KR20150102113A - 형상 최적화 해석(analysis of shape optimization) 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을, 평면 요소 또는 입체 요소를 사용해서 최적화를 실행할 때, 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하고, 설정한 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델을 생성한다. 생성된 최적화 블록 모델을 구조체 모델에 결합하고, 최적화 블록 모델에 재료 특성을 설정한다. 최적화 블록 모델에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정하고, 최적화 블록 모델이 결합된 구조체 모델에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정한다. 설정된 최적화 해석 조건 및 기구 해석 조건에 의거해서, 최적화 블록 모델에 대해 기구 해석을 실행하여, 최적화 블록 모델의 최적 형상을 구한다.

Description

형상 최적화 해석(analysis of shape optimization) 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR ANALYSIS　OF　SHAPE　OPTIMIZATION}
본 발명은 예를 들면 자동차(automobile) 등의 (automotive) 구조체의 강성(stiffness)을 높이는 동시에 경량화(weight reduction of automotive body)를 실현하거나, 충돌 특성(crash worthiness)을 향상시키는 동시에 경량화를 실현하기 위한 구조체의 형상 최적화 해석 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 명세서에 있어서 형상 최적화라고 하는 경우에는 미리 소정의 형상(예를 들면, T자형상)을 상정하고 그 형상을 전제로 해서 최적의 형상을 구하는 것이 아니라, 소정의 형상을 상정하지 않고, 해석 조건을 만족시키는 가장 바람직한 형상을 구하는 것을 의미한다.
근래, 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에 기인한 차체 전체(full vehicle)의 경량화가 진행되고 있고, 차체(automotive body)의 설계에 컴퓨터 지원 공학에 의한 해석(이하, 「CAE(computer aided engineering) 해석」이라 함)은 빠뜨릴 수 없는 기술로 되어 있다. 이 CAE 해석에서는 수리 최적화(mathematical optimization), 판 두께 최적화, 형상 최적화(shape optimization), 토폴러지 최적화(topology optimization) 등의 최적화 기술을 이용하는 것에 의해서 강성의 향상이나 경량화가 도모되는 것이 알려져 있다. 예를 들면, CAE 해석의 최적화 기술은 엔진 블록 등의 주물의 구조 최적화에 흔히 이용되고 있다. 이러한 CAE 해석의 최적화 기술 중에서, 특히 토폴러지 최적화가 주목받고 있다.
토폴러지 최적화는 어느 정도의 크기의 설계 공간을 마련하고, 해당 설계 공간에 입체 요소(three-dimensional element)를 조립하고, 주어진 조건을 만족시키고 또한 필요 최소한의 입체 요소의 부분을 남김으로써, 해당 조건을 만족시키는 최적 형상으로 한다고 하는 방법이다. 그 때문에, 토폴러지 최적화에는 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속을 실행하고, 직접 하중을 더한다고 하는 방법이 이용된다. 이러한 토폴러지 최적화에 관한 기술로서, 복잡한 구조체의 콤퍼넌트의 토폴러지 최적화를 위한 방법이 일본국 특허공개공보 제2010-250818호에 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2010-250818호
자동차 등의 구조체는 주로 박판(thin sheet)을 이용해서 구성되어 있으며, 이러한 박판으로 구성되는 차체의 일부분의 최적화를 하는 경우, 해당 부위를 설계 공간으로서 독립시키고, 그 설계 공간에 대해 하중이나 구속 상태를 반영시키는 것은 곤란하다. 고로, 구조체의 일부에 최적화 기술을 적용하는 것이 곤란하다는 과제가 있었다. 또, 입체 요소에 의해서 최적화 형상을 구했다고 해도, 그것을 박판 구조에 적절히 반영시키기 위해서는 어떻게 해야 할지라는 과제도 있었다.
