JP4803809B2 - Structural optimization method - Google Patents

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本発明は、構造最適化方法に係り、特に、軽量化を目的とした位相最適化手法を対象構造物に適用する際の解析処理にかかる工数を大幅に削減することができる構造最適化方法に関する。   The present invention relates to a structure optimization method, and more particularly to a structure optimization method capable of greatly reducing the number of man-hours required for analysis processing when applying a phase optimization method for weight reduction to a target structure. .

近年、コンピュータを利用した部品設計の分野において、対象構造物に最適な形状を与えるための種々の最適化手法が使われるようになってきている。   In recent years, various optimization methods for giving an optimum shape to a target structure have been used in the field of component design using a computer.

特許文献1には、予め設定された荷重条件および拘束条件の下で、所定の設計領域内での最適な材料配置を求める位相最適化手法が開示されている。この位相最適化手法によれば、対象構造物のどこに材料を集中的に配置すれば最も大きな剛性が得られるかを知ることができるので、部品の基本骨格の検討段階から、軽量化をも考慮した設計作業を進めることが可能となる。これにより、過去の経験を元にした実機での繰り返しテストおよびCAE(Computer Aided Engineering)解析を実行する従来の設計作業に比して、目標を達成するまでの繰り返し検討工数の削減が期待できる。
特開2004−348691号公報
Patent Document 1 discloses a phase optimization method for obtaining an optimal material arrangement within a predetermined design region under preset load conditions and constraint conditions. According to this phase optimization method, it is possible to know where the material can be concentrated in the target structure to obtain the maximum rigidity. It is possible to proceed with the designed work. As a result, it is possible to expect a reduction in the number of repetitive examination steps until the target is achieved, as compared with the conventional design work in which iterative tests and CAE (Computer Aided Engineering) analysis are performed based on past experience.
JP 2004-348691 A

しかしながら、特許文献1に開示されるような位相最適化手法を、対象構造物の軽量化を目的として適用するには、以下のような課題があった。   However, applying the phase optimization method disclosed in Patent Document 1 for the purpose of reducing the weight of the target structure has the following problems.

まず、対象構造物の初期形状に対して位相最適化手法を適用すると、その解析結果には、初期形状における設計領域内での最適な材料配置が示されるので、この解析結果に基づいての形状変更では初期形状から得られる以上の剛性を得ることができない。したがって、通常は、設計領域を仮想的に拡大した後に位相最適化手法を適用することで、初期形状の剛性を維持すると共に軽量化を検討する方法が使われるが、例えば、二輪車のフレーム等の複雑な形状を有する部品においては、設計領域を拡大するためのモデリング作業の工数が非常に大きくなってしまい、解析にかかる時間が増大するという課題があった。また、対象構造物を二輪車のフレームとする場合においては、エンジンや補器類がフレーム部材に近接して配置されるため、設計領域を大幅に拡大すること自体が難しく、位相最適化手法を適用する効果が十分に得られないという課題もあった。   First, when the phase optimization method is applied to the initial shape of the target structure, the analysis result shows the optimal material placement in the design region in the initial shape, so the shape based on this analysis result is shown. The change cannot provide more rigidity than can be obtained from the initial shape. Therefore, a method is generally used in which the phase optimization method is applied after virtually expanding the design area, thereby maintaining the rigidity of the initial shape and considering the weight reduction. In the case of a part having a complicated shape, the number of man-hours for modeling work for expanding the design area becomes very large, and there is a problem that the time required for analysis increases. In addition, when the target structure is a two-wheeled vehicle frame, the engine and auxiliary equipment are arranged close to the frame members, so it is difficult to greatly expand the design area itself, and the phase optimization method is applied. There is also a problem that the effect of achieving this cannot be obtained sufficiently.

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、軽量化を目的とした位相最適化手法を対象構造物に適用する際の解析処理にかかる工数を大幅に削減することができる構造最適化方法を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to optimize the structure that can greatly reduce the man-hours required for the analysis process when applying the phase optimization method for weight reduction to the target structure. It is to provide a conversion method.

前記した目的を達成するために、本発明は、位相最適化手法を用いて、所定の制約条件の下で目的関数を満足する最適な構造物の形態を求める構造最適化方法であって、前記構造物の性能が前記制約条件より低い場合には、前記構造物の性能を仮想的に高く設定してから前記位相最適化手法を適用する点に第1の特徴がある。   In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a structure optimization method for obtaining an optimal structure form that satisfies an objective function under a predetermined constraint condition using a phase optimization method, The first feature is that, when the performance of the structure is lower than the constraint condition, the phase optimization method is applied after the performance of the structure is set virtually high.

