JP2023178008A - Design support system and design support method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、設計支援装置及び設計支援方法に関する。 The present disclosure relates to a design support device and a design support method.
従来、機械構造物を対象として最適形状を予測する設計支援技術においては、トポロジ最適化計算と機械学習の一つである画像処理とを用いることにより最適形状を予測する方法がある。ここで、トポロジ最適化は、所定の材料を用いた所定の構造体について、その構造体の設計変数等に基いて、その材料の最適な密度分布を導き出す構造最適化の手法の一つであり、位相最適化とも呼ばれるものである。 Conventionally, in design support technology for predicting the optimal shape of a mechanical structure, there is a method of predicting the optimal shape by using topology optimization calculation and image processing, which is a type of machine learning. Here, topology optimization is one of the structural optimization methods for deriving the optimal density distribution of a given structure using a given material based on the design variables of the structure. , also called phase optimization.
特許文献1には、設計および/または製造プロセスで直接利用できる物理的に現実的なCADデータの生成を可能にする学習方法を含むモデリングプロセスであって、学習方法による機能構造を含むデータセットの提供(S10)と、学習方法によるデータセットに対する生成オートエンコーダの学習(S20)とを含み、さらに、学習方法による潜在空間分類器の学習(S30)を含んでいてもよく、生成方法による1つまたは複数の潜在ベクトルの提供(S100)と、生成方法による機能構造の生成(S200)とを含み、さらに、生成方法により、生成された機能構造によって表される剛性部品の機械的アセンブリのトポロジ最適化を実行すること(S300)を含んでいてもよいことが開示されている。
また、最適化計算の結果からCAD図面を生成する装置において、解析のモデル形態に応じてCAD図面を生成する方法がある。ここで、CADは、Computer Aided Designの略称である。 Furthermore, in an apparatus for generating CAD drawings from the results of optimization calculations, there is a method of generating CAD drawings according to the model form of analysis. Here, CAD is an abbreviation for Computer Aided Design.
特許文献2には、CADデータを有限要素法モデルへ変換する有限要素法モデル変換装置と、最適化手法により最適化有限要素法モデルを構築する最適化装置と、最適化有限要素法モデルをCADデータに変換するCADデータ変換装置とを有する構造物の設計に用いられる設計最適化支援システムにおいて、CADデータの種類およびモデル形態に適応する有限要素法モデル作成方法を選択する手段と、最適化目的に適応する最適化手法を選択する手段と、最適化有限要素法モデルをモデル形態に応じてCADデータに変換するCADデータ変換手段とを備えたものが開示されている。
従来のトポロジ設計支援技術では、CAD図面の機能構造を表すツリーをディープニューラルネット(Deep Neural Network:DNN)を用いて機械学習し、潜在ベクトルと呼ばれるベクトルデータから新たなCAD図面を生成し、生成されたCAD図面を用いてトポロジ最適化計算を行うことで最適形状を予測している。この場合に、予測された最適形状は、計算領域全域を0から1までに変化する密度分布によって表される。すなわち、密度が0の部分には構造物が入っていないものとし、1の部分には構造物が入っているものとすることにより、機械構造物の最適形状を予測する。 In conventional topology design support technology, a tree representing the functional structure of a CAD drawing is machine learned using a deep neural network (DNN), and a new CAD drawing is generated from vector data called latent vectors. The optimal shape is predicted by performing topology optimization calculations using the created CAD drawings. In this case, the predicted optimal shape is represented by a density distribution that varies from 0 to 1 over the entire computational domain. That is, the optimal shape of the mechanical structure is predicted by assuming that there is no structure in the part where the density is 0 and that there is a structure in the part where the density is 1.
このようにして予測された最適形状には、0及び1以外の密度部分も含まれる。密度が0.3や0.7などの中間的な値となっている濃淡領域では、構造物が入っているか、入っていないかの判断は技術者に委ねられている。このため、技術者によって解釈が異なるため、最終的に作成するCAD図面にはばらつきが発生する可能性があり、高品質な内容のCAD図面を得ることは困難であるという課題がある。 The optimal shape predicted in this way also includes density portions other than 0 and 1. In gray areas where the density is intermediate, such as 0.3 or 0.7, it is up to the engineer to determine whether a structure is included or not. For this reason, since the interpretation differs depending on the engineer, variations may occur in the CAD drawings that are finally created, and there is a problem that it is difficult to obtain CAD drawings with high quality content.
特許文献1に記載の方法においては、技術者によらず高品質なCAD図面を得るという点に関しては、十分に考慮されていない。
In the method described in
また、最適化計算の結果からCAD図面を生成する技術では、予測された最適形状において、計算領域の密度分布を滑らかに結ぶことでCAD図面の形状を決定する。CAD図面の属性として、製造コストや効率などの特性情報がある。 Furthermore, in the technique of generating a CAD drawing from the result of optimization calculation, the shape of the CAD drawing is determined by smoothly connecting the density distribution of the calculation area in the predicted optimal shape. Attributes of the CAD drawing include characteristic information such as manufacturing cost and efficiency.
