JP2005222178A - Optimum design device for structure, and program - Google Patents

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Akihiro Takezawa
晃弘 竹澤
Shinji Nishiwaki
眞二 西脇
Kazuhiro Izui
一浩 泉井
Mitsutaka Yoshimura
允孝 吉村
Hidekazu Nishigaki
英一 西垣
Yasuaki Tsurumi
康昭 鶴見
Noboru Kikuchi
昇 菊池
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To optimally design a structure including a frame element and a panel element. <P>SOLUTION: A prescribed design area is divided by a node, while the frame element, the panel element and a spring element are disposed between the nodes. Initial information thereof is stored in an initial information storage part 12. Analysis conditions including volume restriction of the frame element and the panel element, and cost restriction of the spring element are stored in an analysis condition information storage part. An optimizing arithmetic part 16 optimizes a thickness or a spring constant about each element such that a configuration of a structure of the design area becomes maximum, on the basis of the analysis conditions. The optimized initial information (information as an updated arithmetic result) is outputted from an output part 18. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は構造物の最適設計支援、特に初期設計段階で形状を生成する際の設計支援に関する。   The present invention relates to optimum design support for a structure, and more particularly to design support for generating a shape in an initial design stage.

従来より、各種構造物の設計方法が提案されている。例えば特許文献1には、構造物の設計領域を複数の節点で分割し、隣接節点及び非隣接節点同士をフレーム要素で結合した設計モデルを作成し、前記設計モデルを最適化する構造物の最適設計支援装置が開示されている。   Conventionally, methods for designing various structures have been proposed. For example, in Patent Document 1, a design model in which a design area of a structure is divided by a plurality of nodes, adjacent nodes and non-adjacent nodes are coupled with frame elements is created, and the design model is optimized. A design support apparatus is disclosed.

特開2001−195444号公報JP 2001-195444 A

上記従来技術では、フレーム要素に基づいた方法を提案しているが、より一般的な構造設計においては、性能をフレーム要素だけで評価することには限界がある。自動車のボデー・サスペンション等では、その構造はフレーム構造とパネル構造で構成される。従って、このようなより一般的なフレーム要素、パネル要素に基づいた最適設計が望まれる。   In the above prior art, a method based on a frame element has been proposed. However, in a more general structural design, there is a limit in evaluating performance only with a frame element. In the body suspension of an automobile, the structure is composed of a frame structure and a panel structure. Therefore, an optimum design based on such more general frame elements and panel elements is desired.

本発明は、構造物の設計領域を分割する節点の位置を示す節点位置情報と、前記節点間を接続して配置されるフレーム要素および前記節点で規定される分割領域に配置されるパネル要素とに関する情報である要素情報と、前記各要素が節点位置で互いに連結されるように配置した情報である要素配置情報と、を含む初期情報を記憶する初期情報記憶部と、前記各要素が連結されて形成される構造物の設計領域に対して最適化すべき目的関数と、この目的関数についての最適化の際の制約条件とを示す情報である解析条件情報を記憶する解析条件情報記憶部と、前記解析条件情報に基づいて、前記初期情報で定められているフレーム要素およびパネル要素のうち、不要な要素を削除するとともに、必要な要素においてはその要素情報を変更して最適化する最適化演算部と、この最適化演算部で演算され、変更された初期情報を演算結果情報として出力する出力部と、を備えることを特徴とする。   The present invention relates to node position information indicating the position of a node that divides a design area of a structure, a frame element that is arranged by connecting the nodes, and a panel element that is arranged in a divided area defined by the nodes. An initial information storage unit that stores initial information including element information that is information related to each other and element arrangement information that is information arranged so that the elements are connected to each other at node positions, and the elements are connected An analysis condition information storage unit for storing analysis condition information, which is information indicating an objective function to be optimized with respect to a design region of a structure formed by the method, and a constraint condition at the time of optimization of the objective function, Based on the analysis condition information, unnecessary elements are deleted from the frame elements and panel elements defined in the initial information, and the element information is changed in necessary elements. And optimization calculation section for optimized, computed by the optimizing operation unit, characterized by comprising an output unit for outputting the changed initial information as the operation result information.

また、前記解析条件情報は、前記構造物に印加される外力と、固定条件とを含む境界条件と、前記フレーム要素およびパネル要素の体積条件を含むことが好適である。   The analysis condition information preferably includes a boundary condition including an external force applied to the structure and a fixed condition, and a volume condition of the frame element and the panel element.

また、前記初期情報記憶部は、節点間を接続するばね要素をさらに含むことが好適である。   In addition, it is preferable that the initial information storage unit further includes a spring element that connects the nodes.

また、前記解析条件情報は、前記ばね要素のコスト条件を含むことが好適である。   Further, it is preferable that the analysis condition information includes a cost condition of the spring element.

また、前記パネル要素が、応力仮定に基づいてモデル化されたものであって、パネル要素についての剛性を面内方向に限定したものであることが好適である。   Further, it is preferable that the panel element is modeled on the assumption of stress, and the rigidity of the panel element is limited to the in-plane direction.

また、前記パネル要素がせん断応力についてのみ剛性を持つことが好適である。   It is also preferred that the panel element has rigidity only with respect to shear stress.

また、最適化演算部が、不必要なフレーム要素またはパネル要素の実質的消失を生じることにより、構造物の中でフレーム要素の必要な箇所とパネル要素の必要な箇所を決定することが好適である。   In addition, it is preferable that the optimization calculation unit determines a necessary part of the frame element and a necessary part of the panel element in the structure by causing substantial disappearance of unnecessary frame elements or panel elements. is there.

また、最適化演算部が、不必要なばね要素の実質的消失を生じることにより、構造物の接合すべき箇所を決定することが好適である。   In addition, it is preferable that the optimization calculation unit determines a position where the structure is to be joined by causing the unnecessary disappearance of the spring element.

また、最適化演算部が、特定方向の応力についてのみ剛性を持つパネル要素と全ての方向の応力について剛性をもつパネル要素を用いて得られた最適構造の定量的比較を行うことにより、最適構造が得られる力学的因子を抽出することが好適である。   In addition, the optimization calculation unit performs a quantitative comparison of the optimal structure obtained by using the panel element having rigidity only for stress in a specific direction and the panel element having rigidity for stress in all directions. It is preferable to extract a mechanical factor that gives

また、前記フレーム要素およびパネル要素の解析条件情報は、それぞれ別個に設定された体積制約を含むことが好適である。   Moreover, it is preferable that the analysis condition information of the frame element and the panel element includes volume constraints set separately.

また、前記フレーム要素およびパネル要素の解析条件情報は、フレーム要素とパネル要素の和に対し設定された体積制約を含むことが好適である。   Moreover, it is preferable that the analysis condition information of the frame element and the panel element includes a volume constraint set for the sum of the frame element and the panel element.

