JP2001297118A - Method and device for optimizing structure - Google Patents

Method and device for optimizing structure

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JP2001297118A
JP2001297118A JP2000113649A JP2000113649A JP2001297118A JP 2001297118 A JP2001297118 A JP 2001297118A JP 2000113649 A JP2000113649 A JP 2000113649A JP 2000113649 A JP2000113649 A JP 2000113649A JP 2001297118 A JP2001297118 A JP 2001297118A
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JP
Japan
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optimization
feature
objective function
unit
area
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JP2000113649A
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Japanese (ja)
Inventor
Norihiko Nonaka
紀彦 野中
Ichiro Nishigaki
一朗 西垣
Makoto Onodera
誠 小野寺
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a structure optimizing device capable of easily preparing an accurate analytical model also by a person having no expert knowledge even when the model has a complicated boundary shape and performing optimization/partial optimization followed by a topological change due to the addition/deletion of ribs, bosses or the like. SOLUTION: The structure optimizing device is provided with a means 101 for selecting an area to be optimized and followed by a topological change and defining a feature, an attribute, a standard, and an optimizing condition, a means 102 for dividing the optimized area into plural small areas, a means 103 for preparing feature definition and a three-dimensional shape, and a means 104 for preparing an analytical model and meshing a calculation area. The device is provided also with a numerical analysis means 105, a means 106 for instructing re-calculation in accordance with the evaluation results of an objective function and a restricting condition, and a means 107 for extracting the combination of feature standards so that the restricting condition is satisfied and the objective function is minimized. Consequently the inserting position of a rib or a boss of a structure can be quickly determined only by specifying an optimized position and partial optimization can be performed by using an analytical model having an accurate shape.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、CAE(Computer
Aided Engineering)における構造最適化方法および構造
最適化装置に係り、特に、リブやボスなどの追加/削除
によるトポロジ変化を伴う構造物の形状の最適化手段に
関する。
The present invention relates to a CAE (Computer)
The present invention relates to a structure optimization method and a structure optimization device in Aided Engineering, and particularly to a means for optimizing a shape of a structure accompanied by a topology change due to addition / deletion of a rib, a boss, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】製品の高剛性化や軽量化のために形状を
変更し最適化することは、設計課題の一つである。従来
の最適化方法の一例としては、熟練設計者の経験と勘に
よる最適化がある。この最適化方法では、熟練設計者
が、最適化対象モデルを設計変更し、変更したモデルの
構造解析や実験により強度や重量などの性能を評価し、
その評価結果に基づきさらに設計変更するという手順を
繰り返し、最適形状を決定する。
2. Description of the Related Art Changing and optimizing the shape of a product to increase its rigidity and reduce its weight is one of design issues. As an example of the conventional optimization method, there is an optimization based on experience and intuition of a skilled designer. In this optimization method, a skilled designer changes the design of the optimization target model, evaluates the performance such as strength and weight by structural analysis and experiments of the changed model,
Based on the evaluation result, the procedure of further changing the design is repeated to determine the optimum shape.

【0003】このとき、熟練設計者は、最適化対象のモ
デルの寸法変更だけでなく、構造物でリブ(補強部材)や
ボス(突起部)などを挿入/削除するトポロジ変化まで考
慮して、設計を変更する。リブやボスなどを挿入/削除
するトポロジ変化まで考慮した形状最適化方法として
は、均質化法を用いた最適化方法が提案されている(K.S
uzuki and N.Kikuchi,A homogenization method for sh
ape and topology optimization Comput.Methods Appl.
Mech.Engrg.93(1991)291−318)。
At this time, a skilled designer considers not only the size change of the model to be optimized, but also the topology change of inserting / deleting ribs (reinforcing members) and bosses (projections) in the structure. Change the design. An optimization method using a homogenization method has been proposed as a shape optimization method that takes into account topological changes such as insertion and deletion of ribs and bosses (KS
uzuki and N. Kikuchi, A homogenization method for sh
ape and topology optimization Comput.Methods Appl.
Mech. Engrg. 93 (1991) 291-318).

【0004】均質化法の概要を説明する。まず、トポロ
ジ変化を伴う最適化領域をボクセルという直交格子に領
域分割する。分割した各小領域を多孔質物質と仮定す
る。見かけ上無数に存在する微小孔により、小領域に対
して孔の空いた状態の弾性テンソルを均質化法により算
出する。算出した弾性テンソルを用いて解析モデル全体
の剛性マトリクスを計算し、有限要素法により構造解析
する。このとき、孔の空いた体積が小領域の体積と同等
の場合、小領域には物質が存在しないことを意味する。
与えられた制約条件の下に、微小孔の数すなわち各小領
域中の孔の空いた部分を最大化すると、強度上不要な部
分を求めて最適化形状を決定できることになる。
An outline of the homogenization method will be described. First, the optimization region with the topology change is divided into regions of an orthogonal lattice called voxels. Each divided small area is assumed to be a porous material. An apparently infinite number of micropores is used to calculate an elastic tensor in a state where holes are made in a small region by a homogenization method. The stiffness matrix of the entire analysis model is calculated using the calculated elastic tensor, and the structural analysis is performed by the finite element method. At this time, if the volume of the hole is equal to the volume of the small region, it means that no substance exists in the small region.
By maximizing the number of micropores, that is, the vacant portions in each small region under given constraints, an optimized shape can be determined by finding a portion that is unnecessary in terms of strength.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には、以
下のような課題がある。まず、熟練設計者の育成には、
膨大な時間やコストを要し、構造物の複雑化に伴い、も
はや設計者の経験や勘だけでは、対応できなくなってい
る。均質化法などのトポロジ変化を伴う最適化技術は、
最適化すべき領域をボクセルという直交格子にすべて分
割するため、複雑な境界形状を有するモデル形状を均質
化法の解析モデルには正確に反映できず、解析精度が低
下する。構造物の一部分に均質化法を適用しようとする
場合、最適化領域をボクセルに分割するため、最適化す
る領域と最適化しない領域との境界が複雑であれば、差
異が生じるので、部分的最適化は困難である。
The above prior art has the following problems. First, to train skilled designers,
It requires enormous amount of time and cost, and with the complexity of the structure, it is no longer possible to respond only by the experience and intuition of the designer. Optimization techniques that involve topology changes, such as the homogenization method,
Since the region to be optimized is all divided into orthogonal grids called voxels, a model shape having a complicated boundary shape cannot be accurately reflected on the analysis model of the homogenization method, and the analysis accuracy decreases. When applying the homogenization method to a part of the structure, the optimization region is divided into voxels. If the boundary between the region to be optimized and the region not to be optimized is complicated, a difference occurs. Optimization is difficult.

