JP2007272557A - 解析モデル生成方法及び解析モデル生成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】良好な解析精度が得られる解析モデルを短時間で生成する解析モデル生成方法等を提供する。
【解決手段】本発明は、複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成方法であって、製品の外形の形状データと、製品の加工穴の形状データとを準備する工程と、製品の外形の形状データを基にメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの外形モデルを生成する工程と、製品の加工穴の形状データを基に、予め穴形状及び／又は穴寸法に応じて規定したメッシュ条件となるようにメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの加工穴モデルを生成する工程と、生成した外形モデルと、生成した加工穴モデルとを、それぞれの穴位置の座標を基に合成する工程と、この合成したモデルを基に製品の３次元メッシュの解析モデルを生成する工程と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、解析モデル生成方法等に係り、特に、複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成方法等に関する。

特許文献１には、有限要素解析を行うために、成型の外面を複数のエリアに分割し、それらのエリア毎にメッシュ化すると共に結合するようにした成型品モデルのメッシュ分割システムが開示されている。このシステムでは、成型品としてコンテナモデルが対象とされ、その平面や曲面などの面を分割している。

一方、従来、有限要素法により応力解析や熱解析などを行うために、エンジンのシリンダブロックなどの製品についてもモデル化が行われている。このような製品についてのメッシュ分割は、汎用の有限要素解析ソフトウェアで自動的に行うことが出来るようになっている。

特開平５−１０８７６９号公報

しかしながら、製品に穴形状が含まれる場合、その穴形状の部分のメッシュ品質が低下するという問題が生じている。例えば、そのような穴部分で、要素間の隙間の発生、要素間での重なり合い、或いは、要素の形状の歪みなどが生じている。このような要素があると、解析演算が実行出来ず、或いは、解析精度の悪化を招いてしまう。また、非常に小さい要素（微小要素）が生成され、解析時間が膨大なものになってしまう。従って、要素を修正する必要がある。

このような修正は、作業者が目で判断しながら手動で行わなければならない。しかしながら、例えばシリンダブロックなどでは、オイル通路やねじ孔などの複雑な形状の穴が多く、メッシュ品質が低下する部分、即ち、修正すべき部分が１万箇所以上にもなってしまう。従来、その修正作業だけでも１週間以上かかってしまっていた。

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、良好な解析精度が得られる解析モデルを短時間で生成する解析モデル生成方法等を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成方法であって、製品の外形の形状データと、製品の加工穴の形状データとを準備する工程と、製品の外形の形状データを基にメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの外形モデルを生成する工程と、製品の加工穴の形状データを基に、予め穴形状及び／又は穴寸法に応じて規定したメッシュ条件となるようにメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの加工穴モデルを生成する工程と、生成した外形モデルと、生成した加工穴モデルとを、それぞれの穴位置の座標を基に合成する工程と、この合成したモデルを基に製品の３次元メッシュの解析モデルを生成する工程と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、良好な解析精度が得られるメッシュが得られるように穴形状及び／又は穴寸法に応じてメッシュ条件を規定することで、そのようなメッシュ条件となるようにメッシュ分割した２次元メッシュの加工穴モデルのメッシュの修正が基本的に不要となる。そして、この加工穴モデルと外形モデルとをそれぞれの穴位置の座標を基に合成するので、良好な解析精度が得られる良好なメッシュ品質を有する解析モデルを短時間で生成することが出来る。

また、本発明において、好ましくは、加工穴の形状データは、製品の完成形状の形状データと、製品の少なくとも加工穴を加工する前の素材の形状データとに基づいて生成したものである。
このように構成された本発明においては、加工穴の形状データを効率良く生成することが出来る。

また、本発明において、好ましくは、製品はエンジンのシリンダヘッド或いはシリンダブロックである。
このように構成された本発明においては、良好な解析精度が得られる解析モデルを準備する期間が大幅に短縮される。

また、上記の目的を達成するために、本発明による解析モデル生成プログラムは、複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成用コンピュータのための解析モデル生成プログラムであって、製品の外形の形状データを基にメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの外形モデルを生成させ、製品の加工穴の形状データを基に、予め穴形状及び／又は穴寸法に応じて規定したメッシュ条件となるようにメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの加工穴モデルを生成させ、生成した外形モデルと、生成した加工穴モデルとを、それぞれの穴位置の座標を基に合成させ、この合成したモデルを基に製品の３次元メッシュの解析モデルを生成させるように、解析モデル生成用コンピュータを制御する。