また、本発明に係る最適設計支援プログラムは、構造物の設計領域を分割する節点の位置を示す節点位置情報と、前記節点間を接続して配置されるフレーム要素および前記節点で規定される分割領域に配置されるパネル要素とに関する情報である要素情報と、前記各要素が節点位置で互いに連結されるように配置した情報である要素配置情報とを含む初期情報を初期情報記憶部に記憶させるステップと、前記各要素が連結されて形成される構造物の設計領域に対して最適化すべき目的関数と、この目的関数についての最適化の際の制約条件とを示す情報である解析条件情報を解析条件情報記憶部に記憶させるステップと、前記解析条件情報に基づいて、前記初期情報で定められているフレーム要素およびパネル要素のうち、不要な要素を削除するとともに、必要な要素においてはその要素情報を変更して最適化させるステップと、この最適化により、変更された初期情報を演算結果情報として出力するステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。   Further, the optimum design support program according to the present invention includes a node position information indicating the position of a node that divides a design area of a structure, a frame element arranged by connecting the nodes, and a division defined by the nodes. Initial information including element information, which is information related to panel elements arranged in a region, and element arrangement information, which is information arranged so that the elements are connected to each other at node positions, is stored in the initial information storage unit Analysis condition information which is information indicating a step, an objective function to be optimized with respect to a design region of a structure formed by connecting the elements, and constraint conditions for optimization of the objective function An unnecessary condition is deleted from the frame element and the panel element defined in the initial information based on the analysis condition information storage step and the analysis condition information. And a step of causing the computer to execute a step of changing and optimizing the element information of necessary elements and a step of outputting the changed initial information as operation result information by the optimization. To do.

本発明においては、構造物の設計領域を複数の節点で分割する。そして、隣接または非隣接の節点同士をフレーム要素および/またはパネル要素で連結する。また、節点同士をばね要素で連結することもできる。節点とフレーム要素、パネル要素、またはばね要素で構成される節点位置情報と要素配置情報とに基づき最適化する方法としては、例えば所定の境界条件を与え、フレーム要素、パネル要素、またはばね要素の剛性を修正することで、最大剛性を得ることができる形を生成することができる。境界条件としては、外力と固定条件を付加し、フレーム要素、パネル要素については一定の体積制約、ばね要素についてはコスト制約の下で変位が最小となるような最適化を行うことが考えられる。最適化は、フレーム要素、パネル要素、またはばね要素の剛性の変更により行うが、剛性最大化に実質的に寄与しないフレーム要素、パネル要素、またはばね要素に関しては実質的に消失させることで、所定の体積条件とコスト条件を満足することができる。ここで、実質的に消失とは、フレーム要素、パネル要素、またはばね要素をデータ上直接消去する場合のほか、データとしては存在しているが、フレーム要素、パネル要素、またはばね要素の存在に影響するパラメータ(例えばフレーム要素では断面積、パネル要素では板厚、ばね要素ではばね定数など)をゼロとして間接的に存在を消去する場合も含まれる。データ自体を消去する場合には計算に寄与するデータ数が変動するため計算が複雑となるが、実質的に消去することで計算の複雑化を抑制することができる。   In the present invention, the design area of the structure is divided at a plurality of nodes. Then, adjacent or non-adjacent nodes are connected by frame elements and / or panel elements. Also, the nodes can be connected by a spring element. As a method for optimization based on node position information and element arrangement information composed of nodes and frame elements, panel elements, or spring elements, for example, given boundary conditions are given, and frame elements, panel elements, or spring elements By correcting the rigidity, a shape capable of obtaining the maximum rigidity can be generated. As boundary conditions, external force and fixed conditions are added, and it is conceivable to perform optimization that minimizes displacement under a certain volume constraint for frame elements and panel elements and a cost constraint for spring elements. The optimization is performed by changing the rigidity of the frame element, the panel element, or the spring element, but for the frame element, the panel element, or the spring element that does not substantially contribute to the rigidity maximization, the optimization is performed. The volume condition and the cost condition can be satisfied. Here, “substantially disappearing” refers to the case where the frame element, the panel element, or the spring element is directly deleted from the data, but also exists as data, but the presence of the frame element, the panel element, or the spring element. This includes the case where the existence of the parameter is indirectly eliminated by setting the affecting parameter (for example, cross-sectional area for the frame element, plate thickness for the panel element, spring constant for the spring element, etc.) to zero. When the data itself is erased, the number of data contributing to the calculation varies and the calculation becomes complicated. However, the complexity of the calculation can be suppressed by substantially erasing the data.

また、パネル要素の定式化を変更することで、特定の応力に対してのみ剛性を持たせたパネル要素を用いた最適設計を行うことは、最適構造が得られる力学的因子を抽出するに好適である。この要素を用いて得られた最適解と全ての方向の応力について剛性をもつパネル要素を用いて得られた最適解を比較することにより、構造の力学的メカニズムが明確になる。すなわち、両者から得た最適構造を力学的見地から比較することにより、その構造の支配的な応力を判断することができ、それにより最適構造が得られる力学的因子を抽出することができる。   In addition, it is suitable to extract the mechanical factors that can obtain the optimum structure by changing the formulation of the panel element and performing the optimal design using the panel element that has rigidity only for a specific stress. It is. By comparing the optimal solution obtained using this element with the optimal solution obtained using the panel element having rigidity with respect to stress in all directions, the mechanical mechanism of the structure becomes clear. That is, by comparing the optimum structure obtained from both from the mechanical viewpoint, the dominant stress of the structure can be judged, and thereby the mechanical factor for obtaining the optimum structure can be extracted.

さらに、フレーム要素とパネル要素を同時に設計要素として最適化することにより、構造物の中でフレーム要素の必要な箇所とパネル要素の必要な箇所を決定することができる。これにより、軸応力の支持を行うフレーム要素の場所と、面内応力、特にせん断応力の支持を行うパネル要素の場所が判明するので、これからも最適構造が得られる力学的因子を抽出することができる。   Furthermore, by optimizing the frame element and the panel element as design elements at the same time, it is possible to determine a necessary part of the frame element and a necessary part of the panel element in the structure. As a result, the location of the frame element that supports the axial stress and the location of the panel element that supports the in-plane stress, particularly the shear stress, can be determined. it can.

そして、フレーム要素またはパネル要素と、ばね要素を同時に設計要素として最適化し、ばね要素の不必要な箇所においてばね要素を消失させることにより、最適構造と最適な接合箇所を決定することができる。   Then, by optimizing the frame element or the panel element and the spring element simultaneously as design elements and eliminating the spring element at unnecessary portions of the spring element, the optimum structure and the optimum joint location can be determined.

また、本発明は、コンピュータによって実行される構造物の最適設計を支援するプログラムを提供する。コンピュータがこのプログラムを実行することで、入力された境界条件に基づいて、直接的には、フレーム要素、パネル要素、またはばね要素の存在に影響するパラメータ(例えばフレーム要素では断面積、パネル要素では板厚、ばね要素ではばね定数など)、間接的にはフレーム要素、パネル要素、ばね要素の剛性を修正させることで最適化を実行できる。   The present invention also provides a program that supports optimal design of a structure executed by a computer. When the computer executes this program, parameters that directly affect the presence of a frame element, panel element, or spring element (for example, a cross-sectional area for a frame element or a panel element for a panel element) based on the input boundary conditions. Optimization can be performed by modifying the rigidity of the frame element, the panel element, and the spring element indirectly.

以上のように、本発明によれば、フレーム構造とパネル構造の両方を含む構造について、最適設計を行うことができる。従って、自動車のボデー・サスペンション等のより一般的な構造設計において、構造設計を自動的に行うことができる。実際の構造の設計評価の効率化を図ることができる。   As described above, according to the present invention, an optimum design can be performed for a structure including both a frame structure and a panel structure. Therefore, the structural design can be automatically performed in a more general structural design such as an automobile body suspension. The efficiency of design evaluation of the actual structure can be improved.

