KR101669779B1 - 형상 최적화 해석 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관련된 형상 최적화 해석 방법은, 평면 요소, 또는 입체 요소를 사용하여 구조체 모델을 구성하는 일부분의 최적화를 실시하는 해석 방법으로서, 상기 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 단계와, 설정된 설계 공간에 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 단계와, 생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 단계와, 해석 조건을 입력하여 상기 최적화 블록 모델에 대한 최적 형상을 구하는 해석을 실시하는 해석 단계를 구비하고 있다.

Description

형상 최적화 해석 방법 및 장치{SHAPE OPTIMIZATION ANALYZING METHOD AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 구조체의 형상 최적화 해석 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 자동차 등의 구조체의 강성을 높임과 함께 경량화를 실현시키거나, 충돌 특성을 향상시킴과 함께 경량화를 실현시키거나 하기 위한 구조체의 형상 최적화 해석 방법 및 장치 (shape optimization analyzing method and apparatus therefore) 에 관한 것이다.
또한, 본 명세서에 있어서 형상 최적화라고 칭하는 경우에는, 미리 소정 형상 예를 들어 T 자 형상을 상정하고, 그 형상을 전제로 하여 최적의 형상을 구하는 것이 아니라, 소정 형상을 상정하지 않고, 해석 조건을 만족시키는 가장 최적화된 형상을 구하는 것을 의미한다.
최근 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에서 기인한 차체의 경량화가 진행되고 있어, 차체 설계에 컴퓨터 지원 공학 (computer aided engineering) 에 의한 해석 (이하, 「CAE 해석」이라고 한다) 은 빠뜨릴 수 없는 기술이 되고 있다.
이 CAE 해석에서는 수리 최적화, 판두께 최적화, 형상 최적화, 토폴로지 최적화 등의 최적화 기술을 사용함으로써 강성의 향상이나 경량화가 도모되는 것으로 알려져 있으며, 예를 들어 엔진 블록 등의 주물 구조 최적화에 자주 이용되고 있다.
최적화 기술 중에서 특히 토폴로지 최적화 (topology optimization) 가 주목받고 있다. 토폴로지 최적화는 어느 정도의 크기의 설계 공간을 설정하고, 당해 설계 공간에 입체 요소를 삽입하여, 주어진 조건을 만족시키며 또한 필요 최소한의 입체 요소의 부분을 남김으로써 당해 조건을 만족시키는 최적 형상으로 하는 방법이다. 그 때문에, 토폴로지 최적화는 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속을 실시하고, 직접 하중을 가하는 방법이 사용된다.
이와 같은 토폴로지 최적화에 관한 기술로서, 복잡한 구조체의 컴퍼넌트의 토폴로지 최적화를 위한 방법이 특허문헌 1 에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2010-250818호
자동차 등의 구조체는 주로 박판 (steel sheet) 을 이용하여 구성되어 있고, 이와 같은 박판으로 구성되는 차체의 일부분의 최적화를 하는 경우, 당해 부위를 설계 공간으로서 독립시키고, 그 설계 공간에 대하여 하중이나 구속 상태를 반영시키기는 곤란하여, 그 때문에 구조체의 일부에 최적화 기술을 적용하기가 어렵다는 과제가 있었다.
또, 입체 요소 (element) 에 의해 최적화 형상을 구했더라도 그것을 박판 구조에 적절히 반영시키려면 어떻게 해야 하는가 하는 과제도 있었다.
특허문헌 1 에 개시된 기술은 수학 연산상의 수법 및 해석의 물리적 시스템에 관한 것으로 상기와 같은 과제에 대해서는 아무런 해결 수단을 부여하는 것은 아니며, 상기 과제를 해결하기 위한 기술 개발이 요망되었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 외력을 받는 구조체의 일부에 최적화 기술을 적용하는 것을 가능하게 하여, 구조체의 최적화에 이바지하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하기의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치를 제공한다.
(1) 평면 요소, 또는 입체 요소를 사용하여 구조체 모델을 구성하는 일부분의 최적화를 실시하는 해석 방법으로서,
상기 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 단계와,
설정된 설계 공간에 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 단계와,
생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 단계와,
해석 조건을 입력하여 상기 최적화 블록 모델에 대한 최적 형상을 구하는 해석을 실시하는 해석 단계를 갖는 형상 최적화 해석 방법.
(2) 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소가 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성되어 있는, (1) 에 기재된 형상 최적화 해석 방법.
(3) 상기 최적화 블록 모델 생성 단계는, 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는, (1) 또는 (2) 에 기재된 형상 최적화 해석 방법.
(4) 상기 최적화 블록 모델 생성 단계는, 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점 (node) 을 배치하고, 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 사용함과 함께 상기 결합부에 배치된 절점 (node) 을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아올리도록 생성하는, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 형상 최적화 해석 방법.
