JP2009093303A - 解析データ作成支援装置及びそれに用いられるプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】
解析用データの作成時間を短縮し、設計変更等による形状変更時に既に作成されたデータを有効に活用可能とする。
【解決手段】
コンピュータを用いて、形状を定義する３次元ＣＡＤデータであるソリッドモデル及び中立面モデルを生成し、解析用メッシュモデルを生成する解析データ作成支援装置において、形状の部分構造であり、輪郭線で定義された断面を生成する手段１０３と、生成された断面の中心線を生成する手段１０４と、輪郭線と中心線とをスイープして３次元化する手段１０７と、を備え、輪郭線を３次元化したソリッドモデルと中心線を３次元化した中立面モデルとが共に生成可能とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、計算機を用いて製品の設計開発支援を行うＣＡＥ技術に属し、特に、板状の部分が多い板金構造物あるいは製缶構造物に対して解析用のモデルを効率良く生成するものに好適である。

有限要素法に代表される数値解析では、解析対象の形状が薄板構造物の場合には、板の厚みを属性値として付与したシェル要素を用いたメッシュモデルを生成することが多く、そのため、解析用のモデルとして中立面モデルを生成する必要がある。中立面モデルは、単純な形状であれば２次元図面を参照して３次元の中立面モデルを直接組み立てていくこともできるが、複雑な形状では非常に手間が掛かる作業であり、３次元ＣＡＤを用いて作成したソリッドモデルから（ソリッドモデル：コンピュータ上で３次元グラフィックスを扱う際に使われる立体表現方法の一つ。立体を面の集合として捉え、さらに面と面の間の状態に関するデータも扱う手法。物体の体積や重さ，重心を求めたり、断面を表示したりすることができる。工業製品の設計や、学術研究などの分野で使われることの多い手法である。）解析用の中立面モデルを生成することが行われている。

３次元ＣＡＤデータ（ソリッドモデル）から中立面モデルを生成する方法としては、ソリッドモデルの薄肉部分の面を対話的に指示し、指示された面に平行で且つ距離が最も短い面を検索して、指示された面と検索された面の中間の位置に新たな面を生成することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。特に、ソリッドモデルの薄肉部を自動的に判別することは特許文献２に記載されている。

また、２次元図面を参照して３次元の中立面モデルを生成する方法としては、２次元ＣＡＤでＩ桁あるいは箱桁構造の正面図を描き、その断面形状から３次元の解析モデルを作成することが知られ、例えば、特許文献３に記載されている。

特開平６−２５９５０５号公報 特開２００４−２８７７０１号公報 特開２００６−１９５７１３号公報

３次元ＣＡＤで作成したソリッドモデルのサーフェース（面）の幾何情報から中立面を抽出する特許文献１に記載のものでは、中立面モデルを作成するのに薄板状の形状部分を操作者が指示しなければならないので、寸法等の設計パラメータを変更する場合は、ソリッドモデルの作成そのものをやり直さなければならない。また、特許文献２のものでは、母面やリブが一体化したソリッドモデルから一括して中立面モデルを生成するので、必ずしもユーザの意図した通りの中立面が生成されない場合がある。

さらに、特許文献３に記載のものでは、２次元断面であるＩ桁及び箱桁構造の断面を対象として、形状を複数のパートに分けて３次元化し、そこから解析用の中立面モデルを生成する構成上、適用できるのはＩ型断面と箱桁断面を組み合わせた断面形状のみという制限がある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、母面やリブが一体化した形状のものであっても解析用データの作成時間を短縮でき、設計変更等による形状変更時には、既に作成されたデータを有効に活用できるものとすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、コンピュータを用いて、形状を定義する３次元ＣＡＤデータであるソリッドモデル及び中立面モデルを生成し、解析用メッシュモデルを生成する解析データ作成支援装置において、前記形状の部分構造であり、輪郭線で定義された断面を生成する手段と、生成された前記断面の中心線を生成する手段と、前記輪郭線と前記中心線とをスイープして３次元化する手段と、を備え、前記輪郭線を３次元化した前記ソリッドモデルと前記中心線を３次元化した前記中立面モデルとが共に生成可能とされたものである。