また、前記構造物の性能は、外力等に対する剛性の大きさであり、前記剛性の大きさが前記制約条件より小さい場合には、前記構造物の縦弾性係数を大きく想定することで前記構造物の剛性を仮想的に大きく設定する点に第2の特徴がある。   The performance of the structure is the magnitude of rigidity with respect to external force or the like. When the magnitude of the rigidity is smaller than the constraint condition, the structure is assumed to have a large longitudinal elastic modulus. There is a second feature in that the rigidity of is set virtually large.

第1の発明によれば、構造物の性能が制約条件より低い場合には、構造物の性能に余裕を持たせて構造物の性能を仮想的に高く設定してから位相最適化手法を適用するようにしたので、対象構造物の設計領域を拡大することなく位相最適化手法の適用が可能になり、構造物の最適形態を求めることができるようになる。これにより、対象構造物の設計領域を広げるためのモデリング作業を削減して解析工数を大幅に減らし、最終形状を得るまでの時間を短縮することができるようになる。   According to the first invention, when the performance of the structure is lower than the constraint condition, the phase optimization method is applied after setting the performance of the structure virtually high with a margin for the performance of the structure. Thus, the phase optimization method can be applied without expanding the design area of the target structure, and the optimum form of the structure can be obtained. Thereby, the modeling work for expanding the design area of the target structure can be reduced, the number of analysis steps can be greatly reduced, and the time required to obtain the final shape can be shortened.

第2の発明によれば、構造物の性能は、外力等に対する剛性の大きさであり、剛性の大きさが制約条件より小さい場合には、構造物の縦弾性係数を大きく想定することで前記構造物の剛性を仮想的に大きく設定するようにしたので、仮想縦弾性係数の設定という簡単な手法によって構造物の剛性値に余裕を持たせることができ、対象構造物の設計領域を拡大することなく、構造物の最適形態を求めることができるようになる。これにより、対象構造物の設計領域を広げるためのモデリング作業を削減して解析工数を大幅に減らし、最終形状を得るまでの時間を短縮することができるようになる。   According to the second invention, the performance of the structure is the magnitude of rigidity with respect to external force or the like, and when the magnitude of rigidity is smaller than the constraint condition, the longitudinal elastic modulus of the structure is assumed to be large, thereby Since the rigidity of the structure is set virtually large, a simple method of setting the virtual longitudinal elastic modulus can give a margin to the rigidity value of the structure and expand the design area of the target structure The optimum form of the structure can be obtained without any problem. Thereby, the modeling work for expanding the design area of the target structure can be reduced, the number of analysis steps can be greatly reduced, and the time required to obtain the final shape can be shortened.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る構造最適化方法を実行するためのハードウェア構成の一例を示したブロック図である。コンピュータ1には、CAD(Computer Aided Design)等による対象構造物の設計情報が入力される入力手段2と、構造最適化方法による演算処理結果を出力表示するディスプレイ等の出力手段3とが接続されている。コンピュータ1には、入力手段2から入力される設計情報およびコンピュータ1の内部で実行される演算処理結果を記憶する記憶手段101と、該記憶手段101に記憶された設計情報に基づいて有限要素法により対象構造物の構造解析を行う構造解析処理部102と、該構造解析処理部102によって作成された構造解析モデルに仮想剛性値を設定するための仮想縦弾性係数を設定する仮想剛性設定部103と、前記仮想縦弾性係数を適用して前記構造解析モデルに位相最適化手法を実行する位相最適化処理部104とを含む。以下、本実施形態に係る構造最適化方法の詳細を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a hardware configuration for executing the structure optimization method according to the present invention. Connected to the computer 1 are input means 2 for inputting design information of a target structure by CAD (Computer Aided Design) or the like and output means 3 such as a display for outputting and displaying the result of arithmetic processing by the structure optimization method. ing. The computer 1 includes a storage unit 101 that stores design information input from the input unit 2 and a calculation processing result executed inside the computer 1, and a finite element method based on the design information stored in the storage unit 101. a structure analysis processing unit 102 that performs a structural analysis of the target structure by the virtual rigid setting unit 103 for setting a virtual modulus for setting the virtual stiffness value in the structural analysis model created by the structure analysis unit 102 And a phase optimization processing unit 104 that applies the virtual longitudinal elastic modulus to execute a phase optimization method on the structural analysis model. Details of the structure optimization method according to the present embodiment will be described below.