일본국 특허공개공보 제2010-250818호에 개시된 기술은 수학 연산상의 방법 및 해석의 물리적 시스템에 관한 것이며, 상기와 같은 과제에 대해서는 하등 해결 수단을 주는 것은 아니다. 근래, 상기 과제를 해결하기 위한 기술의 개발이 요망되고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 외력을 받는 구조체의 일부에 최적화 기술을 적용하는 것을 가능하게 하고, 구조체의 최적화에 기여하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 방법은 가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을, 평면 요소(two-dimensional element) 또는 입체 요소를 사용해서 최적화를 실행하는 형상 최적화 해석 방법으로서, 상기 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과, 설정된 상기 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 스텝과, 생성된 상기 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 스텝과, 상기 최적화 블록 모델에 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과, 상기 최적화 블록 모델에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정하는 최적화 해석 조건 설정 스텝과, 상기 최적화 블록 모델이 결합된 상기 구조체 모델에 기구 해석(computer aided kinematics and dynamics of mechanical systems)을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정하는 기구 해석 조건 설정 스텝과, 설정된 상기 최적화 해석 조건 및 상기 기구 해석 조건에 의거해서 상기 최적화 블록 모델에 대해 기구 해석을 실행하여, 상기 최적화 블록 모델의 최적 형상을 구하는 최적 형상 해석 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 기구 해석 조건 설정 스텝은 상기 구조체 모델에 대해 미리 기구 해석을 실행한 결과로서 얻어진 하중 또는 변위를 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 재료 특성 설정 스텝은 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 최적화 블록 모델의 결합된 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에는 상기 최적화 블록 모델의 입체 요소에 있어서의 영률(Young＇s modulus)을 상기 평면 요소에 있어서의 영률보다 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 방법은 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델 생성 스텝은 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따르고, 또한 상기 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델은 상기 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 이용하는 동시에 상기 결합부에 배치된 상기 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델은 입체 요소에 의해서 구성되는 복수의 블록체로 이루어지고, 해당 복수의 블록체를 강체(rigid body) 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용해서 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 방법은 상기의 발명에 있어서, 수치 해석(numerical analysis)에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화(discretization)를 실행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 장치는 가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을, 평면 요소 또는 입체 요소를 사용해서 최적화를 실행하는 형상 최적화 해석 장치로서, 상기 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와, 설정된 상기 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성부와, 생성된 상기 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리부와, 상기 최적화 블록 모델에 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와, 상기 최적화 블록 모델에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정하는 최적화 해석 조건 설정부와, 상기 최적화 블록 모델이 결합된 상기 구조체 모델에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정하는 기구 해석 조건 설정부와, 설정된 상기 최적화 해석 조건 및 상기 기구 해석 조건에 의거해서 상기 최적화 블록 모델에 대해 기구 해석을 실행하여, 상기 최적화 블록 모델의 최적 형상을 구하는 최적 형상 해석부를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 기구 해석 조건 설정부는 상기 구조체 모델에 대해 미리 기구 해석을 실행한 결과, 얻어진 하중 또는 변위를 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 재료 특성 설정부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 최적화 블록 모델의 결합된 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에는 상기 최적화 블록 모델의 입체 요소에 있어서의 영률을 상기 평면 요소에 있어서의 영률보다 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 장치는 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소를, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따르고, 또한 상기 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 이용하는 동시에 상기 결합부에 배치된 상기 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 최적화 블록 모델을 입체 요소에 의해서 구성되는 복수의 블록으로 구성하는 동시에, 해당 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용해서 연결하여 생성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적 형상 해석부는 수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기의 발명에 있어서, 상기 최적 형상 해석부는 토폴러지 최적화에 의한 최적화 계산을 실행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 외력을 받는 구조체의 일부에 최적화 기술을 적용하는 것을 가능하게 하고, 차체 등의 구조체를 최적화할 수 있고, 이것에 의해, 구조체의 가동 부분에 있어서의 강성이나 충돌 특성을 향상시키면서 구조체의 경량화를 실현할 수 있다고 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분(도어)의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분(도어)의 동작을 설명하는 설명도이다.
도 4a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 설계 공간의 설정 처리를 설명하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 처리를 설명하는 도면이다.
도 4c는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 최적화 블록 모델의 결합 처리를 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 내부의 요소를 설명하는 설명도이다.
도 5b는 도 5a에 나타내는 최적화 블록 모델의 내부를 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 결합 위치를 설명하는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 결합 위치의 다른 예를 설명하는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 관한 기구 해석 조건을 설명하는 설명도로서, 도어를 닫는 동작을 설명하는 설명도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분(도어)의 비교예로서의 도어 단독의 모델의 설명도이다.
도 10은 비교예의 기구 해석 조건을 설명하는 설명도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 형상 최적화 해석 방법의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 12a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분(도어)의 최적화 블록 모델의 다른 양태에 있어서의 내부의 상태를 설명하는 설명도이다.
도 12b는 도 12a에 나타내는 최적화 블록 모델의 내부의 상태를 나타내는 확대도이다.
도 13a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분 중의 설계 공간 이외의 부분의 일예를 나타내는 도면이다.
도 13b는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분 중의설계 공간 이외의 부분의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 13c는 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 다른 양태를 나타내는 도면이다.
