JP4804990B2 - 部材設計支援装置及び部材設計支援方法 - Google Patents

Description

本発明は構造物の断面強度を導出する部材設計支援装置及び部材設計支援方法に関する。

従来、車両等の構造物に関して、衝撃が加えられた場合の構造物の強度を評価して設計を行なう際に、有限要素解析を用いた強度計算結果を基に、強度を確保しつつ重量を最小にする（以下、最適化とする）ため、設計者が構造物の形状修正を直接行なっている。しかし、人による形状修正は非効率的であるため、特許文献１、特許文献２及び特許文献３では、有限要素解析を用いて、対象構造物に衝撃が加えられた場合の強度計算を３次元形状に対して行ない、さらに最適化のために自動で形状修正を行なう部材設計支援のための技術が開示されている。

しかし、構造物に加えられた衝撃を模擬する有限要素解析は３次元形状を対象として行なうものであり、且つ非線形性を有するため、その計算には膨大な時間を必要とする。さらに最適化を行なう場合には、計算の繰り返し回数は数十回〜数百回に及び、計算効率が良くない。

また、有限要素解析において、メッシュ形状を自動で生成するには、多数のパラメータ設定が必要である。そのため、上記の最適化を行なうには、煩雑な入力作業が必要となる。

そこで、上記の問題を解決するため、対象構造物の３次元形状に対して有限要素解析をするのではなく、３次元形状から２次元断面モデルを抽出し、その２次元断面モデルを使って断面強度を計算し、さらにその断面強度が所定の値になるように最適化し、得られた最適化結果を用いて３次元形状を再構築するという部材設計支援のための技術がある。
特開２００１−５１９７７号公報 特開２００３−２２８５９３号公報 特開２０００−２７６５１４号公報

しかしながら、上記のような３次元形状から抽出した２次元断面モデルを用いる部材設計支援技術は、部材強度の模擬の精度が低いという問題があり、従来は目安としてのみ用いられている。

そこで、本発明の目的は、３次元形状より抽出した２次元断面モデルから高い精度で部材強度を模擬できる部材設計支援装置及び部材設計支援方法を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために、本発明の部材設計支援装置は、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの断面強度を、前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して導出する強度導出手段とを備えている。

この構成によると、部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して断面強度が導出されることにより、３次元形状より抽出した２次元断面モデルから高い精度で部材強度を模擬できる部材設計支援装置が得られる。ここで、「座屈範囲」とは「部材壁面座屈が生じる範囲」の意味で用いており、他の部分でも同様である。

また、別の観点において本発明の部材設計支援装置は、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出する座屈範囲導出手段と、前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲を考慮して、前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正するモデル修正手段と、前記モデル修正手段が修正した後の前記２次元断面モデルの断面強度を導出する強度導出手段とを備えている。

この構成によると、部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出し、その座屈範囲が考慮されて２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方が修正され、修正後の２次元断面モデルの断面強度が導出されることにより、
３次元形状より抽出した２次元断面モデルから高い精度で部材強度を模擬できる部材設計支援装置が得られる。

前記モデル修正手段が、前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲が断面欠損範囲となるように、前記モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルを修正してもよい。これによると、２次元断面モデルの簡易な修正が可能となる。

前記モデル修正手段が、前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、前記モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正してもよい。これによると、２次元断面モデルの簡易な修正が可能となり且つ部材の強度の向上が可能となる。

前記強度導出手段は、降伏後ひずみ硬化を考慮して前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。これによると、より現実的で精度の高い部材強度の模擬が可能となる。

前記強度導出手段が導出した前記２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する強度判断手段と、前記２次元断面モデルの断面強度が前記必要断面強度を満たし且つ前記２次元断面モデルの重量が最小となるように前記２次元断面モデルを最適化する最適化手段とをさらに備えていてもよい。これによると、必要断面強度を確保し且つ重量を最小にすることができる。

前記強度導出手段は、有効幅に基づいた耐力予測から、前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。これによると、有効となる断面を視覚的に確認でき、部材設計が容易になる。

前記強度導出手段は、前記２次元断面モデルの幅厚比パラメータＲを利用して、前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。これによると、形状の誤差が吸収され、強度導出が簡易になる。

また、上記目的を達成するために、本発明の部材設計支援方法は、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される断面モデル生成手段により、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成ステップと、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度導出手段により、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの断面強度を、前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して導出する強度導出ステップとを備えている。

