JP6390258B2 - ソリッド要素モデル作成システム及びソリッド要素モデル作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、相対するパネル部材が連結部を介して連結されてなる構造体の有限要素解析に用いられ、同構造体のサーフェイスモデルからソリッド要素モデルを作成するシステム及びその方法に関する。

一般に、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）を利用して構造体の設計が行なわれている。また、サーフェイスモデルなどのＣＡＤデータに基づいてソリッドモデルを作成し、コンピュータを用いてソリッドモデルからソリッド要素モデルを自動生成することが行なわれている。そして、ソリッド要素モデルを用いることにより種々の有限要素解析が行なわれている。

また、特許文献１には、シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する構成が開示されている。

特開平５―６７１８１号公報

ところで、例えば車両のボディパネルなどの構造体は、相対するパネル部材がスポット溶接部などの連結部を介して連結されており、複雑な形状を有している。そのため、連結部が含まれるソリッドモデルを作成することが難しく、膨大な工数を要することとなる。従って、設計変更が頻繁に繰り返される設計検討段階においては、ソリッドモデルを短期間で更新することは略不可能である。

また、ソリッドモデルからソリッド要素モデルを自動生成すると、生成される要素が主に四面体であるテトラ要素となる。そのため、要素の数が多くなって、有限要素解析における計算負荷が増大するといった問題や、当該有限要素解析における計算精度が低下するといった問題が生じるおそれがある。

また、特許文献１には、単純な形状のシェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する構成が開示されているだけであり、前述したような複雑な形状を有する構造体のソリッド要素モデルを作成する構成については開示されていない。

本発明の目的は、ソリッド要素モデルを用いて行なわれる有限要素解析における計算負荷を低減することができるとともに、計算精度を高めることができるソリッド要素モデル作成システム及びソリッド要素モデル作成方法を提供することにある。

上記目的を達成するためのソリッド要素モデル作成システムは、相対するパネル部材が連結部を介して連結されてなる構造体のサーフェイスモデルからソリッド要素モデルを生成するものであり、前記パネル部材の各々のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、前記パネル部材の各々における前記連結部の位置データに基づいて同連結部に対応するシェル要素を生成することにより、前記サーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換する第１変換部と、前記シェル要素の各々について同シェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素を生成することにより、前記シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する第２変換部と、を備える。

また、上記目的を達成するためのソリッド要素モデル作成方法は、ソリッド要素モデル作成システムが、相対するパネル部材が連結部を介して連結されてなる構造体のサーフェイスモデルからソリッド要素モデルを生成するものであり、前記ソリッド要素モデル作成システムの第１変換部が、前記パネル部材の各々のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、前記パネル部材の各々における前記連結部の位置データに基づいて同連結部に対応するシェル要素を生成することにより、前記サーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換し、前記ソリッド要素モデル作成システムの第２変換部が、前記シェル要素の各々について同シェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素を生成することにより、前記シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する。

上記構成又は方法によれば、各パネル部材においては、三角形や四角形の形状を有するシェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させた点を節点に設定し、これら投影された節点からなり、五面体や六面体の形状を有するソリッド要素が生成されることにより、シェル要素モデルがソリッド要素モデルに変換される。このとき、相対するパネル部材を連結する連結部においては、各パネル部材における連結部の位置データに基づいて連結部に対応するシェル要素が生成され、各パネル部材の本体部と同様にして、五面体や六面体の形状を有するソリッド要素が生成される。このように上記構成又は方法によれば、ソリッド要素モデルをいずれも五面体や六面体の形状を有するソリッド要素によって構成することが容易にできる。従って、要素の数を少なくすることができ、ソリッド要素モデルを用いて行なわれる有限要素解析における計算負荷を低減することができる。また、当該有限要素解析における計算精度を高めることができる。

また、上記構成又は方法によれば、サーフェイスモデルから直接、ソリッド要素モデルを生成するのではなく、まずはサーフェイスモデルがシェル要素モデルに変換され、次にシェル要素モデルがソリッド要素モデルに変換される。このため、設計検討段階において、設計変更が必要となり、サーフェイスモデルの修正が行なわれた場合であっても、シェル要素モデルに対してであれば修正内容を容易に反映させることができる。そして、修正内容が反映されたシェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換することにより、ソリッド要素モデルに修正箇所を容易に反映させることができる。

