JP2020144425A - Analysis device, analysis method, and analysis program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、解析装置、解析方法、および解析プログラムに関する。 Embodiments of the present invention relate to an analyzer, an analysis method, and an analysis program.
近年、積層造形技術が注目を集めている。金属材料を原料とする積層造形技術は、熱源として電子ビーム又はレーザ光を用いて金属粉末や金属ワイヤを繰り返し溶融し凝固させることで３ＤＣＡＤ（three-dimensional computer-aided design）モデルから製品を直接製造できるという特徴を有する。加えて、材料に粉末を用いれば格子形状やメッシュ形状などを部品に付帯することができ、従来の加工技術では実現困難であった形状が製造可能となる。 In recent years, laminated modeling technology has been attracting attention. Laminated molding technology using metal materials as a raw material manufactures products directly from a 3D CAD (three-dimensional computer-aided design) model by repeatedly melting and solidifying metal powder and metal wires using an electron beam or laser beam as a heat source. It has the feature of being able to do it. In addition, if powder is used as the material, a lattice shape, a mesh shape, or the like can be attached to the part, and a shape that has been difficult to realize by the conventional processing technology can be manufactured.
その一方で、造形時に生じる変形や残留応力が寸法精度などの造形品質に影響を及ぼすことが知られている。変形の原因は造形中に繰り返し生じる熱ひずみであり、構造物全体が溶融凝固で形成される積層造形技術では、変形は特に重要な課題と考えられている。 On the other hand, it is known that deformation and residual stress generated during modeling affect the modeling quality such as dimensional accuracy. The cause of deformation is thermal strain that repeatedly occurs during modeling, and deformation is considered to be a particularly important issue in laminated modeling technology in which the entire structure is formed by melt solidification.
変形を抑制する対策の一つとして、変形を抑制するサポート構造物が造形物本体と一緒に造形される。サポート構造物は、ベースプレートと造形物本体との間や造形物本体の部分間に配置され、最終的には加工で取り外されるため、合理的な形状とすることが求められる。例えば、変形が大きい場所には剛性の大きい中実構造を採用し、変形が小さい場所には板や格子などの剛性が低い構造を採用することが求められる。このように構造を合理化するためには、変形や応力の解析を用いた評価が有効であり、例えば有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による解析（以下、「ＦＥＭ解析」と称す。）を用いて、固有ひずみ法による検討を行うことが有効と考えられる。 As one of the measures to suppress deformation, a support structure for suppressing deformation is formed together with the main body of the modeled object. Since the support structure is arranged between the base plate and the main body of the modeled object or between the main body of the modeled object and is finally removed by processing, it is required to have a rational shape. For example, it is required to adopt a solid structure having high rigidity in a place where deformation is large, and to adopt a structure having low rigidity such as a plate or a lattice in a place where deformation is small. In order to rationalize the structure in this way, evaluation using deformation and stress analysis is effective. For example, analysis by the Finite Element Method (FEM) (hereinafter referred to as "FEM analysis") is performed. It is considered effective to use the natural strain method for examination.
しかしながら、サポート構造物の構造が複雑な形状となる場合には、形状通りにＦＥＭモデルを構築すると、要素数が膨大なものとなり、その結果、解析が実用的な時間で行えなくなるという問題がある。 However, when the structure of the support structure has a complicated shape, if the FEM model is constructed according to the shape, the number of elements becomes enormous, and as a result, there is a problem that the analysis cannot be performed in a practical time. ..
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、構造物の解析時間を低減することを可能にする、解析装置、解析方法、および解析プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an analysis device, an analysis method, and an analysis program capable of reducing the analysis time of a structure.
実施形態の解析装置は、積層造形物として造形される造形物本体のデータおよび当該造形物本体を支持する１つ又は複数の部材から成るサポート構造物のデータを受け付ける構造受付手段と、前記サポート構造物のデータを用いて、前記サポート構造物が存在する領域全てを含み当該サポート構造物よりも面数の少ない三次元領域を定義する領域定義手段と、前記領域定義手段により定義された領域のデータを当該領域に位置する中実構造物のデータに置換する領域置換手段と、前記造形物本体に対する前記サポート構造物の剛性と前記中実構造物の剛性とが等しくなるように当該中実構造物の剛性を計算する等価剛性解析手段と、前記造形物本体および前記中実構造物のモデルを構築するモデル構築手段と、前記モデル構築手段により構築されたモデルと前記等価剛性解析手段により計算された中実構造物の剛性を示す物性値とを用いて、固有ひずみ法により前記造形物本体の変位量もしくは応力値を求める固有ひずみ法解析手段と、を具備する。 The analysis device of the embodiment includes a structure receiving means for receiving data of a modeled object main body to be modeled as a laminated model and data of a support structure composed of one or a plurality of members supporting the modeled object body, and the support structure. Area defining means for defining a three-dimensional area including the entire area where the support structure exists and having a smaller number of faces than the support structure using the data of the object, and data of the area defined by the area defining means. The region replacing means for replacing the data of the solid structure located in the region, and the solid structure so that the rigidity of the support structure with respect to the model body and the rigidity of the solid structure are equal to each other. It was calculated by the equivalent rigidity analysis means for calculating the rigidity of the model, the model construction means for constructing the model of the model body and the solid structure, the model constructed by the model construction means, and the equivalent rigidity analysis means. It is provided with an intrinsic strain method analysis means for obtaining a displacement amount or a stress value of the modeled object body by an intrinsic strain method using a physical property value indicating the rigidity of a solid structure.
構造物の解析時間の低減が可能になる。 It is possible to reduce the analysis time of the structure.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
最初に、第１の実施形態について説明する。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described.
図１乃至図３を参照して、第１の実施形態に係る解析装置が使用する各種構造物の三次元形状を表す３ＤＣＡＤデータの例について説明する。 An example of 3D CAD data representing a three-dimensional shape of various structures used by the analysis apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
各図には、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３軸からなる３次元の座標系上にて表現されるデータの例が示されている。なお、図１乃至図３に示す例は、後述する第２の実施形態にも適用される。 Each figure shows an example of data represented on a three-dimensional coordinate system consisting of three axes of x-axis, y-axis, and z-axis. The examples shown in FIGS. 1 to 3 are also applied to the second embodiment described later.
