KR102398560B1 - 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치 - Google Patents

적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 평면 요소 및/또는 입체 요소로 이루어지는 차체 모델의 일부를 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 것으로서, 차체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝 S1과, 설계 공간에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성 스텝 S3과, 적층 블록 모델을 차체 모델에 결합하는 결합 처리 스텝 S5와, 해석 조건을 입력하고, 적층 블록 모델에 대한 최적 형상을 구하는 최적화 해석을 행하는 최적화 해석 스텝 S7을 포함한다.

Description

적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치{LAYERED-COMPOSITE-MEMBER SHAPE OPTIMIZATION ANALYSIS METHOD AND OPTIMIZATION ANALYSIS DEVICE}
본 발명은, 적층 복합 부재(layered composite member)의 형상 최적화 해석(analysis of shape optimization) 방법 및 형상 최적화 해석 장치에 관한 것으로, 특히, 구조체(structural body)의 일부분을, 재료 특성(material property)이 상이한 복수의 층이 적층되는 적층 복합 부재로 하고, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 있어서 형상 최적화란, 미리 소정의 형상, 예를 들면 T자 형상을 상정하고, 그 소정의 형상을 전제로 하여 최적의 형상을 구하는 것이 아니라, 소정의 형상을 상정하는 일 없이, 해석 조건을 충족하는 최적의 형상을 구하는 것을 의미한다.
최근, 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에 기인한 차체의 경량화(weight reduction of automotive body)가 진행되고 있고, 차체의 설계에 컴퓨터 지원 공학(computer aided engineering)에 의한 해석(이하, 「CAE 해석」이라고 함)은 빠뜨릴 수 없는 기술로 되어 있다. 이 CAE 해석에서는, 수리 최적화(mathematical optimization), 판두께 최적화(thickness optimization), 형상 최적화, 토폴로지 최적화(topology optimization) 등의 최적화 기술을 이용함으로써, 차체의 경량화나 강성(stiffness)의 향상 등과 같은 차체 성능(vehicle performance)의 향상이 도모되는 것이 알려져 있고, 이들 최적화 기술은, 예를 들면 엔진 블록 등의 주물의 구조 최적화(structural optimization)에 흔히 이용되고 있다.
최적화 기술 중에서도, 특히 토폴로지 최적화가 주목되고 있다. 토폴로지 최적화란, 어느 정도의 크기의 설계 공간(design space)을 형성하고, 당해 설계 공간에 입체 요소(three-dimensional element)를 조입하여, 주어진 조건을 충족하고, 또한 필요 최소한의 입체 요소의 부분을 남김으로써, 당해 조건을 충족하는 최적 형상을 구하는 방법이다. 그 때문에, 토폴로지 최적화에서는, 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속(constraint)을 행하여, 직접 하중(load)을 가한다는 방법이 이용된다.
이러한 토폴로지 최적화에 관한 기술로서, 복잡한 구조체의 컴포넌트의 토폴로지 최적화를 위한 방법이 특허문헌 1에 개시되어 있다.
일본공개특허공보 2010-250818호 일본공개특허공보 2013-025533호
유게, 외 1명, 「건설 기계의 최적 설계」, 세이케이대학공학연구보고, Vol.41, No.1, 2004년, p.1-5
자동차의 차체(automotive body) 등의 구조체는 주로 박판(thin sheet)을 이용하여 구성되어 있다. 이러한 박판으로 구성되는 차체의 일 부위에 대해서 최적화 기술에 의해 형상을 최적화하는 경우, 종래는 비특허문헌 1에 기재되는 바와 같이, 대상이 되는 차체 전체 또는 그 일부를 취출하여, 당해 부분을 독립시키고, 독립시킨 채로 최적화하고 있다. 그러나, 이러한 방법에서는, 그 설계 공간에 대하여 차체 전체로부터의 하중이나 구속 상태를 반영시키는 것은 곤란하고, 그러므로 차체의 일 부위에 최적화 기술을 적용하는 것이 어렵다는 과제가 있었다. 예를 들면, 차체 전체의 최적화 해석을 행하여 해당하는 차체의 일부의 최적화 형상을 구하고자 해도, 최적화한 부위가, 차체 전체로부터 보아 불필요한 부위로 판정되어 소멸되는 과제가 있다. 또한, 독립적으로 차체의 일부를 최적화해도, 그 부분을 박판 구조로 이루어지는 차체에 적절히 반영시키기 위해서는 어떻게 해야하는가라는 과제도 있었다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 기술은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석에 따른 수학 연산상의 수법 및 물리적 시스템에 관한 것으로, 상기와 같은 박판 구조의 최적화라는 과제에 대해서는 하등 해결 수단을 부여하는 것이 아니다.
또한, 종래의 형상 최적화의 대상은, 예를 들면, 특허문헌 2에 나타나는 바와 같은 강, 알루미늄 합금(Al 합금), 마그네슘 합금 등의 금속 재료(metal)였지만, 최근, 자동차의 차체를 구성하는 박판에 수지(regin)나 FRP(Fiber-Reinforced Plastics；섬유 강화 수지)를 층 형상으로 적층하여 접착한 복합 부재(본원에 있어서, 「적층 복합 부재」라고 함)를 이용하여, 차체의 강성이나 강도를 향상시키는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이러한 적층 복합 부재의 형상을 최적화의 대상으로 한 종래 기술은 없고, 적층 복합 부재의 최적화 형상을 구하는 최적화 기술의 개발이 요망되고 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 차체인 구조체의 일부에 적층 복합 부재를 이용하여 강성을 향상시키는데 있어서, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1의 태양(態樣)에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 평면 요소(two-dimensional element), 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법으로서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하는 것이고, 상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과, 당해 설정한 설계 공간에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성 스텝과, 당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합(join)하는 결합 처리 스텝과, 해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.
본 발명의 제2의 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 것으로서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하는 것이고, 상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과, 당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 층 형상(layered) 블록 모델을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성된 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성 스텝과, 당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리 스텝과, 해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명의 제1의 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층을, 강체 요소(rigid element), 빔 요소(beam element) 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 절점(node)을 공유(share)시켜 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명의 제2의 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 복수의 설계 공간마다 생성된 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 층 형상 블록 모델의 절점을 공유시켜 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조(組) 갖는 입체 요소로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화(discretization)를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법은, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법에 있어서, 상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 것으로서, 상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와, 당해 설정한 설계 공간에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성부와, 당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리부와, 해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부(analysis unit)를 구비한다.
본 발명의 제2 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 것으로서, 상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와, 당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성된 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성부와, 당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리부와, 해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부를 구비한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명의 제1 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층을, 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 절점을 공유시켜 연결한 것인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명의 제2 태양에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 복수의 설계 공간마다 생성된 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을, 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 층 형상 블록 모델의 절점을 공유시켜 연결한 것인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치는, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치에 있어서, 상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 차체인 구조체에 외력(external force)이 작용하는 경우에 있어서의 차체의 일부가 되는 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구할 수 있고, 당해 구조체의 소정의 성능을 향상하거나, 또한, 소정의 성능으로 유지하면서 상기 구조체의 경량화에 이바지하거나 하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치의 블록도이다.
도 2는, 실시 형태에서, 일 예가 되는 형상 최적화의 해석 대상으로 하는 차체 모델 및 차체 모델로 설정한 설계 공간을 설명하는 도면이다.
도 3은, 실시 형태에 있어서 차체 모델로 설정한 설계 공간을 설명하는 도면이다(그의 1).
도 4는, 실시 형태에 있어서 차체 모델로 설정한 설계 공간을 설명하는 도면이다(그의 2, (a) 외층부(outer layer), (b) 내층부(inner layer)).
도 5는, 실시 형태에 있어서 차체 모델로 설정한 설계 공간의 단면도이다.