도 13d는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델과 최적화 블록 모델의 결합체의 다른 양태를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 나타낸 도어의 최적화 해석을 설명하는 설명도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 설계 공간의 설명도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 2에 있어서 생성한 최적화 블록 모델의 설명도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 2에 있어서 생성한 최적화 블록 모델의 결합부를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법과의 비교예로서 실시형태 1의 방법으로 최적화 블록 모델을 생성한 상태의 설명도이다.
도 20은 본 발명의 실시형태 2에 대한 비교예의 최적화 블록 모델의 결합부를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다.
도 22a는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 상측 부분을 생성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 22b는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 하측 부분을 생성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 22c는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델과 구조체 모델을 결합한 상태를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 방법 및 장치의 바람직한 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실시형태 1]　
본 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 장치(1)는 조작자의 지시에 따라, 컴퓨터가, 가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을 평면 요소 및 입체 요소를 적절히 사용해서 최적화하는 장치이다. 구체적으로는 본 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 장치(1)는 도 2에 일예를 나타내는 평면 요소, 또는 평면 요소와 입체 요소를 사용해서 구성된 구조체 모델(13)(도 3 참조)의 일부분에 대해, 그 형상의 수치 해석에 의한 최적화 계산을 실행하는 장치이다. 이 형상 최적화 해석 장치(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, PC(퍼스널 컴퓨터)에 의해서 구성되고, 표시 장치(display device)(3)와, 입력 장치(input device)(5)와, 기억 장치(memory storage)(7)와, 작업용 데이터 메모리(9)와, 연산 처리부(arithmetic processing)(11)를 갖고 있다. 또, 연산 처리부(11)에는 표시 장치(3)와 입력 장치(5)와 기억 장치(7)와 작업용 데이터 메모리(9)가 접속된다. 표시 장치(3), 입력 장치(5), 기억 장치(7) 및 작업용 데이터 메모리(9)는 연산 처리부(11)의 지령에 의해서 각 기능을 실행한다.
＜표시 장치＞　
표시 장치(3)는 계산 결과의 표시 등에 이용되며, 액정 모니터 등으로 구성된다.
＜입력 장치＞　
입력 장치(5)는 구조체 모델(13)의 파일의 표시 지시, 조작자의 조건 입력 등에 이용되며, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.
＜기억 장치＞　
기억 장치(7)내에는 도 3에 예시되는 구조체 모델(13)의 파일 등의 각종 정보가 저장된다. 구조체 모델(13)은 평면 요소에 의해서만 구성된 것이라도 좋고, 혹은 평면 요소와 입체 요소의 조합에 의해서 구성된 것이어도 좋다. 예를 들면, 구조체 모델(13)의 예로서 도 2에 나타내는 바와 같은 자동차의 도어(14)를 예로 들면, 도어(14)의 차 외측을 구성하는 아우터 부품(14a)은 주로 얇은 강판(steel sheet)에 의해서 형성되기 때문에, 구조체 모델(13)은 평면 요소에 의해서 구성된다. 또, 구조체 모델(13)은 예를 들면 엔진과 같은 주물로 형성되는 블록체와 같은 것인 경우, 입체 요소로 구성된다.
＜작업용 데이터 메모리＞　
작업용 데이터 메모리(9)는 그 내부에, 계산 결과를 기억하는 데이터 기억 영역(9a)과, 계산 처리를 실행하기 위한 작업 영역(9b)을 갖고 있다.
＜연산 처리부＞　
연산 처리부(11)는 PC(Personal computer) 등의 컴퓨터의 CPU(Central Processing Unit)에 의해서 구성된다. 이하에 설명하는 연산 처리부(11)의 각 부는 PC의 CPU가 소정의 프로그램을 실행하는 것에 의해서 실현된다. 연산 처리부(11)는 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부(15)와, 설정된 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델(27)(도 4b 등 참조)을 생성하는 최적화 블록 모델 생성부(17)와, 생성된 최적화 블록 모델(27)을 구조체 모델(13)에 결합하는 결합 처리부(19)와, 최적화 블록 모델(27)에 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부(20)와, 최적화 블록 모델(27)에 최적 형상을 구하기 위한 조건(최적화 해석 조건이라 함)을 설정하는 최적화 해석 조건 설정부(21)와, 최적화 블록 모델(27)이 결합된 구조체 모델(13)(도 8 참조)에 기구 해석을 실행하기 위한 조건(기구 해석 조건이라고 함)을 설정하는 기구 해석 조건 설정부(22)와, 설정된 최적화 해석 조건 및 기구 해석 조건에 의거하여 최적화 블록 모델(27)에 대해 기구 해석을 실행하여, 최적화 블록 모델(27)의 최적 형상을 구하는 최적 형상 해석부(23)를 구비하고 있다.