特許文献2に記載の設計最適化支援システムにおいては、最適化目的の選定は、設計者が行う構成となっている。このため、複数の特性等から最適化目的を適切に選定することは、設計者の技量、経験等に委ねられることになり、最適化目的の見直しを繰り返す必要が生じる場合がある。したがって、設計のために必要となる労力が多くなり、必要な時間も長くなる点で改善の余地がある。
In the design optimization support system described in
本開示は、構造最適化の計算により導き出された構造体の密度分布から短時間で高品質な図面を生成することを目的とする。 The present disclosure aims to generate high-quality drawings in a short time from the density distribution of a structure derived through structural optimization calculations.
本開示の設計支援装置は、構造体について最適化された密度分布を導き出す構造最適化の計算結果から提案図面を生成するものであって、クラスタリング条件の入力を受け付けるクラスタリング条件入力部と、クラスタリング条件に従ってクラスタリングをするクラスタリング部と、クラスタリングにより得られたクラスタのそれぞれについて機械学習をする機械学習制御部と、機械学習の結果から新たな図面を生成する図面生成部と、比較対象の基本図面と新たな図面とを比較し、これらの図面が同じであるかどうかを判別する図面判別部と、構造最適化の計算に必要な計算条件の入力を受け付ける最適化・解析条件入力部と、計算条件に従って解析モデルを生成する解析モデル生成部と、解析モデルを用いて構造最適化の計算をする構造最適化計算部と、構造最適化の計算結果及びクラスタリングをした結果を表示し、図面生成に必要なクラスタのそれぞれについての重みの入力を受け付ける図面生成条件入力部と、クラスタリング条件、計算結果及び生成した図面のうち少なくともいずれか一つを含む情報を表示する表示部と、を備え、図面生成部は、構造最適化の計算結果と重みとを用いて提案図面を生成し、表示部は、提案図面を表示する。 The design support device of the present disclosure generates a proposal drawing from the calculation results of structure optimization that derives an optimized density distribution for a structure, and includes a clustering condition input section that receives input of clustering conditions, and a clustering condition input section that receives input of clustering conditions. a clustering unit that performs clustering based on the data, a machine learning control unit that performs machine learning on each cluster obtained by clustering, a drawing generation unit that generates a new drawing from the results of machine learning, and a basic drawing to be compared and a new drawing. a drawing discrimination section that compares drawings with other drawings and determines whether these drawings are the same; an optimization/analysis condition input section that accepts input of calculation conditions necessary for structural optimization calculations; There is an analytical model generation section that generates an analytical model, a structural optimization calculation section that performs structural optimization calculations using the analytical model, and a structural optimization calculation section that displays the structural optimization calculation results and clustering results and performs the calculations necessary for drawing generation. The drawing generation section includes a drawing generation condition input section that receives input of weights for each cluster, and a display section that displays information including at least one of the clustering conditions, calculation results, and generated drawings. A proposed drawing is generated using the structural optimization calculation results and weights, and the display unit displays the proposed drawing.
本開示によれば、構造最適化の計算により導き出された構造体の密度分布から短時間で高品質な図面を生成することができる。 According to the present disclosure, it is possible to generate high-quality drawings in a short time from the density distribution of a structure derived through structural optimization calculations.
本開示は、数値解析により得られた密度の濃淡を有するトポロジ最適化の結果から、入力された条件ベクトル(重み)に基いて、特定の図面を生成する設計支援技術に関する。 The present disclosure relates to a design support technology that generates a specific drawing based on input condition vectors (weights) from topology optimization results with density shading obtained through numerical analysis.
以下、実施例を、図面を用いて説明する。 Examples will be described below with reference to the drawings.
図1は、実施例の設計支援装置を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a design support apparatus according to an embodiment.
