方式1]
在本实施方式1中，列举对车身的B柱(pillar)的形状进行最优化的情况为例进行说明。如图1所示，本实施方式1的形状最优化解析装置1是进行使用图2示出一例的平面要素，或者使用平面要素和立体要素而构成的构造体模型13的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算的装置。具体而言，形状最优化解析装置1由PC(个人计算机)构成，具有显示装置(display device)3、输入装置(input device)5、存储装置(memory storage)7、作业用数据存储器9、运算处理(arithmetic processing)部11。而且，在运算处理部11上连接显示装置3、输入装置5、存储装置7、作业用数据存储器9。显示装置3、输入装置5、存储装置7及作业用数据存储器9按照运算处理部11的指令进行各功能。
<显示装置>
显示装置3用于计算结果的显示等，由液晶监视器等构成。
<输入装置>
输入装置5用于构造体模型13的文件的显示指示、操作者的条件输入等，由键盘、鼠标等构成。
<存储装置>
在存储装置7内至少存储有图2例示的构造体模型13的文件等各种信息。构造体模型13可以仅由平面要素构成，或者也可以由平面要素与立体要素的组合构成。例如，作为构造体模型13的例子而列举图2所示的车身(body)为例时，车身主要由薄钢板(steel sheet)形成，因此构造体模型13由平面要素构成。而且，构造体模型13在例如是发动机那样的由铸件形成的块体的情况下，由立体要素构成。
<作业用数据存储器>
作业用数据存储器9在其内部具有存储计算结果的数据存储区域9a和用于进行计算处理的作业区域9b。
<运算处理部>
运算处理部11由PC(personal computer)的CPU(central processingunit)构成。以下说明的运算处理部11的各部通过CPU执行规定的程序来实现。运算处理部11的特征在于，具备：设计空间设定部15，在构造体模型13的一部分上设定图3A及图3B示出一例的成为最优化的对象的部分作为设计空间25；最优化块模型生成部17，在所设定的设计空间25内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型27(例如参照图4)；结合处理部18，进行将所生成的最优化块模型27与构造体模型13结合的处理；材料特性设定部19，对最优化块模型27设定材料特性；碰撞最优形状化条件设定部20，对构造体模型13设定用于求出与碰撞相关的最优形状的条件(称为碰撞最优形状化条件)；碰撞解析条件设定部21，设定用于对结合有构造体模型13的最优化块模型27(参照图4)进行碰撞解析的条件(称为碰撞解析条件)；碰撞解析部22，基于所设定的碰撞最优形状化条件及碰撞解析条件，对最优化块模型27执行碰撞解析；立体要素要/不必要运算部23，在进行该碰撞解析时，运算与最优化块模型27的碰撞中的各立体要素的必要/不必要相关的信息；及最优形状决定部24，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。以下，详细说明运算处理部11的各部的结构。
〔设计空间设定部〕
设计空间设定部15在构造体模型13的一部分上设定成为最优化的对象的部分作为设计空间25。在图2所示的构造体模型13中，示出车身的右侧的将B柱的部分包围的部位。在该例中，该部位是成为最优化的对象的部位。在本实施方式1中，设计空间设定部15在构造体模型13中的该部位，具体而言在图2所示的B柱的部位上设定设计空间25。当通过设计空间设定部15在构造体模型13的一部分上设定设计空间25时，如图3A及图3B所示，将该部位的构造体模型13的一部分删除，删除后的部位成为设计空间25。图3B示出设定了设计空间25的状态的从与图3A不同的角度观察到的状态。
需要说明的是，上述的例子是设计空间设定部15通过删除构造体模型13的一部分来设定设计空间25的情况，但也可以在生成构造体模型13时预先设定设计空间25地构成形状最优化解析装置1。在生成构造体模型13时预先设定设计空间25的情况下，生成构造体模型13的生成部自身兼作为设计空间设定部15。即，本发明的设计空间设定部15兼具上述那样的设计空间设定功能和构造体模型13的生成功能。
〔最优化块模型生成部〕
最优化块模型生成部17在利用设计空间设定部15设定的设计空间25内，如图4所示，生成用于进行最优化的解析处理的最优化块模型27。此时，最优化块模型生成部17能够将最优化块模型27生成为进入图3A及图3B所示的在构造体模型13的一部分上设定的设计空间25内的大小且为任意的形状。
而且，最优化块模型生成部17利用立体要素构成最优化块模型27。此时，最优化块模型生成部17中，优选由五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素构成该立体要素。其理由如下。在形成于设计空间25的部位如车身的一部分那样由薄板形成的情况下，希望通过使用最优化块模型27来执行最优化的计算，由此能够反映于薄板的构造体形状地算出最优化块模型27的最优形状。关于这一点，是因为，通过使用五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素来构成最优化块模型27，由此容易满足这样的要求。而且，优选配置均一的尺寸的结构作为构成最优化块模型27的五面体以上的立体要素，由此，能提高最优化的精度。
图4示出呈I字状生成的最优化块模型27作为本发明的一例。而且，在本例中，构成最优化块模型27的立体要素如图5A及图5B所示使用六面体的结构。图5B将图5A所示的最优化块模型27的圆形标记部分放大表示。
图6是表示图5A所示的最优化块模型27的约1/4的高度的内部的情况的图。如图6所示，最优化块模型27的内部的要素尺寸与最优化块模型27的表面的要素尺寸一致。其结果是，各要素尺寸在最优化块模型27整体变得均一。通过这样使要素尺寸细微地均一化，能够进行高精度的解析。
