JP2006011729A - 設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＡＤデータからのモデル作成を容易にし、最適化したモデルをＣＡＤデータに変換して、解析結果が短時間で設計者にフィードバックが可能となる設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法を提供する。
【解決手段】ＣＡＤデータを有限要素法モデルへ変換する有限要素法モデル変換装置と、最適化手法により最適化有限要素法モデルを構築する最適化装置と、前記最適化有限要素法モデルをＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換装置とを有する構造物の設計に用いられる設計最適化支援システムにおいて、ＣＡＤデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択する手段と、最適化目的に適応する最適化手法を選択する手段と、前記最適化有限要素法モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換手段とを備えたことを特徴とする設計最適化支援システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物の最適化設計についての解析に使用される設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法に関する。

エネルギー機器等の構造物は、重量の軽減や製造コストの削減のために、設計段階において有限要素法を用いた数値解析による検討が行なわれている。

一般に大型構造物は、薄板を溶接で接合した構造物と厚肉構造の２種類に大別される。これらの構造物は、補強等のリブが多数溶接で設置された構造や、鋳物や鍛造で予め補強リブ等を備えた構造を有する。従来、これらの構造物は、板厚や形状を変えた数種類の有限要素法モデルを作成して解析することにより最適な構造を求めていた。また近年は、最適化ツールの発達に伴い、感度解析や形状最適化、位相最適化ツール等を用いた最適化形状の検討が行なわれている。また、上記手段に加えて３次元ＣＡＤが用いられるようになり、そのため３次元ＣＡＤから有限要素モデルへの情報交換が重要となってきている。

構造物の最適化設計にＣＡＤデータを利用する従来の技術としては、以下のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６２８９６号公報

従来の設計ツールは、３次元ＣＡＤデータから有限要素法のモデルを作成し、解析する手法については、ほぼ構築されているが、作業が煩雑であり、簡便な手段とは言えなかった。また、３次元ＣＡＤデータへの変換は、特に最適化を実施した後の構造を設計にフィードバックする意味合いにおいて特に重要であるが、解析後の最適化モデルから３次元ＣＡＤデータへの変換については、いまだ実用化されていない。そのため、従来は、最適化後のモデル形状を見て設計者が実際の構造へ形状変換する作業を行なっていた。

しかしながら、位相最適化によって得られた最適化モデルは、最適化出力形態が構造物を構成する有限要素の密度に関係付けられているため、実際の構造への変換作業によりえられる最適化モデルは、密度の濃度によって凸凹な形状となり、この形状をスムーズな実機形状に作成し直す作業に非常に労力が費やされていた。また、変数最適化のように、板厚を最適化するような手法では、理想的な板厚が最適化解として求められるため、実際に工場内で使用可能な規格化された板厚と相違する場合があり、設計者が各板厚を修正して最終的な構造を決定する必要があった。

さらに、最適化の目的によっては、例えば、溶接工数の最小化を目的とした場合等、従来の汎用ツールで対応することが困難であり、そのため、設計者が最適化結果を用いて、人力作業によって要求された最適化仕様を満たす作業を実施していた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、ＣＡＤデータからの最適化モデル作成と最適化したモデルのＣＡＤデータへの変換を容易にし、解析結果を短時間で設計者にフィードバック可能となる設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法を提供することを目的とする。

本発明の設計最適化支援システムは、上述した課題を解決するために、ＣＡＤデータを有限要素法モデルへ変換する有限要素法モデル変換装置と、最適化手法により最適化モデルを構築する最適化装置と、前記最適化モデルをＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換装置とを有する構造物の設計に用いられる設計最適化支援システムにおいて、ＣＡＤデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択する手段と、最適化目的に適応する最適化手法を選択する手段と、前記最適化有限要素法モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の設計最適化支援方法は、ＣＡＤデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択してＣＡＤデータを有限要素法モデルへ変換し、最適化目的に適応する最適化手法を選択して最適化有限要素法モデルを構築し、前記最適化有限要素法モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換することを特徴とする方法である。