本図に示すように、設計支援装置は、クラスタリング条件入力部101と、クラスタリング部102と、クラスタリング結果表示部103と、機械学習制御部104と、図面生成部105と、図面判別部106と、最適化・解析条件入力部107と、解析モデル生成部108と、トポロジ最適化計算部109(構造最適化計算部)と、図面生成条件入力部110と、図面表示部111と、データベース112(記憶装置)と、計算機113と、を備えている。
As shown in this figure, the design support apparatus includes a clustering
クラスタリング条件入力部101では、CAD図面、トポロジ最適化計算の結果や特性情報などのクラスタリングに必要な情報(クラスタリング条件)を、操作者が入力する。
In the clustering
クラスタリング部102では、入力されたクラスタリングの条件に従って、自己組織化マップを用いてクラスタリングする。ここで、クラスタリングとは、機械学習の一種であり、データ間の類似度に基いてデータをグループ分けする手法をいう。クラスタリングは、「クラスタ分析」又は「データ・クラスタリング」ともいう。
The
クラスタリング結果表示部103では、自己組織化マップによりクラスタリングされた結果を表示し、各クラスタの特性情報の平均値も併せて表示する。
The clustering
機械学習制御部104では、図面生成部105及び図面判別部106を制御し、CycleGANを応用した手法によりトポロジ最適化計算の結果、CAD図面、条件ベクトルを入力とする機械学習を実施する。ここで、CycleGANは、Cycle Generative Adversarial Networksの略称である。
The machine
図面生成部105では、トポロジ最適化計算の結果、CAD図面及び条件ベクトルを入力情報として、新たな図面を生成する。
The
図面判別部106では、二つの図面を入力情報として、両方の図面が同じであるかどうかを判別する。
The
最適化・解析条件入力部107では、トポロジ最適化計算に必要な解析条件、目的関数及び体積制約条件を入力する。
The optimization/analysis
解析モデル生成部108では、トポロジ最適化計算に必要な解析条件、目的関数及び体積制約条件に基づいて解析モデルを生成する。
The analytical
トポロジ最適化計算部109では、生成した解析モデルのうち、構造解析部分には有限要素法を用い、トポロジ最適化部分には密度法を用いて、トポロジ最適化計算をする。
The topology
図面生成条件入力部110では、トポロジ最適化計算の結果、及びクラスタリングした結果を表示し、図面生成に必要な各クラスタの重みを入力する。
The drawing generation
図面表示部111では、図面生成部105で生成した図面、及び図面生成条件を表示する。
The
データベース112では、各部で得られたデータを蓄積する。
The
つぎに、設計支援装置における処理手続き、すなわち設計支援方法の例について説明する。 Next, an example of a processing procedure in the design support apparatus, that is, a design support method will be described.
本実施例の設計支援方法は、大きく二つの処理に分けられる。一つ目の処理(フェーズ1)は、CAD図面などのデータをクラスタリングし、それらのデータを機械学習する処理である。二つ目の処理(フェーズ2)は、トポロジ最適化計算し、その結果から図面を生成する処理である。 The design support method of this embodiment can be broadly divided into two processes. The first process (phase 1) is a process of clustering data such as CAD drawings and subjecting the data to machine learning. The second process (phase 2) is a process of performing topology optimization calculations and generating drawings from the results.
以下、機械構造物を対象として説明する。 Hereinafter, description will be made focusing on mechanical structures.
図2Aは、フェーズ1におけるクラスタリング条件の入力処理を示すフローチャートである。
FIG. 2A is a flowchart showing clustering condition input processing in
本図に示す工程S101~S104においては、クラスタリング条件入力部101よりクラスタリングする条件を入力し、データベース112に蓄積する。
In steps S101 to S104 shown in the figure, conditions for clustering are input from the clustering
まず、工程S101では、過去のCAD図面、トポロジ最適化計算の結果、製造コストや効率、耐強度性能、耐熱性能などの特性情報などをデータベース112から取得する。
First, in step S101, past CAD drawings, topology optimization calculation results, characteristic information such as manufacturing cost, efficiency, strength performance, heat resistance performance, etc. are acquired from the
図5は、工程S101において取得されたデータの一例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing an example of data acquired in step S101.
本図に示すように、「AA001」のCAD図面は、トポロジ最適化計算の結果「AA001TOP」と関連し、その属性として製造コスト、効率、耐強度性能、耐熱性などの特性情報と紐づけられて管理されている。なお、これらの過去のデータは、あらかじめデータベース112に蓄積されているものとする。この場合、これらの過去のデータは、教師あり学習の元になるデータである。過去のCAD図面は、トポロジ最適化計算の結果として得られたものでもよいが、過去において設計者が実際に作成した図面であってもよい。
As shown in this figure, the CAD drawing of "AA001" is related to the topology optimization calculation result "AA001TOP", and its attributes are linked to characteristic information such as manufacturing cost, efficiency, strength performance, and heat resistance. It is well managed. It is assumed that these past data are stored in the
工程S102は、クラスタリング条件入力部101により、クラスタリングに必要な条件を操作者が入力する。
In step S102, the operator inputs conditions necessary for clustering using the clustering
図6は、クラスタリング条件の入力画面の一例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of an input screen for clustering conditions.
本図に示すように、学習モデル名として「機械構造1」が入力されている。クラスタリングする変数としては、図5に示すデータの属性が対応する形で表示されている。図6においては、CAD図面、トポロジ最適化計算の結果、製造コスト、効率、耐強度性能、耐熱性能が表示され、クラスタリングする条件として製造コスト、効率、耐強度性能、及び耐熱性能が選択されている。また、取得したデータをクラスタ分けする数(クラスタ数)を入力できるようになっている。ここでは、クラスタ数として「10」が入力されている。
As shown in this figure, "
工程S103では、工程S102で入力した学習モデル名、クラスタリング条件である変数、クラスタ数といった情報を取得する。 In step S103, information such as the learning model name, variables serving as clustering conditions, and number of clusters input in step S102 is acquired.
