JP4765815B2

JP4765815B2 - 数値解析データ作成装置、数値解析データ作成方法およびその作成方法をコンピュータに実行させるためのプログラム

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Publication number: JP4765815B2
Application number: JP2006207874A
Authority: JP
Inventors: 千帆村重
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: JP2008033727A

Description

本発明は、数値解析法、たとえば有限要素法（以下、ＦＥＭ（Finite Element Method）と記載する場合がある）に適用されるメッシュデータを作成する技術に関し、特に、ボルト穴等の穴部を有する部材のメッシュの作成技術に関する。

機械設計においては、ＣＡＤ（Computer aided Design）システムを用いて、設計効率の向上が図られる。このようなＣＡＤシステムを用いて設計される機械製品を対象とした設計処理においては、形状モデルや組立品といった形状情報と、設計や生産に必要な形状情報に付随する属性情報とを統合的に矛盾なく取り扱うことが必要となる。このため、たとえば同一形状の機械製品毎にグルーピングが行なわれている。

たとえば、特開２００１−１４２５１７号公報（特許文献１）は、３次元板金モデルの成型形状部分を形状から自動で認識して加工のための属性情報を付加する成形形状認識方法を開示する。この成形形状認識方法は、複数の種類の３次元ＣＡＤモデルに係るデータを変換して特定の３次元ＣＡＤに復元し、または、３次元ＣＡＤにより作成された、製品の３次元のモデルである板金モデルに存在する成形部分の形状である成形形状を認識して属性情報を付加する方法であって、板金モデルに存在する成形形状を認識するための処理を行なうために、この板金モデルを面単位で、プログラムが処理を行なう領域に取り込みを行なう板金モデル取り込みステップと、板金モデルに対して、材質、板厚、および展開図の表となる側のデータである基本属性データを付加する基本属性データ付加ステップと、板金モデルに存在する各々の成形形状の面の集まりである成形形状面群と、板厚面の集まりである板厚面群と、板金モデルの表の面である表面群および板金モデルの裏の面である裏面群からなる展開対象面群とを認識する板金形状認識ステップと、板厚面群、展開対象面群および、成形形状面群を、連続する面同士で接合して、板厚形状、展開対象面形状、および、成形形状を生成する面接合ステップと、複数の種類の成形形状の中から同一形状の成形形状毎に分類して、グループ化する成形形状分類ステップと、成形形状の幾何形状、材質、および板厚から製品に存在する成形の種類を特定して、この成形種類に対応した属性情報を生成して一時的に格納する成形形状特定ステップと、一時的に格納されている属性情報を、製品を加工するＮＣデータを作成することができるように板金モデルに係る要素に付加する属性情報付加ステップとを含む。

この板金モデルの成形形状認識方法によると、３次元板金モデルを面単位で読み込み、板厚面群、展開対象面群、成型面群に分類して、それぞれの面の種類毎に面を接合する。そして、同一成形形状毎にグルーピングして、学習データベースに登録されている学習形状を参照しつつ、成形形状が存在する位置に属性情報を付加する。一方、板金モデルを展開してモデルに付加されている属性情報を展開された展開形状に承継させる。この展開形状に製品を加工するための金型を割り付けＮＣデータを生成する。そして、このＮＣデータをＮＣ加工機に送信して製品を加工する。このように処理するので、たとえば、成型形状からの成形特定処理になるため、設計側は３次元のメリット（例えば、成形形状の干渉チェック）を阻害することなく、モデルを作成できるという効果がある。

この特許文献１以外にも、このようなＣＡＤやさらにＦＥＭにおいて、以下の公報にこれらに関連する技術が開示されている。
特開２００１−１４２５１７号公報特開平８−３０６６３号公報特開２００２−２１９５２３号公報特開平１１−１０２３８３号公報特開２００５−１３８１２０号公報

たとえば、エンジンのシリンダヘッドやシリンダブロックのように、互いを多数のボルトで締結するための多数の穴が設けられる場合がある。このような部材の穴部については空間であるので剛体として取り扱うことができない。このため、穴部およびその周辺についてＦＥＭのメッシュを的確に作成することができない。特に、穴部周辺のボルト座面が当接する部分についてどのような応力が発生するのかを正確に解析することが困難になる。

