JP2009122999A - Three-dimensional shape optimization apparatus and three-dimensional shape optimization method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元形状最適化装置および三次元形状最適化方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape optimization apparatus and a three-dimensional shape optimization method.
通常、機械構造物の設計において、与えられた設計仕様を満足するために、CAD(Computer Aided Design)、CAE(Computer Aided Engineering)を利用して、機械構造物の形状、材料条件などのパラメータを色々変化させるパラメータサーベイを実施し、そこで得られた解析結果の中から設計仕様を満足する設計解を導出している。このとき、最適化技術を利用することで、パラメータサーベイを自動化し、設計解を予測する形状最適化計算を実施することで、その導出を短時間でできるようにしている。 Usually, in the design of a machine structure, in order to satisfy a given design specification, parameters such as the shape and material conditions of the machine structure are used by using CAD (Computer Aided Design) and CAE (Computer Aided Engineering). Various parameter surveys are carried out, and design solutions that satisfy the design specifications are derived from the analysis results obtained there. At this time, the optimization technique is used to automate the parameter survey, and by performing the shape optimization calculation for predicting the design solution, the derivation can be performed in a short time.
通常、新しく設計を行う場合、均質化法に代表される最適化技術を利用することで概略形状を見出していた。この概略形状は、ボクセルメッシュと呼ばれる領域において、強度上必要な部分のみを明示するものである。このため、製作可能か否かなどは考慮されておらずイメージ図に近い。このため、実際に設計に適用しようとした場合、出力された概略形状を参考にして、対話作業により三次元CADモデルを新たに生成し、それを初期形状として、形状最適化計算を実施することで設計解を算出していた。 Usually, when a new design is performed, an outline shape has been found by using an optimization technique represented by a homogenization method. This schematic shape clearly shows only a portion necessary for strength in a region called a voxel mesh. For this reason, it is close to the image diagram without considering whether it can be manufactured. For this reason, when actually applying to the design, a new 3D CAD model is generated by interactive work with reference to the output approximate shape, and shape optimization calculation is performed using this as an initial shape. The design solution was calculated by
従来、イメージ図などの形状から三次元モデルを生成する三次元形状自動生成技術としては、特許文献1に開示されている。特許文献1では、任意の被写体画像からその被写体の三次元形状を安定して抽出するために、任意の背景を含む被写体画像を入力する画像入力手段と、被写体形状から被写体形状を切り出す画像切り出し手段と、切り出された被写体形状に基づき、被写体に類似する標準三次元形状モデルの形状を修正する形状修正手段を利用する方法が記載されている。 Conventionally, Patent Document 1 discloses a three-dimensional shape automatic generation technique for generating a three-dimensional model from a shape such as an image diagram. In Patent Document 1, in order to stably extract a three-dimensional shape of a subject from an arbitrary subject image, an image input unit that inputs a subject image including an arbitrary background, and an image cutout unit that extracts the subject shape from the subject shape And a method using shape correction means for correcting the shape of a standard three-dimensional shape model similar to the subject based on the cut subject shape.
従来の三次元形状自動生成技術では、入力された形状に対して、入力形状の類似検索により、対応する三次元形状モデルを取り出している。しかし、一般に機械設計で利用する三次元形状モデルの作成は、三次元CADと呼ばれるシステムにより作成される。この三次元CADは、形状特徴と呼ばれる直方体、円筒といった基本的な形状を組み合わせて三次元形状モデルを生成している。さらに、梁、桁といった構成部品を形状特徴として扱うことも可能であり、形状特徴をH形鋼やU形鋼などの部品に見立てて、それらの形状特徴の組み立て体として表現することも可能である。 In the conventional three-dimensional shape automatic generation technology, a corresponding three-dimensional shape model is extracted from the input shape by a similarity search of the input shape. However, generally, a three-dimensional shape model used for machine design is created by a system called three-dimensional CAD. This three-dimensional CAD generates a three-dimensional shape model by combining basic shapes such as rectangular solids and cylinders called shape features. Furthermore, components such as beams and girders can be handled as shape features, and the shape features can be expressed as parts such as H-shaped steel and U-shaped steel and expressed as an assembly of those shape features. is there.
