JP2016206832A - Shape optimization analysis apparatus, shape optimization analysis method, and shape optimization analysis program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状最適化解析装置、形状最適化解析方法、形状最適化解析プログラムに関する。 The present invention relates to a shape optimization analysis device, a shape optimization analysis method, and a shape optimization analysis program.
特許文献１には、外力を受ける構造体の一部に最適化技術を適用する形状最適化解析方法として、設計空間を設定し、最適化の解析処理を行って最適化ブロックモデルを生成して構造体ブロックモデルに結合すると共に、最適化ブロックモデルの材料特性、最適化条件、機構解析条件に基づいて、構造体の形状の最適化を図ることが開示されている。 In Patent Document 1, as a shape optimization analysis method in which optimization technology is applied to a part of a structure subjected to external force, a design space is set, an optimization analysis process is performed, and an optimization block model is generated. It is disclosed to optimize the shape of the structure based on the material properties, optimization conditions, and mechanism analysis conditions of the optimized block model while being coupled to the structure block model.
なお、特許文献１では、構造体の形状の最適化の解析に、トポロジー最適化による最適化計算を取り入ることが記載されている。 Note that Patent Document 1 describes that optimization calculation by topology optimization is taken into the optimization analysis of the shape of the structure.
なお、参考として、特許文献２には、複数パイプの間にスペーサのような部材を介在させ、複数パイプを連結させる構造体が提案されている。 As a reference, Patent Document 2 proposes a structure in which a member such as a spacer is interposed between a plurality of pipes to connect the plurality of pipes.
しかしながら、従来、特許文献１の技術は、自動車プレームで使用されている長方形断面を有する薄板プレーム構造に適用される手法であり、最適な部材配置を最適化計算により求めているものであり、適用可能な連結対象部材の範囲が限定され、例えば、特許文献２のような複数パイプの連結構造の最適化には適用できない。 However, conventionally, the technique of Patent Document 1 is a method applied to a thin plate structure having a rectangular cross section used in an automobile plate, and an optimum member arrangement is obtained by optimization calculation. The range of possible connection target members is limited, and for example, it cannot be applied to the optimization of a connection structure of a plurality of pipes as in Patent Document 2.
本発明は上記事実を考慮し、連結対象部材の種類が限定されることなく、かつ、複数の連結対象部材を連結する設計領域の最適化解析において、所望の最終形態で収束させることができる形状最適化解析装置、形状最適化解析方法、形状最適化解析プログラムを得ることが目的である。 In consideration of the above facts, the present invention is not limited to the types of members to be connected, and can be converged in a desired final form in an optimization analysis of a design region for connecting a plurality of members to be connected. The object is to obtain an optimization analysis device, a shape optimization analysis method, and a shape optimization analysis program.
本発明は、複数の部材が連結された連結構造体に関する基礎情報として、前記複数の部材を固定するときの固定条件及び前記複数の部材に外力を加えるときの外力条件を少なくとも含む境界条件、及び前記複数の部材を連結する材料の材料特性を受け付ける受付手段と、前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定する仮設定手段と、前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定する仮想条件設定手段と、前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する演算手段と、を有する形状最適化解析装置である。 The present invention provides boundary information including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information related to a connection structure in which the plurality of members are connected, and As a temporary area for constructing the connection structure, a reception unit that receives material characteristics of the material that connects the plurality of members, a space that covers the plurality of members is temporarily set in the design area, and is set in the design area For each unit element area, temporary setting means for setting an initial value of a virtual density representing a degree necessary as the design area, and based on the basic information, the boundary between the member and the design area Virtual condition setting means for setting virtual conditions virtually partitioned into a connectable area that can be connected to the design area, and a non-connectable area that disables the connection, and the basic information Wherein based on the virtual conditions, the results of the finite element analysis of the unit elements each area set in the design area, the shape optimization analysis device having an arithmetic means for calculating a virtual density of each unit element region.
本発明によれば、受付手段では、複数の部材が連結された連結構造体に関する基礎情報として、複数の部材を固定するときの固定条件及び複数の部材に外力を加えるときの外力条件を少なくとも含む境界条件、及び複数の部材を連結する材料の材料特性を受け付ける。 According to the present invention, the reception means includes at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information related to the connection structure in which the plurality of members are connected. Accept boundary conditions and material properties of the material connecting the multiple members.
仮設定手段では、連結構造体を構築する仮領域として、複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、設計領域に設定した単位要素領域毎に、設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定する。 The temporary setting means temporarily sets a space covering a plurality of members as a temporary area for constructing a connection structure in the design area, and represents a degree necessary for the design area for each unit element area set as the design area. Set the initial value of the virtual density.
仮想条件設定手段では、基礎情報に基づいて、部材と設計領域との境界に、部材と設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定する。言い換えれば、部材と設計領域との間に適宜箇所の厚さゼロの亀裂を仮想的に設定する。亀裂があることで、連結不可と認識される。 In the virtual condition setting means, based on the basic information, at the boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected and a non-connectable area where the connection is impossible are virtually Set the virtual condition partitioned into In other words, a zero-thickness crack at a suitable location is virtually set between the member and the design area. It is recognized that the connection is impossible due to the crack.
より具体的には、連結境界において予め構築した隣接する有限要素の節点番号を、連結が可能とする場合は同一番号とし、連結を不可する場合は異なる番号とすればよい。 More specifically, the node numbers of adjacent finite elements constructed in advance at the connection boundary may be the same number when connection is possible, and different numbers when connection is not possible.
上記仮想条件の設定後、演算手段では、基礎情報と仮想条件とに基づいて、設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する。 After the virtual condition is set, the calculation means calculates the virtual density of each unit element region from the result of the finite element analysis for each unit element region set in the design region based on the basic information and the virtual condition.
本発明において、前記演算手段で演算された密度に基づいて、単位要素領域毎に要否を判定する判定手段をさらに有する。 In the present invention, the image processing apparatus further includes a determination unit that determines necessity for each unit element region based on the density calculated by the calculation unit.
判定手段では、演算された密度に基づいて、単位要素領域毎に要否を判定する。 The determination means determines necessity for each unit element region based on the calculated density.
この判定の結果、必要と判定された単位要素領域が、複数の部材を連結するための最適化された形状となり得る。 As a result of this determination, the unit element region determined to be necessary can have an optimized shape for connecting a plurality of members.
このとき、意図的に仮想条件（部材と設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域とに区画）を設定することで、例えば、トラス構造等の所望の連結構造に収束するように方向性を定めることができる。 At this time, for example, a desired condition such as a truss structure is established by intentionally setting a virtual condition (partitionable into a connectable region where the member and the design region can be connected and a non-connectable region where the connection is impossible). The directionality can be determined so as to converge to the connection structure.
また、本発明において、前記受付手段が、前記設計領域の質量に関する制約情報をさらに受け付ける。 In the present invention, the accepting unit further accepts constraint information regarding the mass of the design region.
所望の質量に関する制約情報により、例えば、軽量化を図ることができる。 For example, the weight can be reduced by the constraint information regarding the desired mass.
本発明において、前記基礎情報が、少なくともトラス構造を含む連結構造種を特定する情報を含み、前記仮想条件設定手段は、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択する。 In the present invention, the basic information includes information for specifying a connection structure type including at least a truss structure, and the virtual condition setting means includes the specified connection from virtual conditions predetermined for each connection structure type. A virtual condition corresponding to the structural type is selected.