而且，最优化块模型生成部17优选以沿着构造体模型13中的设置有设计空间25的周围的面且与设计空间的具有最大面积的面平行地细分立体要素的方式，生成最优化块模型27。例如图3A及图3B所示，在将车身的B柱设定作为设计空间25的情况下，如图4所示，最优化块模型生成部17生成I字状的最优化块模型27。该最优化块模型27的车外侧的面成为最大面积。最优化块模型生成部17以使该成为最大面积的面与车身的侧面平行的方式生成最优化块模型27。
这样生成最优化块模型27的理由如以下所述。例如车身的B柱由板材(sheet)形成，因此在使用最优化块模型27执行最优化的计算的情况下，希望能得到最优化块模型27的立体要素呈面状地保留那样的计算结果。这是因为，通过将最优化块模型27形成为上述那样的模型结构，该计算结果呈面状地保留的可能性升高，因此，对于实际的情况的利用价值升高。
〔结合处理部〕
结合处理部18进行将生成的最优化块模型27与车身的其他的部位的构造体即构造体模型13中的最优化块模型27以外的部分结合的处理。在该最优化块模型27与构造体的结合处理中，结合处理部18使用刚体要素、板要素或梁要素。此时，结合处理部18为了从构造体模型13(车身)向最优化块模型27准确地传递载荷，优选以将作为设计空间25删除了的部位与构造体模型13(车身)的原来的接合部位反映到最优化块模型27与上述构造体的接合部位中的方式进行结合处理。图7A及图7B是表示进行了本发明的实施方式1的最优化块模型与构造体模型的结合处理的状态的图。图7B是图7A所示的最优化块模型与构造体模型的结合状态的从不同角度观察到的图。图7中，通过结合处理部18结合的最优化块模型27与构造体模型13的结合部29由白线表示。
〔材料特性设定部〕
材料特性设定部19对最优化块模型27设定杨氏模量、比重、屈服强度、表示拉伸强度的应力-变形曲线等材料特性。相对于碰撞，立体要素比平面要素难以变形。因此，在成为解析对象的模型将立体要素与平面要素结合而构成的情况下，由平面要素构成的部位较大地变形，有时会成为与实际形态不同的解析结果。例如，在最优化块模型27与构造体模型13的结合部位由平面要素构成的情况下，当向最优化块模型27施加碰撞载荷时，该结合部位的部位比最优化块模型27更大地变形，与实际形态不符。为了消除这样的问题点，材料特性设定部19如上述那样在构造体模型13中的结合了最优化块模型27的部位由平面要素构成的情况下，将最优化块模型27的立体要素的杨氏模量设定得比该结合部位的平面要素的杨氏模量低(例如一半以下)。由此，没有变形的偏差而能够进行平衡良好的解析。而且，材料特性设定部19也可以是在如上述那样构造体模型13与最优化块模型27的结合部位由平面要素构成的情况下，将最优化块模型27的立体要素的应力-变形曲线的应力设定得比该结合部位的平面要素的应力-变形曲线的应力低。由此，没有变形的偏差，能够进行平衡良好的解析。
〔碰撞最优形状化条件设定部〕
碰撞最优形状化条件设定部20对最优化块模型27设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件。通过该碰撞最优形状化条件设定部20设定的碰撞最优形状化条件包括目的条件和制约条件这两种。目的条件是根据构造体模型13的目的而设定的条件。作为该目的条件，存在有例如使变形能量最小、使产生应力最小、使吸收能量最大等。碰撞最优形状化条件设定部20对于最优化块模型27仅设定一个目的条件。制约条件是在进行最优化解析的基础上施加的制约。作为该制约条件，存在有例如最优化后的最优化块模型27相对于最优化前的最优化块模型27的体积的体积比率即材料体积率、任意的部分的位移等。碰撞最优形状化条件设定部20对于最优化块模型27可以设定多个制约条件。
〔碰撞解析条件设定部〕
碰撞解析条件设定部21对于结合有最优化块模型27的构造体模型13，设定构造体模型13的限制位置、施加碰撞载荷的位置等用于进行碰撞解析的碰撞解析条件。例如，在进行其他车的保险杠从车身的侧方与车身的B柱发生碰撞那样的解析的情况下，如图9所示，碰撞解析条件设定部21制成相当于其他车的保险杠的保险杠模型28。接着，碰撞解析条件设定部21在将该制成了的保险杠模型28向构造体模型13装入后的状态的最优化块模型27(B柱)的规定位置，例如，图8中的白色的四边形表示的位置，设定向图8中的白色的箭头所示的方向发生碰撞的条件(参照图9)。这种情况下，碰撞解析条件设定部21设为不限制构造体模型13的设定。需要说明的是，碰撞解析条件设定部21也可以预先对构造体模型13进行碰撞解析，并将其结果得到的载荷设定作为碰撞载荷。
〔碰撞解析部〕
碰撞解析部22基于如上所述设定的碰撞最优形状化条件及碰撞解析条件，对最优化块模型27执行碰撞解析。在该碰撞解析中，碰撞解析部22使用惯性释放法(inertia relief method)、动态显示法(dynamicexplicit method)。惯性释放法是对于漂浮在宇宙中的构造物或漂浮于水面上的构造物等取得惯性力与外载荷的平衡的构造物进行的静态解析(static analysis)。动态显示法是使用基于已知的物理量决定规定时间经过后的物理量的方法来进行动态解析(dynamic analysis)。因此，碰撞解析部22可以使用例如市售的利用了有限要素(finite element)的解析软件。
〔立体要素必要/不必要运算部〕
立体要素必要/不必要运算部23在由碰撞解析部22进行碰撞解析时运算与最优化块模型27中的各立体要素的必要/不必要相关的信息。作为与各立体要素的必要/不必要相关的信息，存在有例如各立体要素的材料密度(element densities)。立体要素必要/不必要运算部23将最优化块模型27中的各立体要素的材料密度在1.0～0.0的范围内算出并设定。在某立体要素中，若材料密度假设为1.0，则是指该立体要素的整体为材料(对于目的条件而言必要)，若材料密度为0.0，则是指该立体要素的某部分为空孔(不必要)。立体要素必要/不必要运算部23通过执行上述的运算处理，由此对于最优化块模型27的各立体要素中的满足赋予的碰撞最优形状化条件的立体要素，运算表示“必要”的信息(例如，材料密度为0.6以上等)。