工程S104では、工程S103で取得した情報をデータベース112に登録する。
In step S104, the information acquired in step S103 is registered in the
図2Bは、フェーズ1におけるクラスタリング処理を示すフローチャートである。
FIG. 2B is a flowchart showing clustering processing in
本図に示す工程S201~S205においては、クラスタリング部102によってデータをクラスタ分けし、クラスタリング結果表示部103よりクラスタ分けした結果を表示する。
In steps S201 to S205 shown in the figure, the
工程S201では、クラスタリング部102により過去のCAD図面、トポロジ最適化計算の結果、製造コストや効率、耐強度性能、耐熱性能などの特性情報などをデータベース112から取得する。
In step S201, the
工程S202では、クラスタリング部102により工程S101~S104で取得した情報を取得する。ここでは、学習モデル名、クラスタリングする変数及びクラスタ数を取得する。
In step S202, the
工程S203では、クラスタリング部102によりクラスタ分けする。様々なクラスタ分けする方法が提案されている。ここでは、自己組織化マップと呼ばれる方法でクラスタ分けする。自己組織化マップは、ニューラルネットワークの一種であり、大脳皮質の視覚野をモデル化したものである。自己組織化マップは、重みベクトルをマップ上にランダム配置し、入力ベクトルを一つ用意する。マップ上の全ての重みベクトルに対して、入力ベクトルとの類似度を計算する。類似度には、ユークリッド的な距離を用いる。各ベクトル間の距離が最も小さいものを見つけ、その近傍の重みベクトルを下記式(1)により変更する。
In step S203, the
式中、Wuは重みベクトル、θは近傍半径、αは学習係数である。Uは、入力ベクトルであり、クラスタリングする変数が入る。また、nは、繰り返し回数を表す。このように自己組織化マップを用いて、類似性の高いクラスタに分ける。ここでは、10個のクラスタに分ける。 In the formula, W u is a weight vector, θ is a neighborhood radius, and α is a learning coefficient. U is an input vector containing variables to be clustered. Further, n represents the number of repetitions. In this way, using a self-organizing map, it is divided into clusters with high similarity. Here, it is divided into 10 clusters.
工程S204では、クラスタリング結果表示部103によりクラスタ分けした結果を表示する。
In step S204, the clustering
図7は、クラスタリングした結果の表示画面の一例を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing an example of a display screen of the clustering results.
本図においては、製造コストや効率、耐強度性能、耐熱性能などのクラスタリングする変数が、「1」から「10」の類似性の高いクラスタとして分けて表示されている。また、本図に示す表には、各クラスタの製造コスト、効率、耐強度性能、耐熱性能などの変数の平均値などの情報が表示される。これにより、クラスタ「1」は製造コストが安い、クラスタ「3」は効率が高いなど、各クラスタの類似度の特徴が把握できる。操作者は、この結果で良ければ「決定」ボタンを押し、やり直す場合は「やり直し」ボタンを押して、工程S101からクラスタリング条件の見直しを行う。 In this figure, variables to be clustered such as manufacturing cost, efficiency, strength resistance performance, heat resistance performance, etc. are divided and displayed as highly similar clusters from "1" to "10". Further, the table shown in this figure displays information such as the average value of variables such as manufacturing cost, efficiency, strength resistance performance, heat resistance performance, etc. of each cluster. This allows the characteristics of the similarity of each cluster to be grasped, such as cluster "1" having low manufacturing cost and cluster "3" having high efficiency. If the operator is satisfied with the result, the operator presses the "determination" button, and if the operator wants to try again, the operator presses the "redo" button to review the clustering conditions from step S101.
工程S205では、工程S203でクラスタリングした結果をデータベース112に登録する。ここでは、10個分けられたクラスタリング情報、各変数の平均値の情報が登録される。
In step S205, the results of clustering in step S203 are registered in the
図3は、フェーズ1における機械学習の処理を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing machine learning processing in
本図に示す機械学習は、機械学習制御部104により図面生成部105及び図面判別部106を制御することにより実行される。様々な機械学習の方法が提案されているが、ここではCycleGANと呼ばれる画像処理の手法を応用して機械学習する。
The machine learning shown in this figure is executed by controlling the
図8は、CycleGANの一例を示す概念図である。 FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of CycleGAN.
CycleGANは、馬などの画像から新たな画像を生成する。例えばシマウマを本物の画像として、新たな生成した画像と、シマウマの画像が同じかどうか画像判別して、同じとなるように機械学習して画像生成のパラメータを調整する。このとき、シマウマの本物の画像から新たに画像を生成し、新たに生成された画像と、馬の画像が同じかどうか画像判別して、同様に同じとなるように機械学習して画像生成のパラメータを調整する。お互い同じと判別されるまでこれらの機械学習を繰返す。 CycleGAN generates new images from images of horses, etc. For example, if a zebra is used as a real image, it is determined whether the newly generated image is the same as the zebra image, and machine learning is performed to adjust the image generation parameters so that they are the same. At this time, a new image is generated from the real image of the zebra, and the image is determined to see if the newly generated image is the same as the horse image. Machine learning is performed to ensure that they are the same. Adjust parameters. These machine learning processes are repeated until they are determined to be the same.