また、別の観点において、本発明の部材設計支援方法は、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される断面モデル生成手段により、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成ステップと、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される座屈範囲導出手段により、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出する座屈範囲導出ステップと、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築されるモデル修正手段により、前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲を考慮して、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正するモデル修正ステップと、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度導出手段により、前記モデル修正ステップにおいて修正された後の前記２次元断面モデルの断面強度を導出する強度導出ステップとを備えている。

前記モデル修正ステップでは、前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲が断面欠損範囲となるように、前記モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルを修正してもよい。

前記モデル修正ステップでは、前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、前記モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正してもよい。

前記強度導出ステップでは、降伏後ひずみ硬化を考慮して前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。

コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度判断手段により、前記強度導出ステップにおいて導出された前記２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する強度判断ステップと、コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される最適化手段により、前記２次元断面モデルの断面強度が前記必要断面強度を満たし且つ前記２次元断面モデルの重量が最小となるように前記２次元断面モデルを最適化する最適化ステップとをさらに備えていてもよい。

前記強度導出ステップでは、有効幅に基づいた耐力予測から、前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。

前記強度導出ステップでは、前記２次元断面モデルの幅厚比パラメータＲを利用して、前記２次元断面モデルの断面強度を導出してもよい。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る部材設計支援装置の全体構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る部材設計支援装置１は、コンピュータ１０と、モニター２０と、入力機器３０とを含んで構成されており、コンピュータ１０内には、断面モデル生成部１０ａ、強度導出部１０ｂ、座屈範囲導出部１０ｃ、モデル修正部１０ｄ、強度判断部１０ｅ、最適化部１０ｆ、記憶部１０ｇ、及びデータ変換部１０ｈが含まれている。これらの各部は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＡＳＩＣなどのハードウェアとハードディスク、ＲＯＭなどに記憶されたソフトウェアが組み合わされることによって構築されている。また、コンピュータ１０には３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）システム４０が接続されている

断面モデル生成部１０ａは、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する。

座屈範囲導出部１０ｂは、断面モデル生成部１０ａが生成した２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出する。

モデル修正部１０ｃは、座屈範囲導出部１０ｂが導出した座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、モデル生成手段１０ａが生成した２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正する。

強度導出部１０ｄは、モデル修正部１０ｃが修正した２次元断面モデルの断面強度を、降伏後ひずみ硬化を考慮し、且つ、有効幅に基づいた耐力予測から導出する。

強度判断部１０ｅは、強度導出部１０ｄが導出した２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する。

最適化部１０ｆは、２次元断面モデルの断面強度が必要断面強度を満たし且つ２次元断面モデルの重量が最小となるように２次元断面モデルを最適化する。

記憶部１０ｇには、計算結果や３次元形状データなどが記憶される。また、データ変換部１０ｈは、２次元断面モデルデータなどのデータ形式を変換する。

モニター２０には、設計者に対する入力待ち画面や、２次元及び３次元のモデルや、コンピュータ２０による計算結果などが表示される。また、コンピュータ２０への各設定値などの入力は、入力機器３０を用いて行なわれる。

３次元ＣＡＤシステム４０は、部材モデルの設計、形状データ作成、形状表示などに用いられる。

次に、図２〜７を参照しつつ、部材設計支援装置１を用いた部材設計支援方法について説明する。本実施形態においては、図２に示すような、薄板材から構成され、３次元形状を有する、一端に向かって断面幅及び断面高さが大きくなっている部材モデル１００の断面について最適化を行なう。

図７は本実施形態に係る部材設計支援方法を示したフローチャートである。以下、図７に沿って説明する。

（断面モデル生成ステップ）
まず、断面モデル生成部１０ａにより、部材モデル１００を切断したときの切断面に係る２次元断面モデルが生成される（ステップＳ１０１）。ここでは、図２の一点鎖線で示した位置における２次元断面モデルについて説明する。

生成された２次元断面モデル１００ａは図３（ａ）のように表わされる。また、図３（ａ）に示すように、２次元断面モデル１００ａの断面高さはａ、断面幅はｂ、薄板の部材厚みはｔである。

（データ形式変換ステップ）
次に、データ変換部１０ｈにより、３次元ＣＡＤシステムに対応した２次元断面モデルデータのデータ形式が、座屈範囲導出部１０ｂで読み込みが可能なデータ形式に変換される（ステップＳ１０２）。