本発明によれば、良好な解析精度が得られる解析モデルを短時間で生成することが出来る。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
先ず、図１により、本発明の実施形態による製品モデル生成機能を有する解析システムの構成を説明する。図１は、本発明の実施形態による製品モデル解析システムの構成及び機能を示すブロック図である。
本発明の実施形態は、エンジンのシリンダヘッドやシリンダブロック等の製品の解析モデル生成に適用したものである。生成した解析モデルは、そのような製品の応力解析や熱解析などの構造解析に用いられる。

図１に示すように、製品モデル解析システム１は、コンピュータ２と、各種データベース４、６、８とを備える。
完成形状データベース４には、シリンダヘッドなどの各製品の完成形状に関するＣＡＤデータが格納されている。

ここで、エンジンのシリンダヘッドやシリンダブロックは、通常、先ず鋳造によりその外形をほぼ型取りした素材を作る工程、さらに、その素材を切削加工等により最終製品形状に仕上げる工程などの複数の工程で製造される。素材の状態では、通常、オイル通路や、プラグ挿入孔や、ねじ孔などの穴部分は形成されていない。つまり、鋳造後の素材では、そのような孔部分は埋まったままである。従って、孔部分（加工穴）は、素材から切削加工などにより形成される。なお、切削加工等により、外形の一部も仕上げ加工される。
この完成形状データベース４には、最終製品形状に関するデータが格納されている。

素材形状データベース６には、最終製品形状に仕上げる前の素材の形状に関するＣＡＤデータが格納されている。本実施形態では、素材形状は、鋳造型の型形状（型内部の形状）と一致する。そのような鋳造型の形状は、最終製品形状を基に専門の設計者が予め定めたものである。

モデル生成ルールデータベース８には、製品の外形や穴形状を表す２次元シェル要素を生成する際に、エラーとなる上述したような各要素間の隙間、微小要素、重なり要素、歪んだ形状の要素などが生成されないように規定するルール（条件）が格納されている。本実施形態では、加工穴の部分のモデルに関してエラーが発生し易いことに鑑みて、加工穴に関するルールが格納されている。詳細には後述する。

コンピュータ２は、完成形状データベース４に格納されたデータを基に製品の外形の２次元メッシュ化した２次元モデルを生成する外形モデル生成部１０を有する。
さらに、コンピュータ２は、完成形状データベース４及び素材形状データベース６に格納されたデータから、製品の加工穴に関する形状、寸法、位置、向きなどに関する情報を抽出してパラメータとして規定する加工穴情報抽出部１２と、この抽出されたパラメータを基に製品の加工穴の２次元メッシュ化した２次元モデルを生成する加工穴モデル生成部１４と、を有する。

さらに、コンピュータ２は、生成された２次元外形モデル及び２次元加工穴モデルを合成すると共に各２次元モデルの内方に３次元メッシュを生成する機能を有する製品モデル生成部１６を有する。
各生成部１０、１４、１６、及び、抽出部１２は、コンピュータ２に格納された所定のプログラムにより行われる機能を示す。
さらに、コンピュータ２は、生成された３次元製品モデルにより構造解析を実行する解析実行部１８を有する。なお、解析実行部１８は、コンピュータ２に格納された有限要素解析プログラムにより行われる機能を示す。有限要素解析プログラムは、市販のものを用いている。

次に、図２により、外形モデル生成部１０による処理内容を説明する。図２は、外形モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。図２において、「Ｓ」はステップを表す。
先ず、Ｓ１において、完成形状データベース４に格納された該当する製品のデータを読み込む。次に、Ｓ２において、所定のメッシュ生成プログラムにより、この読み込んだ形状データを基に製品の外形を示す２次元メッシュを生成する。この２次元メッシュは三角形要素で構成されている。

次に、Ｓ３に進み、Ｓ２で生成した２次元メッシュの各要素間に隙間があるか、或いは、重なりがあるか否かをチェックする。Ｓ３では、作業者が使用する画面上において、隙間或いは重なりがある要素を赤く表示して、エラー表示とする。
同様に、Ｓ４では、Ｓ２で生成した２次元メッシュの各節点と辺（要素の辺）とのつなぎのエラーをチェックし、エラーがある部分を赤く表示する。
同様に、Ｓ５では、Ｓ２で生成した２次元メッシュのメッシュ形状が歪んでいるか、或いは、微小要素となっているかをチェックし、エラーがある要素を赤く表示する。
作業者は、Ｓ３乃至Ｓ５で表示されたエラー表示を見て修正要と判断した場合には、その要素をクリックするなど、所定の指示を入力するようになっている。

