JP2014149733A - 形状最適化解析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外力、特に衝突力を受ける構造体の一部に最適化技術を適用することを可能し、構造体の最適化に資する技術を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状最適化解析方法は、構造体モデル１３に設計空間を設定する設計空間設定ステップと、設計空間に立体要素で構成される最適化ブロックモデル２７を生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデル２７を構造体モデル１３に結合する結合処理ステップと、衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定ステップと、衝突解析条件を設定する衝突解析条件設定ステップと、設定された衝突最適化条件および衝突解析条件に基づいて衝突解析を実行して最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車等の構造体の剛性を高めると共に軽量化を実現したり、衝突特性を向上させると共に軽量化を実現したりするための構造体の形状最適化解析方法及び装置に関する。
なお、本明細書において形状最適化と称する場合には、予め所定形状、例えばＴ字形状を想定し、その形状を前提として最適な形状を求めることではなく、所定の形状を想定することなく、解析条件を満たす最も最適な形状を求めることを意味する。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体の設計にコンピュータ支援工学による解析（以下、「ＣＡＥ解析」という）は欠かせない技術となっている。
このＣＡＥ解析では数理最適化、板厚最適化、形状最適化、トポロジー最適化などの最適化技術を用いることによって剛性の向上や軽量化が図られることが知られており、例えばエンジンブロックなどの鋳物の構造最適化によく用いられている。
最適化技術の中で、特にトポロジー最適化が着目されつつある。
トポロジー最適化はある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた条件を満たし、かつ、必要最小限の立体要素の部分を残すことで当該条件を満たす最適形状とするという方法である。そのため、トポロジー最適化は、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。
このようなトポロジー最適化に関する技術として、複雑な構造体のコンポーネントのトポロジー最適化のための方法が特許文献１に開示されている。

特開２０１０−２５０８１８号公報

自動車等の構造体は主に薄板を用いて構成されており、このような薄板で構成される車体の一部分の最適化をする場合、当該部位を設計空間として独立させ、その設計空間に対して荷重や拘束状態を反映させることは困難であり、それ故に構造体の一部に最適化技術を適用することが難しいという課題があった。
また、立体要素によって最適化形状を求めたとしても、それを薄板構造に適切に反映させるにはいかにするべきかという課題もあった。

特許文献１に開示の技術は数学演算上の手法および解析の物理的システムに関するものであり上記のような課題に対しては何らの解決手段を与えるものではなく、上記課題を解決するための技術の開発が望まれていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、外力、特に衝突力を受ける構造体の一部に最適化技術を適用することを可能し、構造体の最適化に資する技術を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る形状最適化解析方法は、平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化を行う解析方法であって、
前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定ステップと、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係る形状最適化解析方法は、平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化を行う解析方法であって、
前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップとを有し、
前記最適形状決定ステップは、衝突解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果と剛性解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果に基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）又は（３）に記載のものにおいて、前記衝突解析条件設定ステップは、前記構造体モデルに対して予め衝突解析を行って得られた荷重を衝突荷重として設定することを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記材料特性設定ステップは、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素におけるヤング率を前記平面要素におけるヤング率よりも低く設定することを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記材料特性設定ステップは、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素における応力-歪み曲線の応力を、前記平面要素における応力-歪み曲線の応力よりも低く設定することを特徴とするものである。

（７）また、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルを構成する立体要素として、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成したことを特徴とするものである。

（８）また、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルは、前記構造体モデルにおける前記設計空間が設置された周囲の面に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化する前記最適化ブロックモデルを生成することを特徴とするものである。

（９）また、上記（１）乃至（８）のいずれかに記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルは、構造体モデルを構成する平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、最適化ブロックモデルを構成する立体要素として六面体立体要素を用いると共に前記結合部に配置された節点を含む平面に沿うように立体要素を積み上げるように生成することを特徴とするものである。

（１０）また、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルは、立体要素によって構成される複数のブロック体からなり、該複数のブロック体を剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結してなることを特徴とするものである。

（１１）また、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載のものにおいて、数値解析による最適化計算において最適化パラメータで離散化を行うことを特徴とするものである。

（１２）本発明に係る形状最適化解析装置は、平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算を行う形状最適化解析装置であって、
前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定部と、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行する衝突解析部と、該衝突解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とするものである。

（１３）本発明に係る形状最適化解析装置は、平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算を行う形状最適化解析装置であって、
前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部と、該剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とするものである。

（１４）また、上記（１２）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部とを有し、
前記立体要素要・不要演算部は、前記剛性解析部で剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する機能を有し、
前記最適形状決定部は、衝突解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報と、剛性解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報とに基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とするものである。

（１５）また、上記（１２）又は（１４）に記載のものにおいて、前記衝突解析条件設定部は、前記構造体モデルに対して予め衝突解析を行って得られた荷重を衝突荷重として設定することを特徴とするものである。

（１６）また、上記（１２）乃至（１５）に記載のものにおいて、前記材料特性設定部は、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素におけるヤング率を前記平面要素におけるヤング率よりも低く設定することを特徴とするものである。

（１７）また、上記（１２）乃至（１６）のいずれかに記載のものにおいて、前記材料特性設定ステップは、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素における応力-歪み曲線の応力を、前記平面要素における応力-歪み曲線の応力よりも低く設定することを特徴とするものである。

