CN105027124A - 形状最优化解析方法及装置 - Google Patents

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Abstract

使用平面要素或立体要素对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化时，将可动部分中的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间，在设定的设计空间内生成由立体要素构成且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最优形状的最优化解析条件，对结合有最优化块模型的构造体模型设定用于进行机构解析的机构解析条件。基于设定了的最优化解析条件及机构解析条件对最优化块模型执行机构解析，求出最优化块模型的最优形状。

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(automotive)构造体的刚性(stiffness)并实现轻量化(weight reduction of automotivebody)，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，不是设想预先规定的形状(例如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来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，成为车身(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。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)，残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手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，实现目的，本发明的形状最优化解析方法使用平面要素(two-dimensional element)或立体要素对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化，其特征在于，包括如下步骤：设计空间设定步骤，将所述可动部分中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生成由立体要素构成且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；最优化解析条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出最优形状的最优化解析条件；机构解析条件设定步骤，对结合有所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行机构解析(computer aided kinematics anddynamics of mechanical systems：机械系统的计算机辅助运动学和动力学)的机构解析条件；及最优形状解析步骤，基于所设定的所述最优化解析条件及所述机构解析条件来对所述最优化块模型执行机构解析，求出所述最优化块模型的最优形状。
另外，以上述的发明为基础，其特征在于，所述机构解析条件设定步骤设定对所述构造体模型预先进行了机构解析的结果所得到的载荷或位移。
另外，以上述的发明为基础，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’s modulus)设定得比所述平面要素中的杨氏模量低。
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，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，以上述的发明为基础，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所述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，以上述的发明为基础，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，以上述的发明为基础，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(rigid body)要素、梁要素或平面要素将该多个块体连结而成。
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(numerical analysis)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使用平面要素或立体要素对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化，其特征在于，具备：设计空间设定部，将所述可动部分中的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间生成由立体要素构成且进行最优化的解析处理的最优化块模型；结合处理部，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；最优化解析条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出最优形状的最优化解析条件；机构解析条件设定部，对结合有所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行机构解析的机构解析条件；及最优形状解析部，基于所设定的所述最优化解析条件及所述机构解析条件来对所述最优化块模型执行机构解析，求出所述最优化块模型的最优形状。
另外，以上述的发明为基础，其特征在于，所述机构解析条件设定部设定对所述构造体模型预先进行了机构解析的结果所得到的载荷或位移。
另外，以上述的发明为基础，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，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，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，以上述的发明为基础，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所述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，以上述的发明为基础，其特征在于，所述最优化块模型生成部如下所述地进行生成：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，以上述的发明为基础，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连结而生成所述最优化块模型。
