JP2008243107A - 設計支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、設計支援装置に関し、数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置において、演算の安定化に要する時間を効果的に短縮させることを目的とする。
【解決手段】最適化探索により得られたメッシュモデル３０の設計変数の変形量に従って、メッシュモデル３０をモーフィングによって形状変更させる（例えば、図４（Ａ）に示す形状から図４（Ｂ）に示す形状に変形）。この際、モーフィング実行後の形状（各単位メッシュ３２）に対して、モーフィング実行前のメッシュモデル３０（例えば、ベースのメッシュモデル３０）の演算結果（流速などの演算結果）を割り当てるようにする。そして、モーフィング実行後の形状に対して、各単位メッシュ３２にモーフィング実行前のメッシュモデル３０の演算結果を持たせたままの状態で、計算ソルバー２４によって各単位メッシュ３２の流速の演算を再度実行させる。
【選択図】図４

Description

この発明は、吸気ポートなどの設計をコンピュータによって支援するための設計支援装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、数値流体力学における境界適合座標法（ＢＦＣ）による流れ解析を行って、構造物の最適形状を求める手法が開示されている。より具体的には、この従来の手法では、予め設定した設計領域内において、メッシュの各計算セルの流れ解析を行い、力の空間微分値を算出する。そして、この力の空間微分値とその平均値との比較結果に基づき、物体表面のメッシュを修正し、空間メッシュを再生成するようにしている。そして、演算の更新回数が予め設定された設定回数に達しない場合には、上記の流れ解析とメッシュの修正および再生成を繰り返すようにしている。

特開２００３−１７８０９９号公報 特開平１１−１０２３８２号公報 特開２０００−２７６５１４号公報 特開平３−２７１９８３号公報 特開平７−２８２１０５号公報 特開２００４−２７６３１１号公報

しかしながら、メッシュの修正および再生成を行った後に、何らの配慮もなしに再度一から演算を繰り返す手法では、その演算が安定化するまでに多くの時間を要することとなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置において、演算の安定化に要する時間を効果的に短縮させ得る設計支援装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置であって、
解析対象となる構造体モデルを構成する複数の単位メッシュのそれぞれについて、所定の規則に従って計算結果を取得するメッシュ情報取得手段と、
前記複数の単位メッシュの変形量を設定するメッシュ変形量設定手段と、
前記メッシュ変形量設定手段により設定された前記変形量に基づいて、前記複数の単位メッシュの形状を変更するモーフィング実行手段と、
前記モーフィング実行手段による形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれに対して、それぞれの単位メッシュの形状変更前の計算結果を割り当てるメッシュ情報付与手段とを備え、
前記メッシュ情報取得手段は、前記メッシュ情報付与手段によって前記形状変更前の計算結果が前記複数の単位メッシュのそれぞれに割り当てられている状態で、前記所定の規則に従って形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれについての計算結果を取得することを特徴とする。

また、第２の発明は、数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置であって、
解析対象となる構造体モデルを構成する複数の単位メッシュの変形量を設定するメッシュ変形量設定手段と、
前記メッシュ変形量設定手段により設定された前記変形量に基づいて、前記複数の単位メッシュの形状を変更するモーフィング実行手段と、
前記モーフィング実行手段による形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれについて、所定の規則に従って計算結果を取得するメッシュ情報取得手段と、
前記メッシュ情報取得手段による計算結果の取得の過程において、前記複数の単位メッシュに対して異常解およびまたは不安定解の発生の有無を判別するメッシュ異常判別手段と、
前記異常解およびまたは不安定解が発生した場合に、前記計算結果の取得を中止するメッシュ情報取得中止手段と、
前記計算結果の取得が中止された場合に、前記異常解およびまたは不安定解の近傍のメッシュの修正を行うメッシュ修正実行手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記メッシュ変形量設定手段が設定する前記変形量は、複数の実行順序に整列させた状態で記憶された複数の設計変数であり、
前記モーフィング実行手段は、前記メッシュ変形量設定手段により選択された前記実行順序に従って、前記複数の単位メッシュの形状を変更する手段であって、
前記メッシュ変形量設定手段は、異常解およびまたは不安定解を示す前記メッシュの修正が十分でないと判断した場合には、前記実行順序を他の実行順序に変更する実行順序変更手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、モーフィング実行手段による形状変更前に得られた計算結果を、形状変更後の各単位メッシュに割り当てたうえで、形状変更後の複数の単位メッシュのそれぞれについての計算結果が取得される。このため、形状変更後の複数の単位メッシュに対して、再度一から演算を繰り返す場合に比して、演算が安定するまでに要する計算時間を効果的に短縮することができる。