このように、CycleGANは、馬などの画像からシマウマに似た画像を生成することができることが特徴である。このとき、条件ベクトルを用いることで、馬の画像からシマウマに似た画像、鹿に似た画像を生成することができる。すなわち、例えば本物の画像がシマウマの場合は、条件ベクトル[1 0 0 0 0]を入力して機械学習し、本物の画像が鹿の場合は、条件ベクトル[0 1 0 0 0]を入力して機械学習する。機械学習後にシマウマに似た画像を生成したい場合は、馬の画像と条件ベクトル[1 0 0 0 0]を入力して画像生成するとシマウマに似た画像が生成される。また、条件ベクトルを[1 1 0 0 0]を入力することで、シマウマと鹿に似た画像も生成できる。 In this way, CycleGAN is characterized in that it can generate an image resembling a zebra from an image of a horse or the like. At this time, by using a condition vector, it is possible to generate an image resembling a zebra and an image resembling a deer from an image of a horse. That is, for example, if the real image is a zebra, input the condition vector [1 0 0 0 0] for machine learning, and if the real image is a deer, input the condition vector [0 1 0 0 0]. machine learning. If you want to generate an image resembling a zebra after machine learning, input the image of a horse and the condition vector [1 0 0 0 0] to generate the image, and an image resembling a zebra will be generated. Furthermore, by inputting the condition vector [1 1 0 0 0], an image resembling a zebra and a deer can also be generated.
画像生成には、ニューラルネットワークを用いる。ニューラルネットワークは、多数の神経細胞からなる脳の特性を計算機上のシミュレーションで表現することを目的とした数学モデルである。ニューラルネットワークは、人工ニューロンの各層をXiとおくと、下記式(2)のような漸化式で与えられる。 A neural network is used to generate images. A neural network is a mathematical model that aims to express the characteristics of the brain, which is composed of a large number of neurons, through computer simulation. The neural network is given by a recurrence formula such as the following formula (2), where each layer of artificial neurons is represented by X i .
式中、Aiは重みパラメータ、Biはバイアスパラメータである。fは活性化関数である。機械学習を通じてAi及Biを決定する。なお、3層の場合は、X1が入力層、X2が中間層、X3が出力層となる。中間層が複数あるものをディープニューラルネットと呼ぶ。ディープニューラルネットは、CycleGANの画像処理に応用される。 In the formula, A i is a weight parameter and B i is a bias parameter. f is an activation function. Determine A i and B i through machine learning. Note that in the case of three layers, X1 is the input layer, X2 is the intermediate layer, and X3 is the output layer. A network with multiple intermediate layers is called a deep neural network. Deep neural networks are applied to CycleGAN image processing.
工程S301では、機械学習制御部104によりデータベース112から過去のCAD図面、トポロジ最適化計算の結果、図2Aで示す工程で取得したクラスタリング条件、及び図2Bで示す工程で取得したクラスタリングの全てのデータを取得する。
In step S301, the machine
工程S302では、機械学習制御部104によりクラスタリングされたクラスタの内一つを取り出し、このクラスタに属するトポロジ最適化計算の結果及び条件ベクトルを図面生成部105に入力して新たな図面を生成する。ここでは、クラスタが10個あるので、クラスタ番号「1」に属するトポロジ最適化計算の結果、条件ベクトル[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0]を入力して新たな図面を生成する。
In step S302, one of the clusters clustered by the machine
工程S303では、機械学習制御部104により工程S302で生成された新たな図面と、入力したトポロジ最適化計算の結果に関連する図面と、を図面判別部106に入力し、上記の新たな図面と入力したトポロジ最適化計算の結果に関連する図面とが同じであるかを判別する。同じでないと判別された場合は、図面生成部105のパラメータを調整する。ここで、入力したトポロジ最適化計算の結果に関連する図面は、「本物の図面」として比較対象とすることとし、「基本図面」とも呼ぶことにする。
In step S303, the new drawing generated in step S302 by the machine
工程S304では、機械学習制御部104により工程S303で用いた本物とした図面と条件ベクトルを図面生成部105に入力して新たな図面を生成する。ここでも条件ベクトル[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0]を用いる。
In step S304, the machine
工程S305では、機械学習制御部104により工程S304で生成された新たな図面と、工程S302で用いたトポロジ最適化計算の結果と、を図面判別部106に入力し、新たな図面と計算結果とが同じであるかを判別する。同じでないと判別された場合は、図面生成部105のパラメータを調整する。ここで、同じであるかの判別は、機械学習により判別する。具体的には、ニューラルネットワークを利用して判別する。
In step S305, the new drawing generated in step S304 by the machine
工程S306では、機械学習制御部104によりクラスタに属するデータの全てのトポロジ最適化計算の結果及び図面に対して工程S302から工程S305の機械学習を実施して収束するまで繰り返す。さらに、残りの各クラスタ内のデータの全てについても、同様に機械学習を実施して収束するまで繰り返す。クラスタ番号「3」のデータを機械学習する場合を例に取れば、条件ベクトル[0 0 1 0 0 0 0 0 0 0]を用いて機械学習する。ここで、収束判定条件は、通常、ユーザーが許容する条件を任意に入力する。例えば、ユーザーの入力値が「99%」の場合、画像判別で99%以上の確率で「同じ」と判別された時点で収束したとみなして計算を終了する。入力値の「99%」が高すぎて収束に達しない場合は、ユーザーが計算を強制終了し、収束判定条件を緩めて、例えば「95%」と再入力して計算させることも可能である。入力値としては、大体、95%が妥当であると考えられる。
In step S306, the machine
工程S307は、機械学習制御部104により機械学習した結果の情報をデータベース112に登録する。ここでは、生成された図面は、本物とする図面と同じとなるようにパラメータが調整された機械学習の情報がデータベースに登録される。
In step S307, information on the results of machine learning performed by the machine
以上がフェーズ1である。
The above is
次に、フェーズ2について説明する。
Next,
図4Aは、フェーズ2におけるトポロジ最適化計算処理を示すフローチャートである。
FIG. 4A is a flowchart showing topology optimization calculation processing in
本図に示すトポロジ最適化計算処理においては、最適化・解析条件入力部107によりトポロジ最適化計算に必要な条件を入力し、解析モデル生成部108により最適化・解析条件入力部107で入力した条件に従って解析モデルを生成し、トポロジ最適化計算部109では機械構造物を対象とするトポロジ最適化計算を実施する。
In the topology optimization calculation process shown in this figure, the conditions necessary for the topology optimization calculation are input by the optimization/analysis
工程S401では、操作者により入力された最適化条件及び解析条件を最適化・解析条件入力部107が受け付ける。
In step S401, the optimization/analysis
図9は、入力画面の一例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing an example of an input screen.
