JP4475293B2

JP4475293B2 - 解析メッシュ作成方法および解析メッシュ作成装置

Info

Publication number: JP4475293B2
Application number: JP2007132516A
Authority: JP
Inventors: 輝彦友廣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: JP2008287545A; GB0808981D0; US20080288221A1; GB2449361A

Description

本発明は、コンピュータによるＣＡＥ解析、特に、熱流体解析を行う場合に、既存の解析メッシュを修正して部分的に異なる解析メッシュを簡便に作成する方法および、その装置に関するものである。

製品の設計や研究開発においてＣＡＥ解析を利用する場合、設計図面やＣＡＤデータを、直接解析できるわけではなく、解析の対象物を細かい領域に分割した解析メッシュを作成する必要がある。これは、ＣＡＥ解析では、力学や流体の複雑な物理現象を微分方程式で表現し、それを離散化した代数方程式をコンピュータで計算するという手法を用いているためである。

解析メッシュは解析したい対象領域を細かく分割したもので、もともとの形状データとしては解析対象の３Ｄ−ＣＡＤモデルが用いられることが多い。解析を行う場合、全く異なる形状のものを解析して比較することは少なく、基本的な形状は同じで、部分的に異なる形状のものの良否を比較検討することが多い。比較検討する個数は、２、３種類の場合もあれば数１０種類も検討する場合もある。このような場合、市販の解析ツールでは、解析メッシュそのものの形状を変更することは不可能な場合が多いので、何らかの方法で元になる３Ｄ−ＣＡＤモデルの形状を修正してから、再度、解析メッシュを作成するという手順を踏むことになる。あらかじめ、複数種の構成を検討することがわかっている場合には、３Ｄ−ＣＡＤモデルを作成する際に、検討したい形状を考慮した３Ｄ−ＣＡＤモデルを複数種作成することによって効率よく解析メッシュを作成することができるが、実際には、検討を進めて行きながら新たな形状を工夫して作り出していくことが多いので、元になる３Ｄ−ＣＡＤモデルを修正して新たな形状を作成することになる。

しかしながら、３Ｄ−ＣＡＤモデルを部分的に形状変更し、他の部品との組み合わせ部分を不整合なく修正するのは、形状が複雑になればなるほど手間と時間のかかる作業になる。特に、流体解析の場合の３Ｄ−ＣＡＤモデルは、固体部分と流体部分の両方を作成する必要があり、形状の修正はいっそう複雑になる。

そこで、部分的な形状を変えた３Ｄ−ＣＡＤモデルを容易に作成する方法が考案されている。例えば、３Ｄ−ＣＡＤモデルとそのソリッド形状のもとになるワイヤフレームモデルを対応付けて記憶し、ワイヤフレームモデルを修正することによって新たな３Ｄ−ＣＡＤモデルを構築する方法がある。これは、図５に示すような機能ブロックから構成されている。図５において、複数種類のソリッドモデルをそれぞれ修正するために、形状データファイル記憶手段３１内の形状データファイルの形状データが変更手段３２より順次変更された後、定義データ更新手段３３では、予め設定されたワイヤフレームモデルとソリッドモデルの対応づけに従って、変更後の形状データファイル内の形状データに基づいて、構成部品毎にソリッドモデルを生成するために定義されている断面形状および属性が更新される。そして、ソリッドモデル修正手段３４では、定義データ更新手段３３により更新された断面形状およびその属性に基づいてソリッドモデラ３５を作動させることにより、修正された複数種類のソリッドモデルが順次生成される。形状データファイル記憶手段３１により記憶された形状データは、空間上の線を形状データとするワイヤフレームにて表される二次元図形であり、前記変更手段３２は、ワイヤフレームモデルを各構成部品の相互関係が比較可能となるように共通の画像出力装置の画面に表示させ、その画面に表示された各構成部品の断面形状を所定の変更入力操作に従って変更するものである。