立体要素必要/不必要运算部23在构造体模型13的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算中，优选进行最优化参数的离散化。优选作为该离散化的罚系数(penalty coefficient)为2以上或将成为基准的立体要素的尺寸的3～20倍作为限制。通过进行最优化参数的离散化，能够将最优化参数反映到薄板的构造体形状中。而且，立体要素必要/不必要运算部23作为构造体模型13的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算，可以进行基于拓扑最优化的最优化计算即拓扑最优化处理，也可以进行基于其他的计算方式的最优化处理。因此，作为立体要素必要/不必要运算部23，可以使用例如市售的利用了有限要素的解析软件。
〔最优形状决定部〕
最优形状决定部24基于立体要素必要/不必要运算部23的运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。具体而言，最优形状决定部24例如将如上所述生成的最优化块模型27的各立体要素中的不满足赋予的碰撞最优形状化条件的立体要素(例如，材料密度小于0.6的立体要素)删除。由此，最优形状决定部24将仅由满足赋予的碰撞最优形状化条件的立体要素(例如，材料密度为0.6以上)构成的最优化块模型27的形状保留作为其最优形状。需要说明的是，最优形状决定部24也可以对这样得到的最优形状进行平滑化。最优形状决定部24执行上述那样的最优化解析处理，由此，最优化块模型27的立体要素中的满足赋予的解析条件的作为最优的形状的立体要素保留。
在此，应着眼的点是从构造体模型13经由结合部29向最优化块模型27传递载荷的点。即，由于从构造体模型13将载荷向最优化块模型27传递，在最优化计算的过程中，最优化块模型27变形且载荷的朝向等改变，但是反映该时时刻刻的载荷的朝向等的载荷条件，最终赋予最优的形状的点。
关于这一点，示出比较例而详细进行说明。图10A及图10B图示出将图4所示的I字状的最优化块模型27不向构造体模型13的设计空间25装入而作为单体的模型的情况。图10B是图10A所示的单独的最优化块模型的从不同角度观察到的图。图11A及图11B相对于图10A及图10B所示的单独的最优块模型27，图示出对于与图7A及图7B所示的结合部29相同的部位设定了限制条件的部分即限制部31。图11B是图11A所示的单独的最优化块模型的限制状态的从不同角度观察到的图。图11A对应于图10A，图11B对应于图10B。对图11A及图11B所示的限制部31进行限制，通过与上述的向构造体模型13装入的情况同样的解析条件进行了最优化处理解析。
其结果是，在将最优化块模型27以单体取出而进行最优化的处理的比较例和向构造体模型13中装入最优化块模型27进行最优化的处理的本发明的实施方式1中，最优化块模型27的最优的形状完全不同。并且，这样的形状的差异在例如碰撞性能提高率上成为不同的结果。因此，在本发明中将构造体模型13与最优化块模型27结合的原因不仅仅是限制最优化块模型27，而且经由结合部29在构造体模型13与最优化块模型27之间传递载荷，由此能够求出实用上能够活用的最优形状。关于这一点，在后述的实施例中进行详细说明。
接下来，基于图12所示的流程图，说明使用上述那样构成的形状最优化解析装置1实际执行解析时的处理的流程。需要说明的是，以下说明的处理如下所述地实现：操作者通过输入装置5对计算机进行指示，由此计算机的运算处理部11的各功能部(设计空间设定部15、最优化块模型生成部17、结合处理部18、材料特性设定部19、碰撞最优形状化条件设定部20、碰撞解析条件设定部21、碰撞解析部22、立体要素必要/不必要运算部23及最优形状决定部24)适当执行上述的各处理，从而实现。
操作者通过输入装置5而指示构造体模型13的文件读出，由此计算机从存储装置7读出构造体模型13，显示于显示装置3(S1)。接着，操作者在所显示的构造体模型13中，设定成为最优化处理的对象的设计空间25。具体而言，操作者通过进行输入装置5的输入操作，指定在构造体模型13中作为设计空间25的部位的坐标，进行将该部位的要素删除的指示。通过进行该指示，计算机的设计空间设定部15进行删除该部位的要素的处理，从而设定设计空间25(S3)。
当设定设计空间25时，操作者对最优化块模型生成部17指示向设计空间25进入的大小的最优化块模型27的生成。作为该指示，包括以设计空间25的哪个面为基准而生成最优化块模型27这样的指示。例如，在图3A及图3B所示的构造体模型13的设计空间25生成图4及图5A所示的最优化块模型27的情况下，当作出以最优化块模型27的前后方向的面为基准而生成最优化块模型27这样的指示时，计算机的最优化块模型生成部17将所述面沿车身的前后方向压出而生成网格化了的最优化块模型27(S5)。
生成最优化块模型27后，操作者指示最优化块模型27与构造体模型13的结合。该指示包括使用刚体要素、板要素或梁要素中的哪个要素作为结合要素的情况。计算机的结合处理部18接受指示，进行最优化块模型27与构造体模型13的结合处理(S7)。
上述的结合处理完成后，操作者设定最优化块模型27的材料特性(S8)。此时，操作者进行输入装置5的输入操作，输入杨氏模量、比重、屈服强度、表示拉伸强度的应力-变形特性等材料特性。计算机的材料特性设定部19将该输入的材料特性对于如上述那样与构造体模型13结合的最优化块模型27设定。然后，操作者设定碰撞最优形状化条件(S9)。此时，操作者进行输入装置5的输入操作，作为碰撞最优形状化条件，如前述那样输入使变形能量最小、使吸收能量最大等的目的条件、及材料体积率等的制约条件。计算机的碰撞最优形状化条件设定部20将该输入了的碰撞最优形状化条件向最优化块模型27设定。