本図においては、解析モデル名としては、「フック」が入力されている。操作者によりトポロジ最適化計算のための解析モデルが作成されている。矩形領域となる計算領域においては、図中左側が壁で拘束された境界条件が付与され、図中右側中央に1000Nの荷重条件が付与されている。また、材料条件としては、「アルミニウム」が入力されている。トポロジ最適化計算の条件としては、荷重と変位との積で表される平均コンプライアンスを最小化する条件が入力され、体積制約条件として「40%以下」が入力されている。すなわち、矩形領域の体積が40%以下で、そのときの剛性が最大になるような最適化条件が設定されている。 In this figure, "hook" is input as the analysis model name. An analysis model for topology optimization calculation is created by the operator. In the calculation area, which is a rectangular area, a boundary condition in which the left side in the figure is constrained by a wall is given, and a load condition of 1000 N is given in the center on the right side in the figure. Furthermore, "aluminum" is input as the material condition. As the conditions for the topology optimization calculation, a condition that minimizes the average compliance represented by the product of load and displacement is input, and "40% or less" is input as the volume constraint condition. That is, optimization conditions are set such that the volume of the rectangular area is 40% or less and the rigidity is maximized at that time.
工程S402では、解析モデル生成部108により工程S401で入力した条件に基づいて解析モデルを生成する。計算領域を有限要素と呼ばれるメッシュ状に領域分割し、解析モデルの情報、解析や最適化条件などの情報を持つ解析モデルを生成する。
In step S402, the analytical
工程S403では、トポロジ最適化計算部109により、工程S402で生成した解析モデルを入力して、トポロジ最適化計算を実施する。ここでは、構造解析部分には有限要素法、トポロジ最適化部分には密度法を用いる。この計算方法は、各有限要素に0から1まで変化する密度を設計変数として設け、密度とヤング率との積を有限要素のヤング率として計算することで最適化を行う。このため、密度が0の部分は構造物が入っていない状態、1の部分は構造物が入っている状態を意味する。
In step S403, the topology
図10は、トポロジ最適化計算の結果の一例を示す図である。図中、区分された計算領域の濃淡は、密度の高低を表している。濃い領域ほど高密度であることを表している。 FIG. 10 is a diagram showing an example of the results of topology optimization calculation. In the figure, the shading of the divided calculation areas represents the level of density. The darker the area, the higher the density.
本図が示すとおり、計算領域の濃淡によって機械構造物の構造が表現される。 As this figure shows, the structure of a mechanical structure is expressed by the shading of the calculation domain.
図4Bは、フェーズ2における図面生成処理を示すフローチャートである。
FIG. 4B is a flowchart showing drawing generation processing in
本図に示す図面生成処理においては、図面生成条件入力部110によりトポロジ最適化計算の結果から新たな図面を生成する条件を入力し、機械学習制御部104により図面生成条件入力部110で入力された情報を図面生成部105に入力して新たな図面を生成し、図面表示部111により生成した図面を表示する。
In the drawing generation process shown in this figure, the drawing generation
工程S501では、機械学習制御部104が、図2A、図2B及び図3に示す工程で入力された全ての情報を取得する。
In step S501, the machine
工程S502では、図面生成条件入力部110により、トポロジ最適化計算の結果から新たな図面を生成する条件を、操作者が入力する。
In step S502, the operator inputs conditions for generating a new drawing from the results of the topology optimization calculation using the drawing generation
図11は、新たな図面の生成条件の入力画面の一例を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an example of an input screen for generating conditions for a new drawing.