另外，以上述的发明为基础，其特征在于，所述最优形状解析部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。
另外，以上述的发明为基础，其特征在于，所述最优形状解析部进行基于拓扑最优化的最优化计算。
发明效果
本发明能够在承受外力的构造体的一部分应用最优化技术，能够使车身等的构造体最优化，由此，起到能够提高构造体的可动部分的刚性、碰撞特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的构造体模型的可动部分(门)的说明图。
图3是说明本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分(门)的动作的说明图。
图4A是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法的设计空间的设定处理的图。
图4B是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法的最优化块模型的生成处理的图。
图4C是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法的最优化块模型的结合处理的图。
图5A是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的内部的要素的说明图。
图5B是表示图5A所示的最优化块模型的内部的放大图。
图6是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的结合位置的说明图。
图7是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的结合位置的其他例子的说明图。
图8是说明本发明的实施方式1的机构解析条件的说明图，是说明将门关闭的动作的说明图。
图9是本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分(门)的作为比较例的门单独的模型的说明图。
图10是说明比较例的机构解析条件的说明图。
图11是表示本发明的实施方式1的形状最优化解析方法的处理的流程的流程图。
图12A是说明本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分(门)的最优化块模型的其他的形态的内部的情况的说明图。
图12B是表示图12A所示的最优化块模型的内部的情况的放大图。
图13A是表示本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分中的设计空间以外的部分的一例的图。
图13B是表示本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分中的设计空间以外的部分的其他例子的图。
图13C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图。
图13D是表示本发明的实施方式1的构造体模型与最优化块模型的结合体的其他形态的图。
图14是说明图13所示的门的最优化解析的说明图。
图15是本发明的实施方式2的设计空间的说明图。
图16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17是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18是表示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图。
图19是作为与本发明的实施方式2的最优化块模型的生成方法进行比较的比较例而利用实施方式1的方法生成了最优化块模型的状态的说明图。
图20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的结合部的图。
图21是本发明的实施方式3的最优化块模型的生成方法的说明图。
图22A是表示生成了本发明的实施方式3的最优化块模型的上部分的状态的图。
图22B是表示生成了本发明的实施方式3的最优化块模型的下部分的状态的图。
图22C是表示将本发明的实施方式3的最优化块模型与构造体模型结合后的状态的图。
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]
本实施方式1的形状最优化解析装置1是如下所述的装置：按照操作者的指示，计算机适当使用平面要素及立体要素而对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化。具体而言，本实施方式1的形状最优化解析装置1是对于使用图2示出一例的平面要素、或使用平面要素和立体要素构成的构造体模型13(参照图3)的一部分，进行基于其形状的数值解析的最优化计算的装置。该形状最优化解析装置1如图1所示，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、运算处理部(arithmetic processing)11。而且，在运算处理部11上连接有显示装置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的指令而发挥各功能。
<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内存储有图3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所示的汽车的门14为例时，构成门14的车外侧的外部件14a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)等计算机的CPU(CentralProcessing Unit)构成。以下说明的运算处理部11的各部通过PC的CPU执行规定的程序来实现。运算处理部11具备：设计空间设定部15，将可动部分中的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；最优化块模型生成部17，在设定的设计空间内生成由立体要素构成且进行最优化的解析处理的最优化块模型27(参照图4B等)；结合处理部19，将生成了的最优化块模型27与构造体模型13结合；材料特性设定部20，对最优化块模型27设定材料特性；最优化解析条件设定部21，对最优化块模型27设定用于求出最优形状的条件(称为最优化解析条件)；机构解析条件设定部22，对结合有最优化块模型27的构造体模型13(参照图8)设定用于进行机构解析的条件(称为机构解析条件)；最优形状解析部23，基于所设定的最优化解析条件及机构解析条件而对最优化块模型27执行机构解析，求出最优化块模型27的最优形状。