基礎情報が、少なくともトラス構造を含む連結構造種を特定する情報を含んでいる。このため、仮想条件設定手段では、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択することで、適正は仮想条件の設定が可能となる。 The basic information includes information specifying at least a connected structural type including a truss structure. For this reason, the virtual condition setting means can appropriately set the virtual condition by selecting the virtual condition corresponding to the specified connected structure type from the virtual conditions predetermined for each connected structure type. .
また、本発明において、前記判定手段の判定結果を報知する報知手段をさらに有する。 Moreover, in this invention, it has further an alerting | reporting means which alert | reports the determination result of the said determination means.
判定手段で判定した複数の部材を連結するための最適化された形状を視覚を通じて認識することができる。 The optimized shape for connecting a plurality of members determined by the determination means can be recognized through vision.
本発明は、複数の部材が連結された連結構造体に関する基礎情報として、前記複数の部材を固定するときの固定条件及び前記複数の部材に外力を加えるときの外力条件を少なくとも含む境界条件、及び前記複数の部材を連結する材料の材料特性を受け付け、
前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定し、
前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定し、
前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する、
形状最適化解析方法である。
The present invention provides boundary information including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information related to a connection structure in which the plurality of members are connected, and Receiving material properties of the material connecting the plurality of members;
As a temporary area for constructing the connection structure, a space that covers the plurality of members is provisionally set as a design area, and each unit element area set in the design area represents a degree necessary for the design area. Set the initial density,
Based on the basic information, at a boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected, and a non-connectable area where the connection is impossible Set the partitioned virtual condition,
Based on the basic information and the virtual condition, from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region, to calculate the virtual density of each unit element region,
This is a shape optimization analysis method.
本発明によれば、まず、複数の部材が連結された連結構造体に関する基礎情報として、複数の部材を固定するときの固定条件及び複数の部材に外力を加えるときの外力条件を少なくとも含む境界条件、及び複数の部材を連結する材料の材料特性を受け付ける。 According to the present invention, first, as basic information regarding a connection structure in which a plurality of members are connected, boundary conditions including at least a fixing condition when fixing the plurality of members and an external force condition when applying an external force to the plurality of members And material properties of the material connecting the plurality of members.
次いで、連結構造体を構築する仮領域として、複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、設計領域に設定した単位要素領域毎に、設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定する。 Next, as a temporary area for constructing the connection structure, a space covering a plurality of members is temporarily set as a design area, and a virtual density representing a degree necessary for the design area is set for each unit element area set as the design area. Set the initial value.
次いで、受け付けた基礎情報に基づいて、部材と設計領域との境界に、部材と設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定する。言い換えれば、部材と設計領域との間に適宜箇所の厚さゼロの亀裂を仮想的に設定する。亀裂があることで、連結不可と認識される。 Next, on the basis of the received basic information, a partition is virtually divided into a connectable area where the member and the design area can be connected to a boundary between the member and the design area, and a non-connectable area where the connection is impossible. Set the virtual condition. In other words, a zero-thickness crack at a suitable location is virtually set between the member and the design area. It is recognized that the connection is impossible due to the crack.
より具体的には、連結境界において予め構築した隣接する有限要素の節点番号を、連結が可能とする場合は同一番号とし、連結を不可する場合は異なる番号とすればよい。 More specifically, the node numbers of adjacent finite elements constructed in advance at the connection boundary may be the same number when connection is possible, and different numbers when connection is not possible.
上記仮想条件の設定後、基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する。 After setting the virtual condition, based on basic information and the virtual condition, the virtual density of each unit element region is calculated from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region.
本発明において、演算された密度に基づいて、単位要素領域毎に要否を判定する。 In the present invention, the necessity is determined for each unit element region based on the calculated density.
この判定の結果、必要と判定された単位要素領域が、複数の部材を連結するための最適化された形状となり得る。 As a result of this determination, the unit element region determined to be necessary can have an optimized shape for connecting a plurality of members.
このとき、意図的に仮想条件（部材と設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域とに区画）を設定することで、例えば、トラス構造等の所望の連結構造に収束するように方向性を定めることができる。 At this time, for example, a desired condition such as a truss structure is established by intentionally setting a virtual condition (partitionable into a connectable region where the member and the design region can be connected and a non-connectable region where the connection is impossible). The directionality can be determined so as to converge to the connection structure.
また、本発明において、受け付けの際に、前記設計領域の質量に関する制約情報をさらに受け付ける。 Further, in the present invention, at the time of acceptance, constraint information relating to the mass of the design area is further accepted.
所望の質量に関する制約情報により、例えば、軽量化を図ることができる。 For example, the weight can be reduced by the constraint information regarding the desired mass.
本発明において、前記基礎情報が、少なくともトラス構造を含む連結構造種を特定する情報を含み、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択する。 In the present invention, the basic information includes information specifying at least a connection structure type including a truss structure, and a virtual condition corresponding to the specified connection structure type from among virtual conditions predetermined for each connection structure type Select.
基礎情報が、少なくともトラス構造を含む連結構造種を特定する情報を含んでいる。このため、仮想条件設定手段では、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択することで、適正は仮想条件の設定が可能となる。 The basic information includes information specifying at least a connected structural type including a truss structure. For this reason, the virtual condition setting means can appropriately set the virtual condition by selecting the virtual condition corresponding to the specified connected structure type from the virtual conditions predetermined for each connected structure type. .
また、本発明において、前記判定の判定結果を報知する。 In the present invention, the determination result of the determination is notified.
判定手段で判定した複数の部材を連結するための最適化された形状を視覚を通じて認識することができる。 The optimized shape for connecting a plurality of members determined by the determination means can be recognized through vision.
本発明は、複数の部材が連結された連結構造体に関する基礎情報として、前記複数の部材を固定するときの固定条件及び前記複数の部材に外力を加えるときの外力条件を少なくとも含む境界条件、及び前記複数の部材を連結する材料の材料特性を受け付け、
前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定し、
前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定し、
前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する、ことをコンピュータに実行させる形状最適化解析プログラムである。
The present invention provides boundary information including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information related to a connection structure in which the plurality of members are connected, and Receiving material properties of the material connecting the plurality of members;
As a temporary area for constructing the connection structure, a space that covers the plurality of members is provisionally set as a design area, and each unit element area set in the design area represents a degree necessary for the design area. Set the initial density,
Based on the basic information, at a boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected, and a non-connectable area where the connection is impossible Set the partitioned virtual condition,
Shape optimization that causes a computer to calculate the virtual density of each unit element region from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region based on the basic information and the virtual condition It is an analysis program.
本発明において、演算された密度に基づいて、単位要素領域毎に要否を判定する。 In the present invention, the necessity is determined for each unit element region based on the calculated density.
また、本発明において、前記受け付けの際に、前記設計領域の質量に関する制約情報をさらに受け付ける。 Further, in the present invention, at the time of the reception, constraint information regarding the mass of the design region is further received.
本発明において、前記基礎情報が、少なくともトラス構造を含む連結構造種を特定する情報を含み、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択することをさらにコンピュータに実行させる。 In the present invention, the basic information includes information specifying at least a connection structure type including a truss structure, and a virtual condition corresponding to the specified connection structure type from among virtual conditions predetermined for each connection structure type The computer is further made to select.