操作者接着设定与最优化块模型27碰撞的碰撞物(例如，图9所示的其他车的保险杠模型28等)、施加碰撞载荷的位置等碰撞解析条件(S 10)。此时，操作者进行输入装置5的输入操作，输入上述的碰撞解析条件。计算机的碰撞解析条件设定部21将该输入后的碰撞解析条件向如上述那样结合有最优化块模型27的构造体模型13设定。
接下来，计算机的碰撞解析部22及立体要素必要/不必要运算部23基于上述设定的碰撞最优形状化条件及碰撞解析条件，对最优化块模型27执行碰撞解析，通过运算求出与最优化块模型27中的各立体要素的必要/不必要相关的信息(S11)。即，计算机的碰撞解析部22对于最优化块模型27执行上述的碰撞解析。计算机的立体要素必要/不必要运算部23在该碰撞解析时，运算与最优化块模型27中的各立体要素的必要/不必要相关的信息。接着，计算机的最优形状决定部24基于如上述那样求出的与必要/不必要相关的信息，决定与最优化块模型27的碰撞相关的最优形状(S13)。
操作者制成通过最优化计算等而得到的形状模型，基于该模型，通过其他的构造解析计算进行刚性的确认。
如以上那样，在本实施方式1中，将构造体模型13中的成为最优化的对象的部位设定作为设计空间25，在所设定的设计空间25生成最优化块模型27，将该最优化块模型27与构造体模型13结合而执行碰撞解析，因此从与构造体模型13的结合部29向最优化块模型27适当地进行载荷传递，能够高精度地算出最优化块模型27的最优的形状。由此，例如车身构造能够最优化，碰撞特性能够提高，能够将车身等构造体的碰撞性能保持为规定值并实现该构造体的轻量化。
需要说明的是，在上述的说明中，说明了，作为构成最优化块模型27的立体要素而列举图5A及图5B所示的六面体为例，作为其他的立体要素，优选通过五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素来构成最优化块模型27。然而，本发明并未排除使用图13A及图13B所示那样的四面体作为构成最优化块模型27的立体要素的情况。图13A及图13B是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的其他的形态的说明图。图13A是表示本发明的实施方式1的最优化块模型的其他形态的一例的图。图13B是将图13A所示的最优化块模型的由方形标记包围的部分放大表示的放大图。如图13A及图13B所示，在使用四面体要素作为构成最优化块模型27的立体要素的情况下，能够仅制成设计空间25的外形且内部自动地填埋而进行模型生成。然而，作为立体要素的形状，在由三角形构成的3面的前端相邻的部位具有尖端，因此存在难以将最优化块模型27反映于薄板的构造体这样的问题。
图14A及图14B表示由四面体要素构成的最优化块模型27的约1/4的高度的内部的情况。图14A表示使内部的要素尺寸与表面的要素尺寸一致，在最优化块模型27整体成为均一的要素尺寸地生成的最优化块模型27的内部的情况。通过这样使整体的要素尺寸与表面的要素尺寸一致且变细，能够进行高精度的解析。需要说明的是，构成最优化块模型27的要素的尺寸也可以不是上述那样均一的尺寸。例如图14B所示，最优化块模型27也可以从表面到内部而要素尺寸逐渐变大(渐进)地生成。
需要说明的是，在上述的说明中，说明了进行与构造体的碰撞相关的最优化的情况，但也可以还考虑刚性，对构造体进行与碰撞及刚性相关的最优化。图15是例示本发明的实施方式1的变形例的形状最优化解析装置的结构的框图。在进行构造体的与碰撞及刚性相关的最优化的情况下，本变形例的形状最优化解析装置41如图15所示，除了上述的实施方式1的形状最优化解析装置1的结构之外，还具有：刚性最优形状化条件设定部43，设定用于求出最优化块模型27的与刚性相关的最优形状的条件(称为刚性最优形状化条件)；刚性解析条件设定部45，设定用于对结合有最优化块模型27的构造体模型13进行刚性解析的条件(称为刚性解析条件)；及刚性解析部47，基于所设定的刚性最优形状化条件及刚性解析条件，对最优化块模型27执行刚性解析。需要说明的是，在图15中，对于与形状最优化解析装置1同样的结构部，标注同一标号。而且，作为本变形例的刚性最优形状化条件，可列举例如目的条件、制约条件等。作为本变形例的刚性解析条件，可列举例如载荷限制条件等。
刚性最优形状化条件设定部43与碰撞最优形状化条件设定部20同样，将通过输入装置5输入的目的条件和制约条件作为刚性最优形状化条件而向最优化块模型27设定。作为该目的条件，存在有例如使刚性最大、使位移最小、使应力最小等。而且，作为该制约条件，存在有例如材料体积率、任意的部分的位移等。
刚性解析条件设定部45将通过输入装置5输入的载荷限制条件作为刚性解析条件，向结合有最优化块模型27的构造体模型13设定。例如，计算扭转那样的载荷作用于构造体模型13时的最优化块模型27的最大刚性的情况下，如图16所示，刚性解析条件设定部45设定构造体模型13的一例的车身的4个部位a、部位b、部位c、部位d，限制其中的三个部位，向剩余的一个部位施加载荷的条件作为构造体模型13的载荷限制条件。
刚性解析部47基于如上所述设定的刚性最优形状化条件及刚性解析条件，对最优化块模型27执行刚性解析。本变形例的形状最优化解析装置41的立体要素必要/不必要运算部23具有在由刚性解析部47进行刚性解析时运算与最优化块模型27的关于碰撞及刚性的各立体要素的必要/不必要相关的信息的功能。因此，本变形例的立体要素必要/不必要运算部23在由碰撞解析部22进行碰撞解析时及由刚性解析部47进行刚性解析时这两方，分别运算与最优化块模型27中的各立体要素的必要/不必要相关的信息。