図2は、位相最適化処理部において位相最適化手法を実行する際に使われる構造解析モデルの概念図であり、(a)は従来方法、(b)は本発明に係る構造最適化方法に適用されるものを示す。前記したように、位相最適化手法および位相最適化処理とは、予め設定された制約条件の下で、所定の設計領域内における最適な材料配置を求めることができる手法およびその演算処理をいう。位相最適化手法には、均質化法と密度法があるが、本発明では密度法を適用する。   2A and 2B are conceptual diagrams of a structural analysis model used when the phase optimization processing unit executes the phase optimization method. FIG. 2A shows a conventional method, and FIG. 2B shows a structure optimization method according to the present invention. Indicates what applies. As described above, the phase optimization method and the phase optimization process refer to a method that can obtain an optimum material arrangement within a predetermined design region and a calculation process thereof under a preset constraint condition. The phase optimization method includes a homogenization method and a density method. In the present invention, the density method is applied.

構造解析においては、ε:ひずみ、σ:応力、E:縦弾性係数として、フックの法則「ε=σ/E」の成立が前提となる。そして、前記密度法とは、材料の縦弾性係数Eが、有限要素法により設定されるメッシュの密度のべき乗に比例すると仮定し、各メッシュの密度を設計変数として最適な位相を求める方法である。すなわち、前記縦弾性係数Eには、E:計算で使われる縦弾性係数、ρ:密度、N:乗数、E:設定した縦弾性係数として「E=ρ」が成立すると仮定するものである。したがって、計算で使われる縦弾性係数Eは、各メッシュの密度を0.0〜1.0に変化させることによって0.0〜Eに変動し、位相最適化処理における最適解の導出は、各メッシュの密度を設計変数として、制約条件を満たしながら目的関数を最大化または最小化するための繰り返し計算によって行われることとなる。 In the structural analysis, it is assumed that Hooke's law “ε = σ / E” is established, with ε: strain, σ: stress, and E: longitudinal elastic modulus. The density method is a method for obtaining an optimal phase using the density of each mesh as a design variable on the assumption that the longitudinal elastic modulus E of the material is proportional to the power of the mesh density set by the finite element method. . That is, it is assumed that “E = ρ N E 0 ” is established for the longitudinal elastic modulus E as E: longitudinal elastic modulus used in calculation, ρ: density, N: multiplier, E 0 : set longitudinal elastic modulus. Is. Thus, longitudinal elasticity coefficient E used in the calculation, the density of each mesh fluctuates 0.0~E 0 by varying the 0.0 to 1.0, the derivation of the optimal solution of the phase optimization process, The density of each mesh is used as a design variable, and this is performed by iterative calculation for maximizing or minimizing the objective function while satisfying the constraint conditions.

しかしながら、上記したような密度法において、対象構造物の初期形状におけるメッシュの密度を1.0と考えると、位相最適化処理後の外力等に対する剛性の大きさ、すなわち剛性値を初期形状以上にすることはできない。したがって、従来方法では、図2(a)に示すように、対象構造物の設計領域を拡大してから位相最適化処理を実行する手法が使用されていた。図2(a)の対象構造物11は、初期形状の対象構造物10に対して設計領域を広げることで剛性値に余裕を持たせているため、位相最適化手法を適用することが可能となる。   However, in the density method as described above, assuming that the mesh density in the initial shape of the target structure is 1.0, the magnitude of rigidity with respect to external force and the like after the phase optimization process, that is, the rigidity value is greater than the initial shape. I can't do it. Therefore, in the conventional method, as shown in FIG. 2A, a method of executing the phase optimization process after expanding the design area of the target structure has been used. Since the target structure 11 in FIG. 2A has a margin in rigidity by expanding the design area with respect to the target structure 10 having the initial shape, the phase optimization method can be applied. Become.

上記従来方法に対し、図2(b)の本発明に係る構造解析モデルの概念図においては、設計領域の拡大を行わずに位相最適化手法を適用するために、初期形状の対象構造物10の前記縦弾性係数Eを仮想的に2倍に設定することで、初期形状と同一形状で2倍の剛性値を有する対象構造物12を得ることを示している。これにより、例えば、縦弾性係数を2倍に設定した場合には、外力等による応力に対するひずみが1/2となり、剛性値に余裕が生まれることで位相最適化処理の実行が可能となる。なお、仮想縦弾性係数をどのくらいの大きさに設定するかは、目的に応じて任意に設定することができる。   In contrast to the conventional method, in the conceptual diagram of the structural analysis model according to the present invention shown in FIG. 2B, in order to apply the phase optimization method without expanding the design area, the target structure 10 having an initial shape is used. It is shown that the object structure 12 having the same shape as the initial shape and having twice the rigidity value can be obtained by virtually setting the longitudinal elastic modulus E to 2 times. Thereby, for example, when the longitudinal elastic modulus is set to double, the strain with respect to the stress due to the external force or the like is halved, and a margin is generated in the rigidity value, so that the phase optimization process can be executed. Note that the magnitude of the virtual longitudinal elastic modulus can be arbitrarily set according to the purpose.