さて、従来の類似検索により三次元形状モデルを抽出した場合、入力された全体形状が類似した三次元形状モデルが得られることになり、入力された形状を構成する梁などの個々の形状特徴が、設計者が望む形状である保証はない。すなわち、本来、梁と桁とで構成される組み立て体の筐体構造などは、従来方法では、全体構造の類似性から検索されるため、梁や桁が接続されて単一構造となっている可能性がある。このため、単一構造となってしまっている場合には、梁部分のみの寸法値を設計変数とする形状最適化計算は非常に困難である。また、部材そのものを設計変数として、部材の置き換えまで含めた最適化計算も、梁や桁が単一部品となっている場合には、梁のみを別な種類の梁に置き換えることは困難である。 Now, when a 3D shape model is extracted by a conventional similarity search, a 3D shape model with a similar input overall shape is obtained, and individual shape features such as beams constituting the input shape are obtained. There is no guarantee that the shape the designer wants. That is, the housing structure of an assembly composed of beams and girders is originally searched from the similarity of the whole structure in the conventional method, so that the beams and girders are connected to form a single structure. there is a possibility. For this reason, in the case of a single structure, it is very difficult to perform shape optimization calculation using the dimension value of only the beam portion as a design variable. In addition, optimization calculation including the replacement of members with the members themselves as design variables is difficult to replace only the beams with other types of beams when the beams and girders are a single part. .
このような従来の三次元形状自動生成技術により概略形状から三次元形状モデルを生成した場合に、前述の課題により形状最適化計算を実行するためには、三次元形状モデルを構成する梁や桁を修正する必要があるため、三次元CADの編集に非常に多大な時間を要することになる。 When a 3D shape model is generated from a rough shape using such a conventional 3D shape automatic generation technology, in order to execute the shape optimization calculation due to the above-mentioned problem, beams and girders constituting the 3D shape model are used. Therefore, it takes a very long time to edit the three-dimensional CAD.
特許文献1においても、入力された概略形状に対して、類似形状のみを検索して表示するため、機械構造物を構成する個々の部材の形状や接続状況まで考慮した三次元形状モデルの生成という点に関しては、十分に考慮されていない。 Also in Patent Document 1, since only similar shapes are searched for and displayed with respect to the input approximate shape, it is referred to as generation of a three-dimensional shape model that takes into account the shapes and connection states of individual members constituting the mechanical structure. The point is not fully considered.
本発明は、概略形状から必要な箇所の寸法変更、必要な部材の変更が可能な形状最適化のための三次元CADモデルを自動生成し、生成された三次元CADモデルを初期形状として形状最適化計算に適用し、設計仕様を満足するための三次元形状モデルの修正に要する時間を短縮することを目的とする。 The present invention automatically generates a three-dimensional CAD model for shape optimization that can change the size of a necessary part from a rough shape and change a necessary member, and optimizes the shape using the generated three-dimensional CAD model as an initial shape. The purpose of this is to reduce the time required to correct the 3D shape model to satisfy the design specifications.
本発明の三次元形状最適化装置は、三次元CADモデルを構成する部品の種類および寸法を決定する三次元形状最適化装置であって、概略形状を入力する手段と、該概略形状から該三次元CADモデルを生成して表示する手段と、補強が必要な部材を明示する手段とを含むことを特徴とする。 The three-dimensional shape optimization apparatus of the present invention is a three-dimensional shape optimization apparatus that determines the types and dimensions of parts constituting a three-dimensional CAD model, and includes means for inputting a rough shape, and the third order from the rough shape. It includes means for generating and displaying an original CAD model, and means for clearly indicating a member that needs reinforcement.
本発明によれば、均質化法に代表される最適化技術の出力結果である概略形状から、必要な箇所の寸法変更、必要な部材の変更が可能な形状最適化のための三次元CADモデルを自動生成し、生成された三次元CADモデルを初期形状として、形状最適化計算に適用することで、設計仕様を満足する設計解を短時間で得ることが可能になる。 According to the present invention, a three-dimensional CAD model for shape optimization that can change the size of a necessary portion and change a necessary member from a rough shape that is an output result of an optimization technique typified by a homogenization method. Is automatically generated, and the generated three-dimensional CAD model is used as the initial shape and applied to the shape optimization calculation, so that a design solution that satisfies the design specifications can be obtained in a short time.