（１８）また、上記（１２）乃至（１７）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルを構成する立体要素を、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成することを特徴とするものである。

（１９）また、上記（１２）乃至（１８）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成部は、前記構造体モデルにおける前記設計空間が設置された周囲の面前に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化する前記最適化ブロックモデルを生成することを特徴とするものである。

（２０）また、上記（１２）乃至（１９）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成部は、構造体モデルを構成する平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、最適化ブロックモデルを構成する立体要素として六面体立体要素を用いると共に前記結合部に配置された節点を含む平面に沿うように立体要素を積み上げるように生成することを特徴とするものである。

（２１）また、上記（１２）乃至（２０）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成部は、前記最適化ブロックモデルを、立体要素によって構成される複数のブロックで構成すると共に該複数のブロックを剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結して生成することを特徴とするものである。

（２２）また、上記（１２）乃至（２１）に記載のものにおいて、前記立体要素要・不要演算部は、数値解析による最適化計算において最適化パラメータで離散化を行うことを特徴とするものである。

（２３）また、上記（１２）乃至（２２）に記載のものにおいて、前記立体要素要・不要演算部は、トポロジー最適化による最適化計算を行うことを特徴とするものである。

本発明においては、構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定ステップと、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことにより、最適化ブロックモデルに構造体モデルとの結合部から衝突力による荷重伝達が適切に行われ、衝突に対する最適の形状を精度よく算出することができる。
これによって、例えば車体構造の最適化が可能になり、衝突特性の向上が可能になり、衝突性能を所定値に保持しつつ軽量化を実現することができる。また、衝突特性の他に、剛性向上も図れる。

本発明の実施の形態１に係る形状最適化解析装置のブロック図である。 構造体モデルの一例の説明図である。 構造体モデルに設計空間を設定した状態の説明図である。 構造体モデルに設定した設計空間に最適化ブロックモデルを組み込んだ状態の説明図である。 最適化ブロックモデルの一例を説明する説明図である。 図５に示した最適化ブロックモデルの内部の様子を説明する説明図である。 構造体モデルに組み込んだ最適化ブロックモデルと構造体モデルとの結合を行った状態の説明図である。 衝突解析条件としての荷重拘束条件を説明する説明図である。 衝突解析条件としての衝突物および衝突箇所を説明する説明図である。 比較例としての単独の最適化ブロックモデルの説明図である。 単独の最適化ブロックモデルの拘束条件の説明図である。 本発明の実施の形態１における形状最適化解析装置の処理の流れを示すフローチャートである。 最適化ブロックモデルの他の態様を説明する説明図である。 最適化ブロックモデルの他の態様の内部の様子を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る形状最適化解析装置の他の態様を説明するブロック図である。 図１５に示した形状最適化解析装置に設定する剛性解析条件の一例について説明する説明図である。 図１５に示した形状最適化解析装置の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における設計空間の説明図である。 本発明の実施の形態２における最適化ブロックモデルの生成方法の説明図である。 本発明の実施の形態２において生成された最適化ブロックモデルを説明する説明図である（その１）。 本発明の実施の形態２において生成された最適化ブロックモデルを説明する説明図である（その２）。 本発明の実施の形態２における最適化ブロックモデルの生成方法の比較例として実施の形態１の方法で最適化ブロックモデルを生成した状態の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態２における最適化ブロックモデルの生成方法の比較例として実施の形態１の方法で最適化ブロックモデルを生成した状態の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態３における最適化ブロックモデルの生成方法の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態３における最適化ブロックモデルの生成方法の説明図である（その２）。

［実施の形態１］
本実施の形態においては、車体のＢピラーの形状を最適化する場合を例に挙げて説明する。
図１に示すとおり、本実施の形態に係る形状最適化解析装置１は、図２に一例を示す平面要素または、平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデル１３の一部分の形状の数値解析による最適化計算を行う装置であり、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）によって構成され、表示装置３と入力装置５と記憶装置７と作業用データメモリ９および演算処理部１１を有している。
また、演算処理部１１には、表示装置３と入力装置５と記憶装置７および作業用データメモリ９が接続され、演算処理部１１の指令によって各機能を行う。

＜表示装置＞
表示装置３は計算結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。

＜入力装置＞
入力装置５は構造体モデル１３のファイルの表示指示、操作者の条件入力などに用いられ、キーボードやマウス等で構成される。

＜記憶装置＞
記憶装置７内には、少なくとも、構造体モデル１３のファイルなどの各種の情報が格納される。構造体モデル１３は、平面要素のみによって構成されたものでもよいし、あるいは平面要素と立体要素の組合せによって構成されたものでもよい。例えば、構造体モデル１３の例として図２に示すような車体（ボディ）を例に挙げると、車体は主に薄鋼板によって形成されることから平面要素によって構成される。また、例えばエンジンのような鋳物で形成されるブロック体のようなものは立体要素で構成される。

