JP5790874B2 - 形状変更方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ援用設計およびエンジニアリングに関する。詳細には、本発明は、コンピュータ環境におけるオブジェクトから生成されたモデルの、該モデルを解析のためにより好適にするための適応に関する。

この修正プロセスは、設計および製造プロセスにおいてごく一般的に見出される。たとえば、エンジニアは、AUDO CADまたはPro/ENGINEERのようなCAD（コンピュータ援用設計）パッケージにおけるモデルを使ってコンポーネントまたは複雑なパーツの形で製品プロトタイプを設計し、その後、そのモデルを使用の好適性について試験したいことがある。仮想プロトタイプ／モデルのそのような解析は、耐久性、健康および安全上の要求および製造の容易さのような仕様要件のために必要とされることがある。設計エンジニアは該モデルを、たとえば、熱抵抗、電磁場もしくは他の場の伝搬または応力ひずみ属性を決定するために、シミュレーションにおいて解析したいことがある。このシミュレーション・プロセスは、実際の製造および物理的な試験のコストを伴うことなく、製品設計を洗練することができる。しかしながら、モデルが単純化され、より簡単に解析できるよう、モデルを修正することがしばしば必要になる。

本発明に関連することがありうる幾何学的モデルについての修正プロセスの一つの具体的な応用は、たとえば、気流または換気を提供／改善するためのまたは火災シミュレーションのための、建物の建築モデルの単純化におけるものである。コンピュータ・サーバーおよびモバイル通信装置のような熱を生じる電子装置についてのモデルの熱冷却シミュレーション前の修正が、本発明に関連するさらなる具体的な応用である。

図１は、設計および製造プロセスにおいてよく見られるシミュレーション・プロセス・チェーンの概観を示している。主要な段階は次のとおり。

１．幾何形状生成：これは、空間領域における幾何学的モデルの生成である。モデルは一般に、コンピュータ援用設計（CAD）システムを使って生成される。CADモデルが正しくない、たとえば水密な固体を画定しないまたは単一の平面をカバーする複数の定義を使用する場合、CAD修復／併合段が必要とされることがある。

２．モデル・セットアップ：これは準備であり、たとえば、モデル修正、メッシュ生成およびモデル解析条件のセットアップである。修正されていないモデルを解析のために直接使うことも可能だが、コンピューティング資源および解析時間における代償が大きい。業界における一般的な慣行は、CAD-CAEモデル準備（CCMP: Cad-to-CAE model preparation）と呼ばれる中間段を含めることである。これは、モデル・サイズを（電子記憶の点で）著しく縮小し、さまざまなクラスの解析のためにモデルを準備する。モデルは通例、解析／シミュレーションに好適にするために、修正（時にフィーチャー除去（defeaturing）として知られる）という形の準備を必要とする。最近まで、CCMP段は労働集約的であり、主として手作業プロセスであった。フィーチャーを自動的に検出して処理するコンピュータ援用ツールの発達とともに、効率が著しく改善した。モデル・セットアップにおける次の段階は、メッシュ生成である。自動的かつ高速なメッシュ生成は、構造化された（有限差分）および構造化されていない（有限要素）メッシュの両方について利用可能である。最終段階のモデル解析条件の設定は、熱流解析、流体流れ解析および応力解析といった解析の型に依存する。

３．解析：これは、コンピュータ・システムを使ってシミュレーションおよび解析を行うことである。解析は、設計および製造において重要な、機械的な応力、流体流れおよび電磁的な属性といった属性の数値解への計算を含んでいてもよい。電子製品の場合、一般的な解析は、（落下／衝突試験における）応力／ひずみ、電磁的干渉および熱‐流体冷却の有限要素解析（FEA: finite element analysis）である。解析はかつてはプロセス全体において最も時間のかかる段階だったが、並列処理および高度な数値的方法を使うことで、もはやそうではない。段階２および４とともに、解析はコンピュータ援用エンジニアリング（CAE）と称される。

４．視覚化：これは、解析結果を見て、解釈する機会である。一般に、時間、エネルギーなどといった特定のパラメータに対する場の値の3Dアニメーションおよびプロットが、エンジニアおよび設計者を支援するために使用される。

今日、CAD/CAEにおける最も時間のかかる要素は通例、モデル準備処理（CCMP）にある。自動車産業では、全時間の80パーセントを超えると報告されている。そのかなりの部分はCADモデルを、特定の型のCAE用途に好適にするために修正することに関わる。このプロセスに自動化および合理化を導入できれば、さらなる効率改善を達成できる。

本発明は、全体的な形状の近似による複雑なパーツの単純化に関する。近似の一つの関連技術の形は、複雑なパーツ（少なくとも一つの軸に沿って変化する断面をもつパーツまたはモデル内の他のパーツと相互作用するパーツなど）を3Dデカルト座標系で当該パーツを囲むバウンディングボックスで置き換える。

バウンディングボックスは、当業者に既知の仕方で生成される。幾何学的モデルにおいて定義されている任意のオブジェクトについて、x、yおよびz方向において、オブジェクトの上限および下限が見出される。これらの測定から、長方形の平行六面体（直方体または立方体）が形成される。これが、デカルト座標系で3Dパーツを囲むバウンディングボックスであり、3Dデカルト座標系における三つすべての方向において当該パーツの任意の部分の最低数値から最高数値まで延在する。

バウンディングボックスは、関連技術では、幾何学的モデルにおいて、より大きなパーツの孔もしくはスロット内に存在するコネクタ、ボルトおよび他のパーツのようなより小さなパーツを単純化するために使われる。これらのパーツは必ずしも、その後の解析が到達する結論に主要な影響をもたないが、修正されなければ、非一様な形状のため、重い処理負荷を課すことがある。バウンディングボックスは、そのようなパーツの形状を近似することによりそのようなパーツを修正する単純な方法である。

しかしながら、バウンディングボックスで置き換えることは、いくつかの状況では好適ではないことがある。

第一の側面によれば、本発明の諸実施形態は、幾何学的モデルの複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化する、コンピュータ実装される方法であって、前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて前記複雑なパーツを通る二次元断面を生成して、それぞれ前記断面における前記複雑なパーツの形状を再現する二つまたは三つの面を与える段階と；
前記面から新たなボディを形成するために、前記面に対して組み合わせ動作を実行する段階とを含む方法、を提供する。