また、本発明において、前記判定結果に基づいて、前記部材同士を連結するための環境条件に適合し、かつ必要最小限の前記連結構造体を構築したデータに基づき、視覚的に形状認識可能な画像として表示する、ことをコンピュータにさらに実行させる。 Further, in the present invention, based on the determination result, the shape can be visually recognized based on the data that is adapted to the environmental conditions for connecting the members to each other and that constructs the minimum connection structure. The computer is further executed to display the image.
以上説明した如く本発明では、連結対象部材の種類が限定されることなく、かつ、複数の連結対象部材を連結する設計領域の最適化解析において、所望の最終形態で収束させることができるという優れた効果を奏することができる。 As described above, in the present invention, the type of the connection target member is not limited, and in the optimization analysis of the design area for connecting a plurality of connection target members, it is possible to converge in a desired final form. The effect which was able to be produced can be produced.
図１には、本実施の形態に係る形状最適化解析装置１００が示されている。 FIG. 1 shows a shape optimization analysis apparatus 100 according to the present embodiment.
形状最適化解析装置１００は、連結対象部材（例えば、図５に示す円筒形状のパイプ１０）を、互いに非接触で配置（例えば、図５に示す三角形の頂点に配置）して、相互に連結するときの、連結構造体の形状を最適化する形状最適化解析プログラムに基づき動作する。 The shape optimization analysis apparatus 100 arranges members to be connected (for example, the cylindrical pipe 10 shown in FIG. 5) in a non-contact manner (for example, arranged at the apex of the triangle shown in FIG. 5) and connects them to each other. It operates based on a shape optimization analysis program for optimizing the shape of the connected structure.
形状最適化解析装置１００は、ＣＰＵ１００Ａ、ＲＡＭ１００Ｂ、ＲＯＭ１００Ｃ、Ｉ／Ｏ１００Ｄ及びこれらを相互に接続するデータバスやコントロールバス等のバス１００Ｅを備えたマイクロコンピュータが主体となっている。 The shape optimization analysis apparatus 100 is mainly composed of a CPU 100A, a RAM 100B, a ROM 100C, an I / O 100D, and a microcomputer provided with a bus 100E such as a data bus or a control bus for interconnecting them.
Ｉ／Ｏ１００Ｄには、キーボードやマウス等の入力装置１００Ｆと、モニタやプリンタ等の出力装置１００Ｇが接続されている。なお、入力装置１００Ｆ及び出力装置１００Ｇは、それぞれ単一のデバイスに限定されるものではなく、例えば、出力装置１００Ｇの場合、モニタとプリンタを併設する構成であってもよい。 An input device 100F such as a keyboard and a mouse and an output device 100G such as a monitor and a printer are connected to the I / O 100D. The input device 100F and the output device 100G are not limited to a single device. For example, in the case of the output device 100G, a configuration in which a monitor and a printer are provided may be employed.
また、Ｉ／Ｏ１００Ｄには、Ｉ／Ｆ１００Ｈを介して通信回線網１００Ｊに接続されている。さらに、Ｉ／Ｏ１００Ｄには、大規模記録媒体として、ハードディスク（ＨＤＤ）１００Ｉが接続されている。また、図示は省略したが、Ｉ／Ｏ１００Ｄには、記録媒体が着脱可能であり、情報を読み書き可能なスロット（リーダーライター等）が接続可能である。 The I / O 100D is connected to the communication line network 100J via the I / F 100H. Further, a hard disk (HDD) 100I is connected to the I / O 100D as a large-scale recording medium. Although not shown, the I / O 100D is detachable from a recording medium and can be connected to a slot (reader / writer, etc.) capable of reading and writing information.
なお、形状最適化解析プログラムはＡＳＩＣのようにチップ化し、形状最適化解析装置１００に予め組み込んで動作させてもよいし、ＨＤＤ１００Ｉ又は着脱可能な記録媒体にソフトウェアとして記憶しておき、形状最適化解析装置１００の起動時に形状最適化解析プログラムを読み出して動作させてもよい。 The shape optimization analysis program may be chipped like an ASIC, and may be pre-installed and operated in the shape optimization analysis apparatus 100, or stored as software in the HDD 100I or a removable recording medium for shape optimization. The shape optimization analysis program may be read and operated when the analysis apparatus 100 is activated.
図２は、形状最適化解析装置１００における形状最適化解析制御のための機能ブロック図である。なお、図２に示すそれぞれの機能ブロックは、形状最適化解析装置１００のハード構成を限定するものではない。 FIG. 2 is a functional block diagram for shape optimization analysis control in the shape optimization analysis apparatus 100. Each functional block shown in FIG. 2 does not limit the hardware configuration of the shape optimization analysis apparatus 100.
入力装置１００Ｆ（又はＩ／Ｆ１００Ｈ）は、連結対象部材情報受付部１２、設計領域情報受付部１４、解析条件受付部１６にそれぞれ接続されている。 The input device 100F (or I / F 100H) is connected to the connection target member information receiving unit 12, the design area information receiving unit 14, and the analysis condition receiving unit 16, respectively.
（連結対象部材）
入力装置１００Ｆ（又はＩ／Ｆ１００Ｈ）に入力された情報が、連結対象部材(例えば、図５に示すパイプ１０)に関する情報の場合は、当該情報は連結対象部材情報受付部１２で受け付ける。連結対象部材情報受付部１２は、連結対象部材情報メモリ１８に接続され、受け付けた情報を連結対象部材情報メモリ１８へ送出する。連結対象部材情報メモリ１８では、連結対象部材の物性等の情報を一時的に記憶する。
(Members to be connected)
When the information input to the input device 100F (or I / F 100H) is information related to a connection target member (for example, the pipe 10 shown in FIG. 5), the information is received by the connection target member information receiving unit 12. The connection target member information receiving unit 12 is connected to the connection target member information memory 18 and sends the received information to the connection target member information memory 18. The connection target member information memory 18 temporarily stores information such as physical properties of the connection target members.
（設計領域）
入力装置１００Ｆ（又はＩ／Ｆ１００Ｈ）に入力された情報が、設計領域２４（図５参照）に関する情報の場合は、当該情報は設計領域情報受付部１４で受け付ける。連設計領域情報受付部１４は、設計領域情報メモリ２０に接続され、受け付けた情報を設計領域情報メモリ２０へ送出する。連設計領域情報メモリ２０では、設計領域２４に適用される材料の材料特性等の情報を一時的に記憶する。
(Design area)
When the information input to the input device 100F (or I / F 100H) is information related to the design area 24 (see FIG. 5), the information is received by the design area information receiving unit 14. The continuous design area information receiving unit 14 is connected to the design area information memory 20 and sends the received information to the design area information memory 20. The continuous design area information memory 20 temporarily stores information such as material characteristics of the material applied to the design area 24.