(5) 상기 최적화 블록 모델은 입체 요소에 의해 구성되는 복수의 블록체로 이루어지고, 그 복수의 블록체는 강체 요소, 빔 (beam) 요소 또는 평면 요소를 이용하여 연결되어 있는, (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 형상 최적화 해석 방법.
(6) 수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화 (離散化) 를 실시하는, (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 형상 최적화 해석 방법.
(7) 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소를 사용하여 구성된 구조체 모델의 일부분의 형상의 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실시하는 형상 최적화 해석 장치로서,
상기 구조체 모델의 일부에 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와,
설정된 설계 공간에 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성부와,
생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 처리를 실시하는 결합 처리부와,
상기 구조체 모델의 원하는 지점에 해석을 위한 해석 조건을 입력하는 해석 조건 입력부와,
입력된 해석 조건에 기초하여 상기 최적화 블록 모델에 있어서 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실행하는 최적화 해석부를 갖는 형상 최적화 해석 장치.
(8) 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소가 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성되어 있는, (7) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
(9) 상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는, (7) 또는 (8) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
(10) 상기 최적화 블록 모델 생성부는 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 사용함과 함께 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아올리도록 생성하는, (7) 내지 (9) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
(11) 상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 최적화 블록 모델을 입체 요소에 의해 구성되는 복수의 블록으로 구성함과 함께 그 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용하여 연결하여 생성하는, (7) 내지 (10) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
(12) 상기 최적화 해석부는 수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실시하는, (7) 내지 (11) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
(13) 상기 최적화 해석부는 토폴로지 최적화에 의한 최적화 계산을 실시하는, (7) 내지 (12) 에 기재된 형상 최적화 해석 장치.
본 발명에 있어서는, 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 단계와, 설정된 설계 공간에 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 단계와, 생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 단계와, 해석 조건을 입력하여 상기 최적화 블록 모델에 대한 최적 형상을 구하는 해석을 실시하는 해석 단계를 가지므로, 최적화 블록 모델에 구조체 모델과의 결합부로부터 하중 전달이 적절히 이루어져 최적의 형상을 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.
이로써, 예를 들어 차체 구조의 최적화가 가능해지고, 강성이나 충돌 특성의 향상이 가능해져, 강성이나 충돌 성능을 소정치로 유지하면서 경량화를 실현시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 형상 최적화 해석 장치의 블록도이다.
도 2 는 구조체 모델의 일례의 설명도이다.
도 3 은 구조체 모델에 설계 공간을 설정한 상태의 설명도이다.
도 4 는 구조체 모델에 설정한 설계 공간에 최적화 블록 모델을 삽입한 상태의 설명도이다.
도 5 는 최적화 블록 모델의 단면 모양을 설명하는 설명도이다.
도 6 은 구조체 모델에 삽입한 최적화 블록 모델과 구조체 모델의 결합을 실시한 상태의 설명도이다.
도 7 은 해석 조건으로서의 하중 구속 조건을 설명하는 설명도이다.
도 8 은 최적화 해석을 실행한 결과를 설명하는 설명도이다.
도 9 는 비교예로서의 단독의 최적화 블록 모델의 설명도이다.
도 10 은 단독의 최적화 블록 모델의 구속 조건의 설명도이다.
도 11 은 단독의 최적화 블록 모델에 의한 해석 결과를 설명하는 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 형상 최적화 해석 장치의 처리 흐름을 나타내는 플로우차트이다.
도 13 은 최적화 블록 모델의 다른 양태의 단면 모양을 설명하는 설명도이다.
도 14 는 도 13 에 나타낸 최적화 블록 모델에 의한 해석 결과를 나타내는 설명도이다.
도 15 는 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 설계 공간의 설명도이다.
도 16 은 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 17 은 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 18 은 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 19 는 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법과의 비교예로서 실시형태 1 의 방법으로 최적화 블록 모델을 생성한 상태의 설명도이다.
도 20 은 본 발명의 실시형태 2 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법과의 비교예로서 실시형태 1 의 방법으로 최적화 블록 모델을 생성한 상태의 설명도이다.
도 21 은 본 발명의 실시형태 3 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 22 는 본 발명의 실시형태 3 에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
[실시형태 1]
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 해석 장치 (1) 는, 도 2 에 일례를 나타내는 평면 요소 또는, 평면 요소와 입체 요소를 사용하여 구성된 구조체 모델 (13) 의 일부분의 형상의 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실시하는 장치이다. 형상 최적화 해석 장치 (1) 는 PC (퍼스널 컴퓨터) 에 의해 구성되고, 표시 장치 (3) 와 입력 장치 (5) 와 기억 장치 (7) 와 작업용 데이터 메모리 (9) 및 연산 처리부 (11) 를 갖고 있다.