第２の発明によれば、従来においてはエラー解とみなされることによって評価できなかった形状（設計変数値）の解の評価が可能となる。つまり、エラー解の発生を効果的に抑制することができる。そして、本発明によれば、異常解およびまたは不安定解が発生した場合に、計算結果の取得を中止して、異常解およびまたは不安定解の近傍のメッシュの修正を行うことにより、数値計算の計算精度を良好に向上させることができる。

第３の発明によれば、異常解およびまたは不安定解を示す前記メッシュの修正が十分でないと判断した場合には、モーフィング実行手段による形状変更の実行順序が他の実行順序に変更される。つまり、そのような実行順序の変更により、更に形状の異なるメッシュを作成することで、エラー解の生じないメッシュへの変更が試みられる。このため、エラー解の発生をより確実に抑制することができるようになる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における設計支援システムのハードウェア構成を説明するための図である。本実施形態の設計支援システムは、設計対象（解析対象）となる構造体（ここでは吸気ポート）の設計を支援するためのシステムであり、図１に示すような汎用のコンピュータ１０をハードウェアとして実現可能なものである。

図１に示すコンピュータ１０は、所定の設計条件（設計変数など）の入力を受け付ける入力装置１２、入力された設計条件に基づいて所定のプログラムを実行するＣＰＵ１４、ＣＰＵ１４による演算結果を出力する出力装置１６、および、ＣＰＵ１４が実行する各種プログラムや演算処理に必要な各種データが格納された記憶装置１８等の基本的構成要素を具備するものであればよい。

図２は、本発明の実施の形態１における設計支援システムのソフトウェア構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、図２に示すように、ベースメッシュモデル作成部２０、条件設定部２２、計算ソルバー２４、最適化探索部２６、および、モーフィング部２８を備えている。

記憶装置１８には、本設計支援システムのユーザによって予め作成された吸気ポートの３次元形状データ（ＣＡＤ(Computer Aided Design)データ）が格納されている。ベースメッシュモデル作成部２０は、そのＣＡＤデータを記憶装置１８から読み出したうえで、そのＣＡＤデータを複数の単位メッシュ（有限要素）に分割して、ベースのメッシュモデルを作成する機能を有している。ベースのメッシュモデルは、基本的にはベースメッシュモデル作成部２０によって自動的に作成されるものであるが、ユーザの手によって作成されるものであってもよい。

条件設定部２２には、入力装置１２によってユーザから入力された境界条件や計算条件（設計変数）が設定される。ここでいう境界条件とは、メッシュモデルの境界条件（吸気ポート壁面の位置や温度の情報など）のことであり、計算条件とは、メッシュモデルの流れ計算に必要な各種の計算条件（吸気ポートの各部の径やポート高さ、およびメッシュモデル入口の流速など）のことである。

計算ソルバー２４では、条件設定部２２から得られた環境条件および計算条件の下で、メッシュモデルに対して流れ計算が実行される。図３は、吸気ポートのメッシュモデル３０を簡略化して表した図である。図３に示すように、メッシュモデル３０の個々の単位メッシュ３２の中心位置には、その位置での流速の情報がそれぞれの単位メッシュ３２と関連付けて与えられている。計算ソルバー２４は、メッシュモデル３０の各単位メッシュ３２に対して、流速の計算を行う。

そして、計算ソルバー２４は、各単位メッシュ３２に対する流速の計算結果に基づき、所定の関係式に従って、内燃機関の筒内のタンブル（縦渦流）比ＴＲや吸気ポートの流量係数ＣＦを算出する。尚、ここでは、各単位メッシュ３２の中心位置に流速の情報を付与するようにしているが、これに限らず、各単位メッシュ３２の各節点に対して流速の情報を付与するようにしてもよい。また、各単位メッシュ３２に付与される情報は、吸気ポート内のガス流速でなくても、吸気ポート内の圧力や吸気ポート内を流れるガスの運動エネルギなどであってもよい。