도 6은, 실시 형태에 있어서, 최적화의 해석 처리에 있어서 입력한 하중 조건을 설명하는 도면이다(비틀림 강성).
도 7은, 실시 형태에 있어서, 최적화의 해석 처리에 있어서 입력한 하중 조건을 설명하는 도면이다(가로 굽힘 강성).
도 8은, 실시 형태에 있어서, 리어 크로스 멤버(rear cross member)를 대상으로 한 최적화의 해석 처리에 의해 얻어진 최적의 형상을 설명하는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법의 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트(flowchart)이다.
도 10은, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case1, 외층부：강(steel sheet), 내층부：강).
도 11은, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case2, 외층부：Al 합금(aluminum alloy), 내층부：강).
도 12는, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case3, 외층부：강, 내층부：Al 합금).
도 13은, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case4, 외층부：CFRP, 내층부：강).
도 14는, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case5, 외층부：강, 내층부：CFRP).
도 15는, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case6, 외층부：강, 내층부：GFRP).
도 16은, 실시예에 있어서, 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case7, 외층부：강, 내층부：수지).
도 17은, 실시예에 있어서, 적층 블록 모델의 재질(material property)의 조합의 변경에 의한 최적화 해석에 의해 구한 최적 형상의 리어 크로스 멤버를 결합한 차체 모델의 강성 향상률(improvement rate of stiffeness)에의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 18은, 실시예에 있어서, 적층 블록 모델의 재질의 조합의 변경에 의한 최적화 해석에 의해 구한 최적 형상의 리어 크로스 멤버를 결합한 차체 모델의 부품 중량당의 강성 향상률에의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 19는, 실시예에 있어서, 차체 모델의 리어 사이드 멤버(rear side member)를 대상으로 하여 설정한 설계 공간을 나타내는 도면이다(그의 1).
도 20은, 실시예에 있어서, 차체 모델의 리어 사이드 멤버를 대상으로 하여 설정한 설계 공간을 나타내는 도면이다(그의 2, (a) 외층부, (b) 내층부).
도 21은, 실시예에 있어서, 차체 모델의 리어 사이드 멤버를 대상으로 하여 설정한 설계 공간의 단면도이다.
도 22는, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case1, 외층부：강, 내층부：강).
도 23은, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case2, 외층부：Al 합금, 내층부：강).
도 24는, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case4, 외층부：CFRP, 내층부：강).
도 25는, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case5, 외층부：강, 내층부：CFRP).
도 26은, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case1, 제약 조건：외층부와 내층부 각각의 체적 제약률 10％ 이하).
도 27은, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 최적화 해석에 의해 구한 최적의 형상의 해석 결과를 나타내는 도면이다(Case4, 제약 조건：외층부와 내층부 각각의 체적 제약률(constraints of volume fraction) 10％ 이하).
도 28은, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 적층 블록 모델의 재질의 조합의 변경에 의한 최적화 해석에 의해 구한 최적 형상의 리어 사이드 멤버를 결합한 차체 모델의 강성 향상률에의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 29는, 실시예에 있어서, 리어 사이드 멤버를 대상으로 한 적층 블록 모델의 재질의 조합의 변경에 의한 최적화 해석에 의해 구한 최적 형상의 리어 사이드 멤버를 결합한 차체 모델의 부품(parts) 중량당의 강성 향상률에의 영향을 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명의 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치에 대해서 설명하기에 앞서, 본 발명에서 대상으로 하는 차체의 구조체 모델(이하, 간단히 「구조체 모델」이라고 함)의 일 예에 대해서 설명한다.
＜구조체 모델＞
구조체 모델은, 구조체의 일부에 당해 구조체와 상이한 재료인 적층 복합 부재를 결합하는데 있어서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 이용하여 상기 구조체를 모델화한 것이다. 본 실시 형태에서는, 구조체 모델의 일 예로서, 도 2에 나타내는 차체 모델(31)을 대상으로 하고 있다.
차체 모델(31)은, 자동차의 차체 골격 부품(automotive body frame member)이나 새시 부품(Chassis component) 등과 같은 복수의 부품으로 구성된 것이고, 차체 모델(31)의 각 부품은, 평면 요소 및/또는 입체 요소에 의해 모델화되어 있다. 또한, 차체 모델(31)을 구성하는 각 부품의 요소(평면 요소 및 입체 요소)나 재료 특성(재질) 등에 관한 정보는, 구조체 모델 파일(21)(도 1을 참조)에 격납되어 있다.
<적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치＞
다음으로, 본 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치(1)(이하, 간단히 「형상 최적화 해석 장치(1)」라고 함)의 구성에 대해서, 도 1 내지 도 8에 기초하여 이하에 설명한다.
본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 장치(1)는, 차체인 구조체의 일부에 당해 구조체의 일부와 상이한 재료인 적층 복합 부재를 결합하여 상기 구조체를 보강하는데에 있어서, 상기 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구하는 것이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 장치(1)는, PC(퍼스널 컴퓨터) 등의 컴퓨터에 의해 구성되고, 표시 장치(display device)(3), 입력 장치(input device)(5), 기억 장치(memory storage)(7), 작업용 데이터 메모리(working data memory)(9) 및 연산 처리부(arithmetic processing unit)(11)를 갖고 있다. 그리고, 표시 장치(3), 입력 장치(5), 기억 장치(7) 및 작업용 데이터 메모리(9)는, 연산 처리부(11)에 접속되어, 연산 처리부(11)로부터의 지령에 의해 각각의 기능이 실행된다.
이하, 본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 장치(1)의 각 구성에 대해서, 도 2에 나타내는 차체 모델(31)의 일부인 리어 크로스 멤버(설계 공간(41))를 적층 복합 부재로 모델화하여, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구하는 경우를 예로 들어 설명한다.
≪표시 장치≫
표시 장치(3)는, 해석 결과의 표시 등에 이용되고, 액정 모니터 등으로 구성된다.
≪입력 장치≫
입력 장치(5)는, 구조체 모델 파일(21)의 표시 지시나 조작자의 조건 입력 등에 이용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.
≪기억 장치≫
기억 장치(7)는, 구조체 모델 파일(21) 등의 각종 파일의 기억 등에 이용되고, 하드 디스크 등으로 구성된다.
≪작업용 데이터 메모리≫
작업용 데이터 메모리(9)는, 연산 처리부(11)에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산에 이용되고, RAM(Random Access Memory) 등으로 구성된다.
≪연산 처리부≫
연산 처리부(11)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 설계 공간 설정부(13)와, 적층 블록 모델 생성부(15)와, 결합 처리부(17)와, 최적화 해석부(19)를 갖고, PC 등의 CPU(중앙 연산 처리 장치)에 의해 구성된다. 이들 각 부는, CPU가 소정의 프로그램을 실행함으로써 기능한다. 연산 처리부(11)에 있어서의 상기의 각 부의 기능을 이하에 설명한다.
(설계 공간 설정부)
설계 공간 설정부(13)는, 구조체 모델의 일부에 최적화의 대상이 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 것이다. 설계 공간 설정부(13)는, 구조체 모델에 있어서 최적화의 대상으로 하는 일부분을 삭제하고, 당해 삭제한 부분에 설계 공간을 설정한다.
도 2에, 구조체 모델로서 차체 모델(31)의 일부에 리어 크로스 멤버의 설계 공간(41)을 설정한 예를 나타낸다. 도 2에 있어서는, 차체 모델(31)에 원래 포함되어 있던 리어 크로스 멤버가 삭제되고, 당해 삭제된 부분에 설계 공간(41)이 설정되어 있다.