以下、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

図1に、実施形態に係る最適設計支援装置の概略構成を示す。このように、最適設計支援装置10は、初期情報格納部12、解析条件情報格納部14、最適化演算部16、出力部18の4つで構成されている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of an optimum design support apparatus according to the embodiment. As described above, the optimum design support apparatus 10 includes the initial information storage unit 12, the analysis condition information storage unit 14, the optimization calculation unit 16, and the output unit 18.

初期情報格納部12では、構造物の所望設計領域に定めた節点の位置を示す節点位置情報と、前記設計領域に配置すべきパネル要素、フレーム要素及びばね要素に関する情報である要素情報と、前記各要素が節点位置で互いに連結されるように配置した情報である要素配置情報とからなる初期情報を受け付け、格納する。なお、これらの初期情報は、キーボードなどの入力手段によって、直接入力してもよいし、他のコンピュータなどで作成したデータを受信してもよく、その入力手段は問わない。設計の対象毎に典型的な初期情報の例を記憶しており、それを選択したり、若干修正したりして初期情報を作成することも好適である。   In the initial information storage unit 12, the node position information indicating the position of the node determined in the desired design area of the structure, the element information that is information regarding the panel element, the frame element, and the spring element to be arranged in the design area, Initial information including element arrangement information, which is information arranged so that elements are connected to each other at node positions, is received and stored. The initial information may be directly input by an input unit such as a keyboard, or data generated by another computer or the like may be received, and the input unit is not limited. An example of typical initial information is stored for each design object, and it is also preferable to create initial information by selecting or slightly modifying it.

解析条件情報格納部14では、前記各要素が連結されて形成される構造物の設計領域に対して最適化すべき目的関数と最適化の際の制約条件とを示す情報である解析条件情報を受け付ける。この解析条件情報についても、初期情報と同様にして入力される。   The analysis condition information storage unit 14 receives analysis condition information that is information indicating an objective function to be optimized and a constraint condition at the time of optimization for a design region of a structure formed by connecting the elements. . This analysis condition information is also input in the same manner as the initial information.

最適化演算部16では、前記解析条件情報に基づいて、前記初期情報で定められているパネル要素、フレーム要素またはばね要素のうち、不要な要素を削除するとともに、必要な要素においてはその要素情報を変化させる。すなわち、目標となる剛性を得るための最適の構成を最適化処理によって決定する。   Based on the analysis condition information, the optimization calculation unit 16 deletes unnecessary elements from the panel elements, the frame elements, and the spring elements defined by the initial information, and the element information of necessary elements. To change. That is, the optimum configuration for obtaining the target rigidity is determined by the optimization process.

出力部18では、最適化演算部16で演算され、改変された(最適化された)初期情報を演算結果情報として出力する。   The output unit 18 outputs the initial information that has been calculated and modified (optimized) by the optimization calculation unit 16 as calculation result information.

なお、本最適設計支援装置は、具体的にはパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータに処理プログラムとして、コンピュータ上で実行することができる。すなわち、コンピュータの記憶部において、初期情報格納部12、解析条件情報格納部14を設けるとともに、最適化演算を実行するためのプログラムを記憶しておく。そして、格納されている情報を用いてCPUがRAM等を用いながら、プログラムを実行することで、不要な要素を実質的に消去して、最適化された初期情報(演算結果としての情報)を得ることができる。   The optimum design support device can be executed on a computer as a processing program in a computer such as a personal computer or a workstation. That is, in the storage unit of the computer, the initial information storage unit 12 and the analysis condition information storage unit 14 are provided, and a program for executing the optimization calculation is stored. Then, by using the stored information, the CPU executes the program while using the RAM or the like, so that unnecessary elements are substantially erased and optimized initial information (information as a calculation result) is obtained. Can be obtained.

ここで、本実施形態の設計モデルは、フレーム要素、パネル要素およびばね要素のような構造力学に基づいた要素を用いているため、大容量のメモリは不要であり、例えば出力部はパーソナルコンピュータ上で表計算ソフトウェアをフロントエンドとして用いることも可能である。なお、処理プログラムはCD−ROMやDVD、ハードディスク、半導体メモリなど、電磁気的、光学的、あるいは化学的に情報を保持できる任意の媒体に記録することができる。処理プログラムのインストールは、例えばCD−ROMに処理プログラムを記録し、CD−ROMからコンピュータのハードディスクに処理プログラムを供給することで行うことができる。もちろん、当初からコンピュータのハードディスクあるいはROMに処理プログラムを記録させ、構造物モデル設計専用のコンピュータとして用いることも可能である。   Here, since the design model of this embodiment uses elements based on structural mechanics such as frame elements, panel elements, and spring elements, a large-capacity memory is unnecessary. For example, the output unit is on a personal computer. It is also possible to use spreadsheet software as a front end. The processing program can be recorded on any medium that can hold information electromagnetically, optically, or chemically, such as a CD-ROM, DVD, hard disk, or semiconductor memory. For example, the processing program can be installed by recording the processing program on a CD-ROM and supplying the processing program from the CD-ROM to the hard disk of the computer. Of course, it is also possible to record a processing program on the hard disk or ROM of a computer from the beginning and use it as a computer dedicated to structural model design.

以下、最適設計支援装置における最適設計の方法について説明する。   Hereinafter, an optimum design method in the optimum design support apparatus will be described.

<最適設計法の定式化>
最初に目的関数の設定について説明する。図2に示すように、節点間を離散化弾性要素で連結した構造物の静的な変形問題について考える。節点間は、フレーム要素で接続され、また節点によって規定される領域にパネル要素が配置される。また、図中斜線で示したのは、固定端であり、ここに存在する節点は固定されている。
<Formulation of optimal design method>
First, setting of the objective function will be described. As shown in FIG. 2, a static deformation problem of a structure in which nodes are connected by discrete elastic elements will be considered. The nodes are connected by frame elements, and panel elements are arranged in a region defined by the nodes. Also, the hatched lines in the figure are fixed ends, and the nodes existing here are fixed.

構造物の各節点は並進方向にx、y、zの3自由度、回転方向にθx、θy、θzの3自由度を持つものとする。そして、図2に示した弾性構造物の境界Γdを完全固定し、構造物内の節点Piに荷重ベクトルfを作用させたときの構造物の変形ベクトルをuであるとする。ここでf,uは次式で表される。ここで、f,uは、ベクトルであり、図および式では、太字で示してあるが、明細書の文章中では便宜的に通常の文字で示す。なお、他のベクトル、マトリクスについても同様である。 Each node of the structure has three degrees of freedom of x, y, and z in the translation direction and three degrees of freedom of θ x , θ y , and θ z in the rotation direction. Then, it is assumed that u is the deformation vector of the structure when the boundary Γ d of the elastic structure shown in FIG. 2 is completely fixed and the load vector f is applied to the node P i in the structure. Here, f and u are expressed by the following equations. Here, f and u are vectors, which are shown in bold in the figures and formulas, but are shown in normal letters for convenience in the text of the specification. The same applies to other vectors and matrices.