本発明によれば、ソリッド要素モデルを用いて行なわれる有限要素解析における計算負荷を低減することができるとともに、計算精度を高めることができる。

第１実施形態に係るソリッド要素モデル作成システムの概略構成図。 同実施形態のソリッド要素モデル作成処理の実行手順を示すフローチャート。 同実施形態のシェル要素モデルへの変換処理の実行手順を示すフローチャート。 同実施形態のシェル要素モデルへの変換処理の実行手順を示すフローチャート。 同実施形態のスポット溶接部を中心とした構造体の斜視断面図。 同実施形態のスポット溶接部を中心とした構造体のシェル要素モデルの斜視図。 同実施形態のスポット溶接部を中心とした構造体のソリッド要素モデルの斜視図。 第２実施形態のアーク溶接部を中心とした構造体の斜視図。 同実施形態のアーク溶接部を中心とした構造体のシェル要素モデルの斜視図。 同実施形態のアーク溶接部を中心とした構造体のソリッド要素モデルの斜視図。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図７を参照して、ソリッド要素モデル作成システム（以下、単に作成システムと称する。）及びソリッド要素モデル作成方法を具体化した第１実施形態について説明する。

図１に示すように、作成システムは、構造体のサーフェイスモデルから、構造体の有限要素解析などに用いられるソリッド要素モデルを作成するものであり、端末装置１０と、端末装置１０により作成された構造体２０のシェル要素モデルやソリッド要素モデルを表示する表示装置１４とを備えている。

図５に示すように、本実施形態の構造体２０は、相対する第１パネル部材２１と第２パネル部材２２とがスポット溶接部２３を介して連結されたものである。なお、構造体２０のソリッド要素モデルを用いて例えば誘電加熱解析が行なわれる。

また、端末装置１０は、種々の制御プログラムを記憶する記憶部１１、及び構造体２０のサーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換すべく同制御プログラムに従って各種の演算を行なう第１変換部１２を備えている。また、端末装置１０は、前記シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換すべく同制御プログラムに従って各種の演算を行なう第２変換部１３などを備えている。

各種データとしては、構造体２０のサーフェイスモデル、第１パネル部材２１の板厚データや第２パネル部材２２の板厚データなどがあり、図示しない入力装置を介して端末装置１０に入力される。なお、各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルにはスポット溶接部２３の中心点Ｃ１，Ｃ２の位置データが含まれている。

次に、図２〜図４を参照して、ソリッド要素モデル作成処理の実行手順について説明する。なお、これらの処理は端末装置１０によって実行される。
図２に示すように、この一連の処理では、まず、端末装置１０に構造体２０のサーフェイスモデルが読み込まれる（ステップＳ１）。次に、サーフェイスモデルをシェル要素モデルへ変換する処理が行なわれる（ステップＳ２）。次に、シェル要素モデルをソリッド要素モデルへ変換する処理が行なわれる（ステップＳ３）。そして、この一連の処理が終了される。

図３に示すように、シェル要素モデルへの変換処理においては、まず、第１変換部１２により、各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルにおけるスポット溶接部２３の位置データに基づいてスポット溶接部２３に対応するシェル要素が生成される（ステップＳ２１）。具体的には、図６に示すように、各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルにおけるスポット溶接部２３の中心点Ｃ１，Ｃ２を結ぶバー要素ＣＢＡＲが設定され、各中心点Ｃ１，Ｃ２を中心とした所定の半径Ｒ１が設定される。そして、各中心点Ｃ１，Ｃ２を中心とするとともに前記半径Ｒ１の仮想円に内接する正八角形の各頂点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８がシェル要素の節点に設定される。またこのとき、対応する節点Ｅ１，Ｆ１、Ｅ２，Ｆ２、・・・、Ｅ８，Ｆ８を結ぶ仮想直線が前記バー要素ＣＢＡＲと平行となるように各節点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８の座標が設定される。なお、図６において、太い実線が第１パネル部材２１のシェル要素モデル３１を示しており、細い破線が第２パネル部材２２のシェル要素モデル３２を示している。