操作者は、解析モデル名及び学習モデル名を入力し、図面生成条件を入力することで新たな図面を生成する。本図においては、解析モデル名に「フック」と入力され、学習モデル名に「機械構造1」が表示されている。
The operator generates a new drawing by inputting an analysis model name and a learning model name, and inputting drawing generation conditions. In this figure, "hook" is input as the analysis model name, and "
トポロジ最適化計算の結果の表示領域には、図4Aに示すトポロジ最適化計算の結果が表示されている。 In the topology optimization calculation result display area, the topology optimization calculation results shown in FIG. 4A are displayed.
また、図11の下部の表示領域には、図2Bに示すクラスタリングした結果が表示されている。操作者は、各クラスタ番号の重みを0から1の間を変化させて新たな図面を生成する。クラスタ番号「3」は重み「1」、クラスタ番号「5」は重み「0.5」、クラスタ番号「7」は重み「1」が入力されている。それ以外のクラスタの重みは、「0」としている。 Furthermore, the clustering results shown in FIG. 2B are displayed in the lower display area of FIG. 11. The operator generates a new drawing by changing the weight of each cluster number between 0 and 1. Cluster number "3" has a weight of "1", cluster number "5" has a weight of "0.5", and cluster number "7" has a weight of "1". The weights of other clusters are set to "0".
工程S503では、機械学習制御部104により工程S502で入力された情報を図面生成部105に入力して新たな図面を生成する。ここでは、解析モデル名「フック」のトポロジ最適化計算の結果、クラスタ番号「3」、「5」、「7」に対応する要素に「1」、「0.5」、「1」が入った条件ベクトル[0 0 1 0 0.5 0 1 0 0 0]を図面生成部105に入力して新たな図面を生成する。このようにクラスタ番号「3」、「5」、「7」のそれぞれの性質が1:0.5:1の割合で持った新たな画面を生成する。
In step S503, the machine
工程S504では、図面表示部111により工程S503で生成した図面を表示する。
In step S504, the
図12は、生成した図面表示画面の一例を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the generated drawing display screen.
本図においては、解析モデル名「フック」、学習モデル名「機械構造1」が表示されている。また、工程S503で生成された図面(提案図面)、及び工程S502で入力した図面の生成条件が表示されている。
In this figure, the analysis model name "Hook" and the learning model name "
工程S505は、図4Aに示すトポロジ最適化計算の結果生成した図面をデータベース112に登録する。なお、工程S504における図面の表示後、必要に応じて工程S502に戻り、操作者による入力を繰り返してもよい。
In step S505, the drawing generated as a result of the topology optimization calculation shown in FIG. 4A is registered in the
このように、過去のCAD図面、及びトポロジ最適化計算の結果を、製造コストや効率などの特性情報によって類似度の高いクラスタに分け、それらをクラスタ毎に機械学習することで、トポロジ最適化計算の結果から新たな図面を生成する。これにより、従来、技術者が経験からトポロジ最適化計算で得られる密度の濃淡から予測していた形状に対して、技術者の経験に依らない形状が得られる。さらに、製造コストや効率といった最適化計算の目的関数以外の特性を考慮した新たな図面を生成できる。また、条件ベクトルを応用することで、製造コストと効率などの複数の特性を考慮に入れた図面を短時間で生成することができる。 In this way, past CAD drawings and topology optimization calculation results are divided into clusters with high similarity based on characteristic information such as manufacturing cost and efficiency, and machine learning is applied to each cluster to improve topology optimization calculations. Generate a new drawing from the results. As a result, a shape that does not depend on the engineer's experience can be obtained, compared to the shape that the engineer had conventionally predicted based on the density density obtained from experience in topology optimization calculations. Furthermore, new drawings can be generated that take into consideration characteristics other than the objective function of optimization calculations, such as manufacturing cost and efficiency. Furthermore, by applying condition vectors, drawings that take into account multiple characteristics such as manufacturing cost and efficiency can be generated in a short time.
以上のように、本開示によれば、短時間で高品質な図面を得られることができる。 As described above, according to the present disclosure, high-quality drawings can be obtained in a short time.
本開示では、クラスタリング、機械学習及びトポロジ最適化計算を、同一の計算機(コンピュータ)で実施しているように記載しているが、ネットワーク環境を利用することにより、異なる計算機において実施することは可能である。すなわち、離れた場所に設置されている複数のサーバーがインターネットを利用して連携するようにして、クラウドを構成することにより、本開示に係る設計支援方法を実施してもよい。その場合、複数のサーバー等が設計支援システムを構成しているということができる。 In this disclosure, clustering, machine learning, and topology optimization calculations are described as being performed on the same computer (computer), but they can be performed on different computers by using a network environment. It is. That is, the design support method according to the present disclosure may be implemented by configuring a cloud by having a plurality of servers installed in remote locations cooperate using the Internet. In that case, it can be said that a plurality of servers etc. constitute a design support system.