図１は、解析の対象となる造形物本体Ｂおよびこれを支持するサポート構造物Ｓのデータの例を示す図である。また、図２は、サポート構造物Ｓのデータ全体が見えるように表した図である。 FIG. 1 is a diagram showing an example of data of a modeled object main body B to be analyzed and a support structure S supporting the modeled object main body B. Further, FIG. 2 is a diagram showing the entire data of the support structure S so as to be visible.
図１及び図２では、造形物本体Ｂを支持するサポート構造物Ｓを複数の部材で構成する場合を例示している。但し、サポート構造物Ｓは１個のみの部材で構成する場合もあり得る。 1 and 2 illustrate a case where the support structure S that supports the modeled object main body B is composed of a plurality of members. However, the support structure S may be composed of only one member.
サポート構造物Ｓは、積層造形される造形物本体Ｂの変形（変位）を抑制するため、造形物本体Ｂのいくつかの部分を支持する。 The support structure S supports some parts of the modeled object body B in order to suppress deformation (displacement) of the modeled object body B to be laminated.
図１及び図２の例では、サポート構造物Ｓが比較的単純な形状を成している場合を例示しているが、実際にはより複雑な形状を成す場合がある。サポート構造物Ｓは、材料の使用量や積層時間を低減しつつも一定以上の強度を実現できるよう、格子構造やシェル構造を含むように構成される場合がある。 In the examples of FIGS. 1 and 2, the case where the support structure S has a relatively simple shape is illustrated, but in reality, it may have a more complicated shape. The support structure S may be configured to include a lattice structure or a shell structure so as to achieve a certain level of strength or higher while reducing the amount of material used and the lamination time.
図３は、図１に示されるデータの置換後の造形物本体Ｂおよびこれを支持する中実構造物ＳＳのデータの例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing an example of data of the model body B after replacement of the data shown in FIG. 1 and the solid structure SS supporting the model body B.
中実構造物ＳＳは、後述する変形・応力解析における演算処理の負荷を軽くすべくサポート構造物Ｓをより単純な形状に置換したものである。この中実構造物ＳＳは、サポート構造物Ｓを構成する個々の部材が存在する領域全てを含み、サポート構造物Ｓよりも面数が少なくなるように構成される。図３の例では、中実構造物ＳＳが直方体を成す場合を例示している。 The solid structure SS replaces the support structure S with a simpler shape in order to reduce the load of arithmetic processing in the deformation / stress analysis described later. The solid structure SS includes the entire region in which the individual members constituting the support structure S exist, and is configured to have a smaller number of faces than the support structure S. In the example of FIG. 3, the case where the solid structure SS forms a rectangular parallelepiped is illustrated.
中実構造物ＳＳの形状は、サポート構造物Ｓの形状とは異なるが、造形物本体Ｂに対する中実構造物ＳＳの剛性は、造形物本体Ｂに対するサポート構造物Ｓの剛性と等しくなるように設定される。別の言い方をすると、中実構造物ＳＳにより支持される造形物本体Ｂの変位もしくは残留応力が、サポート構造物Ｓにより支持される造形物本体Ｂの変位もしくは残留応力と等しくなるように、中実構造物ＳＳの剛性が設定される。 The shape of the solid structure SS is different from the shape of the support structure S, but the rigidity of the solid structure SS with respect to the model body B is equal to the rigidity of the support structure S with respect to the model body B. Set. In other words, the displacement or residual stress of the model body B supported by the solid structure SS is equal to the displacement or residual stress of the model body B supported by the support structure S. The rigidity of the actual structure SS is set.
なお、サポート構造物Ｓは格子構造やシェル構造を含む場合があるが、中実構造物ＳＳは格子構造やシェル構造を含まない。また、サポート構造物Ｓは、個々の部材が存在する領域全てを含む領域を１つの構造物とみなすと、複雑な中空構造を有するものであると言えるが、中実構造物ＳＳは、中空ではなく中実な構造物である。 The support structure S may include a lattice structure or a shell structure, but the solid structure SS does not include a lattice structure or a shell structure. Further, it can be said that the support structure S has a complicated hollow structure when the region including the entire region where each member exists is regarded as one structure, but the solid structure SS is hollow. It is a solid structure.
図３では、中実構造物ＳＳを１つの部材で構成する場合を例示しているが、これに限らず、サポート構造物Ｓの形態や造形物本体Ｂの形態に応じて、中実構造物ＳＳを構成する部材の数を適宜変えてもよい。また、図３では、中実構造物ＳＳが直方体を成している場合を例示したが、これに限らず、サポート構造物Ｓの形態や造形物本体Ｂの形態に応じて、中実構造物ＳＳの形を適宜変えてもよい。 FIG. 3 illustrates a case where the solid structure SS is composed of one member, but the present invention is not limited to this, and the solid structure is not limited to this, depending on the form of the support structure S and the form of the model body B. The number of members constituting the SS may be appropriately changed. Further, FIG. 3 illustrates a case where the solid structure SS forms a rectangular parallelepiped, but the present invention is not limited to this, and the solid structure is not limited to this, depending on the form of the support structure S and the form of the model body B. The shape of SS may be changed as appropriate.
以下、図１乃至図３に示されるデータを使用する解析装置の機能や動作の例について説明する。 Hereinafter, examples of functions and operations of the analysis apparatus using the data shown in FIGS. 1 to 3 will be described.
図４は、第１の実施形態に係る解析装置を備えた情報処理装置の概略構成の一例を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an information processing apparatus including the analysis apparatus according to the first embodiment.
図４に示される情報処理装置は、例えばコンピュータにより実現され、入力部１、表示部２、および解析装置１０を有する。解析装置１０は、プロセッサやメモリを含めて実現される。 The information processing device shown in FIG. 4 is realized by, for example, a computer, and has an input unit 1, a display unit 2, and an analysis device 10. The analysis device 10 is realized including a processor and a memory.