しかしながら、上述したいずれの特許文献においても、このような問題を把握しておらず、したがってこのような問題を解決できていない。

さらに、ＣＡＤデータはＦＥＭに必要なデータに比較して多くの情報を含んでいるので、ＣＡＤデータから容易にＦＥＭ用の形状データに加工することが困難である。このため、穴部周辺のメッシュを手作業で作成することも考えられるのであるが、前述のシリンダヘッドとシリンダブロックとの接合のように多数のボルトが用いられる場合であっても、１つずつボルト穴およびその周辺のメッシュの作成を手作業で行なうのは工数の観点から現実的でない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、たとえば多数の同一形状の穴を有する機械製品について、ＣＡＤデータに基づいて数値解析（ＦＥＭに代表される）のメッシュデータを容易に作成できる、数値解析データ作成装置、数値解析データ作成方法およびその作成方法をコンピュータに実現させるためのプログラムを提供することである。

第１の発明に係る数値解析データ作成装置は、複数の締結部材により締結されて構成される部材の物理的特性を解析する数値解析法に用いる数値解析データ作成装置である。部材の表面には複数の締結部材に対応した複数の穴部が設けられる。この数値解析データ作成装置は、３次元機械設計データを読み込むための読込手段と、３次元機械設計データに基づいて、数値解析法の対象である解析面における、穴部を含む複数の部分面を、予め定められた因子が共通すると同じグループとして設定するためのグループ設定手段と、３次元機械設計データに基づいて、解析面にメッシュを作成するためのメッシュ作成手段と、設定されたグループおよび作成されたメッシュに基づいて、穴部に仮想シェル要素を貼付して、締結部材が部材の表面に当接する部分面についての剛体要素および剛体主点とを設定するための設定手段と、数値解析法が実行できるように、表面メッシュに対応したデータおよび剛体についてのデータを出力するための出力手段とを含む。また、第４の発明に係る数値解析データ作成方法は、第１の発明に対応する構成を有する。

第１または第４の発明によると、ボルト等の締結部材が挿入される穴部（ボルト穴部）を有する部材を数値解析（ＦＥＭ等）において、３次元機械設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて解析面の面加工（サーフェス加工）するとともに、たとえば同じボルトで締結される同じ面のボルト穴部は同じグループとして設定する。このボルト穴部に対して仮想シェル要素を貼付して剛体要素と剛体主点とを設定する。このようにすると、解析面のボルト穴部の周囲のボルト座面においてもＦＥＭ用のメッシュを、ＣＡＤデータからグループ単位で作成することが自動的にコンピュータの演算処理で行なうことができる。その結果、たとえば多数の同一形状の穴を有する機械製品について、ＣＡＤデータに基づいて数値解析（ＦＥＭに代表される）のメッシュデータを容易に作成できる、数値解析データ作成装置や数値解析データ作成方法を提供することができる。

第２の発明に係る数値解析データ作成装置においては、第１の発明の構成に加えて、締結部材は、ボルトであって、部分面は、ボルトの座面である。設定手段は、穴部および座面を含む面に仮想シェル要素を貼付して、仮想シェル要素の重心座標を剛体主点として設定して、仮想シェル要素を構成する接点を従属点として設定して、剛体主点および従属点から構成される剛体を剛体要素として設定するための手段を含む。また、第５の発明に係る数値解析データ作成方法は、第２の発明に対応する構成を有する。

第２または第５の発明によると、ボルト穴部に仮想シェル要素を貼付して、剛体主点については、仮想シェル要素の重心座標を演算にて算出して、これを剛体主点として設定できる。また、剛体要素については、この剛体主点および従属点（仮想シェル要素を構成する接点）から構成されるものとして演算にて算出して、これを剛体要素として設定できる。

第３の発明に係る数値解析データ作成装置においては、第１または第２の発明の構成に加えて、因子は、材料特性、締結部材の形状特性および締結部材の取付面の少なくともいずれかである。また、第６の発明に係る数値解析データ作成方法は、第３の発明に対応する構成を有する。

第３または第６の発明によると、グルーピングの因子を様々な因子に設定してグルーピングを行なえるので、多くのボルト穴があっても、グループを柔軟に設定することができ、少ないグループ数で多くのボルト穴を処理することができる。

第７の発明に係るプログラムは、第４〜第６のいずれかの数値解析データ作成方法をコンピュータに実行させるプログラムである。

第７の発明によると、コンピュータを用いて、第４〜第６のいずれかの発明と同様の作用効果を発現できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置の制御ブロック図について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置は、ＣＡＤデータベース１０００と、剛体貼付範囲の面加工およびグルーピング処理部２０００と、ＦＥＭメッシュ作成部（仮想シェル要素）３０００と、ＦＥＭ形状およびＦＥＭ仮想データベース４０００と、剛体貼付範囲の面加工およびグルーピング処理部２０００に接続されたグルーピング情報データベース５０００と、ＦＥＭ形状およびＦＥＭ仮想データベース４０００とグルーピング情報データベース５０００とに接続された剛体データ作成部６０００と、剛体データ作成部６０００に接続され、剛体主点および剛体要素のデータを出力するＦＥＭ形状および剛体データベース７０００とから構成される。ＦＥＭ形状および剛体データベース７０００のデータを用いて、有限要素法等の数値解析法が実行される。