여기에서, 삭제하기 전의 리어 크로스 멤버는, 그 차체 높이 방향에 있어서의 상면측이 플로어 패널(floor panel)(33)에 접합하고, 차체폭 방향에 있어서의 좌우 양단이 리어 사이드 멤버(35)에 접속되어 있고, 설계 공간(41)이 설정될 때에, 플로어 패널(33)과 리어 사이드 멤버(35)는 삭제되지 않고 남겨진 채로이다.
그 때문에, 설계 공간(41)은, 플로어 패널(33)을 따른 형상의 면과, 리어 사이드 멤버(35)를 따른 형상의 면과, 설계 가능 범위의 한계까지 확장하여 부여되는 면으로 둘러싸이는 공간으로서 설정할 수 있다. 또한, 설계 가능 범위는, 예를 들면, 원래의 리어 크로스 멤버의 형상이나, 당해 리어 크로스 멤버의 주위에 있는 다른 부품과의 극간에 기초하여, 적절히 설정할 수 있다.
또한, 상기의 예는, 설계 공간 설정부(13)가, 구조체 모델 파일(21)로부터 취득한 차체 모델(31)에 있어서의 일부분인 리어 크로스 멤버를 삭제함으로써 설계 공간(41)을 설정하는 것인데, 설계 공간(41)은, 차체 모델(31)을 생성할 때에 미리 설정하는 것이라도 좋다. 이 경우, 설계 공간 설정부(13)는, 차체 모델(31)을 생성하는 기능을 구비한 것이라도 좋다.
(적층 블록 모델(layered block model) 생성부)
적층 블록 모델 생성부(15)는, 설정한 설계 공간(41)에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이다. 여기에서, 적층 블록 모델(43)은, 적층 복합 부재를 모델화한 것이고, 최적화의 해석 처리를 행하는 대상이 된다.
적층 블록 모델 생성부(15)는, 설계 공간(41)에 들어가는 크기로 임의의 형상의 적층 블록 모델(43)을 생성할 수 있다. 그리고, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 적층 블록 모델(43)의 생성에 있어서, 우선, 입체 요소로 이루어지는 복수의 층을 설정하고, 당해 복수의 층을 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 입체 요소의 절점을 공유시킴으로써, 상기 복수의 층을 연결하여 층 형상으로 적층시킨다.
또한, 적층 블록 모델(43)에 이용하는 입체 요소는, 5면체 이상 8면체 이하의 면수를 갖는 다면체로서, 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성하는 것이 바람직하다.
이 이유는, 설계 공간(41)을 형성하는 부위가 적층 복합 부재와 같이 층 형상의 부재인 경우, 적층 블록 모델(43)에 대해서 최적화의 해석 처리를 실행했을 때에 적층 복합 부재의 형상에 반영할 수 있도록 최적의 형상이 구해지는 것이 바람직하다. 이 점, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소를 이용함으로써, 이러한 요구를 충족하기 쉬워진다.
또한, 5면체 이상 8면체 이하의 입체 요소를 가능한 한 균일한 사이즈로 설계 공간(41)에 생성함으로써, 최적화의 정밀도를 올리도록 하는 것이 바람직하다. 단, 본 발명은, 5면체 미만 또는 8면체 초과의 입체 요소, 예를 들면, 4면체 입체 요소를 이용하는 것을 배제하는 것은 아니다.
도 3 내지 도 5에, 도 2에 나타내는 설계 공간(41)에 적층 블록 모델(43)을 생성한 예를 나타낸다. 도 3은, 차체 모델(31)을 차체 높이 방향의 하측으로부터 표시한 것, 도 4는, 적층 블록 모델(43)의 외층부(43a)와 내층부(43b)를 각각 표시한 것, 도 5는, 적층 블록 모델(43)에 있어서의 차체 폭방향으로 직교하는 단면도이다.
적층 블록 모델(43)은, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 재료 특성이 상이한 외층부(43a)와 내층부(43b)로 생성되고, 외층부(43a)와 내층부(43b)가 층 형상으로 겹쳐 적층되어 있다. 그리고, 외층부(43a)와 내층부(43b)는, 각각 입체 요소로 구성되고, 본 실시 형태에서는 당해 입체 요소의 절점을 공유하도록 외층부(43a)와 내층부(43b)와 결합시켰다.
적층 블록 모델(43)의 외층부(43a) 및 내층부(43b)에 설정하는 재료 특성으로서, 영률(Young's modulus), 포아송비(Poisson's ratio) 및 비중(specific gravity) 등을 들 수 있다. 또한, 모델화의 대상이 되는 적층 복합 부재의 각 층을 구성하는 재료가, 예를 들면 FRP와 같이 그 재료 특성이 면 내 이방성(in-plane anisotropy)을 갖는 경우에 있어서는, 적층 블록 모델(43)의 외층부(43a) 및 내층부(43b) 각각의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도(angle of principal axis)를 부여하고, 당해 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정함으로써, 면내 이방성을 설정할 수 있다. 또한, 외층부(43a)와 내층부(43b)의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.
또한, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 차체 모델(31)에 있어서의 설계 공간(41)이 설정된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간(41)의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하도록 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이 바람직하다. 여기에서, 설계 공간(41)이 설정된 주위의 면이란, 설계 공간(41)을 설정하고자 하는 부위에 있어서의 부품(본 실시 형태에 있어서는 리어 크로스 멤버)의 면이고, 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면이란, 상기 주위의 면 중, 그 면적이 최대의 것을 말한다.
예를 들면, 차체 모델(31)에 있어서의 리어 크로스 멤버를 대상으로 하여 설계 공간(41)을 설정하는 경우, 설계 공간(41)이 설정된 주위의 면으로서는, 상기 리어 크로스 멤버가 접합하는 플로어 패널(33)을 따른 면 및 리어 사이드 멤버(35)를 따른 면이 있다. 리어 사이드 멤버(35)를 따른 면에 비하여 플로어 패널(33)을 따른 면의 쪽이 면적이 크기 때문에, 플로어 패널(33)을 따른 면을 설계 공간(41)에 있어서 최대 면적을 갖는 면으로 할 수 있다.
또한, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 적층 블록 모델(43)을 구성하는 입체 요소를 6면체 입체 요소로 하고, 차체 모델(31)을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 상기 6면체 입체 요소의 절점을 배치하고, 당해 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 6면체 입체 요소를 쌓아 올리도록 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이라도 좋다.
예를 들면, 차체 모델(31)의 플로어 패널(33)이 평면 요소로 구성되어 있는 경우, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 플로어 패널(33)의 평면 요소의 절점을 적층 블록 모델(43)과의 결합부로 하고, 플로어 패널(33)의 절점을 포함하는 면을 따르도록 6면체 입체 요소를 쌓아 올림으로써, 적층 블록 모델(43)을 생성해도 좋다.
(결합 처리부)
결합 처리부(17)는, 생성된 적층 블록 모델(43)을, 차체 모델(31)에 있어서의 다른 부위에 결합하는 처리를 행하는 것이다. 적층 블록 모델(43)과 차체 모델(31)의 결합에는, 강체 요소, 평면 요소, 빔 요소를 이용할 수 있다.
적층 블록 모델(43)과 차체 모델(31)의 결합은, 차체 모델(31)로부터 적층 블록 모델(43)에 정확하게 하중을 전달하도록, 설계 공간(41)으로서 삭제한 부위와 차체 모델(31)의 원래의 결합 개소를 반영시키도록 하는 것이 바람직하다.
(최적화 해석부)
최적화 해석부(19)는, 적층 블록 모델(43)을 결합한 차체 모델(31)에 대하여 해석 조건을 부여하고, 적층 블록 모델(43)의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석을 행하는 것이다. 해석 조건으로서는, 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중 조건과, 최적화 해석의 목적이나 제약에 따라서 설정하는 목적 조건(objective condition) 및 제약 조건(constraint condition)이 있다.
