JP2010165240A - 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、搭載要件が頻繁に変更される場合であっても流体経路の最適な形状を自動で導出できるようにすることを目的とする。
【解決手段】数値流体計算により目標とする評価指標（暖機特性など）を満足する流体経路（排気マニホールドなど）の最適形状を求める設計支援装置において、流体経路を仮想的に表現した流体経路モデルに対する数値流体計算の結果に基づいて、目標とする評価指標の解析を行う手段を有する。評価指標の解析結果に基づいて、目標とする評価指標が得られるように流体経路モデルの形状を修正する手段を有する。流体経路を内燃機関に搭載する際の制約となる搭載要件を取得する手段を有する。搭載要件に基づいて、流体経路モデルと当該流体経路モデルの搭載制約物との干渉の有無を判定する手段を有する。そのような干渉が認められる場合に、干渉を回避するための流体経路モデルの変形量を算出する手段を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の排気マニホールド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、ＣＡＤ装置を用いた製品設計において、部品同士が干渉している場合の干渉回避を支援することを目的とした設計支援装置および設計支援方法が開示されている。この従来の技術では、指定された移動対象部品と残余の部品との各位置データを相互に比較して、各部品間の干渉の有無が判定されるようになっている。そして、この判定結果に基づいて、干渉量算出部によって、干渉箇所数、干渉領域の大きさ、および設計変更指数が干渉量として算出され、出力装置に出力されるようになっている。このような従来の技術によれば、利用者は、出力された干渉量を参照して、干渉回避を行うことができるようになる。

特開２００３−２２３４８０号公報 特開２０００−１３７７４０号公報 特開２００７−２９９０７５号公報 特開２００７−２４９８８８号公報

ところで、従来より、形状設計において多くの時間を必要とする実機評価の回数削減を狙い、数値流体計算（ＣＦＤ）によって形状の流れ場を把握することで形状の評価を行い、製品形状を確立するという試みが行われている。そのためには、ＣＦＤ評価を行うために形状をＣＡＤで作成し、その都度メッシュモデルを作成し、評価する必要がある。これに対し、メッシュ自体をモーフィングによって形状変更することで、ＣＡＤに戻らずに短時間でメッシュモデルを自動的に取得することができる。このような自動処理と最適化処理とを組み合わせることで、最適な形状を導出する最適化手法が知られている。

上記最適化手法の評価対象の一例として、内燃機関の排気マニホールドを取り上げると、先ずエンジン出力の目標値が定まり、それから排気マニホールドを含む各部品の設計が行われることになる。この場合、他の部品の諸元が全く定まっていない状態等から排気マニホールドの設計を開始しなければならない状況が生じたり、他の部品の開発の進み度合いに合わせて排気マニホールドの設計を進めていく必要が生じたりするなど、開発フェーズに応じてその都度設計をやり直す必要が生ずることがある。その結果、排気マニホールドの最適な諸元を算出するに当たり、頻繁に変わる搭載要件に応じて、その都度最適化を実施しなければならないという問題が生ずる。

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、搭載要件が頻繁に変更される場合であっても流体経路の最適な形状を自動で導出できるようにした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、設計支援装置であって、
数値流体計算により目標とする評価指標を満足する流体経路の最適形状を求める設計支援装置であって、
前記流体経路を仮想的に表現した流体経路モデルに対する前記数値流体計算の結果に基づいて、目標とする前記評価指標の解析を行う解析実行手段と、
前記評価指標の解析結果に基づいて、目標とする前記評価指標が得られるように前記流体経路モデルの形状を修正するモデル形状修正手段と、
前記流体経路を内燃機関に搭載する際の制約となる搭載要件を取得する搭載要件取得手段と、
前記搭載要件に基づいて、前記流体経路モデルと当該流体経路モデルの搭載制約物との干渉の有無を判定する干渉有無判定手段とを備え、
前記モデル形状修正手段は、前記干渉が認められる場合に、前記干渉を回避するための前記流体経路モデルの変形量を算出する変形量算出手段を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記変形量に基づく変形後の前記流体経路モデルが製造要件を満たすか否かを判定する製造要件判定手段を更に備え、
前記モデル形状修正手段は、前記製造要件を満たさないと判定された場合に、前記搭載要件を満たしつつ前記製造要件を満たす形状となるように、前記流体形状モデルの形状を修正する第２モデル形状修正手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、新規で搭載要件の変更があった場合や、最適化の実行中に流体経路と搭載制約物との干渉が発生した場合に、最適化を中止したり手動で回避探索を考慮したりすることなく、搭載要件を満足した最適化を自動で実現することができる。