このように、本発明の実施形態は、コネクタのような複雑なパーツが、その三つの軸の少なくとも二つで前記パーツの断面を反映する形に単純化されることを許容する。この有利な解決策は、バウンディングボックスよりも形状近似のさらなる精度を提供するが、それでいて解析するのがより単純なパーツを提供するという恩恵を与える。

一つの軸に沿ってより単純である／サイズが一定であるパーツは、二断面平面近似からの恩恵を受けることがありうる。一方、三つすべての軸でサイズが変化するまたは周囲のパーツとより多く相互作用するパーツは、三断面平面近似を必要とすることがある。

関連技術のバウンディングボックス方法が好適でないいくつかの状況がある。たとえば、パーツの体積がその後の解析において重要であり、パーツの形状がそのバウンディングボックスよりもずっと小さな体積をもつ場合には、バウンディングボックス方法は不正確な結果を生じることがある。これは、解析が、複雑なパーツと一つまたは複数の他のパーツとの間の空隙を横断する気流計算を含む場合、特にそうである。そのような空隙の保持は、気流解析にとっては、誤った結果を防ぐために本質的である。

より普通の例と思われるのは、パーツのまわりに生成されたバウンディングボックスが少なくとも一つの隣接パーツとの干渉につながる（すなわち、該隣接パーツの中実部分と重なる）ことである。もとのパーツからバウンディングボックスへの形状の変更は、モデルにおける別のパーツに影響し、衝突につながる。これが頻繁に起こりうる状況の一例は、単純化されるべきパーツが孔またはスロットを介して別のパーツを通過する、または別のパーツに少なくとも部分的に挿入されるときである。これらの状況では、一方または両方のパーツが、たとえば接合（abutments）を使って特定の関係でそれらのパーツを保持するような形状にされている可能性が高い。ひとたび挿入用のパーツがバウンディングボックスを使って単純化された場合、この形状が困難につながることがある。

このように、好ましい実施形態では、複雑なパーツは、その互いに直交する軸の少なくとも一つに沿って変動する断面をもつ。これらの軸は、そのパーツが画定されるx、yおよびz軸である。

各断面平面は、任意の好適な位置において生成されうる。たとえば、関連する軸に沿った、断面の最大面積を与える位置が選択されることができる。しかしながら、簡単のため、各断面平面は、複雑なパーツの中心において生成されてもよい。これはデフォルトの設定であることができ、それは後述するようにグラフィカル・ユーザー・インターフェース（GUI）を用いてユーザーによって変更されることができる。

面は、CAD環境において利用可能な任意の好適な動作によって生成されうる。ある実施形態では、面は、各面を抽出するブール切断（Boolean cut）演算によって生成される。

CADアプリケーションにおいて使われるブール演算は、和集合演算、交わり演算および差演算といった、当業者に既知の集合に対する演算である。

面の生成に続いて、それらの面は、組み合わせ演算において組み合わされる。この組み合わせ演算は、それらの面自身を使って新たなボディを形成する任意のものでありうる。新たなボディは、三次元エンティティであり、二次元面から三次元ボディを生成する一つの有利な方法は、スイープまたは押し出し演算を使うことである。たとえば、それらの演算において、面がその法線に沿って押し出しされ、その面の断面および第三の次元をもつ3Dボディを生成する。

各面からのデータを、新たなボディを形成するための組み合わせ演算においてのみ使うことが可能である。

しかしながら、面を組み合わせる一つの有利な方法は、まずスイープ演算を、次いでその後の交わり演算を使って、新たなボディの、押し出しされた面を使って生成された一時ボディの二つ／三つすべてに存在する部分のみを選択するというものである。

したがって、面を組み合わせるための好ましい実施形態によれば、各面は、それを前記複雑なパーツを含むバウンディングボックスの終端まで両方向に押し出すためにその法線に沿った外向きのスイープ演算を受け、次いで、こうして生成された一時ボディがブール交わり演算を使って組み合わされて新たなボディを形成する。

バウンディングボックスは、簡単に生成される初期押し出しプロセスのための限界のはたらきをする。バウンディングボックスまでのスイープ演算およびそれに続く交わり演算の使用は、CADシステムまたは他の幾何学的モデル化システムにおいてすでに利用可能なコマンドを使って新たなボディを効率的に生成することを許容する。

上記の形状近似は、複雑なパーツを単純化する際の最初の段階であってもよいが、あるいはまた、一つまたは複数の準備段が含められてもよい。一つの有利な準備工程は、形状近似の前にパーツから小さなフィーチャーを除去することである。たとえば、パーツ上の小さな突起は、その後生成される断面を不必要に複雑にすることがある。同じことは、小さな凹みフィーチャーについても言える。両方の型のフィーチャーはまた、生成される断面を歪め、面組み合わせによって生成される新たなボディの著しく大きな（あるいは凹みフィーチャーについては小さな）体積につながることがある。

この意味における小さなという用語は、該フィーチャーのスケールが、該フィーチャーが存在しているパーツよりも小さいフィーチャーを含むことが意図されている。たとえば、フィーチャーは、所定のサイズより小さければ、小さいと定義されてもよい。フィーチャーのサイズは、たとえば、フィーチャーの体積またはフィーチャーのもしくはフィーチャーを構成する一つもしくは複数の個々の表面の他の任意のサイズ・パラメータに従って決定されてもよい。

ひとたび何らかの準備段が行われたら、断面方法が使われる前に、初期形状近似段があってもよい。たとえば、この段は、バウンディングボックスを使う近似が十分であるかどうかを検査することができる。初期形状近似段は、主要な考えるべき問題の一つが当該パーツと他の何らかの隣接パーツとの間の干渉である場合に特に好適でありうる。したがって、本発明の諸実施形態は、好ましくは、複雑なパーツをバウンディングボックスで囲み、バウンディングボックスとモデル内の他の何らかのパーツとの間の何らかの干渉について検査する初期形状近似段を提供してもよく、残りの方法段階は、干渉が検出される場合にのみ実行される。