또, 연산 처리부 (11) 에는 표시 장치 (3) 와 입력 장치 (5) 와 기억 장치 (7) 및 작업용 데이터 메모리 (9) 가 접속되고, 연산 처리부 (11) 의 지령에 의해 각 기능을 실시한다.
＜표시 장치＞
표시 장치 (3) 는 계산 결과의 표시 등에 이용되고, 액정 모니터 등으로 구성된다.
＜입력 장치＞
입력 장치 (5) 는 구조체 모델 (13) 파일의 표시 지시, 조작자의 조건 입력 등에 이용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.
＜기억 장치＞
기억 장치 (7) 내에는 적어도 구조체 모델 (13) 의 파일 등의 각종 정보가 격납된다. 구조체 모델 (13) 은 평면 요소에 의해서만 구성된 것이어도 되고, 혹은 평면 요소와 입체 요소의 조합에 의해 구성된 것이어도 된다. 예를 들어, 구조체 모델 (13) 의 예로서 도 2 에 나타내는 바와 같은 차체 (보디) 를 예로 들면, 차체는 주로 박강판에 의해 형성되기 때문에 평면 요소에 의해 구성된다. 다만, 예를 들어 엔진과 같은 주물로 형성되는 블록체와 같은 것은 입체 요소로 구성된다.
＜작업용 데이터 메모리＞
작업용 데이터 메모리 (9) 내에는, 계산 결과를 기억하는 데이터 기억 영역 (9a) 과, 계산 처리를 실시하기 위한 작업 영역 (9b) 을 갖고 있다.
＜연산 처리부＞
연산 처리부 (11) 는 PC 의 CPU 에 의해 구성되고, 이하에 설명하는 각 부는 CPU 가 소정의 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 연산 처리부 (11) 는, 설계 공간 설정부 (15) 와 최적화 블록 모델 생성부 (17) 와 결합 처리부 (19) 와 해석 조건 입력부 (21) 와 최적화 해석부 (23) 를 구비하고 있다. 설계 공간 설정부 (15) 는, 구조체 모델 (13) 의 일부에 도 3 에 일례를 나타내는 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간 (25) 으로서 설정한다.
최적화 블록 모델 생성부 (17) 는, 설정된 설계 공간 (25) 에 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성한다.
결합 처리부 (19) 는, 생성된 최적화 블록 모델을 구조체 모델 (13) 에 결합하는 처리를 실시한다.
해석 조건 입력부 (21) 는, 구조체 모델 (13) 의 원하는 지점에 해석을 위한 해석 조건을 입력한다.
최적화 해석부 (23) 는, 입력된 해석 조건에 기초하여 최적화 블록 모델에 있어서 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실행한다.
각 부의 구성을 상세하게 설명한다.
[설계 공간 설정부〕
설계 공간 설정부 (15) 는, 구조체 모델 (13) 의 일부에 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간 (25) 으로서 설정한다. 도 2 에 나타낸 구조체 모델 (13) 에 있어서는 차체의 중앙부의 플로어 이하의 부분에 사각형으로 둘러싼 부위가 나타나 있는데, 이 예에서는 당해 부위가 설계 공간 (25) 을 설정하는 부위이다.
설계 공간 설정부 (15) 에 의해 구조체 모델 (13) 의 일부에 설계 공간 (25) 이 설정되면, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 당해 부위에 있어서의 구조체 모델 (13) 의 일부가 삭제되고, 삭제된 부위가 설계 공간 (25) 이 된다. 도 3 의 (a), (b) 는, 설계 공간 (25) 을 설정한 상태를 상이한 각도에서 본 상태를 나타내고 있다.
또한, 상기 예는, 설계 공간 설정부 (15) 가 구조체 모델 (13) 에 있어서의 일부를 삭제함으로써 설계 공간 (25) 을 설정하는 경우이지만, 구조체 모델 (13) 을 생성할 때에 미리 설계 공간 (25) 을 설정하도록 해도 된다. 구조체 모델 (13) 을 생성할 때에 미리 설계 공간 (25) 을 설정하는 경우에는, 구조체 모델 (13) 생성부 자체가 설계 공간 설정부 (15) 를 겸하게 된다. 요컨대, 본 발명의 설계 공간 설정부 (15) 는 구조체 모델 (13) 생성 기능을 구비한 것이어도 된다.
[최적화 블록 모델 생성부]
최적화 블록 모델 생성부 (17) 는, 설정된 설계 공간 (25) 에 최적화의 해석 처리를 실시하기 위한 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한다.
생성되는 최적화 블록 모델 (27) 은, 설정된 설계 공간 (25) 에 들어가는 크기로 임의의 형상으로 할 수 있다.