而且，在本变形例中，最优形状决定部24基于在进行碰撞解析时运算的与各立体要素的必要/不必要相关的信息、在进行刚性解析时运算的与各立体要素的必要/不必要相关的信息，综合地决定与碰撞及刚性相关的最优形状。例如，在与各立体要素的必要/不必要相关的信息是各立体要素内的材料密度的情况下，最优形状决定部24按照碰撞解析使用的最优化块模型27和刚性解析使用的最优化块模型27的对应的各立体要素，求出材料密度的平均值，基于该平均值来决定删除的要素。由此，最优形状决定部24基于碰撞解析的结果和刚性解析的结果，能够进行最优化块模型27的综合性的最优形状的决定。
接下来，基于图17所示的流程图，说明使用上述的结构的形状最优化解析装置41执行本变形例的解析时的处理的流程。图17所示的处理步骤中，到步骤S1～S11为止与使用图12的流程图说明的步骤相同，因此省略其说明。在本变形例中，在步骤S7中进行了最优化块模型27与构造体模型13的结合之后，在步骤S8中，对最优化块模型27设定材料特性，然后，与后述的步骤S21～S23的处理并行地另行进行步骤S9～S11的处理。
计算机的形状最优化解析装置41在步骤S7中进行了最优化块模型27与构造体模型13的结合之后，在步骤S8中，对最优化块模型27设定材料特性，然后，对最优化块模型27设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件(S21)。接着，形状最优化解析装置41设定用于对结合有最优化块模型27的构造体模型13进行刚性解析的刚性解析条件(S22)。
接着，计算机的形状最优化解析装置41基于上述设定的刚性最优形状化条件及刚性解析条件，对最优化块模型27执行刚性解析，运算与最优化块模型27的关于刚性的各立体要素的必要/不必要相关的信息(S23)。然后，形状最优化解析装置41基于在步骤S11中进行碰撞解析而求出的立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果、在步骤S23中进行刚性解析而求出的立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果，决定最优化块模型27的与碰撞及刚性相关的最优形状(S24)。在本变形例中，步骤S23即执行了刚性解析时的立体要素必要/不必要运算步骤如图17所示，是与步骤S11即执行了碰撞解析时的立体要素必要/不必要运算步骤不同的运算处理步骤。
如上所述，在本变形例的形状最优化解析装置41中，对结合有最优化块模型27的构造体模型13进行刚性解析，因此从与构造体模型13的结合部29向最优化块模型27适当地进行载荷传递的点与碰撞解析的情况同样。因此，根据碰撞特性及刚性这双方能够高精度地运算与构造体模型13中的各立体要素的必要/不必要相关的信息。因此，在基于该信息而决定的最优形状中，精度也良好。
[实施方式2]
本实施方式2涉及最优化块模型生成部17的其他的形态，在与构成构造体模型13的平面要素或立体要素的结合部配置节点(node)，作为构成最优化块模型27的立体要素而使用六面体立体要素，并以沿着包含配置于所述结合部的节点的平面的方式堆积立体要素地进行最优化块模型生成。以下，参照附图具体地说明。
图18示出在表示车身的构造体模型13的后侧梁的部分上设定了设计空间25的状态。如图18所示，在该例子中，在由平面要素构成的构造体模型13与后述的图20所示的最优化块模型27的立体要素的结合位置存在与基准轴面不平行的情况。适用于这样的情况的是本实施方式2。
本实施方式2中的最优化块模型生成部17除了上述的实施方式1的最优化块模型生成功能之外，还兼具以下所示的最优化块模型生成功能。具体而言，最优化块模型生成部17如图19所示，在车身的侧面中将删除了构造体模型13的部位存在的节点利用直线连结，通过板要素制成用于制成最优化块模型27的成为基准的基准面33。最优化块模型生成部17当生成基准面33时，将该基准面33沿车宽方向以通过节点共有进行一体化的方式压出而生成最优化块模型27。
在本实施方式2中生成了最优化块模型27的状态如图20、图21A及图21B所示。图20是所生成的最优化块模型27的放大图。图21A及图21B是在最优化块模型27图示了结合部29的图。图21B示出从与图21A不同的角度观察到的最优化块模型27。这样，最优化块模型生成部17生成基准面33，并使用该基准面33来生成最优化块模型27。由此，具有最优化块模型27与构造体模型13的结合部29的倾斜部位等成为平滑的直线这样的效果。由此，最优化块模型27与构造体模型13(车身)的结合状态变得平滑，其结果是，能得到最优化块模型27与构造体模型13之间的载荷的传递变得准确这样的效果。
作为相对于本实施方式2的比较例，与实施方式1同样，事先不生成基准面33而生成了最优化块模型27的例子如图22、图23A及图23B所示。图22是在比较例中生成了的最优化块模型27的放大图。图23A及图23B是在最优化块模型27图示了结合部29的图。图23B示出从与图23A不同的角度观察到的比较例的最优化块模型27。在图22、图23A及图23B所示的比较例中可知，与图20、图21A及图21B所示的本实施方式2的最优化块模型27及结合部29相比在倾斜部位形成阶梯35，比较例的最优化块模型27及结合部29不平滑。
根据本实施方式2，即使在最优化块模型27的形状具有斜面的情况下，最优化块模型27与构造体模型13(车身)的结合状态变得平滑，其结果是，最优化块模型27与构造体模型13之间的载荷的传递变得准确。
[实施方式3]
在上述的实施方式1、2中，作为基于最优化块生成部17的最优化块模型27的生成处理，示出了利用单体形成最优化块模型27的例子，但是在本实施方式3中，最优化块模型生成部17也可以通过由立体要素构成的多个块来构成最优化块模型27，并使用刚体要素、梁要素或平面要素将该多个块连结而生成最优化块模型27。以下，具体说明本实施方式3的最优化块模型27的生成处理。