本発明の設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法によれば、ＣＡＤデータからの最適化モデルの作成が容易となり、設計者の最適化目的に即した結果を簡便に得られると共に、最適化モデルをＣＡＤデータに変換して解析結果を短時間で設計者にフィードバックすることが可能となる。

本発明の設計最適化支援システムおよび設計最適化支援方法の各実施例について、図面を参照して以下に説明する。

（実施例１）
図１に、本発明に係る設計最適化支援システムの実施例１の構成を示す概略図を示す。

本実施例の設計最適化支援システムは、ＣＡＤデータ入力装置１と、ＣＡＤデータを有限要素法モデル変換する有限要素法モデル変換装置２と、有限要素法モデルを最適化する最適化装置３と、最適化された有限要素法モデルをＣＡＤデータへ変換するＣＡＤデータ変換装置４とから構成される。ＣＡＤデータ変換装置４内には、最適化された有限要素法モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換手段が設けられている。

有限要素法モデル変換装置２と最適化装置３は、汎用の変換・最適化ツール、または自作した変換・最適化ツールとそれをコントロールするプログラムとから構成されている。具体的な手順は、ＣＡＤデータの種類に応じて、入力受付け手段（例えば、ＩＧＥＳ形式、またはＳＴＥＰ形式等）を選択して入力を実行する。次に、有限要素法モデル変換装置２にてモデル形態に応じた有限要素法モデル変換を実施した後、最適化目的の種別に応じて各種別のコマンドを選定していき、そのコマンドが表示される手順に従って、最適化装置３にて最適化を実行する。最適化実行後、ＣＡＤデータ変換装置４にデータを転送し、変換したいデータ形式を選定後、表示されるコマンドに従って変換作業を進める。

本実施例の設計最適化支援システムは、基本的に、画面に表示されるコマンドを順次選択して実行するものであり、各ツール内でマクロ機能によって構成されている部分と、設計者自らが数値あるいは画面上の形状を操作して行なう部分とから構成される。

（実施例２）
図２に、設計最適化支援システムの部分についての詳細な構成を示す。

この図２には、ＣＡＤデータ入力装置１と有限要素法モデル変換装置２の内部構成の概略図を示す。ＣＡＤデータ入力装置１は、ＣＡＤデータの種類を選択するＣＡＤデータ種類選択部１１を有し、また有限要素法モデル変換装置２は、有限要素法モデル作成方法を選択する手段としての有限要素法モデル選択部２１を有する。

ＣＡＤデータ入力装置１に入力するＣＡＤデータは、ＣＡＤデータ種類選択部１１にて種類（ＩＧＥＳ、ＳＴＥＰ他）が選定された後、有限要素法モデル変換装置２内にある有限要素法モデル選択部２１によって、作成する要素モデルの種別がシェル要素モデルまたはソリッド要素モデルに分類される。シェル要素モデルは、点と線または曲線と面で構成されたモデルであり、ソリッド要素は、サイコロ状の６面体立方体を主とした立体モデルとなる。従って、シェル要素モデルの場合は、面構成でモデルを作成するシェル専用マクロ機能部２２を経て有限要素法モデル要素作成部２４により作成され、またソリッド要素は、ソリッド要素専用マクロ機能部２３を経て有限要素法モデル要素作成部２４により作成される。

これらのマクロ機能は、あらかじめ設計者が手作業によりコマンド入力し、モデル作成する手順をプログラミング化したもので、モデル形状が複雑な曲面等を含まない形状の場合には、設計者が初期設定をした後にマクロ機能のコマンドを実行させるだけでモデル作成が可能となる。モデル構成が複雑な場合は、マクロ機能による自動作成後に手作業による修正が必要な場合がある。

（実施例３）
本実施例は、特に最適化装置３の初期設定部分についての構成に関して、各最適化目的を選定することによって、その最適化目的に対応した最適化手順および最適化手法を実行するものである。