図3は、本発明に係る構造最適化方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す一連の処理は、前記コンピュータ1を使用して実現される。ステップS1では、設計者の意図によって対象構造物の目標剛性値を設定する。この目標剛性値は、前記入力手段2によって入力され、コンピュータ1の記憶手段101に記憶される。続くステップS2では、構造解析処理部102において、有限要素法による対象構造物の構造解析を実行する。この構造解析処理によって複数のメッシュからなる構造解析モデルが作成される。   FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the structure optimization method according to the present invention. A series of processing shown in this flowchart is realized by using the computer 1. In step S1, the target stiffness value of the target structure is set according to the designer's intention. This target stiffness value is input by the input unit 2 and stored in the storage unit 101 of the computer 1. In subsequent step S2, the structural analysis processing unit 102 executes structural analysis of the target structure by the finite element method. A structural analysis model composed of a plurality of meshes is created by this structural analysis processing.

ステップS3では、構造解析を行った対象構造物の現在の剛性値が、ステップS1で設定した目標剛性値より小さいか否かが判定される。ステップS3で肯定判定された場合は、位相最適化処理に必要な剛性の余裕幅がないものとしてステップS4へ進む。このステップS4では、目標剛性値と現在の剛性値との割合を算出する。次いで、ステップS5においては、算出した割合に基づいて仮想的に対象構造物の剛性を増大するための仮想縦弾性係数を設定する。この仮想縦弾性係数は、前記算出した割合に基づいて、例えば、2倍に設定することができる。   In step S3, it is determined whether or not the current stiffness value of the target structure subjected to the structural analysis is smaller than the target stiffness value set in step S1. If an affirmative determination is made in step S3, it is determined that there is no margin of rigidity necessary for the phase optimization process, and the process proceeds to step S4. In step S4, the ratio between the target stiffness value and the current stiffness value is calculated. Next, in step S5, a virtual longitudinal elastic coefficient for virtually increasing the rigidity of the target structure is set based on the calculated ratio. This virtual longitudinal elastic modulus can be set to, for example, 2 times based on the calculated ratio.

そして、ステップS6では、前記ステップS5で設定した仮想縦弾性係数を、対象構造物の構造解析モデルに適用する。このステップS6の処理によって、対象構造物に形状の調整を許容する余裕剛性が与えられるので、ステップS7に進んで位相最適化処理を実行することが可能となる。そして、該ステップS7では、前記位相最適化処理部104で位相最適化処理が実行されて、一連の処理を終了する。なお、前記ステップS3で否定判定された場合には、位相最適化に必要な剛性が十分にあるものとして、ステップS7へ直接進んで位相最適化処理を実行する。   In step S6, the virtual longitudinal elastic modulus set in step S5 is applied to the structural analysis model of the target structure. By the processing in step S6, the target structure is provided with a marginal rigidity that allows the shape adjustment, and therefore, it is possible to proceed to step S7 and execute the phase optimization processing. In step S7, the phase optimization processing unit 104 executes phase optimization processing, and a series of processing ends. If a negative determination is made in step S3, it is assumed that there is sufficient rigidity necessary for phase optimization, and the process proceeds directly to step S7 to execute phase optimization processing.

上記したような構造最適化方法によれば、対象構造物の設計領域を拡大することなく位相最適化手法が実行できるので、設計領域を拡大するためのモデリング作業を削減して解析工数を大幅に低減し、最終形状を得るまでの時間を短縮することができるようになる。   According to the structure optimization method as described above, the phase optimization method can be executed without expanding the design area of the target structure, so the modeling work for expanding the design area can be reduced and the analysis man-hours can be greatly reduced. The time until the final shape is obtained can be reduced.

