JP6806321B2 - 表面形状判定装置、表面形状判定方法、及び表面形状判定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する表面形状判定装置、表面形状判定方法、及び表面形状判定プログラムに関する。

従来から、解析構造物の形状を測定する表面形状測定方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この表面形状測定方法は、解析構造物（被測定対象物）の代表断面の断面線に沿って所定の間隔で配置した複数の測定点の座標を測定し、各測定点の座標に基づいて各測定点を通過する仮想線を作成し、各検証点と仮想線との偏差が所定値以上の場合には、検証点の座標に基づいて仮想線を修正する。さらに、測定点と検証点との間に配置した検証点の座標を測定し、仮想線との偏差が所定値以上の検証点の座標に基づいて仮想線を修正する。上記処理を各測定点間に対して行い、断面線に対する仮想線の偏差を所定値以下とすることが開示されている。

特開平５−１８０６５２号公報

上記特許文献１の開示技術では、所定の間隔で配置した複数の測定点の座標を測定し、各測定点の座標に基づいて各測定点を通過する仮想線を作成し、各検証点と仮想線との偏差が所定値以下になるまで、検証点の座標に基づいて仮想線を修正するといった処理を繰り返すことになる。

そのため、高い精度で表面形状を測定できるものの、膨大な処理時間と処理工数とが必要になるといった問題があった。

本発明はかかる問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、極めて簡単な手法を用いて解析構造物の表面形状を判定し得る表面形状判定装置、表面形状判定方法、及び表面形状判定プログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の表面形状判定装置は、表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する表面形状判定装置であって、前記第１面（基準面）の法線ベクトル（面外ベクトル）と、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求める外積演算手段と、前記外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトル（面外ベクトル）との内積を求める内積演算手段と、前記内積演算手段にて求めた前記内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定する判定手段と、を備え、前記第１面と前記第２面との接続点から対向面まで垂直に直線を引き、前記直線の長さを求め、前記直線の中間点を特定することを特徴としている。

また、本発明の表面形状判定方法は、表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する、表面形状判定装置が行う表面形状判定方法であって、外積演算手段が、前記第１面（基準面）の法線ベクトル（面外ベクトル）と、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求める外積演算ステップと、内積演算手段が、前記外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトル（面外ベクトル）との内積を求める内積演算ステップと、判定手段が、前記内積演算ステップにて求めた前記内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定する判定ステップと、を含み、前記第１面と前記第２面との接続点から対向面まで垂直に直線を引き、前記直線の長さを求め、前記直線の中間点を特定することを特徴としている。

また、本発明の表面形状判定プログラムは、上記各構成の表面形状判定方法の各ステップを、コンピュータに実行させることを特徴としている。

本発明によれば、ベクトルの外積と内積に着目することで、隣接する２つの面の表面形状を極めて簡単かつ容易に判定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る表面形状判定装置の機能ブロック図である。 図２は、面の情報の一例を示す説明図である。 図３は、実施の形態に係る表面形状判定装置による解析構造物の表面形状判定処理の説明図である。 図４は、実施の形態に係る表面形状判定装置による解析構造物の表面形状判定処理の説明図である。 図５は、実施の形態に係る表面形状判定装置による解析構造物の表面形状判定処理の説明図である。 図６は、実施の形態に係る表面形状判定装置による解析構造物の表面形状判定処理の手順を示すフローチャートである。 図７は、判定処理を解析構造物の具体的な形状部分に当てはめたときの処理結果を示す説明図である。 図８は、判定処理を解析構造物の具体的な形状部分に当てはめたときの処理結果を示す説明図である。 図９は、判定処理を解析構造物の具体的な形状部分に当てはめたときの処理結果を示す説明図である。 図１０は、判定処理を解析構造物の具体的な形状部分に当てはめたときの処理結果を示す説明図である。 図１１は、実施の形態に係る表面形状判定処理の応用例の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る表面形状判定装置１の機能ブロック図である。

この表面形状判定装置１は、表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する装置である。

具体的に説明すると、この表面形状判定装置１は、ＣＡＤ等の形状データ（解析構造物の形状モデル）を入力するデータ入力手段１１と、入力された解析構造物の表面を複数の面に区分すると共に、各面の情報が登録されたデータベース１２とを備えている。

図２は、面の情報の一例を示す説明図である。この図２に示す面の情報は、後述する図７に示すリブ形状のリブの立ち上がり部分の根元である丸み肉厚部（フィレット）の面Ｆ１２を例示している。