第２の発明によれば、頻繁に搭載要件が変更される場合、或いは複雑な搭載要件領域を有する場合であっても、搭載要件および製造要件を満足するモデル形状の最適化が実現可能となる。

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における搭載要件を考慮した流体経路の形状の最適化システムの概要を表した図である。 搭載要件を満足する排気マニホールドモデルの形状最適化の流れを表した図である。 搭載制約αが規定されたブランチ＃１を有する排気マニホールドを表した図である。 スプライン線の定義を説明するための図である。 搭載制約αの回避方向を説明するための図である。 ブランチ＃１と搭載制約αとの間に干渉が認められる状況を表した図である。 搭載制約α等の回避前後の排気マニホールドのブランチ＃１の形状の変化を表した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１における搭載要件を考慮した最適化手法の問題点を説明するための図である。 排気マニホールドモデルのブランチのスプライン線の定義手法を説明するための図である。 制御スプライン点間の勾配率を求める手法を説明するための図である。 設計変数と評価結果との関係を表した図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
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）となる流体経路（ここでは排気マニホールド）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における搭載要件を考慮した流体経路の形状の最適化システムの概要を表した図である。
本最適化システムは、所定の目標（評価指標）に対して、内燃機関への排気マニホールドの搭載を制約する搭載要件を考慮した３Ｄの取り回しを含めて、流体経路の形状の最適化を実行するシステムである。ここでは、内燃機関の排気マニホールドの形状を最適化するための流体解析を行うシステムとして、本最適化システムを適用した例について説明を行うものとする。

本最適化システムでは、最適化の対象となる排気マニホールドの形状を仮想的に表現した排気マニホールドのベースモデル（３Ｄモデル）が取得される。そして、本最適化システムでは、搭載要件を満たしながら上記目標を満足する排気マニホールドの形状を得るために、排気マニホールドモデルの形状を規定する設計変数の変形量が最適化アルゴリズムによって適宜変更されながら探索される（最適化探索）。

また、本最適化システムでは、最適化探索によって探索された設計変数の変形量に応じて、排気マニホールドモデルの形状の補正が実行される。このような形状補正は、公知のモーフィング等の手法によって行うことができる。また、このような形状補正が行われると、本最適化システムでは、３ＤのＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）演算に必要な各種の計算条件等が設定されたうえで、計算ソルバーによって、形状補正後の排気マニホールドモデルの形状を評価するための計算が実行される。

更に、本最適化システムでは、搭載要件が変更された場合には、最新の搭載要件を満たすように最適化探索が実行されるようになっている。以上のような最適化システムの機能によって、目標と搭載要件を満たす排気マニホールドモデルの最適形状が算出されるようになっている。尚、排気マニホールドモデルの最適形状が算出された場合には、当該形状が反映された排気マニホールドの試作品が製作され、実機評価が行われる。

［搭載要件を考慮した最適化探索手法］
次に、図３乃至図８を参照して、実施の形態１における搭載要件を考慮した最適化手法について説明する。
図３は、搭載要件を満足する排気マニホールドモデルの形状最適化の流れを表した図である。図３に示すように、先ず、形状最適化の対象となる流体経路（ここでは、排気マニホールド）の目標値（目標データ）や搭載・組み付け要件が入力される。次いで、これらの要件に基づいて、ベースモデルが参照される。ベースモデルとしては、経験的な知見により設計された形状が参照されても良く、または、データベースより過去の形状を参照しても良い。或いは、排気マニホールドのタイプや構造を指定したうえで、手動でその都度作成されたものでも良い。