なお、ここでは簡略化のため構造物の1節点に荷重をかけた場合を考えているが、複数の荷重を複数の節点に同時に作用させてもよい。   Here, for simplification, a case where a load is applied to one node of the structure is considered, but a plurality of loads may be simultaneously applied to a plurality of nodes.

この時、次式に示す荷重ベクトルfと変形ベクトルuの積である平均コンプライアンスl(エル)が、節点に荷重ベクトルfを作用させた場合の剛性の尺度となる。   At this time, an average compliance l (el), which is a product of the load vector f and the deformation vector u shown in the following equation, is a measure of rigidity when the load vector f is applied to a node.

すなわち、このl(エル)を最小化することにより、剛性を最大化することができる。   That is, the rigidity can be maximized by minimizing this l.

<最適化演算部における要素の消失方法>
要素の消失の基本的な考え方は、トポロジー最適化における固定設計領域の設定と、次式に示す特性関数の導入にある。すなわち、最適構造となるべき本来の設計領域を包括する固定設計領域Dを最初に設け、その固定設計領域と特性関数を用いて、最適化問題を材料分布問題、あるいは要素配置問題に置き換える。
<Disappearance method of elements in optimization calculation unit>
The basic idea of the disappearance of elements is to set a fixed design area in topology optimization and introduce a characteristic function shown in the following equation. That is, a fixed design area D that covers the original design area to be the optimum structure is first provided, and the optimization problem is replaced with a material distribution problem or an element arrangement problem using the fixed design area and the characteristic function.

上式のχΩを用いれば固定設計領域D内の座標xにある点が内にあるかの判断をすることにより、最適構造を決定することができる。この特性関数を離散化要素に適用する場合、要素が存在するかどうかの有限個の不連続性が存在するという問題が生じる。そこで、ここでは密度法的な考え方に基づいた次式により、特性関数を連続関数に置き換える設計空間の緩和を行う。   By using χΩ in the above equation, the optimum structure can be determined by determining whether or not the point at the coordinate x in the fixed design region D is inside. When this characteristic function is applied to a discretized element, there arises a problem that there is a finite number of discontinuities regarding whether or not the element exists. Therefore, here, the design space is replaced by replacing the characteristic function with a continuous function by the following formula based on the density method concept.

ここで、ρvは正規化された設計変数で、
なる値をとる。またPはρvにペナルティを与えるパラメータで、これにより、計算上の体積密度の相違は、実際の相違よりも強調することができる。式(5)を用いれば、最適設計問題を固定設計領域D内における構造要素の連続的な分布問題に置き換えることができる。
Where ρ v is a normalized design variable,
Takes the value Further, P is a parameter that gives a penalty to ρ v , whereby the difference in the calculated volume density can be emphasized more than the actual difference. If Expression (5) is used, the optimal design problem can be replaced with a continuous distribution problem of structural elements in the fixed design region D.

<設計要素の定式化>
前述のように、本実施形態では設計要素としてフレーム要素、パネル要素、ばね要素を想定している。以下その詳細について説明する。
<Formulation of design elements>
As described above, in this embodiment, a frame element, a panel element, and a spring element are assumed as design elements. The details will be described below.

フレーム要素は軸力、曲げ、ねじりに対する6自由度の剛性を持つ。本実施形態では、最も単純な場合を想定し、断面は中実円と仮定して、次式の正規化された断面積を設計変数とする。   The frame element has 6 degrees of freedom of rigidity with respect to axial force, bending and torsion. In the present embodiment, the simplest case is assumed, the cross section is assumed to be a solid circle, and the normalized cross sectional area of the following equation is used as a design variable.

ここではPAはペナライゼーションパラメータ、Aは断面積、Amaxは最大時の断面積である。また、フレーム要素の剛性マトリクスを作成する際に必要な各物理量は以下のように求められる。フレームの直径をdとすれば、
なる関係が成り立つので、断面二次モーメントIyとIzは、
断面二次極モーメントJxは、
となる。上式の関係を用いて要素剛性マトリクスを作成する。
Here P A is Pena metallization parameter, A is the cross-sectional area, A max is the cross-sectional area at the maximum. In addition, each physical quantity required when creating the stiffness matrix of the frame element is obtained as follows. If the diameter of the frame is d,
Since the following relationship holds, the sectional moments I y and I z are
The cross-sectional secondary pole moment J x is
It becomes. An element stiffness matrix is created using the above relationship.

次にパネル要素の定式化を行う。機械構造を構成する薄板パネルでは、面内方向の釣り合いが支配的で、パネルに求められる剛性は主に面内方向である。これに対して、面外方向の剛性は低く、機械構造の性能としてこの剛性が要求される場合は少ないので、面外方向の剛性は構想設計時の評価においては、無視できると考えられる。そこで、本実施形態ではパネル要素の定式化においては、面内方向の釣り合いのみを考慮する。   Next, the panel elements are formulated. In the thin panel constituting the mechanical structure, the balance in the in-plane direction is dominant, and the rigidity required for the panel is mainly in the in-plane direction. On the other hand, since the rigidity in the out-of-plane direction is low and this rigidity is rarely required as the performance of the mechanical structure, the out-of-plane direction rigidity is considered negligible in the evaluation at the time of conceptual design. Therefore, in the present embodiment, only the in-plane direction balance is considered in the panel element formulation.

パネル要素における設計変数は、次式の正規化されたパネルの厚さρtとする。 The design variable in the panel element is the normalized panel thickness ρ t given by

ここで、Ptはペナライゼーションパラメータ、tmaxは最大時の板厚である。 Here, P t is the penalization parameter, and t max is the maximum plate thickness.

次に応力仮定に基づいて要素剛性マトリクスの定式化を行う。応力仮定では、面内曲げが支配的な場合について、比較的精度の良い結果が得られるうえ、応力sの補間関数と変位uの補間関数を独立に定義できるので、パネルの支配的な応力をあらかじめ仮定できる特徴を持つ。最初に局所座標系と全体座標系の対応を定式化すれば、次式となる。   Next, the element stiffness matrix is formulated based on the stress assumption. In the stress assumption, relatively accurate results can be obtained when in-plane bending is dominant, and the interpolation function of stress s and the interpolation function of displacement u can be defined independently. It has characteristics that can be assumed in advance. First, if the correspondence between the local coordinate system and the global coordinate system is formulated, the following formula is obtained.

ここで、XCは要素中心ベクトルであり、ex、ey、ezは局所座標系の単位ベクトルである。上式の局所座標に基づき、要素中の応力分布sを以下の二つの仮定により定式化する。最初の場合は、真応力とせん断応力を次式で補間する場合である。 Here, X C is an element center vector, and e x , e y , and ez are unit vectors in the local coordinate system. Based on the local coordinates of the above equation, the stress distribution s in the element is formulated with the following two assumptions. In the first case, true stress and shear stress are interpolated by the following equations.

この場合は一般のパネルと同様に真応力とせん断応力を支持することができる。また、二番目の場合はせん断応力のみを次式で補間する場合である。   In this case, true stress and shear stress can be supported in the same manner as a general panel. In the second case, only the shear stress is interpolated by the following equation.