图24、图25A及图25B是本实施方式3的最优化块模型的生成方法的说明图。图24是说明本发明的实施方式3的最优化块模型生成的基准面的说明图。图25A是表示本发明的实施方式3的生成最优化块模型的状态的图。图25B是图25A所示的最优化块模型的从不同的角度观察到的图。最优化块模型生成部17除了上述的实施方式1、2的最优化块模型生成功能之外，还兼具本实施方式3的最优化块模型生成功能。在本实施方式3中，最优化块模型生成部17使用实施方式2所示的生成基准面33的方法并通过多个块来生成最优化块模型27。
具体而言，最优化块模型生成部17首先在图18所示的设计空间25生成独立的多个基准面33a、33b(参照图24)。接着，最优化块模型生成部17将图24所示的上部的三角形的基准面33a沿车的前后方向压出，生成如图25A的状态A1所示那样的三棱柱的部分的上部块27a。接着，最优化块模型生成部17将图24所示的下部的基准面33b沿车宽方向压出，生成如图25A的状态A2所示的下部块27b。然后，最优化块模型生成部17通过结合部29将生成了的块彼此、这些上部块27a及下部块27b的结合体即最优化块模型27、构造体模型13(车身)依次结合(参照图25A的状态A3及图25B)。
如上所述，在本实施方式3中，将最优化块模型27分割成多个块而生成，由此不用说由长方体那样的简单形状的块构成的设计空间25，在不是简单形状的设计空间25、例如由复杂的形状的块或包含斜面的块等构成的设计空间25中也能够生成最优化块模型27。
而且，通过将最优化块模型27分割成多个块而生成，由此能够利用平滑的面形成最优化块模型27。由此，能够使最优化块模型27与构造体模型13的接合平滑，其结果是，能够准确地进行最优化块模型27与构造体模型13之间的载荷传递。
需要说明的是，在上述的实施方式3中，可以先生成上部块27a及下部块27b中的任一方，而且，这些块彼此(上部块27a及下部块27b)的结合、上部块27a或下部块27b与车身的结合的顺序在本发明中任意，可以先进行任一方的结合。
而且，在本实施方式3中，最优化基本上以共有节点的空间为对象，因此块结合优选结合面积为20％以下。
而且，根据上述的实施方式1～3及变形例或实施例，没有限定本发明，将上述的各构成要素适当组合而构成的结构也包含于本发明。例如，在本发明中作为最优化的对象的构造体模型的部分没有限定为车身的B柱或后侧梁，也可以是车身的所希望部分。而且，本发明的形状最优化解析方法及装置也可以是，未进行上述的碰撞最优形状化条件的设定处理、碰撞解析条件的设定处理、碰撞解析，进行实施方式1的变形例所示的刚性最优形状化条件的设定处理、刚性解析条件的设定处理、刚性解析处理，进行与最优化块模型的关于刚性的各立体要素的必要/不必要相关的信息的运算处理、基于该运算结果而决定与刚性相关的最优形状的处理。这种情况下，本发明的形状最优化解析装置也可以不具备上述的碰撞最优形状化条件设定部、碰撞解析条件设定部、碰撞解析部。而且，本发明的形状最优化解析方法及装置也可以将上述的实施方式2、3与实施方式1的变形例适当组合。此外，基于上述的实施方式而本领域技术人员等进行的其他的实施方式、实施例及运用技术等全部包含于本发明。
【工业实用性】
如以上那样，本发明的形状最优化解析方法及装置在车身等的构造体的最优化中有用，尤其是适合于将构造体的刚性、碰撞特性的提高和构造体的轻量化一起实现的形状最优化解析方法及装置。
【标号说明】
1 形状最优化解析装置
3 显示装置
5 输入装置
7 存储装置
9 作业用数据存储器
9a 数据存储区域
9b 作业区域
11 运算处理部
13 构造体模型
15 设计空间设定部
17 最优化块模型生成部
18 结合处理部
19 材料特性设定部
20 碰撞最优形状化条件设定部
21 碰撞解析条件设定部
22 碰撞解析部
23 立体要素必要/不必要运算部
24 最优形状决定部
25 设计空间
27 最优化块模型
27a 上部块
27b 下部块
28 保险杠模型
29 结合部
31 限制部
33 基准面
33a 基准面
33b 基准面
35 阶梯
41 形状最优化解析装置
43 刚性最优形状化条件设定部
45 刚性解析条件设定部
47 刚性解析部

Claims (23)

1.一种形状最优化解析方法，是计算机使用平面要素或立体要素进行构成构造体模型的一部分的最优化的形状最优化解析方法，所述形状最优化解析方法的特征在于，包括如下步骤：
设计空间设定步骤，将所述构造体模型的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；
最优化块模型生成步骤，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；
结合处理步骤，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；
材料特性设定步骤，对所述最优化块模型设定材料特性；
碰撞最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件；
碰撞解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行碰撞解析的碰撞解析条件；
立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述碰撞最优形状化条件及所述碰撞解析条件，对所述最优化块模型执行碰撞解析，运算与所述最优化块模型的关于碰撞的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及
最优形状决定步骤，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。
2.一种形状最优化解析方法，是计算机使用平面要素或立体要素进行构成构造体模型的一部分的最优化的形状最优化解析方法，所述形状最优化解析方法的特征在于，包括如下步骤：
设计空间设定步骤，将所述构造体模型的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；