次に、搭載要件、または変更条件のある新規搭載要件が３Ｄの制約情報として取り込まれる。３ＤＣＡＤの場合には、表面形状データとして保持され、メッシュモデルの場合には、節点データで取り込むことで３Ｄの座標データとして保持される。

次に、目標に見合う形状とすべく、最適な寸法諸元を最適化アルゴリズムによって探索される。このような最適化探索は、一般的に、１Ｄツールや３ＤＣＦＤ演算による評価結果を基に行うことができる。尚、経験的に手動で最適化を実施するようにしても良い。

上記の処理によって得られた最適寸法をそのまま適用しても、実際には搭載要件を満たすことができない場合が多い。そこで、本実施形態では、上記最適寸法を満たしつつ搭載制約を回避した最適な取り回しを考慮した３Ｄ形状の探索が実施される。

搭載要件は、既述したように、３Ｄの座標情報として取り込まれている。そこで、最適な寸法諸元が満たされることを維持するために、例えば、図３の排気マニホールドを例にとると、排気マニホールドの各枝管（ブランチ）をその長さなどの寸法を保持したまま回転させることで、搭載制約を回避するようにすることができる。このような手法を基に、排気マニホールドのブランチを例に挙げ、自動で最適諸元を保持しつつ搭載制約を回避する手法について説明を行う。

図４は、搭載制約αが規定されたブランチ＃１を有する排気マニホールドを表した図である。また、図５は、スプライン線の定義を説明するための図である。
先ず、３Ｄの搭載制約情報の中から搭載制約αの情報を抽出する処理が行われる。そして、図５に示すように、任意の点数で対象となるブランチ＃１の内部に、ブランチ＃１の中心線となるスプライン線を作成する処理が行われる。この際、例えば、エンジン側のブランチ端部は固定とするといったように、固定領域の情報も考慮して、ブランチ＃１の形状変更領域のみにスプライン点が作成される。

次に、搭載制約αに対して一番近傍にあるスプライン点が制御点として設定される。このような近傍評価としては、搭載制約αの任意点や中心点と各スプライン点との距離で評価することができる。また、図５に示すように、制御スプライン点から任意面、または固定領域面に対して垂線が作成され、これが指定回転軸とされる。

図６は、搭載制約αの回避方向を説明するための図である。
図６に示すように、制御スプライン点の回転軸基準の回転可動領域を把握することができる。また、各種の搭載制約や他気筒などの形状についても、可動制約領域として考慮される。この際、各制約領域＋Ｖandの安全領域が任意で定義される。

次に、対象となる制御スプライン点を基準に変形可能領域が定められる。実際に製造上などの理由で変形させることが困難な領域は判明しているので、変形可能領域は、そのような変形困難な領域以外の領域とされる。或いは、変形可能領域は、任意で定められても良い。

次に、図６に示すように、上記変形可能領域に対して、対象表面（ブランチ＃１の表面）に任意の評価点群が作成される。そして、制御スプライン点から対象表面評価点に向かうベクトルと、制御スプライン点から搭載制約αの座標点に向かうベクトルとが、干渉判定ベクトルＶiとして算出され、ブランチ＃１と搭載制約αとの間の干渉の有無が判定される。例えば、対象表面評価点のベクトル≦搭載制約表面節点＋Ｖandベクトルの場合には、干渉無しであると評価され、対象表面評価点のベクトル＞搭載制約表面節点＋Ｖandベクトルの場合には、干渉が有るので回避が必須であると評価される。

図７は、ブランチ＃１と搭載制約αとの間に干渉が認められる状況を表した図である。
図７に示すように、上記搭載干渉判定において干渉有りとなった場合には、上記のように作成された指定回転軸を基準として任意の回転量Ｒiでブランチ＃１を回転させることによって、上記干渉判定ベクトルＶiのそれぞれの変化量が評価される。このような手法によって、干渉が解消される最小回転量Ｒminが算出される。この最小回転量Ｒminに従ってブランチ＃１を変形することで、最小の変形量で搭載制約αを回避することのできる変形パターンを得ることができる。このような処理をα以外のすべての搭載制約に対しても実行することで、すべての搭載制約を回避した最小の変形パターンが算出される。