Ｓ６においては、そのような指示が入力されたか否かを判定する。そのような指示の入力があった場合には、修正要であると判断してＳ７に進み、作業者によるエラー発生箇所の修正を受け付けた後、再び、Ｓ３乃至Ｓ６のステップが行われる。
修正不要な場合には、Ｓ８に進み、Ｓ２で生成された２次元外形モデル、或いは、Ｓ７による修正後の２次元外形モデルを出力する。

出力された２次元外形モデルの例を図３に示す。図３に示すモデルは、シリンダブロックをモデル化した例であるが、ここでは、図を分かりやすくするために、その上面の一部のみを示し、上面の残りの部分や側面及び底面の部分の図示を省略する。実際には、上面だけでなく、側面や底面なども含めて、製品の外形を立体的に表す２次元モデル（シェルモデル）が得られる。

図３に示す例では、符号Ｈ１〜Ｈ３で示す部分が加工穴の部分である。上述したＳ２においては、このような加工穴の座標値を含め、各要素の節点の座標値が所定の基準点に対し定められている。なお、本実施形態では、Ｓ２において加工穴の部分も含めてメッシュを生成している。この図３では、Ｓ２で生成された穴Ｈ１、穴Ｈ２、穴Ｈ３のメッシュは、作業者の入力に基づいて削除されている。そして、穴Ｈ１〜Ｈ３の入口形状のみ表れている。
なお、Ｓ３乃至Ｓ５においてエラーが出てもそのまま放置して、後述するように加工穴モデルと外形モデルとを合成する際に、Ｓ２で生成した加工穴の部分を加工穴モデル生成部１４により生成した加工穴モデルに置き換えるようにしても良い。また、Ｓ２において、加工穴の部分のメッシュを生成しないようにしても良い。

次に、図４により、加工穴情報抽出部１２による処理内容を説明する。図４は、加工穴情報抽出部による処理ステップを示すフローチャートである。図４において、「Ｓ」はステップを表す。
先ず、Ｓ１１において、完成形状データベース４に格納された該当する製品の完成形状を規定するデータを読み込み、Ｓ１２において、素材形状データベース６に格納された該当する製品の素材形状を規定するデータを読み込む。

次に、Ｓ１３において、Ｓ１１及びＳ１２でそれぞれ読み込んだ、完成形状と素材形状のデータを基に、加工部位の形状を規定するデータを生成する。即ち、素材形状から完成形状の部分を取り除いた部分が加工部位となる。

次に、Ｓ１４において、Ｓ１３で生成した加工部位の形状データから、加工穴に関する情報を抽出する。
ここで、加工穴には、段付き穴、ストレート穴、貫通穴（ホール）、止まり穴（ポケット）などいくつかの種類に規定される。このＳ１４では、そのような種類を抽出すると共に、種類毎に加工穴の径、段の位置、穴の深さ、穴の長さ、配置（座標値）、起点となる位置（座標値）などを抽出する。

図５にそのような抽出情報の一例を示す。図５は、段付き穴に関する抽出情報の一例を説明するための図表である。
図５に示すように、段付き穴に関しては、例えば、直径１などの寸法に関する情報、穴の向きや基点などの情報、加工部位名や穴種類（ここでは段付き穴）などの情報を、Ｓ１３で生成した加工部位の形状データから抽出する。穴の向きや基点は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各座標値で規定する。加工部位名は、穴の形状や製品内での配置から判定する。或いは、加工部位名は、作業者による入力を受け付ける。これらの情報は、加工穴を規定するためのパラメータとなり、加工穴の形状を示す２次元メッシュを生成する際に使用される。
Ｓ１５においては、このＳ１４で抽出した情報をパラメータとして出力する。

本実施形態では、以上説明したように、製品の完成形状と素材形状（本実施形態では金型形状とも一致）とから、加工部位を特定し、その特定した加工部位から加工穴に関する情報を抽出するようにしている。このような方法によれば、加工部位の主な部分が加工穴であるので、加工穴を効率的に且つ確実に特定することが出来る。そして、後述する加工穴モデル生成部１４により、加工穴モデルを効率的に生成することが出来るようになる。一方、製品の完成形状のデータから加工穴の形状を特定することも可能ではあるが、この場合、完成形状の中からどの部分が加工穴の部分であるかを特定するのは非常に効率が悪い。