또, 최적화 블록 모델 (27) 은 입체 요소로 구성되고, 당해 입체 요소는 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성하는 것이 바람직하다. 이 이유는, 설계 공간 (25) 에 형성되는 부위가 차체의 일부처럼 박판으로 형성되는 경우에는, 최적화 블록 모델 (27) 로 최적화의 계산을 실행한 경우에, 박판의 구조체 형상에 반영시킬 수 있도록 최적 형상이 산출되는 것이 바람직하기 때문이다. 이 점, 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소를 사용함으로써, 이와 같은 요구를 만족시키기 쉬워지기 때문이다. 또, 오면체 이상의 입체 요소도 균일한 사이즈의 것을 배치함으로써, 최적화의 정밀도를 높이도록 하는 것이 바람직하다.
도 4 의 (a), (b) 에는 사각형상의 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한 것이 나타나고 있고, 또 본 예에서 사용한 입체 요소는, 도 5 에 나타내는 바와 같이 육면체를 사용한 것이다.
또, 최적화 블록 모델 (27) 은, 구조체에 있어서의 설계 공간 (25) 이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하도록 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 차체에 있어서의 플로어의 일부가 설계 공간 (25) 으로서 설정된 경우에는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 사각형상의 최적화 블록을 생성하고, 이 최적화 블록의 상하의 면이 최대 면적으로 되어 있는데, 이 최대 면적으로 되어 있는 상하의 면이 차체의 플로어면과 평행해지도록 한다.
최적화 블록 모델 (27) 을 이와 같이 생성하는 이유는 이하와 같다. 예를 들어 차체의 플로어면은 판재에 의해 형성되므로, 최적화 블록 모델 (27) 로 최적화의 계산을 실행한 경우에, 입체 요소가 면상으로 남는 계산 결과가 바람직하고, 상기와 같은 모델 구성으로 함으로써, 계산 결과가 면상으로 남을 가능성이 높아져 실제의 것에 이용 가치가 높아지기 때문이다.
[결합 처리부〕
결합 처리부 (19) 는, 생성된 최적화 블록 모델 (27) 을 차체의 다른 부위인 구조체에 결합하는 처리를 실시한다. 결합에는 강체 요소, 판 요소 또는 빔 요소를 사용한다.
최적화 블록 모델 (27) 과 구조체의 접합은, 구조체 모델 (13) (차체) 로부터 최적화 블록 모델 (27) 에 정확하게 하중을 전달시키기 위해, 설계 공간 (25) 으로서 삭제한 부위와 구조체 모델 (13) (차체) 의 원래의 접합 지점을 반영시키도록 하는 것이 바람직하다. 또, 구조체 모델 (13) (차체) 의 절단면 전면에서 최적화 블록 모델 (27) 에 결합한다.
도 6 에는 결합부 (29) 가 백선으로 나타나 있다.
[해석 조건 입력부〕
해석 조건 입력부 (21) 는 최적화 계산을 실시하기 위한 해석 조건을 입력한다. 해석 조건으로는, 예를 들어 구조체의 구속 위치, 하중을 부가하는 위치, 재료 체적률, 강성을 최대로 하기, 변위를 최소로 하기, 응력을 최소로 하기 등이다.
예를 들어, 차체에 비트는 듯한 하중이 작용하는 경우에 있어서, 최적화 블록 모델 (27) 에 대하여 최대 강성을 계산하는 경우에는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 차체의 4 지점 (a, b, c, d) 을 설정하고, 이 중의 3 지점을 구속하고, 나머지 1 지점에 하중을 부가하는 조건으로 한다.
[최적화 해석부〕
최적화 해석부 (23) 는, 입력된 해석 조건에 기초하여 최적화 블록 모델 (27) 에 있어서 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실행한다.
최적화 해석부 (23) 는, 최적화 파라미터의 이산화를 실시하는 것이 바람직하다. 이산화에 있어서의 패널티 계수로서 2 이상 또는 기준이 되는 입체 요소의 사이즈의 3 ∼ 20 배를 제한으로 하는 것이 바람직하다.
최적화 파라미터의 이산화를 실시함으로써, 박판의 구조체 형상에 반영시키는 것이 가능해진다.
최적화 해석부 (23) 로는, 토폴로지 최적화 처리를 실시하는 것이어도 되고, 다른 계산 방식에 의한 최적화 처리여도 된다. 따라서, 최적화 해석부로는, 예를 들어 시판되고 있는 유한 요소 (finite element) 를 사용한 해석 소프트를 사용할 수 있다.
최적화 해석 처리를 실행함으로써, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 최적화 블록 모델 (27) 에 있어서의 입체 요소 중 주어진 해석 조건을 만족시키는 최적의 형상이 되는 입체 요소가 남는다.