図８は、搭載制約α等の回避前後の排気マニホールドのブランチ＃１の形状の変化を表した図である。
図８に示すように、搭載制約α等を回避するために変形された制御スプライン点と、固定領域内のスプライン点との間で、新たなスプライン線が作成される。そして、その新規のスプライン線に（径を保持するなどして）見合うように形状補間が、ＣＡＤやモーフィングなどの形状修正手法によって実施される。

搭載要件がある場合、または新規で搭載要件が追加された場合において、以上説明した処理を実施することで、搭載要件の回避を自動化させることが可能となる。そして、最適化探索を実施しながら上記の干渉評価を随時行うことで、或いは、最適化の実施後に搭載要件が変更されることで再度最適化を行う必要がある場合に上記の干渉評価を随時行うことで、搭載要件を常に満足した最適設計を実現することができる。

［実施の形態１の具体的な処理］
図９は、本発明の実施の形態１のシステムにおける搭載要件を考慮した最適化探索手法を実現するために、ＣＰＵ１４が実行するルーチンのフローチャートである。
図９に示すルーチンでは、先ず、ステップ１００において、形状最適化の対象となる流体経路（ここでは、排気マニホールド）の目標値（暖機特性などの評価指標）が入力されるとともに、製造上の組み付け制約条件を含む排気マニホールドの搭載要件が参照され、定義される。尚、排気マニホールドの場合には、排気マニホールド周辺の他の部品のスペースや内燃機関を車両に搭載する際に排気マニホールドと車体部品との間に必要とされるスペースが、上記搭載要件に該当することになる。

次に、ステップ１０２では、形状最適化の対象となる排気マニホールドのベースモデルが参照・取得される。次いで、ステップ１０４では、搭載制約が３次元の座標系で定義され、保持される。排気マニホールド周辺の他の部品の情報は、一般的にＣＡＤなどで定義されている。このため、ここでは、当該他の部品の形状情報は、寸法データ、表面積、体積などのデータとして保持される。

次に、ステップ１０６からは、実際の最適化探索の実行が開始される。先ず、ステップ１０６では、所定の最適化アルゴリズムに従って設計変数の変形量が探索される。次いで、ステップ１０８では、上記ステップ１０６において算出された設計変数の探索変形量に基づいて、排気マニホールドモデルの形状補正が実施される。３ＤＣＦＤ演算の場合には、モーフィングやＣＡＤ寸法の変更が実施され、１Ｄの場合には、１Ｄ形状表現内の寸法値が変更される。

次に、ステップ１１０では、評価ツールに応じた搭載要件が指定される。より具体的には、１Ｄの場合には１Ｄ用の要件が定義され、３Ｄの場合には３Ｄ用の要件が定義される。また、製造上を考慮すると搭載上の制約となる部品等の形状をそのままで搭載要件とするのではなく、任意領域分を更に広げて確保しておいた方が良い。よって、ここでは、任意指定の領域分Ｖandが指定される。

次に、ステップ１１２では、評価対象である排気マニホールドモデルに対して、上記図５に示すようにスプライン線・点が定義され、搭載要件を基に制御スプライン点が規定される。また、搭載要件から排気マニホールドモデルの形状の固定領域が判明するので、制御スプライン点から指定回転軸が定義される。

次に、ステップ１１４では、上記搭載要件についての干渉判定ベクトルＶiとして、制御スプライン点から対象表面評価点に向かうベクトルと、制御スプライン点から搭載制約αの座標点に向かうベクトルとが取得される。

次に、ステップ１１６では、上記ステップ１１４において取得された干渉判定ベクトルＶiに基づいて、排気マニホールドモデルと搭載制約との間の干渉の有無が判定される。その結果、対象表面評価点のベクトル≦搭載制約表面節点＋Ｖandベクトルの場合には、干渉無しであると評価され、対象表面評価点のベクトル＞搭載制約表面節点＋Ｖandベクトルの場合には、干渉が有るので回避が必須であると評価される。