同じように、ひとたび新たなボディが生成されたら、さらなる洗練が行われてもよい。たとえば、新たなボディが好適でない（これは手動でまたは自動的に判定されうる）場合、改善された近似がなされる段があってもよい。再び干渉の例を使うと、発明実施形態は、新たなボディとモデル内の他の何らかのパーツとの間に干渉がある場合、当該パーツの細分による形状の改善された近似を提供してもよい。このようにして、パーツの種々の部分を別個に見ることによって、改善されたボディが提供されることができる。

たとえば、いくつかの実施形態では、近似は、複雑なパーツを、一つまたは複数の追加的な断面平面を生成することによってその軸の少なくとも一つに沿って細分する段階であって、前記追加的な面または各追加的な面は、その断面における前記複雑なパーツの形状を再現する、段階と；もとの面および前記一つまたは複数の追加的な面を組み合わせて、前記面から改善されたボディを形成する段階と；幾何学的モデルにおける前記複雑なパーツを前記改善されたボディで置き換える段階とを行うことによって改善されてもよい。ここで、細分は、一つまたは複数の追加的な断面平面の生成による。これは、一つの軸、二つの軸または三つすべての軸において行われることができる。このプロセスは、ユーザー駆動であっても、自動であってもよい。ある好ましい自動プロセスでは、細分は三つすべての軸においてである。

追加的面の位置は、特定のモデル／パーツについて好適な任意の位置でありうる。システムにおけるデフォルトであってもよいある好ましい細分では、追加的な面は二つの細分点において生成される。各細分点は、もとの断面平面とその軸における複雑なパーツの終端（またはその軸におけるバウンディングボックスの終端における）との間の中央に位置されることができる。

すべての面についての組み合わせプロセスは、たとえばスイープおよび交わり法を使う、もとの面と同じ流れに従うことができる。

このように、いくつかの好ましい実施形態では、もとの面と単一の軸に沿った任意の追加的な面とを組み合わせるために、もとの面は、それを隣接する追加的な面までまたは（隣接する追加的な面がない場合には）バウンディングボックスの終端まで押し出しするために、その法線に沿った双方向のスイープ演算を受け、各追加的な面は、それをバウンディングボックスの終端まで外側に押し出しするために、その法線に沿ったスイープ演算を受け、次いで、こうして各軸に沿って生成された一時的なボディが、ブール交わり演算を使って組み合わされて、改善されたボディを形成する。

細分および組み合わせは、改善されたボディとモデル内の他の任意のパーツとの間に干渉がある場合に、反復されてもよい。細分および組み合わせは、改善されたボディとモデル内の他の何らかのパーツとの間の干渉がなくなるまで、あるいは反復限界に達するまで繰り返されることができる。

当業者である読者は、細分および組み合わせプロセスの反復が、最初の細分および組み合わせプロセスと同じ流れに沿うことを理解するであろう。すなわち、好ましい実施形態では、細分は、前に与えられた断面平面の間および軸の終端における最後の断面平面とバウンディングボックスとの間の中央で行われる。スイープ演算では、もとの面はやはり双方向スイープを受け、他の各断面平面は次の断面平面または（最後の断面平面については）バウンディングボックスの終端に向けて外向きにスイープされる。

上記他の側面と自由に組み合わせられてもよい本発明のさらなる側面によれば、発明実施形態は、幾何学的モデルにおける複雑なパーツをその形状を近似することによって単純化するコンピュータ実装される方法のためのグラフィカル・ユーザー・インターフェースを提供する。本グラフィカル・ユーザー・インターフェースは、動作させられるとき、前記複雑なパーツを表示する段階と；前記パーツについての自動的な単純化方法の手動選択を許容する段階であって、前記自動単純化方法において、前記複雑なパーツを横切る二次元断面平面が前記パーツの三つの互いに直交する軸のうち少なくとも二つにおいて生成され、二つまたは三つの面を与え、各面はその断面における前記複雑なパーツの形状を再現し、前記自動単純化方法において、前記面は、該面から新たなボディを形成する組み合わせ演算を受ける、段階と；前記単純化後に前記新たなボディを表示する段階とを実行する。

グラフィカル・ユーザー・インターフェース（GUI）は、一般に、少なくとも表示のための画面ならびにキーボードおよびマウス装置のようなユーザーのための入力手段を有する端末のようなコンピューティング装置上で実行されるコンピュータ・ソフトウェア・ツールとして提供される。

本発明のこの側面によれば、本GUIはCCMP段における閲覧および／または手動入力を許容し、必要であれば形状近似ルーチンを容易にすることができる。

たとえば、本GUIは、ユーザーが、以下の機能の任意のものまたは全部を実行することを許容することができる：断面平面の数（二つまたは三つ）およびその押し出しおよび交わり演算を指定する、もとの各断面平面がどこに生成されるかを指定する、小さなフィーチャーを除去する準備段を要求および／または実行する、バウンディングボックスを使った初期形状近似段を要求および／または実行する、ならびに、形状の改善された近似または形状の改善された近似の反復を要求および／または実行する。本GUIは、ユーザーが、改善された近似における細分の反復数を、可能性としては軸ごとに、あるいはまた全体的な値として、設定することをも許容することができる。

本発明のさらなる側面によれば、発明実施形態は、コンピューティング装置上で実行されたときに、上記のグラフィカル・ユーザー・インターフェースの記述のいずれかに基づくグラフィカル・ユーザー・インターフェースを提供する、あるいは上記の方法の記述のいずれかの方法を実行するコンピュータ・プログラムを提供する。

本発明の最後の側面によれば、発明実施形態は、幾何学的モデルにおける複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化するよう構成されたコンピュータ装置であって、前記複雑なパーツを横切る二次元断面平面を、前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて生成して、二つまたは三つの面であって、それぞれその断面における前記複雑なパーツの形状を再現する面を与えるよう構成された面生成器と；組み合わせ演算において前記面を組み合わせて前記面から新たなボディを形成するよう構成された面組み合わせ器とを有するコンピュータ装置を提供する。

