JP2003132103A

JP2003132103A - 設計支援方法及び設計支援装置

Info

Publication number: JP2003132103A
Application number: JP2001323025A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Nonaka; 紀彦野中; Hiromitsu Tokisue; 裕充時末
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】代替部品を考慮して機械構造物の最適化設計
を行い、かつ処理時間を短縮化する。【解決手段】組立体を構成する複数の部品の設計諸元
の入力手段１０２と、設計諸元を設計変数として各部品
の性能諸元を解析する解析手段１０４と、その解析結果
に基づいて各部品の性能を表わす性能関数を作成する手
段１０５と、その性能関数を用いて組立体の設計条件を
満足する各部品の設計変数の最適解を求める手段１０７
とを備え、前記入力手段は代替部品群を設定可能に形成
され、前記解析手段は前記代替部品群の各部品の性能関
数を作成し、性能関数を作成する手段は代替部品群の各
部品の性能関数の合成性能関数を作成し、最適解を求め
る手段は合成性能関数に基づいて最適解を求める機能を
有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＡＤ（Computer
Aided Design）及びＣＡＥ(Computer Aided Engineeri
ng)に代表されるディジタルエンジニアリング技術を用
いた機械構造物の設計支援方法及び装置に係り、特に、
複数の部品からなる組立体である機械構造物の部品の組
み合せ及び部品の寸法を決定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械構造物の設計作業においては、機械
構造物である組立体としての設計仕様に基づいて組立体
を構成する各部品の目標性能を決定し、これに基づいて
部品各部の寸法等の設計諸元を変更しながら、繰返し演
算により組立体の設計仕様を満たす部品の設計諸元を決
定する。従来、機械構造物の設計作業を支援する設計支
援装置は、コンピュータを用いて構成されており、組立
体を構成する個々の部品の形状寸法や材料などの設計諸
元を入力し、最適化ツールを利用して設計諸元を変更し
ながら部品の最適化を行った後、組立体としての最適化
設計を行っていた。

【０００３】例えば、特開平７−１２１６０３号公報に
記載された技術は、まず個々の部品について部品の位
置、寸法やばね定数などの設計諸元を入力し、最適化ツ
ールによって設計諸元を変更させることで最適化を行
い、次に得られた各部品の最適解を入力して組立体とし
ての性能を満足するか否か評価し、満足しない場合は各
部品の設計諸元を変更して繰返すことにより組立体の最
適化を図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の最適化ツールを用いた設計支援においては、次に述
べる問題点があった。

【０００５】まず、従来技術では、各部品の解析により
得られた性能に基づいて組立体の性能を満足するか否か
評価し、満足しない場合は各部品の設計諸元を変更して
解析から繰返して最適化処理を行なっているため、組立
体を構成する部品の点数が多くなると、最適解が得られ
る処理に時間がかかり過ぎてしまうという問題がある。

【０００６】また、従来技術は、組立体を構成する各部
品の設計諸元を最適化することに止まり、組立体を構成
する部品を異なる形式の同一機能を有する部品（以下、
代替部品という。）に交換して最適化することについて
は考慮されていない。

【０００７】例えば、プロペラ部品を含む組立体を設計
する場合、プロペラの形式については一定の形式（例え
ば、３枚羽根）を選択し、羽根の厚みや角度などの諸元
を設計変数として最適化を行なうが、プロペラ部品を異
なる形式（例えば、４枚羽根）の部品に交換して最適化
することは行われていない。したがって、部品の形式を
変えればさらに最適化できる範囲が広がるにもかかわら
ず、一つの部品形式についてしか最適設計することがで
きないから、最適設計の範囲が制約されることになる。

【０００８】因みに、このような場合、改めて部品を選
択し直して、同様の最適化処理を繰り返すことになる。
しかし、部品点数が多い組立体の場合は繰り返し回数が
多くなり、最適解が得られるまでに膨大な時間が必要に
なる。また、部品形式の選択に依存して組立体の最適解
が左右されるから、部品形式の選定に熟練度が要求され
ることになる。

【０００９】本発明は、複数の部品からなる機械構造物
の最適設計の処理時間を短縮することを第１の課題とす
る。

【００１０】また、代替部品を考慮して機械構造物の最
適化設計を行い、かつ処理時間を短縮化することを第２
の課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、次に述べる手
段により、上記課題を解決するものである。