【0006】本発明の目的は、複雑な境界形状を持つモ
デルについても、正確な解析モデルを容易に作成でき、
リブやボスなどの追加/削除によるトポロジ変化を伴う
部分的最適化が可能な構造最適化方法および構造最適化
装置を提供することである。
An object of the present invention is to easily create an accurate analysis model even for a model having a complicated boundary shape,
An object of the present invention is to provide a structure optimization method and a structure optimization device capable of performing a partial optimization with a topology change due to addition / deletion of a rib or a boss.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、最適化対象領域を入力し、最適化対象領
域の少なくとも一部の削除または追加によりトポロジ変
化を伴う構造物の最適形状を求める構造最適化方法にお
いて、トポロジ変化を許容する最適化領域を選択し、削
除または追加のフィーチャおよびフィーチャの深さと水
準とを定義し、最適化条件を定義し、選択された最適化
領域を複数の小領域に分割し、分割されたそれぞれの小
領域についてフィーチャおよびその属性の定義に基づき
3次元形状を作成し、3次元形状から解析モデルを作成
し、境界条件および計算条件を定義し、作成された解析
モデルのメッシュを生成し、解析モデル全体を数値解析
し、目的関数および制約条件を評価し、目的関数が最小
であれば終了し、そうでなければ数値解析の再計算を指
令し、制約条件を満たしつつ目的関数が最小になるよう
にフィーチャの水準の組合せを抽出する構造最適化方法
を提案する。
According to the present invention, in order to achieve the above object, an optimization target area is input, and at least a part of the optimization target area is deleted or added to optimize a structure with a topology change. In the structural optimization method for obtaining a shape, an optimization region that allows a change in topology is selected, features to be deleted or added, the depth and level of the feature are defined, optimization conditions are defined, and the selected optimization region is defined. Is divided into a plurality of small areas, a three-dimensional shape is created for each of the divided small areas based on the definition of the features and their attributes, an analysis model is created from the three-dimensional shape, and boundary conditions and calculation conditions are defined. , Generate a mesh of the created analysis model, numerically analyze the entire analysis model, evaluate the objective function and constraints, terminate if the objective function is the minimum, Commands the recalculation of Udenakereba numerical analysis, the objective function is to propose a structure optimization method for extracting a combination of levels of features so as to minimize while satisfying the constraint condition.

【0008】本発明は、また、最適化対象領域を入力
し、最適化対象領域の少なくとも一部の削除または追加
によりトポロジ変化を伴う構造物の最適形状を求める構
造最適化方法において、トポロジ変化を許容する最適化
領域を選択し、削除または追加のフィーチャおよびフィ
ーチャの深さと水準とを定義し、最適化条件を定義し、
選択された最適化領域を複数の小領域に分割し、定義さ
れたフィーチャに関するある初期値から生成関数を用い
て各フィーチャに対する水準の組合せを生成し、分割さ
れたそれぞれの小領域についてフィーチャおよびその属
性の定義に基づき3次元形状を作成し、3次元形状から
解析モデルを作成し、境界条件および計算条件を定義
し、作成された解析モデルのメッシュを生成し、解析モ
デル全体を数値解析し、目的関数および制約条件を評価
し、目的関数が最小であれば終了し、そうでなければ生
成関数を用いて新たな組合せを抽出し、数値解析の再計
算を指令し、設定された目的関数に対する基準値により
受理関数を用い計算された組合せを評価し、評価が達成
されるに従い基準値を減少させ、制約条件を満たしつつ
目的関数が最小になるようにフィーチャの水準の組合せ
を抽出する構造最適化方法を提案する。
The present invention also provides a structure optimization method for inputting a region to be optimized and obtaining an optimum shape of a structure having a topology change by deleting or adding at least a part of the region to be optimized. Select optimization areas to allow, define features to be removed or added, feature depth and level, define optimization conditions,
The selected optimization area is divided into a plurality of sub-areas, a combination of levels for each feature is generated from a certain initial value of the defined feature using a generation function, and the feature and its Create a 3D shape based on the definition of attributes, create an analysis model from the 3D shape, define boundary conditions and calculation conditions, generate a mesh of the created analysis model, numerically analyze the entire analysis model, Evaluate the objective function and constraints, terminate if the objective function is the minimum, otherwise extract a new combination using the generator function, command recalculation of numerical analysis, and Evaluate the combination calculated using the acceptance function based on the reference value, reduce the reference value as the evaluation is achieved, and minimize the objective function while satisfying the constraints. We suggest structural optimization method for extracting a combination of levels of features as.