連結対象部材情報メモリ１８及び設計領域情報メモリ２０は、設計領域仮設定部２２にそれぞれ接続されている。ここで、連連結対象部材情報メモリ１８及び設計領域情報メモリ２０に情報が記憶されると、設計領域仮設定部２２では、連連結対象部材情報メモリ１８及び設計領域情報メモリ２０から情報を読み出し、設計領域２４の仮設定（初期形状の設定）を実行する。 The connection target member information memory 18 and the design area information memory 20 are respectively connected to the design area temporary setting unit 22. Here, when information is stored in the link connection target member information memory 18 and the design area information memory 20, the design area temporary setting unit 22 reads information from the link connection target member information memory 18 and the design area information memory 20, Temporary setting of the design area 24 (setting of the initial shape) is executed.
例えば、設計領域２４は、図５に示す３本のパイプ１０が互いに三角形の頂点位置に配置されたとき、当該パイプ１０を被覆する三角柱形状の固体が初期形状となるように仮設定される。なお、初期形状としては、設計領域２４の材料特性が不確定であることを前提に、比較的大きく設定することが好ましい。 For example, when the three pipes 10 shown in FIG. 5 are arranged at the apex positions of the triangles, the design region 24 is temporarily set so that the triangular prism-shaped solid covering the pipes 10 has an initial shape. The initial shape is preferably set relatively large on the assumption that the material characteristics of the design region 24 are uncertain.
（解析条件）
入力装置１００Ｆ（又はＩ／Ｆ１００Ｈ）に入力された情報が、解析情報に関する情報の場合は、当該情報は解析条件受付部１６で受け付ける。解析条件受付部１６は、境界条件情報メモリ２６及び連結領域情報メモリ２８にそれぞれ接続されている。
(Analysis conditions)
When the information input to the input device 100F (or I / F 100H) is information related to analysis information, the information is received by the analysis condition receiving unit 16. The analysis condition receiving unit 16 is connected to the boundary condition information memory 26 and the connection area information memory 28, respectively.
前記解析条件受付部１６が、境界条件情報を受け付けた場合は、解析条件受付部１６は、当該情報を境界条件情報メモリ２６へ送出する。また、前記解析条件受付部１６が仮想条件情報を受け付けた場合は、解析条件受付部１６は、当該情報を連結領域情報メモリ２８へ送出する。 When the analysis condition receiving unit 16 receives boundary condition information, the analysis condition receiving unit 16 sends the information to the boundary condition information memory 26. When the analysis condition receiving unit 16 receives virtual condition information, the analysis condition receiving unit 16 sends the information to the connected area information memory 28.
境界条件は、連結構造体が利用される完成躯体（例えば、車両のフレーム構造体）の仕様に基づく負荷条件であり、例えば、図６（Ａ）に示される如く、３本のパイプ１０を三角形の頂点に配置した場合、図６（Ｃ）に示される如く、軸線方向の一端部を固定側、軸線方向の他端部を荷重側とする境界条件が設定される場合がある。 The boundary condition is a load condition based on the specification of a complete housing (for example, a vehicle frame structure) in which the connection structure is used. For example, as shown in FIG. 6 (C), a boundary condition may be set in which one end portion in the axial direction is a fixed side and the other end portion in the axial direction is a load side, as shown in FIG.
なお、固定する位置、荷重をかける位置は、図６（Ｃ）に限定されるものではなく、例えば、軸線方向の両端部を固定して、中央部に荷重をかける等、適宜設定可能である。た
（トポロジー最適化演算）
前記設計領域仮設定部２２及び境界条件情報メモリ２６は、それぞれ連結構造解析部３０に接続されている。
Note that the position to be fixed and the position to apply the load are not limited to those in FIG. 6C, and can be set as appropriate, for example, by fixing both ends in the axial direction and applying a load to the center. . (Topology optimization calculation)
The design area temporary setting unit 22 and the boundary condition information memory 26 are each connected to a connected structure analysis unit 30.
連結構造解析部３０では、設計領域仮設定部２２から入力された初期の設計領域に対し、境界条件情報メモリ２６から読み出した境界条件（固定条件、外力条件を含む）に基づいて、トポロジー最適化演算が実行される。 The connected structure analysis unit 30 optimizes the topology based on the boundary conditions (including fixed conditions and external force conditions) read from the boundary condition information memory 26 for the initial design area input from the design area temporary setting unit 22. The operation is executed.
ここで、本実施の形態では、連結対象部材（例えば、パイプ１０）と設計領域２４との接触部位に対して、連結可能領域と連結不可領域とに区画するようになっている。この区画は、前記連結領域情報メモリ２８に記憶された仮想条件に基づいて実行される。 Here, in the present embodiment, the contact portion between the connection target member (for example, the pipe 10) and the design region 24 is divided into a connectable region and a non-connectable region. This section is executed based on the virtual condition stored in the connected area information memory 28.
連結領域情報メモリ２８は、境界処理部３２に接続されている。境界処理部３２では、一例としての３本のパイプ１０の設計領域２４（図７（Ａ）参照）を複数の矩形の有限要素Ｅに分割し（図７（Ｂ）参照）、前記仮想条件に基づき、有限要素Ｅ間で連結可能か連結不可かを設定する。 The connected area information memory 28 is connected to the boundary processing unit 32. In the boundary processing unit 32, the design area 24 (see FIG. 7A) of the three pipes 10 as an example is divided into a plurality of rectangular finite elements E (see FIG. 7B), and the virtual conditions are set. Based on this, it is set whether or not the finite element E can be connected.
すなわち、図８に示すように、連続する２つの有限要素ＥＡ、有限要素ＥＢの各節点において、連結可能であれば共通の節点番号を付与し、連結不可であれば、異なる節点番号を付与する。 That is, as shown in FIG. 8, at each node of two consecutive finite elements EA and EB, a common node number is assigned if connection is possible, and a different node number is assigned if connection is not possible. .
この結果、図７（Ｂ）に対して、図８に示される如く、設計領域２４と非設計領域（連結対象部材であるパイプ１０）との境界に位置する有限要素Ｅ（設計領域２４内の連結要素）において、連結不可である異なる節点番号を付与した有限要素Ｅには、仮想的に厚さゼロの亀裂２４Ａが存在するようにした。 As a result, with respect to FIG. 7B, as shown in FIG. 8, the finite element E (in the design region 24) located at the boundary between the design region 24 and the non-design region (the pipe 10 that is the connection target member). In the connecting element), the finite element E having a different node number that cannot be connected has a virtually zero-thickness crack 24A.
境界処理部３２は、前記連結構造体解析部３０に接続されており、仮想条件として設定した節点番号情報（厚さゼロの亀裂）を送出する。 The boundary processing unit 32 is connected to the connection structure analyzing unit 30 and sends out node number information (a crack with zero thickness) set as a virtual condition.
連結構造体解析部３０では、この節点番号情報が加味された上で、トポロジー最適化演算が実行される。 In the connected structure analyzing unit 30, the topology optimization calculation is executed after adding the node number information.