この方法によれば、変更工程において順次変更された形状データファイル内の形状データに基づき、定義データ更新工程において、予め設定された対応づけに従って構成部品毎に前記ソリッドモデルを生成するために定義されている断面形状および属性の少なくとも一方が更新される。さらに、ソリッドモデル修正工程では、その少なくとも一方が更新された断面形状および属性に基づいてソリッドモデラ３５を作動させることにより、修正された複数種類のソリッドモデルが順次生成されることから、各構成部品の断面形状をまとめて変更した後は、人手を要することなく複数の構成部品のソリッドモデルが自動的に順次生成される。したがって、設計者を機械の端末に拘束する時間がたとえば半分以下に大幅に短縮されて、高い設計能率が得られる。
特許第３０５９８６７号公報（第６頁左段第１１行〜第７頁右段第４３行、図２〜４）

しかしながら、この技術ではあらかじめ対応付けられたソリッドモデルとワイヤフレームモデルがデータベースに定義されていることが前提、あるいは、各モデルを作成し、その対応付けを定義することが必要である。つまり、これから行う検討の変更箇所や変更パターンが決まっている場合にはこのような方法を用いて効率よく進めることが可能であるが、ある解析を行ってその結果にもとづいて形状変更を行うような場合にあらかじめ汎用的な対応付けを定義することは困難である。

さらに、現実の開発業務においては過去に解析した形状を修正して検討を行うことが効率的である場合も多い。このような場合には、解析メッシュはあるがその元になった３Ｄ−ＣＡＤモデルは残っていない場合も良くあり、形状修正をするためには、新たに３Ｄ−ＣＡＤモデルを作り直す必要があり、効率的とは言いがたいという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、既存の解析メッシュを修正して部分的に異なる解析メッシュを簡便に作成できる解析メッシュ作成方法および解析メッシュ作成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の解析メッシュ作成方法は、解析メッシュを物性値情報に基づいて分割した部分領域ごとに、前記物性値情報と、メッシュ接点の各部分領域内での相対位置情報と、前記メッシュ接点の接続情報とからなる属性情報を設定する部分領域設定工程と、前記部分領域をすべて合わせた領域からなる全体領域について、前記すべての部分領域のメッシュ接点の前記相対位置情報と、前記接続情報と、前記各部分領域の物性値情報のうち特定の一つとからなる属性情報を設定する全体領域設定工程と、形状の変更が入力された第１部分領域の第１メッシュ接点の相対位置情報から前記第１メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域位置計算工程と、前記絶対位置情報に基づいて変更した前記第１部分領域と前記全体領域とが重なる領域において、前記全体領域の属性情報を削除すると共に、前記第１部分領域の属性情報を埋め込んで解析モデルを構築する領域融合工程と、構築された前記解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割工程と、を演算装置にて行なう。

また、本発明の解析メッシュ作成装置は、入力装置と演算装置と記憶装置とを備え、前記演算装置は、解析メッシュを物性値情報に基づいて分割した部分領域ごとに、前記物性値情報と、メッシュ接点の各部分領域内での相対位置情報と、前記メッシュ接点の接続情報とからなる属性情報を前記記憶装置に記憶させる部分領域登録工程と、前記部分領域をすべて合わせた領域からなる全体領域について、前記すべての部分領域のメッシュ接点の前記相対位置情報と、前記接続情報と、前記各部分領域の物性値情報のうち特定の一つとからなる属性情報を前記記憶装置に記憶させる全体領域登録工程と、前記入力装置により形状の変更が入力された第１部分領域の第１メッシュ接点の相対位置情報から前記第１メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域位置計算工程と、前記絶対位置情報に基づいて変更した前記第１部分領域と前記全体領域とが重なる領域において、前記全体領域の属性情報を削除すると共に、前記第１部分領域の属性情報を埋め込んで解析モデルを構築する領域融合工程と、構築された前記解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割工程と、を演算する装置である。

以上のように、本発明の解析メッシュ作成方法によれば、解析メッシュが残っていれば、元になった３Ｄ−ＣＡＤモデルが無くとも形状変更を行ない、新たな解析メッシュを作成することができるので、新たに３Ｄ−ＣＡＤモデルを作成する手間が無くなり、ＣＡＥ解析による形状検討を効率よく行うことができるという効果が得られる。

さらに、全体領域と部分領域に分けて変更したい部分領域の形状修正を行ったのちに、両者を融合させる処理を行うことによって、すべてを部分領域として扱う場合よりも修正の手間を減らす効果も得られる。