剛体データ作成部６０００は、剛体主点の配置処理部６１００と、剛体要素の作成処理部６２００とを含む。

ＦＥＭメッシュ作成部（仮想シェル要素）３０００はＦＥＭ形状データを作成するとともに、グルーピングされた解析面上に仮想のシェル要素を作成する。たとえば材料特性ナンバーをサーフェス（面）ナンバーとし、グルーピング範囲を判別できるようにしている。

グルーピング情報データベース５０００は、グルーピングされたサーフェス（面）のナンバーの情報をデータベース化したものである。剛体主点の配置処理部６１００は、グループ（材料特性ナンバー）毎の処理要素の重心座標により剛体主点を作成する。剛体要素の作成処理部６２００は、剛体主点の配置処理部６１００により作成された剛体主点と、グループ（材料特性ナンバー）毎の仮想シェル要素を構成する接点を従属点として、剛体要素を作成する。

ＣＡＤデータベース１０００に格納されるメッシュデータの具体的な一例について説明する。メッシュデータは、接点を識別するための番号である接点番号Ｎ、特定の座標系を基準にした接点の座標Ｘ（ｘ，ｙ，ｚ）、その接点の結線先の接点の接点番号列を表わした結線情報Ｍとを対応付けて書込まれた接点情報群を形成する。１つの接点情報は、Ｎ（Ｘ，Ｍ）のように表現される。また、メッシュデータの冒頭には、密度、ヤング率、ポアソン比等の剛体の物理定数や、座標系間の座標変換行列などの情報が書込まれている。

なお、ここで示した接点情報の表現は一例であって、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置がこのようなデータに限定されるものではない。

また、以下の説明において、メッシュの作成方法等については、既存の技術（たとえば上述した特許文献）を参照して実行することができるため、本明細書では詳細な説明は繰返さない。

図２のフローチャートを参照して、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置が実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、数値解析データ作成装置は、ＣＡＤデータベース１０００からＣＡＤデータを読込む。

Ｓ１１０にて、数値解析データ作成装置は、剛体（ボルト）を取付ける範囲の面加工を実行する。このとき、剛体貼付範囲の面加工およびグルーピング処理部２０００により、剛体取付範囲の面加工が実行される。

Ｓ１２０にて、数値解析データ作成装置は、剛体（ボルト）取付範囲のグルーピングを実行する。このとき、剛体貼付範囲の面加工およびグルーピング処理部２０００が剛体取付範囲のグルーピング処理を実行する。

Ｓ１３０にて、数値解析データ作成装置は、グルーピングされたサーフェス（面）情報を、グルーピング情報データベース５０００に記憶する。

Ｓ１４０にて、数値解析データ作成装置は、ＦＥＭメッシュを作成する。
Ｓ１５０にて、数値解析データ作成装置は、グルーピングされた取付範囲に仮想シェル要素を作成する。このとき、ＦＥＭメッシュ作成部（仮想シェル要素）３０００が、グルーピングされた取付範囲に仮想シェル要素を貼付ける処理を実行する。

Ｓ１６０にて、数値解析データ作成装置は、仮想シェル要素の重心座標を算出して、この重心座標に剛体主点を作成する。すなわち、仮想シェル要素の重心座標が剛体主点として設定される。

Ｓ１７０にて、数値解析データ作成装置は、剛体主点および従属点（グループ（材料特性ナンバー）毎の要素を構成する接点）とした剛体要素を作成する。

Ｓ１６０およびＳ１７０における処理は剛体データ作成部６０００の剛体主点の配置処理部６１００および剛体要素の作成処理部６２００が実行する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置の動作について説明する。

なお、数値解析データ作成装置は、実際には、パーソナルコンピュータまたはワークステーションなど、コンピュータ上で実行されるソフトウェアにより実現される。すなわち、境界要素法や有限要素法の数値解析を行なうためのデータを作成する装置は、コンピュータハードウェアとＣＰＵ（Central Processing Unit)により実行されるソフトウェアとにより実現される。一般的にこうしたソフトウェアは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に格納されて流通され、コンピュータに備えられた読取装置により記録媒体から読取られたり、通信回線を介して受信したりすることにより、固定ディスクに一旦格納される。さらに固定ディスクからメモリに読出されてＣＰＵによりそのプログラムが実行される。したがって、本発明の本質的な部分は記録媒体や通信回線を介してコンピュータが受信するソフトウェアである。