また、本発明は、コンピュータを用いて、形状を定義する３次元ＣＡＤデータであるソリッドモデル及び中立面モデルを生成し、解析用メッシュモデルを生成する解析データ作成支援装置に用いられるプログラムであって、前記形状の部分構造であり、輪郭線で定義された断面を生成する機能と、生成された前記断面の中心線を生成する機能と、前記輪郭線と前記中心線とをスイープして３次元化する機能と、前記輪郭線を３次元化した前記ソリッドモデルと前記中心線を３次元化した前記中立面モデルとを共に生成可能とする機能と、を実現するものである。

本発明によれば、断面を生成してから、３次元ＣＡＤデータと解析用中立面モデルとの作成を行うので、解析用データの作成時間を短縮でき、設計変更等による形状変更時には解析用データの作成を初めからやり直す必要がなく、既に作成されたデータを有効に活用できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図１において、解析データ作成支援装置は、計算機１０１とそれぞれのプログラムで構成されている。計算機１０１は演算装置，記憶装置，キーボードやディスプレイ等の入出力装置，外部記憶装置１１４であり、断面中心線生成装置１０２，形状生成装置１０６，表示制御装置１１０，解析メッシュ生成装置１１３は、それぞれの機能を実現するコンピュータプログラムである。

さらに、断面中心線生成装置１０２は、断面読み込み部１０３，断面中心線抽出部１０４，断面中心線編集部１０５の機能を実現するものであり、形状生成装置１０６は、スイープ操作部１０７（スイープ：３Ｄグラフィックのモデリング技法のひとつ。平面に描かれた図形をある軌跡に沿って移動して立体化する手法。直線状に移動すれば押し出しと同じ結果になる。軌跡をパラメータで規定してひねりや回転を加えることもできる。），曲げ操作部１０８，カット操作部１０９の機能を有している。なお、表示制御装置１１０はソリッドモデル表示部１１１と中立面モデル表示部１を備えている。

３次元ＣＡＤによるソリッドモデルの作成では、形状の部分構造の断面をスケッチして、それを平行スイープ、あるいは回転スイープ、あるいは軌跡ラインに沿ったスイープといった方法で３次元化することが多い。線をスイープすることで面を生成し、閉じた線群から成る面をスイープすることで中空のソリッドモデルを作成する。

本例では、ソリッドモデルの作成のために描いた断面のスケッチ（見取図）の中にその断面の中心線を生成して、この中心線をスイープすることにより、ソリッドモデルと中立面モデルと共に生成する。図２は、その具体的なフローチャートを示す。図２において、２０１が断面のスケッチであり、２０２は断面の中心線である。これらをスイープしてソリッドモデル２０３と中立面モデル２０４を得る。

ユーザ（本システムの操作者）は断面の中心線をスイープすることを意識する必要は無く、ソリッドモデルを作成する操作のみを行えば良い。ソリッドモデルを完成させるために、スケッチを描いてスイープする操作を続けて繰り返すことで、１回１回の操作毎に中立面が生成され、それらを組み合わせることで、最終的に全体の中立面モデルが得られる。

製品の３次元ＣＡＤデータ（ソリッドモデル）は、例えば数百個の部材が組み合わされて出来ており、一般的な作り方としては、最初に主要構造を作成し、そこに補強のリブを追加したり、フィレットを付けたりして、最終的に一体に合成されたソリッドモデルを作成する。ソリッドモデルの幾何情報を元に中立面を生成するには、フィレット部分の除外や、リブ部分と母材部分の識別等、複雑な形状認識処理が必要であり、従来技術では完全に母材やリブを区別して中立面モデルを生成することは困難であった。本例によれば、ソリッドモデルを構成する個々の板材毎に、中立面を生成しておくことになるので、さらに、ソリッドモデルを作成する操作の都度、ソリッドモデルのトポロジに合致するように中立面同士を接合していくので、後から中立面を修正する作業が不要となる。また、溶接ビードを表現するようなフィレットは板材ではないので、フィレットを除外した中立面が自ずと生成できる。