【００１２】第１の課題を解決するために、本発明は、
コンピュータを用いて機械構造物の設計を支援する設計
支援方法であって、前記機械構造物である組立体を構成
する複数の部品について各部品の設計諸元を入力し、該
設計諸元を設計変数として各部品の性能諸元について解
析し、該解析結果から各部品について前記設計変数と前
記性能諸元の相関を表わす性能関数を作成し、該性能関
数を用いて前記組立体の設計条件を満足する各部品の前
記設計変数の最適解を繰返し演算により求めることを特
徴とする。

【００１３】すなわち、解析結果に基づいて各部品の設
計変数を独立変数とし各部品の性能諸元を従属変数とす
る性能関数を作成しているから、組立体の設計条件を満
足する各部品の設計変数の最適解を求める際に、その性
能関数を用いて最適化演算をすることができ、各部品の
設計変数を変更する度に性能諸元を解析する手順を省け
ることから、処理時間を短縮することができる。

【００１４】この場合において、前記性能関数は、前記
設計変数を独立変数とし各部品の目的関数（最大応力、
効率など）や制約条件（重量、肉厚など）等の各部品の
性能に関する性能諸元を従属変数とする性能関数を含む
ものとすることができる。

【００１５】また、第２の課題を解決するために、本発
明は、コンピュータを用いて機械構造物の設計を支援す
る設計支援方法であって、前記機械構造物である組立体
を構成する複数の部品について各部品の設計諸元を入力
し、該設計諸元を設計変数として各部品の性能諸元につ
いて解析し、該解析結果から各部品について前記設計変
数と前記性能諸元の相関を表わす性能関数を作成し、該
性能関数を用いて前記組立体の設計条件を満足する各部
品の前記設計変数の最適解を繰返し演算により求めるに
あたり、前記複数の部品の少なくとも１つの部品に代替
部品を含めた部品群を設定し、該部品群に属する各部品
について前記性能関数を作成するとともに、該部品群に
属する各部品の性能関数を合成した合成性能関数を作成
し、該合成性能関数に基づいて前記部品群に属する部品
について前記組立体の設計条件を満足する前記設計変数
の最適解を繰返し演算により求めることを特徴とする。

【００１６】このように、一の部品に代替部品を含む複
数の部品からなる部品群を設定又は選択することによ
り、最適設計の範囲を広げた設計支援を行なわせること
ができる。言い換えれば、組み立て体の設計において、
寸法変更などの設計諸元の変更ばかりでなく、部品の変
更までを考慮して組立体の形状を決定することが可能に
なる。

【００１７】しかも、代替部品を有する部品群について
の性能関数を、合成した一つの性能関数で扱うようにし
ているから、代替部品の数が多くなっても、最適化の繰
返し処理に伴う部品解析をその度に行わなくてもよく、
処理時間の増大を抑えることができる。

【００１８】また、第１の課題を解決する本発明の設計
支援装置は、機械構造物である組立体を構成する複数の
部品について各部品の設計諸元を入力する入力手段と、
入力された設計諸元を設計変数として各部品の性能諸元
を解析する解析手段と、該解析手段により得られる解析
結果に基づいて各部品について前記設計変数と前記性能
諸元の相関を表わす性能関数を作成する性能関数作成手
段と、作成された性能関数を用いて前記組立体の設計条
件を満足する各部品の前記設計変数の最適解を繰返し演
算により求める最適計算手段とをコンピュータを用いて
構成することにより実現できる。

【００１９】この設計支援装置に加えて、第２の課題を
解決する本発明の設計支援装置は、前記入力手段は、複
数の部品の少なくとも１つの部品に代替部品を含めた部
品群を設定可能に形成され、前記解析手段は、前記部品
群に属する各部品について前記性能関数を作成する機能
を有し、前記性能関数作成手段は、前記部品群に属する
各部品の性能関数を合成した性能関数を作成する機能を
有し、前記最適計算手段は、前記部品群に属する部品に
ついては前記合成した性能関数に基づいて前記組立体の
設計条件を満足する前記設計変数の最適解を繰返し演算
により求める機能を有するものとすることを特徴とす
る。

【００２０】ここで、前記性能関数は、前記設計変数を
独立変数とし各部品の目的関数や制約条件等の各部品の
性能に関する性能諸元を従属変数とする性能関数を含む
ものとすることができる。