解析装置１０は、パウダーベッドタイプの積層造形技術によって金属粉末などから造形される三次元積層造形物の変形・応力の解析を行うものである。解析装置１０に備えられる各種機能は、コンピュータに個々の処理を実行させるためのプログラムとして実現してもよい。 The analyzer 10 analyzes the deformation and stress of a three-dimensional laminated model formed from metal powder or the like by a powder bed type laminated modeling technique. Various functions provided in the analysis device 10 may be realized as a program for causing a computer to execute individual processes.
入力部１は、造形される三次元積層造形物に関わる本体情報、サポート情報、造形条件および材料物性値を入力して解析装置１０へ供給するものである。 The input unit 1 inputs main body information, support information, modeling conditions, and physical property values of materials related to the three-dimensional laminated model to be modeled and supplies them to the analysis device 10.
本体情報は、造形物本体Ｂの三次元形状を表すデータを含む。サポート情報は、サポート構造物Ｓの三次元形状を表すデータを含む。造形条件は、積層造形を行うときの条件を表すデータであり、例えば、熱源の出力、熱源の種類、ビームプロファイル、走査速度、走査シーケンス、ラインオフセット又は予熱などの条件を表すデータである。材料物性値は、例えば、材料の機械的物性値（ヤング率、耐力、線膨張係数など）および熱物性値（熱伝導率、比熱など）である。 The main body information includes data representing the three-dimensional shape of the modeled object main body B. The support information includes data representing the three-dimensional shape of the support structure S. The modeling conditions are data representing conditions when performing laminated modeling, for example, data representing conditions such as heat source output, heat source type, beam profile, scanning speed, scanning sequence, line offset, or preheating. The material physical property values are, for example, mechanical physical property values (Young's modulus, proof stress, linear expansion coefficient, etc.) and thermal physical property values (thermal conductivity, specific heat, etc.) of the material.
表示部２は、解析装置１０による変形、残留応力などを含む解析結果を表示出力するものである。当該解析の結果は、表示部２に表示出力されるほか、記憶媒体に記憶されたり、通信媒体を通じて他の装置へ送信されたりする場合もあり得る。 The display unit 2 displays and outputs an analysis result including deformation, residual stress, and the like by the analysis device 10. The result of the analysis may be displayed and output on the display unit 2, stored in a storage medium, or transmitted to another device through a communication medium.
解析装置１０は、構造受付部１１、領域定義部１２、領域置換部１３、等価剛性解析部１４、モデル構築部１５、固有ひずみ法解析部１６、データ記憶部１７等を備える。 The analysis device 10 includes a structure reception unit 11, a region definition unit 12, a region replacement unit 13, an equivalent rigidity analysis unit 14, a model construction unit 15, an intrinsic strain method analysis unit 16, a data storage unit 17, and the like.
構造受付部１１は、入力部１より造形物本体Ｂおよびサポート構造物Ｓの情報を受け付ける。受け付ける情報は、造形物本体Ｂおよびサポート構造物Ｓのそれぞれの三次元形状を表すデータを含む。 The structure receiving unit 11 receives information on the modeled object main body B and the support structure S from the input unit 1. The received information includes data representing the three-dimensional shapes of the model body B and the support structure S, respectively.
領域定義部１２は、構造受付部１１からサポート構造物Ｓの情報を受け取り、サポート構造物Ｓの存在領域を定義する。サポート構造物Ｓの存在領域は、当該サポート構造物を構成する部材が１つあるいは複数存在する領域であり、サポート構造物Ｓ全体を取り囲む領域である。この存在領域は、サポート構造物Ｓよりも面数が少ない三次元領域とする。 The area definition unit 12 receives the information of the support structure S from the structure reception unit 11 and defines the existing area of the support structure S. The existing area of the support structure S is an area in which one or a plurality of members constituting the support structure are present, and is an area surrounding the entire support structure S. This existing region is a three-dimensional region having a smaller number of faces than the support structure S.
サポート構造物Ｓが格子構造から成る場合には、格子構造の外枠で囲まれた領域が存在領域となり、シェル構造から成る場合には、シェルで囲まれた領域が存在領域となるようにしてもよい。また、サポート構造物Ｓの形状が周期対称性を有する場合、該当する領域をグルーピングしてもよい。その場合、後述する等価剛性解析を容易なものとすることが可能となる。 When the support structure S is composed of a lattice structure, the area surrounded by the outer frame of the lattice structure is the existing area, and when it is composed of the shell structure, the area surrounded by the shell is the existing area. May be good. Further, when the shape of the support structure S has periodic symmetry, the corresponding regions may be grouped. In that case, it becomes possible to facilitate the equivalent rigidity analysis described later.
領域置換部１３は、領域定義部１２から存在領域のデータを受け取り、受け取ったデータを当該領域に位置する中実な構造を有する中実構造物ＳＳのデータに置換するものである。 The area replacement unit 13 receives the data of the existing area from the area definition unit 12 and replaces the received data with the data of the solid structure SS having a solid structure located in the area.
等価剛性解析部１４は、構造受付部１１からサポート構造物Ｓのデータを受け取ると共に、領域置換部１３から中実構造物ＳＳのデータを受け取り、これらのデータを用いて、造形物本体Ｂに対するサポート構造物Ｓの剛性と中実構造物ＳＳの剛性とが等しくなるように当該中実構造物ＳＳの剛性をＦＥＭ解析にて算出するものである。 The equivalent rigidity analysis unit 14 receives the data of the support structure S from the structure reception unit 11 and the data of the solid structure SS from the region replacement unit 13, and uses these data to support the model body B. The rigidity of the solid structure SS is calculated by FEM analysis so that the rigidity of the structure S and the rigidity of the solid structure SS are equal to each other.