なお、ここで二つのパネル要素を定式化した理由は、これら二つの要素を用いて得られた最適解を比較することにより、構造の力学的メカニズムが明確になるからである。すなわち、両者から得た最適構造を力学的見地から比較すれば、その構造の支配的な応力を判断することができ、その構造の成り立ち、あるいはしくみを理解できるからである。以後、通常パネルと記述したら式(13)で定式化したパネルを示し、せん断パネルと記したら式(14)で定式化したパネルを示す。   The reason why the two panel elements are formulated here is that the mechanical mechanism of the structure is clarified by comparing the optimal solutions obtained using these two elements. That is, if the optimum structure obtained from both is compared from the mechanical point of view, the dominant stress of the structure can be judged, and the formation or structure of the structure can be understood. Hereinafter, a normal panel indicates a panel formulated by Equation (13), and a shear panel indicates a panel formulated by Equation (14).

また、変位uは一般的な双一次の補間関数Nを用いて次式で表す。   The displacement u is expressed by the following equation using a general bilinear interpolation function N.

ここでdは、4つの節点の変位ベクトルで、これを用いれば微小ひずみeは変位ベクトルuを用いて次のように表される。 Here, d is a displacement vector of four nodes, and if this is used, the minute strain e is expressed as follows using the displacement vector u.

他方、応力−ひずみ関係式は次のように得られる。
On the other hand, the stress-strain relational expression is obtained as follows.

しかし、この要素では応力と変位を独立に仮定しているため、式(16)から得られるひずみと、式(17)から得られるひずみは一致しない。ここでは、
となるように、すなわち、式(17)をエネルギー残差が最小になるように緩和することによって、エネルギーの釣り合いを確保する。ここで、Dは弾性マトリクス、Ωeは要素の領域である。よって式(17)、式(18)より、次式が得られる。
However, since the stress and displacement are assumed independently in this element, the strain obtained from Equation (16) does not match the strain obtained from Equation (17). here,
In other words, energy balance is ensured by relaxing Equation (17) so that the energy residual is minimized. Here, D is an elastic matrix, and Ω e is an element region. Therefore, the following equation is obtained from the equations (17) and (18).

式(19)を式(16)に代入して、
が得られるので、要素剛性マトリクスは次式となる。
Substituting equation (19) into equation (16),
Therefore, the element stiffness matrix is as follows.

最後にばね要素について定式化する。ばね要素における設計変数は、正規化されたばね定数ρkとする。但し、最適な溶接の強さを求めるのではなく、得られた結果をもとに最適な溶接位置を探索する事を目的とする。この時、並進に対するばね定数ktと回転に対するばね定数krを次式で示す。 Finally, the spring element is formulated. The design variable in the spring element is a normalized spring constant ρ k . However, the object is not to obtain the optimum welding strength but to search for the optimum welding position based on the obtained result. At this time, the spring constant k t for translation and the spring constant k r for rotation are shown by the following equations.

はPkペナライゼーションパラメータ、ktmax、krmaxはそれぞれ、並進、回転に対する最大時のばね定数である。なお、ktmax、krmaxの設定の仕方により、種々の溶接法を表現することができる。 Is the P k penalization parameter, and k tmax and k rmax are the maximum spring constants for translation and rotation, respectively. Incidentally, k tmax, by way of setting k rmax, it is possible to express various welding methods.

<最適化問題の定式化>
A本のフレーム要素と、nt枚のパネル要素と、nk個のばね要素で構成される設計領域Dに、荷重を別々に作用させるようなマルチローディングの問題がm通りある場合について、剛性最大化を行う。すなわち、荷重ベクトルfj(j=1,・・・,m)で表される荷重が作用する時に、後述する制約条件のもとで剛性の最大化をはかる。なお、境界Γdを完全固定して、荷重を作用させた時の変位をuj(j=1,・・・,m)とし、平均コンプライアンスをlj(j=1,・・・,m)とする。また、最適化の制約条件としては、フレーム、パネル要素については総体積とし、ばね要素に関しては設計変数に比例するコストの総和とする。このとき、最適化問題は以下のように定式化される。
<Formulation of optimization problem>
When there are m multiloading problems in which loads are separately applied to the design area D composed of n A frame elements, n t panel elements, and n k spring elements, Maximize rigidity. That is, when the load represented by the load vector f j (j = 1,..., M) is applied, the rigidity is maximized under the constraint conditions described later. Note that the displacement when the boundary Γd is completely fixed and a load is applied is u j (j = 1,..., M), and the average compliance is l j (j = 1,..., M). And As a constraint condition for optimization, the frame and panel elements are set to the total volume, and the spring elements are set to the total cost proportional to the design variables. At this time, the optimization problem is formulated as follows.

制約条件
又は
Constraints
Or

ここでρAiAはiA番目のフレーム要素の設計変数、ρtitはit番目のパネル要素の設計変数、ρkikはik番目のばね要素の設計変数、LiAはiA番目フレーム要素の長さ、VBはフレーム要素の体積の総和、VB Uはフレーム要素の体積制約の上限値、Atitはit番目のパネル要素の面積、VPはパネル要素の体積の総和、VP Uはパネル要素の体積制約の上限値、VUはフレーム要素、パネル要素の体積の総和を制限する体積制約の上限値、Cmaxはばね要素一つあたりのコストの最大値、TCUはばね要素のコストの合計、TCはばね要素のコスト制約の上限値、Kは設計領域全体の剛性マトリクスである。 Here [rho A, iA is i A-th frame element design variables, ρ t, it is design variables i t th panel element, ρ k, ik is i k-th spring element design variables, L iA is i a-th frame element length of, V B is the sum of the volume of the frame element, V B U is the upper limit of the volume constraints of the frame element, a t, it is the area of i t th panel element, V P is the panel Sum of volume of elements, V P U is the upper limit value of the volume constraint of the panel element, V U is an upper limit value of the volume constraint that limits the total volume of the frame elements and panel elements, and C max is the cost per spring element the maximum value of, TC U is the sum of the cost of the spring element, TC is the upper limit value of the cost constraints of the spring element, K is a stiffness matrix of the overall design area.

上式の多目的問題を解く方法として、本実施形態では次式の目的関数fを用いる。   As a method for solving the multi-objective problem of the above equation, an objective function f of the following equation is used in the present embodiment.

上式を用いれば、平均コンプライアンスが最大のものを最小化することになるので、剛性がいちばん低い場合について、剛性が向上されることになる。したがって、結果的にすべての場合について平均的な剛性を持つ最適構造が得られることになる。   If the above formula is used, the one with the maximum average compliance is minimized, so that the rigidity is improved when the rigidity is the lowest. Therefore, as a result, an optimum structure having an average rigidity is obtained in all cases.

図3に最適化のフローチャートを示す。最初に剛性マトリクスKを求め(S1)、この剛性マトリクスKの感度を計算する(S2)。次に、釣り合い方程式を解いて、変位ベクトルujを求める(S3)。そして、その変位ベクトルujの値を用いて平均コンプライアンスを求めるとともに、フレーム要素およびパネル要素の体積制約と、ばね要素のコスト制約を計算し(S4)、収束判定を行う(S5)。 FIG. 3 shows an optimization flowchart. First, a stiffness matrix K is obtained (S1), and the sensitivity of this stiffness matrix K is calculated (S2). Next, the balance equation is solved to obtain the displacement vector u j (S3). Then, the average compliance is obtained using the value of the displacement vector u j , the volume constraint of the frame element and the panel element, and the cost constraint of the spring element are calculated (S4), and the convergence determination is performed (S5).