図３に、簡略化した数値解析対象であるボルト穴を有する部材を例に取って、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置の動作を説明する。

ここで、作業内容の目的は、ＣＡＤデータを用いて、他の部品との結合用のボルトの座面に剛体要素を作成することである。

図３の最上部に示すようなボルト穴を要するＣＡＤデータが読出され（Ｓ１００）、ＣＡＤ計状に剛体の従属範囲が加工される。すなわち図３の第２段に記載するようにＣＡＤ面加工がボルト座面として施される。このボルト座面に対してグルーピングしたサーフェスナンバーが設定される。ここでは３つのボルト穴に対して同じグループとしてボルト座面のサーフェスナンバーが設定されている。ボルト座面が面加工されたデータはグルーピング情報データベース５０００に出力される（Ｓ１３０）。

ＦＥＭ形状メッシュが作成され（Ｓ１４０）、グルーピング面に仮想シェル要素が作成される（Ｓ１５０）。このとき図３の下から２段目に示すようにたとえばサーフェスナンバー１１１１に作成されたシェル要素がＰＳＨＥＬＬ１１１１のデータとして作成される。

仮想シェル要素の重心座標が算出され、この重心座標に剛体主点が作成される（Ｓ１６０）。剛体主点および従属点からなる剛体要素が作成される（Ｓ１７０）。図３の最下段にサーフェス１１１１に作成されたシェルならびに主点および従属点を示す。

さらに、より現実に近いデータを参照して、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置の動作について説明する。

図４に、ＣＡＤ用データにより表わされたエンジンのシリンダブロックの平面図を示す。図５に、図４に対応するＦＥＭメッシュを表わした図を示す。図６に、図５に剛体主点を加えた図を示す。

図４に示すように、ＣＡＤデータにより描かれたシリンダブロックには、シリンダブロック８０００の表面に、同じ形状を有するボルト穴８０１０が６ヶ所（これで１グループ）、異なるボルト穴形状を有するボルト穴８０２０が２ヶ所（これで１グループ）設けられている。

図４に示されるシリンダブロック８０００に対してＦＥＭメッシュを作成した場合の図が図５である。最も左上端のボルト穴８０１０の部分を拡大した図を、図５に併せて示す。

拡大図におけるハッチングされた部分がボルト座面に対応する。さらに図６に示すように、ボルト座面を含むボルト穴部に仮想シェルを貼付けて、その仮想シェルデータの重心を測定し剛体主点８０３０として設定する。また、仮想シェルデータの重心座標を剛体主点として設定する代わりに、仮想シェルデータの構成接点座標の平均値を剛体主点として設定してもよい。

なお、複数のボルト座面を１つの剛体で繋ぎたい場合には、図７に示すように飛び地面を作成する。飛び地面は、点９０００で表わされる点を剛体中心とし、１つの面として認識（同一のサーフェスナンバーが付与）されることになる。

以上のようにして、本実施の形態に係る数値解析データ作成装置によると、３次元ＣＡＤデータを用いて、多数のボルト穴を有する部材におけるボルト座面に仮想シェルデータを貼付けることおよび同じボルト穴については同じグループとして設定することにより、容易にボルト座面に剛体要素および剛体主点を設定することができる。このように設定された剛体主点および剛体要素を用いて、有限要素法等の数値解析により、ボルト座面にどのような応力が発生するかを解析することができる。その結果、情報量が多くデータ量の大きいＣＡＤデータを用いて、ＦＥＭ用のメッシュデータを容易に作成することができる。

また、従来のように、多数のボルト穴に対する剛体要素や剛体主点を手動にて設定した場合に比べて、はるかに速くボルト座面における剛体主点および剛体要素を設定することが自動で行なえるようになる。

なお、グルーピングは、取付面の特徴によるものでもよいし、面、アール、角などで分けてもよい。さらにグループ名を命名したり、区別したり、面だけでなくカーブなども対象とすることで、剛体以外の要素作成や条件を付加すること（梁、ばね、マス、固定ＩＤ等）も可能となる。