すなわち、図６（Ａ）に示される如く、設計領域２４の初期形状である三角柱形状の固体２４を側面視した場合、従来は、境界処理部３２による仮想的な厚さゼロの亀裂２４Ａが存在しない状態（図６（Ｂ）参照）でトポロジー最適化演算が実行されていた。これに対して、本実施の形態では、境界処理部３２による仮想的な厚さゼロの亀裂２４Ａが仮想的に存在させ（図６（Ｃ）参照）、パイプ１０の連結可能領域が断続的になっている状態で、トポロジー最適化演算が実行されることになる。 That is, as shown in FIG. 6A, when the triangular prism-shaped solid 24 that is the initial shape of the design region 24 is viewed from the side, there is conventionally a virtual thicknessless crack 24A due to the boundary processing unit 32. The topology optimization calculation was executed in a state where the switch was not performed (see FIG. 6B). On the other hand, in the present embodiment, a virtual thickness zero crack 24A by the boundary processing unit 32 is virtually present (see FIG. 6C), and the connectable region of the pipe 10 is intermittently formed. In this state, the topology optimization operation is executed.
トポロジー最適化演算は、周知の技術であるため、詳細な説明は省略するが、本実施の形態では、静的な有限要素の解析に基づき、各有限要素の歪みエネルギーを算出する。この歪みエネルギーの数値が高いほど感度が大きいということができ、連結構造体として、より必要とされる領域である。 Since the topology optimization calculation is a well-known technique, a detailed description thereof is omitted, but in this embodiment, the strain energy of each finite element is calculated based on the analysis of the static finite element. It can be said that the higher the value of this strain energy is, the higher the sensitivity is, and this is a region that is more required as a connection structure.
また、トポロジー最適化演算では、質量制約を満たすように感度の数値を補正すると共に、感度の大きさに比例して仮想密度を更新する。 In the topology optimization calculation, the numerical value of the sensitivity is corrected so as to satisfy the mass constraint, and the virtual density is updated in proportion to the magnitude of the sensitivity.
さらに、トポロジー最適化演算では、最終的に、質量制約を、ある誤差範囲内で満足し、かつ、前回の仮想密度と今回の仮想密度との相対誤差が所定の誤差範囲内に収まる（収束する）まで繰り返す。すなわち、収束した時点でのデータが最適化データとなり、仮想密度として０から１の範囲の数値が確定する。 Further, in the topology optimization calculation, the mass constraint is finally satisfied within a certain error range, and the relative error between the previous virtual density and the current virtual density falls within a predetermined error range (converges). Repeat until. That is, the data at the time of convergence becomes optimized data, and a numerical value in the range of 0 to 1 is determined as the virtual density.
（形状判定）
連結構造解析部３０は、形状解析部３４に接続されている。連結構造解析部３０では、解析結果、すなわち、有限要素単位の仮想密度値が形状解析部３４へ出力される。
(Shape judgment)
The connection structure analysis unit 30 is connected to the shape analysis unit 34. In the connected structure analysis unit 30, an analysis result, that is, a virtual density value in units of finite elements is output to the shape analysis unit 34.
一方、形状解析部３４は、仮想密度制約値メモリ３６が接続されている。仮想密度制約値メモリ３６には、仮想密度制約値設定部３８から仮想条件に基づいて設定された仮想密度の制約値（例えば、０．５）が記憶されている。形状解析部３４は、有限要素Ｅ単位の仮想密度値が入力された時点で、仮想密度制約値メモリ３６から仮想密度の制約値を読み出し、各有限要素の仮想密度を仮想密度の制約値と比較し、有限要素の取捨選択を実行する。 On the other hand, the virtual density constraint value memory 36 is connected to the shape analysis unit 34. The virtual density constraint value memory 36 stores a virtual density constraint value (for example, 0.5) set based on the virtual condition from the virtual density constraint value setting unit 38. The shape analysis unit 34 reads the virtual density constraint value from the virtual density constraint value memory 36 when the virtual density value in units of the finite element E is input, and compares the virtual density of each finite element with the virtual density constraint value. Then, finite element selection is executed.
なお、仮想密度の制約値は、０．５に限定されるものではなく、前述した連結構造体が利用される完成躯体の仕様に基づいて適宜設定すればよい。また、仮想密度の制約値は単一とせず（有限要素の有無ではなく）、掲載された密度に基づいて各有限要素の体積を設定するようにしてもよい。 The constraint value of the virtual density is not limited to 0.5, and may be set as appropriate based on the specifications of the completed casing in which the above-described connection structure is used. The virtual density constraint value may not be single (not the presence or absence of a finite element), and the volume of each finite element may be set based on the posted density.
形状解析部３４での取捨選択により、初期の設計領域２４の内、仮想密度の制約値よりも小さい仮想密度の有限要素が、所謂削ぎ落とされることになる。 By the selection by the shape analysis unit 34, a finite element having a virtual density smaller than the virtual density constraint value in the initial design region 24 is so-called scraped off.
形状解析部３４は、形状解析情報出力部３８に接続されている。形状解析部３４で、所謂削ぎ落とされた、必要最小限の有限要素を特定する識別符号（番地）を形状解析情報出力部４０へ送出する。 The shape analysis unit 34 is connected to a shape analysis information output unit 38. The shape analysis unit 34 sends an identification code (address) that specifies a so-called shaved-off minimum necessary finite element to the shape analysis information output unit 40.
形状解析情報出力部４０では、有限要素の識別符号に基づき画像処理を実行し、視覚的に形状認識可能な画像（ビジュアル画像）を生成して、出力装置１００Ｇへ送出する。 The shape analysis information output unit 40 executes image processing based on the identification code of the finite element, generates an image (visual image) that can be visually recognized, and sends it to the output device 100G.
出力装置１００Ｇでは、例えば、モニタに視覚を通じて、連結対象部材を含む連結構造体の形状が認識可能な画像を表示する（例えば、図９参照）。 In the output device 100G, for example, an image in which the shape of the connection structure including the connection target member can be recognized is visually displayed on a monitor (see, for example, FIG. 9).
以下に本実施の形態の作用を説明する。 The operation of this embodiment will be described below.
図３は、形状最適化解析の流れを示す制御フローチャートである。 FIG. 3 is a control flowchart showing the flow of shape optimization analysis.
ステップ５０では、入力情報を受け付けたか否かが判断され、肯定判定されると、ステップ５２へ移行して入力情報の種類が判別される。 In step 50, it is determined whether or not input information has been received. If an affirmative determination is made, the process proceeds to step 52 to determine the type of input information.
ステップ５２での入力情報が、連結対象に関する情報の場合は、ステップ５４へ移行して連結対象部材に関する特性情報を記憶し、ステップ６０へ移行する。 When the input information in step 52 is information related to the connection target, the process proceeds to step 54 to store the characteristic information related to the connection target member, and the process proceeds to step 60.
また、ステップ５２での入力情報が、設計領域２４に関する情報の場合は、ステップ５６へ移行して設計領域２４の材料特性（使用材料、密度、ヤング率等）に関する情報を記憶し、ステップ６０へ移行する。 If the input information in step 52 is information related to the design region 24, the process proceeds to step 56 to store information related to material properties (material used, density, Young's modulus, etc.) in the design region 24, and to step 60. Transition.
さらに、ステップ５２での入力情報が、解析条件に関する情報の場合は、ステップ５８へ移行して、境界条件情報又は仮想条件情報を記憶し、ステップ６０へ移行する。なお、「境界条件情報又は仮想条件情報」としたのは、同時に情報が入力されず、後述するステップ６０からステップ５２へ戻って繰り返し処理されることで、別々に情報が入力される場合があるためである。本実施の形態では、何れの情報（境界条件情報及び仮想条件情報）も必須の情報として取り扱うことを前提としている。 Further, when the input information in step 52 is information related to the analysis condition, the process proceeds to step 58 to store the boundary condition information or the virtual condition information, and then proceeds to step 60. Note that “boundary condition information or virtual condition information” means that information is not input at the same time, but information may be input separately by repeatedly returning to step 52 from step 60 to be described later. Because. In this embodiment, it is assumed that any information (boundary condition information and virtual condition information) is handled as essential information.