【0009】本発明は、さらに、上記目的を達成するた
めに、最適化対象領域を入力し最適化対象領域の少なく
とも一部の削除または追加によりトポロジ変化を伴う構
造物の最適形状を求める構造最適化装置において、トポ
ロジ変化を許容する最適化領域を選択し削除または追加
のフィーチャおよびフィーチャの深さと水準とを定義し
最適化条件を定義する最適化計算入力部と、選択された
最適化領域を複数の小領域に分割する領域分割部と、分
割されたそれぞれの小領域についてフィーチャおよびそ
の属性の定義に基づき3次元形状を作成する3次元形状
・フィーチャ作成部と、3次元形状から解析モデルを作
成し境界条件および計算条件を定義し作成された解析モ
デルのメッシュを生成する解析モデル作成部と、解析モ
デル全体を数値解析する解析部と、目的関数および制約
条件を評価し目的関数が最小であれば終了しそうでなけ
れば数値解析の再計算を指令する評価部と、制約条件を
満たしつつ目的関数が最小になるようにフィーチャの水
準の組合せを抽出する水準選択部とを設けた構造最適化
装置を提案する。
In order to achieve the above object, the present invention further provides a structure optimization method for inputting a region to be optimized and obtaining an optimum shape of a structure having a topology change by deleting or adding at least a part of the region to be optimized. An optimization calculation input unit for selecting an optimization region allowing a topology change, defining a deleted or added feature, a depth and a level of the feature, and defining an optimization condition, and an optimization calculation input unit for defining the optimization region. An area division unit that divides a plurality of small areas, a three-dimensional shape / feature creation unit that creates a three-dimensional shape based on the definition of features and their attributes for each of the divided small areas, and an analysis model based on the three-dimensional shape. An analysis model creation unit that creates and defines the boundary conditions and calculation conditions to generate a mesh of the created analysis model, and numerical analysis of the entire analysis model An analysis unit that evaluates the objective function and constraints, and an evaluation unit that instructs recalculation of numerical analysis if the objective function is not the minimum if the objective function is not minimized, so that the objective function is minimized while satisfying the constraints A structure optimization device provided with a level selection unit for extracting a combination of feature levels is proposed.

【0010】この構造最適化装置においては、最適化計
算入力部と領域分割部とフィーチャ作成部と3次元形状
作成部と解析モデル作成部と解析部と評価部と水準選択
部とを任意に組み合わせ、パーソナルコンピュータ,ワ
ークステーション,並列計算機から選択した複数の計算
機に分散して搭載することもできる。
In this structure optimization apparatus, an optimization calculation input unit, a region division unit, a feature creation unit, a three-dimensional shape creation unit, an analysis model creation unit, an analysis unit, an evaluation unit, and a level selection unit are arbitrarily combined. , A plurality of computers selected from a personal computer, a workstation, and a parallel computer.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】図1は、本発明による構造最適化
装置の一実施形態の全体構成を示す系統図である。図1
の構造最適化装置は、最適化計算入力部101と、領域
分割部102と、3次元形状・フィーチャ作成部103
と、解析モデル作成部104と、解析部105と、評価
部106と、水準選択部107と、計算機とからなる。
この計算機は、サーバ機能や全体の動作を統括する機能
を果たす。
FIG. 1 is a system diagram showing the overall configuration of an embodiment of a structure optimizing apparatus according to the present invention. FIG.
The structure optimization apparatus includes an optimization calculation input unit 101, a region division unit 102, and a three-dimensional shape / feature creation unit 103.
, An analysis model creation unit 104, an analysis unit 105, an evaluation unit 106, a level selection unit 107, and a computer.
This computer performs a server function and a function of controlling the overall operation.

【0012】最適化計算入力部101は、トポロジ変化
を伴い最適化すべき領域すなわち最適化領域を選択し、
押し出しフィーチャまたはカットフィーチャを定義し、
最適化条件として、目的関数の定義,制約条件の定義,
最大計算ステップ数を入力する。
The optimization calculation input unit 101 selects a region to be optimized with a topology change, that is, an optimization region,
Define extrude or cut features,
Objective function definition, constraint condition definition,
Enter the maximum number of calculation steps.

【0013】押し出しフィーチャとは、図2aの領域A
の部分を押し出して形状を追加し、新たな全体形状を作
成する手順であり、カットフィーチャとは、図2bの領
域B1,B2の部分を矢印方向に削除し、新たな全体形
状を作成する手順である。本明細書では、押し出しフィ
ーチャとカットフィーチャとを総称して、フィーチャと
いう。
The extruded feature is the area A in FIG.
Is a procedure for extruding a part and adding a shape to create a new overall shape. The cut feature is a procedure for deleting a part of the areas B1 and B2 in FIG. It is. In this specification, an extruded feature and a cut feature are collectively called a feature.

【0014】また、フィーチャの深さおよび水準数とい
うパラメータを導入する。フィーチャの深さとは、押し
出しフィーチャを選択した場合は、押し出し距離を意味
し、カットフィーチャを選択した場合は、カットする距
離を意味する。水準数とは、あるフィーチャについて計
算のために取り上げる条件数を表し、その条件を水準と
いう。
Also, parameters such as the depth of the feature and the number of levels are introduced. The feature depth means an extruding distance when an extruded feature is selected, and a cutting distance when a cut feature is selected. The number of levels represents the number of conditions taken up for a feature for calculation, and the conditions are called levels.

【0015】100度,200度,300度における油
の蒸発量の測定実験を例に取ると、水準とは、実験条件
を表した100度,200度,300度であり、水準数
は、取り上げる実験数である3となる。
Taking an example of a measurement experiment of the amount of oil evaporation at 100 degrees, 200 degrees, and 300 degrees, the levels are 100 degrees, 200 degrees, and 300 degrees representing the experimental conditions, and the number of levels is taken up. The number of experiments is 3.