详细说明运算处理部11的各部的结构。在说明时，列举车身(未图示)的前方左侧的由门框12(参照图3)及门14(参照图2及图3)构成的构造体模型13为例。而且，门14也是构造体模型13的可动部分。
图2是本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分的说明图。图2示出该构造体模型13的可动部分的一例的门14的从车内侧观察的立体图。如图2所示，门14具有设于车外侧的板状的外部件14a、设于车内侧的内部件14b。而且，门14具有：设于外部件14a与内部件14b之间而对门14进行加强的加固(reinforcement)部件(part)(未图示)；用于将设置在车身前方侧的侧面的门14与门框12连结的铰链(hinge)部14d(参照图3)。
门14通过铰链部14d而能够转动地安装于门框12，如图3的状态A1～状态A4所示，以铰链部14d为中心进行转动。这样进行门14的开闭。图3是说明将门14关闭的动作的图。在图3中，状态A1表示门14的打开状态。状态A2、状态A3表示门14从打开状态成为关闭状态的过程。状态A4表示门14的关闭状态。此时，当猛力地关闭门14时，由于离心力、关闭门14时的反力等而外部件14a有时会变形。因此，在本例中，研究了使内部件14b的形状最优化而实现门14的轻量化，并使关闭门14时的外部件14a的变形量最小化的情况。
〔设计空间设定部〕
设计空间设定部15在构造体模型13的可动部分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25。在本实施方式1中，设计空间设定部15将图2所示的门14中的外部件14a以外的部分设定作为设计空间25。图4A～图4C是说明本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分的一例即门14的最优化解析方法的图。图4A是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法中的设计空间的设定处理的图。图4B是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法中的最优化块模型的生成处理的图。图4C是说明本发明的实施方式1的形状最优化解析方法中的最优化块模型的结合处理的图。当由设计空间设定部15在构造体模型13的可动部分的一部分上设定设计空间25时，如图4A所示，将该部位的构造体模型13的一部分即内部件14b(图2)删除，删除后的部位成为设计空间25。图4A示出仅有外部件14a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生成功能。
〔最优化块模型生成部〕
最优化块模型生成部17生成用于对设定的设计空间25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生成为进入设定的设计空间25内的大小且为任意的形状。图4B、图5A及图5B示出在设计空间25生成了最优化块模型27的一例。图5A及图5B是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的内部的要素的说明图。图5A示出图4B所示的最优化块模型27的从图4B中的粗箭头的方向观察到的状态。图5B是将图5A所示的最优化块模型27的前后方向中央部的内部放大图示的图。
而且，最优化块模型生成部17由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优选该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。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，通过使用最优化块模型27来执行最优化的计算，希望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。需要说明的是，在本实施方式1中，如图5B所示，最优化块模型27的整体由六面体要素构成。
而且，最优化块模型生成部17优选以沿着构造体中的设有设计空间25的周围的面且与设计空间25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4A所示，在将门14的内部件14b设定作为设计空间25的情况下，如图4B所示，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车外侧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。例如内部件14b由板材形成，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残留那样的计算结果。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残留的可能性升高，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19进行将生成的最优化块模型27与构造体模型13侧(外部件14a及铰链部14d)结合的处理。在该最优化块模型27与构造体模型13的结合处理中，使用刚体要素、板要素或梁要素。此时，结合处理部19为了在最优化块模型27与外部件14a之间准确地传递载荷，优选以将作为设计空间25而删除的部位与外部件14a的原本的接合部位反映于最优化块模型27与外部件14a的结合部位的方式进行结合处理。图6是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的结合位置的说明图。图6中，作为最优化块模型27的结合位置的一例，图示出外部件14a的车内侧的面与图4C等所示的最优化块模型27的结合部29。结合处理部19在图6所示的结合部29处，利用面将外部件14a与最优化块模型27结合。由此，能够与图2等所示的内部件14b的最优的形状一并地对外部件14a与内部件14b的最优的接合部位进行解析。图7是说明本发明的实施方式1的最优化块模型的结合位置的其他例子的说明图。在图7中，作为最优化块模型27的结合位置的其他例子，示出最优化块模型27与铰链部14d的接合部。在本实施方式1中，如图7所示，铰链部14d由平面要素构成。结合处理部19将上述的最优化块模型27与铰链部14d如图4C所示那样结合。
〔材料特性设定部〕
材料特性设定部20对最优化块模型27设定杨氏模量、比重(specific gravity)、屈服强度(yield strength)、拉伸强度(tensilestrength)等材料特性。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施加载荷时，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20如上述那样在构造体模型13中的结合有最优化块模型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平面要素的杨氏模量低(例如一半以下)。由此，没有变形的偏斜而能够进行平衡良好的解析。