ステップ６０では、情報が必要十分か否かが判断される。すなわち、必要十分な情報は、連結対象部材特性情報、設計領域材料特性情報、境界条件情報、及び仮想条件情報であり、１つでも欠けている場合は、ステップ６０で否定判定され、ステップ５２へ戻り、上記工程を繰り返す。 In step 60, it is determined whether the information is necessary and sufficient. That is, the necessary and sufficient information is the connection target member property information, the design region material property information, the boundary condition information, and the virtual condition information. If even one of them is missing, a negative determination is made in step 60 and the process proceeds to step 52 Return and repeat the above steps.
ステップ６０で肯定判定されると、ステップ６２へ移行して、連結対象部材特性、設計領域材料特性に基づき、初期の設計領域２４が設定される（例えば、図５に示す三角柱形状の固体参照）。 When an affirmative determination is made in step 60, the process proceeds to step 62, where the initial design area 24 is set based on the connection target member characteristics and the design area material characteristics (for example, refer to the triangular prism-shaped solid shown in FIG. 5). .
次のステップ６４では、仮想条件に基づき、連結対象部材（例えば、パイプ１０）と設計領域２４（固体２４）との境界処理を実行する。すなわち、仮想条件連結不可領域（厚さゼロの亀裂２４Ａ）を設定する。 In the next step 64, based on the virtual condition, a boundary process between the connection target member (for example, the pipe 10) and the design region 24 (solid 24) is executed. That is, a virtual condition connection impossible region (a crack 24A having a thickness of zero) is set.
（ステップ６４の詳細）
図４は、図３のステップ６４における境界処理の詳細な処理の流れを示すフローチャートである。
(Details of step 64)
FIG. 4 is a flowchart showing a detailed processing flow of the boundary processing in step 64 of FIG.
ステップ６４Ａでは、非設計領域である連結対象部材（例えば、パイプ１０）内の有限要素の節点番号表を作成し、次いで、ステップ６４Ｂでは、前記ステップ６４Ａで付与した節点番号を含む設計領域２４内の有限要素（境界要素）の要素番号表を作成する。 In step 64A, a node number table of finite elements in the connection target member (for example, pipe 10), which is a non-design area, is created, and then in step 64B, the design area 24 includes the node numbers assigned in step 64A. Create an element number table of finite elements (boundary elements).
次のステップ６４Ｃでは、それぞれの境界要素の重心を計算し、ステップ６４Ｄへ移行する。 In the next step 64C, the center of gravity of each boundary element is calculated, and the process proceeds to step 64D.
ステップ６４Ｄでは、全設計領域２４を包括する領域域Ｂを作成し、その領域Ｂをｎ分割したサブ領域Ｂ（ｉ）、Ｂ（ｉ＋１）、Ｂ（ｉ＋２）・・・を作成する。 In step 64D, a region B including the entire design region 24 is created, and sub-regions B (i), B (i + 1), B (i + 2)... Obtained by dividing the region B into n are created.
次のステップ６４Ｅでは、特定のサブ領域Ｂ（ｉ）内に含まれる境界要素を抽出する。すなわち、前記ステップ６４Ｃで計算した重心に基づいて領域Ｂ（ｉ）に含まれるか否かを判定する（図７（Ａ）及び（Ｂ）参照）。 In the next step 64E, boundary elements included in the specific sub-region B (i) are extracted. That is, it is determined whether or not it is included in the region B (i) based on the center of gravity calculated in the step 64C (see FIGS. 7A and 7B).
次のステップ６４Ｆでは、Ｂ（２）、Ｂ（４）、Ｂ（ｉ＋５）・・・の偶数のサブ領域に含まれている境界要素は、連結対象部材（非設計領域）と接している節点を新規の節点番号に変更する（図８（Ａ）参照）。この節点番号の変更により、厚さゼロの亀裂が作成される（図８（Ｂ）参照）。 In the next step 64F, the boundary elements included in the even sub-regions of B (2), B (4), B (i + 5)... Are connected to the connection target member (non-design region). Is changed to a new node number (see FIG. 8A). By changing the node number, a zero-thickness crack is created (see FIG. 8B).
図３に示される如く、ステップ６４での境界処理が終了すると、ステップ６６へ移行して仮想密度、質量制約設定を実行する。例えば、設計領域２４の有限要素Ｅに初期仮想密度（０．５）を設定する。仮想密度は、０〜１の値をとり得るものであり、０に近いほどその位置の部材は必要とされず、１に近いほどその位置の部材は必要とされると解釈される。なお、０〜１までの分解能は、要求される精度に基づいて決定すればよい。 As shown in FIG. 3, when the boundary process in step 64 is completed, the process proceeds to step 66, where virtual density and mass constraint settings are executed. For example, the initial virtual density (0.5) is set for the finite element E in the design region 24. The virtual density can take a value of 0 to 1. It is interpreted that the closer to 0, the member at that position is not needed, and the closer to 1, the more the member at that position is needed. The resolution from 0 to 1 may be determined based on the required accuracy.
次のステップ６８、７０、７２では、設定された境界条件に基づきトポロジー最適化演算（コンピュータの処理上では、「トポロジー最適化解析処理」という場合がある。）が実行される。 In the next steps 68, 70, and 72, a topology optimization operation (sometimes referred to as “topology optimization analysis process” in terms of computer processing) is executed based on the set boundary conditions.
すなわち、トポロジー最適化解析処理では、まず、ステップ６８において感度解析処理が実行される。感度解析処理では、静的な有限要素解析を実施し、各要素のひずみエネルギーを算出する。ひずみエネルギーの数値が大きいほど感度が大きい（感度が大きいときは、より必要とされる部材となる）。 That is, in the topology optimization analysis process, first, a sensitivity analysis process is executed in step 68. In the sensitivity analysis process, static finite element analysis is performed and the strain energy of each element is calculated. The greater the numerical value of the strain energy, the greater the sensitivity (when the sensitivity is large, it becomes a more necessary member).
次のステップ７０では、仮想密度更新が実行される。仮想密度更新は、質量制約を満たすように感度の数値を補正する。また、感度の大きさに比例した仮想密度を更新する。 In the next step 70, a virtual density update is performed. The virtual density update corrects the sensitivity value to satisfy the mass constraint. In addition, the virtual density proportional to the magnitude of sensitivity is updated.
次のステップ７２では、仮想密度が収束したか否かが判断される。すなわち、質量制約を、ある誤差範囲内で満足し、かつ、前ステップ処理の密度と現時点での仮想密度との相対誤差が特定の誤差範囲内か否かを判別する。 In the next step 72, it is determined whether or not the virtual density has converged. That is, it is determined whether the mass constraint is satisfied within a certain error range, and the relative error between the density of the previous step process and the current virtual density is within a specific error range.