最优化块模型生成步骤，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；
结合处理步骤，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；
材料特性设定步骤，对所述最优化块模型设定材料特性；
刚性最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；
刚性解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；
立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，运算与所述最优化块模型的关于刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及
最优形状决定步骤，基于该运算结果来决定与刚性相关的最优形状。
3.根据权利要求1所述的形状最优化解析方法，其特征在于，包括如下步骤：
刚性最优形状化条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；
刚性解析条件设定步骤，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；及
立体要素必要/不必要运算步骤，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，运算与所述最优化块模型的关于碰撞及刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，
所述最优形状决定步骤基于执行了碰撞解析时的所述立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果和执行了刚性解析时的所述立体要素必要/不必要运算步骤的运算结果，决定与碰撞及刚性相关的最优形状。
4.根据权利要求1或3所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述碰撞解析条件设定步骤将对于所述构造体模型预先进行碰撞解析而得到的载荷设定作为碰撞载荷。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述材料特性设定步骤在所述构造体模型中的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素中的杨氏模量设定得比所述平面要素中的杨氏模量低。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述材料特性设定步骤在所述构造体模型的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素的应力-变形曲线的应力设定得比所述平面要素的应力-变形曲线的应力低。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
作为构成所述最优化块模型的立体要素，由五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素构成。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述最优化块模型生成步骤中，生成沿着所述构造体模型中的设置有所述设计空间的周围的面且与设计空间的具有最大面积的面平行地细分立体要素的所述最优化块模型。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述最优化块模型如下所述地生成：在与构成所述构造体模型的平面要素或立体要素的结合部配置节点，使用六面体立体要素作为构成所述最优化块模型的立体要素，并且以沿着包含配置于所述结合部的所述节点的平面的方式堆积立体要素。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述最优化块模型通过由立体要素构成的多个块体组成，并且所述最优化块模型使用刚体要素、梁要素或平面要素将该多个块体连结而形成。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
在基于数值解析的最优化计算中，利用最优化参数进行离散化。
12.一种形状最优化解析装置，是计算机使用平面要素或使用平面要素与立体要素进行所构成的构造体模型的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算的形状最优化解析装置，所述形状最优化解析装置的特征在于，具备：
设计空间设定部，在所述构造体模型的一部分上将成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；
最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；
结合处理部，进行将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合的处理；
材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；
碰撞最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与碰撞相关的最优形状的碰撞最优形状化条件；
碰撞解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行碰撞解析的碰撞解析条件；
碰撞解析部，基于所设定的所述碰撞最优形状化条件及所述碰撞解析条件，对所述最优化块模型执行碰撞解析；
