JP2019074940A - 積層複合部材の形状最適化解析方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本発明において形状最適化とは、予め所定の形状、例えばT字形状を想定し、その所定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適な形状を求めることを意味する。
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り、車体の軽量化や剛性の向上などといった車体性能の向上が図られることが知られており、これらの最適化技術は、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。
トポロジー最適化とは、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を求める方法である。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。
構造体モデルは、構造体の一部に該構造体と異なる材料である積層複合部材を結合するに際し、平面要素及び/又は立体要素を用いて前記構造体をモデル化したものであり、本実施の形態では、構造体モデルの一例として、図2に示す車体モデル31を対象としている。
次に、本実施の形態に係る積層複合部材の形状最適化解析装置1(以下、単に「形状最適化解析装置1」という)の構成について、図1〜図8に基づいて以下に説明する。
そして、表示装置3、入力装置5、記憶装置7及び作業用データメモリ9は、演算処理部11に接続され、演算処理部11からの指令によってそれぞれの機能が実行される。
表示装置3は、解析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5は、構造体モデルファイル21の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。
記憶装置7は、構造体モデルファイル21等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。
作業用データメモリ9は、演算処理部11で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、RAM(Random Access Memory)等で構成される。
演算処理部11は、図1に示すように、設計空間設定部13と、積層ブロックモデル生成部15と、結合処理部17と、最適化解析部19を有し、PC等のCPU(中央演算処理装置)によって構成される。これらの各部は、CPUが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部11における上記の各部の機能を以下に説明する。
設計空間設定部13は、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ものであり、構造体モデルにおいて最適化の対象とする一部分を削除し、該削除した部分に設計空間を設定する。
積層ブロックモデル生成部15は、設定した設計空間41に、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層が積層した積層ブロックモデル43を生成するものである。ここで、積層ブロックモデル43は、積層複合部材をモデル化したものであり、最適化の解析処理を行う対象となる。
図3は、車体モデル31を車体高さ方向の下側から表示したもの、図4は、積層ブロックモデル43の外層部43aと内層部43bをそれぞれ表示したもの、図5は、積層ブロックモデル43における車体幅方向に直交する断面図である。
なお、モデル化の対象となる積層複合部材の各層を構成する材料が、例えばFRPのようにその材料特性が面内異方性を有する場合においては、積層ブロックモデル43の外層部43aおよび内層部43bそれぞれの材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、該主軸角度に対応する前記材料特性の値を設定することで、面内異方性を設定することができる。また、外層部43aと内層部43bの層ごとに主軸角度を設定することも可能である。
ここで、設計空間41が設定された周囲の面とは、設計空間41を設定しようとする部位における部品(本実施の形態においてはリアクロスメンバ)の面であり、設計空間の最大面積を持つ面とは、前記周囲の面のうち、その面積が最大のものをいう。
結合処理部17は、生成した積層ブロックモデル43を、車体モデル31における他の部位に結合する処理を行うものである。積層ブロックモデル43と車体モデル31との結合には、剛体要素、平面要素、梁要素を用いることができる。
最適化解析部19は、積層ブロックモデル43を結合した車体モデル31に対して解析条件を与え、積層ブロックモデル43の最適な形状を求める最適化解析を行うものである。
解析条件としては、荷重を付加する位置や拘束位置を与える荷重条件と、最適化解析の目的や制約に応じて設定する目的条件および制約条件とがある。
なお、図6および図7に示す荷重条件においては、拘束位置が設定されていないが、本実施の形態では、慣性リリーフ法により、車体モデル31に作用する慣性力の座標の基準となる支持点において車体モデル31が支持された状態を想定して最適化解析を行う。
さらに、最適化解析における制約条件としては、例えば、最適化解析の対象とする積層ブロックモデル43の体積制約率などがあり、制約条件は、複数設定可能である。
そして、体積制約率については、積層ブロックモデル43全体、または、積層ブロックモデル43の各層(例えば、図4および図5に示す外層部43aと内層部43bの各層)に対して個別に与えることができる。
トポロジー最適化においては、最適化パラメータとしてペナルティ係数を与えて離散化することが好ましい。離散化におけるペナルティ係数として2以上の値、または、基準となる立体要素のサイズの3〜20倍の値に制限することが好ましい。
ペナルティ係数を与えて離散化することで、最適な形状として求められた積層ブロックモデルを薄板の構造体形状に反映することが可能となる。
次に、本実施の形態に係る積層複合部材の形状最適化解析方法(以下、単に「形状最適化解析方法」という)について説明する。
以下、構造体モデルの一例として図2に示す車体モデル31を対象とする場合について、上記の各ステップを説明する。なお、本実施の形態に係る形状最適化解析方法は、上記の各ステップをコンピュータによって構成された形状最適化解析装置1(図1参照)を用いて実行することができる。