また、本発明の解析メッシュ作成装置によれば、解析メッシュが残っていれば、元になった３Ｄ−ＣＡＤモデルが無くとも形状変更を行ない、新たな解析メッシュを作成することができる手段を備えていることにより、新たに３Ｄ−ＣＡＤモデルを作成する手間が無くなり、ＣＡＥ解析による形状検討を効率よく行うことができる装置を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における解析メッシュ作成方法の手順を示すフローチャートである。

図１において、１は既存の解析メッシュを複数個の部分領域に分ける分割工程、２は前記複数個の部分領域を、物性値情報とメッシュ接点の相対位置情報と前記メッシュ接点の接続情報からなる属性情報と合わせて記憶する部分領域登録工程、３は前記複数の部分領域をすべて合わせた領域であって、ある特定の部分領域の属性条件を持った全体領域を記憶する全体領域登録工程、４は変更したい前記部分領域の形状を変更する形状変更工程、５は部分領域のメッシュ接点の相対位置情報から前記メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域移動工程、６は前記絶対位置情報を利用し前記全体領域と少なくとも一つの前記部分領域を組み合わせて新たな解析モデルを構築する領域融合工程、７は構築された解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割工程である。

このフローに従って解析メッシュを作成する具体的な作業手順を図２、３の事例を用いて説明する。図２（ａ）は、空気流路の解析メッシュの様子を示した図であり、上方に入口８、下方に出口９を持った空気流路の解析メッシュ１０である。この図において分割されたメッシュは省略しているが、この流路全体は解析のためのメッシュ分割された情報を備えているＣＡＥ解析用の解析メッシュである。この流路は壁１１、１２で仕切られた内部に障害物１３、１４、１５および１６を配置したものである。なお、障害物１３〜１５は不透過な物体であるが障害物１６は空気が通過可能な物体を想定している。このような障害物が存在する流路の圧損低減をはかったり、流路内での流速分布を一様化したりすることは機器開発の中で頻繁に生じる検討事項である。

まず分割工程１では、解析メッシュ１０を複数個の部分領域に分ける。一般に解析メッシュはＣＡＤデータと異なり、サーフェスやボリュームといった概念を持たず、分割されたメッシュ要素の接点や辺の座標やつながりの情報を持っている。さらに、解析するために必要な物性値条件、つまり、どの要素がどんな材料で出来ているかという情報も併せ持っている。この物性値情報により、同じ材質のメッシュ要素を一塊とすることで部分領域を構成することができる。解析対象はすべて何らかの物性値をただ１つ持っているので、物性値で領域分割することによって、解析メッシュ１０を抜けや重複なく複数の部分領域に分割することができる。

図２（ｂ）は、部分領域として分割した様子を示した図であり、壁１１、１２、障害物１３、１４、１５および１６がそれぞれ部分領域として分割される。ここで、図には示していないが、空気の領域、つまり、解析メッシュ１０から上記１１〜１６の壁と障害物を除いた領域もひとつの部分領域として分けられる。

次に部分領域登録工程２では、前工程で分割されたそれぞれの部分領域に対して、物性値情報とメッシュ接点の情報を属性情報として付加して登録する。ここでメッシュ接点の情報とは元の解析メッシュ１０が持っていたメッシュ要素の接点や辺の座標やつながりの情報のことである。座標情報は元の解析メッシュ１０を基準とした絶対座標でもよいが、少なくとも各部分領域内での相対位置が定義できる位置情報があればよい。

全体領域登録工程３では、すべての部分領域を合わせた領域、つまり、解析メッシュの全域を表す領域をひとつの部分領域（全体領域）として登録する。具体的には、前述の空気の領域と壁１１、１２や障害物１３〜１６を合わせた全体をひとつの部分領域とし、その物性値は空気の物性値を付加して全体領域１７を登録する。このとき、メッシュ接点の情報も属性情報として付加する。

ここから解析メッシュの修正作業にはいる。形状変更工程４は部分領域登録工程２で登録された部分領域の形状を変更する工程であり、部分的な形状変更から全体的な変更まで任意の変更が可能である。形状を変更した部分はメッシュ要素の形状が変わってしまうので、メッシュ接点の情報の一部または全部が失われることになるが、物性値情報は維持される。