本発明は、均質化法に代表される最適計算結果である概略形状を入力手段と、入力された概略形状に対して、XY平面、XZ平面、YZ平面に並行な平面部分の形状を取得する手段と、取得した平面部分形状に対して二次元化した平面領域を生成し、生成した領域の座標値データを取得する手段と、生成した平面領域情報を取得し、取得した平面領域の面積と、平面領域を包含する長方形の面積との比率を算出し、指定した比率以上の平面領域は、包含する長方形全ての領域を平面領域として認識し、比率以下の場合は、線分による中立線を生成し、中立線の座標値データを取得して、さらに、幅情報として、中立線の生成する際に作成した内接円の直径データを算出する手段と、作成した平面領域情報を取得し、データベースから直方体の三次元CADモデルを取得して、平面情報の座標値、厚さ情報に従って直方体を変更し、また中立線情報を取得し、データベースからH形鋼の三次元CADモデルを取得して、中立線情報の座標値、幅情報に従ってH形鋼を変更し、操作者に概略形状とともに生成した三次元CADモデルを表示し、さらに同一の中立線で、幅情報が異なる場合は、対象部材を強調表示するとともに、補強が必要であることを知らせる手段と、形状最適化計算に必要な、目的関数、制約条件、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm)を利用した最適化計算を行うための最大世代数、集団数、部材の変更、寸法変更などの設計変数を入力する手段と、構造解析に必要な、材料条件、拘束条件、荷重条件、メッシュ条件を入力する手段と、作成した三次元形状モデルに対して、解析条件入力部で入力された材料条件、拘束条件、荷重条件を設定し、メッシュ条件に従って領域をメッシュ生成して解析モデルを作成する手段と、作成した解析モデルを取得し、構造解析を実施する手段と、実行した解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズムを利用して、目的関数が最小または最大かつ制約条件を満たす最良の設計変数を算出する手段と、最適計算を実行した中で最も良い結果の三次元CADモデル、その結果、概略形状入力部で入力した概略形状、そのときの解析結果を取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する手段とを備えた三次元形状最適化装置とその方法を提案する。 The present invention obtains the shape of a plane portion parallel to the XY plane, the XZ plane, and the YZ plane with respect to the input approximate shape by inputting an approximate shape that is an optimum calculation result typified by a homogenization method. Means for generating a two-dimensional plane area for the acquired plane partial shape, acquiring coordinate value data of the generated area, acquiring the generated plane area information, and acquiring the area of the acquired plane area; Calculate the ratio with the area of the rectangle that includes the plane area, and the plane area that exceeds the specified ratio will recognize all areas of the rectangle that are included as a plane area. Generate and acquire the coordinate value data of the neutral line, and further, as width information, obtain the means for calculating the diameter data of the inscribed circle created when generating the neutral line, and the created plane area information, Cuboid from database Obtain a three-dimensional CAD model, change the rectangular parallelepiped according to the coordinate value and thickness information of the plane information, obtain the neutral line information, obtain the three-dimensional CAD model of the H-section steel from the database, Change the H-section steel according to the coordinate value and width information, display the 3D CAD model generated with the rough shape to the operator, and if the same neutral line and width information are different, highlight the target member , Means for notifying that reinforcement is necessary, and the maximum number of generations, the number of populations for performing optimization calculation using an objective function, constraint conditions, and a genetic algorithm necessary for shape optimization calculation, A means for inputting design variables such as member changes and dimension changes, a means for inputting material conditions, constraint conditions, load conditions, and mesh conditions necessary for structural analysis, and creation Set the material conditions, restraint conditions, and load conditions entered in the analysis condition input section for the 3D shape model that has been created, and generate an analysis model by generating a mesh area according to the mesh conditions, and the created analysis model A means for performing structural analysis, evaluating the results of the analysis performed, and using genetic algorithms to calculate the best design variables that satisfy the constraints with minimum or maximum objective functions, and optimal Obtain the best 3D CAD model, the result, the approximate shape input in the approximate shape input unit, and the analysis result at that time, and display the difference so that the operator can recognize the difference. A three-dimensional shape optimizing apparatus including a method and a method thereof are proposed.
これにより、概略形状から三次元CADモデルを自動生成し、形状最適化計算を行うことが可能になる。 This makes it possible to automatically generate a three-dimensional CAD model from the approximate shape and perform shape optimization calculation.