図4に、本発明に係る位相最適化処理による出力結果の一例を示す。対象構造物としての車体フレーム20に対して位相最適化処理を行った本実施形態では、カラーディスプレイ等からなる前記出力手段2に、全体がメッシュで表現された車体フレーム20が表示される。そして、各メッシュには着色が施されており、この配色状態によってメッシュの密度の大小が表現されることとなる。なお、実際のディスプレイ上では、密度が最も大きな部分から最も小さな部分までを、赤→紫→黄→緑→水色→青→紺→白の8段階等に表示することができるが、この図では、最も密度が大きい部分(例えば、A部分)を黒色、最も密度が小さい部分(例えば、B部分)を白色で示しており、中間部分においては説明のためにメッシュの表示も省略している。なお、前記仮想縦弾性係数は、位相最適化処理を実行して上記の出力結果を得るために仮想的に設定するものであるので、絶対値としての意味は持たない。また、対象構造物は、二輪車の車体フレームのみならず、種々の部品とすることができる。   FIG. 4 shows an example of an output result by the phase optimization process according to the present invention. In the present embodiment in which the phase optimization process is performed on the vehicle body frame 20 as the target structure, the vehicle body frame 20 expressed entirely as a mesh is displayed on the output means 2 including a color display or the like. Each mesh is colored, and the density of the mesh is expressed by this color arrangement state. On the actual display, from the highest density part to the lowest density part can be displayed in 8 levels such as red → purple → yellow → green → light blue → blue → navy → white. The portion with the highest density (for example, A portion) is shown in black, the portion with the lowest density (for example, B portion) is shown in white, and the mesh display is also omitted in the intermediate portion for explanation. The virtual longitudinal elastic modulus is virtually set in order to execute the phase optimization process and obtain the above output result, and therefore has no meaning as an absolute value. The target structure can be not only a body frame of a motorcycle but also various parts.

本実施形態に係る対象構造物としての車体フレーム20は、左右のメインパイプ21、該メインパイプ21の後方かつ上方に延びるシートレール基部24、左右のメインパイプ21を車体略中央部で繋ぐ連結パイプ25、不図示のステムシャフトを回転自在に軸支するためのヘッドパイプ22、前記メインパイプ21の下方に一体的に結合されたエンジンハンガ23とから構成されている。この車体フレーム20に対する位相最適化処理の出力結果によれば、色が濃く密度の大きい、例えば、A部分やC部分等を「強化必要部位」、そして、色が薄く密度の小さい、例えば、B部分やD部分等を「弱化必要部位」として判断することが可能となる。上記したように、本実施形態に係る位相最適化処理では、メッシュの色の濃淡を目的剛性に対する感度の高低としてとらえることができるので、このような解析手法を「位相感度解析」と呼ぶこととする。そして、この位相感度解析によって、感度の高い部分を強化すると共に、感度の低い部分を弱化するという形状変更の方針を明確にすることができ、これによって、車体フレーム20の軽量化が比較的容易に達成できることとなる。   A vehicle body frame 20 as a target structure according to the present embodiment includes a left and right main pipe 21, a seat rail base 24 extending rearward and upward of the main pipe 21, and a connecting pipe that connects the left and right main pipes 21 at a substantially central portion of the vehicle body. 25, a head pipe 22 for rotatably supporting a stem shaft (not shown), and an engine hanger 23 integrally coupled below the main pipe 21. According to the output result of the phase optimization process for the vehicle body frame 20, the color is dark and the density is high, for example, the A portion or the C portion is “reinforcement required portion”, and the color is thin and the density is low. It becomes possible to determine the portion, the D portion, etc. as “weakening required portions”. As described above, in the phase optimization processing according to the present embodiment, the shade of the color of the mesh can be regarded as the level of sensitivity with respect to the target rigidity, so such an analysis method is called “phase sensitivity analysis”. To do. And, by this phase sensitivity analysis, it is possible to clarify the shape change policy of strengthening the high-sensitivity portion and weakening the low-sensitivity portion, whereby the weight reduction of the body frame 20 is relatively easy. Can be achieved.