＜作業用データメモリ＞
作業用データメモリ９内には、計算結果を記憶するデータ記憶領域９ａと、計算処理を行うための作業領域９ｂを有している。

＜演算処理部＞
演算処理部１１はＰＣのＣＰＵによって構成され、以下に説明する各部はＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって実現される。
演算処理部１１には、構造体モデル１３の一部に図３に一例を示す最適化の対象となる部分を設計空間２５として設定する設計空間設定部１５と、設定された設計空間２５に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部１７と、生成された最適化ブロックモデル２７を構造体モデル１３に結合する処理を行う結合処理部１８と、最適化ブロックモデル２７に材料特性を設定する材料特性設定部１９と、構造体モデル１３に衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定部２０と、構造体モデル１３が結合された最適化ブロックモデル２７（図４参照）に衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定部２1と、設定された衝突最適化条件および衝突解析条件に基づいて最適化ブロックモデル２７に対して衝突解析を実行する衝突解析部２２と、該衝突解析を行う際に最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部２３と、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定部２４を備えたことを特徴とするものである。
各部の構成を詳細に説明する。

〔設計空間設定部〕
設計空間設定部１５は、構造体モデル１３の一部に最適化の対象となる部分を設計空間２５として設定する。図２に示した構造体モデル１３においては、車体の右側のＢピラーの部分を囲む部位が示されているが、この例では当該部位が設計空間２５を設定する部位である。
設計空間設定部１５よって構造体モデル１３の一部に設計空間２５が設定されると、図３に示すように、当該部位における構造体モデル１３の一部が削除され、削除された部位が設計空間２５となる。図３（ｂ）は、設計空間２５を設定した状態を図３（ａ）と異なる角度から見た状態を示している。

なお、上記の例は、設計空間設定部１５が、構造体モデル１３における一部を削除することによって設計空間２５を設定する場合であるが、構造体モデル１３を生成する際に、予め設計空間２５を設定するようにしてもよい。構造体モデル１３を生成する際に予め設計空間２５を設定する場合には、構造体モデル１３生成部自体が設計空間設定部１５を兼ねることになる。つまり、本発明の設計空間設定部１５は、構造体モデル１３生成機能を備えたものであってもよい。

〔最適化ブロックモデル生成部〕
最適化ブロックモデル生成部１７は、設定された設計空間２５に最適化の解析処理を行うための最適化ブロックモデル２７を生成する。
生成される最適化ブロックモデル２７は、設定された設計空間２５に入る大きさで任意の形状にすることができる。
また、最適化ブロックモデル２７は、立体要素で構成され、当該立体要素は五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成するのが好ましい。この理由は、設計空間２５に形成される部位が車体の一部のように薄板で形成される場合には、最適化ブロックモデル２７で最適化の計算を実行した場合に、薄板の構造体形状に反映できるように最適形状が算出されることが望ましい。この点、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素を用いることで、このような要求を満たしやすくなるからである。また、五面体以上の立体要素も均一なサイズのものを配置することで、最適化の精度を上げるようにするのが好ましい。

図４にはＩ字状の最適化ブロックモデル２７を生成したものが示されており、また、本例で用いた立体要素は、図５に示すように、六面体を用いたものである。
図６は、図５に示した最適化ブロックモデル２７の約１／４の高さにおける内部の様子を表したものである。図６に示すように、内部の要素サイズは、表面の要素サイズに合わせており、各要素サイズに最適化ブロックモデル２７全体において均一になっている。このように要素サイズを細かく均一化することにより、精度の高い解析を行うことができる。

また、最適化ブロックモデル２７は、構造体における設計空間２５が設置された周囲の面に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化するように生成するのが好ましい。例えば、図３に示すように、車体におけるＢピラーが設計空間２５として設定された場合には、図４に示すように、Ｉ字状の最適化ブロック２７を生成し、この最適化ブロック２７の車外側の面が最大面積になっているが、この最大面積となっている面が、車体の側面と平行になるようにする。

最適化ブロックモデル２７をこのように生成する理由は以下の通りである。例えば車体のＢピラーは板材によって形成されるので、最適化ブロックモデル２７で最適化の計算を実行した場合に、立体要素が面状に残るような計算結果が望ましく、上記のようなモデル構成にすることで、計算結果が面状に残る可能性が高くなり、実際のものに利用価値が高くなるからである。

〔結合処理部〕
結合処理部１８は、生成された最適化ブロックモデル２７を、車体の他の部位である構造体に結合する処理を行う。結合には、剛体要素、板要素または梁要素を用いる。
最適化ブロックモデル２７と構造体との接合は、構造体モデル１３（車体）から最適化ブロックモデル２７に正確に荷重を伝達させるため、設計空間２５として削除した部位と構造体モデル１３（車体）との元の接合箇所を反映させるようにするのが好ましい。また、構造体モデル１３（車体）の切断面全面で最適化ブロックモデル２７に結合する。
図７には、結合部２９が白線で示されている。

〔材料特性設定部〕
材料特性設定部１９は、最適化ブロックモデル２７にヤング率や比重、降伏強度や引張強度を表す応力−ひずみ曲線などの材料特性を設定する。
立体要素は衝突に対して、平面要素よりも変形しにくい。そのため、解析対象となるモデルが立体要素と平面要素とが結合されて構成されている場合、平面要素で構成される箇所が大きく変形して、実態と異なる解析結果になる場合がある。
例えば、最適化ブロックモデル２７と構造体モデル１３との結合部位が平面要素で構成されている場合に、最適化ブロックモデル２７に衝突荷重が付加されると、最適化ブロックモデル２７よりも結合部位の箇所が大きく変形して、実態と合わない。
そこで、上記のように構造体モデル１３における最適化ブロックモデル２７が結合された部位が平面要素で構成されている場合には、最適化ブロックモデル２７の立体要素におけるヤング率を、平面要素におけるヤング率よりも低く（例えば半分以下）設定する。このようにすることで、変形の偏りがなくバランスの良い解析を行うことができる。また、最適化ブロックモデル２７の立体要素における応力−ひずみ曲線の応力を、平面要素における応力−ひずみ曲線の応力よりも低く設定しても、変形の偏りがなく、バランスの良い解析を行うことができる。