여기서, 주목해야 할 점은, 최적화 블록 모델 (27) 에는 결합부 (29) 를 통하여 구조체 모델 (13) 로부터 하중이 전달된다는 점이다. 요컨대, 구조체 모델 (13) 로부터 하중이 최적화 블록 모델 (27) 에 전달됨으로써, 최적화 계산의 과정에 있어서 최적화 블록 모델 (27) 은 변형되어 하중의 방향 등이 바뀌지만, 그때그때의 하중의 방향 등의 하중 조건을 반영하여 최종적으로 최적의 형상을 부여하는 점이다.
이 점을 비교예를 나타내어 상세하게 설명한다.
도 9 는, 도 4 에 나타낸 사각형상의 최적화 블록 모델 (27) 을 구조체의 설계 공간 (25) 에 삽입하는 것이 아니라, 단체의 모델로 한 것이다. 도 10 은 도 9 에 나타낸 모델에 대하여, 도 6 에 나타낸 결합부 (29) 와 동일한 지점에 대하여 구속 조건을 설정하여 구속부 (31) 로 한 것이다. 도 10 에 나타낸 구속부 (31) 를 구속하여, 상기 서술한 바와 같은 구조체 모델 (13) 에 삽입된 경우와 동일한 해석 조건에 의해 최적화 처리 해석을 실시한 결과를 나타내는 도면이 도 11 이다. 도 11 에 나타내는 바와 같이, 최적화 블록 모델 (27) 을 단체로 꺼내어 최적화의 처리를 실시하면, 구조체 모델 (13) 중에 최적화 블록을 삽입하여 처리를 실시하는 것과는 완전히 상이하여, 차체의 좌우를 접속하는 형상은 전혀 남지 않게 되었다. 그리고, 이러한 형상의 차이가 예를 들어 강성 향상률에 있어서 상이한 결과가 된다. 따라서, 본 발명에서 구조체 모델에 최적화 블록 모델을 결합하는 것은 최적화 블록 모델을 단순히 구속할 뿐만 아니라 하중을 전달시킴으로써, 실용상 활용 가능한 최적 형상을 구하는 것을 가능하게 한 것이다.
이 점은 후술하는 실시예에서 상세하게 설명한다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 형상 최적화 해석 장치 (1) 를 이용하여 실제로 해석을 실행할 때의 처리 흐름을 도 12 에 나타내는 플로우차트에 기초하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 처리는, 조작자가 입력 장치 (5) 를 통해서 PC 에 지시함으로써, PC 에 있어서의 연산 처리부 (11) 의 각 기능이 처리를 실행하는 것이다.
조작자가 구조체 모델 (13) 의 파일 판독을 입력 장치 (5) 에 의해 지시함으로써, 구조체 모델 (13) 이 기억 장치 (7) 로부터 판독되고, 표시 장치 (3) 에 표시된다 (S1).
조작자는 표시된 구조체 모델 (13) 에 있어서 최적화 처리의 대상이 되는 설계 공간 (25) 을 설정한다. 구체적으로는, 구조체 모델 (13) 에 있어서 설계 공간 (25) 으로 하는 부위의 좌표를 지정하여, 당해 부위의 요소를 삭제하는 지시를 실시한다. 이 지시가 이루어짐으로써, 설계 공간 설정부 (15) 가 당해 부위의 요소를 삭제하는 처리를 실시하고, 설계 공간 (25) 이 설정된다 (S3).
설계 공간 (25) 이 설정되면, 조작자는 설계 공간 (25) 에 들어가는 크기의 최적화 블록 모델 (27) 의 생성을 최적화 블록 모델 생성부 (17) 에 지시한다.
지시로는, 설계 공간 (25) 에 있어서의 어느 면을 기준으로 하여 최적화 블록 모델 (27) 을 생성할지의 지시를 포함한다. 예를 들어, 도 4 에 나타내는 사각형상의 최적화 블록 모델 (27) 을 생성하는 경우에서는, 차체의 측면에 있는 사각형면을 기준으로 하여 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한다는 지시를 부여하면, 최적화 블록 모델 생성부 (17) 가 상기 사각형면을 차폭 방향으로 밀어냄으로써 메시화된 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한다 (S5).
최적화 블록 모델 (27) 이 생성되면, 조작자가 최적화 블록 모델 (27) 과 구조체 모델 (13) 의 결합을 지시한다. 지시에는 결합 요소로서 강체 요소, 판 요소 또는 빔 요소 중 어느 요소를 사용할지를 포함한다.
처리부 (19) 는, 지시를 받아 최적화 블록 모델 (27) 과 구조체의 결합을 실시한다 (S7).