（座屈範囲導出ステップ）
次に、座屈範囲導出部１０ｂにおいて、断面モデル生成部１０ａにより生成された２次元断面モデル１００ａにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲が導出される（ステップＳ１０３）。以下に、図３、図４を用いて座屈範囲の導出について説明する。

本実施形態では、部材モデル１００に対して、図３（ａ）のＡで圧縮側、Ｂで引張り側となるように、部材モデル１００の長手方向と直角をなす方向への曲げの力が加えられている状態を想定する。また、図３（ａ）の左右について対称に力が加えられているとする。このような条件は、入力装置３０を用いて設計者により設定される。

部材モデル１００のような薄板構造では、このように長手方向と直角をなす方向に曲げを受ける場合などに、壁面が面外に変形する部材壁面座屈が発生することが知られている。部材の設計を行なう場合に、このような部材壁面座屈を考慮しない場合には、正確な部材の強度が得られない。そこで、本実施形態では、部材壁面座屈を考慮し、部材の強度を正確に計算する。

まず、断面１００ａの４つの角が認識される（図３（ｂ）のＷ、Ｘ、Ｙ、Ｚ）。ここで、２次元断面モデル１００ａの４辺を構成する構成部材について、例えば、角Ｚ及び角Ｗを両端とする部材（図の上辺の部材）を部材Ｚ−Ｗと表わし、その他についても同様に、部材Ｗ−Ｘ、部材Ｘ−Ｙ、部材Ｙ−Ｚと表わす。

次に、有効幅ｂｅが計算される。有効幅ｂｅは以下のように計算される。
ｂｅ／ｂ
＝√（σ_ｃｒ／σ_ｙ）
＝（ｔ／ｂ）＊√[（ｋπ^２Ｅ）／{１２σ_ｙ（１−ν^２）}]
以上より、
ｂｅ＝ｔ＊√[（ｋπ^２Ｅ）／｛１２σ_ｙ（１−ν^２）｝] （１）

ここで、各変数は以下の通りである。
ｂｅ：有効幅［ｍ］
σ_ｙ：降伏応力[Ｎ／ｍ^２]
σ_ｃｒ：座屈応力[Ｎ／ｍ^２]
ｔ：部材厚み［ｍ］
ａ：断面高さ［ｍ］
ｂ：断面幅［ｍ］
ｋ：座屈係数［−］
π：円周率［−］
ν：ポアソン比［％］
Ｅ：ヤング率［Ｎ／ｍ^２］

上記の計算において、座屈係数ｋは境界条件によって変化する定数であり、入力した荷重条件によって自動的に決定されるようにしてもよいし、設計者が直接入力してもよい。

また、上記の計算において、断面幅ｂを用いているが、これは図の横方向の部材についての計算を表わしたものであり、図の縦方向の部材についての計算では断面高さａを用いる（いずれにしても計算上、ａ、ｂは消去される）。

ここで、認識された角（Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ）からそれぞれの部材の中心側へ有効幅ｂｅ分の領域が、有効な断面ということになる。本実施形態においては図３（ｃ）のＣ〜Ｈの領域が有効断面領域となる。また、図３（ｃ）において、Ｃ＋Ｄ＝有効幅の関係となっている。また、本実施形態では、図３（ａ）でいうと左右に対称に力が加わっているために、Ｅ＋Ｆ＝Ｇ＋Ｈ＝有効幅となっている（ここで、Ｃ＋Ｄと、Ｅ＋Ｆ及びＧ＋Ｈとは異なる）。しかし、力が左右対称に加わらない場合にはこのようにはならず、Ｅ＋ＧとＧ＋Ｈの長さは異なる。

図３（ｃ）の部材Ｗ−Ｚで説明すると、角Ｚ、角ＷからそれぞれＣ、Ｄの長さ分だけの領域が有効断面領域となる。また、Ｃ＋Ｄ（＝有効幅）が断面幅ｂより大きい場合には、部材壁面座屈は発生せず全断面有効となり、座屈範囲も発生しない。一方、Ｃ＋Ｄ（＝有効幅）が断面幅ｂより小さい場合（図３（ｃ）参照）には座屈範囲が発生し、断面幅ｂと、Ｃ＋Ｄとの差が座屈範囲を示す長さとなる。これは、部材Ｗ−Ｘ、部材Ｙ−Ｚについて、Ｇ＋Ｈ、Ｅ＋Ｆ、及び断面高さａの関係についても同様に適用される。また、部材Ｘ−Ｙについては、引張り側であって部材壁面座屈は生じないので、全断面有効としている。