当業者である読者は、面生成器および面組み合わせ器の機能的な用語が、必要に応じて、一つまたは複数の好適にプログラムされた、メモリにアクセスするプロセッサおよび入出力装置として具現されてもよいことを理解するであろう。同じプロセッサ（単数または複数）が面生成器および／または面組み合わせ器のいずれとしても機能することができる。

本コンピュータ装置はさらに、幾何学的モデルを格納しているCADファイルを読み込む入力機能と、単純化された幾何学的モデルを格納している修正されたCADファイルを出力する出力機能と、上記においてさまざまに定義され、面生成器モジュールおよび面組み合わせ器モジュールを含む方法を実行するよう動作可能なコンピューティング機能とを有していてもよい。

本コンピュータ装置は、コンピュータ援用エンジニアリング・システムとして提供されてもよく、該コンピュータ援用エンジニアリング・システムは単一のコンピューティング装置を有していても、中央集中のまたは分散されたメモリおよび処理機能のようなコンピューティング資源を有するリンクされた装置のネットワークを有していてもよい。後者の場合、本方法および任意のGUI機能は、異なる端末のところにいるユーザー間で共有されてもよい。入力機能は、CADファイルを読み込んでもよく、出力機能は同じまたは異なるフォーマットのCADファイルを生成してもよい。

上記側面の任意のものの特徴およびサブ特徴は、みな、同じ総体的な発明概念の一部をなし、明らかに両立しないのでない限り、自由に組み合わせることができる。

本発明の好ましい特徴について、ここで、純粋に例として、付属の図面を参照して記述する。
シミュレーション・プロセス・チェーンおよび処理時間を示す概略図である。 本発明の概括的な実施形態を示すフローチャートである。 発明実施形態とともに使用されることのできるハードウェアのコンポーネントを示す概略図である。 コネクタおよびその形状近似の例を示す図である。 準備段において除去されることのできるバンプおよびピンのいくつかの例を示す図である。 もとのコネクタ・パーツからピンが除去されたバージョンへの遷移およびそれに続く、バウンディングボックスへの遷移を示す図である。 発明実施形態の形状近似プロセスがコネクタ・モデルについてどのように実装できるかの例を示す図である。 発明実施形態に基づく形状近似方法のフローチャートである。 x軸に沿った形状近似のプロセスにおける逐次反復の概略図である。 GUIディスプレイ環境の概観図である。 基本的なGUI処理のフローチャートである。 GUI自動検出器フィーチャーのフローチャートである。 詳細なGUIフィーチャー処理のフローチャートである。

図２に示されるフローチャートは、幾何学的モデルにおけるあるパーツ（これは、幾何学的モデルにおける唯一のパーツであることができるが、多くのパーツの一つであることのほうが多い）を、三つすべての断面平面を使って、近似されたパーツに変換する。そのパーツが、それに沿ってその形状が一定である軸をもつ場合、第三の断面は省略されてもよい。パーツは、たとえば、コネクタであってもよい。第一に、ステップS1において、面生成器によって、そのパーツの三つの軸のそれぞれにおいて、断面平面が取られる。諸パーツは、CADシステムにおいてデカルト座標を使って定義されており、断面について使われるのはx、yおよびz軸である。

ステップS2では、面組み合わせ器が、三つの面に対して組み合わせ演算を実行して新たな三次元ボディを形成する。この新たなボディは、その後の解析ステップを単純化するために、モデルにおいて実際のパーツの代わりに使用されることができる近似されたパーツである。

発明実施形態の方法は、完全に自動的であってもよいし、あるいは何らかのユーザー入力があってもよい。たとえば、ユーザーに本方法におけるステップの任意のものまたは全部を閲覧するおよび／またはこれに影響することを許容するGUIが提供されてもよい。

図３は、発明実施形態とともに使われることのできるハードウェアのコンポーネントを示す概略図である。あるシナリオでは、発明実施形態は、図３に示される単純なスタンドアローンPCまたは端末１００上で実施されることができる。端末は、GUI １０２を表示しているところが図示されているモニタ１０１と、キーボード１０３と、マウス１０４と、CPU、RAM、リムーバブル媒体のための一つまたは複数のドライブおよび当業者には周知であろう他の標準的なPCコンポーネントを収容しているタワー１０５とを有する。あるいはまた、一般にラップトップ、アイパッド(登録商標)およびタブレットPCのような他のハードウェア構成が提供されることもできる。発明実施形態の方法を実行するためのソフトウェアおよびCADデータ・ファイルおよび必要とされる他の任意のファイルは、たとえばインターネットのようなネットワークを通じて、あるいはリムーバブル媒体を使ってダウンロードされてもよい。任意の修正されたCADファイル（たとえば、少なくとも一つのパーツが新たなボディで置き換えられたもの）がリムーバブル媒体上に書き込まれたり、あるいはネットワークを通じてダウンロードされたりすることができる。

あるいはまた、PC １００は端末としてはたらき、発明実施形態の方法を実行することにおいて支援するために一つまたは複数のサーバー２００を使ってもよい。この場合、CADファイル３０１および／または発明実施形態の方法を実行するためのソフトウェアは、ネットワークを通じてデータベース３００からサーバー２００を介してアクセスされてもよい。サーバー２００および／またはデータベース３００は、この機能をサービスとして提供するためにネットワークを通じてアクセスされるコンピューティング機能のクラウド４００の一部として提供されてもよい。この場合、PC １００は表示、ユーザー入力および出力のみのためのダム端末のはたらきをしてもよい。あるいはまた、発明実施形態の少なくとも部分的なローカル実行のために、必要なソフトウェアの一部または全部が、タワー１０５によって提供されるローカルなプラットフォーム上に、クラウドからダウンロードされてもよい。

詳細な実施形態
発明実施形態は、CAEシミュレーションのためにモデルをセットアップする技術に関する。特に、発明実施形態は、複雑な形状のパーツを単純な直方体形状で置き換える技術に焦点を当てる。

熱流体解析および構造解析が実行されるとき、数値的な結果に影響しないパーツはより単純な形状で置き換えられてもよい。ここで論じられる例は、コンピュータまたはモバイル装置におけるコネクタであり、これはより単純な中実な形状によって置換できる。