〔衝突最適化条件設定部〕
衝突最適化条件設定部２０は構造体モデル１３に衝突に関する最適形状を求めるための衝突最適化条件を設定する。衝突最適化条件には、目的条件と制約条件の２種類がある。
目的条件は、構造体モデルの目的に応じて設定される条件であり、例えば、ひずみエネルギーを最小にする、発生応力を最小にする、吸収エネルギーを最大にする等がある。目的条件は１つだけ設定する。
制約条件は、最適化解析を行う上で課す制約であり、例えば、最適化前の最適化ブロックモデル２７の体積に対して最適化後の最適化ブロックモデル２７の体積比率である材料体積率、任意の部分の変位等がある。制約条件は複数設定可能である。

〔衝突解析条件設定部〕
衝突解析条件設定部２1は、構造体モデル１３の拘束位置や衝突荷重を付加する位置等、衝突解析を行うための条件を設定する。
例えば、車体のＢピラーに車体の側方から他の車のバンパーが衝突するような解析を行う場合には、他の車のバンパーに相当するバンパーモデル２８を作成し、バンパーモデル２８を構造体モデル１３に組み込まれた状態の最適化ブロックモデル２７（Ｂピラー）に（例えば、図８中の白色の四角で示す位置）、図８中の白色の矢印で示す方向に衝突させる条件を設定する（図９参照）。この場合、構造体モデル１３は拘束しない設定とする。
なお、予め構造体モデルに対して衝突解析を行い、その結果得られた荷重を衝突荷重として設定するようにしてもよい。

〔衝突解析部〕
衝突解析部２２は、設定された衝突最適化条件および衝突解析条件に基づいて最適化ブロックモデル２７に対して衝突解析を実行する。
衝突解析には慣性リリーフ法や動的陽解法を用いる。慣性リリーフ法は、宙に浮いた構造物や水上に浮かんでいる構造物など、慣性力と外荷重のつり合いが取れているものに対して行う静解析である。動的陽解法は、既知の物理量に基づいて所定時間経過後の物理量を決める手法を用いて行う動解析である。
従って衝突解析部２２は、例えば市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。

〔立体要素要・不要演算部〕
立体要素要・不要演算部２３は、衝突解析部２２で衝突解析を行う際に最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算する。
各立体要素の要・不要に関する情報としては、例えば、各立体要素の材料密度がある。材料密度は、１．０〜０．０の範囲で設定され、ある立体要素において、材料密度が仮に１．０であればこの立体要素は全体が材料（目的条件に対して必要）であることを意味し、材料密度が０．０であればこの立体要素のある部分は空孔（不要）であることを意味する。
立体要素・不要演算部２３を実行することで、最適化ブロックモデル２７における各立体要素のうち、与えられた衝突最適化解析条件を満たす立体要素については、「要」を意味する情報（例えば、材料密度が０．６以上等）が演算される。

立体要素要・不要演算部２３は、最適化パラメータの離散化を行うのが好ましい。離散化におけるペナルティ係数として２以上または基準となる立体要素のサイズの３〜２０倍を制限にすることが好ましい。
最適化パラメータの離散化を行うことで、薄板の構造体形状に反映することが可能になる。
立体要素要・不要演算部２３としては、トポロジー最適化処理を行うものでもよいし、他の計算方式による最適化処理であってもよい。したがって、立体要素要・不要演算部２３としては、例えば市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。

〔最適形状決定部〕
最適形状決定部２４は、立体要素要・不要演算部２３の演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する。具体的には、例えば、与えられた衝突最適化解析条件を満たさない立体要素（例えば、材料密度が０．６未満である立体要素）を削除する。こうすることで、与えられた衝突最適化解析条件を満たす立体要素（例えば、材料密度が０．６以上）のみで構成される形状が最適形状として残る。なお、このようにして得られた最適形状をスムージング化してもよい。
最適化解析処理を実行することで、最適化ブロックモデル２７における立体要素のうち、与えられた解析条件を満たす最適の形状となる立体要素が残る。

ここで、着目すべき点は、最適化ブロックモデル２７には、結合部２９を介して構造体モデル１３から荷重が伝達されるという点である。つまり、構造体モデル１３から荷重が最適化ブロックモデル２７に伝達されることで、最適化計算の過程において最適化ブロックモデル２７は変形し荷重の向き等が変わるが、その時々の荷重の向き等の荷重条件を反映して、最終的に最適な形状を与える点である。

この点を、比較例を示して詳細に説明する。
図１０は、図４に示したＩ字状の最適化ブロックモデル２７を、構造体の設計空間２５に組み入れるのではなく、単体のモデルとしたものである。図１１は図１０に示したモデルに対して、図７に示した結合部２９と同一の箇所について拘束条件を設定して拘束部３１としたものである。図１１に示した拘束部３１を拘束して、上述したような構造体モデル１３に組み入れた場合と同様の解析条件によって最適化処理解析を行った。