以下、本発明の実施例について、図面を引用して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る三次元形状最適化装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。図1の実施例の装置は、概略形状入力部101、平面形状取得部102、二次元形状生成部103、中立線・平面生成部104、三次元CAD形状生成部105、最適化条件入力部106、解析条件入力部107、解析モデル作成部108、解析部109、最適計算制御部110、最適計算表示部111、データベース112、計算機113を含む。
FIG. 1 is a block diagram showing a system configuration of an embodiment of a three-dimensional shape optimization apparatus according to the present invention. 1 includes a schematic
概略形状入力部101では、均質化法に代表される最適計算結果である概略形状を入力する。平面形状取得部102では、概略形状入力部101で入力された概略形状に対して、XY平面、XZ平面、YZ平面に並行な平面部分の形状を取得する。二次元形状生成部103では、平面形状取得部102で取得した平面部分形状に対して二次元化した平面領域を生成し、生成した領域の座標値データを取得する。
The approximate
中立線・平面生成部104では、二次元形状生成部103で生成した平面領域情報を取得し、取得した平面領域の面積と、平面領域を包含する長方形の面積との比率を算出し、指定した比率以上の平面領域は、包含する長方形全ての領域を平面領域として認識する。比率以下の場合は、線分による中立線を生成し、中立線の座標値データを取得する。さらに、幅情報として、中立線の生成する際に作成した内接円の直径データを算出する。
The neutral line /
三次元CAD形状作成部105では、中立線・平面生成部104で作成した平面領域情報を取得し、データベースから直方体の三次元CADモデルを取得して、平面情報の座標値、厚さ情報に従って直方体を変更する。また、中立線情報を取得し、データベースからH形鋼の三次元CADモデルを取得して、中立線情報の座標値、幅情報に従ってH形鋼を変更し、操作者に概略形状とともに生成した三次元CADモデルを表示する。さらに、同一の中立線で、幅情報が異なる場合は、対象部材を強調表示するとともに、補強が必要であることを知らせる。
In the three-dimensional CAD
形状最適化条件入力部106では、形状最適化計算に必要な目的関数、制約条件、遺伝的アルゴリズムを利用した最適化計算を行うための最大世代数、集団数、部材の変更、寸法変更などの設計変数の初期値を入力する。解析条件入力部107では、構造解析に必要な、材料条件、拘束条件、荷重条件、メッシュ条件を入力する。
In the shape optimization
解析モデル作成部108では、三次元CAD形状作成部105で作成した三次元形状モデルに対して、解析条件入力部107で入力された材料条件、拘束条件、荷重条件を設定し、メッシュ条件に従って領域をメッシュ生成して解析モデルを作成する。解析部109では、解析モデル作成部108で作成した解析モデルを取得し、構造解析を実施する。
The analysis
最適計算制御部110では、解析部109で実行した解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズムを利用して、目的関数が最小または最大かつ制約条件を満たす最良の設計変数を算出する。最適結果表示部111では、最適計算制御部110で最適計算を実行した中で最も良い結果の三次元CADモデル、そのときの結果、概略形状入力部101で入力した概略形状、そのときの解析結果を取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する。
The optimal
データベース112では、概略形状入力部101、平面形状取得部102、二次元形状生成部103、中立線・平面生成部104、三次元CAD形状生成部105、最適化条件入力部106、解析条件入力部107、解析モデル作成部108、解析部109、最適計算制御部110、最適計算表示部111で算出した結果を蓄積する。計算機113では、本装置を構成する101から112までを制御する。
In the
このように構成される実施形態の処理手続きについて、図1から図17を参照しながら説明する。図2、図3、図4、図5、図6は、図1に示す三次元形状最適化装置における利用手順を示すフローチャートである。本発明の利用手順は、大きく三つのフェーズに分けられる。一つ目は、概略形状を入力し、最適化計算のための初期形状となる三次元CADモデルを生成するフェーズ1である。二つ目は、形状最適化に必要な条件の入力、構造解析の実行に必要な条件の入力を行うフェーズ2である。三つ目は、一つ目の作成された三次元CADモデルを初期形状として、二つ目のフェーズで入力された形状最適化条件、解析条件に従って、構造解析を実施し、目的関数が最大または最小かつ制約条件を満たすように最適計算を実行し、最良の結果を出力するフェーズ3である。
A processing procedure of the embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS. 2, 3, 4, 5, and 6 are flowcharts illustrating a use procedure in the three-dimensional shape optimization apparatus illustrated in FIG. 1. The utilization procedure of the present invention is roughly divided into three phases. The first is phase 1 in which a rough shape is input and a three-dimensional CAD model that is an initial shape for optimization calculation is generated. The second phase is a phase 2 in which conditions necessary for shape optimization and conditions necessary for execution of structural analysis are input. The third is to perform the structural analysis according to the shape optimization conditions and analysis conditions input in the second phase with the first created 3D CAD model as the initial shape, and the objective function is maximized or In
まず、フェーズ1のS1について説明する。 First, S1 of phase 1 will be described.
S1では、最適化計算を実施するに当り、初期形状となる三次元CADモデル作成の元となる概略形状を入力する。図7に入力する概略形状および入力画面の一例を示す。概略形状は、均質化法により最適化計算された出力結果であり、コンピュータの筐体である。均質化法は、三次元の最適化対象領域をボクセルメッシュと呼ばれる差分格子に分割し、最適化計算を実行することにより、強度的に必要な部分の各格子からなるセルを明示するものである。 In S1, when performing the optimization calculation, a rough shape from which a three-dimensional CAD model serving as an initial shape is created is input. FIG. 7 shows an example of a schematic shape to be input and an input screen. The approximate shape is an output result optimized by the homogenization method, and is a computer case. The homogenization method divides a three-dimensional optimization target region into a difference grid called a voxel mesh, and executes optimization calculation to clearly show cells composed of each part of the grid that is necessary for strength. .