【００２１】また、前記性能関数及び合成された性能関
数を図形表示する表示手段を設けることが好ましい。前
記性能関数の合成は、前記部品群に属する各部品の性能
関数の最大値又は最小値を抽出して合成することができ
る。

【００２２】さらに具体的には、本発明の設計支援装置
は、構成部品に対する設計変数、目的関数、制約条件、
解析条件と、組立体設計のための設計変数、目的関数、
制約条件を定義して入力する手段と、この入力手段によ
り入力された部品に係る入力データを部品データベース
に登録する手段と、この部品データベースから部品デー
タを参照して設計対象となる３次元形状モデルを作成す
る手段と、定義された解析条件の基で構造解析や熱流体
解析などを実行する数値シミュレーション手段と、この
数値シュミレーションにより得られた解析結果から、各
部品の設計変数を独立変数、目的関数や制約条件を従属
変数とした設計空間の性能関数を作成する手段と、作成
された性能関数を性能関数データベースに登録する手段
と、該データベースに登録された代替部品群の個々の部
品の性能関数を重ね合わして合成性能関数を作成する手
段と、作成した合成性能関数を性能関数データベースに
登録する手段と、作成した性能関数を画像表示する手段
と、性能関数又は剛性性能関数を用いて前記組立体の設
計条件を満足する各部品の前記設計変数の最適解を繰返
し演算により求める最適計算手段と、最適演計算におい
て反復計算する際に、収束しない場合には操作者に設計
変更を知らせる画面を表示する手段と、性能関数データ
ベースと最適計算から求まった結果を参照して組立体を
構成する部品とその部品の寸法などの諸元を決定する手
段と、決定した組立体の設計仕様に基づいて３次元形状
モデルを作成して画像出力する手段と、これらの手段の
制御を行う手段とを備えて構成することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図１〜図１６を用いて説明する。図１は、本発明
に係る設計支援装置の一実施形態を示すブロック図であ
る。図2及び図３は、図１の実施形態の処理手順を示す
フローチャートである。

【００２４】図１に示すように、設計支援装置は、組立
体部品入力部１０１、設計条件入力部１０２、３次元形
状作成部１０３、解析部１０４、性能関数作成部１０
５、性能関数表示部１０６、最適計算部１０７、設計変
更表示部１０８、組立体形状決定部１０９、最終形状出
力部１１０、部品データベース１１１、性能関数データ
ベース１１２と、計算機１１３とから構成されている。

【００２５】組立体部品入力部１０１は、組立体を構成
する複数の部品を入力し、部品データベース１１１に登
録する。このとき、組立体を構成する個々の部品につい
て１つの形式だけ入力するのではなく、その部品と変更
可能な部品を複数入力する。つまり、所望の部品につい
ては、形式が異なる同一機能を有する複数の部品（代替
部品）からなる部品群として入力する。

【００２６】設計条件入力部１０２は、構成部品に対す
る設計変数、目的関数、制約条件、解析条件と、組立体
設計のための設計変数、目的関数、制約条件を定義して
入力する。３次元形状作成部１０３は、部品データベー
ス１１１から部品データを参照して、設計対象となる３
次元形状を作成する。この３次元形状作成部１０３は、
一般に３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）と呼ば
れる周知の部分である。解析部１０４は、予め定義され
た解析条件のもとで、構造解析や熱流体解析など部品や
組立体に要求される性能諸元について、数値シミュレー
ションを行うことにより、設計変数に対する各部品の性
能を解析により求める。

【００２７】性能関数作成部１０５は、解析部１０４で
求めた解析結果から、設計変数を独立変数、目的関数や
制約条件等の性能諸元を従属変数とした設計空間の性能
関数を作成する。作成した性能関数は性能関数データベ
ース１１２に登録する。また、代替部品の部品群につい
ては、個々の部品の性能関数を重ね合わせて合成した性
能関数（適宜、合成性能関数と称する。）を作成する。
性能関数表示部１０６は、作成した性能関数を表示装置
に表示する。

【００２８】最適計算部１０７は、作成された性能関数
を用いて組立体の設計条件を満足する各部品の設計変数
を評価し、周知の最適化手法により、各部品の設計変数
の最適解を繰返し演算ないし反復演算により求める。設
計変更表示部１０８は、最適計算部１０７における反復
演算が設定された条件以内に収束しない場合、その旨を
表示画面に表示して、操作者に設計変更を促す。