最適化装置３においては、設計において考慮する下記の場合について条件を設定して解析する。すなわち、構造物の板厚を最適化して最小重量構成とする場合と、溶接工数を最適化しつつ重量最小化する場合と、現状の形状をベースとして形状変更を実施して最適化しつつ重量を最小化する場合と、初期の形状に囚われずに重量を最小化する自由な形状とすめる位相最適化を行なう場合と、重量を最小化しつつ板厚構成を最適化する場合と、静解析と固有振動解析とを複合解析して最適化する場合についての解析である。

各最適化手法は、その目的別にさらに区分けされており、例えば板厚を最適化する手法の場合、統計的手法やベーシスベクトル法等の手法を選択する。

（実施例４）
図３に実施例４を示す。

本実施例は、最適化装置３にて板厚を最適化する場合において、最適化で得られた板厚を規格で定められた板厚に修正する構成に関する。

最適化装置３にて最適化結果を得る場合、まず、最適化目的判定部３４にて最適化の目的として板厚の最適化を選択する。次に、最適化手法を選択する手段としての最適化手法選択部３５にて最適化手法を選択する。

ここで、板厚を最適化する手法としては、例えば、ベーシスベクトル法等の変数最適化手法と統計的手法の２種類に大別されるが、統計的手法以外の方法においては、感度解析を実施した後に最適化を実行することが多く、その感度解析の結果によって目的とする応力および変形と設計変数（ここでは板厚）との相関が得られる。この相関を用いれば、板厚変動による制約または目的とする応力および変形等の変動が把握できるので、感度解析結果を元にした板厚変換部３６にて、最適化で得られた板厚を規格で定められた値に変換することが可能となる。一方、統計的手法の場合は、実験計画法により数十種類の条件による解析を実施し、その結果から設計変数と目的関数との近似推定式を算出するのが一般的であることから近似推定式を用いた板厚変換部３７により、板厚を変化させた場合の応力および変形等を求める。

上記各機能を構成するプログラムは、最適化装置３にサブルーチンとして組みこむことが効率的であるが、組みこみが困難な場合にも、最適化装置３の外に処理プログラムを用意して、得られたデータを読み込んで処理することにより同様の効果が得られる。

また、解析の精度が重要な場合においては、確認のため、板厚調整を実施したモデルについて確認解析部３８にて確認解析を実施することも可能である。

（実施例５）
本実施例は、最適化装置３内において溶接工数の最適化を選択した後、その最適化手段を選択する構成に関する。この構成は、溶接工数を削減するために、溶接順序を最適化したい場合に選択する手段である。

例えば、統計的手法等を用いて、数パターンの溶接順序における変形解析を実施し、変形が最小となる溶接順序を決定する。溶接順序によっては、構造物の変形が大となる場合があるが、この実施例に示す構成により、構造物の変形の修正または防止のための治具設定等の工数を低減することが可能となる。

（実施例６）
本実施例は、最適化装置３内において溶接工数の最適化を選択した後、その最適化手段を選択する構成に関する。この構成は、溶接工数を削減するために、補強を削減したい場合の手段である。

圧力容器等の構造物は、耐圧強度を保持するために複数の補強が設置されているのが一般的である。このような構造物は、補強の溶接に大部分の工数を費やすので、補強の削減および簡略化が溶接工数の削減に大きく影響する。本実施例は、板厚を最適化する手法により、応力および変形を許容内に収め、最小重量で補強部の板厚を減少させるような解析を実施する。

（実施例７）
本実施例は、最適化装置３内において溶接工数の最適化を選択した後、その最適化手段を選択する構成に関する。この構成は、溶接工数を削減するために溶接線長を削減する場合の手段である。

溶接工数は、溶接長を減らすことによって削減が可能となる。本実施例は、最適化手段として統計的手法を用いて溶接線長を変化させた数種類の解析を実施し、応力および変形が許容内に収まるような最小の溶接線のパターンを求めるものである。