〔最优化解析条件设定部〕
最优化解析条件设定部21对最优化块模型27设定用于求出最优形状的最优化解析条件。通过该最优化解析条件设定部21设定的最优化解析条件存在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，有例如使位移(displacement)最小、使变形能量最小、使产生应力最小、使吸收能量最大等。最优化解析条件设定部21对最优化块模型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，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、产生应力等。最优化解析条件设定部21对最优化块模型27可以设定多个制约条件。
〔机构解析条件设定部〕
机构解析条件设定部22设定用于对结合有最优化块模型27的构造体模型13进行机构解析的机构解析条件。机构解析条件设定部22例如在对关闭门14的动作中的外部件14a的变形量进行解析的情况下，利用铰链部14d将门14能够转动地设置于门框12，设定解析开始时的门14的位置、门14的关闭速度等。需要说明的是，机构解析条件设定部22也可以对构造体模型13预先进行机构解析，并设定其结果得到的载荷、位移等。
〔最优形状解析部〕
最优形状解析部23基于上述设定的机构解析条件而执行机构解析，并基于最优化解析条件而执行最优化解析，从而求出最优化块模型27的最优形状。图8是说明本发明的实施方式1的机构解析条件的说明图，是说明关闭门14的动作的说明图。在图8中，状态B1表示门14的打开状态。状态B2、状态B3表示门14从打开状态成为关闭状态的过程。状态B4表示门14的关闭状态。
当最优形状解析部23开始解析时，门14以铰链部14d为中心转动(参照图8所示的状态B1～状态B3)，当门14关闭时，外部件14a与门框12发生碰撞(参照图8所示的状态B4)。当门14开始旋转时，离心力作用于最优化块模型27。门14关闭，当门框12与外部件14a碰撞时产生反力，该反力从外部件14a经由结合部29(参照图6)传递而作用于最优化块模型27。而且，此时，在最优化块模型27上瞬间地产生负的加速度(acceleration)。因此，在最优化块模型27上作用有与质量对应的惯性力(inertia force)。这样，在最优化块模型27上作用有上述3个力(离心力(centrifugal force)、反力(reaction force)、惯性力)。
需要说明的是，最优形状解析部23在基于数值解析的最优化计算即最优化解析中，优选进行最优化参数的离散化。优选作为该离散化中的罚系数(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于薄板的构造体形状。最优形状解析部23中，作为最优化解析，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最优化计算方式的最优化处理。因此，作为最优形状解析部23，可以使用例如市售的使用了有限要素(finite element)的解析软件。最优形状解析部23执行最优化解析处理，由此最优化块模型27的立体要素中的满足所赋予的解析条件的最优的形状的立体要素残留。
在此，应着眼的点如上所述是当门框12与外部件14a碰撞时产生反力，通过该反力经由结合部29从外部件14a向最优化块模型27传递这样的、与实际的车身产生的载荷传递同样的载荷传递，从而能够进行解析的点。
关于这一点，示出比较例而详细地进行说明。
图9是本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分的一例即门的作为比较例的门单独的模型的说明图。图9中，作为该比较例的模型，图示出与门14的外部件14a以外的部分(例如内部件41b、铰链部41c)相当的门模型41。图10是说明比较例的机构解析条件的说明图。在比较例中，对该门模型41进行机构解析并进行最优化解析。具体而言，在比较例的最优化解析中，求出假设在门模型41上安装有外部件14a的情况的安装面的位移为最小的形状。在比较例的机构解析中，对于以图10所示的铰链部41c的轴43为中心而使门模型41以规定速度转动了规定角度之后瞬间停止这样的、与关闭门的动作相当的动作进行了解析。此时，在门模型41上作用有转动中的离心力和转动停止时的惯性力的情况与本发明同样，但是在比较例中未使用门框12，因此无法考虑外部件14a向门框12碰撞的现象。而且，在比较例中，由于没有外部件14a，因此无法考虑外部件14a其本身具有的刚性等的特性。
其结果是，在将上述的最优化块模型27设置于门框12而进行机构解析的情况和上述比较例的情况(未将门模型41设置于门框12而进行机构解析的情况)下，成为完全不同的最优形状。并且，这样的形状的差异例如在刚性提高率中成为不同的结果。因此，在本发明中，在构造体模型13上结合最优化块模型27的情况不仅仅是限制最优化块模型27，而且通过使载荷传递，因为能够求出实际应用上能够有效利用的最优形状。关于这一点，在后述的实施例中详细地进行说明。
接下来，基于图11所示的流程图，说明使用如上所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向计算机作出指示，由此计算机适当执行运算处理部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19、材料特性设定部20、最优化解析条件设定部21、机构解析条件设定部22及最优形状解析部23)的上述的各处理，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，操作者在构造体模型13中指定作为设计空间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)。
设定设计空间25后，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，在生成图4B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将所述面沿车宽方向压出而生成网格化的最优化块模型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(beam)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19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、拉伸强度等材料特性。计算机的材料特性设定部20将该输入了的材料特性设定于如上述那样与构造体模型13结合的最优化块模型27。