本実施形態のシステムでは、計算ソルバー２４により算出されるタンブル比ＴＲと流量係数ＣＦがともに目標値を満たすようになるまで、モーフィング部２８によってメッシュの形状変更を施しつつ、上記の演算を繰り返すようにしている。そのような目的のために、計算ソルバー２４による流速の計算結果は、最適化探索部２６に送られるようになっている。

また、最適化探索部２６では、流速の計算結果に基づいて、ベースのメッシュモデル３０の設計変数（吸気ポートの各部の径やポート高さなど）の変形量（すなわち、モーフィング部２８によるメッシュモデル３０の変形量）が最適解となるように選定される。

モーフィング部２８では、最適化探索部２６によって選定された設計変数の変形量に従って、メッシュモデル３０の形状を変更する処理、すなわち、モーフィングが行われる。より具体的には、吸気ポートの各部の径やポート高さが最適化探索部２６によって選定された値となるようにメッシュモデル３０の形状が変更される。

計算ソルバー２４は、目標タンブル比ＴＲmおよび目標流量係数ＣＦmをともに満たす最適な吸気ポート形状が得られたと判断できる計算結果が得られるまで、最適化探索部２６によって適切な設計変数をモーフィング部２８に与えつつ、モーフィング部２８によって形状変更された後のメッシュモデル３０に対して演算を再度繰り返すようになっている。

［実施の形態１の特徴部分］
図４は、本発明の実施の形態１の特徴的な演算手法を説明するための図である。より具体的には、図４（Ａ）は、モーフィングが実行される前のベースのメッシュモデル３０を表しているものとする。各単位メッシュ３２の中央に付した矢印は、各単位メッシュ３２が有する流速情報である。

図４（Ｂ）は、モーフィングを施した後のメッシュモデル３０を表したものである。モーフィングを行うと、図４（Ｂ）に示すように、各単位メッシュ３２の各節点の位置が移動することになる。ところが、モーフィングを行っても、格子情報（各単位メッシュ３２に付与された格子番号など）は、モーフィングによる形状変更前の情報に保持される。

そこで、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、モーフィング実行後の形状（各単位メッシュ３２）に対して、モーフィング実行前の演算結果（流速などの演算結果）を割り当てる（マッピング）するようにした。そして、モーフィング実行後の形状に対して、各単位メッシュ３２にモーフィング実行前（ベースのメッシュモデル３０）の上記演算結果を持たせたままの状態で、計算ソルバー２４によって各単位メッシュ３２の流速の演算を再度実行（リスタート計算を実行）させるようにした。図４（Ｃ）は、モーフィング実行後の形状で再度演算が行われた後の流速の結果を示した図である。

図５は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＣＰＵ１４が実行する設計支援プログラムを示すフローチャートである。図５に示すプログラムでは、先ず、目標タンブル比ＴＲmおよび目標流量係数ＣＦmが目標値として選定される（入力装置１２によってユーザが希望する目標性能値を受け付ける）とともに、ベースメッシュモデル作成部２０によってベースのメッシュモデル３０が作成される（ステップ１０１）。

次に、条件設定部２２によって所定の境界条件および計算条件が設定されたうえで、ベースのメッシュモデル３０での各単位メッシュ３２の流速が計算ソルバー２４によって計算され、その結果として、タンブル比ＴＲおよび流量係数ＣＦが算出される（ステップ１０２）。より具体的には、これらの流速、タンブル比ＴＲ、および流量係数ＣＦは、所定の計算ステップ（所定時間）毎に繰り返し算出されるものである。

次に、ベースのメッシュモデル３０についての計算ステップ毎のタンブル比ＴＲの算出結果に基づいて、最新のタンブル値ＴＲ_iと前回のタンブル値ＴＲ_i-1との差分値（ＴＲ_i−ＴＲ_i-1）が所定の安定収束判定値α以下となった計算ステップが、計算ソルバー２４によってタンブル比ＴＲが安定した計算ステップと判断され、当該計算ステップでの流速の計算結果（ベース流速Ｕm）が取得される（ステップ１０３）。

次に、最適化探索部２６によって、モーフィング変形量（ベースのメッシュモデル３０での吸気ポートの径やポート高さなどの設計変数の変形量）が選定される（ステップ１０４）。次いで、モーフィング部２８によって、選定されたモーフィング変形量に基づいて、モーフィングによるメッシュモデル３０の形状変更が実行される（ステップ１０５）。