尚、３次元ＣＡＤデータを作成している途中での中立面モデルの確認のための表示については、図１の表示制御装置１１０により、随時ソリッドモデルと中立面モデルの表示を切り替えて、何れか一方を表示することや、ソリッドモデルと中立面モデルの両方を同時に表示すれば良い。

図３から図１３を参照して中心線の抽出方法の具体例を示す。

図１の断面中心線生成装置１０２は、断面読み込み部１０３，断面中心線抽出部１０４，断面中心線編集部１０５の各手段を有し、図３は断面中心線抽出部１０４における、ユーザがスケッチした断面の中心線を自動抽出する機能を実現するためのフロー図である。基本的な手順としては、断面読み込み部１０３で計算機に取り込んだ断面図から平行な線のペアを抽出して部分的な中心線を生成し、次にそれらの部分中心線を延長することで、中心線が取得できていない領域に対して中心線を生成するものである。

図４は中心線を抽出する断面の一例であり、その一部分を示している。図３の３０１で、先ず、断面を構成する線群の中のある２本の線分の間隔が閾値以下の「平行部分」，「同心円部分」に部分中心線を生成する。図５が部分中心線を生成した後の状態である。ここで「平行部分」と「同心円部分」に関して図６で補足する。

図６の６０１と６０２は平行な線分であり、それらの重なり部分に中心線６０３を生成する。また、図６の６０４と６０５は同心円弧（中心座標が同じ円弧）であり、平行線分の場合と同様に、それらの重なり部分に中心線６０６を生成する。中心線を生成する対象とする線分の間隔の閾値は、ソリッドモデルの板厚より大きい値とし、ユーザが指定するものとする。指定された閾値以下に３本以上の線分が存在する場合には、最も間隔の狭いペアを選択する。

次に、図３の３０２で、中心線を生成した部分に仮境界を設定する。図７に仮境界を設定した後の状態を示す。仮境界とは、部分中心線が生成されている領域と、そうでない領域を分けるためのものであり、部分中心線と直交して、部分中心線の端点を通過し、断面境界線との交点を端点とする線分である。

図３の３０３で、部分中心線が生成されてない領域、即ち、仮境界と既存の断面境界とで区切られた領域に中心線を生成する。ここでの中心線も図６で示した処理と同様に部分中心線とする。図８は３０１の処理で部分中心線が生成されなかった領域に対して部分中心線を生成した後の状態である。この部分中心線を、図３の３０４で、断面境界あるいは仮境界まで延長する。図９に処理３０４で生成した部分中心線を延長した後の状態を示す。

図３の３０５で、残りの部分中心線を、形状境界あるいは仮境界あるいは他の部分中心線と交差する部分まで延長する。図１０が延長後の状態である。図９と図１０では、線分を延長するイメージを表現するため矢印で記しているが、実際にはそれぞれ線分を生成している。

図３の３０６で、生成された線分の端点をマージ（整えて結合）する。図１１は端点をマージした後の状態である。端点をマージする際の座標値は、各線分の端点座標の平均位置、より長い線分の終点位置に他の線分の端点を揃える、ことで行う。また、母面とリブの関係を考慮して、特定の境界線から生成された中心線の端点を優先しても良い。

中心線が広い範囲で斜めになることを嫌う場合には、図１０に示した線分の延長処理において、既存の線分の長さを変更するのではなく、既存の線分の終点から新たな線分を追加するように変更すれば、追加した線分のみを斜めにすることができる。あるいは、マージ処理した後、２つの線分の成す角度を調べて、例えばそれが１７８度以上であれば直線になるように局所的に補正しても良い。