도 6 및 도 7에 하중 조건의 일 예를 나타낸다. 도 6은 비틀림 강성(torsional stiffness)을, 도 7은 가로 굽힘 강성(lateral bending stiffness)을 대상으로 하여 최적화 해석을 행하는 경우의 것이다.
비틀림 강성을 대상으로 하여 최적화 해석을 행하는 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 차체 모델(31)의 리어측의 좌우 각각의 서스펜션 부착부의 2개소에 하중 입력점을 설정하고, 각 하중 입력점에 차체 높이 방향의 상향과 하향으로 하중(1000N)을 부가했다.
한편, 가로 굽힘 강성을 대상으로 하여 최적화 해석을 행하는 경우, 도 7에 나타내는 바와 같이, 차체 모델(31)의 리어측의 서스펜션 부착부의 4개소에 하중 입력점을 설정하고, 각 하중 입력점에 차체 폭방향의 우향으로 소정의 하중(1000N)을 부가했다. 또한, 도 6 및 도 7에 나타내는 하중 조건에 있어서는, 구속 위치가 설정되어 있지 않지만, 본 실시 형태에서는, 관성 릴리프법(inertia relief method)에 의해, 차체 모델(31)에 작용하는 관성력의 좌표의 기준이 되는 지지점에 있어서 차체 모델(31)이 지지된 상태를 상정하여 최적화 해석을 행한다.
단, 최적화 해석부(19)에 의해 부여하는 하중 조건은, 상기에 한정되는 것은 아니고, 최적화 해석의 목적에 따라서 차체 모델(31)에 하중을 입력하는 위치나, 변위를 구속하는 위치 등을 적절히 설정해도 좋다.
최적화 해석에 있어서의 목적 조건으로서는, 예를 들면, 차체 모델(31)에 있어서의 변형 에너지(strain energy) 총 합의 최소화, 변위(displacement)의 최소화, 응력(stress)의 최소화, 강성의 최대화 등이 있다. 또한, 최적화 해석에 있어서의 제약 조건으로서는, 예를 들면, 최적화 해석의 대상으로 하는 적층 블록 모델(43)의 체적 제약률 등이 있고, 제약 조건은, 복수 설정 가능하다. 그리고, 체적 제약률에 대해서는, 적층 블록 모델(43) 전체, 또는, 적층 블록 모델(43)의 각 층(예를 들면, 도 4 및 도 5에 나타내는 외층부(43a)와 내층부(43b)의 각 층)에 대하여 개별적으로 부여할 수 있다.
최적화 해석부(19)에 의한 최적화 해석 처리에는, 예를 들면, 토폴로지 최적화를 적용할 수 있다. 토폴로지 최적화에 있어서는, 최적화 파라미터로서 패널티 계수(penalty coefficient)를 부여하여 이산화하는 것이 바람직하다. 이산화에 있어서의 패널티 계수로서 2 이상의 값, 또는, 기준이 되는 입체 요소의 사이즈의 3 내지 20배의 값으로 제한하는 것이 바람직하다. 패널티 계수를 부여하여 이산화함으로써, 최적의 형상으로서 구해진 적층 블록 모델을 박판의 구조체 형상에 반영하는 것이 가능해진다.
최적화 해석부(19)로서는, 상기와 같이 토폴로지 최적화를 행하는 것이라도 좋고, 다른 계산 방법에 의한 최적화 처리라도 좋고, 예를 들면 시판되고 있는 유한 요소법(finite element method)을 이용한 해석 소프트를 사용할 수도 있다.
도 8에, 리어 크로스 멤버를 최적화의 대상으로 하고, 최적화 해석부(19)에 토폴로지 최적화를 적용하여 얻어진 최적 형상(45)의 일 예를 나타낸다. 최적 형상(45)은, 상기의 해석 조건(하중 조건, 목적 조건 및 제약 조건)을 충족하도록, 적층 블록 모델(43)의 외층부(43a) 및 내층부(43b) 각각에 대해서 입체 요소가 잔존 및 소거되어 구해진 것이고, 도 8에 나타내는 바와 같이, 최적 형상 외층부(45a) 및 최적 형상 내층부(45b)로 이루어진다.
여기에서 주목해야 할 점은, 적층 블록 모델(43)에는, 차체 모델(31)과 결합하는 부위를 통하여 차체 모델(31)로부터 하중이 전달된다는 점이다. 즉, 차체 모델(31)로부터 적층 블록 모델(43)에 하중이 전달됨으로써, 최적화 해석부(19)에 의한 최적화의 해석 처리에 있어서 적층 블록 모델(43)이 변형하여 하중의 방향 등이 바뀌는데, 그때 그때의 하중의 방향 등이 반영되어, 최종적으로 형상이 최적화된 최적 형상(45)이 얻어지는 것이다.
또한, 상기의 설명은, 설계 공간 설정부(13)에 의해 1개의 설계 공간(41)을 설정하고, 당해 설정한 설계 공간(41)에 복수의 층을 생성함으로써 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이었지만, 적층 블록 모델(43)의 생성은, 이에 한정하는 것은 아니다.
적층 블록 모델(43)을 생성하는 다른 태양으로서는, 설계 공간 설정부(13)에 의해, 차체 모델(31)에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간으로서 설정하고, 적층 블록 모델 생성부(15)에 의해, 당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 복수의 층 형상 블록 모델(도 4 및 도 5에 나타내는 외층부(43a) 및 내층부(43b)에 상당)을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성한 복수의 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델을 생성하는 것이라도 좋다.
이 경우, 설계 공간 설정부(13)는, 구조체 모델의 일부로부터 최적화의 대상이 되는 부분을 삭제하고, 당해 삭제한 부분에 1개의 설계 공간을 설정한 후, 당해 설계 공간을 층 형상으로 적층한 2개 이상의 설계 공간으로 분할, 또는, 1개의 설계 공간을 설정한 후, 당해 설정한 설계 공간에 층 형상으로 적층하도록 다른 설계 공간을 새롭게 설정 등에 의해 복수의 설계 공간을 설정할 수 있다.
그리고, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 상기 설정한 복수의 설계 공간마다 생성된 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델의 절점을 공유시킴으로써 복수의 층 형상 블록 모델을 결합, 혹은, 복수의 층 형상 블록 모델을 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 결합함으로써, 층 형상으로 적층한 적층 블록 모델을 생성할 수 있다.
＜적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법＞
다음으로, 본 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법(이하, 간단히 「형상 최적화 해석 방법」이라고 함)에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 방법은, 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 것이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 방법은, 설계 공간 설정 스텝 S1과, 적층 블록 모델 생성 스텝 S3과, 결합 처리 스텝 S5와, 최적화 해석 스텝 S7을 포함하는 것이다. 이하, 구조체 모델의 일 예로서 도 2에 나타내는 차체 모델(31)을 대상으로 하는 경우에 대해서, 상기의 각 스텝을 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 형상 최적화 해석 방법은, 상기의 각 스텝을 컴퓨터에 의해 구성된 형상 최적화 해석 장치(1)(도 1 참조)를 이용하여 실행할 수 있다.
≪설계 공간 설정 스텝≫
설계 공간 설정 스텝 S1은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 차체 모델(31)에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 층 형상으로 적층하는 설계 공간(41)으로서 설정하는 스텝이고, 형상 최적화 해석 장치(1)에 있어서는, 설계 공간 설정부(13)가 행한다.
≪적층 블록 모델 생성 스텝≫
적층 블록 모델 생성 스텝 S3은, 설계 공간 설정 스텝 S1에 있어서 설정한 설계 공간(41)에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층(예를 들면, 도 4 및 도 5에 나타내는 외층부(43a) 및 내층부(43b))이 적층된 적층 블록 모델(43)을 생성하는 스텝이고, 형상 최적화 해석 장치(1)에 있어서는, 적층 블록 모델 생성부(15)가 행한다.