【0016】領域分割部102は、最適化計算入力部1
01により定義された最適化領域を任意の複数領域に分
割する。
The area dividing section 102 is an optimization calculation input section 1
The optimization area defined by 01 is divided into a plurality of arbitrary areas.

【0017】3次元形状・フィーチャ作成部103は、
最適化の対象となる3次元形状を作成する部分であり、
一般に3次元CAD(Computer Aided Design)と呼ばれ
る。この3次元形状・フィーチャ作成部103は、領域
分割部102で分割されたそれぞれの領域を、最適化計
算入力部101により定義された押し出しフィーチャま
たはカットフィーチャとして定義する。
The three-dimensional shape / feature creation unit 103
This is the part that creates the three-dimensional shape to be optimized.
It is generally called three-dimensional CAD (Computer Aided Design). The three-dimensional shape / feature creation unit 103 defines each area divided by the area division unit 102 as an extruded feature or cut feature defined by the optimization calculation input unit 101.

【0018】解析モデル作成部104は、解析モデルを
作成し、構造解析や熱流体解析などのための物性値,境
界条件,計算条件を定義する。また、作成された解析モ
デルのメッシュを生成する。
The analysis model creation unit 104 creates an analysis model, and defines physical property values, boundary conditions, and calculation conditions for structural analysis, thermal fluid analysis, and the like. In addition, a mesh of the created analysis model is generated.

【0019】解析部105は、構造解析や熱流体解析な
どの数値シミュレーションを実行する。
The analysis unit 105 executes a numerical simulation such as a structural analysis or a thermal fluid analysis.

【0020】評価部106は、目的関数,制約条件を評
価し、評価した結果に基づき再計算を指令し反復させ
る。
The evaluation section 106 evaluates the objective function and the constraint condition, and instructs recalculation based on the evaluation result and repeats the calculation.

【0021】水準選択部107は、最適化計算入力部1
01で定義された制約条件を満たしつつ目的関数を最小
とするように、各小領域ごとに定義されたフィーチャの
水準の組合せを決定する。
The level selection unit 107 is provided with an optimization calculation input unit 1
The combination of the levels of the features defined for each small area is determined so as to minimize the objective function while satisfying the constraint conditions defined in 01.

【0022】図3は、図1の構造最適化装置における処
理手順の一例を示すフローチャートであり、図4は、最
適化対象モデルの一例を示す斜視図であり、図5は、最
適化計算入力部101の入力画面構成の一例を示す図で
ある。なお、3次元モデルAの網掛け部分が剛体に固定
され、点Aおよび点Bに荷重Pが作用するとする。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a processing procedure in the structure optimizing apparatus shown in FIG. 1, FIG. 4 is a perspective view showing an example of a model to be optimized, and FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an input screen configuration of a unit 101. It is assumed that a shaded portion of the three-dimensional model A is fixed to a rigid body, and a load P acts on points A and B.

【0023】ステップ1において、最適化計算入力部1
01は、最適化領域を選択し、フィーチャを定義し、目
的関数,制約条件,最大計算ステップ数を入力する。
In step 1, the optimization calculation input unit 1
In step 01, an optimization area is selected, features are defined, and an objective function, constraints, and the maximum number of calculation steps are input.

【0024】図5に示すように、図4のモデルが、最適
化領域を選択する画面に表示されている。ユーザは、ト
ポロジ変化を伴い最適化すべき領域を選択する。図5で
は、網掛け部分が、ユーザによって定義された最適化領
域である。次に、フィーチャを定義する。ここでは、押
し出しフィーチャとカットフィーチャがあり、少なくと
も一つを選択する。フィーチャの深さおよび水準数を入
力する。ここでは、深さを20とし、水準数を2として
いる。
As shown in FIG. 5, the model of FIG. 4 is displayed on a screen for selecting an optimization area. The user selects a region to be optimized with a change in topology. In FIG. 5, the shaded area is the optimization area defined by the user. Next, features are defined. Here, there are an extruded feature and a cut feature, and at least one is selected. Enter the feature depth and number of levels. Here, the depth is 20 and the number of levels is 2.

【0025】水準数Nは、1≦Nを取る自然数であり、
深さに関する水準である。水準数が1の場合は、深さで
定義された数値を水準に取り、深さが20であれば、水
準は20となる。水準数2の場合は、水準0および深さ
で定義された数値を水準に取り、深さが20であれば、
水準は0および20である。一般に、水準数2≦Nに対
して、 (入力された深さ)*i/(N−1) (i=0…N−1) が水準となる。
The level number N is a natural number taking 1 ≦ N,
It is a level related to depth. If the number of levels is 1, the numerical value defined by the depth is taken as the level, and if the depth is 20, the level is 20. In the case of the number of levels 2, the numerical value defined by the level 0 and the depth is taken as the level.
The levels are 0 and 20. Generally, for the number of levels 2 ≦ N, the level is (input depth) * i / (N−1) (i = 0... N−1).

【0026】目的関数の定義では、この場合、質量が表
示され、質量を選択する。また、目的関数の個数に対す
る制限はなく、複数個の目的関数を選択することも可能
である。
In the definition of the objective function, in this case, the mass is displayed, and the mass is selected. Further, there is no limitation on the number of objective functions, and a plurality of objective functions can be selected.

【0027】制約条件定義では、この場合、ひずみと応
力とが表示され、それそれぞれに数値を入力する。この
とき、制約条件としてひずみを例に取ると、解析結果の
最大ひずみを制約条件とする場合もあるが、最適化対象
モデルの任意の点を画面で入力し、入力された点でのひ
ずみ量を制約条件に取ることもできる。
In the constraint condition definition, in this case, strain and stress are displayed, and numerical values are input to each of them. At this time, taking strain as an example of a constraint, the maximum strain of the analysis result may be used as a constraint, but an arbitrary point of the model to be optimized is input on the screen, and the Can be taken as a constraint.