この車体フレーム20の例では、メインパイプ21とエンジンハンガ23の間のA部分:肉厚を増すと共にリブを追加する、ヘッドパイプ22の下方かつ車幅方向側面部のB部分:薄肉化する、連結パイプ25のC部分:パイプ径を増大する等の対策案を容易に検討することができる。このように、前記位相感度解析によれば、強化必要部位と弱化必要部位の狙い所が視覚的にとらえられるので、形状変更のアイディアが得やすくなり、部品の基本骨格の検討段階から軽量化をも考慮した設計作業を進めることが可能となると共に、トータルでの解析工数の削減に大きな効果が発揮されることとなる。また、従来においては、構造解析結果の応力図や応力に対する変形図等に基づいて形状変更箇所やその手法を検討していたため、その判断に高度な技術やノウハウが必要となり、作業工数も増大しやすかったが、上記したような位相感度解析においては、ディスプレイ等に表示される密度分布から変更部位を直接判断することができるので、判断誤りを低減すると共に解析時間の短縮が可能となる。   In the example of the vehicle body frame 20, a portion A between the main pipe 21 and the engine hanger 23: the thickness is increased and a rib is added, and a portion B below the head pipe 22 and the side surface in the vehicle width direction is thinned. C part of the connecting pipe 25: It is possible to easily consider countermeasures such as increasing the pipe diameter. As described above, according to the phase sensitivity analysis, the aim of the strengthening required portion and the weakening required portion can be visually grasped, so it is easy to obtain an idea of the shape change, and the weight reduction can be achieved from the examination stage of the basic skeleton of the component. In addition, it is possible to proceed with design work that also takes into account the above, and a great effect is exhibited in reducing the total number of analysis steps. Also, in the past, shape change locations and methods were studied based on the stress diagram of the structural analysis result and the deformation diagram for the stress, etc., so advanced technology and know-how were required for the judgment, and the number of work steps increased. However, in the phase sensitivity analysis as described above, the changed part can be directly determined from the density distribution displayed on the display or the like, so that the determination error can be reduced and the analysis time can be shortened.

なお、上記したような位相感度解析は、初期形状の剛性を維持しながらの軽量化を目的とするほか、重量の増加を最小限に抑えての剛性向上を目的とする解析にも同様に適用可能である。また、位相最適化処理の各計算条件は、設計変数:モデル全体、目的関数:重量最小化として、制約条件を「剛性同等」としたり、「ねじり剛性向上および横剛性同等」とする等の変形が可能である。   Note that the phase sensitivity analysis as described above is applied to the analysis aiming at improving the rigidity while minimizing the increase in weight in addition to the purpose of reducing the weight while maintaining the rigidity of the initial shape. Is possible. In addition, the calculation conditions for the phase optimization process are the design variables: the whole model, the objective function: weight minimization, and the constraints are set to “stiffness equivalent”, “improvement of torsional rigidity and lateral rigidity is equivalent”, etc. Is possible.

図5は、本発明に係る位相最適化手法の過程とその結果を示した概念図である。対象構造物の現在の剛性値G1に対して仮想剛性値G2を設定すると、G1とG2の間の剛性値の余裕幅が生まれ、この余裕幅の中で軽量化を目的とした形状変更を実行することが可能となる。この概念図では、対象構造物の剛性を不変とするならば、位相最適化処理結果に基づく形状変更によって対象構造物の重量をW1からW2へ軽量化することが可能であることを示している。なお、実際の設計作業においては、最終形状が決定するまでに、形状変更後の対象構造物に対する構造解析と、さらなる形状変更の検討が繰り返されることとなる。   FIG. 5 is a conceptual diagram showing the process and results of the phase optimization method according to the present invention. When the virtual stiffness value G2 is set for the current stiffness value G1 of the target structure, a margin width of the stiffness value between G1 and G2 is created, and a shape change is performed for the purpose of reducing the weight within this margin width. It becomes possible to do. This conceptual diagram shows that if the rigidity of the target structure is unchanged, the weight of the target structure can be reduced from W1 to W2 by changing the shape based on the phase optimization processing result. . In the actual design work, the structural analysis for the target structure after the shape change and the examination of the further shape change are repeated until the final shape is determined.

以下、図6〜8を参照して、本発明に係る構造最適化方法の有効性の検証結果を説明する。図6は、本発明に係る構造最適化方法の検証に使用される試験片の斜視図である。中央下方に切り欠き部31を有する薄板状の試験片30には、その一側端部の拘束部32による拘束条件と、他側端部に与えられる荷重Lによる荷重条件が与えられている。また、本検証における各計算条件は、設計変数:モデル全体、制約条件:剛性同等、目的関数:重量最小化とする。   Hereinafter, with reference to FIGS. 6 to 8, verification results of the effectiveness of the structure optimization method according to the present invention will be described. FIG. 6 is a perspective view of a test piece used for verification of the structure optimization method according to the present invention. A thin plate-like test piece 30 having a notch 31 at the lower center is given a restraint condition by a restraint part 32 at one end and a load condition by a load L given to the other end. In addition, each calculation condition in this verification is a design variable: the whole model, a constraint condition: rigidity equivalent, and an objective function: weight minimization.