その結果、最適化ブロックモデル２７を単体で取出して最適化の処理を行うのと、構造体モデル１３の中に最適化ブロックを組み入れて処理を行うのとでは全く異なる形状になった。そして、このような形状の違いが例えば衝突性能向上率において異なる結果となる。従って、本発明で構造体モデルに最適化ブロックモデルを結合することは最適化ブロックモデルを単に拘束するだけでなく、荷重を伝達させることで、実用上活用可能な最適形状を求めることを可能にしたわけである。
この点は、後述する実施例で詳細に説明する。

次に、上記のように構成される形状最適化解析装置１を用いて実際に解析を実行する際の処理の流れを、図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、以下に説明する処理は、操作者が入力装置５を通じてＰＣに指示することによって、ＰＣにおける演算処理部１１の各機能が処理を実行するものである。
操作者が、構造体モデル１３のファイル読み出しを入力装置５によって指示することで、構造体モデル１３が記憶装置７から読みだされ、表示装置３に表示される（Ｓ１）。
操作者は、表示された構造体モデル１３において、最適化処理の対象となる設計空間２５を設定する。具体的には、構造体モデル１３において設計空間２５とする部位の座標を指定して、当該部位の要素を削除する指示を行う。この指示がなされることで、計空間設定部１５が当該部位の要素を削除する処理を行い、設計空間２５が設定される（Ｓ３）。

設計空間２５が設定されると、操作者は設計空間２５に入る大きさの最適化ブロックモデル２７の生成を最適化ブロックモデル生成部１７に指示する。
指示としては、設計空間２５におけるどの面を基準にして最適化ブロックモデル２７を生成するかという指示を含む。例えば、図４（ｂ）および図５（ａ）に示す最適化ブロックモデル２７を生成するような場合では、最適化ブロックモデル２７における前後方向の面を基準にして最適化ブロックモデル２７を生成するという指示を与えると、最適化ブロックモデル生成部１７が前記面を車体の前後方向に押し出すことによってメッシュ化された最適化ブロックモデル２７を生成する（Ｓ５）。

最適化ブロックモデル２７が生成されると、操作者が最適化ブロックモデル２７と構造体モデル１３の結合を指示する。指示には、結合要素として、剛体要素、板要素または梁要素のいずれの要素を用いるかを含む。
結合処理部１８は、指示を受けて、最適化ブロックモデル２７と構造体の結合を行う（Ｓ７）。

結合処理が完了すると、操作者は、最適化解析条件を設定する（Ｓ９）。最適化解析条件としては、前述したように、ひずみエネルギーを最小にする、吸収エネルギーを最大にする等の目的条件、および材料体積率等の制約条件を入力する。
操作者は次に、最適化ブロックモデル２７に衝突させる衝突物（例えば、他の車のバンパーモデル２８等）や、衝突荷重を加える位置などの衝突解析条件を設定する（Ｓ１０）。

次に、立体要素要・不要演算部２３は、上記設定された衝突最適化条件および衝突解析条件に基づいて最適化ブロックモデル２７に対して衝突解析を実行して、最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算によって求める（Ｓ１１）
次に、最適形状決定２４は、上記して求められた要・不要に関する情報に基づいて、衝突に関する最適形状を決定する（Ｓ１３）

操作者は、最適化計算によって得られた形状モデルを作成し、当該モデルに基づいて他の構造解析計算により剛性の確認を行う。

以上のように本実施の形態では、最適化の対象となる部位を構造体モデル１３の中に設計空間２５を設定し、設定された設計空間２５に最適化ブロックモデル２７を生成し、当該最適化ブロックモデル２７を構造体モデル１３に結合して衝突解析を実行するようにしたので、最適化ブロックモデル２７に構造体モデル１３との結合部２９から荷重伝達が適切に行われ、最適の形状を精度よく算出することができる。
これによって、例えば車体構造の最適化が可能になり、衝突特性の向上が可能になり、衝突性能を所定値に保持しつつ軽量化を実現することができる。

なお、上記の説明では、最適化ブロックモデル２７を構成する立体要素として図５に示すような六面体を例にあげ、その他の立体要素として、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成するのが好ましい旨を説明した。
しかし、本発明は、最適化ブロックモデル２７を構成する立体要素として、図１３に示すような四面体を用いる場合を排除するものではない。ただ、四面体要素を用いる場合は、設計空間２５の外形のみ作成し内部は自動的に埋めるようにしてモデル生成することが可能になるが、立体要素の形状として三角形からなる３面の先端が隣り合う部位に尖りを有するものになるため薄板の構造体に反映しにくいという問題がある。

図１４は、四面体要素で構成した最適化ブロックモデル２７の約１／４の高さにおける内部の様子を表したものである。図１４（ａ）は、内部の要素サイズを表面の要素サイズに合わせて、最適化ブロックモデル２７全体で均一な要素サイズになるように生成した場合のものである。このように全体の要素サイズを表面の要素サイズに合わせて細かくすることにより、精度の高い解析を行うことができる。
なお、要素のサイズは上記のように均一なものでなくともよい。例えば、図１４（ｂ）に示すように、表面から内部にかけて要素サイズが徐々に大きくなるように（グラデュアルに）生成してもよい。