図３の３０７で、これまで部分中心線を生成する対象とならなかった形状境界線上に一方の端点を持つ部分中心線を除去する。図１２が不必要な部分中心線を除去した後の状態を示す。最後に、図３の３０７で、仮境界線を除去する。図１３が最終的に得られた中心線の一例である。

なお、ユーザの意図により、より好ましい位置に中心線を配置するために、断面中心線編集部１０５によって、自動抽出した断面中心線を編集（追加，修正，削除等）を可能とすることが良い。

以上のように得られた中心線を、ソリッドモデル作成時における断面スケッチのスイープの際に、方向と距離をソリッドと同じにしてスイープすることで中立面を生成する。図１の形状生成装置１０６は、スイープ操作部１０７，曲げ操作部１０８，カット操作部１０９から成っており、これらの機能によって、ソリッドモデルと中立面モデルを同時に生成する。以下、これらの処理内容の詳細を示す。

図１４はスイープ操作部１０７において中立面を生成した際に、突き当たり位置に別の中立面が存在した時の面延長を示したものである。スイープによって中立面を生成するには、ソリッド断面に対してユーザが入力したパラメータを取得して、中立線を押出す方向と距離を決定して中立面を生成する。

図１４は、具体例の一つであるモデルの俯瞰図と、それを上面から見た図であり、１４０１を既存のソリッドモデルとし、この内部には中立面１４０２が生成されている。この状態から、断面スケッチ１４０３と中心線１４０４を、既存のソリッドモデル１４０１にＴ字型に交差するようにスイープして、新たなソリッドモデル１４０５と中立面１４０６を生成する。この際に、中立面１４０２と中立面１４０６の間に、ソリッドデータ１４０１板厚の半分の隙間ができる。これは、中心線のスイープ距離をソリッドのスイープ量と同じにしたためである。

解析データとして用いるためには中立面は接合している必要があるので、中立面１４０６を生成した際に、その面の端線（中心線１４０４をコピーして生成された１４０４に対向する線）が、突き当りのソリッド中の中立面１４０２に、ある閾値以下の距離で隣接する場合には、中心線１４０４のスイープ量を中立面１４０２と交差する部分まで延ばす。これにより、既存の中立面１４０２と接合した中立面１４０８が生成される。

他の例として、既存の中立面が１４０９のように曲面の場合、中立面１４０６に相当する面を中立面１４０９を突き抜けるまで延長する。そして、それら２面の交線を求め、スイープして生成された中立面をその交線部分にて面１４１０と面１４１１とに分割し、不要な面１４１１を削除して、最終的な中立面１４１２を生成する。

図１５は別の形状例であり、ソリッドモデル１５０１に対して、接合部を１５０３とした中立面１５０２が生成される。この例では、ソリッドモデルの断面の中心線をスイープしてできる中立面が複数存在するが、基本的には図１４で示した方法と同じく、複数の面をスイープする量を既存の中立面との突き当たり位置まで延長するか、既存の中立面を突き抜ける位置まで延長して、延長した面と既存の中立面との交線部分で不要な面を削除することが行われる。

図１５の１５０５から１５１０は既存の中立面を延長する例を示したものである。既存のソリッドモデル１５０４に対して、断面１５０５をスイープして作成されるソリッドモデル１５０６を追加して１５０７のようなソリッドモデルを作成する場合、既存の中立面と、新しく生成された中立面との間に、ソリッドモデル１５０６板厚の半分の間隔の隙間が生じる。しかし、新しく生成された中立面と、既存の中立面の境界線との間隔を計算して、その距離が閾値以下の既存の中立面に対して前述と同様の方法で面の延長を行う。その結果、延長された中立面１５０８が得られ、さらに、追加した中立面１５０９が、中立面１５０８との交線によって２つの面に分割される場合には、交線との間隔が閾値以下の境界線を含む側の面を削除して、１５１０で示したような中立面を生成する。但し、延長した中立面と追加した中立面との交線が、追加した中立面の境界線と交差しない場合には面の削除は行わない。