次に、図３に示すように、各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルに基づいて各パネル部材２１，２２の本体部、すなわちスポット溶接部２３を除いた部位に対応する複数のシェル要素が生成される（ステップＳ２２）。このとき、スポット溶接部２３のシェル要素の節点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８が、各パネル部材２１，２２の本体部のシェル要素と共有とされる。このようにして、サーフェイスモデルがシェル要素モデルに変換される。

図４に示すように、ソリッド要素モデルへの変換処理においては、まず、第２変換部１３により、各シェル要素についてそれらの面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を各パネル部材２１，２２の板厚の半分の大きさだけ投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素が生成され（ステップＳ３１）、この処理が終了される。

具体的には、図６及び図７に示すように、各シェル要素について上方及び下方へ同シェル要素の各節点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８を投影した点Ｅ１１〜Ｅ８１，Ｅ１２〜Ｅ８２，Ｆ１１〜Ｆ８１，Ｆ１２〜Ｆ８２がソリッド要素の節点となる。なお、ここでは図示が省略されているが、各パネル部材２１，２２の本体部についてもシェルモデルの節点が同様にして投影されることによりソリッド要素の節点が設定される。そして、これらソリッド要素によって第１パネル部材２１のソリッド要素モデル４１や第２パネル部材２２のソリッド要素モデル４２が生成される。

また、図７において、節点Ｅ１２，Ｆ１１，Ｃ２１，Ｃ１２によって囲まれた部分及び節点Ｃ１２，Ｃ２１，Ｆ５１，Ｅ５２によって囲まれた断面を含む六面体がスポット溶接部２３に対応するソリッド要素４３Ａ，４３Ｂとなる。なお、図７においては、節点Ｅ２１〜Ｅ４１、節点Ｅ２２〜Ｅ４２，Ｅ６２〜Ｅ８２、節点Ｆ２１〜Ｆ４１，Ｆ６１〜Ｆ８１、節点Ｆ２２〜Ｆ４２，Ｆ６２〜Ｆ８２は示されていない。

次に、本実施形態の作用について説明する。
各パネル部材２１，２２においては、シェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させるとともに、これら投影された節点からなり、六面体の形状を有するソリッド要素が生成されることにより、シェル要素モデルがソリッド要素モデルに変換される。このとき、第１パネル部材２１と第２パネル部材２２とを連結するスポット溶接部２３においては、各パネル部材２１，２２におけるスポット溶接部２３の位置データに基づいて同スポット溶接部２３に対応するシェル要素が生成され、各パネル部材２１，２２の本体部と同様にして、六面体の形状を有するソリッド要素が生成される。このように本実施形態によれば、ソリッド要素モデルをいずれも六面体の形状を有するソリッド要素によって構成することが容易にできる。

以上説明した本実施形態に係るソリッド要素モデル作成システム及びソリッド要素モデル作成方法によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）端末装置１０の第１変換部１２は、各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、各パネル部材２１，２２におけるスポット溶接部２３の位置データに基づいてスポット溶接部２３に対応するシェル要素を生成する。このことにより、サーフェイスモデルがシェル要素モデルに変換される。また、端末装置１０の第２変換部１３は、各シェル要素についてそれらの面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８を投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素を生成する。このことにより、シェル要素モデルがソリッド要素モデルに変換される。

こうした構成によれば、スポット溶接部２３に対応するソリッド要素を含むソリッド要素モデルをいずれも五面体や六面体の形状を有するソリッド要素によって構成することが容易にできる。従って、要素の数を少なくすることができ、ソリッド要素モデルを用いて行なわれる有限要素解析における計算負荷を低減することができる。また、当該有限要素解析における計算精度を高めることができる。

また、上記構成によれば、サーフェイスモデルから直接、ソリッド要素モデルを生成するのではなく、まずはサーフェイスモデルがシェル要素モデルに変換され、次にシェル要素モデルがソリッド要素モデルに変換される。このため、設計検討段階において、設計変更が必要となり、サーフェイスモデルの修正が行なわれた場合であっても、シェル要素モデルに対してであれば修正内容を容易に反映させることができる。そして、修正内容が反映されたシェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換することにより、ソリッド要素モデルに修正箇所を容易に反映させることができる。