データベース１２には、各面の情報として、面積ａ１、各面の外形を構成するラインＬ１〜Ｌ４及びライン数、それぞれのラインＬ１〜Ｌ４の長さ、最大ライン長（この例ではＬ１（またはＬ３））、相当ライン幅（＝面積ａ１／最大ライン長Ｌ１）の各情報が、各面ごとに登録されている。

ここで、データベース１２に登録された一つの面を第１面（基準面）とし、これに隣接する他の面を第２面とすると、表面形状判定装置１は、第１面（基準面）の法線ベクトル（面外ベクトル）と、第１面と第２面とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求める外積演算手段１３と、求めた外積ベクトルと第２面の法線ベクトル（面外ベクトル）との内積を求める内積演算手段１４と、内積演算手段１４の演算結果に基づいて第１面に対する第２面の表面形状を判定する判定手段１５と、をさらに備えている。

次に、上記構成の表面形状判定装置１による解析構造物の表面形状判定処理について、図３乃至図５に示す説明図、及び図６に示すフローチャートを参照して説明する。

外積演算手段１３は、データベース１２に登録された一つの面を第１面（基準面）Ｆ１とし、これに隣接する他の面Ｆ２を第２面として、外積演算を行う（ステップＳ１）。ここで、第１面（基準面）Ｆ１は、基本的に平面である。外積演算手段１３では、図３乃至図５に示すように、第１面（基準面）Ｆ１の法線ベクトル（面外ベクトル）Ａと、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とが接する接線方向のベクトルＢとにより外積ベクトルＤを求める。

次に、内積演算手段１４は、外積演算手段１３で求めた外積ベクトルＤと第２面Ｆ２の法線ベクトル（面外ベクトル）Ｃとの内積を求め（ステップＳ２）、その演算結果を判定手段１５に入力する。

判定手段１５は、入力された演算結果に基づいて第１面Ｆ１に対する第２面Ｆ２の表面形状を判定する。

具体的には、演算結果がプラスの値であるか否かを判断し（ステップＳ３）、演算結果がプラスの値を示すときには第２面Ｆ２を凹面（図３参照）と判定する（ステップＳ４）。一方、演算結果がプラスの値でない場合（ステップＳ３でＮｏと判断された場合）には、次に、演算結果がマイナスの値であるか否かを判断し（ステップＳ５）、演算結果がマイナスの値を示すときには第２面Ｆ２を凸面（図４参照）と判定する（ステップＳ６）。さらに、演算結果がマイナスの値でない場合（ステップＳ５でＮｏと判断された場合）には、次に演算結果が零の値であるか否かを判断し（ステップＳ７）、演算結果が零の値を示すときには第２面Ｆ２を第１面Ｆ１に連続する平面（図５参照）であると判定する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ７でもＮｏと判断された場合には、エラー処理（ステップＳ１１）を実行して終了する。

この後、全ての面の処理を終了したか否かを確認し（ステップＳ９）、全ての面の処理を終了していない場合には、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。一方、全ての面の処理を終了している場合（ステップＳ９でＹｅｓと判断された場合）には、その時点で表面形状の判定処理を終了する。

すなわち、本実施の形態では、上記内積演算の結果、隣り合う面が、基準面からみたときに面内に食い込む面は必ずマイナスの値となり、面外に広がる面は必ずプラスの値となることを利用している。

最後に、判定手段１５は、演算結果がプラスの値を示すときの面の種類を（＋）、演算結果がマイナスの値を示すときの面の種類を（−）、演算結果が零の値を示すときの面の種類を（０）で分類し、これらの分類情報をデータベース１２の各面の情報に対応させて登録する（ステップＳ１０）。これにより、以後に実施される解析シミュレーション等の処理において、これら（＋）、（−）、（０）の組み合わせにより解析構造物の形状を抽出（すなわち、特定）することができる。

図７乃至図１０は、上記の判定処理を解析構造物の具体的な形状部分に当てはめたときの処理結果を例示している。

図７は、リブ形状に上記の判定処理を当てはめた結果を示しており、リブの立ち上がり部分の根元である丸み肉厚部（フィレット）の面は、内積演算の結果がプラス（＋）となり、リブの先端部（端部）の面では、内積演算の結果がマイナス（−）となっている。その結果、図７において、面Ｆ１１は平面、面Ｆ１２は凹面、面Ｆ１３は平面、面Ｆ１４は凸面、面Ｆ１５は平面、面Ｆ１６は凹面、面Ｆ１７は平面に分類されることになる。