以上は、面を延長する方向がスイープする方向と同じ場合の例であったが、図１６はスイープした中立面を２方向に延長する例である。

既にソリッドモデル１６０１が存在し、そこに新たなソリッド１６０２を追加するものとし、また、既存のソリッドモデルに生成されている中立面を１６０３、新たに生成される中立面を１６０４とする。この場合、中立面１６０３と追加する中立面１６０４との間には、下部と側部の２箇所に隙間が生じる。この場合には、図１４で説明したスイープした端線を延長する方法と同様に、この隙間を塞ぐように面を延長する。

スイープして新たな中立面を生成する場合、端線の他にも新たな線（中立面の境界線）が生成される。即ち、端線以外の線に対しても、図１４の場合と同様に近接する中立面を検索して、それらの距離が閾値以下のものに対して、面の延長と分割の処理を行う。図１６の１６０５の（１）の方向を端線部分の延長とすると、（２）の方向が端線以外の部分の延長となる。これにより、既存の中立面１６０３に接続した形態の中立面１６０６を生成することができる。

形状生成装置１０６のスイープ以外の操作としては、曲げ操作とカット操作がある。図１７の１７０１から１７０５は曲げ操作部１０８によって、板状のソリッドモデルのロール加工操作によって、ソリッドモデルと同様に丸められた中立面モデルを得るものである。

ロール加工操作を行う前のソリッドモデル１７０１は断面１７０２をスイープして作成されたものであり、その際に、前述によって中立面モデル１７０３が生成されている。この状態において、ソリッドモデルに対してユーザがロール加工操作を指定することにより、ソリッドモデル１７０４が生成され、その際の変形パラメータを中立面モデル１７０３にも適用することにより、変形後の中立面モデル１７０５を得ることができる。

図１７の１７０６は他の例で、折り曲げ操作により生成された中立面モデルを示しており、ソリッドの折り曲げに追随して、ソリッドの内部に生成された中立面も同様に折り曲げることができる。

図１８はカット操作部１０９によって、板状のソリッドモデルのカット操作（穴あけ）によって、ソリッドモデルと同様に、穴のあいた中立面モデルを得るものである。カット操作を行う前のソリッドモデル１８０１は断面１８０２をスイープして作成されたものであり、その際に、前述によって中立面モデル１８０３が生成されている。この状態において、ソリッドモデルに対してユーザが１８０４のカット操作を行うことにより、穴あけ加工後の中立面モデル１８０５を得ることができる。

以上のように、形状生成装置１０６のスイープ操作，曲げ操作，カット操作によって、ソリッドモデルの作成と同時に中立面モデルが生成される。ここで、ユーザが意識するのはソリッドモデルの作成で良く、そのソリッドモデル作成操作の都度に中立面が生成され、中立面モデルが組み立てられていく。ソリッドモデルが完成した後に一括して中立面モデルを生成する従来例では、中立面を生成すべき薄肉部分の形状認識の必要があるが、本方式ではソリッドモデルを構成する要素毎に中立面が生成されるので形状認識の必要がない。

解析メッシュ生成装置１１３で、中立面モデルから解析用のメッシュモデルを生成する。一般に中立面モデル（サーフェースモデルとも言う）の解析には３角形シェルメッシュあるいは４角形シェルメッシュを使用する。図１９はソリッドモデル１９０１から得られた中立面モデルに対して４角形シェルによる解析メッシュ１９０２を生成した例である。４角形シェルメッシュを生成する手法としては、写像法，アドバンシング・フロント法，デローニー法等が公知であり、ここではメッシュ生成アルゴリズムの詳細の説明は省略する。