設計空間設定ステップS1は、図2に示すように、車体モデル31における最適化の対象となる部分を層状に積層する設計空間41として設定するステップであり、形状最適化解析装置1においては、設計空間設定部13が行う。
積層ブロックモデル生成ステップS3は、設計空間設定ステップS1において設定した設計空間41に、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層(例えば、図4および図5に示す外層部43aおよび内層部43b)が積層した積層ブロックモデル43を生成するステップであり、形状最適化解析装置1においては、積層ブロックモデル生成部15が行う。
結合処理ステップS5は、積層ブロックモデル生成ステップS3において生成した積層ブロックモデル43を車体モデル31に結合するステップであり、形状最適化解析装置1においては、積層ブロックモデル生成部15が行う。
最適化解析ステップS7は、結合処理ステップS5において積層ブロックモデル43を結合した車体モデル31に対して解析条件を入力し、積層ブロックモデル43の形状が最適化された最適形状45(図8)を求める最適化解析を行うステップであり、形状最適化解析装置1においては、最適化解析部19が行う。
この場合、設計空間設定ステップS1における複数の設計空間の設定方法は、前述の設計空間設定部13と同様の方法を用いることができる。
本実施例では、図2に示す車体モデル31を構成する部品であるリアクロスメンバおよびリアサイドメンバのそれぞれについて積層複合部材でモデル化し、その最適な形状を求める最適化解析を行った。
ここで、積層ブロックモデル43と車体モデル31とは、積層ブロックモデル43の立体要素とにより結合した。
また、最適化解析を行うために、積層ブロックモデル43を結合した車体モデル31に対し、解析条件として荷重条件と最適化解析条件(目的条件および制約条件)を与えた。
これに対し、外層部43aの材質にAl合金を用いたCase2においては、本実施例の範囲内では、最も剛性向上率が小さい結果となった。これは、外周部に相当する外層部にヤング率の低い材質を用いたことが原因であると思われる。
リアサイドメンバについて最適化解析を行なう場合においても、まず、車体モデル31に設計空間を設定した。リアサイドメンバの場合においては、車体モデル31に元々含まれていたリアサイドメンバが接合していたリアバンパ部39を削除し、フロアパネル33に沿った形状の面と、車体長さ方向の先端部が接続するサイドシル37の形状に沿った面と、車体長さ方向の後端部が接続するリアバンパ部39の形状に沿った面と、元々のリアサイドメンバの形状に基づいて定めた面とで囲まれる設計空間とした。
また、図22〜図27において、(a)は最適形状外層部53aと最適形状内層部53bを合わせた残存状態を表示し、(b)は最適形状外層部53aのみを表示したもの、(c)は最適形状内層部53bのみを表示したものである。
また、図28および図29の凡例において、「全体」は、制約条件として積層ブロックモデル51全体に対して体積制約率を設定、「各層個別」は、制約条件として積層ブロックモデル51の外層部51aと内層部51bのそれぞれに対して体積制約率を設定したことを表す。
これに対し、最適形状外層部53aの材質がAl合金であるCase2は、今回の実施例の範囲内では最も剛性向上率が小さい結果となった。これは、Al合金のヤング率が低いことが原因と思われる。
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
11 演算処理部
13 設計空間設定部
15 積層ブロックモデル生成部
17 結合処理部
19 最適化解析部
21 構造体モデルファイル
31 車体モデル
33 フロアパネル
35 リアサイドメンバ
37 サイドシル
39 リアバンパ部
41 リアクロスメンバの設計空間
43 積層ブロックモデル
43a 外層部
43b 内層部
45 最適形状
45a 最適形状外層部
45b 最適形状内層部
51 積層ブロックモデル
51a 外層部
51b 内層部
53 最適形状
53a 最適形状外層部
53b 最適形状内層部
Claims (18)
- 平面要素、または平面要素と立体要素からなる車体の構造体モデルの一部分を、積層複合部材でモデル化し、該モデル化した積層複合部材の形状の最適化解析を行う積層複合部材の形状最適化解析方法であって、コンピュータが以下の各ステップを行うものであり、
前記車体の構造体モデルにおける最適化の対象となる一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、
該設定した設計空間に、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層が積層した積層ブロックモデルを生成する積層ブロックモデル生成ステップと、
該生成した積層ブロックモデルを前記車体の構造体モデルの一部分に結合する結合処理ステップと、
解析条件を入力し、前記積層ブロックモデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記積層ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を備えたことを特徴とする積層複合部材の形状最適化解析方法。 - 平面要素、または平面要素と立体要素からなる車体の構造体モデルの一部分を、積層複合部材でモデル化し、該モデル化した積層複合部材の形状の最適化解析を行う積層複合部材の形状最適化解析方法であって、コンピュータが以下の各ステップを行うものであり、
前記車体の構造体モデルにおける最適化の対象となる一部分を層状に積層する複数の設計空間として設定する設計空間設定ステップと、
該設定した設計空間毎に異なる材料特性を与えて立体要素からなる層状ブロックモデルを生成し、該設計空間毎に生成した層状ブロックモデルを結合して前記立体要素からなる積層ブロックモデルを生成する積層ブロックモデル生成ステップと、
該生成した積層ブロックモデルを前記車体の構造体モデルに結合する結合処理ステップと、