적층 블록 모델 생성 스텝 S3에서는, 예를 들면, 적층 블록 모델 생성부(15)가, 입체 요소를 층 형상으로 겹쳐 쌓은 복수의 층을 생성하고, 당해 복수의 층을 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 입체 요소의 절점을 공유시켜 연결함으로써, 적층 블록 모델(43)을 생성한다. 여기에서, 적층 블록 모델(43)에 이용하는 입체 요소는, 5면체 이상 8면체 이하의 면수를 갖는 다면체로서, 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 적층 블록 모델(43)에 있어서는, 적층 블록 모델 생성부(15)는, 층마다 재료 특성(영률, 포아송비, 비중 등)을 설정한다. 또한, 적층 복합 부재의 각 층을 구성하는 재료 중, 예를 들면 FRP와 같이 그 재료 특성이 면 내 이방성을 갖는 층이 있는 경우, 당해 층에 대해서는, 면 내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 당해 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하면 좋다. 이 경우, 적층 블록 모델(43)에 있어서의 복수의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.
또한, 적층 블록 모델 생성 스텝 S3은, 차체 모델(31)에 있어서의 설계 공간(41)이 설정된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간(41)의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하도록 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이 바람직하다. 여기에서, 설계 공간(41)이 설정된 주위의 면이란, 설계 공간을 설정하고자 하는 부위에 있어서의 부품의 면이고, 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면이란, 상기 주위의 면 중, 그 면적이 최대인 것을 말한다.
≪결합 처리 스텝≫
결합 처리 스텝 S5는, 적층 블록 모델 생성 스텝 S3에 있어서 생성된 적층 블록 모델(43)을 차체 모델(31)에 결합하는 스텝이고, 형상 최적화 해석 장치(1)에 있어서는, 적층 블록 모델 생성부(15)가 행한다.
≪최적화 해석 스텝≫
최적화 해석 스텝 S7은, 결합 처리 스텝 S5에 있어서 적층 블록 모델(43)을 결합한 차체 모델(31)에 대하여 해석 조건을 입력하고, 적층 블록 모델(43)의 형상이 최적화된 최적 형상(45)(도 8)을 구하는 최적화 해석을 행하는 스텝이고, 형상 최적화 해석 장치(1)에 있어서는, 최적화 해석부(19)가 행한다.
여기에서, 최적화 해석 스텝 S7에 있어서는, 최적화 해석부(19)는, 최적화 해석의 해석 조건으로서, 차체 모델(31)에 하중을 부가하는 위치를 부여하는 하중 조건과, 최적화 해석의 목적에 따라서 설정하는 목적 조건과, 최적화 해석을 행하는데 위에 부과하는 제약 조건을 부여한다.
또한, 최적화 해석 스텝 S7에 있어서의 최적화 해석에는, 토폴로지 최적화를 적용할 수 있다. 또한, 토폴로지 최적화에 있어서 밀도법(density method)을 적용하는 경우, 요소의 패널티 계수를 2 이상으로 설정하여 이산화를 행하도록 하는 것이 바람직하다.
단, 최적화 해석 스텝 S7에 있어서의 최적화 해석에는, 다른 계산 방식에 의해 최적화의 해석 처리를 적용할 수 있고, 최적화의 해석 처리를 행하는 것으로서는, 예를 들면, 시판되고 있는 유한 요소를 이용한 해석 소프트를 사용할 수 있다.
또한, 상기의 설명은, 설계 공간 설정 스텝 S1에 있어서 1개의 설계 공간(41)을 설정하고, 적층 블록 모델 생성 스텝 S3에 있어서는 당해 설정한 설계 공간(41)에 복수의 층을 생성함으로써, 재료 특성이 상이한 복수의 층은 적층된 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이었지만, 적층 블록 모델(43)을 생성하는 태양은, 이에 한정하는 것은 아니다.
적층 블록 모델(43)을 생성하는 다른 태양으로서는, 설계 공간 설정 스텝 S1에 있어서, 차체 모델(31)에 있어서의 최적화의 대상이 되는 부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간을 설정하고, 적층 블록 모델 생성 스텝 S3에 있어서는, 당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델(예를 들면, 도 4 및 도 5에 나타내는 외층부(43a) 및 내층부(43b)에 상당)을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성된 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델(43)을 생성하는 것이어도 좋다. 이 경우, 설계 공간 설정 스텝 S1에 있어서의 복수의 설계 공간의 설정 방법은, 전술의 설계 공간 설정부(13)와 동일한 방법을 이용할 수 있다.
이상, 본 실시 형태에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치에 의하면, 차체인 구조체의 일부에 적층 복합 부재를 이용하여 보강하는데 있어서, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상을 정밀도 좋게 구할 수 있다. 또한, 당해 최적의 형상의 적층 복합 부재를 이용함으로써, 구조체의 경량화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 최적의 형상의 적층 복합 부재를 이용한 구조체의 경량화 및 강성 향상 효과에 대해서는, 후술하는 실시예에 있어서 구체적으로 설명한다.
또한, 상기의 설명은, 구조체를 자동차의 차체로 하고, 당해 차체의 부품인 리어 크로스 멤버를 형상 최적화의 해석 대상으로 한 것이지만, 본 발명은, 리어 크로스 멤버에 한정되지 않고, 후술의 실시예에서 나타내는 바와 같이 자동차의 리어 사이드 멤버나, 그 외의 부품을 형상 최적화의 해석 대상으로 한 것이라도 좋고, 해석 대상으로 하는 구조체나 부품에 특별히 한정은 없다.
(실시예)
본 발명의 효과를 확인하는 실험을 행했기 때문에, 이에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는, 도 2에 나타내는 차체 모델(31)을 구성하는 부품인 리어 크로스 멤버 및 리어 사이드 멤버의 각각에 대해서 적층 복합 부재로 모델화하고, 그 최적의 형상을 구하는 최적화 해석을 행했다.
적층 복합 부재의 최적화 해석을 행하는데 있어서, 우선, 도 2에 나타내는 차체 모델(31)을 취득했다. 차체 모델(31)은, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 이용하여 차체를 모델화한 것이고, 차체 모델(31)의 재질은 강으로 했다.
그리고, 취득한 차체 모델(31)의 일부에 설계 공간을 설정하고, 당해 설정한 설계 공간에, 적층 블록 모델을 생성했다. 본 실시예에서는, 1개의 설계 공간을 설정하고, 당해 설정한 설계 공간에, 재료 특성이 상이한 2개의 층이 적층되는 적층 블록 모델을 생성했다.
도 2에, 리어 크로스 멤버를 대상으로 하여 차체 모델(31)로 설정한 설계 공간(41)을 나타낸다. 전술의 실시 형태에서 서술한 바와 같이, 설계 공간(41)은, 차체 모델(31)에 원래 포함되어 있던 리어 크로스 멤버(도시 없음)가 접합되어 있던 플로어 패널(33)과 리어 사이드 멤버(35)는 남긴 채로 당해 리어 크로스 멤버를 삭제하고, 플로어 패널(33)을 따른 형상의 면과, 리어 사이드 멤버(35)를 따른 면과, 원래의 리어 크로스 멤버의 형상에 기초하여 정한 면으로 둘러싸이는 공간으로 했다.
다음으로, 설정한 설계 공간(41)에, 외층부(43a)와 내층부(43b)가 층 형상으로 적층되는 적층 블록 모델(43)을 생성했다(도 3 내지 도 5 참조). 여기에서, 외층부(43a)와 내층부(43b)는, 각각 3층의 6면체 입체 요소를 겹쳐 쌓도록 생성하고, 외층부(43a)와 내층부(43b)의 두께는, 모두 5㎜로 했다. 또한, 외층부(43a)와 내층부(43b)는, 각각을 구성하는 6면체 입체 요소의 절점을 공유시킴으로써 연결했다.