연산 처리부(11)의 각 부의 구성을 상세하게 설명한다. 설명에 있어서, 차체(도시하지 않음)의 전방 좌측의 도어 프레임(12)(도 3 참조) 및 도어(14)(도 2 및 도 3 참조)로 구성되는 구조체 모델(13)을 예로 든다. 또, 도어(14)는 구조체 모델(13)의 가동 부분이기도 하다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분의 설명도이다. 도 2에는 이 구조체 모델(13)의 가동 부분의 일예인 도어(14)의 차내측으로부터의 사시도가 나타나 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 도어(14)는 차 외측에 마련되는 판형상의 아우터 부품(14a)과, 차 내측에 마련되는 이너 부품(14b)을 갖고 있다. 또, 도어(14)는 아우터 부품(14a)과 이너 부품(14b)의 사이에 마련되어 도어(14)를 보강하는 보강(reinforcement) 부품(part)(도시하지 않음)과, 차체 전방측의 측면에 마련되는 도어(14)를 도어 프레임(12)에 연결하기 위한 힌지(hinge)부(14d)(도 3 참조)를 갖고 있다.
도어(14)는 힌지부(14d)에 의해 도어 프레임(12)에 회전운동 가능하게 부착되며, 도 3의 상태 A1∼상태 A4에 의해서 나타나는 바와 같이, 힌지부(14d)를 중심으로 회전운동한다. 이와 같이 해서 도어(14)의 개폐가 실행된다. 도 3은 도어(14)를 닫는 동작을 설명하는 도면이다. 도 3에 있어서, 상태 A1은 도어(14)의 열림 상태를 나타내고 있다. 상태 A2, 상태 A3은 도어(14)가 열림 상태에서 닫힘 상태가 되는 과정을 나타내고 있다. 상태 A4는 도어(14)의 닫힘 상태를 나타내고 있다. 이 때, 도어(14)를 세게 닫으면, 원심력이나 도어(14)를 닫았을 때의 반력 등에 의해서 아우터 부품(14a)이 변형되는 경우가 있다. 그래서, 본 예에 있어서는 이너 부품(14b)의 형상을 최적화하고, 도어(14)의 경량화를 도모하면서, 도어(14)를 닫을 때의 아우터 부품(14a)의 변형량을 최소화하는 것에 대해 검토한다.
[설계 공간 설정부]
설계 공간 설정부(15)는 구조체 모델(13)의 가동 부분의 일부에 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간(25)으로서 설정한다. 본 실시형태 1에 있어서, 설계 공간 설정부(15)는 도 2에 나타낸 도어(14) 중의 아우터 부품(14a) 이외의 부분을 설계 공간(25)으로서 설정하였다. 도 4a∼도 4c는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분의 일예인 도어(14)의 최적화 해석 방법을 설명하는 도면이다. 도 4a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 설계 공간의 설정 처리를 설명하는 도면이다. 도 4b는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 처리를 설명하는 도면이다. 도 4c는 본 발명의 실시형태 1에 관한 형상 최적화 해석 방법에 있어서의 최적화 블록 모델의 결합 처리를 설명하는 도면이다. 설계 공간 설정부(15)에 의해서 구조체 모델(13)의 가동 부분의 일부에 설계 공간(25)이 설정되면, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 해당 부위에 있어서의 구조체 모델(13)의 일부인 이너 부품(14b)(도 2)이 삭제되고, 삭제된 부위가 설계 공간(25)으로 된다. 도 4a는 아우터 부품(14a)만의 상태를 나타내고 있다.
또한, 상기의 예는 설계 공간 설정부(15)가 구조체 모델(13)에 있어서의 일부를 삭제하는 것에 의해서 설계 공간(25)을 설정하는 경우이지만, 구조체 모델(13)을 생성할 때에 미리 설계 공간(25)을 설정하도록, 형상 최적화 해석 장치(1)가 구성되어도 좋다. 구조체 모델(13)을 생성할 때에 미리 설계 공간(25)을 설정하는 경우에는 구조체 모델(13)을 생성하는 생성부 자체가 설계 공간 설정부(15)를 겸하게 된다. 즉, 본 발명의 설계 공간 설정부(15)는 상기한 바와 같은 설계 공간 설정 기능과 구조체 모델 생성 기능을 겸비한 것이어도 좋다.