（２）第１変換部１２は、各パネル部材２１，２２におけるスポット溶接部２３の中心点Ｃ１，Ｃ２を中心とするとともに同一の形状及び同一の大きさの正八角形の各頂点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８をシェル要素の節点に設定することにより、スポット溶接部２３に対応するシェル要素を生成する。

こうした構成によれば、前記シェル要素に基づいて生成されたスポット溶接部２３に対応するソリッド要素の形状がいずれも同一の形状及び同一の大きさの六面体となる。従って、当該有限要素解析における計算制度を高めることができる。

（３）各パネル部材２１，２２のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、各パネル部材２１，２２におけるスポット溶接部２３の位置データに基づいて同スポット溶接部２３に対応するシェル要素を生成することにより、サーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換するようにした。また、各シェル要素についてそれらの面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８を投影させるとともに、これら節点Ｅ１１〜Ｅ８１，Ｅ１２〜Ｅ８２，Ｆ１１〜Ｆ８１，Ｆ１２〜Ｆ８２からなり、五面体及び六面体の少なくとも一方の形状を有するソリッド要素を生成するようにした。このことにより、シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換するようにした。

こうした方法によれば、上記（１）の効果に準じた効果を奏することができる。
＜第２実施形態＞
次に、図８〜図１０を参照して、第２実施形態について説明する。

図８に示すように、本実施形態の構造体１２０は、相対する第１パネル部材１２１と第２パネル部材１２２とがアーク溶接部１２３を介して連結されたものである。アーク溶接部１２３は、第１パネル部材１２１と第２パネル部材１２２とが互いに対向する対向面に沿って直線状に延びている。

シェル要素モデルへの変換処理においては、第１変換部１２によってアーク溶接部１２３の長さが要素サイズの上限値を超えるか否かが判断される。アーク溶接部１２３の長さが前記上限値を超える場合には、アーク溶接部１２３をその延設方向に複数に分割してシェル要素が生成されることとなる。

そして、図９に示すように、各パネル部材１２１，１２２のサーフェイスモデルにおける前記分割されたアーク溶接部１２３の各々の中心点Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３，Ｃ４を結ぶバー要素ＣＢＡ，ＣＢＢが設定され、各中心点Ｃ１，Ｃ２を中心とした所定の半径Ｒ２が設定される。そして、各中心点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を中心とするとともに前記半径Ｒ２の仮想円に内接する四角形の各頂点Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６がシェル要素の節点に設定される。またこのとき、対応する節点Ｅ１，Ｆ１、Ｅ２，Ｆ２、・・・、Ｅ６，Ｆ６を結ぶ仮想直線が前記バー要素ＣＢＡ，ＣＢＢと平行となるように各節点Ｅ１〜Ｅ６，Ｆ１〜Ｆ６の座標が設定される。なお、図９において、太い実線が第１パネル部材１２１のシェル要素モデル１３１を示しており、細い実線が第２パネル部材１２２のシェル要素モデル１３２を示している。

次に、ソリッド要素モデルへの変換処理においては、図９及び図１０に示すように、各シェル要素についてそれらの面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点Ｅ１〜Ｅ６，Ｆ１〜Ｆ６を投影した点Ｅ１１〜Ｅ６１，Ｅ１２〜Ｅ６２，Ｆ１１〜Ｆ６１，Ｆ１２〜Ｆ６２がソリッド要素の節点となる。そして、これらソリッド要素によって第１パネル部材２１のソリッド要素モデル１４１や第２パネル部材２２のソリッド要素モデル１４２が生成される。このとき、図１０に示すように、節点Ｅ４２，Ｆ４１，Ｆ６１，Ｅ６２によって囲まれた上面と、節点Ｆ６１，Ｆ５１，Ｅ５２，Ｅ６２によって囲まれた側面とを含む六面体がアーク溶接部１２３の分割体の一方に対応するソリッド要素１４３Ｂとなる。また、同様にして節点Ｅ１２，Ｆ１１，Ｆ４１，Ｆ４２を上面として含む六面体がアーク溶接部１２３の分割体の他方に対応するソリッド要素１４３Ａとなる。

以上説明した本実施形態に係るソリッド要素モデル作成システム及びソリッド要素モデル作成方法によれば、第１実施形態の効果（１）、（３）に加えて、新たに以下に示す効果が得られるようになる。