그리고, 적층 블록 모델(43)의 외층부(43a)와 내층부(43b)의 각각에 재료 특성을 설정했다. 표 1에, 본 실시예에서 대상으로 한 재료와 그의 영률의 값을 나타낸다.
Figure 112020037623186-pct00001
표 1에 있어서, CFRP는 탄소 섬유 강화 수지(Carbon Fiber Reinforced Plastics), GFRP는 유리 섬유 강화 수지(Glass Fiber Reinforced Plastics)이고, 이들은, 모두 등방성(isotropy)의 재료 특성을 갖는 것으로 했다.
그리고, 재료 특성을 설정한 적층 블록 모델(43)을 차체 모델(31)에 결합하고, 적층 블록 모델(43)의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석을 행했다. 여기에서, 적층 블록 모델(43)과 차체 모델(31)은, 적층 블록 모델(43)의 입체 요소에 의해 결합했다. 또한, 최적화 해석을 행하기 위해, 적층 블록 모델(43)을 결합한 차체 모델(31)에 대하여, 해석 조건으로서 하중 조건과 최적화 해석 조건(목적 조건 및 제약 조건)을 부여했다.
본 실시예에 있어서, 하중 조건은, 도 6에 나타내는 비틀림 강성을 대상으로 하여 최적화 해석을 행하는 경우와, 도 7에 나타내는 가로 굽힘 강성을 대상으로 하여 최적화 해석을 행하는 경우의 각각에 대해서, 리어측의 서스펜션 부착부인 도중 중에 나타내는 각 화살표의 위치 및 방향으로 1000N의 하중을 부여했다.
또한, 최적화 해석의 해석 조건으로서, 목적 조건에는 변형 에너지의 총 합의 최소를, 제약 조건에는 적층 블록 모델(43)의 체적 제약률을 부여했다. 여기에서, 체적 제약률에 대해서는, 적층 블록 모델(43) 전체의 체적 제약률을 20％ 이하로 한 경우에 대해서 최적화 해석을 행했다.
본 실시예에서는, 최적화 해석에 토폴로지 최적화를 이용하여, 목적 조건을 변형 에너지 총 합의 최소화로 하고, 제약 조건을 적층 블록 모델(43)의 체적 제약률로 했다. 여기에서, 체적 제약률에 대해서는, 적층 블록 모델(43) 전체에 대하여 설정했다.
본 실시예에서는, 적층 블록 모델의 외층부와 내층부의 재질의 조합을 변경하여 최적화 해석을 행하여, 재질의 조합의 차이에 의한 적층 복합 부재의 최적 형상에 대해서 검토했다.
도 10 내지 도 16에, 리어 크로스 멤버를 최적화의 해석 대상으로 하여, 적층 블록 모델(43)의 재질의 조합을 변경하여 최적화 해석을 행하여 얻어진 최적 형상(45)의 해석 결과를 나타낸다.
도 10 내지 도 16은, 외층부(43a)와 내층부(43b)의 재질의 조합(도 4)(이하, 「(외층부의 재질)－(내층부의 재질)」의 형식으로 표기)을 변경하여 최적화 해석한 결과이고, 각 도면에 있어서의 재질의 조합은, 도 10은, 「강-강」(Case1), 도 11은, 「Al 합금-강」(Case2), 도 12는, 「강-Al 합금」(Case3), 도 13은, 「CFRP-강」(Case4), 도 14는, 「강-CFRP」(Case5), 도 15는, 「강-GFRP」(Case6), 도 16은, 「강-수지」(Case7)이다.
여기에서, Case1은, 외층부(43a)와 내층부(43b)에서 재질이 동일하기 때문에(강), 본 발명에 포함되는 것은 아니지만, Case2 내지 Case7은, 외층부(43a)와 내층부(43b)에서 상이한 재질을 설정하고 있기 때문에, 본 발명에 포함된다. 또한, 도 10 내지 도 16의 해석 결과는, 모두, 최적화 해석에 있어서의 제약 조건을 적층 블록 모델(43) 전체에 대하여 체적 제약률 20％ 이하로 한 것이다. 또한, 도 10 내지 도 16에 있어서, (a)는 최적 형상 외층부(45a)와 최적 형상 내층부(45b)를 조합한 잔존 상태를 표시하고, (b)는 최적 형상 외층부(45a)만을 표시한 것, (c)는 최적 형상 내층부(45b)만을 표시한 것이다.
외층부(43a)와 내층부(43b)의 양쪽 모두 동일한 재질(강)로 한 Case1의 경우, 도 10에 나타내는 바와 같이, 최적 형상 외층부(45a)가 주로 잔존하고, 최적 형상 내층부(45b)의 잔존은 적은 결과로 되었다. 외층부(43a)의 영률이 높은 Case3, Case4, Case6 및 Case7에 있어서도, 도 12, 도 13, 도 15 및 도 16에 나타내는 바와 같이, 최적 형상 외층부(45a)가 주로 잔존하고, Case1과 동일한 결과로 되었다. 이는, 비틀림(torsion)이나 가로 굽힘(lateral bending)의 모드에서는, 차체 모델(31)에 있어서, 내층부(43b)보다도 영률이 높은 외측이 되는 외층부(43a)의 재료를 잔존시킨 쪽이, 당해 부위의 강성이 높아지는 것에 기인한다.
이에 대하여, 내층부(43b)의 영률이 높은 Case2 및 Case5에 있어서는, 도 11 및 도 14에 나타내는 바와 같이, 최적 형상 내층부(45b)가 잔존하기 쉬운 경향이 있고, 최적 형상 외층부(45a)와 최적 형상 내층부(45b)의 쌍방에 재료가 잔존하는 최적 형상(45)이 얻어졌다.
도 17 및 도 18에, 적층 블록 모델(43)의 재질의 조합을 변경한 각 조건에서의 최적화 해석에 의해 얻어진 최적 형상(45)의 적층 복합 부재로 이루어지는 리어 크로스 멤버를 결합한 차체 모델(31) 각각의 강성 향상률의 결과를 나타낸다.
도 17 및 도 18에 있어서, 가로축의 「비틀림」및 「가로 굽힘」은, 각각 도 6 및 도 7에 나타내는 하중 조건을 부여한 경우를 나타내고, 「RH」및 「LH」는, 각 하중 조건에 있어서의 하중의 입력 위치(도 6 및 도 7 참조)를 나타내는 것이다. 또한, 가로축의 「비틀림(reverse)」및 「가로 굽힘(reverse)」의 “reverse”는, 하중의 각 입력 위치에 있어서 하중이 입력되는 방향을 「비틀림」및 「가로 굽힘」의 하중 조건과 대칭으로 한 것이다.
그리고, 도 17 및 도 18에 있어서, 세로축의 「강성 향상률」은, 최적화 해석의 대상으로 한 리어 크로스 멤버를 제거한 차체 모델(31)의 강성을 기준으로 한 값이고, 강성은, 각 하중 입력점에 있어서의 변위를 입력 하중의 값으로 나눔으로써 산출했다. 또한, 도 18의 세로축은, 산출된 강성 향상률을 최적화의 대상으로 하는 부품의 중량으로 나눈 것이다.
또한, 도 17 및 도 18에 있어서 가로축의 하중 조건 및 하중 입력점마다의 막대 그래프는, 도면 중의 범례에 나타나 있는 각 조건(Case1 내지 Case7)의 순으로 나열하여 나타낸 것이다(후술하는 도 28 및 도 29에 있어서도 동일).