目的関数が収束していれば、最適化を終了し、収束していなければ、平均コンプライアンスl(エル)と制約条件の、設計変数ρAiA、ρtit、ρkikに関する感度を計算し(S6)、それを用いて設計変数ρAiA、ρtit、ρkikを更新する(S7)。その後、S1に戻り、剛性マトリクスKを再作成し、同様の計算を繰り返す。 If the objective function has converged, the optimization is terminated. If the objective function has not converged, the sensitivity with respect to the design variables ρ A , iA , ρ t , it , ρ k , ik of the average compliance l (el) and the constraints (S6), and the design variables ρ A , iA , ρ t , it , ρ k , and ik are updated using the calculated values (S7). Thereafter, the process returns to S1, the rigidity matrix K is recreated, and the same calculation is repeated.

設計変数更新の際の最適化手法には、逐次凸関数近似法であるCONLIN(Convex Linearization)を使用する。CONLINは、剛性問題に対して、発見的手法無しで高い収束性が得られる特徴を持つ。CONLINの基本的な考え方は、目標関数あるいは制約条件である関数hを、
なる媒介変数を用いて近似する事にある。ここで用いる目標関数については、ひずみエネルギーと同じ次元を持ち、その感度は負となるので、上式の二番目の近似が適用される。他方、ひずみエネルギーは、荷重規定の問題では各要素の剛性の値、すなわち本定式化では変数ρAiA、ρtit、ρkikに対して反比例することになる。これは、上式が本来の目標関数に近い形態で近似していることを示し、高い収束性が期待できる。
CONLIN (Convex Linearization), which is a sequential convex function approximation method, is used as an optimization method for updating design variables. CONLIN has a characteristic that high convergence can be obtained without a heuristic method for a rigidity problem. The basic concept of CONLIN is to set a function h that is a target function or a constraint condition,
Approximation using the following parametric variable. The target function used here has the same dimension as the strain energy and its sensitivity is negative, so the second approximation of the above equation is applied. On the other hand, the strain energy is inversely proportional to the stiffness value of each element in the load regulation problem, that is, the variables ρ A , iA , ρ t , it , ρ k , and ik in this formulation. This indicates that the above equation is approximated in a form close to the original target function, and high convergence can be expected.

<数値例>
いくつかの数値例により、本設計支援装置の妥当性を検証する。なお、構造物の材料にはいずれの場合にも鋼を想定し、ヤング率を209GPa、ポアソン比を0.3とした。また、各設計要素のペナルティを与えるパラメータPA、Pt、Pkは、設計変数と体積あるいはコストとの関係に物理的な整合性をとるためにそれぞれ1とした。
<Numerical example>
The validity of this design support device is verified by some numerical examples. In all cases, steel was assumed as the material of the structure, Young's modulus was 209 GPa, and Poisson's ratio was 0.3. The parameter P A penalize for each design element, P t, P k was respectively 1 to take the physical integrity of the relationship between design variables and the volume or cost.

最初に、2次元のモデルを用いて、式(13)と式(14)により定式化される、異なるパネル要素により、それぞれ異なる最適解が得られることを示す。   First, a two-dimensional model is used to show that different optimal solutions can be obtained by different panel elements formulated by Equation (13) and Equation (14).

図4に設計領域Dを示す。この例では、設計領域Dをx方向、y方向にそれぞれ4分割し、分割された各領域にはパネル要素を配置する。また、配置された各パネル要素の周上にはフレーム要素を配置する。さらに、設計領域Dの左側を完全固定し(図において固定端を斜線で示す)、右側の境界中心の節点に−y方向に荷重10.0Nを作用させた場合の最適解を得る。   FIG. 4 shows the design region D. In this example, the design area D is divided into four parts in the x direction and the y direction, and a panel element is arranged in each divided area. A frame element is arranged on the circumference of each arranged panel element. Furthermore, the optimal solution is obtained when the left side of the design region D is completely fixed (the fixed end is indicated by diagonal lines in the figure) and a load of 10.0 N is applied to the node at the right boundary center in the -y direction.

なお、ここではパネル要素のみを設計要素とし、フレーム要素は非設計要素とし、フレーム要素の影響を十分小さいものとし、すべてのフレーム要素の断面積を1.26×10−5mm2とした。また、最大時のパネルの厚さtmaxは3.0mm、体積制約VP Uは全設計領域の30%と設定した。 Here, the only design elements panel element, the frame element is a non-design elements, the influence of the frame element is made sufficiently small, the cross-sectional area of all the frame elements was 1.26 × 10- 5 mm 2. In addition, the maximum panel thickness t max was set to 3.0 mm, and the volume constraint V P U was set to 30% of the entire design area.

図5に、得られた最適構造を示す。図5(a)の場合は式(13)の通常パネルを用いた場合で、図5(b)の場合は式(14)のせん断パネルを用いた場合で、正規化された板厚ρtの分布を示している。なお、図中の濃淡バーは各最適構造の板圧の差異を明確にするため、ρtの最大値と最小値の間で割り当てた。色の濃いパネル要素が板厚として大きな値が必要なものであり、白いパネル要素は不要なパネル要素である。 FIG. 5 shows the optimum structure obtained. If the case of FIG. 5 (a) using an ordinary panel of formula (13), in case the case shown in FIG. 5 (b) using a shear panel of formula (14), the normalized thickness [rho t The distribution of is shown. The light and dark bars in the figure were assigned between the maximum value and the minimum value of ρ t in order to clarify the difference in plate pressure of each optimum structure. A dark-colored panel element requires a large value as a plate thickness, and a white panel element is an unnecessary panel element.

次に、フレーム要素とパネル要素を同時に設計要素とし、2つの式(24)と式(25)に示す二つの体積制約の設定法によって、それぞれ異なる最適解が得られることを示す。なお、最適化のモデルとしては図4の二次元のモデルを使用し、パネル要素は通常パネルを用いた。また、最大時のフレームの断面積は1.13×102mm2、パネルの最大厚さは3.0mm、体積制約はいずれの場合においても全設計領域の30%として最適化した。 Next, it will be shown that different optimum solutions can be obtained by setting the two volume constraints shown in the two equations (24) and (25) with the frame element and the panel element as design elements at the same time. The two-dimensional model shown in FIG. 4 was used as the optimization model, and a normal panel was used as the panel element. The maximum cross-sectional area of the frame was 1.13 × 10 2 mm 2 , the maximum panel thickness was 3.0 mm, and the volume constraint was optimized as 30% of the total design area in any case.

図6に、得られた最適構造を示す。図中(a)は、式(24)のパネル要素とフレーム要素に別々の体積制約を設定した場合の結果で、図中(b)は式(25)の両要素に共通の体積制約を設定した場合の結果である。このように、体積制約について、異なるものとすることによって、最適構造が大きく異なることが分かる。   FIG. 6 shows the optimum structure obtained. In the figure, (a) shows the result when separate volume constraints are set for the panel element and the frame element in Expression (24), and (b) in the figure shows a common volume restriction for both elements in Expression (25). This is the result. Thus, it can be seen that the optimum structure is greatly different by making the volume constraints different.