この等価剛性解析部１４は、造形物本体Ｂとサポート構造物Ｓとの組合せ（例えば、造形物本体Ｂの一部とサポート構造物Ｓの全体もしくは一部）、及び、造形物本体Ｂと中実構造物ＳＳとの組合せ（例えば、造形物本体Ｂの一部と中実構造物ＳＳの全体もしくは一部）、の２種類のＦＥＭ解析モデルを構築した上で、両モデルを用いて等価剛性解析を行う機能を有する。 The equivalent rigidity analysis unit 14 is a combination of the modeled object body B and the support structure S (for example, a part of the modeled object body B and the whole or a part of the support structure S), and the modeled object body B and the middle. After constructing two types of FEM analysis models, which are a combination with the actual structure SS (for example, a part of the model body B and the whole or a part of the solid structure SS), the equivalent rigidity is used using both models. It has a function to perform analysis.
また、この等価剛性解析部１４は、上記２種類のＦＥＭ解析モデルのそれぞれに対して、造形物本体Ｂの一部に各成分の単位荷重もしくは単位変位を負荷し、両モデルの造形物本体Ｂの変位もしくは残留応力が等しくなる中実構造物ＳＳの弾性剛性マトリクスを導出する機能を有する。 Further, the equivalent rigidity analysis unit 14 applies a unit load or a unit displacement of each component to a part of the model body B for each of the above two types of FEM analysis models, and the model body B of both models. It has a function of deriving an elastic stiffness matrix of a solid structure SS having the same displacement or residual stress.
サポート構造物Ｓ及び中実構造物ＳＳのモデル化範囲は、形状の周期対称性に依存し、対称性が大きい程、解析モデルは小さくすることが可能となる。例えば、サポート構造物が格子形状である場合、ＦＥＭモデル化されるのは単位格子の範囲とすることができる。 The modeling range of the support structure S and the solid structure SS depends on the periodic symmetry of the shape, and the larger the symmetry, the smaller the analysis model can be. For example, if the support structure is grid-shaped, the FEM model can be in the range of the unit grid.
なお、等価剛性を解析する方法は上記した方法に限らず、その他の例えば理論的な計算を行うことによっても等価剛性を求めることができる。 The method for analyzing the equivalent rigidity is not limited to the above method, and the equivalent rigidity can be obtained by performing other theoretical calculations, for example.
モデル構築部１５は、構造受付部１１から造形物本体Ｂのデータを受け取ると共に、領域置換部１３から中実構造物ＳＳのデータを受け取り、これらのデータを用いて、固有ひずみ法解析部１６で使用するＦＥＭ解析モデルを構築するものである。ここでは、造形物本体Ｂと中実構造物ＳＳとがモデル化される。要素タイプに制限はなく、テトラ（tetra）要素もしくはボクセル（voxel）要素などを選択することができる。中実構造物ＳＳは格子構造やシェル構造でないため、サポート構造物Ｓをモデル化した場合よりも、要素サイズを大きくすることができ、要素数を大きく削減することができる。 The model construction unit 15 receives the data of the model body B from the structure reception unit 11 and the data of the solid structure SS from the region replacement unit 13, and uses these data in the intrinsic strain method analysis unit 16. It builds the FEM analysis model to be used. Here, the model body B and the solid structure SS are modeled. There is no limitation on the element type, and a tetra element or a voxel element can be selected. Since the solid structure SS is not a lattice structure or a shell structure, the element size can be increased and the number of elements can be significantly reduced as compared with the case where the support structure S is modeled.
固有ひずみ法解析部１６は、モデル構築部１５から造形物本体Ｂおよび中実構造物ＳＳのＦＥＭ解析モデルを受け取ると共に、等価剛性解析部１４から中実構造物ＳＳの剛性を示す物性値を受け取り、さらにデータ記憶部１７から固有ひずみε＊（塑性ひずみ、熱ひずみ等）の値を受け取り、それらを用いて、固有ひずみ法による変形・応力解析を行い、造形物本体Ｂの変形（変位量）もしくは残留応力（応力値）を算出するものである。固有ひずみ法は、固有ひずみを解析モデルに付与した際の節点変位と残留応力を節点荷重や剛性マトリクスの計算を経て求める方法である。また、固有ひずみ法解析部１６は、算出した変位量、応力値などを含む解析結果を表示部２などに表示出力する。 The intrinsic strain method analysis unit 16 receives the FEM analysis model of the model body B and the solid structure SS from the model construction unit 15, and also receives the physical property value indicating the rigidity of the solid structure SS from the equivalent rigidity analysis unit 14. Furthermore, the value of the intrinsic strain ε * (plastic strain, thermal strain, etc.) is received from the data storage unit 17, and the deformation / stress analysis is performed by the intrinsic strain method using them, and the deformation (displacement amount) of the model body B is performed. Alternatively, the residual stress (strain value) is calculated. The intrinsic strain method is a method of obtaining the node displacement and residual stress when the intrinsic strain is applied to the analysis model by calculating the node load and the stiffness matrix. Further, the intrinsic strain method analysis unit 16 displays and outputs the analysis result including the calculated displacement amount, stress value and the like to the display unit 2 and the like.
なお、固有ひずみ法解析部１６では、当該ＦＥＭ解析に際して個々の要素のアクティブ状態を切り替えることができる。これらを組み合わせ、未造形部は非アクティブ要素とし、熱源が通過した領域にはアクティブ要素と固有ひずみを入力することで、実際の積層造形プロセスを再現した解析をすることができる。 The intrinsic strain method analysis unit 16 can switch the active state of each element during the FEM analysis. By combining these, the unmodeled part is set as the inactive element, and the active element and the natural strain are input to the region where the heat source has passed, so that the analysis that reproduces the actual laminated modeling process can be performed.
データ記憶部１７は、入力部１からの情報を記憶すると共に、記憶している情報に基づいて固有ひずみ値を決定するものである。固有ひずみ値は、造形条件や材料物性値などから理論的にもしくは熱弾塑性解析により求めることができる。また、固有ひずみ値は、あらかじめ必要な情報を保管しているデータベースなどを利用して求めてもよい。 The data storage unit 17 stores the information from the input unit 1 and determines the intrinsic strain value based on the stored information. The intrinsic strain value can be obtained theoretically or by thermal elasto-plastic analysis from the modeling conditions and material physical property values. Further, the intrinsic strain value may be obtained by using a database or the like that stores necessary information in advance.