【0028】最適計算数入力では、最適化計算における
最大反復回数を指定する。
The input of the number of optimum calculations specifies the maximum number of iterations in the optimization calculation.

【0029】図6は、領域分割の一例を示す図である。
領域分割部102では、最適化計算入力部101で選択
された最適化領域を複数の小領域に分割する。図6にお
いては、図5で最適化領域として選択した網掛け部分
が、格子状に分割されている。
FIG. 6 is a diagram showing an example of area division.
The region dividing unit 102 divides the optimization region selected by the optimization calculation input unit 101 into a plurality of small regions. In FIG. 6, the hatched portion selected as the optimization area in FIG. 5 is divided into a grid.

【0030】なお、ここでは、領域を格子状に分割した
が、任意の部分領域に分割してもよい。また、各小領域
同士が重なっている場合もある。
Although the area is divided into a lattice here, it may be divided into arbitrary partial areas. In addition, the small areas may overlap each other.

【0031】フィーチャ定義103Aでは、領域分割部
102で分割された各小領域について、最適化計算入力
部101で定義されたフィーチャを定義する。図7に示
した小領域において、網掛けされた小領域に押し出しフ
ィーチャが定義され、水準20が選択されたとすると、
その小領域が高さ20だけ押し出される。
In the feature definition 103A, the features defined by the optimization calculation input unit 101 are defined for each small area divided by the area division unit 102. In the small area shown in FIG. 7, if an extruded feature is defined in a shaded small area and a level 20 is selected,
The small area is extruded by a height of 20.

【0032】フィーチャ定義103Aでなされるフィー
チャ定義は、領域分割部102で分割されたすべての小
領域について実行され、図8に示すようなテーブルAと
して記憶される。
The feature definition performed by the feature definition 103A is executed for all the small areas divided by the area dividing unit 102, and is stored as a table A as shown in FIG.

【0033】図8において、フィーチャ名は、各小領域
に対応したフィーチャ名であり、水準とは、各小領域ご
とに定義されたフィーチャについて計算するために取り
上げる深さである。この例の押し出し1では、押し出し
距離0と押し出し距離20の2つの計算を取り上げる。
テーブルA内の他のすべてのフィーチャに関しても、同
様に、フィーチャと水準とが対応する。
In FIG. 8, the feature name is a feature name corresponding to each small area, and the level is a depth taken up for calculating a feature defined for each small area. In Extrusion 1 of this example, two calculations of an extrusion distance 0 and an extrusion distance 20 are taken.
Similarly, for all other features in Table A, features and levels also correspond.

【0034】ステップ2では、最適計算を実行する。初
期化処理107では、ステップ1で作成されたテーブル
Aの各フィーチャから1個ずつランダムに水準を選択す
る。3次元形状・フィーチャ作成部103Bは、各フィ
ーチャと選択した水準とに従って、3次元形状を作成す
る。
In step 2, an optimal calculation is performed. In the initialization process 107, a level is randomly selected one by one from each feature of the table A created in step 1. The three-dimensional shape / feature creation unit 103B creates a three-dimensional shape according to each feature and the selected level.

【0035】解析モデル作成部104は、解析モデルを
作成し、境界条件を定義し、計算条件を定義する。ここ
では、図4で示した境界条件を与える。さらに解析モデ
ルのメッシュを生成する。
The analysis model creation unit 104 creates an analysis model, defines boundary conditions, and defines calculation conditions. Here, the boundary conditions shown in FIG. 4 are given. Further, a mesh of the analysis model is generated.

【0036】解析部105は、作成された解析モデルを
与えられた境界条件,解析条件の下で構造解析する。
The analysis unit 105 analyzes the structure of the created analysis model under given boundary conditions and analysis conditions.

【0037】評価部106は、目的関数を評価する。最
適化計算入力部101で定義された制約条件を満足し、
目的関数が最小であれば、そのステップでの形状データ
を最適解として形状モデルを保存する。
The evaluator 106 evaluates the objective function. Satisfy the constraints defined by the optimization calculation input unit 101,
If the objective function is the minimum, the shape model in that step is stored as an optimal solution.

【0038】そうでなければ、水準選択部107は、制
約条件を満たしつつ目的関数が小さくなるように、最適
化手法を用いて、テーブルAから各フィーチャの水準の
組合せを抽出し、3次元形状作成部103Bの手順から
再計算させる。
Otherwise, the level selection unit 107 extracts a combination of the levels of each feature from the table A by using an optimization method so as to reduce the objective function while satisfying the constraint conditions, The calculation is performed again from the procedure of the creation unit 103B.

【0039】なお、計算ステップ数が最大計算ステップ
数より大きくなった場合には、各反復計算で制約条件を
満たしつつ最も小さい目的関数値のステップの結果を最
適形状の最適解とし、形状モデルを保存する。
When the number of calculation steps is larger than the maximum number of calculation steps, the result of the step with the smallest objective function value while satisfying the constraint conditions in each iterative calculation is determined as the optimal solution of the optimum shape, and the shape model is changed. save.

【0040】最適化手法に関しては、種々の手法を選択
できるが、ここではシミュレーテッドアニーリング(Sim
ulated Annealing)法を最適化手法として適用した場合
の例を示す。図9は、シミュレーテッドアニーリング法
を用いた場合の処理手順を示すフローチャートである。
As for the optimization method, various methods can be selected. In this case, the simulated annealing (Sim
An example in which the ulated annialing method is applied as an optimization method will be described. FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure when the simulated annealing method is used.