また、部材Ｗ−Ｚの例で説明すると、Ｃは有効幅ｂｅの１／２に等しく、Ｄも同様に有効幅ｂｅの１／２に等しい。Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈについても同様である。本実施形態においては、図３（ａ）でいうと左右に対称に力が加わっているために、有効断面領域がこのように左右対称の長さとなっているが、Ｃ：Ｄ、Ｅ：Ｆ、Ｇ：Ｈの比率は、荷重の方向によって変化し、例えばＣが有効幅ｂｅの１／６、Ｄが有効幅ｂｅの５／６というように均等な配分にはならない場合もある。

上記のようにして導出された座屈範囲は図４のように表わされる。ここで、部材Ｚ−Ｗ、部材Ｗ−Ｘ及び部材Ｙ−Ｚについて、座屈範囲はそれぞれＩ、Ｋ及びＪで表わされている。

ここで、このままの状態では、座屈範囲Ｉ、Ｋ及びＪは、部材断面座屈のため、２次元断面モデル１００ａにおいて耐荷力に寄与しない領域である。以下、このような領域を「断面欠損範囲」とする。
（モデル修正ステップ）

次に、モデル修正部１０ｃにおいて、座屈範囲導出部１０ｂにより導出された座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、モデル生成ステップにおいて生成された２次元断面モデル１００ａの形状及び材料の少なくともいずれか一方が修正される（ステップＳ１０４）。修正された２次元断面モデル１００ｂは図５のように表される。ここでは、形状の修正が行われ、図に示すビード１０１、１０２及び１０３が形成されるように修正される。その結果、図４に示した座屈範囲Ｊ、Ｉ及びＫが断面欠損範囲とならず、図５の全断面が有効断面となり、耐荷力に寄与する。ここで、このようにビードを形成した場合には、修正後の座屈範囲は、修正後の板幅（図のＮ、Ｏ、Ｐ）から決定される。

本実施形態ではモデル修正ステップにおいて２次元断面モデル１００ａの形状の修正が行われているが、これには限られず、モデルの材料が修正されてもよいし、形状と材料の両方が修正されてもよい。

（強度導出ステップ）
次に、強度導出部１０ｄにおいて、モデル修正部１０ｃにより修正された２次元断面モデルについての断面強度が、降伏後ひずみ硬化を考慮し、且つ、有効幅に基づいた耐力予測から導出される（ステップＳ１０５）。

以下に、有効幅に基づいた断面強度の導出について説明する。

まず、全塑性モーメントＭ_ｐは以下の式（２）で求められる。
Ｍ_ｐ＝∫σ_ｙｙｄＡ （２）
ここで、ｄＡは微小面積を、ｙは中立軸からの距離を、σ_ｙは降伏応力をそれぞれ示している。ここで導出される断面強度は、図４の形状から座屈範囲Ｊ、Ｉ及び式Ｋを除いた状態で（２）を用いて計算した全塑性モーメントＭ_ｐの値となる。このようにして、部材壁面座屈を考慮し、耐荷力に寄与しない部分を除いて断面強度が計算される。

また、一般に材料は降伏後にひずみ硬化を生じる。このようなひずみ硬化を考慮しない場合には、断面強度を正確に求められない。そこで、本実施形態に係る部材設計支援装置１においては、式（２）の降伏応力σ_ｙの代わりに、式（３）の真の応力σ_Ｔを用いて、ひずみ効果を考慮した計算が行われる。
σ_Ｔ＝Ｆ（Ｅ_ｏ＋ε_ｐ）^ｎ （３）
ここで、各変数は以下の通りである。
σ_Ｔ：真の応力
Ｆ、ｎ：材料の種類で決まる定数
Ｅ_ｏ：降伏ひずみ
ε_ｐ：対数塑性ひずみ

（強度判断ステップ）
次に、強度判断部１０ｅにおいて、強度導出部１０ｄにより導出された２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かが判断される（Ｓ１０６）。ここで、導出された断面強度が、必要断面強度を満たさない場合には、再び２次元断面モデルが修正され（ステップＳ１０４）、断面強度が導出され（ステップＳ１０５）、２次元断面モデルの断面強度が判断される（ステップＳ１０６）。これらが、導出された断面強度が必要断面強度を満たすまで繰り返される。また、ここでの必要断面強度は、部材モデル１００の形状及び材料から決定されるものである。