ここで、造形条件は、例えば、熱源の出力、熱源の種類、ビームプロファイル、走査速度、走査シーケンス、ラインオフセット又は予熱条件などである。材料物性値は、材料の機械的物性値（ヤング率、耐力、線膨張係数など）及び熱物性値（熱伝導率、比熱など）である。 Here, the modeling conditions are, for example, the output of the heat source, the type of the heat source, the beam profile, the scanning speed, the scanning sequence, the line offset, the preheating condition, and the like. The material physical property values are mechanical physical property values (Young's modulus, proof stress, linear expansion coefficient, etc.) and thermal physical property values (thermal conductivity, specific heat, etc.) of the material.
次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態に係る解析装置１０の動作の一例を説明する。 Next, an example of the operation of the analysis device 10 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
解析装置１０は、入力部１から供給される本体情報（造形物本体Ｂの三次元形状を表すデータ）およびこれに付帯するサポート情報（サポート構造物Ｓの三次元形状を表すデータ）を構造受付部１１により受け付ける（ステップＳ１）。また、入力部１から供給される造形条件（積層造形を行うときの条件を表すデータ）をデータ記憶部１７に記憶させる。 The analysis device 10 receives the main body information (data representing the three-dimensional shape of the modeled object main body B) supplied from the input unit 1 and the support information (data representing the three-dimensional shape of the support structure S) incidental thereto. Received by unit 11 (step S1). In addition, the data storage unit 17 stores the modeling conditions (data representing the conditions for performing laminated modeling) supplied from the input unit 1.
次に、解析装置１０は、領域定義部１２により、サポート構造物Ｓが存在する存在領域を定義し（ステップＳ２）、次いで、領域置換部１３により、定義されたサポート構造物Ｓの存在領域を中実構造物ＳＳとして置き換える（ステップＳ３）。 Next, the analysis device 10 defines the existence region in which the support structure S exists by the region definition unit 12 (step S2), and then determines the existence region of the support structure S defined by the region replacement unit 13. It is replaced as a solid structure SS (step S3).
次に、解析装置１０は、等価剛性解析部１４により、サポート構造物Ｓの剛性と等しくなる中実構造物ＳＳの剛性を算出する（ステップＳ４）。その一方で、解析装置１０は、モデル構築部１５により、造形物本体Ｂと中実構造物ＳＳのＦＥＭ解析モデルを構築する（ステップＳ５）。 Next, the analysis device 10 calculates the rigidity of the solid structure SS equal to the rigidity of the support structure S by the equivalent rigidity analysis unit 14 (step S4). On the other hand, the analysis device 10 constructs an FEM analysis model of the model body B and the solid structure SS by the model construction unit 15 (step S5).
次に、解析装置１０は、構築された造形物本体Ｂと中実構造物ＳＳのＦＥＭ解析モデル、および、算出された中実構造物ＳＳの剛性の物性値を用いると共に、データ記憶部１７内の情報から得られる固有ひずみε＊の値を用いて、固有ひずみ法により造形物本体Ｂの変形（変位量）もしくは残留応力（応力値）を算出する（ステップＳ６）。 Next, the analysis device 10 uses the FEM analysis model of the constructed model body B and the solid structure SS, and the calculated physical property values of the rigidity of the solid structure SS, and in the data storage unit 17. Using the value of the intrinsic strain ε * obtained from the above information, the deformation (displacement amount) or residual stress (stress value) of the model body B is calculated by the intrinsic strain method (step S6).
最後に、解析装置１０は、算出された変位量、応力値などを含む解析結果を３ＤＣＡＤデータと共に表示部２などに表示出力する（ステップＳ７）。 Finally, the analysis device 10 displays and outputs the analysis result including the calculated displacement amount, stress value, etc. to the display unit 2 or the like together with the 3D CAD data (step S7).
第１の実施形態によれば、サポート構造物が複雑な形状を有する場合においても解析を実用的な時間で行うことができる。 According to the first embodiment, the analysis can be performed in a practical time even when the support structure has a complicated shape.
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、前述の第１の実施形態と共通する要素の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. In the following, the description of the elements common to the first embodiment described above will be omitted, and different parts will be mainly described.
第２の実施形態に係る解析装置は、前述の第１の実施形態の場合と同様、図１乃至図３に示した各種構造物の三次元形状を表す３ＤＣＡＤデータを使用するものとする。 As in the case of the first embodiment described above, the analysis apparatus according to the second embodiment uses 3D CAD data representing the three-dimensional shapes of the various structures shown in FIGS. 1 to 3.
図６は、第２の実施形態に係る解析装置を備えた情報処理装置の概略構成の一例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an information processing apparatus including the analysis apparatus according to the second embodiment.
図６に示される情報処理装置は、例えばコンピュータにより実現され、入力部１、表示部２、および解析装置１００を有する。解析装置１００は、プロセッサやメモリを含めて実現される。解析装置１００は、前述した解析装置１０と同じ機能を有する解析部１０’を備えるほか、更に、最大許容変位量取得部１８、最大許容応力値取得部１９、判定部２０、サポートデータ修正部２１等を備える。なお、最大許容変位量取得部１８と最大許容応力値取得部１９のうち、いずれか一方の機能を省略することも可能である。 The information processing device shown in FIG. 6 is realized by, for example, a computer, and has an input unit 1, a display unit 2, and an analysis device 100. The analysis device 100 is realized including a processor and a memory. The analysis device 100 includes an analysis unit 10'having the same function as the analysis device 10 described above, and further includes a maximum allowable displacement amount acquisition unit 18, a maximum allowable stress value acquisition unit 19, a determination unit 20, and a support data correction unit 21. Etc. are provided. It is also possible to omit the function of either one of the maximum allowable displacement amount acquisition unit 18 and the maximum allowable stress value acquisition unit 19.
