JP2008090766A - 形状モデル作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】解析モデルとして形状の変更後のＣＡＤデータを容易に作成する。
【解決手段】節点及び要素データを有するメッシュデータとされた解析モデルデータ１０３を変更して対応した形状モデルデータ１０２を変更する装置であって、解析モデルデータ１０３に対して形状変更箇所を指定するメッシュ形状変更指定手段１０５と、解析モデルデータ１０３に対する変更方法及び変更パラメータを形状変更履歴データとして順番に登録する形状変更履歴登録部１０７と、指定された形状変更箇所に少なくとも節点移動及び要素の追加並びに要素の削除のいずれかを行い解析モデルデータ１０３を変形し、形状変形後の解析モデルのデータを登録する手段と、を備え、形状変更履歴データに登録された変更方法及び変更パラメータに基づいた変更操作を形状モデルデータ１０２に実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、計算機を用いた数値解析により、物理現象を数値的に模擬するＣＡＥ
（Computer Aided Engineering）システムに係わり、特にＣＡＥにおける形状データからなる形状モデルの作成に関する。

製品開発工程においてＣＡＥを活用することで、開発コストの低減，設計開発期間の短縮が図られている。ＣＡＥでは、ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムで作成した形状データなどから解析モデルを作成し、その解析モデルで例えば有限要素法や境界要素法などの解析手法により、強度解析や熱解析あるいは振動解析などを行う。解析モデルの作成は、形状データからメッシュデータを作成し、メッシュデータにおける各メッシュにパラメータや境界条件などを設定するという作業を必要とし、解析モデルの作成に多大な作業量を要する。

そこで、解析モデルの作成についての負担を軽減する技術が提案されている。例えば特許文献１に開示の技術では、ＣＡＤ機能とＣＡＥ機能を一つのシステムに一体化することにより、解析モデル作成についての負担を軽減できるようにしている。

また特許文献２に開示の技術では、既存の解析モデルを利用して所望の解析モデルを作成するようにしている。既存の解析モデルに対して、対応する複数の基準点を設定し、それら基準点の対応関係とその既存の解析モデルに含まれるメッシュモデルに基づいて基準点を移動させるのに伴って既存解析モデルのメッシュモデル変形することで目的の解析モデルを作成できるようにしている。この技術は、所望の解析モデルに対して既存の解析モデルを利用できる場合であれば、メッシュデータの作成や境界条件などの設定を不要とすることができ、解析モデル作成についての負担を大幅に軽減することができる。

特開平０３−７００８３号公報 特開２００３−１０８６０９号公報

上記従来技術において、特許文献１ではＣＡＤ機能とＣＡＥ機能を一つのシステムに一体化することにより、解析モデル作成についての負担を軽減できるようにしている。しかし、ＣＡＤで形状を変更する度に解析モデルを作成しなおす必要があり、大規模なデータになると実用的ではない。

特許文献２では、解析モデルとして形状の変更を行うものであり、一般的に設計のアウトプットして作成されるＣＡＤデータ（形状データ）ではない。この形状データは製造向けの情報としても活用されるため、形状データを作成することは設計工程で必須である。このため、特許文献２では、最終的な製品形状はＣＡＤで再度作成しなおす必要がある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、解析モデルとして形状の変更後のCADデータを容易に作成することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、節点及び要素データを有するメッシュデータとされた解析モデルを変更して変更前の解析モデルに対応した形状モデルを変更する装置であって、前記解析モデルに対して形状変更箇所を指定するメッシュ形状変更指定手段と、前記解析モデルに対する変更方法及び変更パラメータを形状変更履歴データとして順番に登録する形状変更履歴登録部と、指定された前記形状変更箇所に少なくとも節点移動及び要素の追加並びに要素の削除のいずれかを行い前記解析モデルを変形し、形状変形後の解析モデルのデータを登録する手段と、を備え、前記形状変更履歴データに登録された前記変更方法及び変更パラメータに基づいた変更操作を前記形状モデルに実行するものである。