【0041】最適化計算入力部101,領域分割部10
2,3次元形状作成部103,解析モデル作成部10
4,解析部105における処理手順は、図3の実施形態
と同様であるから、その説明を省略する。
Optimization calculation input unit 101, region division unit 10
2, three-dimensional shape creation unit 103, analysis model creation unit 10
4. The processing procedure in the analysis unit 105 is the same as that in the embodiment of FIG.

【0042】シミュレーテッドアニーリング法は、ある
初期値から生成関数を用いて新たな値を生成する。ここ
では、各フィーチャに対する水準の組合せを生成する。
生成した値において、計算を実行する。次に、ある基準
値(ここでは目的関数に対する基準値)により、受理関数
を用いて計算した結果を評価し、元に生成した値を受理
するかどうか決定する。受理した場合は、生成された値
を初期値として、生成関数でさらに新たな値を生成す
る。この生成・受理というプロセスを平衡状態になるま
で繰り返し、平衡状態に達したら、徐冷関数を用いて次
の基準値を求める(ここでは目的関数を減少させる)。基
準値が停止条件(最小)に達すれば、最適解として計算を
終了する。
In the simulated annealing method, a new value is generated from a certain initial value by using a generating function. Here, a combination of levels for each feature is generated.
Perform calculations on the generated values. Next, based on a certain reference value (here, a reference value for the objective function), the result calculated by using the reception function is evaluated, and it is determined whether or not to accept the originally generated value. If accepted, the generated value is used as an initial value, and a new function is used to generate a new value. This process of generation and acceptance is repeated until an equilibrium state is reached, and when the equilibrium state is reached, the next reference value is obtained using the slow cooling function (here, the objective function is reduced). When the reference value reaches the stop condition (minimum), the calculation is terminated as an optimal solution.

【0043】初期化処理107では、ステップ1で作成
されたテーブルAの各水準から1個ずつランダムに選択
し、それを初期値(組合せA)とし生成関数を用いて新た
な組合せ(組合せB)を決定する。3次元形状・フィーチ
ャ作成部103Bでは、生成関数で生成されたフィーチ
ャの組合せBに従い、3次元形状を作成する。解析モデ
ル作成部104では、解析モデルを作成し、境界条件と
計算条件とを定義し、メッシュを生成する。解析部10
5では、構造を解析する。評価部106では、目的関数
が停止条件(最小)に達すれば、最適解として、そのとき
の形状モデルデータを保存する。
In the initialization process 107, one level is randomly selected from each level of the table A created in step 1 and is set as an initial value (combination A), and a new combination (combination B) is generated by using a generating function. To determine. The three-dimensional shape / feature creation unit 103B creates a three-dimensional shape according to the feature combination B generated by the generation function. The analysis model creation unit 104 creates an analysis model, defines boundary conditions and calculation conditions, and generates a mesh. Analysis unit 10
At 5, the structure is analyzed. When the objective function reaches the stop condition (minimum), the evaluation unit 106 stores the shape model data at that time as an optimal solution.

【0044】そうでなければ、最適化計算入力部101
で定義された目的関数・制約条件を参照して、設定され
た目的関数に対応する基準値に対して受理関数を用い、
計算された値を受理するかどうか決定する。受理しない
場合、水準選択部107で、組合せAを基に生成関数を
用いて新たに各フィーチャの水準の組合せを抽出し、3
次元形状作成部103Bから再計算させる。受理する場
合、水準選択部107にて組合せBを初期値として生成
関数を用いて新たな組合せを抽出し、3次元形状作成部
103Bから再計算させる。上記の反復計算において生
成関数で生成される値が平衡状態になるまで繰り返す。
Otherwise, the optimization calculation input unit 101
With reference to the objective function and constraints defined in, use the acceptance function for the reference value corresponding to the set objective function,
Determine whether to accept the calculated value. If not accepted, the level selection unit 107 extracts a new level combination of each feature using a generation function based on the combination A, and
The calculation is performed again by the dimensional shape creation unit 103B. When accepting, the level selection unit 107 extracts a new combination using the generation function with the combination B as an initial value, and causes the three-dimensional shape creation unit 103B to recalculate the combination. Iterative calculation is repeated until the value generated by the generating function reaches an equilibrium state.

【0045】平衡状態になった場合は徐冷関数を用いて
基準値を下げる。以後、反復計算数が、最大ステップ計
算数より上回った場合は、計算を終了し、各反復計算で
制約条件を満たしつつ目的関数が最も小さいときの結果
を最適解として、そのときの形状モデルデータを保存す
る。
When an equilibrium state is reached, the reference value is lowered using a slow cooling function. Thereafter, if the number of iteration calculations exceeds the maximum number of step calculations, the calculation is terminated, and the result when the objective function is the smallest while satisfying the constraints in each iteration calculation is taken as the optimal solution, and the shape model data at that time is used. Save.

【0046】図10は、以上の手順によって得られたト
ポロジ変化を伴う最適化計算の一例を示す図である。最
適化領域においてリブ形状が発生し、その位置が的確に
認識されている。その結果、質量を軽量化しつつ要求す
る制約条件を満足するリブの挿入位置が得られる。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an optimization calculation involving a topology change obtained by the above procedure. A rib shape is generated in the optimization area, and the position is accurately recognized. As a result, it is possible to obtain a rib insertion position that satisfies the required constraints while reducing the mass.

【0047】図10は、最適化領域を任意に領域分割し
た場合に得られた最適結果である。これに対して、事前
にリブ形状などの設計意図が明確である場合は、図11
に示すように、設計意図を考慮して領域を分割し、本発
明の構造最適化方法を適用すると、リブの挿入位置をよ
り正確に決定できる。
FIG. 10 shows an optimal result obtained when the optimized region is arbitrarily divided into regions. On the other hand, if the design intention such as the rib shape is clear in advance, FIG.
As shown in (1), when the region is divided in consideration of the design intention and the structure optimization method of the present invention is applied, the rib insertion position can be determined more accurately.