なお、上記の説明では、衝突に関する最適化を行う場合について説明したが、さらに剛性を考慮して、衝突および剛性に関する最適化を行うようにしてもよい。
この場合、形状最適化解析装置４１は、図１５に示すように、形状最適化解析装置１の構成に加えて、最適化ブロックモデル２７に剛性に関する最適形状を求めるための条件（目的条件、制約条件）を設定する剛性最適化条件設定部４３と、最適化ブロックモデル２７が結合された構造体モデル１３に剛性解析を行うための条件（荷重拘束条件）を設定する剛性解析条件設定部４５と、設定された剛性最適化条件および剛性解析条件に基づいて最適化ブロックモデル２７に対して剛性解析を実行する剛性解析部４７とを有するようにする。なお、図１５において、形状最適化解析装置１と同様のものには同一の符号を付している。

剛性最適化条件設定部４３では、衝突最適化条件入力部２０と同様に、目的条件と制約条件を入力する。目的条件としては、剛性を最大にする、変位を最小にする、応力を最小にする等がある。制約条件としては、材料体積率、任意の部分の変位等がある。
剛性解析条件設定部４５では、例えば、構造体モデル１３に捩じるような荷重が作用する際における最適化ブロックモデル２７の最大剛性を計算するような場合には、図１６に示すように、車体の４箇所（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を設定して、このうちの３カ所を拘束し、残りの１カ所に荷重を付加するような条件とする。

さらに、形状最適化解析装置４１の立体要素要・不要演算部２３は、剛性解析部４７で剛性解析を行う際に最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算する機能を有している。従って、立体要素要・不要演算部２３は、衝突解析部２２で衝突解析を行う際および、剛性解析部４７で剛性解析を行う際の両方で、それぞれ最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算する。

そして、さらに、最適形状決定部２４は、衝突解析を行う際に演算した各立体要素の要・不要に関する情報と、剛性解析を行う際に演算した各立体要素の要・不要に関する情報とに基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を総合的に決定するようにする。
例えば、各立体要素の要・不要に関する情報が各立体要素内の材料密度である場合、衝突解析に用いた最適化ブロックモデル２７と、剛性解析に用いた最適化ブロックモデル２７との対応する立体要素毎に、材料密度の平均値を求め、該平均値に基づいて削除する要素を決定する。こうすることで、衝突解析の結果と剛性解析の結果に基づいて総合的な決定をすることができる。

次に、上記の構成の形状最適化解析装置４１を用いて、解析を実行する際の処理の流れを、図１７に示すフローチャートに基づいて説明する。
Ｓ１〜Ｓ１１までは図１２のフローチャートを用いて説明したものと同一であるのでその説明を省略する。また、Ｓ７で最適化ブロックモデル２７と構造体の結合を行った後、別途、Ｓ９〜Ｓ１１の処理を行っている。
形状最適化解析装置４１は、Ｓ７で最適化ブロックモデル２７と構造体の結合を行った後、最適化ブロックモデル２７に剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する（Ｓ２１）。
次に、最適化ブロックモデル２７が結合された構造体モデル１３に剛性解析を行うための条件を設定する（Ｓ２２）。

次に、上記設定された剛性最適化条件および剛性解析条件に基づいて最適化ブロックモデル２７に対して剛性解析を実行して、最適化ブロックモデル２７における各立体要素の要・不要に関する情報を演算する（Ｓ２３）
その後、Ｓ１１において衝突解析を行って求めた立体要素要・不要演算ステップの演算結果と、Ｓ２３において剛性解析を行って求めた立体要素要・不要演算ステップの演算結果とに基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定する（Ｓ２４）

上述したとおり、形状最適化解析装置４１においては、最適化ブロックモデル２７が結合された構造体モデル１３に対して剛性解析を行うため、最適化ブロックモデル２７に構造体モデル１３との結合部２９から荷重伝達が適切に行われる点は衝突解析の場合と同様である。そのため、構造体モデル１３の各立体要素の要・不要に関する情報を精度よく演算することができる。従って、この情報に基づいて決定される最適形状においても精度が良い。

［実施の形態２］
本実施の形態は、最適化ブロックモデル生成部１７の他の態様に関するものであり、最適化ブロックモデル生成を、構造体モデル１３を構成する平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、最適化ブロックモデル２７を構成する立体要素として六面体立体要素を用いると共に前記結合部に配置された節点を含む平面に沿うように立体要素を積み上げるように行うものである。
以下、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１８は、車体を示す構造体モデル１３のリアサイドメンバの部分に設計空間２５を設定した状態を示している。図１８に示すように、この例では平面要素で構成される構造体モデル１３と最適化ブロックモデル２７の立体要素の結合位置に基準軸面に平行でないものが存在する。このような場合に適用するのが本実施の形態である。
最適化ブロックモデル生成部１７は、図１９に示すように、車体の側面において構造体モデル１３を削除した部位に存在する節点を直線で連結して、最適化ブロックモデル２７を作成するための基準となる基準面３３を板要素で作成する。基準面３３を生成すると、当該基準面３３を車幅方向に、節点共有により一体化しているように押し出しで最適化ブロックモデル２７を生成する。
最適化ブロックモデル２７を生成した状態を図２０、図２１に示す。図２０は生成された最適化ブロックモデル２７の拡大図であり、図２１は最適化ブロックモデル２７に結合部２９を図示したものである。
このように、基準面３３を生成し、この基準面３３を用いて最適化ブロックモデル２７を生成するようにすることで、傾斜部位などが滑らかな直線になるという効果がある。このようにすることで、最適化ブロックモデル２７と構造体モデル１３（車体）との結合状態が滑らかになり、その結果、荷重の伝達が正確になるという効果が得られる。