上記ステップ１１６の判定が成立する場合、すなわち、回避必須と判定された場合には、ステップ１１８において、上記の干渉を回避するための回避最小変形値（上記最小回転量と同じ）Ｒminが算出される。具体的には、上記の干渉を回避させるべく制御スプライン点を指定回転軸周りに回転させていき、すべての搭載制約条件に対して上記の干渉が無くなったときの回転量が、回避最小変形値Ｒminとして算出される。

次に、ステップ１２０では、排気マニホールドの入口と出口の固定スプライン点と、上記ステップ１１８における変形後の制御スプライン点とに基づいて、排気マニホールドのスプライン線が再定義される。そして、上記ステップ１０８において、再定義されたスプライン線に基づいて、モデル形状の補間が実施される。

上記ステップ１０８〜ステップ１２０の処理が繰り返し実行されることで、上記ステップ１１６において、干渉無しであると判定された場合には、次いで、ステップ１２２において、搭載制約を回避できる形状に修正された排気マニホールドモデルに基づいて、最適化の目標値（評価指標）を満たす最適形状となるまで、上記ステップ１０６以降の形状の最適化処理が実施される。

上記ステップ１２２における形状評価において、排気マニホールドモデルの最適形状が得られたと判定された場合には、次いで、ステップ１２４において、搭載要件の変更の有無が判定される。その結果、搭載制約の変更が有ると判定された場合には、上記ステップ１０４に戻り、搭載制約が修正されたうえで、上記ステップ１０６以降の処理が実施される。

以上説明した図９に示すルーチンの処理によれば、新規で搭載要件の変更があった場合や、最適化の実行中に排気マニホールドモデルと搭載制約との干渉が発生した場合に、常に最適化を中止したり手動で回避探索を考慮したりすることなく、搭載要件を満足した最適化を実現することができる。また、上記ルーチンの処理によれば、最短距離での搭載制約の回避が常に実施されるので、例えば、１Ｄや経験的に必要最適寸法（長さなど）が判明している場合に、最も影響を与えずに搭載制約の回避を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、形状最適化の実施中に搭載制約判定（干渉有無の判定）を逐次行い、必要に応じてモデル形状の補正を実施するようにしている。しかしながら、本発明は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、最適化探索が完了した後の最適形状に対してのみ、搭載制約を回避するためのモデル形状の補正を実施しても良い。

また、上述した実施の形態１においては、搭載制約に対して最短距離にあるスプライン点を制御点と定めている。しかしながら、本発明は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、任意で定めた点を制御点としても良く、或いは、搭載制約との最短範囲を定めたうえで当該最短範囲内の複数点を制御点としてそれぞれ独立に制御しても良い。

尚、上述した実施の形態１においては、ＣＰＵ１４が、上記ステップ１２２の処理を実行することにより前記第１の発明における「解析実行手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「モデル形状修正手段」が、上記ステップ１０４および１２４の処理を実行することにより前記第１の発明における「搭載要件取得手段」が、上記ステップ１１４および１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「干渉有無判定手段」が、上記ステップ１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「変形量算出手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図１０乃至図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＣＰＵ１４に図９に示すルーチンに代えて後述する図１４に示すルーチン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。

［搭載要件に加え製造要件を考慮した最適化手法］
図１０は、上述した実施の形態１における搭載要件を考慮した最適化手法の問題点を説明するための図である。
図１０（Ａ）は、上述した実施の形態１における搭載要件回避手法によって、搭載要件Ａを回避した後の排気マニホールドモデルの形状を示している。これに対し、図１０（Ｂ）は、搭載要件が複雑に構成された場合の搭載要件Ｂ、Ｃの回避後の排気マニホールドモデルの形状を示している。図１０（Ｂ）に示すように搭載要件が複雑に構成されることで搭載要件の領域指定が複雑化した場合や、または、搭載要件が変更されるにつれ搭載要件の回避処理が何度も実行された場合には、モデル形状のスプライン線が高次多項式化し、図１０（Ｂ）に示すモデル形状のように、直管・曲がり管の組み合わせが複雑になってしまい、製造上困難なモデル形状が導出されてしまう場合がある。