図7(a),(b)は、それぞれ、前記試験片30に対して、ミーゼス応力解析を実行した場合の出力結果(a)と、本発明に係る位相最適化処理を実行した場合の出力結果(b)を示す。両図共に、色の濃淡で感度の差が表現されており、図7(a)のミーゼス応力解析結果では、試験片30に発生している応力が最も大きいことを示す黒色のH部分が、前記切り欠き部31の図示右上の角に集中している。これに対し、図7(b)の位相最適化処理結果では、前記位相感度解析によって感度の高さが示され、最も感度の高い黒色のI部分が、拘束部32によって拘束される一側端部から荷重条件が与えられた他側端部にまで至る略直角三角形状に現れる結果となった。   FIGS. 7A and 7B show an output result when the Mises stress analysis is performed on the test piece 30 and an output when the phase optimization processing according to the present invention is performed. A result (b) is shown. In both figures, the difference in sensitivity is expressed by the shade of color, and in the Mises stress analysis result of FIG. 7A, the black H portion indicating that the stress generated in the test piece 30 is the largest, The notch 31 is concentrated in the upper right corner of the figure. On the other hand, in the phase optimization processing result of FIG. 7B, the sensitivity is shown by the phase sensitivity analysis, and the black I portion having the highest sensitivity is constrained by the restraining portion 32. As a result, it appeared in the shape of a substantially right triangle extending from the part to the other end to which the load condition was applied.

図8(a),(b)は、図7に示した解析結果に基づいて、試験片に補強部材としてのパッチをあてた状態を示す。なお、比較のためにパッチの重量は同等とした。図8(a)は、前記ミーゼス応力解析結果に基づいて、応力の大きい部分を中心に補強するように、前記H部分を中心とした略四角形のパッチ40をあてている。これに対し、図8(b)では、前記位相感度解析結果に基づいて、強化必要部位として示される前記I部分に沿った略三角形のパッチ50をあてている。そして、この両者に再度荷重Lを加えて検証した剛性値の向上度は、ミーゼス応力解析結果に基づいたパッチ40で約50%、位相最適化処理結果に基づいたパッチ50では約70%の向上となり、両者にはおよそ20%の差が生じることが検証された。したがって、例えば、両者の剛性を同等とした場合は、理論上、およそ20%の剛性値に相当する重量の低減が達成できるので、補器類の取付ステーの存在等の諸条件を考慮しても10〜20%の軽量化が可能と考えられる。   8A and 8B show a state in which a patch as a reinforcing member is applied to the test piece based on the analysis result shown in FIG. For comparison, the weight of the patch was the same. In FIG. 8A, a substantially rectangular patch 40 centered on the H portion is applied so as to reinforce the portion having a large stress based on the Mises stress analysis result. On the other hand, in FIG. 8B, based on the phase sensitivity analysis result, a substantially triangular patch 50 is applied along the I portion indicated as a portion requiring reinforcement. The degree of improvement in the rigidity value verified by applying the load L again to both of them is about 50% for the patch 40 based on the Mises stress analysis result and about 70% for the patch 50 based on the phase optimization processing result. It was verified that a difference of about 20% occurs between the two. Therefore, for example, when the rigidity of both is made equal, a weight reduction corresponding to a rigidity value of about 20% can be achieved theoretically, so that various conditions such as the presence of auxiliary equipment mounting stays are taken into consideration. It is considered that the weight can be reduced by 10 to 20%.

上記したように、本発明に係る構造最適化方法によれば、対象構造物の剛性値が目標剛性値より小さい場合には、対象構造物の設計領域を拡大する代わりに、対象構造物の縦弾性係数を仮想的に大きく設定してから位相最適化処理を行うようにしたので、設計領域を拡大するためのモデリング作業を削減することができるようになる。これにより、解析工数が大幅に低減され、最終形状を得るまでの検討時間の短縮が可能となる。また、位相感度解析によって対象構造物の強化必要部分と弱化必要部分とが出力手段に直接表示されるので、高度な解析技術やノウハウが不要になると共に、同等の剛性を維持しながら確実な軽量化を効率よく行うことができるようになる。   As described above, according to the structure optimization method of the present invention, when the rigidity value of the target structure is smaller than the target rigidity value, instead of expanding the design area of the target structure, Since the phase optimization process is performed after the elastic coefficient is virtually set large, the modeling work for expanding the design area can be reduced. As a result, the number of analysis steps can be greatly reduced, and the examination time until the final shape is obtained can be shortened. In addition, because phase sensitivity analysis displays the necessary and weakened parts of the target structure directly on the output means, advanced analysis technology and know-how are no longer required, and light weight is ensured while maintaining equivalent rigidity. Can be efficiently performed.