次に、図６により、加工穴モデル生成部１４による処理内容を説明する。図６は、加工穴モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。図６において、「Ｓ」はステップを表す。
先ず、Ｓ２１において、上述したＳ１５（図４参照）で出力された加工穴を規定するパラメータを読み込む。
次に、Ｓ２２において、モデル生成ルールデータベース８から、該当する加工穴のモデル生成ルール（モデル生成条件）を読み込む。Ｓ２２では、Ｓ２１において読み込んだ穴の種類、穴の径などの各パラメータに応じて、適用すべきモデル生成ルールを読み込む。

ここで、図７及び図８により、モデル生成ルールの例を説明する。図７は、段付き穴をモデル化する際のモデル生成ルールを説明するための段付き穴の２次元メッシュを示す図であり、図８は、穴の径に応じたモデル生成ルールを説明するための穴の２次元メッシュを示す図である。
図７（ａ）に示すように、段付き穴の段部が直角に近い角度となっており且つ段の幅が狭い場合、要素が歪んだりするなどの上述したようなエラーとなる可能性が高い。そこで、モデル生成ルールとして、段付き穴の場合は、図７（ｂ）に示すように、段の上下から等間隔に斜めに延ばす要素を形成するように規定している。このようにすれば、解析精度上の問題も無く、且つ、実際の穴形状に近いものとなる。

さらに、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、穴の径に応じたモデル生成ルールとして、穴の径が小さい場合には穴の黄断面形状が六角形（図８（ａ））となるように、穴の径が大きい場合には穴の横断面形状が八角形（図８（ｂ））となるように規定している。具体的には、穴の径が１３〜１７ｍｍでは十角形、穴の径が３０〜４０ｍｍでは二十角形、というように、穴の径と多角形との関係が規定されている。なお、穴径と多角形との関係は、Ｓ２（図２参照）で使用するメッシュ生成プログラムの特性に合わせて規定されている。

この他に様々なルールも規定されている。例えば、加工穴のメッシュ生成の基点を、Ｓ８（図２参照）で出力された２次元外形モデルの穴の入口部分におけるメッシュ生成の基点に合わせるためのルールや、三角形要素が正三角形に近い形になるように、要素の接続の仕方や、穴の底面における要素分割の仕方などを規定したルールも規定されている。

本実施形態では、これらのようなモデル生成ルール（モデル生成条件）により、生成する加工穴モデルの要素が重なったり、歪んだ形状になるなどの上述したようなエラーが生じないようにしている。また、Ｓ８（図２参照）で出力される外形モデルの穴の入口部分の形状と、この加工穴モデル生成部１４で出力される加工穴モデルの入口部分の形状とが一致し、さらに、穴が延びる向きが合う（製品の内方に向けて延びる）ようになっている。

Ｓ２３では、Ｓ２１で読み込んだ加工穴のパラメータを基に加工穴の外形を示す２次元メッシュを生成する。このメッシュ生成は、上述したモデル生成ルールを考慮してメッシュを生成可能なメッシュ生成プログラムを使用して行われ、このＳ２３では、Ｓ２２で読み込んだモデル生成ルールを適用して加工穴の二次元モデルを生成する。この２次元メッシュは三角形要素で構成されている。Ｓ２４で、生成された２次元加工穴モデルを出力する。

出力された２次元加工穴モデルの例を図９に示す。図９に示すように、加工穴の外形を立体的に表す２次元モデル（シェルモデル）が得られる。図９に示す例では、図３に示す加工穴部分Ｈ１〜Ｈ３に対応する加工穴モデルＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３が生成されている。上述したＳ２３においては、このような加工穴の座標値（節点の座標値）を、Ｓ２１で読み込んだパラメータを利用して、上述したＳ２において外形モデルで定めた座標値と同一になるように規定している。

次に、図１０により、製品モデル生成部１６による処理内容を説明する。図１０は、製品モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。図１０において、「Ｓ」はステップを表す。
先ず、Ｓ３１において、上述したＳ８（図２参照）で出力された２次元外形モデルを読み込み、Ｓ３２において、上述したＳ２４（図６参照）で出力された２次元加工穴モデルを読み込む。