たとえばブレンド・フィーチャーをもつパーツを考える場合、ブレンドを長方形のフィーチャーに単純化すれば、メッシュ・サイズが著しく縮小される。ブレンドが存在するところでは、曲線形状を正確に表現するために小さなメッシュ要素が要求される。一方、長方形のフィーチャーにはこの要求がなく、より大きなメッシュ要素ならびに処理および記憶の面でより小さなメッシュ・サイズを用いることができる。また、より大きな要素はより大きな時間ステップ値を使うことを許容し、過渡シミュレーションにおける時間ステップ数を減らし、解析時間の短縮につながる。このように、メモリなどのコンピュータの制限ならびにメッシュ・サイズが解析のために必要とされるコンピューティング時間に与える影響のため、フィーチャーをより単純な形状で置き換える、あるいは形状を修正することが重要である。

市販のソフトウェア（たとえばCADDoctor）を用いてブレンド（blend）および面取り（chamfer）形状フィーチャーを除去することが可能である。しかしながら、複雑なフィーチャーを自動的に検出して除去することは難しい。関連技術のCCMP（CADからCAEへのモデル準備）技術を使えば、バンプおよびピンを含む多くの複雑な形状を除去することが可能である。そのようなソフトウェア・ツールなしでは、設計者は、これらのフィーチャーを手動でみつけて除去するために、CADソフトウェアに戻る必要がある。これは手間がかかり、きわめて時間がかかる。

関連技術では、小さなバンプおよびピンのあるコネクタ・パーツ・モデルのような複雑な形状のパーツは、バウンディングボックス方法を使って直方体によって置き換えられてもよい。先に論じたように、バウンディングボックス隣接パーツの間の干渉の可能性がある。バウンディングボックス段の前に小さなバンプおよびピンを除去することは、干渉を防止する助けとなる、関連技術の単純化法である。

しかしながら、一つのパーツが別のパーツを少なくとも部分的に、たとえば孔またはスロットを介して、貫通する多くの状況があり、これらの場合には、小さなフィーチャーの除去は干渉を防ぐのに十分ではない。図４は、スロット２５をもつパネル２０を通過するピン１５をもつコネクタ１０の例を示している。パーツ間の相互作用が重要である。図４は、コネクタ１０のまわりのバウンディングボックスが（たとえピンがまず除去されたとしても）パネル２０との干渉につながることを示している。しかしながら、発明実施形態のプロセスを使って生成されるボックスは、パネルと重ならない形状を創り出す。

隣接するパーツが単純化されるときの手動の検査プロセスを行うのは、干渉を調査して解決しなければならないので、手間がかかり、時間がかかる。これは、特に多くのパーツがある場合には、単純な仕事ではない。

発明実施形態は、図４のコネクタのような複雑な形状のパーツを、より簡単に隣接パーツとの干渉がないようにできる直方体ベースのパーツに変化させる。この実施形態のプロセスは二つの段からなる：準備段は、小さなフィーチャーを除去する関連技術の手法を使い、後続段はコネクタの形状を近似する。

図５は、準備段において除去できるバンプおよびピンのいくつかの例を示している。読者は、小さなフィーチャーの自動フィーチャー検出について、同じ出願人による先の出願であるPCT/EP2010/070605およびPCT/EP2010/070601を参照されたい。これらの出願はここに参照によって組み込まれる。

準備段は、上記先の出願に記載されるフィーチャー特徴を使って図５のような小さなバンプおよびピンを自動的に検出し、除去するために、上記先の出願からの既存の技術を使う。結果として得られるパーツは、小さなバンプおよびピンのないモデルであり、本プロセスの形状近似段のための準備完了である。

図６は、もとのコネクタ・パーツ３０から、ピンが除去されたバージョン３５への遷移と、それに続く、バウンディングボックス４０への遷移とを示している。パーツをバウンディングボックスで覆うことが、近似段における第一のアクションａ）である。隣接パーツとのインターフェースがなければこれが最終結果となる。この実施形態についての完全な近似段を下記に記載しておく。

ａ）複雑な形状のパーツをバウンディングボックスで置き換え、隣接パーツとの干渉があるか否かを検査する。干渉があれば、ステップｂ）に進み、そうでなければ、パーツは、バウンディングボックスに基づくボディで置き換えられる。

ｂ）三つの軸のそれぞれにおいて複雑な形状のパーツの中心に二次元断面平面を生成する。これは、各面を抽出するために、ブール切断演算または何か同様のものによって達成できる。次いで、各面について、真ん中からバウンディングボックス限界の各端部までのスイープ演算を使って、新たなボディを生成する。三つの新たなボディは、次いで、ブール交わり演算を使って組み合わされて、三つすべてのボディの交わりであるボディ／パーツを生成する。

隣接パーツとの干渉があるか否かを検査する。干渉があれば、ステップｃ）に進み、そうでなければ、パーツは、新たなボディで置き換えられる。

ｃ）より高い精度を達成するため、もとのパーツを使った細分によって断面平面の数を増す。細分と細分の間で面を押し出しして、各軸において新たなボディを得る。三つのボディをブール交わり演算を用いて組み合わせて、三つすべての交わりであるボディ／パーツを生成する。

隣接パーツとのインターフェースがあるか否かを検査する。干渉があれば、干渉がなくなるか、反復限界（ユーザーによって設定されるまたはデフォルトのたとえば100を使う）を超えるまで、上記ステップを繰り返す。反復限界を超えた場合は、近似段は失敗条件を返す。

図７は、コネクタ・モデルについてのプロセスのステップｂ）の例を示している。パーツは、先にピンが除去されたバージョン３５である。図７は、三つの中央断面Sxy、SyzおよびSzxを例証している。これらは押し出しされ、ブール演算を使って新たなボディ４５が形成される。