도 17에 나타내는 결과로부터, 리어 크로스 멤버를 제거한 차체 모델(31)에 최적 형상(45)을 결합한 경우, 본 실시예의 범위 내에서는, 최적 형상 외층부(45a)의 재질이 CFRP인 Case4의 강성 향상률이 가장 높아진 것을 알 수 있다.
이는 구조체의 최외주에 부품 레이아웃을 취한 쪽이 당해 구조체의 강성이 높아지는 것과 동일한 의미이고, 영률이 높은 재료를 최외주에 배치한 쪽이 성능(강성)이 올라가기 때문이다. 또한, 이것은, 영률이 높은 재료를 최외주에 레이아웃시키기 위해서는 당해 재료의 형상을 크게 하게 되고, 그 결과, 강성이 높아지는 것과도 일치한다. 이에 대하여, 외층부(43a)의 재질에 Al 합금을 이용한 Case2에 있어서는, 본 실시예의 범위 내에서는, 가장 강성 향상률이 작은 결과로 되었다. 이것은, 외주부에 상당하는 외층부에 영률이 낮은 재질을 이용한 것이 원인이라고 생각된다.
또한, 도 18에 나타내는 부품 중량당의 강성 향상률을 중량 효율의 관점에서 보아도, 최적 형상 외층부(45a)의 재질을 경량 고강성인 CFRP로 함으로써, 중량 효율이 높은 결과가 얻어졌다. 즉, 차체의 리어 크로스 멤버에 적층 복합 부재를 적용한 경우에, 원래의 차체의 강성을 유지한 채로 상기 적층 복합 부재의 경량화를 했을 때에, CFRP를 외층부의 재료로 한 적층 복합 부재를 이용한 경우에는 가장 크게 경량화를 달성할 수 있는 것이 시사되었다.
추가로, 본 실시예에서는, 차체 모델(31)을 구성하는 리어 사이드 멤버에 대해서도 적층 복합 부재로 모델화하고, 그 최적의 형상을 구하는 최적화 해석을 행했다. 리어 사이드 멤버에 대해서 최적화 해석을 행하는 경우에 있어서도, 우선, 차체 모델(31)에 설계 공간을 설정했다. 리어 사이드 멤버의 경우에 있어서는, 차체 모델(31)에 원래 포함되어 있던 리어 사이드 멤버가 접합하고 있던 리어 범퍼부(39)를 삭제하고, 플로어 패널(33)을 따른 형상의 면과, 차체 길이 방향의 선단부가 접속하는 사이드 시일(37)의 형상을 따른 면과, 차체 길이 방향의 후단부가 접속하는 리어 범퍼부(39)의 형상을 따른 면과, 원래의 리어 사이드 멤버의 형상에 기초하여 정한 면으로 둘러싸이는 설계 공간으로 했다.
그리고, 당해 설정한 설계 공간에, 도 19 내지 도 21에 나타내는 바와 같이, 외층부(51a)와 내층부(51b)가 층 형상으로 적층하는 적층 블록 모델(51)을 생성했다. 적층 블록 모델(51)은, 전술의 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 적층 블록 모델(43)과 마찬가지로, 외층부(51a)와 내층부(51b)는, 각각 3층의 6면체 입체 요소를 겹쳐 쌓도록 생성하고, 외층부(51a)와 내층부(51b)의 두께는, 모두 5㎜로 했다. 또한, 외층부(51a)와 내층부(51b)는, 각각을 구성하는 6면체 입체 요소의 절점을 공유시킴으로써 연결했다.
적층 블록 모델(51)에 있어서의 외층부(51a)와 내층부(51b)의 재료 특성, 적층 블록 모델(51)과 차체 모델(31)의 결합 및, 적층 블록 모델(51)을 결합한 차체 모델(31)에 있어서의 적층 블록 모델(51)의 최적화 해석에 있어서의 해석 조건(하중 조건, 최적화 해석 조건)은, 상기의 리어 크로스 멤버를 대상으로 한 경우와 동일하게 했다.
단, 최적화 해석에 있어서의 제약 조건에 대해서는, 적층 블록 모델(43) 전체의 체적 제약률을 20％ 이하로 한 경우와, 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a)와 내층부(51b) 각각 개별적으로 체적 제약률을 10％ 이하로 한 경우의 쌍방에 대해서 최적화 해석을 행했다.
도 22 내지 도 27에, 리어 사이드 멤버를 최적화의 해석 대상으로 하고, 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a)와 내층부(51b)의 재질의 조합을 변경하여 최적화 해석을 행하여 얻어진 최적 형상(53)의 해석 결과를 나타낸다.
도 22 내지 도 25는, 최적화 해석에 있어서의 제약 조건을 적층 블록 모델(51) 전체에서 체적 제약률 20％ 이하로 하고, 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a)와 내층부(51b)의 재질의 조합(이하, 「(외층부의 재질)－(내층부의 재질)」의 형식으로 표기)을 변경한 것이고, 각 도면에 있어서의 재질의 조합은, 도 22는, 「강-강」(Case1), 도 23은, 「Al 합금-강」(Case2), 도 24는, 「CFRP-강」(Case4), 도 25는, 「강-CFRP」(Case5)이다.
또한, 도 26 및 도 27은, 최적화 해석에 있어서의 제약 조건으로서, 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a) 및 내층부(51b)의 각각에 체적 제약률 10％ 이하를 부여하고, 외층부(51a)와 내층부(51b)의 재질의 조합 「(외층부의 재질)-(내층부의 재질)」으로 하고, 도 26은 「강-강」(Case1), 도 27은 「CFRP-강」(Case4)으로 한 것이다. 또한, 도 22 내지 도 27에 있어서, (a)는 최적 형상 외층부(53a)와 최적 형상 내층부(53b)를 합한 잔존 상태를 표시하고, (b)는 최적 형상 외층부(53a)만을 표시한 것, (c)는 최적 형상 내층부(53b)만을 표시한 것이다.
적층 블록 모델(51) 전체에 체적 제약률 20％ 이하의 제약 조건을 부여한 경우에는, 리어 크로스 멤버에 있어서의 결과(도 10 내지 도 16)와 마찬가지로, 외층부(51a)에 영률이 동일하거나 또는 높은 재료를 이용한 Case1 및 Case4에 있어서는, 최적 형상 외층부(53a)가 주로 잔존하고, 내층부(51b)에 영률이 높은 재료를 이용한 Case2 및 Case5에 있어서는, 최적 형상 내층부(53b)의 재료가 잔존하기 쉬운 결과가 얻어졌다.
또한, 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a)와 내층부(51b)의 각각에 체적 제약률 10％ 이하의 제약 조건을 부여한 경우, 외층부(51a)의 영률에 의하지 않고, 제약 조건인 체적 제약률을 충족하기 위해, 최적 형상 내층부(53b)의 재료가 증가하는 결과로 되었다.
도 28 및 도 29에, 적층 블록 모델(51)의 재질의 조합과 제약 조건을 변경한 각 조건에서의 최적화 해석에 의해 얻어진 최적 형상(53)의 적층 복합 부재로 이루어지는 리어 사이드 멤버가 결합된 차체 모델(31)의 강성 향상률을 나타낸다.
도 28 및 도 29에 있어서의 가로축의 「비틀림」및 「가로 굽힘」과 「RH」및 「LH」, 그리고, 세로축의 「강성 향상률」 및 「부품 중량당의 강성 향상률」은, 모두 도 17 및 도 18과 동일하다. 또한, 「강성 향상률」은, 최적화 해석의 대상으로 한 리어 사이드 멤버(강판 판두께 1.8㎜)를 제거하기 전의 차체 모델(31)의 강성을 기준으로 한 값이다. 또한, 도 28 및 도 29의 범례에 있어서, 「전체」는, 제약 조건으로서 적층 블록 모델(51) 전체에 대하여 체적 제약률을 설정, 「각 층 개별」은, 제약 조건으로서 적층 블록 모델(51)의 외층부(51a)와 내층부(51b)의 각각에 대하여 체적 제약률을 설정한 것을 나타낸다.