【００２９】組立体形状決定部１０９は、性能関数デー
タベース１１２と最適計算部１０７から求まった結果を
参照し、組立体を構成する部品とその部品の寸法などの
諸元を決定する。最終形状出力部１１０は、組立体形状
決定部１０９で決定した組立体の設計仕様に基づいて３
次元形状を作成して表示装置などの出力手段に出力す
る。計算機１１３は、本装置を構成する各部１０１〜１
１２の制御を行う。

【００３０】このように構成される実施形態の処理手順
の詳細について、図２〜図１６を参照しながら説明す
る。まず、本発明は、要求される性能や条件を満足する
ために、組立体を構成する各部品の寸法などの諸元変更
による最適化ばかりでなく、同一機能を有する代替部品
を含む部品群を予め部品データベース１１１に登録し、
その代替部品を含む部品群を利用して、部品変更まで考
慮した組立体の設計を行うことを特徴とする。すなわ
ち、部品データベースに登録された部品群から要求され
る性能や条件を満足する組立て部品の組合わせと、その
各部品の設計諸元を決定するものである。

【００３１】図４に、組立体の設計対象モデルの一例を
斜視図にして示す。図４に示す組立体である「機械１」
は、図５、図６、図７の３個の「部品１」、「部品
２」、「部品３」から構成される。機械１は流体機器で
あり、部品２は回転機、部品３はプロペラケーシング、
部品４はプロペラである。このように構成される機械１
を例に取って、図３，４に示す処理について説明する。
なお、部品１、部品２、部品３は、それぞれ３次元形状
作成部１０３において、予め初期設計されているものと
する。（ステップＳ１）まず、ステップＳ１において、組立体
を構成する部品について代替部品を含めて部品を入力す
る。図８に部品入力画面の一例を示す。図８に示す例で
は、部品１の交換可能な同一機能を有する３種類の代替
部品を入力している。これを部品１（ａ）、部品１
（ｂ）、部品１（ｃ）とそれぞれ呼ぶ。ここでは、固定
部の形状が異なる３種類の代替部品を入力している。こ
のように代替部品とは、部品の寸法などの諸元変更だけ
で作成することが困難な部品である。言い換えれば、部
品の形式が異なる部品である。同様に、図９に部品２の
入力画面の一例を示す。部品２も同様に、羽根部分が異
なる３種類の代替部品２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）が
入力されている。なお、図１０に部品３の入力画面の一
例を示しているが、本実施形態では図品３は代替部品を
設定しない例であり、単一部品のみが入力される。この
ようにして入力された部品の部品データは、部品データ
ベース１１１に登録される。なお、入力画面の左側に
は、機械１が部品１、部品２、部品３とから構成される
こと、及び各部品について代替部品の入力が行われたこ
とが、順次表示されるようになっている。

【００３２】（ステップＳ２）次に、ステップＳ２にお
いて、各種の設計条件を入力する。まず、個々の部品に
ついての設計変数、目的関数、制約条件、解析条件の入
力を行う。続いて、組立体設計のための設計変数、目的
関数、制約条件をそれぞれ入力する。図１１に部品１の
設計条件入力画面を示す。設計条件入力の順序は順不同
であるが、まず部品１に関する入力について説明する。
部品１に要求される性能諸元は、部品を加振した際に発
生する最大応力と質量の２つとする。設計変数として
は、X_１、X _２、ωを選ぶ。ここで、X_１は、回転機であ
る部品１を固定する脚部の肉厚であり、全ての脚部に適
用される。X_２は、部品１の筐体の肉厚である。また、
ωは加振振動数であり、回転機の駆動回転数に一致して
いる。また、部品１として登録された他の代替部品に
も、同様の設計変数を入力する。次に、各部品１に要求
される設計変数の制約条件を入力する。設計変数の制約
条件とは、許容される設計変更の範囲を意味する。そし
て、最後に目的関数を入力する。ここでは、最大応力と
質量を入力している。