そこで、本実施形態では、以下に示す手法によって、搭載要件に加え製造要件を加味した最適化手法を行うようにした。本実施形態の最適化手法においても、設計を実施する対象（ここでは排気マニホールド）の目標、搭載・組み付け要件を入力する点、ベースモデルを参照する点、搭載要件、または変更条件のある新規搭載要件を３Ｄの制約情報として取り込む点、目標に見合う形状とすべく最適な寸法諸元を最適化アルゴリズムで探索する点、および、最適な寸法諸元を満たすべく搭載制約を回避するよう形状補正を行う点は、上述した実施の形態１における最適化手法と同様である。

図１１は、排気マニホールドモデルのブランチのスプライン線の定義手法を説明するための図である。
図１１に示すように、入口と出口の領域が固定となっている排気マニホールドのブランチ形状の最適化を実施する場合、ブランチ内部の中心線スプラインが搭載制約を回避する際の回避制御線になる。このように排気マニホールドのブランチの場合には、出入口が固定領域なので、制御スプライン点を基にスプライン線を高次多項式で関数化することができる。よって、図１１に示すように、スプライン関数Ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）を取得することができる。

搭載要件を回避したモデル形状を得る際に、スプライン線が高次式化する理由は、搭載要件が複雑であったり、何度も搭載要件が変更されたりすることで、制御スプライン点が多くなってしまい、変極点を多く持つことになるためである。そこで、本実施形態では、スプライン線が高次式化した場合には、以下のような手法で制御スプライン点を再配置することで高次式化を回避するようにしている。

具体的には、先ず、現在のスプライン関数Ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）が高次系のスプライン関数となっているかどうかを判断するために、関数Ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）の次数Ｎが評価指標の１つとして取得される。図１２は、制御スプライン点間の勾配率を求める手法を説明するための図である。製造上厳しくなるのは、制御スプライン点間の間隔が短く、形状の急な勾配が多様に存在する場合である。このため、図１２に示すように、隣接する制御スプライン点間の勾配率（直線補間時の微分値）で閾値が設けられ、この閾値がスプライン関数Ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）の高次系補間を行うか否かを判断するためのスプライン補間判定値とされる。

上記次数Ｎの判定と制御スプライン点間の勾配率の両者を用いて、高次系補間を行うかどうかが判定される。より具体的には、Ｎ次の次数Ｎ＞閾値Ｎsが成立する場合には、高次系とみなされる。また、制御スプライン点間の勾配率（微分）＞閾値ΔＳmが成立する場合には、モデル形状の曲がりが急で製造上困難であると判定される。このような２つの判定結果に基づき、高次系補間判定が実施される。

上記の高次系補間判定によって補間が必要となった場合には、ブランチの取り回しを大きく変更する必要がある。よって、この場合には、最短距離での搭載制約の回避ではなく、距離を長くとった場合の評価が必要となる。図１３は、設計変数と評価結果との関係を表した図である。図１３に示すように、制御スプライン点近傍領域の形状変形に対する感度評価結果から評価判定が行われる。感度評価結果は、最適化評価により算出された結果がデータベースとして保持され、設計変数の変形量と評価項目（評価１、評価２）の変化勾配から感度が定められるようになっている。

そして、感度勾配＞任意の閾値Ｓpとなる場合、すなわち、例えば、図１３（Ｂ）中の設計変数βのような場合には、ブランチの取り回しを大きく変えることを許容してしまうと、評価項目の結果に大きな影響を出してしまう。よって、設計変数感度の低い側の制御スプライン点に対して、制御スプライン点間の勾配率が閾値ΔＳm以下になるまでブランチの取り回しの距離を変化させ、かつ、搭載要件を回避する位置にまで取り回し位置の変化を許すことで高次かつ製造上困難な形状から回避する処理が行われる。一例としては、図１２の場合には、設計変数β側の制御スプライン点を固定し、かつ、設計変数α側の制御スプライン点を変化させ、勾配率が閾値Ｓm以下かつ搭載要件を満足する位置までブランチの取り回しを大きく回避させる処理が行われる。このような処理によれば、例えば、ブランチの上流側でモデル形状を補正することにした結果として評価項目値が悪化してしまう場合には、ブランチの下流側でモデル形状を補正して対処するようにすることで、設計変数の変更に対する評価項目値の感度への影響を最小としつつ、高次系補間（高次形状補正）を実施することができる。