本発明による一実施の形態の全体構成を示すブロック図。 一実施の形態のフローチャート。 一実施の形態による中心線の抽出を示すフローチャート。 一実施の形態による断面例を示す平面図。 図４において、部分的に中心線を生成した状態を示す平面図。 一実施の形態による平行部分と同心円部分での中心線の生成を示す平面図。 一実施の形態による中心線を生成した部分に仮境界を設定した状態を示す平面図。 図７に対して中心線が生成されなかった領域に対して部分中心線を生成した後の状態を示す平面図。 図８に対して部分中心線を延長した後の状態を示す平面図。 図５で生成した部分中心線を仮境界あるいは他の部分中心線と交差する部分まで延長した状態を示す平面図。 図１０に対して端点をマージした後の状態を示す平面図。 図１１に対して不必要な部分中心線を除去した後の状態を示す平面図。 最終的に得られた中心線を示す平面図。 一実施の形態による中立面の延長を示した説明図。 図１４とは別の形状における中立面の延長を示した説明図。 一実施の形態によるスイープした中立面を２方向に延長する斜視図。 一実施の形態による曲げ変形を示す説明図。 一実施の形態によるカット変形を示す説明図。 一実施の形態による解析メッシュを示す斜視図。

符号の説明

１０１ 計算機
１０２ 断面中心線生成装置
１０３ 断面読み込み部（断面を生成する手段）
１０４ 断面中心線抽出部（断面の中心線を生成する手段）
１０５ 断面中心線編集部
１０６ 形状生成装置
１０７ スイープ操作部（スイープして３次元化する手段）
１０８ 曲げ操作部
１０９ カット操作部
１１０ 表示制御装置
１１３ 解析メッシュ生成装置
２０１ 断面のスケッチ
２０２ 断面の中心線
２０３，１４０５ ソリッドモデル
２０４ 中立面モデル
１４０１ ソリッドモデル
１４０２，１４０６ 中立面
１４０３ 断面スケッチ
１４０４ 中心線
１４０７ 延長後の中立面
１４０９ 既存の中立面
１９０２ 解析メッシュ

Claims (7)

1. コンピュータを用いて、形状を定義する３次元ＣＡＤデータであるソリッドモデル及び中立面モデルを生成し、解析用メッシュモデルを生成する解析データ作成支援装置において、
   前記形状の部分構造であり、輪郭線で定義された断面を生成する手段と、
   生成された前記断面の中心線を生成する手段と、
   前記輪郭線と前記中心線とをスイープして３次元化する手段と、
   を備え、前記輪郭線を３次元化した前記ソリッドモデルと前記中心線を３次元化した前記中立面モデルとが共に生成可能とされたことを特徴とする解析データ作成支援装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記中立面モデルは、前記中心線をスイープすることを繰り返すことで生成されることを特徴とする解析データ作成支援装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記ソリッドモデルを曲げ変形操作する手段と、前記中立面モデルを前記曲げ変形操作と同様に曲げ変形を行う手段と、を備えたことを特徴とする解析データ作成支援装置。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記ソリッドモデルをカット変形操作する手段と、前記中立面モデルを前記カット操作と同様にカット変形を行う手段と、を備えたことを特徴とする解析データ作成支援装置。
5. 請求項１に記載のものにおいて、前記中心線を修正，追加，削除する断面中心線編集手段を備えたことを特徴とする解析データ作成支援装置。
6. 請求項１に記載のものにおいて、前記中心線をスイープして生成された中立面を既存の中立面と交差する位置まで延長する手段を備えたことを特徴とする、解析データ作成支援装置。
7. コンピュータを用いて、形状を定義する３次元ＣＡＤデータであるソリッドモデル及び中立面モデルを生成し、解析用メッシュモデルを生成する解析データ作成支援装置に用いられるプログラムであって、
   前記形状の部分構造であり、輪郭線で定義された断面を生成する機能と、
   生成された前記断面の中心線を生成する機能と、
   前記輪郭線と前記中心線とをスイープして３次元化する機能と、
   前記輪郭線を３次元化した前記ソリッドモデルと前記中心線を３次元化した前記中立面モデルとを共に生成可能とする機能と、
   を実現するプログラム。

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