全て誤差範囲内に収まる状態、すなわち、収束していると判別された場合は肯定判定されてステップ７４へ移行し、収束していないと判別された場合は、ステップ６８へ戻り、上記工程を繰り返す。 A state in which all are within the error range, that is, if it is determined that it has converged, an affirmative determination is made and the process proceeds to step 74. If it is determined that it has not converged, the process returns to step 68 and the above steps are repeated. .
ステップ７４では、トポロジー最適化演算結果を出力する。このステップ７４では、設計領域２４の各有限要素Ｅを対象として、仮想密度が１に近い要素ほど濃く表示し、仮想密度が０に近い要素ほど薄く表示し、必要な要素群（トポロジー）を可視化する。 In step 74, the topology optimization calculation result is output. In this step 74, for each finite element E in the design area 24, an element whose virtual density is close to 1 is displayed darker, an element whose virtual density is close to 0 is displayed lighter, and a necessary element group (topology) is visualized. To do.
一例として、図９に示される如く、０．５を仮想密度の制約値とし、仮想密度が０．５以上の場合は有限要素Ｅを黒色に表示し、０．５未満の場合は有限要素Ｅを白色表示する。なお、非設計領域（パイプ１０）は斜線表示する。 As an example, as shown in FIG. 9, 0.5 is set as a virtual density constraint value. When the virtual density is 0.5 or more, the finite element E is displayed in black, and when it is less than 0.5, the finite element E is displayed. Is displayed in white. The non-design area (pipe 10) is indicated by hatching.
この実施例では、図５に示す連結対象部材として３本のパイプ１０を、三角形の頂点に対応させて配置した状態で最適な形状の連結構造体を、トポロジー最適化演算で構築する。 In this embodiment, a connection structure having an optimal shape is constructed by topology optimization calculation in a state where the three pipes 10 are arranged as the connection target members shown in FIG.
まず、図６に示される如く、３本のパイプ１０を被覆するように、設計領域２４を設定する。一般的には、設計領域２４として必要となる部材は不明であるため、ある程度設計領域２４は大きく設定することが好ましい。なお、この場合、パイプ１０（その内方）は、非設計領域となる。 First, as shown in FIG. 6, the design region 24 is set so as to cover the three pipes 10. In general, since a member required as the design region 24 is unknown, it is preferable to set the design region 24 large to some extent. In this case, the pipe 10 (inward thereof) is a non-design area.
次に、図６（Ｃ）に示される如く、設計領域２４に対する境界条件として、左端を固定側、右端を荷重側に設定し、設計領域２４の材料特性（使用材料、密度、ヤング率等）を設定する。 Next, as shown in FIG. 6C, as the boundary conditions for the design region 24, the left end is set to the fixed side and the right end is set to the load side, and the material properties (material used, density, Young's modulus, etc.) of the design region 24 Set.
通常はこの条件でトポロジー最適化演算を実行することになるが、当該条件の下でのトポロジー最適化演算では、３本のパイプ１０の軸線方向に亘り設計領域２４が隙間なく結合された解析結果となる。この構造は、当然、境界条件はクリアしているが、本実施例では、さらに連結構造体の軽量化を図るべく、入力装置１００Ｆ（又はＩ／Ｆ１００Ｈ）からの境界条件の１つとして、連結のための構造種類を選択することを可能としている。 Normally, the topology optimization operation is executed under this condition. However, in the topology optimization operation under this condition, the analysis result in which the design regions 24 are coupled without gaps in the axial direction of the three pipes 10. It becomes. Of course, this structure clears the boundary condition, but in this embodiment, in order to further reduce the weight of the connection structure, as one of the boundary conditions from the input device 100F (or I / F 100H), the connection is performed. It is possible to select the structure type for.
例えば、連結構造には、トラス構造、アーチ構造、シェル構造等があり、例えば、出力装置１００Ｇとして接続されたモニタに、一覧表として表示し、入力装置１００Ｆとして接続されたマウスで所望の構造種類にポインタを合わせ、クリック操作することで、選択が可能である。なお、本実施例では、トラス構造を選択した。 For example, the connecting structure includes a truss structure, an arch structure, a shell structure, and the like. For example, the structure is displayed as a list on a monitor connected as the output device 100G, and a desired structure type is displayed with a mouse connected as the input device 100F. The selection can be made by placing the pointer on and clicking. In this embodiment, the truss structure is selected.
トラス構造は、基本は棒状の部材を三角形に組み上げることで、曲げモーメントを軸力に変換することで、連結部材には軸力のみが働くようになり、荷重は節点にのみ加わることが知られている。 It is known that the truss structure is basically a rod-shaped member assembled into a triangle, and the bending moment is converted into an axial force, so that only the axial force acts on the connecting member, and the load is applied only to the node. ing.
例えば、２本の棒状の部材（二辺）をＶ字型に連結（頂点）すると、二辺の頂点に各種の荷重が作用し、当該荷重は二辺の軸方向に分解され、その分力が軸方向力となる。このため、三角形に組み上げることが最も安定した構造となり得る。 For example, when two rod-shaped members (two sides) are connected in a V shape (vertex), various loads act on the apexes of the two sides, and the loads are decomposed in the axial direction of the two sides, and the component force Becomes the axial force. For this reason, assembling into a triangle can be the most stable structure.
本実施例において、トラス構造が選択されると、形状最適化解析装置１００は、パイプ１０の軸方向に亘り、意図的に設計領域２４と連結しない箇所を自動的に設定する。すなわち、厚さゼロの亀裂２４Ａである。 In the present embodiment, when a truss structure is selected, the shape optimization analysis apparatus 100 automatically sets a portion that is not intentionally connected to the design region 24 in the axial direction of the pipe 10. That is, the crack 24A has a thickness of zero.
設計領域２４が、選択された連結構造種類に最も近い形状になるために、例えば、ＨＤＤ１００Ｉに、連結構造種類と、連結可能領域及び不可領域の区画パターンとの関係を示すテーブルを予め記憶しておき、選択（特定）された構造種類（ここでは、トラス構造）に基づいて区画パターンを読み出し、節点番号を調整する。 In order for the design area 24 to have the shape closest to the selected connected structure type, for example, a table indicating the relationship between the connected structure type and the partition patterns of the connectable area and the unusable area is stored in advance in the HDD 100I. Then, the division pattern is read out based on the selected (identified) structure type (in this case, the truss structure), and the node number is adjusted.
この結果、設計領域２４は、３本のパイプ１０を支持するべく、三角形を基礎形状とした密度分布（図９参照）となる。 As a result, the design region 24 has a density distribution (see FIG. 9) having a triangular base shape so as to support the three pipes 10.
なお、本実施例では、出力装置１００Ｇ（モニタ）において、図９に示すような部分的な連結構造体の画像を表示するようにしたが、さらに、画像処理を駆使して、図１０に示される如く、最終的な連結構造体の設計図画像を表示するようにしてもよい。図１０は斜視図であるが、６面図であってもよい。 In the present embodiment, the output device 100G (monitor) displays an image of a partial connection structure as shown in FIG. 9, but further, the image processing is shown in FIG. As shown, a final design drawing image of the connecting structure may be displayed. Although FIG. 10 is a perspective view, it may be a six-sided view.
なお、図１０は、最終的な連結構造体の設計図画像として表示したが、トポロジー最適化演算結果の生データに基づく有限要素の分布画像を表示してもよい。 Although FIG. 10 is displayed as a final design image of a connected structure, a finite element distribution image based on the raw data of the topology optimization calculation result may be displayed.