図7は、コンピュータ筐体において、斜線部分および実線部分が強度的に必要な領域を意味し、それ以外の部分は必要ではないことを意味する。すなわち、フェーズ1では、斜線部分と実線部分の領域からなる筐体の三次元CADモデルを作成する。操作者は、概略形状を、「参照」ボタンを押すことで、データ一覧を表示し、ターゲットとなる概略形状のデータを選択する。概略形状入力部101は選択されたデータを読み込んで画面に表示する。操作者は、表示された画面の概略形状が適切であれば「入力」ボタンを押すことで、概略形状入力部101は入力された概略形状をデータベースに記憶する。
FIG. 7 shows that in the computer case, the hatched portion and the solid line portion indicate areas that are required in terms of strength, and the other portions are not required. That is, in the phase 1, a three-dimensional CAD model of the housing composed of the hatched area and the solid line area is created. The operator presses the “reference” button to display the data list, and selects the target rough shape data. The schematic
S2では、S1で入力された概略形状の平面部分形状を取得する。平面形状取得部102は、概略形状入力部101によって記憶された概略形状を包含する直方体形状を、演算により求める。ここで、XY平面に並行な平面部分形状の取得方法について述べる。平面形状取得部102は、演算より求めた直方体形状のZ軸方向の最小値から、ボクセルのセルの一段目においてXY平面のセルの個数を算出し、Z軸方向の最大値まで、一段ずつXY平面のセルの個数を算出し、それぞれをデータベースに記憶する。記憶したZ軸方向の最小値から最大値までの、XY平面におけるセルの個数の分布を図8に示す。概略形状から明らかなように、概略形状の床部分および天井部分にセルが多いことがわかる。
In S2, the planar partial shape of the approximate shape input in S1 is acquired. The planar
つぎに、平面形状取得部102は、指定した閾値におけるZ軸の値を算出し、それぞれをデータベースに記憶する。なお、閾値は操作者が任意に指定することが可能であるが、ここでは300とする。データベースに記憶したZ軸の値は、説明のために、A、B、C、Dと呼ぶことにし、図8の黒丸でそれぞれ示す。AからBの間が床部分、CからDの間が天井部分を意味する。また、図8に概略形状のA、B、C、D点の位置関係を表示する。
Next, the planar
つぎに、平面形状取得部102は、概略形状データを取得し、XY平面に並行かつZ軸のA点からB点までの形状、XY平面に並行かつC点からD点までの形状を取得して、それぞれをデータベースに記憶する。本処理は、指定した領域のボクセルのセルを取得することで実現可能である。このようにXY平面に並行な平面部分形状が取得でき、床部分、天井部分以外の部分は排除することができる。
Next, the planar
つぎに、平面形状取得部102は、XZ平面、YZ平面に並行な平面部分形状についても、同様の方法で取得し、それらの形状をデータベースに記憶する。取得したXZ平面に平行な平面部分形状の一例を図9に示す。平面形状取得部102は、XY平面に並行な平面部分形状2個、XZ平面に並行な平面部分形状2個、YZ平面に並行な平面部分形状2個の合計6個の形状を取得し、それらの情報をデータベースに記憶する。
Next, the planar
S3では、S2で取得した平面形状の二次元化を行う。二次元形状生成部103は、S2で記憶した平面部分形状のデータを取得し、取得した平面部分形状のデータを包含する直方体形状を演算により求める。ここで、XY平面に並行な平面形状部分の処理について述べる。
In S3, the two-dimensionalization of the planar shape acquired in S2 is performed. The two-dimensional
つぎに、二次元形状生成部103は、平面部分形状を二次元化する。すなわち、XY平面への投影した形状を演算により取得し、データベースに記憶する。これは、XY平面に並行なボクセルの和集合を算出すれば良い。つぎに、二次元化した形状の座標値を演算によって求める。これは直方体形状の頂点の座標値から算出できる。X座標、Y座標は、直方体の頂点から得られる座標値をそのまま利用し、Z座標は、直方体におけるZ軸方向の2点における中間点の値を利用して、それぞれをデータベースに記憶する。すなわち、平面部分形状は、直方体の厚さ方向における中間位置に、平面形状を包含する長方形の座標値データを持つことになる。つぎに、二次元形状生成部103は、残りの平面部分形状についても、同様の方法で、座標値を算出し、二次元化処理を行い、それぞれをデータベースに記憶する。
Next, the two-dimensional
S4では、S3で算出した二次元形状について、中立線化、平面化を行う。中立線・平面生成部104は、S3で算出した二次元化形状のデータを取得する。つぎに、中立線・平面生成部104は領域の面積を算出する。さらに、座標値を取得し、領域を包含する長方形の面積を算出し、領域の面積と長方形の面積の比率を算出する。比率が指定した値以上の場合であれば、中立線・平面生成部104は、対象領域は平面としてデータベースに記憶する。比率の指定は、操作者が任意に指定することができるが、ここでは0.7とした。また、比率が指定した値以下の場合は、中立線・平面生成部104は、領域の中立線を生成する。
In S4, the two-dimensional shape calculated in S3 is neutralized and planarized. The neutral line /