また、図８は、端部の形状に上記の判定処理を当てはめた結果を示しており、端部の角部分の丸みを帯びた面は、内積演算の結果がマイナス（−）となっている。その結果、図８において、面Ｆ２１は平面、面Ｆ２２は凸面、面Ｆ２３は平面、面Ｆ２４は凸面、面Ｆ２５は平面に分類されることになる。

また、図９は、平面が続く形状に上記の判定処理を当てはめた結果を示している。平面が続く場合には、内積演算の結果も零（０）が続くことなる。その結果、図９において、面Ｆ３１は平面、面Ｆ３２は平面、面Ｆ３３は平面、面Ｆ３４は平面に分類されることになる。

また、図１０は、徐変している面（徐変面）を含む形状に上記の判定処理を当てはめた結果を示しており、徐変面は、内積演算の結果がプラス（＋）とマイナス（−）となっている。その結果、図１０において、面Ｆ４１は平面、面Ｆ４２は徐変面（この例では傾斜面）、面Ｆ４３は平面に分類されることになる。

このようにして分類された解析構造物の各面の形状種別の情報は、その後の各種解析シミュレーションに利用される。

すなわち、本実施の形態の表面形状判定装置及び表面形状判定方法及び表面形状判定プログラムによれば、区分された各面の表面形状を、演算結果の演算値のプラス、マイナス、零だけで判定できるので、表面判定処理を簡単かつ極めて高速に行うことが可能となる。

なお、解析構造物の形状モデルとしては、上記のサーフェースモデル以外にも、ソリッドモデルやワイヤーモデル等の各種形状モデルに対しても、本発明の表面形状判定処理を適用することが可能である。

（実施の形態に係る表面形状判定処理の応用例の説明）
例えば図１０に示す形状の場合、面Ｆ４１と面Ｆ４２との接続点ｅ１、及び面Ｆ４２と面Ｆ４３との接続点ｅ２からそれぞれ対向面に垂直に直線Ｌ１１，Ｌ１２を引くことで、各接続点ｅ１，ｅ２での距離（解析構造物の厚み）がわかる。従って、これらの情報を利用して、例えば徐変している面Ｆ４２に対して、その真ん中に中立面（若しくはメッシュ）ＣＦ１を貼るといったことを容易に行うことができる。また、面Ｆ４１の中立面（若しくはメッシュ）ＣＦ２をそのまま面Ｆ４２及び面Ｆ４３まで延長して貼るような場合でも、面Ｆ４１から面Ｆ４３までの解析構造物の形状を事前に特定する必要があるが、本実施の形態の表面形状判定処理を用いることで、このような形状特定を容易に行うことができる。

また、図１１は、解析構造物を六面体メッシュに分割する場合の簡単な例を示した説明図であり、基準面である面Ｆ５１の法線ベクトルと、面Ｆ５１と面Ｆ５２とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求め、この外積ベクトルと面Ｆ５２の法線ベクトルとの内積を求めると、その演算結果はプラスとなる。すなわち、面Ｆ５１と面Ｆ５２との接続部分は凹部であることがわかる。従って、この接続点Ｐから面Ｆ５２に沿って下方向に（すなわち、面Ｆ５４と平行に）カット線ＣＬ１を引くことで、解析構造物を左右２つの六面体メッシュに分割することができる。また、この接続点Ｐから面Ｆ５１に沿って左方向に（すなわち、面Ｆ５３に平行に）カット線ＣＬ２を引くことで、解析構造物を上下２つの六面体メッシュに分割することができる。

なお、上記図１０及び図１１で示した応用例はほんの一例であり、これらの応用例に限定されるものではない。

本発明は、表面形状判定方法を実現するためにコンピュータにより実行されるプログラムを含む。コンピュータは、例えば、表面形状判定装置１の図示しないＣＰＵ等であるが、この他にもプログラムを実行し得るデバイスであればどのようなものであってもよい。また、コンピュータは、記録媒体や通信ネットワークを介して取得したプログラムを実行することで、本発明の表面形状判定処理を実施することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、サーフェースモデルやソリッドモデル、ワイヤーモデル等の各種形状モデルを用いて構造解析を行う解析シミュレーションに関する技術分野全般に寄与するところは大きい。