（４）第１変換部１２は、アーク溶接部１２３を複数に分割してシェル要素を生成する場合に、その分割されたアーク溶接部１２３の各々における中心点Ｃ１，Ｃ２を中心とするとともに同一の形状及び同一の大きさの四角形の各頂点を節点Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４、Ｅ４，Ｅ３，Ｅ５，Ｅ６に設定する。このことにより、分割されたアーク溶接部１２３の各々に対応するシェル要素を生成する。

こうした構成によれば、前記シェル要素に基づいて生成されたアーク溶接部１２３の分割体に対応するソリッド要素の形状がいずれも同一の形状及び同一の大きさの六面体となる。従って、当該有限要素解析における計算制度を高めることができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・各シェル要素を三角形状とすることもできる。この場合、三角形状のシェル要素から変換されるソリッド要素は、三角柱、すなわち五面体となる。

・連結部はスポット溶接部やアーク溶接部に限られるものではなく、相対するパネル部材を連結するものであればよい。例えば、パネル部材を曲げ加工することにより形成されたヘミング部によって相対するパネル部材が連結されるものに対しても、第２実施形態に準じた態様によって本発明を適用することもできる。

１０…端末装置、１１…記憶部、１２…第１変換部、１３…第２変換部、１４…表示装置、２０，１２０…構造体、２１，１２１…第１パネル部材、２２，１２２…第２パネル部材、２３…スポット溶接部、３１，１３１…第１パネル部材のシェル要素モデル、３２，１３２…第２パネル部材のシェル要素モデル、４１，１４１…第１パネル部材のソリッド要素モデル、４２，１４２…第２パネル部材のソリッド要素モデル、４３Ａ，４３Ｂ…スポット溶接部に対応するソリッド要素、１２３…アーク溶接部、１４３Ａ，１４３Ｂ…アーク溶接部に対応するソリッド要素。

Claims (5)

1. 相対するパネル部材が連結部を介して連結されてなる構造体のサーフェイスモデルからソリッド要素モデルを作成するシステムにおいて、
   前記パネル部材の各々のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、前記パネル部材の各々における前記連結部の位置データに基づいて同連結部に対応するシェル要素を生成することにより、前記サーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換する第１変換部と、
   前記シェル要素の各々について同シェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素を生成することにより、前記シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する第２変換部と、
   を備えるソリッド要素モデル作成システム。
2. 前記パネル部材の各々のサーフェイスモデルには前記連結部の中心点の位置データが含まれており、
   前記第１変換部は、前記パネル部材の各々における前記連結部の中心点を中心とするとともに同一の形状及び同一の大きさの多角形の各頂点をシェル要素の節点に設定することにより、同連結部に対応するシェル要素を生成する、
   請求項１に記載のソリッド要素モデル作成システム。
3. 前記連結部は前記中心点を中心とした円柱状をなすものであり、
   前記第１変換部は、前記多角形の頂点の少なくとも２点と前記連結部の中心点とを前記シェル要素の節点に設定する、
   請求項２に記載のソリッド要素モデル作成システム。
4. 前記連結部は前記パネル部材の面に沿って延びるものであり、
   前記第１変換部は、前記連結部をその延設方向に複数に分割してシェル要素を生成する場合に、その分割された連結部の各々における中心点を中心とするとともに同一の形状及び同一の大きさの多角形の各頂点を節点に設定する、
   請求項２に記載のソリッド要素モデル作成システム。
5. ソリッド要素モデル作成システムが、相対するパネル部材が連結部を介して連結されてなる構造体のサーフェイスモデルからソリッド要素モデルを作成する方法において、
   前記ソリッド要素モデル作成システムの第１変換部が、前記パネル部材の各々のサーフェイスモデルに基づいて複数のシェル要素を生成するとともに、前記パネル部材の各々における前記連結部の位置データに基づいて同連結部に対応するシェル要素を生成することにより、前記サーフェイスモデルをシェル要素モデルに変換し、
   前記ソリッド要素モデル作成システムの第２変換部が、前記シェル要素の各々について同シェル要素の面の法線方向の双方へ同シェル要素の各節点を投影させるとともに、これら投影された節点からなるソリッド要素を生成することにより、前記シェル要素モデルをソリッド要素モデルに変換する、
   ソリッド要素モデル作成方法。