次に、3次元のモデルを用いた場合の結果を示す。図7に示したように2次元の5つの設計領域を用意し、それにより直方体の各面が設計領域となるように設定する。なお各面の設計領域の設定は図4の場合と同一にしている。設計領域Dの左側を完全固定し、右側の境界面の中心にx軸周りにトルク10.0N・mを作用させた場合の最適解を得る。なお、フレームの最大時の断面積は2.83×10mm2、パネルの最大時の厚さは3.0mmとし、体積制約は式(25)のもと、全設計領域の50%とした。 Next, the result when a three-dimensional model is used is shown. As shown in FIG. 7, five two-dimensional design areas are prepared, and each plane of the rectangular parallelepiped is set as a design area. The setting of the design area on each surface is the same as in the case of FIG. An optimal solution is obtained when the left side of the design region D is completely fixed and a torque of 10.0 N · m is applied around the x axis at the center of the right boundary surface. The maximum cross-sectional area of the frame was 2.83 × 10 mm 2 , the maximum thickness of the panel was 3.0 mm, and the volume constraint was 50% of the total design area based on Equation (25).

図8、9に最適構造を示す。図8は通常パネルを用いた場合の結果で、図9はせん断パネルを用いた場合の結果である。このように、3次元モデルにおいても、最適構造が得られ、パネル要素の種類によって最適構造が異なることが分かる。   8 and 9 show the optimum structure. FIG. 8 shows the result when a normal panel is used, and FIG. 9 shows the result when a shear panel is used. Thus, it can be seen that even in the three-dimensional model, an optimum structure is obtained, and the optimum structure varies depending on the type of panel element.

次に、フレーム要素、パネル要素に加え、ばね要素も設計要素として用いた場合の最適解を示す。図10に設計領域を示す。図に示したように、二次元モデルで使用した図9の中央に上から5箇所ばね要素を配置する。ばね要素の制約条件は、Cmax=1.0、TCU=0.40と設定した。Cmaxはばね要素一つあたりのコストの最大値、TCUはばね要素のコスト制約の上限値である。つまり、この例は、5箇所のうち2箇所の溶接が許可されるものとして、最適な溶接位置を探るのが目的である。ばね定数の最大値は、ktmax=10.0N/m、krmax=10.0N・mと設定する。また、同時にフレーム要素とパネル要素も設計要素とした。 Next, an optimal solution when a spring element is used as a design element in addition to a frame element and a panel element is shown. FIG. 10 shows the design area. As shown in the figure, five spring elements are arranged from the top in the center of FIG. 9 used in the two-dimensional model. The constraint conditions for the spring elements were set as C max = 1.0 and TC U = 0.40. C max is the maximum value of the cost per one spring element, TC U is the upper limit value of the cost constraints of the spring element. That is, in this example, it is an object to search for an optimum welding position on the assumption that welding of two places out of five places is permitted. The maximum value of the spring constant is set as k tmax = 10.0 N / m and k rmax = 10.0 N · m. At the same time, the frame element and panel element were also used as design elements.

結果を表1及び図11に示す。すなわち、表1に、図10の設計領域において、フレーム要素、パネル要素、ばね要素を同時に設計要素とした場合のばね定数の最適値を示す。また、図11にはそのときのフレーム要素、パネル要素の必要度を色分けで示す。色の濃いものが必要な要素である。   The results are shown in Table 1 and FIG. That is, Table 1 shows the optimum value of the spring constant when the frame element, the panel element, and the spring element are simultaneously used as the design elements in the design region of FIG. FIG. 11 shows the necessary degree of the frame element and the panel element at that time by color coding. A dark color is a necessary element.

この表1においてρkの値は、上から図10の1〜5に対応する。最上部と最下部での値が大きくなっており、この場合は上下端を溶接するのが適切であるということを示している。 In Table 1, the value of ρ k corresponds to 1 to 5 in FIG. 10 from the top. The values at the top and bottom are large, indicating that it is appropriate to weld the top and bottom.

続いて、パネル要素を用いて、自動車ボデーのT字型接合部の最適な補強形状を導出する。設計領域は図12(a)に示す。この例では、フレームと外部のパネルを非設計要素とし、内部の補強パネルを設計要素とする。荷重条件は、図12(b)の位置にマルチローディングでねじり1.0N・mと垂直荷重10Nを加える。   Subsequently, an optimum reinforcing shape of the T-shaped joint portion of the automobile body is derived using the panel element. The design area is shown in FIG. In this example, the frame and the external panel are non-design elements, and the internal reinforcing panel is a design element. As for the load condition, a torsion of 1.0 N · m and a vertical load of 10 N are applied at the position shown in FIG.

結果を図13に示す。図中(a)は通常パネルを用いた結果で、図中(b)はせん断パネルを用いた結果である。このようなT字型接合部においては、図14に示すような補強構造が好適であることが結果から分かる。   The results are shown in FIG. In the figure, (a) shows the result using a normal panel, and (b) shows the result using a shear panel. It can be seen from the results that a reinforcing structure as shown in FIG. 14 is suitable for such a T-shaped joint.

このようにして、本実施形態によれば、自動車のボデー部品などのパネル要素を利用した構造物について、最適化設計を行うことができる。従って、この結果を、各種部材の設計、試作、製造などに利用することができる。   Thus, according to the present embodiment, it is possible to perform an optimization design for a structure using a panel element such as an automobile body part. Therefore, this result can be used for design, trial manufacture, manufacture, etc. of various members.

最適設計支援装置の構成図である。It is a block diagram of the optimal design support apparatus. 端部を固定し、荷重を負荷した構造物の図である。It is a figure of the structure which fixed the edge and applied the load. 実施形態の処理フローチャートである。It is a processing flowchart of an embodiment. 2次元の設計領域を示す図である。It is a figure which shows a two-dimensional design area | region. 図4の設計領域において、パネル要素を設計要素とした最適解を示す図であ る。FIG. 5 is a diagram showing an optimal solution using a panel element as a design element in the design region of FIG. 図4の設計領域において、パネル要素とフレーム要素を同時に設計要素とした最適解を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an optimal solution in which a panel element and a frame element are simultaneously used as design elements in the design region of FIG. 4. 3次元の設計領域を示す図である。It is a figure which shows a three-dimensional design area | region. 図7の設計領域において、パネル要素とフレーム要素を同時に設計要素とした最適解を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an optimal solution in which the panel element and the frame element are simultaneously used as design elements in the design region of FIG. 7. 図7の設計領域において、パネル要素(せん断パネル)とフレーム要素を同時に設計要素とした最適解を示す図であるFIG. 8 is a diagram illustrating an optimal solution in which the panel element (shear panel) and the frame element are simultaneously used as design elements in the design region of FIG. 7. ばね要素を設計要素として含む場合の設計領域を示す図である。It is a figure which shows the design area | region in the case of including a spring element as a design element. 図10の設計領域において、フレーム要素、パネル要素、ばね要素を同時に設計要素とした場合の最適解を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an optimal solution when a frame element, a panel element, and a spring element are simultaneously used as design elements in the design region of FIG. 10. 自動車ボデーのT字型接合部を模した設計領域である。This is a design area simulating a T-shaped joint of an automobile body. 図12の設計領域における最適解である。It is the optimal solution in the design area | region of FIG. 図12の最適解から考案したT字接合部の補強形状である。It is the reinforcement shape of the T-shaped joint part devised from the optimal solution of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 最適設計支援装置、12 初期情報格納部、14 解析条件格納部、16 最適化演算部、18 出力部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optimal design support apparatus, 12 Initial information storage part, 14 Analysis condition storage part, 16 Optimization calculation part, 18 Output part.