１ 表面形状判定装置
１１ データ入力手段
１２ データベース
１３ 外積演算手段
１４ 内積演算手段
１５ 判定手段

Claims (9)

1. 表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する表面形状判定装置であって、
   前記第１面の法線ベクトルと、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求める外積演算手段と、
   前記外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトルとの内積を求める内積演算手段と、
   前記内積演算手段にて求めた前記内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定する判定手段と、
   を備え、
   前記第１面と前記第２面との接続点から対向面まで垂直に直線を引き、前記直線の長さを求め、前記直線の中間点を特定することを特徴とする表面形状判定装置。
2. 請求項１に記載の表面形状判定装置であって、
   前記直線の中間点を通る中立面若しくはメッシュを形成することを特徴とする表面形状判定装置。
3. 請求項１に記載の表面形状判定装置であって、
   前記外積演算手段は、前記第１面の法線ベクトルと、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより第１外積ベクトルを求め、かつ、前記第２面の法線ベクトルと、前記第２面と第３面とが接する接線方向のベクトルとにより第２外積ベクトルを求め、
   前記内積演算手段は、前記第１外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトルとの第１内積を求め、かつ、前記第２外積ベクトルと、前記第３面の法線ベクトルとの第２内積を求め、
   前記判定手段は、前記内積演算手段にて求めた前記第１内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定し、かつ、前記内積演算手段にて求めた前記第２内積に基づいて前記第２面に対する前記第３面の表面形状を判定し、
   前記第１面と前記第２面との接続点、及び前記第２面と前記第３面との接続点からそれぞれ対向面まで垂直に第１直線及び第２直線を引き、前記第１直線の長さと前記第２直線の長さとをそれぞれ求め、前記第１直線の中間点とを前記第２直線の中間点とをそれぞれ特定することを特徴とする表面形状判定装置。
4. 請求項３に記載の表面形状判定装置であって、
   前記第１直線の中間点と前記第２直線の中間点とを通る中立面若しくはメッシュを形成することを特徴とする表面形状判定装置。
5. 表面を複数の面に区分された解析構造物の隣接する第１面と第２面との間で表面形状を判定する、表面形状判定装置が行う表面形状判定方法であって、
   外積演算手段が、前記第１面の法線ベクトルと、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより外積ベクトルを求める外積演算ステップと、
   内積演算手段が、前記外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトルとの内積を求める内積演算ステップと、
   判定手段が、前記内積演算ステップにて求めた前記内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定する判定ステップと、
   を含み、
   前記第１面と前記第２面との接続点から対向面まで垂直に直線を引き、前記直線の長さを求め、前記直線の中間点を特定することを特徴とする表面形状判定方法。
6. 請求項５に記載の表面形状判定方法であって、
   前記直線の中間点を通る中立面若しくはメッシュを形成することを特徴とする表面形状判定方法。
7. 請求項５に記載の表面形状判定方法であって、
   前記外積演算ステップでは、前記第１面の法線ベクトルと、前記第１面と前記第２面とが接する接線方向のベクトルとにより第１外積ベクトルを求め、かつ、前記第２面の法線ベクトルと、前記第２面と第３面とが接する接線方向のベクトルとにより第２外積ベクトルを求め、
   前記内積演算ステップでは、前記第１外積ベクトルと、前記第２面の法線ベクトルとの第１内積を求め、かつ、前記第２外積ベクトルと、前記第３面の法線ベクトルとの第２内積を求め、
   前記判定ステップでは、前記内積演算ステップにて求めた前記第１内積に基づいて前記第１面に対する前記第２面の表面形状を判定し、かつ、前記内積演算ステップにて求めた前記第２内積に基づいて前記第２面に対する前記第３面の表面形状を判定し、
   前記第１面と前記第２面との接続点、及び前記第２面と前記第３面との接続点からそれぞれ対向面まで垂直に第１直線及び第２直線を引き、前記第１直線の長さと前記第２直線の長さとをそれぞれ求め、前記第１直線の中間点とを前記第２直線の中間点とをそれぞれ特定することを特徴とする表面形状判定方法。
8. 請求項７に記載の表面形状判定方法であって、
   前記第１直線の中間点と前記第２直線の中間点とを通る中立面若しくはメッシュを形成することを特徴とする表面形状判定方法。
9. 請求項５から請求項８までのいずれか一つに記載の表面形状判定方法の各ステップを、コンピュータに実行させるための表面形状判定プログラム。

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