次に、上記ステップ１０３においてタンブル比ＴＲが安定したとみなされた状態で取得されたベース流速Ｕmが参照され、当該ベース流速Ｕmが上記ステップ１０５におけるモーフィングの実行後の形状（各単位メッシュ３２）にマッピングされる（割り当てられる）（ステップ１０７）。

次に、境界条件および計算条件が設定されたうえで（ステップ１０８）、ベースのメッシュモデル３０での流れ情報（流速）をそのまま引き継いだ状態で、上記ステップ１０５におけるモーフィング実行後の形状に対して、各単位メッシュ３２についての流速の計算（上記ステップ１０２と同様の計算）が再度実行される（すなわち、リスタート計算が実行される）（ステップ１０９）。次いで、当該モーフィング実行後の形状においてタンブル比ＴＲが安定した状態でのタンブル比ＴＲsおよび流量係数ＣＦsが取得される（ステップ１１０）。

次に、上記ステップ１１０において取得されたタンブル比ＴＲsおよび流量係数ＣＦsが、それぞれ上記ステップ１００における目標タンブル比ＴＲmおよび目標流量係数ＣＦm以上であるか否かが判別される（ステップ１１１）。その結果、タンブル比ＴＲsおよび流量係数ＣＦsがともに目標値に達していない場合には、上記ステップ１０４以降の処理が繰り返し実行され、一方、タンブル比ＴＲsおよび流量係数ＣＦsがともに目標値に達した場合には、図５に示す設計支援プログラムの処理が終了される。

図６は、以上説明した図５に示す設計支援プログラムにより得られる効果を説明するための図である。より具体的には、図６は、計算ソルバー２４によってタンブル比ＴＲの計算を開始した後に、タンブル比ＴＲが安定するまでの挙動を表した図である。タンブル比ＴＲは渦であるタンブルを評価するための指標であるため、安定性が悪く、一定値に収束しにくい。このため、性能目標値を満足するタンブル比ＴＲが得られるまで落ち着くのに計算ステップ数を多く取る必要が生ずる。

その結果、従来においては、目標とする計算時間との関係で必要計算ステップ数を多く確保できない場合には、タンブル比ＴＲの収束判定条件（上記判定値α）を大きくせざるを得ず、未だタンブル比ＴＲが安定しない領域で妥協するしかなかった。このように、従来の吸気ポートの設計においては、タンブル比ＴＲの流れ計算時に、タンブル比ＴＲの収束性と必要計算時間の確保（つまり演算精度の確保）との両立が困難であった。

これに対し、上記図５に示す設計支援プログラムによれば、ベースのメッシュモデル３０においてタンブル比ＴＲが安定した状態で取得されたベースの流れ情報（流速など）を、モーフィング実行後の各単位メッシュ３２に割り当てたうえで、モーフィング実行後の形状での流れの演算がリスタートされる。つまり、タンブル比ＴＲが比較的安定した後の流速結果を利用して演算をリスタートすることができ、図６に示すように、タンブル比ＴＲが安定するまでに要する計算時間を短縮することができる。

そして、タンブル比ＴＲが比較的安定した状態から演算をリスタートすることできることにより、限られた計算時間であっても、計算精度を保持するために必要な計算ステップ数を確保することが可能となる。これにより、より安定した領域でのタンブル比ＴＲの算出が可能となる。このため、目標タンブル比ＴＲmと目標流量係数ＣＦmを良好に両立させ得る最適なポート形状を効率良く得ることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、モーフィング実行後の形状（各単位メッシュ３２）に対して、ベースのメッシュモデル３０での流れ情報（流速）の演算結果をマッピングするようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、流れ情報の目安となる適切な値が予め判明しているような場合には、すべての単位メッシュ３２に対して、判明している流れ情報を割り当てたうえで、モーフィング実行後の形状で演算をリスタートするようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、メッシュモデル３０が前記第１の発明における「構造体モデル」に相当している。また、ＣＰＵ１４が、上記ステップ１０２、１０３、１０９、１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「メッシュ情報取得手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「メッシュ変形量設定手段」が、上記ステップ１０５の処理を実行することにより前記第１の発明における「モーフィング実行手段」が、上記ステップ１０５、１０７の処理を実行することにより前記第１の発明における「メッシュ情報付与手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図７乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の設計支援システムは、図１に示すハードウェア構成および図２に示すソフトウェア構成を用いて、ＣＰＵ１４に図５に示すプログラムに代えて後述する図９に示すプログラムを実行させることにより実現することができるものである。