次に、Ｓ３３において、読み込んだ各モデルの基点情報や節点の座標値を基に、Ｓ３１で読み込んだ外形モデルとＳ３２で読み込んだ加工穴モデルとを合成して、加工穴を含む製品全体の外形（外表面）を示す２次元製品モデル（製品シェルモデル）を生成する。
生成した製品モデルの一例を図１１に示す。この図１１に示す例は、図３に示す外形モデルと図９に示す加工穴モデルとを合成したものである。この図１１に示す例においても、図３と同様に、シリンダブロックの上面の一部と、その部分に対して形成される加工穴のみを示す。
このＳ３３では、製品全体の外形を示す２次元シェルモデルが得られており、その内方は基本的に閉空間となっている。

次に、Ｓ３４において、Ｓ３３で生成した２次元製品モデルを基に、所定の３次元メッシュ生成プログラムを使用して３次元メッシュを生成する。本実施形態では、外形を表す２次元の三角形要素を基準として、製品の閉空間を満たすように４面体要素を形成する。

次に、Ｓ３５において３次元メッシュのエラーチェックを行い、作業者が使用する画面上において、エラー部分を赤く表示する。作業者は、Ｓ３５で表示されたエラー表示を見て修正要と判断した場合には、その要素をクリックするなど、所定の指示を入力するようになっている。そのような指示の入力があった場合には、Ｓ３６において修正要であると判断してＳ３７に進み、作業者によるエラー発生箇所の修正を受け付けた後、再び、図２のＳ３に戻る。

修正不要の場合には、Ｓ３８に進み、解析実行用の３次元製品モデルを出力する。図１２に、一例として出力されたシリンダブロックの解析モデルを示す。
次に、解析実行部１８の機能により、Ｓ３８により出力された３次元製品モデルを用いて構造解析を行うことが出来る。

本発明の実施形態による製品モデル解析システムの構成及び機能を示すブロック図である。 外形モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。 一例としてシリンダブロックの外形モデルをその上面の一部についてのみ示す図である。 加工穴情報抽出部による処理ステップを示すフローチャートである。 段付き穴に関する抽出情報の一例を説明するための図表である。 加工穴モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。 段付き穴をモデル化する際のモデル生成ルールを説明するための段付き穴の２次元メッシュを示す図である。 穴の径に応じたモデル生成ルールを説明するための穴の２次元メッシュを示す図である。 一例としてシリンダブロックの加工穴モデルをその一部についてのみ示す図である。 製品モデル生成部による処理ステップを示すフローチャートである。 一例としてシリンダブロックの製品モデルをその上面の一部及び対応する加工穴についてのみ示す図である。 一例としてシリンダブロックの３次元製品モデルを示す図である。

Claims (4)

1. 複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成方法であって、
   上記製品の外形の形状データ及び上記製品の加工穴の形状データを準備する工程と、
   上記製品の外形の形状データを基にメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの外形モデルを生成する工程と、
   上記製品の加工穴の形状データを基に、予め穴形状及び／又は穴寸法に応じて規定したメッシュ条件となるようにメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの加工穴モデルを生成する工程と、
   上記生成した外形モデルと、上記生成した加工穴モデルとを、それぞれの穴位置の座標を基に合成する工程と、
   この合成したモデルを基に上記製品の３次元メッシュの解析モデルを生成する工程と、
   を有することを特徴とする解析モデル生成方法。
2. 上記加工穴の形状データは、上記製品の完成形状の形状データと、上記製品の少なくとも上記加工穴を加工する前の素材の形状データとに基づいて生成したものである請求項１に記載の解析モデル生成方法。
3. 上記製品はエンジンのシリンダヘッド或いはシリンダブロックである請求項１又は請求項２に記載の解析モデル生成方法。
4. 複数の加工穴を有する製品の有限要素解析用の解析モデルを生成する解析モデル生成用コンピュータのための解析モデル生成プログラムであって、
   上記製品の外形の形状データを基にメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの外形モデルを生成させ、
   上記製品の加工穴の形状データを基に、予め穴形状及び／又は穴寸法に応じて規定したメッシュ条件となるようにメッシュ分割すると共に穴位置の座標を規定した２次元メッシュの加工穴モデルを生成させ、
   上記生成した外形モデルと、上記生成した加工穴モデルとを、それぞれの穴位置の座標を基に合成させ、
   この合成したモデルを基に上記製品の３次元メッシュの解析モデルを生成させるように、上記解析モデル生成用コンピュータを制御する解析モデル生成プログラム。

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