更に、上記の勾配が余りに大きい場合（制御スプライン点同士が近い場合）、または、次数Ｎを下げて高次形を除外したい場合（変極点を任意数以下で制御したい場合）には、上述した高次系補間の手法では対処しきれない場合がある。そのような場合には、制御スプライン点を間引くことで対処することが好ましい。例えば、図１２に示す例の場合には、勾配が急と判定された制御スプライン点間の中点を新規の制御スプライン点として、スプライン線補間の制御点とすることが好ましい。このような手法によって、元の２つの制御スプライン点をスプライン線補間に用いずに、上記の新規の制御スプライン点を基に最短距離での搭載要件の回避を行うことで、高次かつ製造上困難な形状から回避することができる。

［実施の形態２の具体的な処理］
図１４は、本発明の実施の形態２のシステムにおける搭載要件および製造要件を考慮した最適化探索手法を実現するために、ＣＰＵ１４が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図１４において、実施の形態１における図９に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１４に示すルーチンにおいても、上記図９に示すルーチンと同様に、先ず、ステップ１００〜１１２の処理が実行される。また、本ルーチンでは、モデル形状と搭載制約との干渉判定を行う処理を、ステップ２００として総称しているが、このステップ２００の処理は、上記図９に示すルーチンにおけるステップ１１４〜１２０の処理と同様である。すなわち、本ステップ２００では、上記の２つの干渉判定ベクトルＶiのベクトル差分に基づいた干渉判定が実施される。そして、干渉が認められる場合には、上述した最短距離での回避手法によってモデル形状の補正が行われる。

以上のステップ１００〜１１２および１２０の処理によって搭載要件を満足する形状を得ることができる。更に、本ルーチンでは、ステップ２０２以降の処理によって、製造上困難な要件の補正が行われる。先ず、ステップ２０２では、上記ステップ１１２において定義されたスプライン線の関数Ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）および次数Ｎが算出される。

次に、ステップ２０４では、各制御スプライン点間における変化率（勾配率）が算出される。次いで、ステップ２０６では、高次判定および勾配判定が実行され、これにより、高次多項式形式が判定される。より具体的には、次数Ｎが閾値Ｎs以上で、かつ勾配率が閾値ΔＳm以上となる制御スプライン点を有する形状は、急な勾配を持ち、曲がりの厳しい形状であるので、制御スプライン点の補正が必要であると判定される。

上記ステップ２０６において、制御スプライン点の補正が必要であると判定された場合には、次いで、ステップ２０８において、補正用の制御スプライン点を決定するために、形状最適化の実施結果を用いた設計変数の感度評価が実行される。具体的には、最適化の実施で得られた設計変数の変形量の感度から制御スプライン点の移動による評価項目感度が算出される。

次に、ステップ２１０では、感度評価影響が判定される。具体的には、閾値Ｓp以上の感度を持つ制御スプライン点で補正が行われると評価項目（最適化の評価指標）への影響が大きくなる。このため、本ステップ２１０では、評価項目感度が上記閾値Ｓp以上であるか否かが判断される。その結果、評価項目感度が上記閾値Ｓpより小さい場合には、ステップ２１２において、感度影響の小さな制御スプライン点が補間制御点に指定される。

次いで、ステップ２１４では、高次形状補正として、上記ステップ２１２で指定された補間制御点の周辺のスプライン点が固定された状態で、補間制御点の回転させる補正が実行される。これにより、制御スプライン点間の勾配率が上記閾値ΔＳm以下で、かつ搭載要件を満足する最短位置が算出され、モデル形状が補正される。