失われたメッシュ接点の情報は後述のメッシュ分割工程７であらためてメッシュ分割することによって構築されるが、そのメッシュ分割の際の条件として、形状を変更した部分の境界上の分割寸法や分割数をメッシュ作成条件として付加しておくことも可能である。このとき、形状を変更した部分のみでなく、その部分領域全体のメッシュ接点の情報をいったん消してしまい、新たに境界全体に対してメッシュ作成条件を設定することも可能である。

次に図３（ａ）は、既存の部分領域を異なる（変更したい）部分領域に修正した様子を示した図であり、ここでは部分領域１４、１５が部分領域１８，１９に修正されている様子を示している。

ここで、図３には示していないが、形状修正工程３の特別の処理として、まったく新しい部分領域を追加することも可能である。この場合の属性情報としては物性値情報のみを与えることになり、メッシュ接点の情報は持たない状態になる。

部分領域移動工程５は、それぞれの部分領域を全体領域１７の任意の位置に配置する工程である。各々の部分領域は属性情報としてメッシュ接点の情報、つまり、各部分領域内のメッシュ要素の相対位置を定義する座標情報を持っているので、部分領域内の任意の一点を指定して、全体領域の中のある点に移動させた場合でも部分領域としての形状やメッシュ要素を保ったまま、位置の移動をすることができる。

図３（ｂ）は、部分領域移動工程５の様子を示した図であり、全体領域１７の上に複数の部分領域が重ねて置かれている状態である。部分領域１１、１２、１６の配置は元の解析メッシュ１０と同じであるが、上述のように部分領域１４、１５は形状が修正され、部分領域１８、１９となり、その配置も変更されている。部分領域１３は形状の変更は無いが、位置が変更されている。

領域融合工程６は、この重なって置かれた状態から重なりを無くす工程である。つまり、全体領域１７から、各部分領域と等しい形状の領域を削除し、その跡に各部分領域を埋め込む工程である。３Ｄ−ＣＡＤなどで行われる、いわゆる、ブーリアン演算である。

このような領域の融合を行うことで、多くの場合はその接合面でメッシュ分割の不整合が生じ、かつ、前述の形状変更に伴って部分領域の一部のメッシュ情報が消失しているので、次のメッシュ分割工程７にてあらためてメッシュ分割を行う必要がある。ここでは部分的なメッシュ分割や全体的なメッシュ分割を必要に応じて使い分けることで、効率よく新しい解析メッシュを作成することができる。

以上の作業手順により、既存の解析メッシュ１０から形状修正した新しい解析メッシュを作ることによって、元になる３Ｄ−ＣＡＤデータが無い場合でも、既存の解析メッシュを元にして効率よく新しい解析メッシュを作成することができる。特に、元の解析メッシュ１０をすべて部分領域に分けるのではなく、全体領域１７を定義して、他の部分領域に必要な修正を行った後、領域融合工程６の処理を行うことによって、部分領域同士の修正部分の整合性を保つ作業が不要になり、形状修正の手間が大幅に軽減される。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における解析メッシュ作成装置の構成図である。入力装置２０はキーボードやマウス、演算装置２１はＣＰＵやＭＰＵ、記憶装置２２はＨＤＤやフラッシュメモリなど、表示装置２３は液晶やＣＲＴなどのディスプレイが現在の一般的な機器構成である。

演算装置２１は、既存の解析メッシュを複数個の部分領域に分ける分割手段２４と、前記複数個の部分領域を、物性値情報とメッシュ接点の相対位置情報と前記メッシュ接点の接続情報からなる属性情報とを合わせて記憶する部分領域登録手段２５と、前記複数の部分領域をすべて合わせた領域であって、ある特定の部分領域の属性条件を持った全体領域を記憶する全体領域登録手段２６と、変更したい前記部分領域の形状を変更する形状変更手段２７と、部分領域のメッシュ接点の相対位置情報から前記メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域移動手段２８と、前記絶対位置情報を利用し前記全体領域と少なくとも一つの部分領域を組み合わせて新たな解析モデルを構築する領域融合手段２９と、構築された解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割手段３０とを備えている。これらの各処理手段は、演算装置２１に分離不可能な状態に付加された形態、あるいは、プログラムとして可搬的であり、一時的に記憶装置２２に記憶させてそれを演算装置２１が制御する形態のいずれであっても良い。