本発明によれば、解析モデルからＣＡＤデータを容易に作成でき、形状モデル作成作業を省力化できる。

形状モデル作成装置の構成
図１は、形状モデル作成装置の一実施例を示すシステム構成図である。システム使用者がデータを入力したり表示したりするためのキーボード，ポインティングデバイス，ディスプレイ等からなる入出力装置１０１と、対象となる形状モデルデータ１０２及び解析モデルデータ１０３を指定する手段を有する対象モデル指定部１０４と、解析モデルデータ１０３に対して形状変更箇所を指定する手段を有するメッシュ形状変更指定１０５と、メッシュ形状変更指定１０５にて指定された変更方法及び変更パラメータを形状変更履歴データ１０６として順番に登録する形状変更履歴登録部１０７と、指定された形状変更箇所に従って節点移動及び要素の追加及び要素の削除によって解析モデルデータ１０３を変形し、形状変更後解析モデルデータ１０８として登録する手段を有する解析モデル変形部
１０９と、形状変更履歴データ１０６に登録されている変更方法及び変更パラメータと同じ変更操作を対象となる形状モデルデータ１０２に実行することで、形状変更後解析モデル１０８と同等の形状変更後形状モデル１１０を作成する手段を有する形状モデル変形部１１１を備えている。

また、形状モデル作成装置について、指定された形状変更箇所に従って節点移動及び要素の追加及び要素の削除によって解析モデルデータ１０３を変形した際に変形部分のみの表面データを変更部外形形状データ１１３として登録する手段と、操作画面上に対象となる形状モデルデータ１０２と変更部外形形状１１３を同時に表示する手段を有する変更部分表示部１１２をさらに有している。

以下、処理手順を説明する。
≪対象モデル入力部≫
図２を用いて、メッシュデータ入力部の手順の１例を説明する。まず、装置使用者は入出力装置１０１を用いて、図２の操作画面上の形状モデルデータ入力フィールド２０２に形状モデルデータ１０２を、解析モデルデータ入力フィールド２０３に解析モデルデータ１０３のファイル名称を入力する。実行ボタン２０２を押した時点で、形状モデルデータ入力フィールド２０２に入力されたファイル名称のファイルが形状モデルデータ１０２，解析モデルデータ入力フィールド２０３に入力されたファイル名称のファイルが解析モデルデータ１０３として登録される。また、キャンセルボタン２０４を押した場合は、指定が解除される。

≪メッシュ形状変更指定部≫
メッシュ形状を変更する方法は様々あるが本実施例では次の２つの方法による形状変更を例に挙げてその指定方法を説明する。
メッシュパラメトリック変形
解析モデルの外表面の幾何特徴を認識し、この幾何特徴の幾何パラメータを変更し、この変更された幾何パラメータに合うように幾何特徴と関連付いている節点を移動する方法である。

図３において、装置使用者は入出力装置１０１を用いて、図３の幾何認識ボタン３０２を選択し、解析モデルの幾何特徴を認識する。次に、操作画面３０１から幾何パラメータを変更したい幾何特徴を選択する。次に、変更後の幾何パラメータ３０３を入力する。
特徴形状の追加／削除
特徴形状として追加する形状を作成し、この追加特徴形状に対してメッシュを作成し、この追加特徴形状のメッシュと、形状変更前のメッシュの集合演算することで、特徴形状を追加する。または、特徴形状として削除したい領域を選択し、この削除領域に含まれる要素を除去し、削除した境界を閉じるように外挿面を作成し、この境界内にメッシュを追加することで、特徴形状の削除を行う。

図４を用いて、特徴形状の追加／削除の指定方法の１例を説明する。装置使用者は入出力装置１０１を用いて、図５の操作画面４０１を用いて特徴形状４０２を作成する。次に、この作成し特徴形状を追加４０３するのか、削除４０４するのかを指定する。

≪形状変更履歴登録部≫
メッシュ形状変更指定１０５にて指定された変更方法及び変更パラメータを形状変更履歴データ１０６として順番に登録する。形状変更履歴データ１０６には例えば下記のように登録される。
幾何パラメータ変更：幾何特徴平面３と幾何特徴平面９の面間距離を３mmから５mmに変更幾何パラメータ変更：幾何特徴円筒面７の半径を８mmから６mmに変更
特徴形状追加：中心点Ｐ（１０，０，５），深さ２０mm，直径３mmの穴を追加
特徴形状削除：幾何特徴１０，１１，１２で囲まれる部分を削除