Claims (12)

構造物の設計領域を分割する節点の位置を示す節点位置情報と、前記節点間を接続して配置されるフレーム要素および前記節点で規定される分割領域に配置されるパネル要素とに関する情報である要素情報と、前記各要素が節点位置で互いに連結されるように配置した情報である要素配置情報と、を含む初期情報を記憶する初期情報記憶部と、
前記各要素が連結されて形成される構造物の設計領域に対して最適化すべき目的関数と、この目的関数についての最適化の際の制約条件とを示す情報である解析条件情報を記憶する解析条件情報記憶部と、
前記解析条件情報に基づいて、前記初期情報で定められているフレーム要素およびパネル要素のうち、不要な要素を削除するとともに、必要な要素においてはその要素情報を変更して最適化する最適化演算部と、
この最適化演算部で演算され、変更された初期情報を演算結果情報として出力する出力部と、
を備えることを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
This is information on node position information indicating the position of a node that divides a design area of a structure, frame elements that are arranged by connecting the nodes, and panel elements that are arranged in a divided region defined by the nodes. An initial information storage unit that stores initial information including element information and element arrangement information that is information arranged so that the elements are connected to each other at node positions;
Analysis for storing analysis condition information, which is information indicating an objective function to be optimized for a design area of a structure formed by connecting the elements, and constraint conditions for optimization of the objective function A condition information storage unit;
Based on the analysis condition information, an optimization operation that deletes unnecessary elements from the frame elements and panel elements defined in the initial information, and changes and optimizes the element information for necessary elements. And
An output unit that outputs the initial information that is calculated and changed by the optimization calculation unit as calculation result information;
An optimum design support device for a structure, comprising:
請求項1に記載の装置において、
前記解析条件情報は、前記構造物に印加される外力と、固定条件とを含む境界条件と、前記フレーム要素およびパネル要素の体積条件を含むことを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 1.
The structure optimum design support apparatus, wherein the analysis condition information includes boundary conditions including an external force applied to the structure and a fixed condition, and volume conditions of the frame element and the panel element.
請求項1または2に記載の装置において、
前記初期情報記憶部は、節点間を接続するばね要素をさらに含むことを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus according to claim 1 or 2,
The initial design information storage unit further includes a spring element for connecting the nodes.
請求項3に記載の装置において、
前記解析条件情報は、前記ばね要素のコスト条件を含むことを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 3.
The structure optimum design support apparatus, wherein the analysis condition information includes a cost condition of the spring element.
請求項1の記載の装置において、
最適化演算部が、不必要なフレーム要素またはパネル要素の実質的消失を生じることにより、構造物の中でフレーム要素の必要な箇所とパネル要素の必要な箇所を決定することを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus according to claim 1.
A structure characterized in that the optimization calculation unit determines a necessary position of the frame element and a necessary position of the panel element in the structure by causing substantial disappearance of the unnecessary frame element or panel element. Optimal design support device for things.
請求項3の記載の装置において、
最適化演算部が、不必要なばね要素の実質的消失を生じることにより、構造物の接合すべき箇所を決定することを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 3.
An optimization design support device for a structure, wherein the optimization calculation unit determines a portion to which the structure is to be joined by causing an unnecessary disappearance of an unnecessary spring element.
請求項1に記載の装置において、
最適化演算部が、特定方向の応力についてのみ剛性を持つパネル要素あるいは全ての方向の応力について剛性をもつパネル要素の少なくとも一方を用いて得られた最適構造の定量的比較を行うことにより、最適構造が得られる力学的因子を抽出することを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 1.
The optimization calculation unit performs optimal comparison by quantitatively comparing the optimal structure obtained using at least one of panel elements that have rigidity only for stress in a specific direction or panel elements that have rigidity for stress in all directions. An optimum design support device for a structure, characterized in that a mechanical factor for obtaining the structure is extracted.
請求項7に記載の装置において、
前記すべての方向の応力について剛性をもつパネル要素が、応力仮定に基づいてモデル化されたものであって、パネル要素についての剛性を面内方向に限定したものであることを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 7.
The panel element having rigidity with respect to the stress in all directions is modeled based on the stress assumption, and the rigidity of the panel element is limited to the in-plane direction. Optimal design support device.
請求項7に記載の装置において、
前記特定の方向についてのみ剛性をもつパネル要素がせん断応力についてのみ剛性を持つことを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The apparatus of claim 7.
An optimum design support device for a structure, wherein the panel element having rigidity only in the specific direction has rigidity only in terms of shear stress.
請求項1〜8のいずれか1つに記載の装置において、
前記フレーム要素およびパネル要素の解析条件情報は、それぞれ別個に設定された体積制約を含むことを特徴とする構造物の最適設計支援装置
The device according to any one of claims 1 to 8,
The structure design optimum design support apparatus, wherein the analysis condition information of the frame element and the panel element includes volume constraints set separately.
請求項1〜8のいずれか1つに記載の装置において、
前記フレーム要素およびパネル要素の解析条件情報は、フレーム要素とパネル要素の和に対し設定された体積制約を含むことを特徴とする構造物の最適設計支援装置。
The device according to any one of claims 1 to 8,
The structure optimum design support apparatus, wherein the analysis condition information of the frame element and the panel element includes a volume constraint set for the sum of the frame element and the panel element.
構造物の設計領域を分割する節点の位置を示す節点位置情報と、前記節点間を接続して配置されるフレーム要素および前記節点で規定される分割領域に配置されるパネル要素とに関する情報である要素情報と、前記各要素が節点位置で互いに連結されるように配置した情報である要素配置情報とを含む初期情報を初期情報記憶部に記憶させるステップと、
前記各要素が連結されて形成される構造物の設計領域に対して最適化すべき目的関数と、この目的関数についての最適化の際の制約条件とを示す情報である解析条件情報を解析条件情報記憶部に記憶させるステップと、
前記解析条件情報に基づいて、前記初期情報で定められているフレーム要素およびパネル要素のうち、不要な要素を削除するとともに、必要な要素においてはその要素情報を変更して最適化させるステップと、
この最適化により、変更された初期情報を演算結果情報として出力するステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする構造物の最適設計支援プログラム。
This is information on node position information indicating the position of a node that divides a design area of a structure, frame elements that are arranged by connecting the nodes, and panel elements that are arranged in a divided region defined by the nodes. Storing initial information including element information and element arrangement information, which is information arranged such that the elements are connected to each other at node positions, in an initial information storage unit;
Analysis condition information is analysis condition information, which is information indicating an objective function to be optimized for a design region of a structure formed by connecting the elements, and constraint conditions for optimization of the objective function. Storing in the storage unit;
Based on the analysis condition information, the unnecessary elements are deleted from the frame elements and panel elements defined in the initial information, and the necessary elements are changed and optimized for the elements, and
By this optimization, a step of outputting the changed initial information as operation result information;
An optimal design support program for a structure, which causes a computer to execute
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