【0048】ここでは、対話的な部分すなわち図3また
は図9のステップ1の機能には、パーソナルコンピュー
タを割り当て、ステップ2の機能には、他のパーソナル
コンピュータ,ワークステーション,並列計算機などを
割り当てる実施形態を想定していたが、本発明は、この
割り当て例には、限定されない。作業効率が良く応答が
速い構造最適化装置が得られるように、図1の最適化計
算入力部101〜水準選択部107を任意に組み合わ
せ、パーソナルコンピュータ,ワークステーション,並
列計算機から選択した複数の計算機に分散して搭載する
場合にも、本発明は、有効である。
Here, the personal computer is assigned to the interactive part, that is, the function of step 1 in FIG. 3 or FIG. 9, and another personal computer, workstation, parallel computer, etc. is assigned to the function of step 2. Although a form was assumed, the present invention is not limited to this allocation example. A plurality of computers selected from a personal computer, a workstation, and a parallel computer by arbitrarily combining the optimization calculation input unit 101 to the level selection unit 107 in FIG. 1 so as to obtain a structure optimization device with good work efficiency and quick response. The present invention is also effective in a case where the components are mounted separately.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、最適化領域を入力する
だけで、構造物の最適形状が得られるので、リブやボス
などの追加/削除によるトポロジ変化を伴う構造を短時
間に最適化できる。また、3次元形状・フィーチャ作成
部で作成された形状を解析モデルとするため、複雑な境
界を持つ構造物に関しても、境界を解析モデルに忠実に
反映でき、解析精度の低下を防止できる。さらに、構造
物の一部を最適化する場合も、最適化領域の部分削除や
追加だけを実行し最適化するため、部分最適化が可能と
なる。
According to the present invention, an optimum shape of a structure can be obtained only by inputting an optimization area, so that a structure involving a topology change due to addition / deletion of ribs, bosses, etc. can be optimized in a short time. it can. Further, since the shape created by the three-dimensional shape / feature creation unit is used as the analysis model, even for a structure having a complicated boundary, the boundary can be faithfully reflected on the analysis model, and a decrease in analysis accuracy can be prevented. Furthermore, when optimizing a part of the structure, partial optimization or optimization is performed by executing only partial deletion or addition of the optimization area, and thus optimization is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による構造最適化装置の全体構成を示す
系統図である。
FIG. 1 is a system diagram showing an overall configuration of a structure optimization device according to the present invention.

【図2】押し出しフィーチャとカットフィーチャとを説
明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an extrusion feature and a cut feature.

【図3】図1の構造最適化装置における処理手順の一例
を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure in the structure optimization device of FIG. 1;

【図4】最適化対象モデルの一例を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an example of an optimization target model.

【図5】最適化計算入力画面の構成の一例を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a configuration of an optimization calculation input screen.

【図6】領域分割の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of area division.

【図7】小領域において実行した押し出しフィーチャを
説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an extruded feature executed in a small area.

【図8】各フィーチャとその水準とを記載したテーブル
の一例を示す図表である。
FIG. 8 is a chart showing an example of a table describing each feature and its level.

【図9】最適化手法にシミュレーテッドアニーリング法
を適用したときの処理手順を示すフローチャートであ
る。
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure when a simulated annealing method is applied to an optimization method.

【図10】リブやボスなどの追加によるトポロジ変化を
伴う最適化計算の一例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an optimization calculation involving a topology change due to addition of a rib, a boss, and the like.

【図11】設計意図を考慮して領域分割したときの最適
計算結果の一例を示す図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an optimal calculation result when a region is divided in consideration of a design intention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 最適化計算入力部 102 領域分割部 103 3次元形状・フィーチャ作成部 104 解析モデル作成部 105 解析部 106 評価部 107 水準選択部 101 optimization calculation input unit 102 area division unit 103 three-dimensional shape / feature creation unit 104 analysis model creation unit 105 analysis unit 106 evaluation unit 107 level selection unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野寺 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Fターム(参考) 5B046 DA02 FA18 GA01 JA08  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Makoto Onodera 502 Kandate-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki F-term in the Machine Research Laboratory, Hitachi Ltd. 5B046 DA02 FA18 GA01 JA08