図７は、本設計支援システムによる解析対象である吸気ポートにおけるモーフィングの対象部位を詳述するための図である。吸気ポート自体は、通常、鋳造によって作られるが、この場合、吸気ポートの出口側（燃焼室側）の部位（ポートスロート部）は、工具によって機械加工が施されることにより鏡面仕上げがなされる。このようなポートスロート部は、どのような吸気ポートであっても形状的には基本的に同じとされる部位であり、流れ計算による形状変更の対象とならず、その形状が固定されるものである。つまり、吸気ポートでは、当該ポートスロート部よりも流れの上流側の部位が、モーフィング部２８による形状変更の対象となる。

モーフィング部２８は、最適化探索部２６によって得られた設計変数値を入力として、上記のモーフィング対象部位を対象としてモーフィングによって形状変更を行う。ところが、ポートスロート部（形状固定部位）とモーフィング対象部位との接合部などのようにポート形状が急激に変化することになる局所的な部位では特に、モーフィングを行う変形量によっては、メッシュが潰れて（ねじれて）しまうことがある。

上記のような異常なメッシュが存在する部位においては、流れ計算を行った場合に計算が発散し、異常解（例えば、明らかに流速が高い）を示すようになってしまう。最適化探索部２６においては、そのような異常解を示すメッシュや目標範囲外の値を示すメッシュは、エラー解とみなされる。その結果、そのエラー解の設計変数は評価できなくなるので、最適化探索に用いるサンプリング数が減少し、最適化探索の精度が悪化してしまう。また、評価されないエラー解に対して要した計算時間が無駄になってしまう。更には、エラー解の設計変数値は評価抜けになるので、そこに最適解がある場合には、見逃すことにもなってしまう。

そこで、本実施形態の設計支援システムでは、エラー解の減少によって最適化探索の精度をより向上させるべく、最適化探索部２６によって探索された最適な設計変数の変形量に基づきモーフィング部２８によって自動でメッシュモデル３０の形状変更を適宜行った後に計算ソルバー２４によって流れ計算を行う際に、異常解判定および計算の安定性判定を設けるようにした。そして、異常解や不安定な解が発生した場合には、計算ソルバー２４による流れ計算を中止し、モーフィング部２８が異常解等の発生原因となったメッシュをスムージング或いはリメッシュによって自動修正した後に、計算ソルバー２４による流れ計算を再び開始させるようにした。

図８は、異常解を示すメッシュを自動修正するためにモーフィング部２８が有するスムージングおよびリメッシュという２つの機能を説明するための図である。図８（Ａ）は、形状の折れ曲がり部分に、異常解を示すメッシュが存在しているメッシュモデルを示している。図８（Ａ）に示すようなねじれが生じたメッシュでは、上述したように、異常解を示すことになる。モーフィング部２８は、ねじれたメッシュを自動で整える機能であるスムージング機能を有している。また、モーフィング部２８は、メッシュモデルを全体的或いは局所的に切り直して新しく繋げるというリメッシュ機能を有している。図８（Ｂ）は、モーフィング部２８がスムージング或いはリメッシュによって、異常解を示すメッシュを自動修正した後のメッシュモデルを示している。尚、スムージング機能は、計算ソルバー２４が有するようにしてもよい。

更に、本実施形態の設計支援システムでは、異常解や不安定な解が発生した場合において、スムージングやリメッシュという手法では十分にメッシュを修正できないと判断された場合には、複数の設計変数に対するモーフィング実行順序を変更したうえで、モーフィングを実行して形状変更を行うようにした。

図９は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＣＰＵ１４が実行する設計支援プログラムを示すフローチャートである。図９に示すプログラムでは、先ず、上記ステップ１０１と同様の手法によって、ベースのメッシュモデル３０の作成が実行される（ステップ２０１）。