立体要素必要/不必要运算部，在进行该碰撞解析时运算与所述最优化块模型的关于碰撞的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及
最优形状决定部，基于该运算结果来决定与碰撞相关的最优形状。
13.一种形状最优化解析装置，是计算机使用平面要素或使用平面要素与立体要素进行所构成的构造体模型的一部分的形状的基于数值解析的最优化计算的形状最优化解析装置，所述形状最优化解析装置的特征在于，具备：
设计空间设定部，在所述构造体模型的一部分上将成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；
最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间内生成由立体要素构成且用于进行最优化的解析处理的最优化块模型；
结合处理部，进行将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合的处理；
材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；
刚性最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；
刚性解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；
刚性解析部，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析；
立体要素必要/不必要运算部，在进行该刚性解析时，运算与所述最优化块模型的关于刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息；及
最优形状决定部，基于该运算结果来决定与刚性相关的最优形状。
14.根据权利要求12所述的形状最优化解析装置，其特征在于，具备：
刚性最优形状化条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出与刚性相关的最优形状的刚性最优形状化条件；
刚性解析条件设定部，对结合了所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行刚性解析的刚性解析条件；及
刚性解析部，基于所设定的所述刚性最优形状化条件及所述刚性解析条件，对所述最优化块模型执行刚性解析，
所述立体要素必要/不必要运算部具有如下功能：在由所述刚性解析部进行刚性解析时，运算与所述最优化块模型的关于碰撞及刚性的所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，
所述最优形状决定部基于在进行碰撞解析时运算出的与所述各立体要素的必要/不必要相关的信息、在进行刚性解析时运算出的与所述各立体要素的必要/不必要相关的信息，决定与碰撞及刚性相关的最优形状。
15.根据权利要求12或14所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述碰撞解析条件设定部将对于所述构造体模型预先进行碰撞解析而得到的载荷设定作为碰撞载荷。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述材料特性设定部在所述构造体模型中的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素中的杨氏模量设定得比所述平面要素中的杨氏模量低。
17.根据权利要求12～16中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述材料特性设定部在所述构造体模型的结合了所述最优化块模型的部位由平面要素构成的情况下，将所述最优化块模型的立体要素的应力-变形曲线的应力设定得比所述平面要素的应力-变形曲线的应力低。
18.根据权利要求12～17中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
构成所述最优化块模型的立体要素由五面体以上且八面体以下、具有至少一组相互平行的两面的立体要素构成。
19.根据权利要求12～18中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述最优化块模型生成部生成沿着所述构造体模型中的设置有所述设计空间的周围的面且与设计空间的具有最大面积的面平行地对立体要素进行细分化的所述最优化块模型。
20.根据权利要求12～19中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述最优化块模型生成部如下所述地生成所述最优化块模型：在与构成所述构造体模型的平面要素或立体要素的结合部配置节点，使用六面体立体要素作为构成所述最优化块模型的立体要素，并且以沿着包含配置于所述结合部的所述节点的平面的方式堆积立体要素。
21.根据权利要求12～20中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述最优化块模型生成部通过由立体要素构成的多个块体组成所述最优化块模型，并使用刚体要素、梁要素或平面要素将该多个块体连结而生成所述最优化块模型。
22.根据权利要求12～21中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述立体要素必要/不必要运算部在基于所述数值解析的最优化计算中，利用最优化参数进行离散化。
23.根据权利要求12～22中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述立体要素必要/不必要运算部进行基于拓扑最优化的所述最优化计算。
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