図８は、自動的な全体的な形状変更プロセスのフローチャートである。ステップS10では、3Dモデル・データが読まれる。ステップS20では、小さなフィーチャーがその特徴を使って検出される。ステップS30では、これらの小さなフィーチャーが除去される。次の諸ステップはみな、形状近似方法の一部である。ステップS40では、バウンディングボックスが、処理されているパーツのまわりに生成される。ステップS50では、干渉についての検査があり、干渉がなければ、プロセスはステップS60で終わる。他方、干渉があるまたは少なくとも一つの干渉がある場合には、ステップS70で、当該パーツについて、各軸についての中央面が生成される。ステップS80においてnが1に設定される第一の反復工程では、ステップS90において面が押し出しされてボディを生成し、次いで、ステップS100において、ブール交わり演算がそれらのボディに対して実行されてそれらのボディを組み合わせる。ステップS110では、干渉についての第二の検査がある。干渉がなければ、プロセスはステップS60で終わる。少なくとも一つの干渉があれば、ステップS120でカウンタnがインクリメントされ、ステップS130でnが100未満であるかどうかの検査がある。nが100以上であれば、プロセスはステップS60において失敗で終わる。nが100未満であれば、ステップS140において少なくとも一つの追加的面を生成する細分があり、次いで新たなボディを生成するための押し出しへのループバックがある。

図９は、球または円形断面をもつ他のパーツのもとのボディ形状についての中央面および細分プロセスを例証している。洗練プロセスはx軸でのみ示している。最初に、図８におけるステップS70のようにして、中央面だけが生成される。この段階では、カウンタnは1に等しい。もとのボディ形状はパーツ５０として示されている。第一の分割段階は、バウンディングボックス６０を使って中央面を形成し、分割されたパーツ５５を生成する。押し出しの結果、６５として示されている、正方形の断面の新たなボディが得られる。第一の細分段階では、nは2に等しく、細分されたパーツ７０によって示されるように二つの追加的な断面平面が生成されている。追加的な面は、上記中央面と、バウンディングボックス中心の各側のバウンディングボックスの端部との間の中間である。押し出しの結果、７５として示される断面をもつ新たなボディが得られる。

第二の洗練段階では、再び細分が行われており、四つの新たな追加的な断面平面を与える。各新たな追加的な面は、二つの先に生成された面の間、または、各エッジでの新たな追加的な面については、バウンディングボックスの端部と前の端の追加的な面との間の中点にある。中心から外側への面の押し出しは、図中８５で示される断面を生成する。

押し出しは中央面からは両方向に行われるが、各追加的な面については一方向にのみ、中心から離れてバウンディングボックス限界に向かう方向に行われる。

グラフィカル・ユーザー・インターフェース
GUIのいくつかの目的は次のとおり。
１．ユーザーに、CADモデル処理のための処理ツールを備えた――上記の自動フィーチャー検出および修正技術を備えた――グラフィカルな環境を提供する。
２．修正プロセスにおいて失敗したフィーチャーを閲覧し（たとえばこれらのフィーチャーを示すためにまずフィーチャー検出を走らせる）、次いでGUI内のツールセット機能を用いて治癒に向けてユーザーを補助する。
３．ネットワーク／通信媒体を介して異なる位置にいるユーザー間でモデルを閲覧および共有できるようにする。

GUI側面は、CADモデルの三次元表示をもつグラフィカルな環境を提供する。通常の仕方で、たとえばマウスおよびキーパッドによるユーザー入力機能が設けられてもよい。図１５は、画面上表示環境の概観を与えており、図１６ないし図１８はGUI CADモデル処理のフローチャートである。

図１０は、基本的構成のGUIフロントエンドの概観図を示している。トップ・メニュー・バー５０は、終了、モデルの読み込みおよび保存、自動検出、フィーチャーのユーザー選択、承認または拒否の結果のあるフィーチャー処理および他の任意の好適なツールという基本的な機能を提供する。トップ・メニュー・バーの下のフィーチャー・メニュー・バー６０は、小さなパーツ、孔、ブレンド、面取り、円筒および他のパーツを除去するまたはたとえば孔および円筒を修正する選択された機能を与える。また、本稿で詳細に述べたような断面による単純化もあり、「全体形状変更」と題されている。

GUIはユーザーのための形状変更オプションにより向上させられる。ユーザーは、一時に一つの断面平面を選択および押し出しして、二つまたは三つの別個の暫定的なボディを形成し、その後、ブール交わり演算を使ってそれらのボディを組み合わせる。

もう一つの要素は、各軸についての個々の洗練（細分）レベルである。図１０に示した例では、「全体形状変更」オプション内の{Xn,Yn,Zn}が洗練レベル・オプションである。今の場合、これはすべての軸について一定である。これは、先の図に記載したnカウンタであり、三平面プロセスについては最小値1をもつ。この機能は、ユーザーに、全体形状変更のさらなる制御を与える。二平面形状変更のみについては、カウンタは、形状近似において軸の一つについて0に設定できる。

より高度な方法の使用は、一時に一つの軸を洗練することによって、自動的な全体形状変更におけるこの洗練手法を用いることもできる。これは、高度な干渉方法に共通する追加的なコンピューティング・オーバーヘッドのため、利点とはならないことがありうる。

フィーチャー・メニュー・バーの下の画面部分では、画面は三つに分割されている。モデルのどの部分が処理されているかを示すモデル・パーツ・ツリー表示ウインドー７０と、処理されているフィーチャーを示すフィーチャー・ツリー表示ウインドー８０と、検出されたフィーチャーをハイライトする3D選択パーツ・ウインドー９０である。画面の最下部にも三つのウインドーへの分割がある。モデルの表現を示す3Dモデル表示ウインドーと、検出されたフィーチャーおよびフィーチャー除去（修正）結果をリストするなどのプロセスの結果をテキストの形で与える結果テキスト・ウインドーである。最後に、3D結果ウインドーが、プロセスによって修正されたパーツを示す。

図１１は、発明実施形態に基づくGUI内の機能の全体的な論理的な流れを示している。プロセスはステップS200で始まり、ステップS201ではメニューおよびウインドー・レイアウトがロードされる。ステップS202では、モデルがロードまたは保存される。ひとたびモデルがシステム中にロードまたは保存されたら、プロセスはフィーチャー型選択S203に進むことができる。たとえば、選択されたフィーチャーは、全体形状変更であってもよい。S204では、そのようなフィーチャーが検出されてもよい（全体形状変更の場合、本方法は、パーツを選択するまたは現在選択されているパーツがそのような処理のために好適であるかどうかを検出することができる）。ステップS205では、ユーザーは、手動で上記フィーチャーを選択できる。ステップS206では、上記フィーチャーが処理される。ステップS207は、他の任意の関連する機能を提供する。これらのステップの一つのあと任意の時点において、新たなモデルがロードされる、あるいは現在のモデルが保存されることができ、プロセスはステップS208で終了できる。