然后，操作者设定最优化解析条件(S9)。此时，操作者如前述那样，输入使变形能量最小、使吸收能量最大等的目的条件、及材料体积率等制约条件作为最优化解析条件。操作者接着输入用于对结合有最优化块模型27的构造体模型13进行机构解析的机构解析条件，并基于此，计算机的机构解析条件设定部22设定机构解析条件(S10)。
接着，计算机的最优形状解析部23执行机构解析的计算及最优化解析的计算，执行最优形状解析(S11)。接着，计算机关于通过最优化计算等而最优化块模型27中的必要要素残留的状态，作为最优形状解析的结果而显示于显示装置3(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结合而执行机构解析，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，刚性、碰撞特性能够提高，能够将车身的例示为门的可动部分的刚性、碰撞性能保持为规定值并实现车身等构造体的轻量化。
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12A及图12B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12A、图12B是说明门的最优化块模型的其他的形态的内部的情况作为本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分的一例的说明图。图12A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12B是将图12A所示的最优化块模型的前后方向中央部的内部的情况放大表示的放大图。如图12A、图12B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地进行模型生成。然而，作为立体要素的形状，在由三角形构成的3个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的问题。
在图12B中，将图12A所示的最优化块模型27的前后方向中央部的内部的情况放大图示。图12A所示的最优化块模型27如图12B所示，从表面到内部使要素尺寸逐渐变大(渐进)地生成。需要说明的是，最优化块模型27也可以使内部的要素尺寸对应于表面的要素尺寸而变细，且在最优化块模型27整体成为均一的要素尺寸地生成。这种情况下，能够进行高精度的解析。
需要说明的是，在上述的说明中，将内部件14b作为设计空间25，但设计空间25的设定方法并不局限于此。图13A～图13D是说明门的设计空间的其他的形态作为本发明的实施方式1的构造体模型的可动部分的一例的说明图。图13A是表示该可动部分中的设计空间以外的部分的一例的图。图13B是表示该可动部分中的设计空间以外的部分的其他例子的图。图13C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图。图13D是表示本发明的实施方式1的构造体模型与最优化块模型的结合体的其他形态的图。例如，设计空间25也可以设定在图13A所示的外部件14a及图13B所示的内部件14b以外的部分。这种情况下，与图4B的情况相比，仅内部件14b以外的部分生成作为最优化块模型27(参照图13C)。将外部件14a、内部件14b、最优化块模型27结合的结构(相当于门14)如图13D所示。这种情况下，当执行与将上述的外部件14a以外的部分作为设计空间25的情况同样的最优形状解析时(参照图14)，在内部件14b的内部残留最优化后的形状。由此，可知将内部件14b如何加强良好。而且，在如上所述在外部件14a及内部件14b以外的部分设定设计空间25的情况下，与将上述的外部件14a以外的部分作为设计空间25的情况相比，通过变更最优化解析条件而能够进行更准确的解析。例如，由于存在内部件14b，因此也可以减少内部件14b以外的材料体积率。
需要说明的是，在上述的例子中，列举以车身的左前方的门14(前门)为对象而进行最优化的情况为例子而进行了说明，但是本发明也可以应用于其他的可动部分。作为其他的可动部分，可列举例如后盖、后门、行李箱等。
[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，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，如此进行最优化块模型生成。以下，参照附图具体地说明。
图15示出在由外部件14a和内部件14b包围的空间的一部分设定设计空间25的状态。在该例子中，如图15所示，在由平面要素构成的构造体模型13与后述的图17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。在这样的情况下应用的是本实施方式2。
在本实施方式2中，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16所示，在设计空间25的内部件14b侧的面中将在删除了构造体模型13的部位存在的节点利用直线连结，通过板要素制成基准面33，所述基准面33成为用于制成最优化块模型27的基准。最优化块模型生成部17在生成基准面33后，将基准面33沿车宽方向以通过节点共有而进行一体化的方式压出而生成最优化块模型27。
本实施方式2的生成最优化块模型27的状态如图17、图18所示。图17是表示生成的最优化块模型27的网格的状态的图。图18在最优化块模型27图示出结合部29的图。这样，最优化块模型生成部17生成基准面33(参照图16)，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的结合状态平滑，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而生成最优化块模型27的例子如图19、图20所示。图19是表示在比较例中生成的最优化块模型27的网格的状态的图。图20是在比较例的最优化块模型27图示了结合部29的图。在图19、图20所示的比较例中，可知，与图17所示的本实施方式2的最优化块模型27相比，在倾斜部位形成台阶35，比较例的结合部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的结合状态也平滑，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，作为基于最优化块模型生成部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。以下，具体说明实施方式3的最优化块模型27的生成处理。