次に、目標性能値（目標タンブル比ＴＲm、目標流量係数ＣＦmなど）を満足させるために必要な吸気ポートの形状変形量（変形範囲）が条件設定部２２に設定されることによって、モーフィング実行時の複数の設計変数（吸気ポートの各部の径やポート高さなど）がそのモーフィング実行順序とともに決定される（ステップ２０２）。

次に、上記ステップ２０２において決定された設計変数に対し、最適化探索部２６による最適化探索によって望ましい入力変形量が取得される（ステップ２０３）。次いで、このステップ２０３において取得された入力値に基づいて、モーフィング部２８によってモーフィングによるメッシュモデル３０の形状変更が実行される（ステップ２０４）。より具体的には、予め定められたモーフィング実行順序に従って、各設計変数についてモーフィングによるメッシュモデル３０の形状変更が実行される。

次に、境界条件および計算条件が条件設定部２２に設定されたうえで（ステップ２０５）、モーフィング実行後の形状に対して計算ソルバー２４によって流れ計算が開始される（ステップ２０６）。流れ計算の実行中には、所定の計算ステップ毎に、メッシュモデル３０の各単位メッシュ３２での最大流速Ｕm、最大圧力Ｐm、およびクーラン数Ｃmがそれぞれ取得される（ステップ２０７）。尚、クーラン数Ｃmは、流れ計算が安定しているか否かを評価するための無次元量である。

次に、流れ計算の実行中に各単位メッシュ３２に対して逐次算出される上記の最大流速Ｕm、最大圧力Ｐm、およびクーラン数Ｃmが、経験上判明している異常流速値Ｕ、異常圧力値Ｐ、および不安定クーラン数値Ｃとそれぞれ比較される（ステップ２０８）。尚、本ステップ２０８では、Ｕm、Ｐm＞Ｕ、Ｐ、またはＣm＞Ｃのどちらかが成立した場合に判定が成立するようにしているが、これに限らず、例えば、Ｕm、Ｐm、およびＣmの少なくとも１つが上記それぞれの比較値より大きくなっていれば、本ステップ２０８の判定が成立するようにしてもよい。

上記ステップ２０８の判定が成立すると判定された場合、すなわち、流速Ｕmや圧力Ｐm、或いはクーラン数Ｃmが異常解或いは不安定解を示すメッシュがあると判定された場合には、流れ計算が中止される。この場合には、次いで、モーフィング部２８によって、スムージングの実行回数Ｎsが所定値αに達していないか否かが判別される（ステップ２０９）。

その結果、スムージングの実行回数Ｎs＞αが不成立であると判定された場合には、モーフィング部２８によって、異常解或いは不安定解の近傍のメッシュがスムージングによって自動修正される（ステップ２１０）。次いで、スムージングによって修正が施されたメッシュのアスペクト比（縦横比）Ｋが予め設定された経験的な判定値βよりも大きいか否かが判別される（ステップ２１１）。その結果、Ｋ＞βが不成立であると判定された場合には、上記ステップ２０９の処理が繰り返し実行され、一方、Ｋ＞βが成立すると判定された場合には、以後、上記ステップ２０５において条件設定が行われた後に、修正後のメッシュモデル３０に対する流れ計算が実行される。

一方、上記ステップ２０９において、スムージングの実行回数Ｎs＞αが成立すると判定された場合、すなわち、スムージングによっては十分なメッシュの修正が困難であると判断できる場合には、モーフィング部２８によって、異常解或いは不安定解の近傍のメッシュがリメッシュによって自動修正される（ステップ２１２）。次いで、リメッシュによって修正が施されたメッシュのアスペクト比Ｋが判定値βよりも大きいか否かが判別される（ステップ２１３）。

その結果、Ｋ＞βが成立すると判定された場合には、以後、上記ステップ２０５において条件設定が行われた後に、修正後のメッシュモデル３０に対する流れ計算が実行される。一方、Ｋ＞βが不成立であると判定された場合、すなわち、スムージングおよびリメッシュによっても十分なメッシュの修正が困難であると判断できる場合には、条件設定部２２によって、上記ステップ２０２において設定された複数の設計変数に対するモーフィングの実行順序を変更する処理が実行される（ステップ２１４）。