≪解析モデル変形部≫
前述のメッシュ形状変更指定部にて指定された変形方法に基づいて解析モデルを変形させる。変形の処理手順については、≪メッシュ形状変更指定部≫に記載の通りである。ここでは、それぞれ変形の１例を説明する。
メッシュパラメトリック変形
図３の操作画面３０１に表示されている解析モデルに対して、幾何パラメータ３０４の平面間距離をこれまでの５mmから７mmへの変更が指示された場合、変形の結果は図３の
３０５のようになる。
特徴形状の追加／削除
図４の操作画面４０１に表示されている解析モデルに対して、４０５の形状の追加が指示された場合、変形の結果は図４の４０６のようになる。

≪形状モデル変形部≫
形状変更履歴データ１０６に登録されている変更方法及び変更パラメータと同じ変更操作を対象となる形状モデルデータ１０２に実行することで、形状変更後解析モデル１０８と同等の形状変更後形状モデル１１０を作成する。例えば、形状変更履歴データ１０６に以下のように登録されていたとする。
幾何パラメータ変更：幾何特徴面３（平面）と幾何特徴面９（平面）の面間距離を３mmから５mmに変更
幾何パラメータ変更：幾何特徴面７（円筒面）の半径を８mmから６mmに変更
特徴形状追加：中心点Ｐ（１０，０，５），深さ２０mm，直径３mmの穴を追加
特徴形状削除：幾何特徴面１０，１１，１２で囲まれる部分を削除

本装置は、形状変更履歴データ（１）の幾何特徴面３と幾何特徴面９と合致する形状モデルデータ１０２の面を探索し、これら形状モデルデータ１０２の面に距離寸法を設定し、この距離寸法パラメータを３mmから５mmに変更する処理を実行する。次に、形状変更履歴データ(１)と同様に形状変更履歴データ（２）も処理し、円筒面の半径を変更する。次に、形状変更履歴データ(３)として、形状モデルデータ１０２に対して、中心点Ｐ（１０，０，５），深さ２０mm，直径３mmの穴を追加する処理を実行する。最後に、形状変更履歴データ（４）として、幾何特徴面１０，１１，１２と合致する形状モデルデータ１０２の面を探索し、これら形状モデルデータ１０２の面から構成されるフィーチャ（形状モデルの特徴）を探索し、このフィーチャを削除する処理を実行する。これにより、形状変更後解析モデル１０８と同等の形状変更後形状モデル１１０を作成できる。

尚、上述の形状モデルに対する形状変更の処理は、ＣＡＤに一般的に搭載されている
ＡＰＩ（アプリケーションプログラムインターフェース）やマクロ機能により、実現できる。

≪変更部分表示部≫
解析モデル変形部１０９によって変形した際に変形部分のみの表面データを変更部外形形状データ１１３として登録する手段と、操作画面上に対象となる形状モデルデータ102と変更部外形形状１１３を同時に表示する。

例えば、図７の７０１の形状モデルと７０２の解析モデルを入力し、解析モデル７０２に対して、７０３１のリブ形状を追加し、７０３の解析モデルに変更したとする。ここで、形状変更履歴データには７０３１の形のリブが追加されたとのデータが登録される。ここで、本装置における変更部分表示部はこの形状変更履歴データに登録されている7031のみの変更部外形形状データ７０４を登録する。この外形形状データは本装置及びＣＡＤシステム（形状モデル作成ツール）が読み込むことのできるフォーマットで出力される。次に、操作画面上に形状モデル７０１と変更部外形形状データ７０４を同時に表示する。この結果、７０５の図が操作画面上で表示される。操作者はこの表示の結果を確認して、形状モデルの変形を行うのか否かを選択するし、行う場合は、形状モデル変形部が実行され、最終的に７０６の形状モデルが完成する。