도 28에 나타내는 결과로부터, 리어 사이드 멤버 대신에 최적화 해석에 의해 얻어진 최적 형상(53)을 차체 모델(31)에 결합한 경우, 최적 형상 외층부(53a)의 재질이 CFRP인 Case4의 경우에 있어서의 강성 향상률이 높아졌다. 이는 최외주에 레이아웃을 취한 쪽이 강성이 높아지는 것과 동일한 의미이고, 영률이 높은 재료를 최외주에 배치한 쪽이 성능이 올라가기 때문이다. 또한, 이것은, 영률이 높은 재료를 최외주에 레이아웃시키기 위해서는 당해 재료의 형상을 크게 하게 되고, 그 결과, 강성이 높아지는 것과도 일치한다. 이에 대하여, 최적 형상 외층부(53a)의 재질이 Al 합금인 Case2는, 이번 실시예의 범위 내에서는 가장 강성 향상률이 작은 결과로 되었다. 이는, Al 합금의 영률이 낮은 것이 원인이라고 생각된다.
또한, Case1(외층부：강, 내층부：강)과 Case4(외층부：CFRP, 내층부：강)를 비교하면, 비틀림 하중을 부하했을 때의 강성 향상률에 대해서는 양자에 차이가 보여지기는 하지만, 가로 굽힘 하중을 부하했을 때의 강성 향상률에 대해서는 양자는 비교적 가까운 값이었다. 이는, 차체 모델(31)에 있어서, 비틀림 하중은, 차체 모델(31)의 도심(圖心)을 중심으로 한 전체 둘레(전체면)에 기여하는 한편, 가로 굽힘 하중은, 도심 및 당해 도심을 중심으로 한 상하면에만 기여하기 때문에, 비틀림 하중의 쪽이 강성 향상률에 현저한 차이가 나타나기 쉽다고 생각된다.
추가로, 제약 조건으로서의 체적 제약의 관점에서는, 외층부와 내층부에 대하여 개별적으로 체적 제약률을 부과한 경우에 비하여, 적층 블록 모델 전체에 체적 제약률을 부과한 쪽이, 강성 향상률은 높아지는 결과로 되었다. 이는, 적층 블록 모델 전체에 체적 제약률을 부여하는 쪽이, 보다 효율이 좋은 재료 레이아웃을 선택, 예를 들면, 외층부에 보다 많은 재료를 잔존시킬 수 있기 때문이라고 생각된다.
추가로, 도 29에 나타내는 부품 중량당의 강성 향상률을 중량 효율의 관점에서 보아도, 전술의 리어 크로스 멤버의 결과(도 18)와 마찬가지로, 최적 형상 외층부(53a)의 재질이 경량 고강성인 CFRP의 경우에 있어서 중량 효율이 가장 높은 결과가 얻어졌다. 즉, 전술의 리어 크로스 멤버의 경우와 마찬가지로, 차체의 리어 사이드 멤버에 적층 복합 부재를 적용한 경우에, CFRP를 외층부의 재료로 한 적층 복합 부재를 이용한 경우에는 가장 크게 경량화를 달성할 수 있는 것이 시사되었다.
이상, 본 발명에 따른 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치에 의해, 차체의 일부에 적층 복합 부재를 이용하여 보강하는데에 있어서, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상이 얻어지는 것이 나타났다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 차체인 구조체의 일부에 적층 복합 부재를 이용하여 강성을 향상시키는데 있어서, 당해 적층 복합 부재의 최적의 형상을 구하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법 및 형상 최적화 해석 장치를 제공할 수 있다.
1 : 형상 최적화 해석 장치
3 : 표시 장치
5 : 입력 장치
7 : 기억 장치
9 : 작업용 데이터 메모리
11 : 연산 처리부
13 : 설계 공간 설정부
15 : 적층 블록 모델 생성부
17 : 결합 처리부
19 : 최적화 해석부
21 : 구조체 모델 파일
31 : 차체 모델
33 : 플로어 패널
35 : 리어 사이드 멤버
37 : 사이드 시일
39 : 리어 범퍼부
41 : 리어 크로스 멤버의 설계 공간
43 : 적층 블록 모델
43a : 외층부
43b : 내층부
45 : 최적 형상
45a : 최적 형상 외층부
45b : 최적 형상 내층부
51 : 적층 블록 모델
51a : 외층부
51b : 내층부
53 : 최적 형상
53a : 최적 형상 외층부
53b : 최적 형상 내층부

Claims (26)

  1. 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법으로서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하는 것이고,
    상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과,
    당해 설정한 설계 공간에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성 스텝과,
    당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리 스텝과,
    해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝
    을 포함하며,
    상기 적층 블록 모델은, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층을, 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 절점을 공유시켜 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  2. 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법으로서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하는 것이고,
    상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과,
    당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성된 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성 스텝과,
    당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 스텝과,
    해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝
    을 포함하며,
    상기 적층 블록 모델은, 복수의 설계 공간마다 생성된 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 층 형상 블록 모델의 절점을 공유시켜 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.

  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하며,
    상기 최적화 해석 스텝은, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 방법.
  14. 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치로서,
    상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와,
    당해 설정한 설계 공간에, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층이 적층된 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성부와,
    당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리부와,
    해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부
    를 구비하며,
    상기 적층 블록 모델은, 입체 요소로 이루어지고 재료 특성이 상이한 복수의 층을, 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 복수의 층의 절점을 공유시켜 연결한 것인 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  15. 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소로 이루어지는 차체의 구조체 모델의 일부분을, 적층 복합 부재로 모델화하고, 당해 모델화한 적층 복합 부재의 형상의 최적화 해석을 행하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치로서,
    상기 차체의 구조체 모델에 있어서의 최적화의 대상이 되는 일부분을 층 형상으로 적층하는 복수의 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와,
    당해 설정한 설계 공간마다 상이한 재료 특성을 부여하여 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을 생성하고, 당해 설계 공간마다 생성된 층 형상 블록 모델을 결합하여 상기 입체 요소로 이루어지는 적층 블록 모델을 생성하는 적층 블록 모델 생성부와,
    당해 생성된 적층 블록 모델을 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 결합하는 결합 처리부와,
    해석 조건을 입력하고, 상기 적층 블록 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 행하여, 상기 적층 블록 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부
    를 구비하며,
    상기 적층 블록 모델은, 복수의 설계 공간마다 생성된 입체 요소로 이루어지는 층 형상 블록 모델을, 강체 요소, 빔 요소 혹은 평면 요소를 이용하여 연결, 또는, 상기 층 형상 블록 모델의 절점을 공유시켜 연결한 것인 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  18. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  19. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  20. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  21. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  22. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  23. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  24. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
  25. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하며,
    상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.

  26. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 적층 블록 모델은, 5면체 이상 8면체 이하로서 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 이루어지며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분에 있어서의 상기 설계 공간이 설정된 주위의 면과 평행하게 되는 면이 최대 면적이 되도록 생성하며,
    상기 적층 블록 모델은, 상기 차체의 구조체 모델의 일부분의 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 적층 블록 모델의 입체 요소로서 6면체 입체 요소를 이용함과 함께, 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하며,
    상기 최적화 해석부는, 최적화 해석에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 행하며,
    상기 최적화 해석부는, 토폴로지 최적화에 의한 최적화 해석을 행하는 것을 특징으로 하는 적층 복합 부재의 형상 최적화 해석 장치.
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