【００３３】次いで、部品２の設計条件を入力する。図
１２は部品２の設計条件入力画面を示している。部品２
に要求される性能は、部品２が作動されたときの流体機
器としての効率と、質量との２つである。設計変数とし
てはX_３、θ、ωを選ぶ。ここで、X_３は羽根の肉厚であ
り、羽根の全体に適用される。θは羽根の出口部の角度
であり、全ての羽根に適用する。また、ωは回転数であ
る。部品１と同様に部品２として登録された代替部品に
も同様の設計変数を入力する。次に、設計変数の制約条
件を入力し、最後に目的関数を入力する。ここでは、目
的関数として、効率と質量を入力する。部品３は、代替
部品がないため、設計条件の入力はない。

【００３４】次に組立体としての設計条件の入力を行
う。図１３に組立体の入力画面の一例を示す。組立体設
計のための設計変数を入力する。部品１、部品２につい
ては、３個の代替部品を交換しながら最適化設計するこ
とを可能にするため、全ての部品を組立体の設計変数と
して入力する。図１３では、交換しながら最適化設計す
る代替部品を太線で囲って示している。次に、各々の部
品の設計変数とその制約条件を入力する。部品１の場合
は、次で定義する目的関数が最小、すなわち最大応力が
最小になる値をX_１、X_２と選択している。部品２のX_３
は、他の設計条件により既に決定されているものとし
て、例えば３ｍｍを入力している。θも同様に、目的関
数が最小、すなわち効率の逆数が最小になる値をθとし
ている。なお、これらの制約条件は、個々の部品につい
て入力した範囲を設定してもよい。また、ωは部品１と
部品２と同一の変数であるので、そのことを表わす線で
結ばれている。次に、目的関数を入力する。ここでは、
部品１での目的関数である最大応力と、部品２での目的
関数である効率の逆数との和を最小化する。最後に、制
約条件として部品１と部品２の質量の合計が、例えば１
０００ｇ以下にすることを目的とした。以上の入力操作
により、組立体設計に必要な情報の入力が終了する。

【００３５】（ステップＳ３）ここでは、部品データベ
ース１１１に入力された部品データに基づいて、数値シ
ミュレーションを行うために、部品データベース１１１
を参照しながら３次元形状のモデルを作成する。

【００３６】（ステップＳ４）ステップＳ４では、３次
元形状モデルを用いて、与えられた解析条件の下で目的
関数を解析するための数値シミュレーションを行う。こ
れは、部品１、部品２の目的関数評価のために数値シミ
ュレーションを行うのである。例えば、部品１の解析を
例に取ると、代替部品の全てについて数値シミュレーシ
ョンを行う。すなわち、部品１（ａ）、部品１（ｂ）、
部品１（ｃ）の３種類の部品に対して行う。部品１の評
価のためには振動解析が、部品２の評価のためには流体
解析がそれぞれ行われる。

【００３７】（ステップＳ５）ステップＳ５では、個々
の部品に対する性能関数を作成する。性能関数は、ステ
ップＳ４で得られた解析結果を用い、設計変数を独立変
数、目的関数を従属変数とする近似多項式を作成する。
ここで、過去に選ばれた２つの設計変数値の距離を、Ｘ
^ＭＡＸ＝Ｍａｘ｜Ｘ^ｉ−Ｘ｜により定義し、Ｘ^ＭＡＸ≦
εであれば、取り込んだ解析結果を最小２乗法によって
多項式近似をする。そうでなければ、そのステップでの
解析結果を計算機内に記憶しておき、各部品で定義した
設計変数に関する制約条件の領域内で、ランダムに設計
変数値をそれぞれ決定し、３次元形状を作成して再計算
する。ここで、Ｘ^ｉは、そのステップで選択された設計
変数値であり、Ｘは過去に選択された設計変数値の全て
を意味する。すなわち、Ｘ ^ＭＡＸは、過去に選択された
全ての設計変数値に対し、それぞれの距離の最大値を取
る。また、εは自由に設定できるが、ここでは各設計変
数における制約条件の領域の例えば５％を採用するもの
とする。制約条件の領域が、例えば下限値２０、上限値
３０とすると、εは０．５となる。なお、多項式に特に
制約は無いが、部品１における近似式を例に取ると、ｆ(X₁、X₂、ω)＝ａ＋ｂX₁＋ｃX₂＋ｄω＋ｅX₁・X₂＋ｆX₁・ω＋ｇX₂・ω ＋ｈX₁・X₁＋ｉX₂・X₂＋ｊω・ω ……………………（式１）の如き２次多項式を用い、最小２乗法を利用することに
よって各係数ａ〜ｊを決定することは可能である。ここ
で、ｆ(X₁、X₂、ω)は目的関数であり、X₁、X₂、ωは図
１１に示した設計変数である。入力された代替部品の部
品群のそれぞれにちいて、目的関数と性能諸元の相関を
表わす性能関数を作成して性能関数データベース１１２
に登録する。この実施形態では、６個の性能関数を作成
することになる。