（最適化ステップ）
そして、最適化部１０ｆにおいて、２次元断面モデルの断面強度が必要断面強度を満たし且つ２次元断面モデルの重量が最小となるように２次元断面モデルが最適化される。ここで、最適化後の２次元断面モデルの重量が最小でない場合には再び２次元断面モデルが修正され（Ｓ１０４）、断面強度が導出され（ステップＳ１０５）、２次元断面モデルの断面強度が判断され（ステップＳ１０６）、重量が最小か判断される（ステップＳ１０７）。これらが、導出された断面強度が必要断面強度を満たし且つ２次元断面モデルの重量が最小となるまで繰り返される。

（データ変換ステップ）
次に、データ変換部１０ｈにより、最適化された２次元断面モデルデータのデータ形式が、３次元ＣＡＤシステムに対応するデータ形式に変換される（ステップＳ１０８）。

（３次元形状再構築・出力・記憶ステップ）
次に、３次元ＣＡＤシステムにおいて、最適化された２次元断面モデルデータより３次元形状が再構築され、モニター２０へ出力される。そして、再構築された３次元形状のデータは記憶部１０ｇへ記憶される（ステップＳ１０９）。ここでは１つの２次元断面モデル１００ａの最適化についてのみ説明しているが、実際には複数の２次元断面モデルをサンプリングして３次元形状を再構築することになる。再構築された部材モデル１００ｔの３次元形状は図６のように表わされる。このようにして、対象部材モデルが必要断面強度を満たし、且つ重量が最小となるように部材設計支援が行なわれる。

以上のように、部材設計支援装置１によると、部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出し、その座屈範囲が考慮されて２次元断面モデル１００ａの形状及び材料の少なくともいずれか一方が修正され、修正後の２次元断面モデルの断面強度が導出されるので、３次元形状より抽出した２次元断面モデル１００ａから高い精度で部材強度を模擬できる部材設計支援装置が得られる。

また、モデル修正部１０ｃが、座屈範囲導出１０ｂが導出した座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、モデル生成手段１０ａが生成した２次元断面モデル１００ａの形状及び材料の少なくともいずれかを修正するので、２次元断面モデル１００ａの簡易な修正が可能となり且つ部材モデルの強度の向上が可能となる。

また、強度導出部１０ｄは、降伏後ひずみ硬化を考慮して２次元断面モデルの断面強度を導出するので、より現実的で精度の高い部材強度の模擬が可能となる。

また、強度導出部１０ｄが導出した２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する強度判断部１０ｅと、２次元断面モデルの断面強度が必要断面強度を満たし且つ２次元断面モデルの重量が最小となるように２次元断面モデル１００ａを最適化する最適化手段とをさらに備えているので、必要断面強度を確保し且つ重量を最小にすることができる。

また、強度導出部１０ｄは、有効幅に基づいた耐力予測から、２次元断面モデルの断面強度を導出するので、有効となる断面を視覚的に確認でき、部材設計が容易になる。

次に、第１実施形態に係る部材設計支援装置１及び部材設計支援方法の変形例について説明する。本変形例に係る部材設計支援装置及び部材設計支援方法は、モデル修正部及びモデル修正ステップを除いて、上記の実施形態と同様の構成である。

本変形例においては、モデル修正部が、座屈範囲導出部１０ｂが導出した座屈範囲が断面欠損範囲となるように、モデル生成部１０ａが生成した２次元断面モデル１００ａを修正する。

このようにして修正された２次元断面モデル１００ｃは図８のようになる。図４に示す座屈範囲Ｊ、Ｉ及びＫは耐荷力に寄与しない領域であり、２次元断面モデル１００ｃのようにその座屈範囲Ｊ、Ｉ及びＫを断面から取り除くだけでも（図８の１０４、１０５、１０６）、全断面を有効とすることは可能である。このような構成にすることによって、２次元断面モデル１００ａの簡易な修正が可能となる。

次に、図９を用いて、本発明の第２実施形態に係る部材設計支援装置及び部材設計支援方法について説明する。図９は本実施形態に係る部材設計支援方法を示したフローチャートである。本実施形態においては、座屈範囲導出部及び座屈範囲導出ステップが不要であることと、強度導出部及び強度導出ステップの構成とを除いて、第１実施形態と同様の構成となっている。