形状モデル作成装置利用方法の１例（その１）
図５の形状モデル５０１と解析モデル５０２に対して、解析モデルを変形し、この変形に連動して形状モデルも変形する方法を説明する。
解析モデル５０２の中央突起の長さを２０mmから３０mmに延ばし、さらに太さを３mmから５mmに変更したいとする。操作者はこの場合、例えばメッシュパラメトリック変形により、解析モデル５０２の形状変形を指示する。その結果、解析モデル５０３が作成される。しかし、形状モデル５０１は変わらないので、結局は形状モデル５０１に対しても、中央の突起の長さを２０mmから３０mmに延ばし、さらに太さを３mmから５mmに変更するという操作をＣＡＤシステム（形状モデル作成ツール）上で行わなければならない。

そこで、本装置は形状変更履歴登録部にて解析モデルに対して行った形状変更操作を登録し、形状モデル変形部にてこの形状変更操作を形状モデルに対しても処理することで、解析モデルと形状モデルの形状を連動させる。以下、その処理手順を説明する。

本装置使用者はメッシュ形状変更指定部により、中央の突起の長さを２０mmから３０mmに延ばすという処理をメッシュパラメトリック変形により操作したとする。具体的には幾何特徴面５０２１と幾何特徴面５０２２の平面間距離を３０mmにするという操作を行う。ここで、本装置はこの操作を形状変更履歴データとして登録する。次に、中央の突起の太さを５mmから３mmに変更するという処理をメッシュパラメトリック変形により操作したとする。具体的には幾何特徴面５０２３と幾何特徴面５０２４の平面間距離を３mmにするという操作を行う。ここで、本装置はこの操作を形状変更履歴データとして追加登録する。

この段階で、形状変更履歴データには５０３−１のように登録されていることになる。尚、この２つの解析モデルの形状変更操作の結果は５０３になる。

次に、本装置は、形状変更履歴データ（１）の幾何特徴面５０２１，５０２２と合致する形状モデル５０１の面を探索する。ここで、面５０１１と面５０２２が探索される。この面５０１１と面５０１２に距離寸法を設定し、この距離寸法パラメータを２０mmから
３０mmに変更する処理を実行する。次に、形状変更履歴データ（２）の幾何特徴面5023，５０２４と合致する形状モデル５０１の面を探索する。ここで、面５０１３と面５０１４が探索される。この面５０１３と面５０１４に距離寸法を設定し、この距離寸法パラメータを５mmから３mmに変更する処理を実行する。これにより、形状変形後、解析モデル503と同等の形状変更後形状モデル５０４を作成できる。

尚、この形状モデルの変形処理はＣＡＤシステムのＡＰＩやマクロを使って実行させることで自動的に処理する。これにより、解析モデルの変形の結果を形状モデルにも反映できるようになり、解析モデルと形状モデルを連動させることができる。

形状モデル作成装置利用方法の１例（その２）
図６の形状モデル６０１と解析モデル６０２に対して、解析モデルを変形し、この変形に連動して形状モデルも変形する方法を説明する。
解析モデル６０２の中央の突起を削除し、さらに上下両端の突起同士を結ぶ突起を追加したいとする。操作者はこの場合、例えば特徴形状の追加／削除により、解析モデル602の形状変形を指示する。その結果、解析モデル６０３が作成される。しかし、形状モデル６０１は変わらないので、結局は形状モデル６０１に対しても、中央の突起を削除し、さらに上下両端の突起同士を結ぶ突起を追加するという操作をＣＡＤシステム（形状モデル作成ツール）上で行わなければならない。

そこで、本装置は形状変更履歴登録部にて解析モデルに対して行った形状変更操作を登録し、形状モデル変形部にてこの形状変更操作を形状モデルに対しても処理することで、解析モデルと形状モデルの形状を連動させる。以下、その処理手順を説明する。
まず、本装置使用者はメッシュ形状変更指定部により、中央の突起を削除するという処理を特徴形状の追加／削除により操作したとする。具体的には幾何特徴面６０２１，6022囲まれる部分を削除するという操作を行う。ここで、本装置はこの操作を形状変更履歴データとして登録する。次に、上下両端の突起同士を結ぶ突起を追加するという処理をメッシュパラメトリック変形により操作したとする。具体的には点６０２３と点６０２４を結ぶ幅３mmの突起を追加するという操作を行う。ここで、本装置はこの操作を形状変更履歴データとして追加登録する。この段階で、形状変更履歴データには６０３−１のように登録されていることになる。尚、この２つの解析モデルの形状変更操作の結果は６０３になる。