결합 처리가 완료되면, 조작자는 해석 조건을 입력한다 (S9). 해석 조건으로는, 전술한 바와 같이 구조체의 구속 위치, 하중을 가하는 위치, 재료 체적률, 강성을 최대로 하는, 변위를 최소로 하는, 응력을 최소로 하는 등이다. 해석 조건의 입력이 완료되면, 해석 실행을 지시한다.
최적화 해석부 (23) 는, 지시를 받아 최적화 해석의 계산을 실행한다 (S11). 최적화 계산에 의해 최적화 블록 모델 (27) 에 있어서의 필요한 요소가 남은 상태가 표시부에 표시된다 (S13).
조작자는, 최적화 계산에 의해 얻어진 형상 모델을 제작하고, 당해 모델에 기초하여 다른 구조 해석 계산에 의해 강성의 확인을 실시한다.
이상과 같이 본 실시형태에서는, 최적화의 대상이 되는 부위를 구조체 모델 중에 설계 공간 (25) 을 설정하고, 설정된 설계 공간 (25) 에 최적화 블록 모델 (27) 을 생성하고, 당해 최적화 블록 모델 (27) 을 구조체 모델에 결합하여 해석 처리를 하도록 하였기 때문에, 최적화 블록 모델 (27) 에 구조체 모델과의 결합부 (29) 로부터 하중 전달이 적절히 이루어져 최적의 형상을 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.
이로써, 예를 들어 차체 구조의 최적화가 가능해지고, 강성이나 충돌 특성의 향상이 가능해져, 강성이나 충돌 성능을 소정치로 유지하면서 경량화를 실현시킬 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 최적화 블록 모델 (27) 을 구성하는 입체 요소로서 도 5 에 나타내는 바와 같은 육면체를 예로 들고, 그 밖의 입체 요소로서 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성하는 것이 바람직하다는 취지를 설명하였다.
그러나, 본 발명은 최적화 블록 모델 (27) 을 구성하는 입체 요소로서 도 13 에 나타내는 바와 같은 사면체를 사용하는 경우를 배제시키는 것은 아니다. 다만, 사면체 요소를 사용하는 경우에는, 설계 공간 (25) 의 외형만 제작하고 내부는 자동적으로 채우도록 하여 모델 생성하는 것이 가능해지지만, 입체 요소의 형상으로서 삼각형으로 이루어지는 3 면의 선단이 이웃하는 부위에 뾰족함을 갖게 되기 때문에 박판의 구조체에 반영시키기 어렵다는 문제가 있다.
도 14 는, 도 13 에 나타낸 최적화 블록 모델 (27) 에 대하여 해석 처리를 실행한 결과를 나타낸 것이다. 도 14 로부터 알 수 있는 바와 같이 최적 형상으로서 잔존하는 형상에 요철이 심하여 박판의 형상에 반영시키기 어려운 것, 및 도 8 의 육면체의 경우와 비교하여 중앙부에 덮개 형상 (원래의 크로스 멤버) 이 없어지는 것을 알 수 있다.
[실시형태 2]
본 실시형태는 최적화 블록 모델 생성부 (17) 의 다른 양태에 관한 것으로, 최적화 블록 모델 생성을 구조체 모델 (13) 을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부 (29) 에 절점을 배치하고, 최적화 블록 모델 (27) 을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 사용함과 함께 상기 결합부 (29) 에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아올리도록 실시하는 것이다.
이하, 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.
도 15 는, 차체를 나타내는 구조체 모델 (13) 의 리어부의 일부에 설계 공간 (25) 을 설정한 상태를 나타내고 있다. 도 15 에 나타내는 바와 같이, 이 예에서는 평면 요소로 구성되는 구조체 모델 (13) 과 최적화 블록 모델 (27) 의 입체 요소의 결합 위치에 기준축면에 평행이 아닌 것이 존재한다. 이와 같은 경우에 적용하는 것이 본 실시형태이다.
최적화 블록 모델 생성부 (17) 는, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 차체의 측면에 있어서 구조체 모델 (13) 을 삭제한 부위에 존재하는 절점을 직선으로 연결하여, 최적화 블록 모델 (27) 을 제작하기 위한 기준이 되는 기준면 (33) 을 판 요소로 제작한다. 기준면 (33) 을 생성하면, 당해 기준면 (33) 을 차폭 방향으로 절점 공유에 의해 일체화되어 있도록 압출로 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한다.
최적화 블록 모델 (27) 을 생성한 상태를 도 17, 도 18 에 나타낸다.
이와 같이, 기준면 (33) 을 생성하고, 이 기준면 (33) 을 이용하여 최적화 블록 모델 (27) 을 생성하도록 함으로써, 경사 부위 등이 매끄러운 직선이 된다는 효과가 있다. 이와 같이 함으로써, 최적화 블록 모델 (27) 과 구조체 모델 (13) (차체) 의 결합 상태가 매끄러워지고, 그 결과 하중의 전달이 정확해진다는 효과가 얻어진다.