（実施例８）
図４に示す実施例８の設計最適化支援システムは、最適化装置３内の静解析と固有振動数の複合解析における最適化手段について示したものである。

主に溶接構造物の場合、圧力やその他の部材の自重等の静的剛性と構造物の稼動時または構造物に接続された運転プラントにより振動が発生するので、共振しないような離調構造をとるための固有振動数解析が必要となる。従って、最適化を行なう上で、静解析と固有振動数解析とを複合した最適化が必要である。一般的には、静解析を実施した後に固有振動数解析での最適化を実施し、その結果を静解析に戻すことによる繰り返し計算となるが、本発明の設計最適化支援システムは、まず、複合解析の選択部３９にて静解析と固有振動解析との複合解析を選択し、静解析による最適値解析部４０にて静解析を実施した後、この解析結果により固有振動数解析部４１にて固有振動数の解析を行なう。この解析結果について、固有振動数・モード判定部４２にて固有振動数と振動モードの判定を行ない、振動モード、共振周波数が問題ない領域であれば、解析終了とし、静解析の最適化結果を最終結果とする。

一方、離調が必要な振動モードおよび共振周波数が存在した場合には、感度解析部４３にて各設計変数を変動させて感度解析を実施し、離調させるべき共振周波数と、振動モードに最も影響を与える変数を特定する。次に、静解析における感度解析結果をもとにして静的強度に影響を及ぼす変数を特定し、固有振動数で特定した変数と相違する場合は、固有振動数による感度解析結果をもとにした変数変動範囲で最適化解析部４４にて最適化解析を行なう。特定した変数が同一の場合、両者の制約条件範囲内で最適化解析部４４にて最適化解析を実行する。

（実施例９）
図５、図６および図７を用いて実施例９の設計最適化支援システムについて説明する。

図５および図６に、位相最適化によって得られたベアリングブラケットの解析結果の一例を示す。図５のモデル５１は、六面体要素の密度の濃淡によって、構造上必要な部分とそうでない部分とにより要素の凸凹が生じている。基本的な解析結果は、図５に示す要素モデル形状で出力されるが、本実施例の設計最適化支援システムにおいては、後の画像処理過程を考慮して図６のスムージングしたモデル６１を用いる。

図７に、本発明の設計最適化支援システムによる実設計におけるデータ変換の流れを概略的に示す。まず、最適化モデルの、例えば軸方向について、形状変化の度合いに応じて数分割から数十分割した断面図を画像として記録する（工程７１）。このときモデルの背景は、モデルと区別がつきやすいように配色する。例えば背景が白色とした場合、モデルの配色には濃い色を用い、背景が黒色の場合、モデルの配色には明るい色を用いる。次に、画像の濃淡部を量子化してモデルと背景との境界線をピックアップする（工程７２）。

次に、境界線を微分した変化率の最大値を認識して、その位置を座標変換する（工程７３）。

この座標値の算出の際には、例えば、モデルの中央等に基準点を作成しておく必要がある。そこで、複数記録した断面図について同様な方法で座標値を算出し、基準点をベースとした３次元座標とする。これらのデータは、ピックしたポイントの３次元座標を表す数値データとなる。最適化モデルの断面図は、そのプリポスト上で行なうことから、マクロ化しておくことにより断面図の作成が容易となる。次に座標変換して数値データ（座標データ）を作成し（工程７４）、この座標データを形状変化の度合いに応じてグループ分けし、そのグループ分けした各ポイントを多項式近似等により曲線化する（工程７５）。これらのポイントの座標データおよび近似曲線を用いてＣＡＤ用データに変換する（工程７６）。

（実施例１０）
位相最適化の有限要素解析モデルが比較的単純な形態の場合は、その節点と節点間の凹凸をスムーズな曲面にアタッチさせることにより、凹凸のないモデルの作成が可能となる。具体的には、最適化解析で得られた有限要素法の節点データをプリプロセッサ上に表示させて、グルーピング化した部分に関して設計者が曲線を書き、その曲線に近傍の節点を移動させる方法である。この方法は、汎用プリプロセッサにおいては、一般的な手法であるので、簡便にモデルの凹凸をスムージングすることが可能となる。このモデルの座標データをＣＡＤ用データに変換させることにより、最適化モデルを簡便に設計用の３次元ＣＡＤデータとして利用することが可能となる。