101:クラスタリング条件入力部、102:クラスタリング部、103:クラスタリング結果表示部、104:機械学習制御部、105:図面生成部、106:図面判別部、107:最適化・解析条件入力部、108:解析モデル生成部、109:トポロジ最適化計算部、110:図面生成条件入力部、111:図面表示部、112:データベース、113:計算機。 101: Clustering condition input section, 102: Clustering section, 103: Clustering result display section, 104: Machine learning control section, 105: Drawing generation section, 106: Drawing discrimination section, 107: Optimization/analysis condition input section, 108: Analysis model generation section, 109: Topology optimization calculation section, 110: Drawing generation condition input section, 111: Drawing display section, 112: Database, 113: Computer.
Claims (14)
クラスタリング条件の入力を受け付けるクラスタリング条件入力部と、
前記クラスタリング条件に従ってクラスタリングをするクラスタリング部と、
前記クラスタリングにより得られたクラスタのそれぞれについて機械学習をする機械学習制御部と、
前記機械学習の結果から新たな図面を生成する図面生成部と、
比較対象の基本図面と前記新たな図面とを比較し、これらの図面が同じであるかどうかを判別する図面判別部と、
前記構造最適化の計算に必要な計算条件の入力を受け付ける最適化・解析条件入力部と、
前記計算条件に従って解析モデルを生成する解析モデル生成部と、
前記解析モデルを用いて前記構造最適化の前記計算をする構造最適化計算部と、
前記構造最適化の前記計算結果及び前記クラスタリングをした結果を表示し、図面生成に必要な前記クラスタのそれぞれについての重みの入力を受け付ける図面生成条件入力部と、
前記クラスタリング条件、前記計算結果及び生成した図面のうち少なくともいずれか一つを含む情報を表示する表示部と、を備え、
前記図面生成部は、前記構造最適化の前記計算結果と前記重みとを用いて提案図面を生成し、
前記表示部は、前記提案図面を表示する、設計支援装置。 A design support device that generates a proposal drawing from structural optimization calculation results that derive an optimized density distribution for a structure,
a clustering condition input section that accepts input of clustering conditions;
a clustering unit that performs clustering according to the clustering condition;
a machine learning control unit that performs machine learning on each of the clusters obtained by the clustering;
a drawing generation unit that generates a new drawing from the result of the machine learning;
a drawing determination unit that compares the basic drawing to be compared with the new drawing and determines whether these drawings are the same;
an optimization/analysis condition input unit that receives input of calculation conditions necessary for the structural optimization calculation;
an analytical model generation unit that generates an analytical model according to the calculation conditions;
a structural optimization calculation unit that performs the calculation of the structural optimization using the analytical model;
a drawing generation condition input unit that displays the calculation results of the structural optimization and the clustering results and receives input of weights for each of the clusters necessary for drawing generation;
a display unit that displays information including at least one of the clustering conditions, the calculation results, and the generated drawings;
The drawing generation unit generates a proposed drawing using the calculation result of the structural optimization and the weight,
The display unit is a design support device that displays the proposed drawing.
クラスタリング条件入力部が、クラスタリング条件の入力を受け付け、
クラスタリング部が、前記クラスタリング条件に従ってクラスタリングをし、
機械学習制御部が、前記クラスタリングにより得られたクラスタのそれぞれについて機械学習をし、
図面生成部が、前記機械学習の結果から新たな図面を生成し、
図面判別部が、比較対象の基本図面と前記新たな図面とを比較し、これらの図面が同じであるかどうかを判別し、
最適化・解析条件入力部が、前記構造最適化の計算に必要な計算条件の入力を受け付け、
解析モデル生成部が、前記計算条件に従って解析モデルを生成し、
構造最適化計算部が、前記解析モデルを用いて前記構造最適化の前記計算をし、
図面生成条件入力部が、前記構造最適化の前記計算結果及び前記クラスタリングをした結果を表示し、図面生成に必要な前記クラスタのそれぞれについての重みの入力を受け付け、
表示部が、前記クラスタリング条件、前記計算結果及び生成した図面のうち少なくともいずれか一つを含む情報を表示し、
前記図面生成部は、前記構造最適化の前記計算結果と前記重みとを用いて提案図面を生成し、
前記表示部は、前記提案図面を表示する、設計支援方法。 A design support method for generating a proposal drawing from structural optimization calculation results for deriving an optimized density distribution for a structure, the method comprising:
The clustering condition input section accepts input of clustering conditions,
a clustering unit performs clustering according to the clustering conditions,
a machine learning control unit performs machine learning on each of the clusters obtained by the clustering,
a drawing generation unit generates a new drawing from the result of the machine learning,
a drawing discrimination unit compares the basic drawing to be compared with the new drawing and determines whether these drawings are the same;
The optimization/analysis condition input unit receives input of calculation conditions necessary for the structural optimization calculation,
an analytical model generation unit generates an analytical model according to the calculation conditions,
a structural optimization calculation unit performs the calculation of the structural optimization using the analytical model,
a drawing generation condition input unit displays the calculation results of the structural optimization and the clustering results, and receives input of weights for each of the clusters necessary for drawing generation;
a display unit displays information including at least one of the clustering condition, the calculation result, and the generated drawing;
The drawing generation unit generates a proposed drawing using the calculation result of the structural optimization and the weight,
The design support method, wherein the display unit displays the proposed drawing.
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