図１０は、モーフィングを実行するための複数の設計変数の具体例を示す図である。モーフィングが施された後の吸気ポート（メッシュモデル３０）の形状は、図１０（Ａ）に示すような設計変数（ポート径Ａ、ポート径Ｂ、ポート高さＣなど）のそれぞれを動かす順番によって異なるものとなる。より具体的には、例えば、先ずポート径Ａを動かした後にポート径Ｂを動かした場合と、先ずポート径Ｂを動かした後にポート径Ａを動かした場合とで、モーフィング実行後の吸気ポートの形状が異なるものとなる。

そこで、本実施形態のシステムでは、図１０（Ｂ）に示すように、ユーザによって予め作成された、複数の設計変数に対するモーフィング実行順序の複数のパターンを記憶装置１８に記憶させている。本ステップ２１４では、条件設定部２２によって、そのようなテキストデータが参照され、現在選択されているパターンに次いで優先順位の高いパターンが選択される。

上記ステップ２１４においてモーフィングの実行順序が変更された後は、変更後のモーフィング実行順序に従って、メッシュモデル３０の形状変更が実行される（ステップ２０４）。このような処理によれば、異常のあるメッシュをスムージングやリメッシュで改善できない場合であっても、モーフィング実行順序の変更を行って形状の異なるメッシュモデル３０を作成することで、エラー解の生じないメッシュモデル３０への変更が試みられる。このため、エラー解の発生をより確実に抑制することができるようになる。本ステップ２０４の実行後は、上記の同様の流れ計算が繰り返し実行される。

また、図９に示すプログラムでは、上記ステップ２０８の判定が不成立であると判定された場合、すなわち、異常解や不安定解を示すメッシュがないと判定された場合には、流れ計算が終了される（ステップ２１５）。次いでタンブル比ＴＲや流量係数ＣＦといった性能値が目標値に達しているか否かが判別される（ステップ２１６）。その結果、未だ目標が達成されていないと判定された場合には、上記ステップ２０３以降の処理が繰り返し実行され、一方、目標が達成されていると判定された場合には、図９に示す設計支援プログラムの処理が終了される。

以上説明した図９に示す設計支援プログラムによれば、モーフィングが実行された後のメッシュモデル３０で流れ計算が実行されている間に異常解や不安定解が見つかった場合には、流れ計算が中止され、モーフィング部２８に戻って、異常のあるメッシュが自動修正される。

この自動修正の際には、先ずはスムージングによるメッシュの修正が試みられる。そして、スムージングによっては十分なメッシュの修正が困難であると認められる場合に、メッシュの切り直しが必要となることでスムージングに比して時間の要するリメッシュが実行される。そして、リメッシュによっても十分なメッシュの修正が困難であると認められる場合に、モーフィングの実行順序が変更される。

このため、本実施形態の設計支援プログラムによれば、従来においてはエラー解とみなされることによって評価できなかった形状（設計変数値）の解の評価が可能となる。つまり、エラー解の発生を効果的に抑制することができ、最適化探索によって得られた設計変数での流れ計算を確実に実行することが可能となる。エラー解の減少によって、より精度の良い最適化探索を実行することが可能となる。また、エラー解の減少によって、より少ないサンプリング数で最適解に到達できるので、計算時間の短縮にもなる。

ところで、上述した実施の形態２においては、メッシュモデル３０で流れ計算が実行されている間に異常解や不安定解が見つかった場合に、異常のあるメッシュをスムージングやリメッシュによる自動修正で改善できないときは、モーフィングの実行順序を変更するようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、スムージングやリメッシュによる自動修正で改善できないときは、各設計変数に対して、取り得るパラメータ範囲に自動で制限を設けるようにしてもよい。つまり、異常解が発生するような大きな形状変更を行わないようにしてもよい。

図１１は、そのような変形例を説明するための図である。すなわち、図１１に示すように、例えばポート径Ａが設計変数である場合に、ポート径Ａの変形範囲を、例えば＋３mm〜−３mmから＋２mm〜−２mmに制限を加えるものであってもよい。このような手法によれば、最適解の探索範囲は狭まってしまうが、エラー解の抑制を良好に図ることが可能である。