比較例として、実施の形態１と同様に、事前に基準面３３を生成することなく最適化ブロックモデル２７を生成した例を図２２、図２３に示す。図２２は生成された最適化ブロックモデル２７の拡大図であり、図２３は最適化ブロックモデル２７に結合部２９を図示したものである。図２２、図２３に示す例では、図２０、図２１に比べて傾斜部に段３５が形成されており、滑らかでないことが分かる。

本実施の形態によれば、最適化ブロックモデル２７の形状が斜面を有するような場合であっても、構造体モデル１３（車体）との結合状態が滑らかになり、その結果、荷重の伝達が正確になる。

［実施の形態３］
実施の形態１、２で示した最適化ブロック生成部による最適化ブロックモデル２７の生成は、最適化ブロックモデル２７を単体で形成した例を示したが、最適化ブロックモデル生成部１７は、最適化ブロックモデル２７を、立体要素によって構成される複数のブロックで構成すると共に該複数のブロックを剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結して生成するようにしてもよい。
以下具体的に説明する。

図２４、図２５は本実施の形態の説明図であり、実施の形態２で示した基準面３３を生成する方法を用いると共に複数のブロックで最適化ブロックモデル２７を生成する例である。
まず、設計空間２５に独立した複数の基準面３３ａ、３３ｂを生成し（図２４参照）、まず上部の三角形の基準面３３ａを車の前後方向に押し出して三角柱の部分の上部ブロック２７ａを生成し（図２５（ａ）参照）、基準面３３ｂを車幅方向に押し出して下部ブロック２７ｂを生成し（図２５（ｂ）参照）、生成したブロック同士と、車体とを結合部２９によって結合する（図２５（ｃ）および（ｄ）参照）。
最適化ブロックモデル２７を複数のブロックに分割して生成することで、直方体のような単純形状でない、例えば複雑な形状のブロックや斜面を含むブロックなどからなる設計空間２５においても最適化ブロックモデル２７を生成することが可能になる。
また、最適化ブロックモデル２７を複数のブロックに分割して生成することで、最適化ブロックモデル２７を滑らかな面で形成することができ、構造体モデル１３との接合を滑らかにでき、荷重伝達を正確に行うことができる。
なお、上部ブロック２７ａと下部ブロック２７ｂはどちらを先に生成してもよく、またブロック同士の結合と車体との結合はどちらが先でも構わない。
なお、最適化は節点が共有された空間を対象にするのが基本のため、ブロック結合は結合面積にして２０％以下にするのが好ましい。

１ 形状最適化解析装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
９ａ データ記憶領域
９ｂ 作業領域
１１ 演算処理部
１３ 構造体モデル
１５ 設計空間設定部
１７ 最適化ブロックモデル
１８ 結合処理部
１９ 材料特性設定部
２０ 衝突最適化条件設定部
２１ 衝突解析条件設定部
２２ 衝突解析部
２３ 立体要素要・不要演算部
２４ 最適形状決定部
２５ 設計空間
２７ 最適化ブロックモデル
２７ａ 上部ブロック
２７ｂ 下部ブロック
２８ バンパーモデル
２９ 結合部
３１ 拘束部
４１ 形状最適化解析装置
４３ 衝突最適化条件設定部
４５ 衝突解析条件設定部
４７ 衝突解析部

（１）本発明に係る形状最適化解析方法は、平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化をコンピュータが行う解析方法であって、
前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された前記設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された前記最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための衝突最適化条件を設定する衝突最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための衝突解析条件を設定する衝突解析条件設定ステップと、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係る形状最適化解析方法は、平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化をコンピュータが行う解析方法であって、
前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された前記設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された前記最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための剛性最適化条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための剛性解析条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための剛性最適化条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための剛性解析条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップとを有し、
前記最適形状決定ステップは、衝突解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果と剛性解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果に基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とするものである。

（１２）本発明に係る形状最適化解析装置は、平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算をコンピュータが行う形状最適化解析装置であって、
前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された前記設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された前記最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための衝突最適化条件を設定する衝突最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための衝突解析条件を設定する衝突解析条件設定部と、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行する衝突解析部と、該衝突解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とするものである。

（１３）本発明に係る形状最適化解析装置は、平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算をコンピュータが行う形状最適化解析装置であって、
前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された前記設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された前記最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための剛性最適化条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための剛性解析条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部と、該剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とするものである。

（１４）また、上記（１２）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための剛性最適化条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための剛性解析条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部とを有し、
前記立体要素要・不要演算部は、前記剛性解析部で剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する機能を有し、
前記最適形状決定部は、衝突解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報と、剛性解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報とに基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とするものである。

（１９）また、上記（１２）乃至（１８）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成部は、前記構造体モデルにおける前記設計空間が設置された周囲の面に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化する前記最適化ブロックモデルを生成することを特徴とするものである。

Claims (23)