解析メッシュ作成処理の内容は実施の形態１で説明したものと同様であるが、あのような作成方法をこの実施の形態２に示した専用、あるいは、汎用の装置によって具現化することで、実際の開発現場における解析作業を大幅に効率化することができる。

本発明の解析メッシュ作成方法は、既存の解析メッシュを元にして新たな解析メッシュを容易に作成する方法を提供するものであり、実際の開発現場でよく発生する、過去の解析メッシュは存在するが元になった３Ｄ−ＣＡＤモデルは見つからないという状況でも、所望の形状変更を行い、新たな解析メッシュを作成することができるので、新たに３Ｄ−ＣＡＤモデルを作成する手間が無くなり、ＣＡＥ解析による形状検討を効率よく行うことができる。

さらに、全体領域と部分領域に分けて変更したい部分領域の形状修正を行ったのちに、両者を融合させる処理を行うことによって、すべてを部分領域として扱う場合よりも修正の手間を減らすことも可能である。

これらの特徴は構造解析や流体解析などのＣＡＥ解析を行う広い分野に適用することができ、特に、空間領域をも解析対象とする流体解析の分野において有効な方法である。

本発明の実施の形態１における解析メッシュ作成方法のフローチャート（ａ）空気流路の解析メッシュの様子を示した図、（ｂ）部分領域として分割した様子を示した図（ａ）既存の部分領域を異なる部分領域に修正した様子を示した図、（ｂ）部分領域移動工程５の様子を示した図本発明の実施の形態２における解析メッシュ作成装置の構成図従来の解析モデル作成装置の要部を説明する機能ブロック図

符号の説明

１分割工程
２部分領域登録工程
３全体領域登録工程
４形状変更工程
５部分領域移動工程
６領域融合工程
７メッシュ分割工程
２０入力装置
２１演算装置
２２記憶装置
２３表示装置
２４分割手段
２５部分領域登録手段
２６全体領域登録手段
２７形状変更手段
２８部分領域移動手段
２９領域融合手段
３０メッシュ分割手段

Claims

解析メッシュを物性値情報に基づいて分割した部分領域ごとに、前記物性値情報と、メッシュ接点の各部分領域内での相対位置情報と、前記メッシュ接点の接続情報とからなる属性情報を設定する部分領域設定工程と、
前記部分領域をすべて合わせた領域からなる全体領域について、前記すべての部分領域のメッシュ接点の前記相対位置情報と、前記接続情報と、前記各部分領域の物性値情報のうち特定の一つとからなる属性情報を設定する全体領域設定工程と、
形状の変更が入力された第１部分領域の第１メッシュ接点の相対位置情報から前記第１メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域位置計算工程と、
前記絶対位置情報に基づいて変更した前記第１部分領域と前記全体領域とが重なる領域において、前記全体領域の属性情報を削除すると共に、前記第１部分領域の属性情報を埋め込んで解析モデルを構築する領域融合工程と、
構築された前記解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割工程と、を演算装置にて行なう、
解析メッシュ作成方法。
入力装置と演算装置と記憶装置とを備え、
前記演算装置は、
解析メッシュを物性値情報に基づいて分割した部分領域ごとに、前記物性値情報と、メッシュ接点の各部分領域内での相対位置情報と、前記メッシュ接点の接続情報とからなる属性情報を前記記憶装置に記憶させる部分領域登録工程と、
前記部分領域をすべて合わせた領域からなる全体領域について、前記すべての部分領域のメッシュ接点の前記相対位置情報と、前記接続情報と、前記各部分領域の物性値情報のうち特定の一つとからなる属性情報を前記記憶装置に記憶させる全体領域登録工程と、
前記入力装置により形状の変更が入力された第１部分領域の第１メッシュ接点の相対位置情報から前記第１メッシュ接点の絶対位置情報を計算する部分領域位置計算工程と、
前記絶対位置情報に基づいて変更した前記第１部分領域と前記全体領域とが重なる領域において、前記全体領域の属性情報を削除すると共に、前記第１部分領域の属性情報を埋め込んで解析モデルを構築する領域融合工程と、
構築された前記解析モデルのメッシュ分割を行うメッシュ分割工程と、を演算する装置である、解析メッシュ作成装置。