本実施形態に係る部材設計支援装置の強度導出部は、２次元断面モデルの断面強度を、降伏後ひずみ硬化を考慮し、且つ、２次元断面モデルの幅厚比パラメータＲを利用して導出する（ステップＳ２０５）。

ここで、幅圧比パラメータＲは以下のように表わされる。
Ｒ＝√（σ_ｙ／σ_ｃｒ）
＝（ｂ／πｔ）＊√[｛１２σ_ｙ（１−ν^２）｝／（ｋＥ）] （４）
ここで、各変数は以下の通りである。
Ｒ：幅圧比パラメータ［−］
σ_ｙ：降伏応力［Ｎ／ｍ^２］
σ_ｃｒ：座屈応力［Ｎ／ｍ^２］
ｔ：部材厚み［ｍ］
ｂ：断面幅［ｍ］
ｋ：座屈係数［−］
π：円周率［−］
ν：ポアソン比［％］
Ｅ：ヤング率［Ｎ／ｍ^２］

上記の計算において、座屈係数ｋは荷重条件によって変化する変数であり、入力した荷重条件によって自動的に決定されるようにしてもよいし、設計者が直接入力してもよい。

また、上記の計算において、断面幅ｂを用いているが、これは図の横方向の部材についての計算を表わしたものであり、図の縦方向の部材についての計算では断面高さａを用いる。

ここで、次の式（５）を用いることにより、２次元断面モデルの断面強度を導出することができる。
Ｍ_ｃｒ／Ｍ_ｐ＝１／Ｒ^０．６ （５）
ここで、各変数は以下の通りである。
Ｍ_ｃｒ：座屈時の全塑性モーメント［Ｎｍ］
Ｍ_ｐ：全塑性モーメント［Ｎｍ］

式（５）のＭ_ｐは全塑性モーメントであるが、第２実施形態とは異なり、本実施形態では、座屈範囲を考慮せずに図３（ａ）の状態から直接計算する。また、幅圧比パラメータＲについては、式（４）から計算する。以上より全塑性モーメントＭ_ｐと幅圧比パラメータＲとが導かれるので、これら及び式（５）から、座屈時の全塑性モーメントＭ_ｃｒが求められる。これが、部材壁面座屈を考慮し、耐荷力に寄与しない部分を除いた２次元断面モデルの断面強度となる。このような構成にすることで、２次元断面モデルの形状の誤差が吸収され、断面強度の導出が簡易になる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。

例えば、上記の実施形態において、部材設計支援装置に、座屈導出部及びモデル修正部が設けられており、同様に、部材設計支援方法に、座屈導出ステップとモデル修正ステップが設けられている。しかし、２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して強度が導出されるのであれば、この形態には限られない。

また、上記の実施形態において、部材設計支援装置に強度判断部と最適化部が設けられており、部材設計支援方法に強度判断ステップと最適化ステップが設けられているが、この形態に限られるものではなく、これらはなくてもよい。

また、上記の実施形態においては、データ変換ステップと、２次元形状再構築・出力・記憶ステップとが設けられているが、この形態には限られず、これらはなくてもよい。

また、上記の実施形態における対象部材及び荷重条件は一例であり、この形態に限られるものではない。また、上記の実施形態においては、部材モデルに対して１つの方向に力が加えられている状態での計算例を示しているが、これには限られず、全ての方向に力が加えられた場合の計算をしてもよい。

また、上記の実施形態において、２次元断面モデルの重量が最小となるようにして最適化しているが、この形態には限られず、再構築した３次元形状の重量が最小になるように最適化してもよい。その際には、断面のサンプリングを多くするほど３次元形状の近似が正確になる。また、最適化に関しては、重量が最小となるまでモデル修正を繰り返すが、このルーチンを打ち切る条件を設定してもよい。例えば、繰り返しの最高回数を設定してもよい。

本発明の第１実施形態に係る部材設計支援装置の全体構成を示したブロック図。 第１実施形態に用いられる部材モデルを示した斜視図。 図２の部材モデルの断面。（ａ）はサイズと加えられている力を示した図。（ｂ）は角認識がなされた状態を示した図。（ｃ）は有効断面領域を示した図。 図２の部材モデルの断面について有効幅を用いて導出された座屈範囲を示した図。 第１実施形態における図２の部材モデルの修正後の断面。 図５の断面を最適化して再構築された部材モデルを示した図。 第１実施形態に係る部材設計支援方法を示したフローチャート。 第１実施形態の変形例における図２の部材モデルの修正後の断面。 第２実施形態に係る部材設計支援方法を示したフローチャート。