비교예로서, 실시형태 1 과 마찬가지로 사전에 기준면 (33) 을 생성하지 않고 최적화 블록 모델 (27) 을 생성한 예를 도 19, 도 20 에 나타낸다. 도 19, 도 20 에 나타내는 예에서는, 도 17 에 비해 경사부에 단 (段) (35) 이 형성되어 있어 매끄럽지 않은 것을 알 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 최적화 블록 모델 (27) 의 형상이 경사면을 갖는 경우라도, 구조체 모델 (13) (차체) 과의 결합 상태가 매끄러워지고, 그 결과 하중의 전달이 정확해진다.
[실시형태 3]
실시형태 1, 2 에서 나타낸 최적화 블록 생성부에 의한 최적화 블록 모델 (27) 의 생성은, 최적화 블록 모델 (27) 을 단체로 형성한 예를 나타냈지만, 최적화 블록 모델 생성부 (17) 는, 최적화 블록 모델 (27) 을 입체 요소에 의해 구성되는 복수의 블록으로 구성함과 함께 그 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용하여 연결하여 생성하도록 해도 된다.
이하, 구체적으로 설명한다.
도 21, 도 22 는 본 실시형태의 설명도로서, 실시형태 2 에서 나타낸 기준면 (33) 을 생성하는 방법을 사용함과 함께 복수의 블록으로 최적화 블록 모델 (27) 을 생성하는 예이다.
먼저, 설계 공간 (25) 에 독립된 복수의 기준면 (33a, 33b) 을 생성하고 (도 21 참조), 우선 상부의 삼각형의 기준면 (33a) 을 차의 전후 방향으로 밀어내어 삼각기둥 부분의 상부 블록 (27a) 을 생성하고 (도 22 의 (a) 참조), 삼각기둥의 하방의 기준면 (33b) 을 차폭 방향으로 밀어내어 하부 블록 (27b) 을 생성하고 (도 22 의 (b) 참조), 생성된 블록끼리와 차체를 결합부 (29) 에 의해 결합한다 (도 22 의 (c) 참조).
최적화 블록 모델 (27) 을 복수의 블록으로 분할하여 생성함으로써, 직육면체와 같은 단순 형상이 아닌, 예를 들어 복잡한 형상의 블록이나 경사면을 포함하는 블록 등으로 이루어지는 설계 공간 (25) 에 있어서도 최적화 블록 모델 (27) 을 생성하는 것이 가능해진다.
또, 최적화 블록 모델 (27) 을 복수의 블록으로 분할하여 생성함으로써, 최적화 블록 모델 (27) 을 매끄러운 면으로 형성할 수 있고, 구조체 모델 (13) 과의 접합을 매끄럽게 할 수 있어 하중 전달을 정확하게 실시할 수 있다.
또한, 상부 블록 (27a) 과 하부 블록 (27b) 은 어느 쪽을 먼저 생성해도 되고, 또 블록끼리의 결합과 차체의 결합은 어느 쪽이 우선이어도 상관없다.
또한, 최적화는 절점이 공유된 공간을 대상으로 하는 것이 기본이기 때문에, 블록 결합은 결합 면적으로 하여 20 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
실시예
도 4 ∼ 도 6 에 나타낸 최적화 블록 모델 (27) 에 의한 해석으로 얻어진 최적 형상을 제작한 차체를 이용하여 강성 향상률을 확인하는 해석을 실시하였다.
최적 형상을 구하는 조건은 하기의 세 가지이다.
· 입체 요소로서 육면체를 이용하여 하나의 블록으로 한 경우 (발명예 1),
· 입체 요소로서 육면체를 사용한 복수의 블록을 강체 결합으로 한 경우 (발명예 2),
· 입체 요소로서 오면체 및 육면체를 이용하여 하나의 블록으로 한 경우 (발명예 3).
또, 비교예는 하기의 세 가지이다.
· 도 9 에 나타낸 차체와의 연결이 없는 단독으로 입체 요소로서 사면체를 사용한 것 (비교예 4),
· 동일하게 단독 (차체와의 연결 없음) 으로 입체 요소로서 사면체 및 오면체를 사용한 것 (비교예 5),
· 동일하게 단독 (차체와의 연결 없음) 으로 입체 요소로서 육면체를 사용한 복수의 블록을 강체 결합한 것 (비교예 6).
해석에 사용한 차체의 치수는, 폭 1200 ㎜, 길이 3350 ㎜, 높이 1130 ㎜ 이고, 판두께 0.8 ㎜ 내지 2.0 ㎜ 의 강판 및 강재를 사용하였다. 기준 중량은 125 kg 이고, 원래의 형상에서의 비틀림 강성의 평균치는 25.1 (kN*m/deg) 이다.