また、図９及び図１０の画像は、モニタに限らず、記録用紙にプリントアウトしてもよい。さらには、３Ｄプリンタにより立体構造を構築してもよい。 Further, the images of FIGS. 9 and 10 are not limited to the monitor, and may be printed out on a recording sheet. Furthermore, a three-dimensional structure may be constructed by a 3D printer.
なお、本実施の形態では、連結対象の部材として、円筒形状のパイプ１０を例にとり説明したが、円筒形状のパイプ１０に限らず、多角形状の筒体や内部に空間がない多角柱であってもよい。また、軸直角方向の断面が閉断面に限らず、開断面構造の部材であってもよい。さらには、閉断面部分と開断面部分が軸方向で混在している部材であってもよい。 In the present embodiment, the cylindrical pipe 10 has been described as an example of a member to be connected. However, the cylindrical pipe 10 is not limited to the cylindrical pipe 10 and may be a polygonal cylinder or a polygonal column having no space inside. May be. Further, the cross section in the direction perpendicular to the axis is not limited to the closed cross section, and may be a member having an open cross section structure. Furthermore, a member in which a closed cross-section portion and an open cross-section portion are mixed in the axial direction may be used.
Ｅ（ＥＡ、ＥＢ） 有限要素
１０ パイプ（部材）
１２ 連結対象部材受付部（受付手段）
１４ 設計領域情報受付部（受付手段）
１６ 解析条件受付部１６（受付手段）
１８ 連結対象部材情報メモリ
２０ 設計領域情報メモリ
２２ 設計領域仮設定部（仮設定手段）
２４ 設計領域
２４Ａ 亀裂
２６ 境界条件情報メモリ
２８ 連結領域情報メモリ
３０ 連結構造解析部（演算手段）
３２ 境界処理部（仮想条件設定手段）
３４ 形状解析部（判定手段）
３６ 仮想密度制約値メモリ
３８ 仮想密度制約値設定部
４０ 形状解析情報出力部（報知手段）
１００ 形状最適化解析装置
１００Ａ ＣＰＵ
１００Ｂ ＲＡＭ
１００Ｃ ＲＯＭ
１００Ｄ Ｉ／Ｏ
１００Ｅ バス
１００Ｆ 入力装置
１００Ｇ 出力装置（報知手段）
１００Ｈ Ｉ／Ｆ
１００Ｉ ハードディスク
１００Ｊ 通信回線網
E (EA, EB) Finite element 10 Pipe (member)
12 Connection target member receiving section (receiving means)
14 Design area information reception part (reception means)
16 Analysis condition receiving unit 16 (receiving means)
18 connection target member information memory 20 design area information memory 22 design area temporary setting unit (temporary setting means)
24 Design area 24A Crack 26 Boundary condition information memory 28 Link area information memory 30 Link structure analysis unit (calculation means)
32 Boundary processing unit (virtual condition setting means)
34 Shape analysis unit (determination means)
36 Virtual density constraint value memory 38 Virtual density constraint value setting unit 40 Shape analysis information output unit (notification means)
100 shape optimization analysis apparatus 100A CPU
100B RAM
100C ROM
100D I / O
100E bus 100F input device 100G output device (notification means)
100H I / F
100I hard disk 100J communication network
Claims (15)
前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定する仮設定手段と、
前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定する仮想条件設定手段と、
前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する演算手段と、
を有する形状最適化解析装置。 Boundary conditions including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information about a connection structure in which the plurality of members are connected, and the plurality of members Receiving means for receiving the material properties of the material connecting
As a temporary area for constructing the connection structure, a space that covers the plurality of members is provisionally set as a design area, and each unit element area set in the design area represents a degree necessary for the design area. Temporary setting means for setting an initial value of density;
Based on the basic information, at a boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected, and a non-connectable area where the connection is impossible Virtual condition setting means for setting partitioned virtual conditions;
Based on the basic information and the virtual condition, from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region, computing means for computing the virtual density of each unit element region;
A shape optimization analysis apparatus.
前記仮想条件設定手段は、連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の形状最適化解析装置。 The basic information includes information for identifying a connected structural type including at least a truss structure;
4. The virtual condition setting unit selects a virtual condition corresponding to the specified connected structure type from virtual conditions predetermined for each connected structure type. 5. Shape optimization analyzer.
前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定し、
前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定し、
前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する、
形状最適化解析方法。 Boundary conditions including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information about a connection structure in which the plurality of members are connected, and the plurality of members Accept the material properties of the material to connect,
As a temporary area for constructing the connection structure, a space that covers the plurality of members is provisionally set as a design area, and each unit element area set in the design area represents a degree necessary for the design area. Set the initial density,
Based on the basic information, at a boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected, and a non-connectable area where the connection is impossible Set the partitioned virtual condition,
Based on the basic information and the virtual condition, from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region, to calculate the virtual density of each unit element region,
Shape optimization analysis method.
連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択する請求項６〜請求項８の何れか１項記載の形状最適化解析方法。 The basic information includes information for identifying a connected structural type including at least a truss structure;
The shape optimization analysis method according to claim 6, wherein a virtual condition corresponding to the specified connected structure type is selected from virtual conditions predetermined for each connected structure type.
前記連結構造体を構築する仮領域として、前記複数の部材を被覆する空間を設計領域に仮設定し、前記設計領域に設定した単位要素領域毎に、前記設計領域として必要である度合いを表す仮想密度の初期値を設定し、
前記基礎情報に基づいて、前記部材と前記設計領域との境界に、前記部材と前記設計領域との連結が可能な連結可能領域と、当該連結を不可とする連結不可領域と、に仮想的に区画した仮想条件を設定し、
前記基礎情報と前記仮想条件とに基づいて、前記設計領域に設定した単位要素領域毎の有限要素解析の結果から、各単位要素領域の仮想密度を演算する、
ことをコンピュータに実行させる形状最適化解析プログラム。 Boundary conditions including at least a fixing condition for fixing the plurality of members and an external force condition for applying an external force to the plurality of members as basic information about a connection structure in which the plurality of members are connected, and the plurality of members Accept the material properties of the material to connect,
As a temporary area for constructing the connection structure, a space that covers the plurality of members is provisionally set as a design area, and each unit element area set in the design area represents a degree necessary for the design area. Set the initial density,
Based on the basic information, at a boundary between the member and the design area, a connectable area where the member and the design area can be connected, and a non-connectable area where the connection is impossible Set the partitioned virtual condition,
Based on the basic information and the virtual condition, from the result of finite element analysis for each unit element region set in the design region, to calculate the virtual density of each unit element region,
A shape optimization analysis program that causes a computer to execute this.
連結構造種毎に予め定めた仮想条件の中から、前記特定された連結構造種に対応する仮想条件を選択する、ことをコンピュータにさらに実行させる請求項１１〜請求項１３の何れか１項記載の形状最適化解析プログラム。 The basic information includes information for identifying a connected structural type including at least a truss structure;
14. The computer according to claim 11, further causing the computer to select a virtual condition corresponding to the identified connected structure type from virtual conditions predetermined for each connected structure type. 15. Shape optimization analysis program.
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