本発明に係る設計最適化支援システムの構成を示す概略図。 本発明に係る設計最適化支援システムの、ＣＡＤデータ入力装置および有限要素法モデル変換装置部分の詳細な構成図。 本発明に係る設計最適化支援システムの、最適化装置における最適化手法を示す詳細な構成図。 本発明に係る設計最適化支援システムの、最適化装置における最適化手法を示す詳細な構成図。 位相最適化によって得られた解析結果モデルの一例を示す構造図。 スムージング処理した解析結果モデルの一例を示す構造図。 本発明に係る設計最適化支援システムによる実設計におけるデータ処理方法を示す工程図。

符号の説明

１ ＣＡＤデータ入力装置
２ 有限要素法モデル変換装置
３ 最適化装置
４ ＣＡＤデータ変換装置
１１ ＣＡＤデータ種類選択部
２１ 有限要素法モデル選択部
２２ シェル要素専用マクロ機能部
２３ ソリッド要素専用マクロ機能部
２４ 有限要素法モデル要素作成部
３４ 最適化目的判定部
３５ 最適化手法選択部
３６ 感度解析結果をもとにした板厚変換部
３７ 近似推定式を用いた板厚変換部
３８ 確認解析部
３９ 静解析と固有振動解析との複合解析選択部
４０ 静解析による最適値解析部
４１ 固有振動数解析部
４２ 固有振動数・モード判定部
４３ 感度解析部
４４ 最適化解析部
５１ モデル
６１ モデル
７１ 工程
７２ 工程
７３ 工程
７４ 工程
７５ 工程
７６ 工程

Claims (11)

1. ＣＡＤデータを有限要素法モデルへ変換する有限要素法モデル変換装置と、最適化手法により最適化有限要素法モデルを構築する最適化装置と、前記最適化有限要素法モデルをＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換装置とを有する構造物の設計に用いられる設計最適化支援システムにおいて、ＣＡＤデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択する手段と、最適化目的に適応する最適化手法を選択する手段と、前記最適化有限要素法モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換するＣＡＤデータ変換手段とを備えたことを特徴とする設計最適化支援システム。
2. 前記有限要素法モデル作成方法を選択する手段は、ＣＡＤデータの入力後にシェル要素モデルまたはソリッド要素モデルのいずれかを選択して有限要素法モデルを作成する機能を有することを特徴とする請求項１記載の設計最適化支援システム。
3. 前記設計最適化支援システムが、重量を最小化しつつ構造物の板厚を最適化する手段と、重量を最小化しつつ溶接工数を最適化する手段と、重量を最小化しつつ形状を最適化する手段と、重量を最小化しつつ位相を最適化する手段と、静解析と固有振動解析とを複合して最適化する手段のうちから選択される少なくとも一つの手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の設計最適化支援システム。
4. 前記重量を最小化しつつ構造物の板厚を最適化する手段が、規格で定められた所定の板厚となるように最適化結果を修正する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の設計最適化支援システム。
5. 前記重量を最小化しつつ溶接工数を最適化する手段が、溶接順序を最適化する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の設計最適化支援システム。
6. 前記重量を最小化しつつ溶接工数を最適化する手段が、補強を削減する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の設計最適化支援システム。
7. 前記重量を最小化しつつ溶接工数を最適化する手段が、溶接線長を削減する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の設計最適化支援システム。
8. 前記静解析と固有振動解析とを複合して最適化する手段が、静解析の最適化結果を利用して固有振動解析の最適化を実行する機能を備えたことを特徴とする請求項３記載の設計最適化支援システム。
9. 前記ＣＡＤデータ変換装置が、最適化モデルを複数の断面に分割して画像として記録し、この画像を座標データに変換する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の設計最適化支援システム。
10. 前記ＣＡＤデータ変換手段が、最適化された有限要素法モデルが有する座標データを直接ＣＡＤにて使用可能な座標データに変換する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の設計最適化支援システム。
11. ＣＡＤデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択してＣＡＤデータを有限要素法モデルへ変換し、最適化目的に適応する最適化手法を選択して最適化モデルを構築し、前記最適化モデルをモデル形態に応じてＣＡＤデータに変換することを特徴とする設計最適化支援方法。

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