강성 해석의 하중 구속 조건은 도 7 에 나타낸 바와 같이, 4 점 (a, b, c, d) 의 3 점을 구속하고 다른 1 점에 0.5 kN 의 하중을 부여한다는 차체 비틀림 모드로 실시하였다.
조건과 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112015041762505-pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 비교예 4 ∼ 6 에서는 강성 향상률이 거의 올라가지 않은 데에 반해, 본 발명예 1 ∼ 3 에서는 강성 향상률 (도 2 에 나타낸 원래의 구조체 모델에 대한 강성 향상률) 이 크게 향상되었다. 본 발명에 의한 모델의 제작 방법 및 계산 방법에 의해 최적화가 적절한 것이 실증되었다.
이 결과로부터, 종래와 같이 형상의 최적화를 단독으로 실시하는 것이 아니고, 구조체 모델의 일부에 구조체 모델과의 연결을 실시하도록 하는 본 발명의 모델의 제작 방법 및 계산 방법에 의함으로써 적절한 최적 형상이 얻어지는 것이 실증되었다.
또한, 상기 예에서는 차체의 재료로서 강 베이스의 재료를 사용하였지만, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 유리, 수지, 고무 등 다양한 재료를 이용해도 전혀 문제는 없다.
1 형상 최적화 해석 장치
3 표시 장치
5 입력 장치
7 기억 장치
9 작업용 데이터 메모리
9a 데이터 기억 영역
9b 작업 영역
11 연산 처리부
13 구조체 모델
15 설계 공간 설정부
17 최적화 블록 모델 생성부
19 결합 처리부
21 해석 조건 입력부
23 최적화 해석부
25 설계 공간
27 최적화 블록 모델
27a 상부 블록
27b 하부 블록
29 결합부
31 구속부
33 기준면
33a 기준면
33b 기준면
35 단

Claims (13)

  1. 평면 요소, 또는 입체 요소를 사용하여 구조체 모델을 구성하는 일부분의 최적화를 실시하는 해석 방법으로서,
    상기 구조체 모델에 있어서의 박판으로 구성되는 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 단계와,
    설정된 설계 공간에, 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖고, 박판의 구조체 형상에 반영시킬 수 있는 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 단계와,
    생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 강체 요소, 판 요소 또는 빔 요소를 이용하여 결합하는 결합 처리 단계와,
    해석 조건을 입력하여 상기 최적화 블록 모델에 대한 최적 형상을 구하는 해석을 실시하는 해석 단계를 갖는 형상 최적화 해석 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소가 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성되어 있는 형상 최적화 해석 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성 단계는, 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 최적화 블록 모델을 생성하는 형상 최적화 해석 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성 단계는, 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 사용함과 함께 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아올리도록 생성하는 형상 최적화 해석 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델은 입체 요소에 의해 구성되는 복수의 블록체로 이루어지고, 그 복수의 블록체는 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용하여 연결되어 있는 형상 최적화 해석 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실시하는 형상 최적화 해석 방법.
  7. 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소를 사용하여 구성된 구조체 모델의 일부분의 형상의 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실시하는 형상 최적화 해석 장치로서,
    상기 구조체 모델의 일부에 박판으로 구성되는 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와,
    설정된 설계 공간에, 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖고, 박판의 구조체 형상에 반영시킬 수 있는 입체 요소로 구성되어 최적화의 해석 처리를 실시하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성부와,
    생성된 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 강체 요소, 판 요소 또는 빔 요소를 이용하여 결합하는 처리를 실시하는 결합 처리부와,
    상기 구조체 모델의 원하는 지점에 해석을 위한 해석 조건을 입력하는 해석 조건 입력부와,
    입력된 해석 조건에 기초하여 상기 최적화 블록 모델에 있어서 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실행하는 최적화 해석부를 갖는 형상 최적화 해석 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소가 오면체 이상 팔면체 이하로서 서로 평행한 2 면을 적어도 한 쌍 갖는 입체 요소로 구성되어 있는 형상 최적화 해석 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는 형상 최적화 해석 장치.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 사용함과 함께 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아올리도록 생성하는 형상 최적화 해석 장치.
  11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 최적화 블록 모델을 입체 요소에 의해 구성되는 복수의 블록으로 구성함과 함께 그 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용하여 연결하여 생성하는 형상 최적화 해석 장치.
  12. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 최적화 해석부는 수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실시하는 형상 최적화 해석 장치.
  13. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 최적화 해석부는 토폴로지 최적화에 의한 최적화 계산을 실시하는 형상 최적화 해석 장치.
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