なお、入力手段および入力手段から入力される情報の形態、出力手段および出力手段から出力される情報の形態、コンピュータ内の各処理部の構成、有限要素法による構造解析に使用するプログラム、仮想剛性値の設定値等は、上記した実施形態に限られず、種々の変形が可能であることは勿論である。   In addition, the form of information input from the input means and the input means, the form of information output from the output means and the output means, the configuration of each processing unit in the computer, the program used for the structural analysis by the finite element method, the virtual stiffness Of course, the setting value of the value is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.

本発明に係る構造最適化方法を実行するハードウェア構成の一例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed an example of the hardware constitutions which perform the structure optimization method concerning this invention. 位相最適化手法を実行する際に使われる構造解析モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the structural analysis model used when performing a phase optimization method. 本発明に係る構造最適化方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the structure optimization method which concerns on this invention. 本発明の一実施形態に係る位相最適化処理結果の一例である。It is an example of the phase optimization process result which concerns on one Embodiment of this invention. 位相最適化手法の過程とその結果を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the process and result of the phase optimization method. 本発明に係る構造最適化方法の検証に使用される試験片の斜視図である。It is a perspective view of the test piece used for verification of the structure optimization method which concerns on this invention. 試験片に対するミーゼス応力解析の実行時の出力結果(a)と位相最適化処理の実行時の出力結果(b)である。It is the output result (a) at the time of execution of Mises stress analysis with respect to a test piece, and the output result (b) at the time of execution of phase optimization processing. パッチをあてた試験片の正面図である。It is a front view of the test piece which applied the patch.

符号の説明Explanation of symbols

1…コンピュータ、2…入力手段、3…出力手段、101…記憶手段、102…構造解析処理部、103…仮想剛性設定部、104…位相最適化処理部、10…対象構造物、20…車体フレーム、30…試験片   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Computer, 2 ... Input means, 3 ... Output means, 101 ... Memory | storage means, 102 ... Structural analysis process part, 103 ... Virtual rigidity setting part, 104 ... Phase optimization process part, 10 ... Target structure, 20 ... Vehicle body Frame, 30 ... Specimen

Claims (1)

位相最適化手法を用いて、所定の制約条件の下で目的関数を満足する最適な構造物の形態を求める構造最適化方法であって、
入力手段(2)によって、コンピュータ(1)に含まれる記憶手段(101)に構造物(12)の設計情報を入力する手順と、
前記コンピュータ(1)に含まれる構造解析処理部(102)によって、前記設計情報を用いて有限要素法による構造解析を行って前記構造物(12)の剛性値を解析する手順と、
前記構造物(12)の剛性値が前記所定の制約条件より低い場合に、前記コンピュータ(1)に含まれる仮想剛性設定部(103)によって、前記剛性値の算出に用いられた前記構造物(12)の縦弾性係数(E)を仮想的に高くした仮想縦弾性係数を設定する手順と、
前記コンピュータ(1)に含まれる位相最適化処理部(104)によって、前記仮想縦弾性係数を適用した構造解析モデルに前記位相最適化手法を適用する手順と、
前記記憶手段(101)から構造最適化方法による演算処理結果を読み出して、前記コンピュータ(1)に接続された出力手段(3)に出力表示する手順とを含むことを特徴とする構造最適化方法。
A structure optimization method for obtaining an optimal structure form satisfying an objective function under a predetermined constraint condition using a phase optimization method,
A procedure for inputting design information of the structure (12) to the storage means (101) included in the computer (1) by the input means (2);
A procedure for analyzing the rigidity value of the structure (12) by performing a structural analysis by a finite element method using the design information by the structural analysis processing unit (102) included in the computer (1);
When the rigidity value of the structure (12) is lower than the predetermined constraint, the structure (103) used for calculation of the rigidity value by the virtual rigidity setting unit (103) included in the computer (1). A procedure for setting a virtual longitudinal elastic modulus in which the longitudinal elastic modulus (E) of 12) is virtually increased;
A step of applying the phase optimization method to a structural analysis model to which the virtual longitudinal elastic modulus is applied by a phase optimization processing unit (104) included in the computer (1);
A structure optimization method, comprising: a step of reading out an arithmetic processing result by the structure optimization method from the storage means (101) and outputting and displaying the result on an output means (3) connected to the computer (1). .
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