まず、平面部分の領域の境界線を抽出する。つぎに、中立線・平面生成部104は、抽出した境界線の内部領域に対して中立線を作成する。中立線の作成は、MAT(Medial Axis Transform)法などの公知技術を利用することで生成が可能である。つぎに、中立線・平面生成部104は、生成した中立線の境界上の端点同士を直線で結び、それぞれ端点の座標値を算出してデータベースに記憶する。つぎに、中立線・平面生成部104は、MAT法を用いて中立線を作成する際に利用する円の直径もデータベースに記憶する。この円は、領域に内接するものであり、領域の幅を意味する。
First, the boundary line of the plane part region is extracted. Next, the neutral line /
図10にXY平面におけるS4の処理を実施した場合の平面作成の一例を示す。また、図11にXZ平面におけるS4の処理を実施した場合の中立線作成の一例を示す。また、内接円も記載し、内接円が幅に対応することを示す。すなわち、比率が0.7以上の場合は、領域はすべて埋め尽くされるようになり、0.7以下の場合は、領域を中立線化するようにする。このように、強度上必要な部分において、忠実に三次元CADモデルを作成すると、必要以上に穴などの形状が複雑になり、実際の製作も困難になる。しかし、中立線・平面生成部104によって、平面化と中立線化とに簡単化することにより、簡単な部材で三次元CADモデルを構成できるようになり、規格部品を利用できる。
FIG. 10 shows an example of plane creation when the process of S4 on the XY plane is performed. FIG. 11 shows an example of creating a neutral line when the process of S4 on the XZ plane is performed. In addition, an inscribed circle is also indicated, indicating that the inscribed circle corresponds to the width. That is, when the ratio is 0.7 or more, the entire region is filled, and when it is 0.7 or less, the region is made neutral. In this way, if a three-dimensional CAD model is faithfully created in a portion necessary for strength, the shape of a hole or the like becomes more complicated than necessary, and actual production becomes difficult. However, since the neutral line /
S5では、S4までに得られた平面、中立線情報に従って、三次元CADモデルを自動生成する。三次元CAD形状作成部105では、S4で得られた平面化情報、中立線化情報を取得する。まず、中立線からの三次元CADモデルの生成について述べる。三次元CAD形状作成部105は、H型鋼の三次元CADモデルを、データベース112から取得し、中立線情報の座標値、幅情報から、H型鋼の長さ、幅、位置を変更する。ここで、幅の情報は、内接円の直径は、中立線の各点で異なるため、それらの平均値を利用する。
In S5, a three-dimensional CAD model is automatically generated according to the plane and neutral line information obtained up to S4. The three-dimensional CAD
つぎに、平面からの三次元CADモデルの生成について述べる。三次元CAD形状作成部105は、直方体の三次元CADモデルを、データベース112から取得し、平面情報の座標値から、直方体の縦、横、厚さ、位置を変更する。全ての中立面、平面情報に対して、同様の処理を実施して、三次元CADモデルを作成し、データベースへ記憶する。作成した三次元CADモデルの一例を図12に示す。本図において、概略形状入力部101で入力した概略形状を上段に、S5によって生成された三次元CADモデルを下段に表示している。ここで、本図の下段に示すように、補強が必要な箇所には、適切な形状の部材を明示する。この部材を「補強が必要な部材」と呼ぶ。
Next, generation of a three-dimensional CAD model from a plane will be described. The three-dimensional CAD
また、三次元CAD形状作成部105は、中立線情報の幅情報を取得し、中立線の各点で幅が、例えば20%以上など、操作者が指定した値を超える場合は、その中立線から生成されたH形鋼を操作者に明示して、補強が必要なことを知らせる。これは、部材の付け根などに補強が必要な場合に、概略形状では補強形状が算出されているにもかかわらず、S5で全て直線的なH形鋼に置き換えてしまうことで、補強の情報の欠落を防止するためである。また、操作者は、入力した概略形状と、生成された三次元CADモデルを見比べ、製作における制約などを鑑みて、対話的修正することは可能である。
Also, the three-dimensional CAD
つぎに、フェーズ2について説明する。フェーズ2は、フェーズ1で生成された三次元CADモデルの最適化計算を実施すべく、最適化計算に必要な諸条件を操作者が入力する。 Next, phase 2 will be described. In phase 2, in order to perform optimization calculation of the three-dimensional CAD model generated in phase 1, an operator inputs various conditions necessary for the optimization calculation.