たとえば、このようなグルーピングの一例が、図８に示すボルト穴１００３０に設定される梁１００４０である。なお、図８においては、ボルト座面１００００、解析対象の部材１００２０、接点１００５０がそれぞれ記載されている。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る数値解析データ作成装置の制御ブロック図である。本発明の実施の形態に係る数値解析データ作成装置で実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る数値解析データ作成装置で処理されたデータの状態を示す図である。ＣＡＤ用データにより表わされたエンジンのシリンダブロックの平面図である。図４に対応するＦＥＭメッシュを表わした図である。図５に剛体主点を加えた図である。図５に飛び地点を加えた図である。グルーピングの一例を説明するための図である。

符号の説明

１０００ＣＡＤデータベース、２０００剛体貼付範囲の面加工およびグルーピング処理部、３０００ＦＥＭメッシュ作成部（仮想シェル要素）、４０００ＦＥＭ形状および仮想ＦＥＭデータベース、５０００グルーピング情報データベース、６０００剛体データ作成部、７０００ＦＥＭ形状および剛体データベース。

Claims

複数の締結部材により締結されて構成される部材の物理的特性を解析する数値解析法に用いる数値解析データ作成装置であって、前記部材の表面には前記複数の締結部材に対応した複数の穴部が設けられ、
前記数値解析データ作成装置は、
３次元機械設計データを読み込むための読込手段と、
前記３次元機械設計データに基づいて、前記数値解析法の対象である解析面における、前記穴部を含む複数の部分面を、予め定められた因子が共通すると同じグループとして設定するためのグループ設定手段と、
前記３次元機械設計データに基づいて、前記解析面にメッシュを作成するためのメッシュ作成手段と、
前記設定されたグループおよび前記作成されたメッシュに基づいて、前記穴部に仮想シェル要素を貼付して、前記締結部材が前記部材の表面に当接する部分面についての剛体要素および剛体主点とを設定するための設定手段と、
前記数値解析法が実行できるように、前記表面メッシュに対応したデータおよび前記剛体についてのデータを出力するための出力手段とを含む、数値解析データ作成装置。
前記締結部材は、ボルトであって、
前記部分面は、前記ボルトの座面であって、
前記設定手段は、前記穴部および前記座面を含む面に仮想シェル要素を貼付して、前記仮想シェル要素の重心座標を前記剛体主点として設定して、前記仮想シェル要素を構成する接点を従属点として設定して、前記剛体主点および前記従属点から構成される剛体を前記剛体要素として設定するための手段を含む、請求項１に記載の数値解析データ作成装置。
前記因子は、材料特性、前記締結部材の形状特性および前記締結部材の取付面の少なくともいずれかである、請求項１または２に記載の数値解析データ作成装置。
複数の締結部材により締結されて構成される部材の物理的特性を解析する数値解析法に用いる数値解析データ作成装置が行なう数値解析データ作成方法であって、前記部材の表面には前記複数の締結部材に対応した複数の穴部が設けられ、
前記数値解析データ作成方法は、
前記数値解析データ作成装置が３次元機械設計データを読み込む読込ステップと、
前記数値解析データ作成装置が、前記３次元機械設計データに基づいて、前記数値解析法の対象である解析面における、前記穴部を含む複数の部分面を、予め定められた因子が共通すると同じグループとして設定するグループ設定ステップと、
前記数値解析データ作成装置が、前記３次元機械設計データに基づいて、前記解析面にメッシュを作成するメッシュ作成ステップと、
前記数値解析データ作成装置が、前記設定されたグループおよび前記作成されたメッシュに基づいて、前記穴部に仮想シェル要素を貼付して、前記締結部材が前記部材の表面に当接する部分面についての剛体要素および剛体主点とを設定する設定ステップと、
前記数値解析データ作成装置が、前記数値解析法が実行できるように、前記表面メッシュに対応したデータおよび前記剛体についてのデータを出力する出力ステップとを含む、数値解析データ作成方法。
前記締結部材は、ボルトであって、
前記部分面は、前記ボルトの座面であって、
前記設定ステップは、前記数値解析データ作成装置が、前記穴部および前記座面を含む面に仮想シェル要素を貼付して、前記仮想シェル要素の重心座標を前記剛体主点として設定して、前記仮想シェル要素を構成する接点を従属点として設定して、前記剛体主点および前記従属点から構成される剛体を前記剛体要素として設定するステップを含む、請求項４に記載の数値解析データ作成方法。
前記因子は、材料特性、前記締結部材の形状特性および前記締結部材の取付面の少なくともいずれかである、請求項４または５に記載の数値解析データ作成方法。
請求項４〜６のいずれかに記載の数値解析データ作成方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。