最大許容変位量取得部１８は、入力部１から造形物本体Ｂについての最大許容変位量（閾値）の情報を取得するものである。この最大許容変位量により、造形物本体Ｂに許容される変位が定まる。最大許容変位量は、ｘ，ｙ，ｚからなる３軸成分として表現され、製品の寸法公差や造形表面の粗さ等に基づいて設定される。 The maximum permissible displacement amount acquisition unit 18 acquires information on the maximum permissible displacement amount (threshold value) for the modeled object main body B from the input unit 1. The maximum allowable displacement amount determines the allowable displacement of the modeled object body B. The maximum allowable displacement amount is expressed as a triaxial component consisting of x, y, and z, and is set based on the dimensional tolerance of the product, the roughness of the modeling surface, and the like.
最大許容応力値取得部１９は、入力部１から造形物本体Ｂについての最大許容応力値（閾値）の情報を取得するものである。この最大許容応力値により、造形物本体Ｂに許容される残留応力が定まる。最大許容応力値は、ｘ，ｙ，ｚからなる３軸成分として表現され、サポート構造物Ｓが造形物本体Ｂからはく離する際の臨界応力等に基づいて設定される。 The maximum allowable stress value acquisition unit 19 acquires information on the maximum allowable stress value (threshold value) for the modeled object main body B from the input unit 1. The maximum allowable stress value determines the residual stress allowed in the model body B. The maximum allowable stress value is expressed as a triaxial component consisting of x, y, and z, and is set based on the critical stress when the support structure S is separated from the model body B.
判定部２０は、固有ひずみ法解析部１６より得られる変位量δと、最大許容変位量取得部１８より得られる最大許容変位量（閾値）δｍａｘとを比較するとともに、固有ひずみ法解析部１６より得られる応力値σと最大許容応力値取得部１９より得られる最大許容応力値（閾値）σｍａｘとを比較し、変位量δが許容される最大許容変位量δｍａｘより大きいか、また、応力値σが許容される最大許容応力値σｍａｘより大きいかを判定するものである。いずれかに該当する場合、判定部２０は、サポートデータ修正部２１に対してサポート構造物Ｓの形状の修正を指示する。いずれにも該当しない場合は、すなわち、変位量δも応力値σも閾値を超えていない場合は、判定部２０は、解析部１０’により算出された変位量δ、応力値σなどを含む解析結果を表示部２などに出力する。 The determination unit 20 compares the displacement amount δ obtained from the intrinsic strain method analysis unit 16 with the maximum allowable displacement amount (threshold) δmax obtained from the maximum allowable displacement amount acquisition unit 18, and also from the intrinsic strain method analysis unit 16. Comparing the obtained stress value σ with the maximum allowable stress value (threshold) σmax obtained from the maximum allowable stress value acquisition unit 19, whether the displacement amount δ is larger than the maximum allowable displacement amount δmax or the stress value σ Is larger than the maximum allowable stress value σmax that is allowed. If any of the above applies, the determination unit 20 instructs the support data correction unit 21 to correct the shape of the support structure S. If none of the above applies, that is, if neither the displacement amount δ nor the stress value σ exceeds the threshold value, the determination unit 20 analyzes the displacement amount δ, the stress value σ, etc. calculated by the analysis unit 10'. The result is output to the display unit 2 or the like.
サポートデータ修正部２１は、変位量δが許容される最大許容変位量δｍａｘより大きい場合、もしくは応力値σが許容される最大許容応力値σｍａｘより大きい場合に、変位量δもしくは応力値σが低減するようにサポート構造物Ｓのデータを修正するものである。例えば、変形が大きい箇所に対しては剛性を高め、変形が小さい箇所に対しては剛性を小さくするなどの施策を選択してもよい。また、修正に際しては、形状最適化や位相最適化の手法を用いてもよい。 The support data correction unit 21 reduces the displacement amount δ or the stress value σ when the displacement amount δ is larger than the allowable maximum allowable displacement amount δmax or when the stress value σ is larger than the allowable maximum allowable stress value σmax. The data of the support structure S is modified so as to be performed. For example, measures such as increasing the rigidity for a portion having a large deformation and decreasing the rigidity for a portion having a small deformation may be selected. Further, in the correction, a method of shape optimization or phase optimization may be used.
修正されたサポート構造物Ｓのデータは構造受付部１１（もしくは入力部１）に入力され、構造受付部１１、領域定義部１２、領域置換部１３、等価剛性解析部１４、モデル構築部１５、固有ひずみ法解析部１６を経て、変位量δおよび応力値σが再度計算される。 The modified support structure S data is input to the structure reception unit 11 (or input unit 1), and the structure reception unit 11, the area definition unit 12, the area replacement unit 13, the equivalent rigidity analysis unit 14, the model construction unit 15, The displacement amount δ and the stress value σ are calculated again through the intrinsic strain method analysis unit 16.
次に、図７のフローチャートを参照して、本実施形態に係る解析装置１００の動作の一例を説明する。なお、図５と共通するステップには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Next, an example of the operation of the analysis device 100 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 7. The steps common to FIG. 5 are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
解析装置１００が入力部１から情報を得てから造形物本体Ｂの変形もしくは残留応力を算出するまでの処理（ステップＳ１〜Ｓ６）については、図５で説明した通りである。 The process (steps S1 to S6) from when the analysis device 100 obtains information from the input unit 1 to when the deformation or residual stress of the modeled object body B is calculated is as described with reference to FIG.
解析装置１００は、ステップＳ１〜Ｓ６の処理を行った後、最大許容変位量取得部１８と最大許容応力値取得部１９の少なくとも一方により、造形物本体Ｂの最大許容変位量（閾値）もしくは最大許容応力値（閾値）の情報を得る（ステップＳ１１）。ここでは、最大許容変位量取得部１８と最大許容応力値取得部１９の両方が存在し、最大許容変位量と最大許容応力値の両方の情報が得られるものとする。 After performing the processes of steps S1 to S6, the analyzer 100 uses at least one of the maximum allowable displacement amount acquisition unit 18 and the maximum allowable stress value acquisition unit 19 to obtain the maximum allowable displacement amount (threshold value) or the maximum of the modeled object main body B. Information on the allowable stress value (threshold value) is obtained (step S11). Here, it is assumed that both the maximum allowable displacement amount acquisition unit 18 and the maximum allowable stress value acquisition unit 19 exist, and information on both the maximum allowable displacement amount and the maximum allowable stress value can be obtained.