図１２は、図１１のステップS204の自動フィーチャー検出のより詳細なフローチャートである。プロセスはS300で始まり、ステップS301において選択されたフィーチャー型を自動検出する。次のステップS302では、見つかったフィーチャーが図１５に示されるフィーチャー・ツリー表示ウインドーにリストされる。ステップS303では、3D選択パーツ・ウインドーにおいて、上記フィーチャーが、現在処理を受けているパーツ上でハイライトされる。

図１３は、図１１のS206として示されるフィーチャー処理ステップのより詳細な説明である。関連するフィーチャー型の好適な例は、小さなバンプおよびピンの検出である。処理はS400で始まり、S401において選択された型のフィーチャーを処理する。S402では、結果テキスト・ウインドーが失敗したいくつかのフィーチャーを出力し、フィーチャー・ツリー表示ウインドーが処理されたフィーチャーのマークを外す。ステップS403では、3D選択パーツ・ウインドーが失敗したフィーチャーをそのパーツ上でハイライトし、3D結果ウインドーが処理の結果を表示する。結果がステップS404においてユーザーによって承認されれば、3D選択パーツ・ウインドーは更新され、承認されなければ、3D結果ウインドーはクリアされ、フィーチャー・ツリー表示ウインドーがクリアされる。同様に、3D選択パーツ・ウインドーを更新したのち、これら二つのウインドーがクリアされる。プロセスはS407でメイン・ループに戻る。

最後に、疑いを避けるため、発明実施形態は、本稿に記載される方法のいずれかを実行するためのコンピュータ・プログラムまたはコンピュータ・プログラム・プロダクトならびに本稿に記載される方法のいずれかを実行するためのプログラムを記憶しているコンピュータ可読媒体をも提供することを記しておく。本発明を具現するコンピュータ・プログラムはコンピュータ可読媒体上に記憶されていてもよく、あるいはたとえばインターネット・ウェブサイトから提供されるダウンロード可能データ信号のような信号の形であることも、他の任意の形であることもできる。

発明実施形態の効果
本発明の実施形態を使うことで、パーツ修正のためのセットアップ時間を短縮できる。ユーザーが干渉をチェックしてパーツを再修正することに時間を費やす必要がないからである。発明実施形態の方法およびコンピュータ装置は、セットアップ時間を、修正することが必要なパーツ当たりたとえば五分短縮することを可能にする。

さらに、本装置は、メッシュ要素の数を減らすことができるので、シミュレーション時間も短縮できる。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
幾何学的モデル中の複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化する、コンピュータ実装される方法であって、
前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて前記複雑なパーツを通る二次元断面を生成して、それぞれ前記断面における前記複雑なパーツの形状を再現する二つまたは三つの面を与える段階と；
前記面に対して組み合わせ動作を実行して前記面から新たなボディを形成する段階とを含む、
方法。
〔態様２〕
前記複雑なパーツが、その互いに直交する軸のうちの少なくとも一つに沿って変化する断面をもつ、
態様１記載の方法。
〔態様３〕
各断面が、前記複雑なパーツの中心において、好ましくはブール切断演算によって生成される、態様１または２記載の方法。
〔態様４〕
前記面が、スイープ演算および任意的にはその後の交わり演算を使って組み合わされる、態様１ないし３のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様５〕
前記面を組み合わせるために、各面は、それを前記複雑なパーツを含むバウンディングボックスの終端まで両方向に押し出しするためにその法線に沿った外向きのスイープ演算を受け、次いで、こうして生成された二つまたは三つの暫定的ボディがブール交わり演算を使って組み合わされて前記新たなボディを形成する、
態様１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様６〕
形状近似の前に、前記パーツから小さなフィーチャーを除去する準備段階をさらに含む、態様１ないし５のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様７〕
前記複雑なパーツをバウンディングボックスで囲み、前記バウンディングボックスと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間の何らかの干渉があるかどうか検査する初期形状近似段をさらに含み、残りの方法段階は、干渉が検出される場合に実行される、態様１ないし６のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様８〕
前記新たなボディと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間に干渉がある場合、当該パーツの細分による形状の改善された近似をすることをさらに含む、態様１ないし７のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様９〕
態様８記載の方法であって、前記近似が：
前記複雑なパーツを、一つまたは複数の追加的な断面を生成することによってその軸の少なくとも一つに沿って細分する段階であって、その追加的な面または各追加的な面は、その断面における前記複雑なパーツの形状を再現する、段階と；
もとの面および前記一つまたは複数の追加的な面を組み合わせて、前記面から改善されたボディを形成する段階と；
幾何学的モデルにおける前記複雑なパーツを前記改善されたボディで置き換える段階とを行うことによって改善される、
方法。
〔態様１０〕
態様８または９記載の方法であって、前記細分は二つの細分点において前記追加的な面を生成し、各細分点は、もとの断面と前記複雑なパーツのその軸における終端との間の中央に位置される、方法。
〔態様１１〕
態様９または１０記載の方法であって、もとの面と単一の軸に沿った任意の追加的な面とを組み合わせるために、もとの面は、それを隣接する追加的な面までまたは隣接する追加的な面がない場合には前記バウンディングボックスの終端まで押し出しするために、その法線に沿った双方向のスイープ演算を受け、各追加的な面は、それを前記バウンディングボックスの終端まで外向きに押し出しするために、その法線に沿ったスイープ演算を受け、次いで、こうして各軸に沿って生成された暫定的ボディが、ブール交わり演算を使って組み合わされて、改善されたボディを形成する、方法。
〔態様１２〕
改善されたボディとモデル内の他の任意のパーツとの間に干渉がある場合に、前記細分および組み合わせのプロセスが反復され、好ましくは、
前記細分および組み合わせのプロセスは、改善されたボディとモデル内の他の任意のパーツとの間の干渉がなくなるまで、あるいは反復限界に達するまで繰り返される、
態様８ないし１１のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１３〕
幾何学的モデルにおける複雑なパーツをその形状を近似することによって単純化するコンピュータ実装される方法のためのグラフィカル・ユーザー・インターフェースであって、当該グラフィカル・ユーザー・インターフェースは、動作させられるとき、
前記複雑なパーツを表示する段階と；
前記パーツについての自動的な単純化方法の手動選択を許容する段階であって、前記自動単純化方法において、前記複雑なパーツを横切る二次元断面が前記パーツの三つの互いに直交する軸のうち少なくとも二つにおいて生成され、二つまたは三つの面を与え、各面はその断面における前記複雑なパーツの形状を再現し、前記自動単純化方法において、前記面は、該面から新たなボディを形成する組み合わせ演算を受ける、段階と；
前記単純化後に前記新たなボディを表示する段階とを実行する、
グラフィカル・ユーザー・インターフェース。
〔態様１４〕
コンピューティング装置上で実行されたときに、態様１３記載のグラフィカル・ユーザー・インターフェースを提供するまたは態様１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法を実行するコンピュータ・プログラム。
〔態様１５〕
幾何学的モデルにおける複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化するよう構成されたコンピュータ装置であって、
前記複雑なパーツを横切る二次元断面を、前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて生成して、二つまたは三つの面であって、それぞれその断面における前記複雑なパーツの形状を再現する面を与えるよう構成された面生成器と；
組み合わせ演算において前記二つまたは三つの面を組み合わせて前記面から新たなボディを形成するよう構成された面組み合わせ器とを有する、
コンピュータ装置。