符号の説明

１ 部材設計支援装置
１０ コンピュータ
１０ａ 断面モデル生成部
１０ｂ 座屈範囲導出部
１０ｃ モデル修正部
１０ｄ 強度導出部
１０ｅ 強度判断部
１０ｆ 最適化部
１００ 部材モデル
１００ａ ２次元断面モデル
Ｉ、Ｊ、Ｋ 座屈範囲
１０１、１０２、１０３ ビード

Claims (16)

1. ３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、
   前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの断面強度を、前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して導出する強度導出手段とを備えていることを特徴とする部材設計支援装置。
2. ３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成手段と、
   前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出する座屈範囲導出手段と、
   前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲を考慮して、前記断面モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正するモデル修正手段と、
   前記モデル修正手段が修正した後の前記２次元断面モデルの断面強度を導出する強度導出手段とを備えていることを特徴とする部材設計支援装置。
3. 前記モデル修正手段が、
   前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲が断面欠損範囲となるように、前記モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルを修正することを特徴とする請求項２に記載の部材設計支援装置。
4. 前記モデル修正手段が、
   前記座屈範囲導出手段が導出した座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、前記モデル生成手段が生成した前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正することを特徴とする請求項２に記載の部材設計支援装置。
5. 前記強度導出手段は、降伏後ひずみ硬化を考慮して前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の部材設計支援装置。
6. 前記強度導出手段が導出した前記２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する強度判断手段と、
   前記２次元断面モデルの断面強度が前記必要断面強度を満たし且つ前記２次元断面モデルの重量が最小となるように前記２次元断面モデルを最適化する最適化手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の部材設計支援装置。
7. 前記強度導出手段は、有効幅に基づいた耐力予測から、前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の部材設計支援装置。
8. 前記強度導出手段は、前記２次元断面モデルの幅厚比パラメータＲを利用して、前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の部材設計支援装置。
9. コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される断面モデル生成手段により、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成ステップと、
   コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度導出手段により、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの断面強度を、前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を考慮して導出する強度導出ステップとを備えていることを特徴とする部材設計支援方法。
10. コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される断面モデル生成手段により、３次元形状を有する部材モデルを切断したときの切断面に係る２次元断面モデルを生成する断面モデル生成ステップと、
    コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される座屈範囲導出手段により、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルにおける部材壁面座屈が生じる座屈範囲を導出する座屈範囲導出ステップと、
    コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築されるモデル修正手段により、前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲を考慮して、前記断面モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正するモデル修正ステップと、
    コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度導出手段により、前記モデル修正ステップにおいて修正された後の前記２次元断面モデルの断面強度を導出する強度導出ステップとを備えていることを特徴とする部材設計支援方法。
11. 前記モデル修正ステップでは、
    前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲が断面欠損範囲となるように、前記モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルを修正することを特徴とする請求項１０に記載の部材設計支援方法。
12. 前記モデル修正ステップでは、
    前記座屈範囲導出ステップにおいて導出された座屈範囲が断面欠損範囲とならないように、前記モデル生成ステップにおいて生成された前記２次元断面モデルの形状及び材料の少なくともいずれか一方を修正することを特徴とする請求項１０に記載の部材設計支援方法。
13. 前記強度導出ステップでは、降伏後ひずみ硬化を考慮して前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の部材設計支援方法。
14. コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される強度判断手段により、前記強度導出ステップにおいて導出された前記２次元断面モデルの断面強度が入力条件によって規定される必要断面強度を満たすか否かを判断する強度判断ステップと、
    コンピュータ内でハードウェアとソフトウェアが組み合わさることによって構築される最適化手段により、前記２次元断面モデルの断面強度が前記必要断面強度を満たし且つ前記２次元断面モデルの重量が最小となるように前記２次元断面モデルを最適化する最適化ステップとをさらに備えていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の部材設計支援方法。
15. 前記強度導出ステップでは、有効幅に基づいた耐力予測から、前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の部材設計支援方法。
16. 前記強度導出ステップでは、前記２次元断面モデルの幅厚比パラメータＲを利用して、前記２次元断面モデルの断面強度を導出することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の部材設計支援方法。
    

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