次に、解析装置１００は、判定部２０により、固有ひずみ法解析部１６より得られる変位量δと、最大許容変位量取得部１８より得られる最大許容変位量（閾値）δｍａｘとを比較するとともに、固有ひずみ法解析部１６より得られる応力値σと最大許容応力値取得部１９より得られる最大許容応力値（閾値）σｍａｘとを比較し、変位量δが最大許容変位量δｍａｘを超えているか、また、応力値σが最大許容応力値σｍａｘを超えているかを判定する（ステップＳ１２）。 Next, the analyzer 100 compares the displacement amount δ obtained from the intrinsic strain method analysis unit 16 with the maximum allowable displacement amount (threshold) δmax obtained from the maximum allowable displacement amount acquisition unit 18 by the determination unit 20. , The stress value σ obtained from the intrinsic strain method analysis unit 16 and the maximum allowable stress value (threshold) σmax obtained from the maximum allowable stress value acquisition unit 19 are compared, and whether the displacement amount δ exceeds the maximum allowable displacement amount δmax. Further, it is determined whether the stress value σ exceeds the maximum allowable stress value σmax (step S12).
ここで、変位量δと応力値σの少なくとも一方が閾値を超えている場合、すなわち、変位量δが最大許容変位量δｍａｘを超えているかもしくは応力値σが最大許容応力値σｍａｘを超えていることを示す場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、解析装置１００は、サポートデータ修正部２１により、変位量δもしくは応力値σが低減するようにサポート構造物Ｓのデータを修正し、修正後のデータを構造受付部１１（もしくは入力部１）に供給し（ステップＳ１４）、ステップＳ１からの処理を繰り返す。 Here, when at least one of the displacement amount δ and the stress value σ exceeds the threshold value, that is, the displacement amount δ exceeds the maximum allowable displacement amount δmax or the stress value σ exceeds the maximum allowable stress value σmax. When indicating that (YES in step S13), the analysis device 100 corrects the data of the support structure S so that the displacement amount δ or the stress value σ is reduced by the support data correction unit 21, and the corrected data is used. It is supplied to the structure reception unit 11 (or the input unit 1) (step S14), and the processing from step S1 is repeated.
一方、判定部２０で判定を行った結果、変位量δと応力値σのいずれも閾値を超えていない場合（ステップＳ１３のＮＯ）、解析装置１００は、解析部１０’により算出された変位量、応力値などを含む解析結果を３ＤＣＡＤデータと共に表示部２などに出力する（ステップＳ１５）。 On the other hand, when neither the displacement amount δ nor the stress value σ exceeds the threshold value as a result of the determination by the determination unit 20 (NO in step S13), the analysis device 100 has the displacement amount calculated by the analysis unit 10'. , The analysis result including the stress value and the like is output to the display unit 2 and the like together with the 3D CAD data (step S15).
第２の実施形態によれば、サポート構造物が複雑な形状を有する場合においても解析を実用的な時間で行うことができ、更に、サポート構造物の形状を適正化することができる。 According to the second embodiment, even when the support structure has a complicated shape, the analysis can be performed in a practical time, and the shape of the support structure can be optimized.
以上詳述したように、各実施形態によれば、構造物の解析時間を低減することが可能になる。 As described in detail above, according to each embodiment, it is possible to reduce the analysis time of the structure.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
１０，１００…解析装置、１０’…解析部、１１…構造受付部、１２…領域定義部、１３…領域置換部、１４…等価剛性解析部、１５…モデル構築部、１６…固有ひずみ法解析部、１７…固有ひずみデータ記憶部、１８…最大許容変位量取得部、１９…最大許容応力値取得部、２０…判定部、２１…サポートデータ修正部。 10,100 ... Analytical device, 10'... Analysis unit, 11 ... Structure reception unit, 12 ... Region definition unit, 13 ... Region replacement unit, 14 ... Equivalent stiffness analysis unit, 15 ... Model construction unit, 16 ... Natural strain method analysis Unit, 17 ... Intrinsic strain data storage unit, 18 ... Maximum allowable displacement amount acquisition unit, 19 ... Maximum allowable stress value acquisition unit, 20 ... Judgment unit, 21 ... Support data correction unit.
Claims (8)
前記サポート構造物のデータを用いて、前記サポート構造物が存在する領域全てを含み当該サポート構造物よりも面数の少ない三次元領域を定義する領域定義手段と、
前記領域定義手段により定義された領域のデータを当該領域に位置する中実構造物のデータに置換する領域置換手段と、
前記造形物本体に対する前記サポート構造物の剛性と前記中実構造物の剛性とが等しくなるように当該中実構造物の剛性を計算する等価剛性解析手段と、
前記造形物本体および前記中実構造物のモデルを構築するモデル構築手段と、
前記モデル構築手段により構築されたモデルと前記等価剛性解析手段により計算された中実構造物の剛性を示す物性値とを用いて、固有ひずみ法により前記造形物本体の変位量もしくは応力値を求める固有ひずみ法解析手段と、
を具備する、解析装置。 A structure receiving means for receiving data of a modeled object body to be modeled as a laminated modeled object and data of a support structure composed of one or a plurality of members supporting the modeled object body.
Using the data of the support structure, a region defining means for defining a three-dimensional region including the entire region where the support structure exists and having a smaller number of faces than the support structure, and
A region replacement means for replacing the data of the region defined by the region defining means with the data of the solid structure located in the region, and
Equivalent rigidity analysis means for calculating the rigidity of the solid structure so that the rigidity of the support structure with respect to the main body of the modeled structure is equal to the rigidity of the solid structure.
A model construction means for constructing a model of the model body and the solid structure, and
Using the model constructed by the model construction means and the physical property value indicating the rigidity of the solid structure calculated by the equivalent rigidity analysis means, the displacement amount or stress value of the modeled object body is obtained by the intrinsic strain method. Intrinsic strain analysis means and
An analyzer that comprises.