图21及图22A～图22C是本实施方式3的最优化块模型的生成方法的说明图。图22A是表示本发明的实施方式3的生成了最优化块模型的上部分的状态的图。图22B是表示本发明的实施方式3的生成了最优化块模型的下部分的状态的图。图22C是表示本发明的实施方式3的最优化块模型与构造体模型结合后的状态的图。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15所示的设计空间25生成独立的多个基准面33a、33b(参照图21)。接着，最优化块模型生成部17将图21所示的上部的三角形的基准面33a沿车的车宽方向压出，如图22A所示生成三角柱的部分的上部块27a。接着，最优化块模型生成部17将三角柱的下方的基准面33b(参照图21)沿车宽方向压出，如图22B所示生成下部块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22C)。
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，因此不用说可以在由长方体那样的简单形状的块构成的设计空间25中生成最优化块模型27，也可以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，因此块结合在结合面积方面优选为20％以下。
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可动部分的刚性、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
12  门框
13  构造体模型
14  门
14a 外部件
14b 内部件
14d 铰链部
15  设计空间设定部
17  最优化块模型生成部
19  结合处理部
20  材料特性设定部
21  最优化解析条件设定部
22  机构解析条件设定部
23  最优形状解析部
25  设计空间
27  最优化块模型
27a 上部块
27b 下部块
29  结合部
33  基准面
33a 基准面
33b 基准面
35  段
41  门模型
41b 内部件
41c 铰链部
43  轴

Claims (17)

1.一种形状最优化解析方法，使用平面要素或立体要素对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化，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，将所述可动部分中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生成由立体要素构成且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；
最优化解析条件设定步骤，对所述最优化块模型设定用于求出最优形状的最优化解析条件；
机构解析条件设定步骤，对结合有所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行机构解析的机构解析条件；及
最优形状解析步骤，基于所设定的所述最优化解析条件及所述机构解析条件来对所述最优化块模型执行机构解析，求出所述最优化块模型的最优形状。
2.根据权利要求1所述的形状最优化解析方法，其特征在于，
所述机构解析条件设定步骤设定对所述构造体模型预先进行了机构解析的结果所得到的载荷或位移。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据权利要求1～3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。
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所述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。
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。
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，
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，
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。
9.一种形状最优化解析装置，使用平面要素或立体要素对具有可动部分的构造体模型的一部分进行最优化，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，将所述可动部分中的成为最优化的对象的部分设定作为设计空间；
最优化块模型生成部，在所设定的所述设计空间生成由立体要素构成且进行最优化的解析处理的最优化块模型；
结合处理部，将生成了的所述最优化块模型与所述构造体模型结合；
材料特性设定部，对所述最优化块模型设定材料特性；
最优化解析条件设定部，对所述最优化块模型设定用于求出最优形状的最优化解析条件；
机构解析条件设定部，对结合有所述最优化块模型的所述构造体模型设定用于进行机构解析的机构解析条件；及
最优形状解析部，基于所设定的所述最优化解析条件及所述机构解析条件来对所述最优化块模型执行机构解析，求出所述最优化块模型的最优形状。
10.根据权利要求9所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述机构解析条件设定部设定对所述构造体模型预先进行了机构解析的结果所得到的载荷或位移。
11.根据权利要求9或10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。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的形状最优化解析装置，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。
13.根据权利要求9～12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所述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。
14.根据权利要求9～13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进行生成：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。
15.根据权利要求9～14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连结而生成所述最优化块模型。
16.根据权利要求9～15中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述最优形状解析部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。
17.根据权利要求9～16中任一项所述的形状最优化解析装置，其特征在于，
所述最优形状解析部进行基于拓扑最优化的最优化计算。
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