S6では、形状最適化計算に必要な入力を行う。形状最適化条件の入力画面の一例を図13に示す。形状最適化条件入力部106は、フェーズ1で生成された三次元CADモデルを取得し、それを表示して、操作者に形状最適化の対象となることを明示する。操作者は、最適化計算のために、設計仕様を満足するために必要な条件を入力する。均質化法による最適計算の結果の概略形状と、同等レベルの三次元CAD形状を求めるため、条件は、概略計算を算出したものを設定する。ここでは、目的関数として質量最小、制約条件として、最大変位0.5mm以下、遺伝的アルゴリズムを利用した最適化計算を行うための最大世代数50、集団数40と入力する。
In S6, input necessary for the shape optimization calculation is performed. An example of an input screen for shape optimization conditions is shown in FIG. The shape optimization
つぎに、設計変数の初期値を入力する。ここでは、三次元CADモデルを構成するH形鋼といった個々の部材に対して、他のU形鋼、L形鋼へ変更するかどうかを指定する。図13では、部材1、部材2といった三次元CADモデルを構成する部材名称の一覧を表示し、そのそれぞれに対して、部材を変更するかどうかを指定する。三次元CADモデルの表示画面で、部材をマウスでクリックすれば、部材1、部材2といった部材名称を表示することで、操作者は部材名称を知ることができる。なお、床材は、最適化計算において、部品変更する必要がないため、床材に対応する部材3は、図13の(部材3変更)でOFFを指定し、変更しないことにしている。また、詳細ボタンを押すことで、各部材に対して、H形鋼、U形鋼、L形鋼といった変更可能な部材の中から設計変数の指定が可能である。
Next, input initial values of design variables. Here, whether to change to another U-shaped steel or L-shaped steel is specified for individual members such as an H-shaped steel constituting the three-dimensional CAD model. In FIG. 13, a list of member names constituting the three-dimensional CAD model such as member 1 and member 2 is displayed, and whether or not to change the member is designated for each. If the member is clicked with a mouse on the display screen of the three-dimensional CAD model, the operator can know the member name by displaying the member names such as member 1 and member 2. Since the floor material does not need to be changed in the optimization calculation, the
ここで、三次元CADモデル生成するための要素となる、H形鋼、U形鋼、L形鋼などの部材を基本部材と呼ぶことにする。そして、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、すなわちデータベースに、あらかじめ基本部材に関するデータを記録しておく。また、三次元CADモデルは、基本部材を含む組み立て体と見なすことができる。 Here, members such as H-shaped steel, U-shaped steel, and L-shaped steel, which are elements for generating a three-dimensional CAD model, are referred to as basic members. Data relating to the basic member is recorded in advance on a computer-readable recording medium, that is, a database. The three-dimensional CAD model can be regarded as an assembly including basic members.
図14に詳細設定の画面の一例を示す。指定した部材に対して、H形鋼、U形鋼、L形鋼、T形鋼の部材が変更可能であるが、ここではH形鋼、U形鋼、L形鋼の中から部材が変更される。つぎに、部材の寸法に関しても設計変数を入力する。図13では、部材1、部材2といった各部材の寸法に対して、変更を行うか、行わないかを指定する。ここで、詳細ボタンを押せば、H形鋼の高さ、幅などの寸法許容範囲などの詳細な設計変数を入力することができる。図15に詳細設定の画面の一例を示す。指定した部材に対して、最適化計算において寸法変更できる範囲および初期状態の値を指定している。形状最適化条件入力部106は、入力した情報を取得し、データベースに記憶する。
FIG. 14 shows an example of a detailed setting screen. H-shaped steel, U-shaped steel, L-shaped steel, and T-shaped steel can be changed for the specified member, but here the members are changed from H-shaped steel, U-shaped steel, and L-shaped steel. Is done. Next, design variables are also input regarding the dimensions of the members. In FIG. 13, it is specified whether or not to change the dimensions of the members 1 and 2. Here, if a detailed button is pressed, detailed design variables such as dimensional tolerances such as the height and width of the H-section steel can be input. FIG. 15 shows an example of a detailed setting screen. For the specified member, the range in which the dimension can be changed in the optimization calculation and the initial state value are specified. The shape optimization
S7では、構造解析に必要な解析条件の入力を行う。解析条件入力画面の一例を図16に示す。解析条件入力部107は、フェーズ1で生成された三次元CADモデルに対する解析モデルを表示する。操作者は、解析のために必要な条件を入力する。荷重条件として、等分布荷重1N/mm3を筐体上部の面を入力する。また、拘束条件として、筐体と床が接触する面に対しては、XYZ方向の拘束を入力する。操作者は、解析モデルの表示画面で、荷重条件、拘束条件を入力する面、線、点などを、マウスのクリックすれば、条件入力が可能である。また、材料として鋼を入力する。これにより、解析条件入力部107は、鋼のヤング率、ポアソン比などの部材固有の属性を、データベースより取得することができる。なお、解析モデルを構成する各部材に対して、それらの材料をそれぞれ入力することも可能である。また、構造解析実行に必要なメッシュ生成のためのサイズを入力する。以上により、解析に必要な諸条件を入力する。解析条件入力部107は、入力した情報を取得し、データベースに記憶する。
In S7, analysis conditions necessary for the structural analysis are input. An example of the analysis condition input screen is shown in FIG. The analysis