Claims (14)

1. 幾何学的モデル中の複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化する、コンピュータ実装される方法であって、
   前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて前記複雑なパーツを通る二次元断面を生成して、それぞれ前記断面における前記複雑なパーツの形状を再現する二つまたは三つの面を与える段階と；
   前記面に対して組み合わせ動作を実行して前記面から新たなボディを形成する段階と；
   前記新たなボディと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間に干渉がある場合、当該パーツの細分による形状の改善された近似をする段階とを含む、
   方法。
2. 前記複雑なパーツが、その互いに直交する軸のうちの少なくとも一つに沿って変化する断面をもつ、
   請求項１記載の方法。
3. 各断面が、前記複雑なパーツの中心においてブール切断演算によって生成される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記面が、スイープ演算およびその後の交わり演算を使って組み合わされる、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の方法。
5. 前記面を組み合わせるために、各面は、それを前記複雑なパーツを含むバウンディングボックスの終端まで両方向に押し出しするためにその法線に沿った外向きのスイープ演算を受け、次いで、こうして生成された二つまたは三つの暫定的ボディがブール交わり演算を使って組み合わされて前記新たなボディを形成する、
   請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
6. 形状近似の前に、前記パーツから小さなフィーチャーを除去する準備段階をさらに含む、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の方法。
7. 幾何学的モデル中の複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化する、コンピュータ実装される方法であって、
   前記複雑なパーツをバウンディングボックスで囲み、前記バウンディングボックスと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間の何らかの干渉があるかどうか検査する初期形状近似段を含み、当該方法は、干渉が検出される場合、さらに、
   前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて前記複雑なパーツを通る二次元断面を生成して、それぞれ前記断面における前記複雑なパーツの形状を再現する二つまたは三つの面を与える段階と；
   前記面に対して組み合わせ動作を実行して前記面から新たなボディを形成する段階とを実行することを含む、
   方法。
8. 前記新たなボディと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間に干渉がある場合、当該パーツの細分による形状の改善された近似をすることをさらに含む、請求項７記載の方法。
9. 請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の方法であって、前記近似が：
   前記複雑なパーツを、一つまたは複数の追加的な断面を生成することによってその軸の少なくとも一つに沿って細分する段階であって、その追加的な面または各追加的な面は、その断面における前記複雑なパーツの形状を再現する、段階と；
   もとの面および前記一つまたは複数の追加的な面を組み合わせて、前記面から改善されたボディを形成する段階と；
   幾何学的モデルにおける前記複雑なパーツを前記改善されたボディで置き換える段階とを行うことによって改善される、
   方法。
10. 請求項８または９記載の方法であって、前記細分は二つの細分点において前記追加的な面を生成し、各細分点は、もとの断面と前記複雑なパーツのその軸における終端との間の中央に位置される、方法。
11. 請求項９または１０記載の方法であって、もとの面と単一の軸に沿った任意の追加的な面とを組み合わせるために、もとの面は、それを隣接する追加的な面までまたは隣接する追加的な面がない場合には前記バウンディングボックスの終端まで押し出しするために、その法線に沿った双方向のスイープ演算を受け、各追加的な面は、それを前記バウンディングボックスの終端まで外向きに押し出しするために、その法線に沿ったスイープ演算を受け、次いで、こうして各軸に沿って生成された暫定的ボディが、ブール交わり演算を使って組み合わされて、改善されたボディを形成する、方法。
12. 改善されたボディとモデル内の他の任意のパーツとの間に干渉がある場合に、前記細分および組み合わせのプロセスが反復され、
    前記細分および組み合わせのプロセスは、改善されたボディとモデル内の他の任意のパーツとの間の干渉がなくなるまで、あるいは反復限界に達するまで繰り返される、
    請求項８ないし１１のうちいずれか一項記載の方法。
13. コンピューティング装置上で実行されたときに、請求項１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法を実行するコンピュータ・プログラム。
14. 幾何学的モデルにおける複雑なパーツを、その形状を近似することによって単純化するよう構成されたコンピュータ装置であって、
    前記複雑なパーツを横切る二次元断面を、前記パーツの互いに直交する三つの軸のうちの少なくとも二つにおいて生成して、二つまたは三つの面であって、それぞれその断面における前記複雑なパーツの形状を再現する面を与えるよう構成された面生成器と；
    組み合わせ演算において前記二つまたは三つの面を組み合わせて前記面から新たなボディを形成するよう構成された面組み合わせ器と；
    前記新たなボディと前記モデル内の他の何らかのパーツとの間に干渉がある場合、当該パーツの細分による形状の改善された近似をする手段とを有する、
    コンピュータ装置。
    

Images