【００３８】（ステップＳ６）ここでは、ステップＳ５
で作成した性能関数を表示装置に表示する。図１４に性
能関数の表示画面の一例を示す。同図の例は、部品１に
ついて得られた性能関数を線図で示している。ここで、
３つの設計変数(X₁、X₂、ω)のうち、２つの設計変数(X
₁、X₂)を固定し、ωを横軸に取って、縦軸に最大応力を
示したものを示す。しかし、これに限らず、３次元の鳥
瞰図などを用い、他の設計変数についても表示するよう
にしてもよい。

【００３９】（ステップＳ７）次に、図３のステップＳ
７に進み、組立体としての最適設計を行う。まず、性能
関数データベース１１２を参照し、代替部品を有する部
品群について、部品群全体の性能関数を表わす合成性能
関数を作成する。合成性能関数は、代替部品のそれぞれ
についてステップＳ５で作成された性能関数を用い、そ
れらの性能関数を重ね合わせることにより作成する。こ
のとき、組立体設計における目的関数に関しては、性能
関数を重ね合わせた後、さらに最小または最大になる部
分を抽出した関数を作成する。すなわち、代替部品の個
々の部品の性能関数をｆ_ｉ(X_ｊ)とすると、合成性能関
数Ｆ(X_ｊ)は、次式の数１により表すことができる。

【００４０】

【数１】ここで、下付き添字ｉは代替部品の個々の部品を表し、
ｊは設計変数を表す。また、ｎは代替部品群の数を表わ
し、和集合（Ｕ）は、全てのｉについて取るものとす
る。制約条件に関しては、目的関数の合成性能関数にお
いて、最大部分または最小部分での部品とその領域にお
ける制約条件の関数を作成する。すなわち、組立体設計
における目的関数の代替部品の部品毎の性能関数をｆ_ｉ
(X_ｊ)、制約条件の同一機能を有する部品毎の性能関数
をｇ_ｉ(X_ｊ)は、次式の数２により表すことができる。

【００４１】

【数２】このように、異なる部品間の性能特性を、同一の連続関
数で記述することが可能となる。合成された代替部品群
の性能関数、つまり合成性能関数は、性能関数データベ
ース１１２に登録する。同様にして、また、図１３で入
力した全ての部品について合成性能関数を作成する。

【００４２】（ステップＳ８）ここで、ステップ７にお
いて作成された合成性能関数を表示画面に表示する。図
１５に表示画面の一例を示す。同図は、部品１、部品２
について得られた合成性能関数である。ここで、部品１
は、３つの設計変数(X₁、X₂、ω)のうち、２つの設計変
数(X₁、X₂)を固定し、ωを横軸に取り、縦軸に最大応力
を取ったものを示している。また、部品２は、３つの設
計変数(X_３、θ、ω)のうち、２つの設計変数(X_３、θ)
を固定し、ωを横軸に取り、縦軸に効率を取ったものを
示している。図中、太線で示した線部分が合成性能関数
である。なお、画面表示にあたって、３次元の鳥瞰図な
どを用い、他の変数についても表示することは可能であ
る。

【００４３】（ステップＳ９）ステップＳ９では、図１
３で入力された設計条件に基づいて、組立体としての最
適計算を行う。すなわち、目的関数における部品１の合
成性能関数Ｆ_１(X₁、X ₂、ω)、部品２の合成性能関数Ｆ
_２(X_３、θ、ω)、制約条件における部品１の合成性能
関数Ｇ_１(X₁、X₂、ω)、部品２の合成性能関数Ｇ
_２(X_３、θ、ω)を用い、本実施形態における最適化問
題は、例えば、次式で与えられる。