つぎに、フェーズ3について説明する。フェーズ3は、フェーズ1で生成された三次元CADモデルを初期状態、フェーズ2で入力された最適化計算条件、解析条件に従って構造解析を行い、その結果を、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm、図中GAと表記)を利用して反復計算をすることで最適化計算を実行し、最良の三次元CADモデルを算出する。
Next,
S8では、三次元CADモデルを生成する。三次元CAD形状生成部105は、データベースから反復回数情報を取得する。反復回数が1の場合は、フェーズ1で生成された三次元CADモデルを取得する。反復回数が2以降の場合は、データベースから設計変数情報を取得し、設計変数情報に記載された情報に従って、各部材のH形鋼の高さや幅の寸法値を変更したり、H形鋼をL形鋼やT形鋼に置き換えたりして、新たな三次元CADモデルを生成し、データベースに記憶する。
In S8, a three-dimensional CAD model is generated. The three-dimensional CAD
S9では、解析モデルを作成する。解析モデル作成部108は、S8で生成した三次元CADモデルを、データベースより取得し、解析モデルを作成する。解析モデル作成部108は、S7で入力された解析条件情報を取得し、入力された拘束条件、荷重条件、材料条件の設定、入力されたメッシュサイズに従って計算領域をメッシュ生成し、データベースに記憶する。
In S9, an analysis model is created. The analysis
S10では、構造解析を実行する。解析部109は、データベースより解析モデルを取得し、構造解析を実行し、解析結果をデータベースに記憶する。
In S10, structural analysis is executed. The
S11では、解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズム(GA)を利用して最適化計算する。最適計算制御部110は、S10で実行した構造解析の結果をデータベースより取得する。さらにS6で入力された最適化問題設定で入力された情報を、データベースから取得する。最適計算制御部110は、目的関数である質量が最小となっており、かつ制約条件である最大変位が0.5mm以内である、またはS6で入力された最大世代数50を超えていれば反復計算を終了してS12に進む。そうでなければ、遺伝的アルゴリズム(GA)を利用して交叉・突然変異を実施し、次の世代の新集団40個を生成すべく設計変数を決定し、設計変数の情報および反復回数をデータベースに記録してS8に戻る。
In S11, the analysis result is evaluated, and optimization calculation is performed using a genetic algorithm (GA). The optimal
S12では、最適計算結果を表示する。最適結果表示部111では、S11までに得られた最も良い結果の三次元CADモデルをデータベースから取得し、S1で入力された均質化法で出力されたが概略形状をデータベースから取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する。図17にS1で入力した概略形状と、S11までに得られた最良の三次元CADモデルを表示した結果比較画面の一例を示す。本図に示すように、操作者にそれぞれの構造の違いを認識できるようにし、それぞれの構造解析結果を表示することで性能も把握できる。
In S12, the optimum calculation result is displayed. In the optimum
本実施例では、概略形状から三次元CADモデルを生成する際、H形鋼を用いたが、L形鋼など、他の形状の部材を利用することは可能である。中立線の情報から三次元CADモデルを生成する際に、データベースからH形鋼を取得するのではなく、L形鋼を取得して作成すればよい。 In this embodiment, when generating a three-dimensional CAD model from a schematic shape, an H-shaped steel is used. However, other shapes such as an L-shaped steel can be used. When generating a three-dimensional CAD model from neutral line information, an L-section steel may be acquired and created instead of an H-section steel from a database.
本実施例では、各部材において、H形鋼からL形鋼に部材を変更しているが、任意の箇所のH形鋼を削除するような、部材の有無も最適化計算に含めることは可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、X線CTスキャナから生成されたボクセル形状を概略形状とすることも可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、密度法による最適化計算結果を概略形状とすることは可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、ボクセル画像を概略形状とすることは可能である。 In this embodiment, the members are changed from H-shaped steel to L-shaped steel in each member, but it is possible to include the presence or absence of members in the optimization calculation, such as deleting the H-shaped steel at any location. It is. In the present embodiment, the optimization calculation result by the homogenization method is input as the approximate shape, but the voxel shape generated from the X-ray CT scanner can also be set as the approximate shape. In the present embodiment, the optimization calculation result by the homogenization method is input as the approximate shape, but the optimization calculation result by the density method can be set to the approximate shape. In this embodiment, the optimization calculation result by the homogenization method is input as the approximate shape, but the voxel image can be approximated.
上述の手順(手段)は、通常、コンピュータを機能させるためのプログラムとして実施するものである。また、このプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明による三次元形状最適化装置に含まれる。 The above-described procedure (means) is usually implemented as a program for causing a computer to function. A computer-readable recording medium in which this program is recorded is also included in the three-dimensional shape optimization apparatus according to the present invention.
101…概略形状入力部、102…平面形状取得部、103…二次元形状生成部、104…中立線・平面生成部、105…三次元CAD形状作成部、106…形状最適化条件入力部、107…解析条件入力部、108…解析モデル作成部、109…解析部、110…最適計算制御部、111…最適結果表示部、112…データベース、113…計算機。
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