解析条件を入力し、前記積層ブロックモデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記積層ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を備えたことを特徴とする積層複合部材の形状最適化解析方法。 - 前記積層ブロックモデルは、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層を、剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結、又は、前記複数の層の節点を共有させて連結してなることを特徴とする請求項1記載の積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記積層ブロックモデルは、複数の設計空間毎に生成した立体要素からなる層状ブロックモデルを剛体要素、梁要素または平面要素を用いて又は、前記層状ブロックモデルの節点を共有させて連結してなることを特徴とする請求項2記載の積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記積層ブロックモデルは、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からな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積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記積層ブロックモデルは、前記車体の構造体モデルの一部分における前記設計空間が設定された周囲の面と平行になる面が最大面積となるように生成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積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記積層ブロックモデルは、前記車体の構造体モデルの一部分の平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、前記積層ブロックモデルの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6のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記最適化解析ステップは、最適化解析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7のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 前記最適化解析ステップは、トポロジー最適化による最適化解析を行う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積層複合部材の形状最適化解析方法。
- 平面要素、または平面要素と立体要素からなる車体の構造体モデルの一部分を、積層複合部材でモデル化し、該モデル化した積層複合部材の形状の最適化解析を行う積層複合部材の形状最適化解析装置であって、
前記車体の構造体モデルにおける最適化の対象となる一部分を設計空間として設定する設計空間設定部と、
該設定した設計空間に、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層が積層した積層ブロックモデルを生成する積層ブロックモデル生成部と、
該生成した積層ブロックモデルを前記車体の構造体モデルの一部分に結合する結合処理部と、
解析条件を入力し、前記積層ブロックモデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記積層ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析部と、を備えたことを特徴とする積層複合部材の形状最適化解析装置。 - 平面要素、または平面要素と立体要素からなる車体の構造体モデルの一部分を、積層複合部材でモデル化し、該モデル化した積層複合部材の形状の最適化解析を行う積層複合部材の形状最適化解析装置であって、
前記車体の構造体モデルにおける最適化の対象となる一部分を層状に積層する複数の設計空間として設定する設計空間設定部と、
該設定した設計空間毎に異なる材料特性を与えて立体要素からなる層状ブロックモデルを生成し、該設計空間毎に生成した層状ブロックモデルを結合して前記立体要素からなる積層ブロックモデルを生成する積層ブロックモデル生成部と、
該生成した積層ブロックモデルを前記車体の構造体モデルの一部分に結合する結合処理部と、
解析条件を入力し、前記積層ブロックモデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記積層ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析部と、を備えたことを特徴とする積層複合部材の形状最適化解析装置。 - 前記積層ブロックモデルは、立体要素からなり材料特性の異なる複数の層を、剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結、又は、前記複数の層の節点を共有させて連結したものであることを特徴とする請求項10記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記積層ブロックモデルは、複数の設計空間毎に生成した立体要素からなる層状ブロックモデルを、剛体要素、梁要素または平面要素を用いて連結、又は、前記層状ブロックモデルの節点を共有させて連結したものであることを特徴とする請求項11記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記積層ブロックモデルは、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からなることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記積層ブロックモデルは、前記車体の構造体モデルの一部分における前記設計空間が設定された周囲の面と平行になる面が最大面積となるように生成することを特徴とする請求項10乃至14のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記積層ブロックモデルは、前記車体の構造体モデルの一部分の平面要素または立体要素との結合部に節点を配置し、前記積層ブロックモデルの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10乃至15のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記最適化解析部は、最適化解析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10乃至16のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
- 前記最適化解析部は、トポロジー最適化による最適化解析を行うことを特徴とする請求項10乃至17のいずれか一項に記載の積層複合部材の形状最適化解析装置。
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