次に、本装置は、形状変更履歴データ（１）の幾何特徴面６０２１，６０２２と合致する形状モデル６０１の面を探索する。ここで、面６０１１と面６０２２が探索される。次に、面６０１１と面６０２２から構成されるフィーチャ（形状モデルの特徴）を探索し、このフィーチャの削除処理を実行する。この場合は中央の突起が削除される。次に、本装置は、形状変更履歴データ（２）の点６０２３と点６０２４の座標値を算出し、形状モデル６０１に対してこの点６０２３，点６０２４と同じ座標位置に幅３mmの突起フィーチャを追加する処理を実行する。これにより、形状変更後解析モデル６０３と同等の形状変更後形状モデル６０４を作成できる。尚、この形状モデルの変形処理はＣＡＤシステムの
ＡＰＩやマクロを使って実行させることで自動的に処理する。これにより、解析モデルの変形の結果を形状モデルにも反映できるようになり、解析モデルと形状モデルを連動させることができる。

一実施の形態による形状モデル作成装置の全体ブロック図。 一実施の形態による対象モデル指定の操作画面。 メッシュパラメトリック変形の指定方法の１例を示す説明図。 特徴形状の追加／削除の指定方法の１例を示す説明図。 本装置利用方法の１例（その１）を示す説明図。 本装置利用方法の１例（その２）を示す説明図。 変更部分表示部の１例を示す説明図。

符号の説明

１０１…入出力装置、１０２…形状モデルデータ、１０３…解析モデルデータ、１０５…メッシュ形状変更指定手段、１０６…形状変更履歴データ、１０７…形状変更履歴登録部、１０８…形状変更後解析モデルデータ、１１０…形状変更後形状モデル。

Claims (5)

1. 節点及び要素データを有するメッシュデータとされた解析モデルを変更して変更前の解析モデルに対応した形状モデルを変更する装置であって、
   前記解析モデルに対して形状変更箇所を指定するメッシュ形状変更指定手段と、
   前記解析モデルに対する変更方法及び変更パラメータを形状変更履歴データとして順番に登録する形状変更履歴登録部と、
   指定された前記形状変更箇所に少なくとも節点移動及び要素の追加並びに要素の削除のいずれかを行い前記解析モデルを変形し、形状変形後の解析モデルのデータを登録する手段と、
   を備え、前記形状変更履歴データに登録された前記変更方法及び変更パラメータに基づいた変更操作を前記形状モデルに実行することを特徴とする形状モデル作成装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記変更方法は寸法変更であり、前記変更パラメータは変更後寸法として前記形状変更履歴データに登録され、指定された前記形状変更箇所を節点移動することにより解析モデルを変形し、前記形状変更履歴データに登録された前記寸法変更及び前記変更後寸法に基づいて前記形状モデルを変更することを特徴とする形状モデル作成装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記変更方法は特徴形状の追加であり、前記変更パラメータは特徴形状の種類とそのパラメータとして前記形状変更履歴データに登録され、指定された前記形状変更箇所に登録された前記特徴形状の種類とそのパラメータに従って要素の追加を行うことを特徴とする形状モデル作成装置。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記変更方法は特徴形状の削除であり、前記変更パラメータは特徴形状の種類とそのパラメータとして前記形状変更履歴データに登録され、指定された前記形状変更箇所に登録された前記特徴形状の種類とそのパラメータに従って要素の削除を行うことを特徴とする形状モデル作成装置。
5. 請求項１に記載のものにおいて、前記形状変更履歴データに登録されている解析モデル変更部分のみの外形形状を変更部外形形状データとして登録し、操作画面上に前記形状モデルと前記変更部外形形状を同時に表示することを特徴とする形状モデル作成装置。

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