1. 平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化を行う解析方法であって、
   前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定ステップと、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とする形状最適化解析方法。
2. 平面要素、または立体要素を使って構造体モデルを構成する一部分の最適化を行う解析方法であって、
   前記構造体モデルにおける最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定ステップと、設定された設計空間に立体要素で構成され最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する結合処理ステップと、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップと、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定ステップとを備えたことを特徴とする形状最適化解析方法。
3. 前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定ステップと、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定ステップと、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行して、前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算ステップとを有し、
   前記最適形状決定ステップは、衝突解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果と剛性解析を実行した場合の前記立体要素要・不要演算ステップの演算結果に基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とする請求項１記載の形状最適化解析方法。
4. 前記衝突解析条件設定ステップは、前記構造体モデルに対して予め衝突解析を行って得られた荷重を衝突荷重として設定することを特徴とする請求項１又は３記載の形状最適化解析方法。
5. 前記材料特性設定ステップは、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素におけるヤング率を前記平面要素におけるヤング率よりも低く設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
6. 前記材料特性設定ステップは、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素における応力-歪み曲線の応力を、前記平面要素における応力-歪み曲線の応力よりも低く設定することを特徴とする請求項1乃至５のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
7. 前記最適化ブロックモデルを構成する立体要素として、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
8. 前記最適化ブロックモデルは、前記構造体モデルにおける前記設計空間が設置された周囲の面に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化する前記最適化ブロックモデルを生成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
9. 前記最適化ブロックモデルは、構造体モデルを構成する平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、最適化ブロックモデルを構成する立体要素として六面体立体要素を用いると共に前記結合部に配置された節点を含む平面に沿うように立体要素を積み上げるように生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
10. 前記最適化ブロックモデルは、立体要素によって構成される複数のブロック体からなり、該複数のブロック体を剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結してなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
11. 数値解析による最適化計算において最適化パラメータで離散化を行うことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の形状最適化解析方法。
12. 平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算を行う形状最適化解析装置であって、
    前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに衝突に関する最適形状を求めるための条件を設定する衝突最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに衝突解析を行うための条件を設定する衝突解析条件設定部と、設定された前記衝突最適化条件および前記衝突解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して衝突解析を実行する衝突解析部と、該衝突解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて衝突に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とする形状最適化解析装置。
13. 平面要素、または平面要素と立体要素を使って構成された構造体モデルの一部分の形状の数値解析による最適化計算を行う形状最適化解析装置であって、
    前記構造体モデルの一部に最適化の対象となる部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、設定された設計空間に立体要素で構成されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、生成された最適化ブロックモデルを前記構造体モデルに結合する処理を行う結合処理部と、前記最適化ブロックモデルに材料特性を設定する材料特性設定部と、前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部と、該剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する立体要素要・不要演算部と、該演算結果に基づいて剛性に関する最適形状を決定する最適形状決定部とを備えたことを特徴とする形状最適化解析装置。
14. 前記最適化ブロックモデルに剛性に関する最適形状を求めるための条件を設定する剛性最適化条件設定部と、前記最適化ブロックモデルが結合された前記構造体モデルに剛性解析を行うための条件を設定する剛性解析条件設定部と、設定された前記剛性最適化条件および前記剛性解析条件に基づいて前記最適化ブロックモデルに対して剛性解析を実行する剛性解析部とを有し、
    前記立体要素要・不要演算部は、前記剛性解析部で剛性解析を行う際に前記最適化ブロックモデルにおける前記各立体要素の要・不要に関する情報を演算する機能を有し、
    前記最適形状決定部は、衝突解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報と、剛性解析を行う際に演算した前記各立体要素の要・不要に関する情報とに基づいて、衝突および剛性に関する最適形状を決定することを特徴とする請求項１２記載の形状最適化解析装置。
15. 前記衝突解析条件設定部は、前記構造体モデルに対して予め衝突解析を行って得られた荷重を衝突荷重として設定することを特徴とする請求項１２又は１４記載の形状最適化解析装置。
16. 前記材料特性設定部は、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素におけるヤング率を前記平面要素におけるヤング率よりも低く設定することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
17. 前記材料特性設定部は、前記構造体モデルにおける前記最適化ブロックモデルの結合された部位が平面要素で構成されている場合には、前記最適化ブロックモデルの立体要素における応力-歪み曲線の応力を、前記平面要素における応力-歪み曲線の応力よりも低く設定することを特徴とする請求項1２乃至１６のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
18. 前記最適化ブロックモデルを構成する立体要素を、五面体以上八面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素で構成することを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
19. 前記最適化ブロックモデル生成部は、前記構造体モデルにおける前記設計空間が設置された周囲の面前に沿い、かつ設計空間の最大面積を持つ面に平行に立体要素を細分化する前記最適化ブロックモデルを生成することを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
20. 前記最適化ブロックモデル生成部は、構造体モデルを構成する平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、最適化ブロックモデルを構成する立体要素として六面体立体要素を用いると共に前記結合部に配置された節点を含む平面に沿うように立体要素を積み上げるように生成することを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
21. 前記最適化ブロックモデル生成部は、前記最適化ブロックモデルを、立体要素によって構成される複数のブロックで構成すると共に該複数のブロックを剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結して生成することを特徴とする請求項１２乃至２０のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
22. 前記立体要素要・不要演算部は、数値解析による最適化計算において最適化パラメータで離散化を行うことを特徴とする請求項１２乃至２１のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。
23. 前記立体要素要・不要演算部は、トポロジー最適化による最適化計算を行うことを特徴とする請求項１２乃至２２のいずれか一項に記載の形状最適化解析装置。