【００４４】 Find Min Ｆ_１(X₁ ^＊、X₂ ^＊、ω)＋１／Ｆ_２(３、θ^＊、ω) Subject to Ｇ_１(X₁ ^＊、X₂ ^＊、ω)＋Ｇ_２(３、θ^＊、ω)＜1000、 500＜ω＜1500 ここで、上付き添字＊は、各々の部品での目的関数を最
小にする値である。本最適化問題は、図１３の設計条件
入力において、X₁、X₂、X_３、θが固定されているの
で、独立変数がωの１つである。上記の最適化問題は、
関数がすでに合成性能関数として1つの関数に作成され
ているために、性能関数データベース１１２を参照し、
シミュレーテッドアニーリング法などの一般的に知られ
ている最適化手法を用いることにより求解可能である。

【００４５】（ステップＳ１０）しかし、求解の過程に
おいて、解が収束しない場合は、操作者に設計変更を知
らせる表示を行う。このように、設計条件の入力におい
て、組立体の設計が可能かどうかを判断でき、可能な場
合は、操作者が入力した性能を満たした組み立て体の設
計が可能であり、そうでない場合は、その旨を表示して
操作者に設計変更を知らせる。

【００４６】（ステップＳ１１）ステップＳ９の最適計
算において解が求まれば、ステップ１１において、得ら
れた解を基に組立体の形状を決定する。すなわち、得ら
れた設計変数の値から、該当する部品とその寸法などの
諸元が全て決定できる。図１６に示すように、最適計算
よりωが算出されれば、該当する部品（部品１（ｂ）、
部品２（ｂ））を求めることは容易である。このよう
に、単一部品の寸法などの諸元変更ばかりでなく、部品
変更まで考慮した組み立て体設計が可能である。したが
って、操作者が入力した性能を満たすように、同一性能
を有する代替部品群から、寸法など諸元変更かつ組み立
て体の部品の組み合わせまでを考慮した組み立て体設計
が可能となる。

【００４７】（ステップＳ１２）最後に得られた最適解
に基づいて、３次元形状モデルを変更して、表示画面等
に出力する。

【００４８】以上説明した実施形態において、ステップ
Ｓ１〜Ｓ６及びステップＳ７〜Ｓ１２の処理を分割し
て、それぞれ分散環境で実行するようにし、通信ネット
ワークを介してそれらの間で処理情報の授受を行い、各
々が独自かつ同時に処理するように構成すれば、作業効
率を一層高くすることができる。

【００４９】また、本実施形態においては、設計変数の
最大数を３個に選んだが、無数の設計変数を選ぶことは
可能である。このとき、性能関数の多項式の独立変数の
数を増やし、上記実施形態で示した手順に基づいて処理
を行えばよい。

【００５０】また、最適化の際、設計変数としてωの１
つにしたが、複数個選ぶことは可能である。同様に、部
品数を３個、代替部品を設定した部品はそのうちの２個
とし、代替部品の部品群としてそれぞれ３個の部品を設
定したが、上記実施形態の手法を用いることにより、よ
り多くの複数の部品数及び代替部品数にも適用可能であ
る。

【００５１】また、上記実施形態によれば、組立体の部
品の組み合わせを決定できるが、代替部品群の中から１
つの部品を選択してもよい。すなわち、単一部品からな
る機械構造物において、複数部品の候補から性能を満た
す部品を選択する場合にも本発明を適用することは可能
である。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、組
立体の設計に性能関数を用いるため、部品点数に制約さ
れることなく、大規模な組立体の設計を短時間で行うこ
とが可能になる。

【００５３】また、代替部品を入力するようにした本発
明によれば、単一部品の寸法などの緒言変更による最適
化ばかりでなく、部品変更までを考慮した組立体設計を
行うことができるので、より広い設計空間を取ることが
でき設計の自由度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の設計支援装置に係る一実施形態のブロ
ック構成図である。