また、上述した実施の形態２においては、モーフィング変形量の最適解を得るべく、最適化探索を行う設計支援プログラムについて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、モーフィングを用いるものであれば、すべての計算に適用してもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、メッシュモデル３０が前記第２の発明における「構造体モデル」に相当している。また、ＣＰＵ１４が、上記ステップ２０２、２０３、２１４の処理を実行することにより前記第２の発明における「メッシュ変形量設定手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「モーフィング実行手段」が、上記ステップ２０６、２０７、２１５の処理を実行することにより前記第２の発明における「メッシュ情報取得手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「メッシュ異常判別手段」が、上記ステップ２０８の判定が不成立である場合に次いで上記ステップ２０９の処理を実行するようにして計算を中止することにより前記第２の発明における「メッシュ情報取得中止手段」が、上記ステップ２０９、２１０、２１２の処理を実行することにより前記第２の発明における「メッシュ修正実行手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＣＰＵ１４が上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「実行順序変更手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１における設計支援システムのハードウェア構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における設計支援システムのソフトウェア構成を説明するための図である。 吸気ポートのメッシュモデルを簡略化して表した図である。 本発明の実施の形態１の特徴的な演算手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行される設計支援プログラムのフローチャートである。 図５に示す設計支援プログラムにより得られる効果を説明するための図である。 本設計支援システムによる解析対象である吸気ポートにおけるモーフィングの対象部位を詳述するための図である。 異常解を示すメッシュを自動修正するためにモーフィング部が有するスムージングおよびリメッシュという２つの機能を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行される設計支援プログラムのフローチャートである。 モーフィングを実行するための複数の設計変数の具体例を示す図である。 本発明の実施の形態２の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１０ コンピュータ
１２ 入力装置
１４ ＣＰＵ
１６ 出力装置
１８ 記憶装置
２０ ベースメッシュモデル作成部
２２ 条件設定部
２４ 計算ソルバー
２６ 最適化探索部
２８ モーフィング部
３０ メッシュモデル
３２ 単位メッシュ

Claims (3)

1. 数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置であって、
   解析対象となる構造体モデルを構成する複数の単位メッシュのそれぞれについて、所定の規則に従って計算結果を取得するメッシュ情報取得手段と、
   前記複数の単位メッシュの変形量を設定するメッシュ変形量設定手段と、
   前記メッシュ変形量設定手段により設定された前記変形量に基づいて、前記複数の単位メッシュの形状を変更するモーフィング実行手段と、
   前記モーフィング実行手段による形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれに対して、それぞれの単位メッシュの形状変更前の計算結果を割り当てるメッシュ情報付与手段とを備え、
   前記メッシュ情報取得手段は、前記メッシュ情報付与手段によって前記形状変更前の計算結果が前記複数の単位メッシュのそれぞれに割り当てられている状態で、前記所定の規則に従って形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれについての計算結果を取得することを特徴とする設計支援装置。
2. 数値計算により目標性能値を満足する構造体の最適形状を求める設計支援装置であって、
   解析対象となる構造体モデルを構成する複数の単位メッシュの変形量を設定するメッシュ変形量設定手段と、
   前記メッシュ変形量設定手段により設定された前記変形量に基づいて、前記複数の単位メッシュの形状を変更するモーフィング実行手段と、
   前記モーフィング実行手段による形状変更後の前記複数の単位メッシュのそれぞれについて、所定の規則に従って計算結果を取得するメッシュ情報取得手段と、
   前記メッシュ情報取得手段による計算結果の取得の過程において、前記複数の単位メッシュに対して異常解およびまたは不安定解の発生の有無を判別するメッシュ異常判別手段と、
   前記異常解およびまたは不安定解が発生した場合に、前記計算結果の取得を中止するメッシュ情報取得中止手段と、
   前記計算結果の取得が中止された場合に、前記異常解およびまたは不安定解の近傍のメッシュの修正を行うメッシュ修正実行手段と、
   を備えることを特徴とする設計支援装置。
3. 前記メッシュ変形量設定手段が設定する前記変形量は、複数の実行順序に整列させた状態で記憶された複数の設計変数であり、
   前記モーフィング実行手段は、前記メッシュ変形量設定手段により選択された前記実行順序に従って、前記複数の単位メッシュの形状を変更する手段であって、
   前記メッシュ変形量設定手段は、異常解およびまたは不安定解を示す前記メッシュの修正が十分でないと判断した場合には、前記実行順序を他の実行順序に変更する実行順序変更手段を含むことを特徴とする請求項２記載の設計支援装置。

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