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 最適化対象領域を入力し、前記最適化対
象領域の少なくとも一部の削除または追加によりトポロ
ジ変化を伴う構造物の最適形状を求める構造最適化方法
において、 トポロジ変化を許容する最適化領域を選択し、前記削除
または追加のフィーチャおよびフィーチャの深さと水準
とを定義し、最適化条件を定義し、 選択された前記最適化領域を複数の小領域に分割し、 分割されたそれぞれの小領域について前記フィーチャお
よびその属性の定義に基づき3次元形状を作成し、 前記3次元形状から解析モデルを作成し、境界条件およ
び計算条件を定義し、作成された解析モデルのメッシュ
を生成し、 前記解析モデル全体を数値解析し、 目的関数および制約条件を評価し、目的関数が最小であ
れば終了し、そうでなければ数値解析の再計算を指令
し、 制約条件を満たしつつ目的関数が最小になるようにフィ
ーチャの水準の組合せを抽出することを特徴とする構造
最適化方法。
1. A structure optimization method for inputting a region to be optimized and obtaining an optimum shape of a structure having a topology change by deleting or adding at least a part of the region to be optimized. Selecting the optimization area, defining the depth or level of the deleted or added features and the features, defining optimization conditions, dividing the selected optimization area into a plurality of small areas, and dividing each of the divided areas. A three-dimensional shape is created based on the definition of the features and their attributes for the small region of the above, an analysis model is created from the three-dimensional shape, boundary conditions and calculation conditions are defined, and a mesh of the created analysis model is generated. Numerical analysis of the entire analysis model, evaluating the objective function and constraints, terminating if the objective function is the minimum, otherwise, A structural optimization method characterized by instructing recalculation and extracting a combination of feature levels so as to minimize an objective function while satisfying constraints.
【請求項2】 最適化対象領域を入力し、前記最適化対
象領域の少なくとも一部の削除または追加によりトポロ
ジ変化を伴う構造物の最適形状を求める構造最適化方法
において、 トポロジ変化を許容する最適化領域を選択し、前記削除
または追加のフィーチャおよびフィーチャの深さと水準
とを定義し、最適化条件を定義し、 選択された前記最適化領域を複数の小領域に分割し、 定義されたフィーチャに関するある初期値から生成関数
を用いて各フィーチャに対する水準の組合せを生成し、 分割されたそれぞれの小領域について前記フィーチャお
よびその属性の定義に基づき3次元形状を作成し、 前記3次元形状から解析モデルを作成し、境界条件およ
び計算条件を定義し、 作成された解析モデルのメッシュを生成し、 前記解析モデル全体を数値解析し、 目的関数および制約条件を評価し、目的関数が最小であ
れば終了し、そうでなければ生成関数を用いて新たな組
合せを抽出し、数値解析の再計算を指令し、 設定された目的関数に対する基準値により受理関数を用
い計算された組合せを評価し、評価が達成されるに従い
前記基準値を減少させ、 制約条件を満たしつつ目的関数が最小になるようにフィ
ーチャの水準の組合せを抽出することを特徴とする構造
最適化方法。
2. A structure optimization method for inputting a region to be optimized and obtaining an optimum shape of a structure having a topology change by deleting or adding at least a part of the region to be optimized. Selecting the optimization area, defining the depth or level of the feature to be deleted or added and the feature, defining optimization conditions, dividing the selected optimization area into a plurality of sub-areas, defining the defined feature Generating a combination of levels for each feature from a certain initial value using a generation function, creating a three-dimensional shape based on the definition of the feature and its attributes for each of the divided small regions, and analyzing from the three-dimensional shape Create a model, define boundary conditions and calculation conditions, generate a mesh of the created analysis model, Is numerically analyzed, the objective function and the constraint conditions are evaluated, and if the objective function is the minimum, the process is terminated.If not, a new combination is extracted using the generation function, and a recalculation of the numerical analysis is instructed. Evaluate the combination calculated using the acceptance function according to the reference value for the objective function, and reduce the reference value as the evaluation is achieved, and reduce the level of the feature so that the objective function is minimized while satisfying the constraints. A structure optimization method characterized by extracting a combination.
【請求項3】 最適化対象領域を入力し前記最適化対象
領域の少なくとも一部の削除または追加によりトポロジ
変化を伴う構造物の最適形状を求める構造最適化装置に
おいて、 トポロジ変化を許容する最適化領域を選択し前記削除ま
たは追加のフィーチャおよびフィーチャの深さと水準と
を定義し最適化条件を定義する最適化計算入力部と、 選択された前記最適化領域を複数の小領域に分割する領
域分割部と、 分割されたそれぞれの小領域について前記フィーチャお
よびその属性の定義に基づき3次元形状を作成する3次
元形状・フィーチャ作成部と、 前記3次元形状から解析モデルを作成し境界条件および
計算条件を定義し作成された解析モデルのメッシュを生
成する解析モデル作成部と、 前記解析モデル全体を数値解析する解析部と、 目的関数および制約条件を評価し目的関数が最小であれ
ば終了しそうでなければ数値解析の再計算を指令する評
価部と、 制約条件を満たしつつ目的関数が最小になるようにフィ
ーチャの水準の組合せを抽出する水準選択部とを設けた
ことを特徴とする構造最適化装置。
3. A structure optimizing apparatus for inputting an optimization target region and obtaining an optimum shape of a structure having a topology change by deleting or adding at least a part of the optimization target region, wherein the optimization allows a topology change. An optimization calculation input unit for selecting an area, defining the deleted or added features and the depth and level of the features, and defining optimization conditions; and an area division for dividing the selected optimized area into a plurality of small areas. A three-dimensional shape / feature creation unit for creating a three-dimensional shape based on the definition of the features and their attributes for each of the divided small regions; a boundary condition and calculation conditions for creating an analysis model from the three-dimensional shape An analysis model creating unit that generates a mesh of the created analysis model, and an analysis unit that numerically analyzes the entire analysis model; An evaluation unit that evaluates the objective function and constraints and terminates if the objective function is minimum, otherwise recalculates the numerical analysis, and a combination of feature levels so that the objective function is minimized while satisfying the constraints And a level selecting unit for extracting a value.
【請求項4】 請求項3に記載の構造最適化装置におい
て、 前記最適化計算入力部と前記領域分割部と前記フィーチ
ャ作成部と前記3次元形状作成部と前記解析モデル作成
部と前記解析部と前記評価部と前記水準選択部とを任意
に組み合わせ、パーソナルコンピュータ,ワークステー
ション,並列計算機から選択した複数の計算機に分散し
て搭載したことを特徴とする構造最適化装置。
4. The structure optimization device according to claim 3, wherein the optimization calculation input unit, the region division unit, the feature creation unit, the three-dimensional shape creation unit, the analysis model creation unit, and the analysis unit. And an evaluation unit and the level selection unit are arbitrarily combined, and are distributed and mounted on a plurality of computers selected from a personal computer, a workstation, and a parallel computer.
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