前記造形物本体と前記サポート構造物との組合せ、及び、前記造形物本体と前記中実構造物との組合せ、の２種類のＦＥＭ（Finite Element Method）解析モデルを構築する手段と、
前記２種類のＦＥＭ解析モデルのそれぞれに対して前記造形物本体に各成分の単位荷重もしくは単位変位を負荷し、両モデルの前記造形物本体の変位もしくは残留応力が等しくなる前記中実構造物の弾性剛性マトリクスを導出する手段と、
を備える、請求項１に記載の解析装置。 The equivalent rigidity analysis means is
A means for constructing two types of FEM (Finite Element Method) analysis models, that is, a combination of the model body and the support structure and a combination of the model body and the solid structure.
The solid structure in which the unit load or unit displacement of each component is applied to the model body of each of the two types of FEM analysis models, and the displacement or residual stress of the model body of both models becomes equal. Means for deriving the elastic stiffness matrix and
The analysis device according to claim 1.
前記固有ひずみ法解析手段により求められた変位量もしくは応力値が、前記最大値取得手段により取得された最大許容変位量もしくは最大許容応力値を超えている場合に、前記サポート構造物のデータを修正するサポートデータ修正手段と、
を更に具備する、請求項１又は２に記載の解析装置。 A maximum value acquisition means for acquiring at least one of the maximum allowable displacement amount and the maximum allowable stress value of the laminated model body, and
When the displacement amount or stress value obtained by the intrinsic strain method analysis means exceeds the maximum allowable displacement amount or maximum allowable stress value acquired by the maximum value acquisition means, the data of the support structure is corrected. Support data correction means and
The analysis apparatus according to claim 1 or 2, further comprising.
領域定義手段により、前記サポート構造物のデータを用いて、前記サポート構造物が存在する領域全てを含み当該サポート構造物よりも面数の少ない三次元領域を定義し、
領域置換手段により、前記定義された領域のデータを当該領域に位置する中実構造物のデータに置き換え、
等価剛性解析手段により、前記造形物本体に対する前記サポート構造物の剛性と前記中実構造物の剛性とが等しくなるように当該中実構造物の剛性を計算し、
モデル構築手段により、前記造形物本体および前記中実構造物のモデルを構築し、
固有ひずみ法解析手段により、前記構築されたモデルと前記計算された中実構造物の剛性を示す物性値とを用いて、固有ひずみ法により前記造形物本体の変位量もしくは応力値を求める、
ことを含む、解析方法。 The structure receiving means receives the data of the modeled object body to be modeled as a laminated modeled object and the data of the support structure composed of one or more members supporting the modeled object body.
By the area defining means, using the data of the support structure, a three-dimensional area including the entire area where the support structure exists and having a smaller number of faces than the support structure is defined.
By the region replacement means, the data of the defined region is replaced with the data of the solid structure located in the region.
The equivalent rigidity analysis means is used to calculate the rigidity of the solid structure so that the rigidity of the support structure with respect to the main body of the modeled structure is equal to the rigidity of the solid structure.
A model of the model body and the solid structure is constructed by the model construction means.
Using the constructed model and the calculated physical property value indicating the rigidity of the solid structure by the intrinsic strain method analysis means, the displacement amount or the stress value of the modeled object body is obtained by the intrinsic strain method.
Analysis method including that.
サポートデータ修正手段により、前記求められた変位量もしくは応力値が、前記取得された最大許容変位量もしくは最大許容応力値を超えている場合に、前記サポート構造物のデータを修正する、
ことを更に含む、請求項５に記載の解析方法。 At least one of the maximum allowable displacement amount and the maximum allowable stress value of the laminated model body is acquired by the maximum value acquisition means.
When the obtained displacement amount or stress value exceeds the acquired maximum allowable displacement amount or maximum allowable stress value by the support data correction means, the data of the support structure is corrected.
The analysis method according to claim 5, further comprising the above.
積層造形物として造形される造形物本体のデータおよび当該造形物本体を支持する１つ又は複数の部材から成るサポート構造物のデータを受け付ける手順と、
前記サポート構造物のデータを用いて、前記サポート構造物が存在する領域全てを含み当該サポート構造物よりも面数の少ない三次元領域を定義する手順と、
前記定義された領域のデータを当該領域に位置する中実構造物のデータに置き換える手順と、
前記造形物本体に対する前記サポート構造物の剛性と前記中実構造物の剛性とが等しくなるように当該中実構造物の剛性を計算する手順と、
前記造形物本体および前記中実構造物のモデルを構築する手順と、
前記構築されたモデルと前記計算された中実構造物の剛性を示す物性値とを用いて、固有ひずみ法により前記造形物本体の変位量もしくは応力値を求める手順と、
を実行させるための、解析プログラム。 On the computer
A procedure for accepting data on the main body of a modeled object that is modeled as a laminated model and data on a support structure consisting of one or more members that support the body of the modeled object.
Using the data of the support structure, a procedure for defining a three-dimensional region including the entire region where the support structure exists and having a smaller number of faces than the support structure, and
The procedure for replacing the data in the defined area with the data for the solid structure located in the area, and
A procedure for calculating the rigidity of the solid structure so that the rigidity of the support structure with respect to the model body and the rigidity of the solid structure are equal to each other.
The procedure for constructing a model of the model body and the solid structure, and
Using the constructed model and the calculated physical property values indicating the rigidity of the solid structure, the procedure for obtaining the displacement amount or stress value of the modeled object body by the intrinsic strain method, and
An analysis program for executing.
前記積層造形物本体の最大許容変位量及び最大許容応力値の少なくとも一方を取得する手順と、
前記求められた変位量もしくは応力値が、前記取得された最大許容変位量もしくは最大許容応力値を超えている場合に、前記サポート構造物のデータを修正する手順と、
を更に実行させるための、請求項７に記載の解析プログラム。 On the computer
A procedure for obtaining at least one of the maximum allowable displacement amount and the maximum allowable stress value of the laminated model body, and
A procedure for correcting the data of the support structure when the obtained displacement amount or stress value exceeds the acquired maximum allowable displacement amount or maximum allowable stress value.
The analysis program according to claim 7, wherein the analysis program is further executed.
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