一方、上記ステップ２１０において、評価項目感度が上記閾値Ｓp以上であると判定された場合には、ステップ２１６において、制御スプライン点の変更補間が実行される。具体的には、本ステップ２１０では、上記ステップ２１２で指定された補間制御点と勾配率の大きい周辺スプライン点との中点が、新規のスプライン点とされ、この中点作成時に制御スプライン点が間引かれることで、変極点が削減（次数Ｎが削減）される。

次に、ステップ２１８では、上記ステップ２１６で作成された新規のスプライン点に基づいて、高次かつ製造上困難な形状から回避するための補正が実施され、感度への影響が最小で、かつ変形距離が最短の制御スプライン点を利用して、形状補正がなされる。上記ステップ２１０〜２１４の処理の手法では、変極点の数を変えずにより滑らかに補正する手法である。このような処理では、急な曲がりが存在することで補正しきれないような場合、または変極点を指定数以下にしたい場合が存在する。これに対し、ステップ２１６および２１８の処理によれば、そのような問題を回避しつつ、良好に制御スプライン点を修正することができる。

次に、上記ステップ２０６の判定が不成立であった場合、または、上記ステップ２１４もしくは２１８の処理が実行された場合にには、ステップ２２０において、搭載要件および製造要件をともに満足する形状に対して、モデル形状の最適化評価が実施される。その結果、モデルの最適形状が得られたと判定された場合には、本ルーチンの処理が終了され、一方、モデルの目標値が未達である場合には、上記ステップ１０６に戻り、再度最適化探索が実施される。

以上説明した図１４に示すルーチンの処理によれば、頻繁に搭載要件が変更される場合、或いは複雑な搭載要件領域を有する場合であっても、搭載要件および製造要件を満足するモデル形状の最適化が実現可能となる。また、製造上困難な形状を除外した最適形状のみを算出することが可能となるので、より実用的な評価を行うことができるようになる。

ところで、上述した実施の形態２においては、形状最適化の実施中の結果を基に感度評価を実施した値に基づいて、制御スプライン点の補間条件を算出するようにしている。しかしながら、本発明は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、データベースによる過去の検討結果に基づいて上記補間条件を算出しても良く、或いは、そのような補間条件を経験的に予め定式化しておいても良い。

また、上述した実施の形態２においては、スプライン線の曲がりを制御スプライン点間の勾配率として考慮するようにしている。しかしながら、本発明は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、曲がり管の曲率を指定しても良い。

尚、上述した実施の形態２においては、ＣＰＵ１４が、上記ステップ２０２〜２０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「製造要件判定手段」が、上記ステップ２０８〜２１８の処理を実行することにより前記第２の発明における「第２モデル形状修正手段」が、それぞれ実現されている。

１０ コンピュータ
１２ 入力装置
１４ ＣＰＵ
１６ 出力装置
１８ 記憶装置

Claims (2)

1. 数値流体計算により目標とする評価指標を満足する流体経路の最適形状を求める設計支援装置であって、
   前記流体経路を仮想的に表現した流体経路モデルに対する前記数値流体計算の結果に基づいて、目標とする前記評価指標の解析を行う解析実行手段と、
   前記評価指標の解析結果に基づいて、目標とする前記評価指標が得られるように前記流体経路モデルの形状を修正するモデル形状修正手段と、
   前記流体経路を内燃機関に搭載する際の制約となる搭載要件を取得する搭載要件取得手段と、
   前記搭載要件に基づいて、前記流体経路モデルと当該流体経路モデルの搭載制約物との干渉の有無を判定する干渉有無判定手段とを備え、
   前記モデル形状修正手段は、前記干渉が認められる場合に、前記干渉を回避するための前記流体経路モデルの変形量を算出する変形量算出手段を含むことを特徴とする設計支援装置。
2. 前記変形量に基づく変形後の前記流体経路モデルが製造要件を満たすか否かを判定する製造要件判定手段を更に備え、
   前記モデル形状修正手段は、前記製造要件を満たさないと判定された場合に、前記搭載要件を満たしつつ前記製造要件を満たす形状となるように、前記流体形状モデルの形状を修正する第２モデル形状修正手段を含むことを特徴とする請求項１記載の設計支援装置。

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