【図２】図１実施形態の処理手順の前半を示すフローチ
ャートである。

【図３】図１実施形態の処理手順の後半を示すフローチ
ャートである。

【図４】本発明を適用して最適設計を行う対象である機
械構造物の一例の機械を示す外観図である。

【図５】図４の機械の一部品の外観図である。

【図６】図４の機械の他の一部品の外観図である。

【図７】図４の機械のさらに他の一部品の外観図であ
る。

【図８】代替部品の入力画面の一例を示す図である。

【図９】代替部品の入力画面の他の一例を示す図であ
る。

【図１０】代替部品を設定しない部品の入力画面の一例
を示す図である。

【図１１】代替部品を含む部品の設計条件の入力画面の
一例を示す図である。

【図１２】代替部品を含む部品の設計条件の入力画面の
他の一例を示す図である。

【図１３】組立体の設計条件の入力画面の一例を示す図
である。

【図１４】部品の性能関数の例を示す図である。

【図１５】代替部品の合成性能関数の例を示す図であ
る。

【図１６】合成性能関数を用いて組立体の設計条件を満
たす代替部品の一つを算出する手順を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１０１組立体部品入力部１０２設計条件入力部１０３３次元形状作成部１０４解析部１０５性能関数作成部１０６性能関数表示部１０７最適計算部１０８設計変更表示部１０９組み立て体形状決定部１１０最終形状出力部１１１部品データベース１１２性能関数データベース１１３計算機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンピュータを用いて機械構造物の設計
を支援する設計支援方法であって、前記機械構造物であ
る組立体を構成する複数の部品について各部品の設計諸
元を入力し、該設計諸元を設計変数として各部品の性能
諸元について解析し、該解析結果から各部品について前
記設計変数と前記性能諸元の相関を表わす性能関数を作
成し、該性能関数を用いて前記組立体の設計条件を満足
する各部品の前記設計変数の最適解を繰返し演算により
求めることを特徴とする設計支援方法。
【請求項２】コンピュータを用いて機械構造物の設計
を支援する設計支援方法であって、前記機械構造物であ
る組立体を構成する複数の部品について各部品の設計諸
元を入力し、該設計諸元を設計変数として各部品の性能
諸元について解析し、該解析結果から各部品について前
記設計変数と前記性能諸元の相関を表わす性能関数を作
成し、該性能関数を用いて前記組立体の設計条件を満足
する各部品の前記設計変数の最適解を繰返し演算により
求めるにあたり、前記複数の部品の少なくとも１つの部品に代替部品を含
めた部品群を設定し、該部品群に属する各部品について
前記性能関数を作成するとともに、該部品群に属する各
部品の性能関数を合成した合成性能関数を作成し、該合
成性能関数に基づいて前記部品群に属する部品について
前記組立体の設計条件を満足する前記設計変数の最適解
を繰返し演算により求めることを特徴とする設計支援方
法。
【請求項３】前記性能関数は、前記設計変数を独立変
数とし各部品の目的関数や制約条件等の各部品の性能に
関する性能諸元を従属変数とする性能関数を含むことを
特徴とする請求項１又は２に記載の設計支援方法。
【請求項４】機械構造物である組立体を構成する複数
の部品について各部品の設計諸元を入力する入力手段
と、入力された設計諸元を設計変数として各部品の性能
諸元を解析する解析手段と、該解析手段により得られる
解析結果に基づいて各部品について前記設計変数と前記
性能諸元の相関を表わす性能関数を作成する性能関数作
成手段と、作成された性能関数を用いて前記組立体の設
計条件を満足する各部品の前記設計変数の最適解を繰返
し演算により求める最適計算手段とをコンピュータを用
いて構成してなる設計支援装置。
【請求項５】前記入力手段は、複数の部品の少なくと
も１つの部品に代替部品を含めた部品群を設定可能に形
成され、前記解析手段は、前記部品群に属する各部品について前
記性能関数を作成する機能を有し、前記性能関数作成手段は、前記部品群に属する各部品の
性能関数を合成した性能関数を作成する機能を有し、前記最適計算手段は、前記部品群に属する部品について
は前記合成した性能関数に基づいて前記組立体の設計条
件を満足する前記設計変数の最適解を繰返し演算により
求める機能を有することを特徴とする請求項４に記載の
設計支援装置。
【請求項６】前記性能関数は、前記設計変数を独立変
数とし各部品の目的関数や制約条件等の各部品の性能に
関する性能諸元を従属変数とする性能関数を含むことを
特徴とする請求項４又は５に記載の設計支援装置。
【請求項７】前記性能関数を図形表示する表示手段を
有することを特徴とする請求項５又は６に記載の設計支
援装置。
【請求項８】前記性能関数の合成は、前記部品群に属
する各部品の性能関数の最大値又は最小値を抽出して合
成することを特徴とする請求項６に記載の設計支援装
置。