[최적화 블록 모델 생성부]
최적화 블록 모델 생성부(17)는 설정된 설계 공간(25)에 최적화의 해석 처리를 실행하기 위한 최적화 블록 모델(27)을 생성한다. 이 때, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 설정된 설계 공간(25)에 들어가는 크기이고 임의의 형상으로 최적화 블록 모델(27)을 생성할 수 있다. 도 4b, 도 5a 및 도 5b에는 설계 공간(25)에 최적화 블록 모델(27)을 생성한 일예가 나타나 있다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 내부의 요소를 설명하는 설명도이다. 도 5a는 도 4b에 나타내는 최적화 블록 모델(27)을 도 4b 중의 굵은 화살표의 방향에서 본 상태를 나타낸다. 도 5b는 도 5a에 나타내는 최적화 블록 모델(27)의 전후 방향 중앙부에 있어서의 내부를 확대해서 도시한 것이다.
또, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 최적화 블록 모델(27)을 입체 요소로 구성한다. 이 때, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 해당 입체 요소를, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다. 설계 공간(25)에 형성되는 부위가 차체의 일부와 같이 박판으로 형성되는 경우에는 최적화 블록 모델(27)을 이용해서 최적화의 계산을 실행하는 것에 의해, 박판의 구조체형상에 반영할 수 있도록 최적화 블록 모델(27)의 최적 형상이 산출되는 것이 바람직하다. 이 점에서, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소를 이용하여 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 것에 의해, 이러한 요구를 만족시키기 쉬워지기 때문이다. 또, 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 오면체 이상의 입체 요소로서 균일한 사이즈의 것을 배치하며, 이것에 의해, 최적화의 정밀도를 올리도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태 1에서는 도 5b에 나타내는 바와 같이, 최적화 블록 모델(27)의 전체가 육면체 요소로 구성되어 있다.
또, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 구조체에 있어서의 설계 공간(25)이 설치된 주위의 면을 따라, 또한 설계 공간(25)의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하도록, 최적화 블록 모델(27)을 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 도어(14)에 있어서의 이너 부품(14b)을 설계 공간(25)으로서 설정한 경우에는 도 4b에 나타내는 바와 같이, 이 최적화 블록 모델(27)의 차 외측의 면이 최대 면적으로 되어 있다. 최적화 블록 모델 생성부(17)는 이 최대 면적으로 되어 있는 차 외측의 면이 차체의 측면과 평행하게 되도록 최적화 블록 모델(27)을 생성한다.
최적화 블록 모델(27)을 이와 같이 생성하는 이유는 다음과 같다. 예를 들면, 이너 부품(14b)은 판재에 의해서 형성되므로, 최적화 블록 모델(27)을 이용해서 최적화의 계산을 실행한 경우에, 최적화 블록 모델(27)의 입체 요소가 면형상으로 남는 바와 같은 계산 결과를 얻을 수 있는 것이 바람직하다. 최적화 블록 모델(27)을 상기와 같은 모델 구성으로 하는 것에 의해, 이 계산 결과가 면형상으로 남을 가능성이 높아지고, 이 때문에, 실제의 것에 대한 이용가치가 높아지기 때문이다.
[결합 처리부]　
결합 처리부(19)는 생성된 최적화 블록 모델(27)을, 구조체 모델(13)측(아우터 부품(14a) 및 힌지부(14d))에 결합하는 처리를 실행한다. 이 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합 처리에 있어서, 강체 요소, 판 요소 또는 빔 요소가 이용된다. 이 때, 결합 처리부(19)는 최적화 블록 모델(27)과 아우터 부품(14a)의 사이에서 정확하게 하중을 전달시키기 위해, 설계 공간(25)으로서 삭제한 부위와 아우터 부품(14a)의 원래의 접합 개소를 최적화 블록 모델(27)과 아우터 부품(14a)의 결합 개소에 반영시키도록 결합 처리하는 것이 바람직하다. 도 6은 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 결합 위치를 설명하는 설명도이다. 도 6에는 최적화 블록 모델(27)의 결합 위치의 일예로서, 아우터 부품(14a)의 차 내측의 면과 도 4c 등에 나타내는 최적화 블록 모델(27)의 결합부(29)가 도시된다. 결합 처리부(19)는 도 6에 나타내는 결합부(29)에 있어서, 아우터 부품(14a)과 최적화 블록 모델(27)을 면으로 결합하였다. 이와 같이 하는 것에 의해서, 도 2 등에 나타내는 이너 부품(14b)의 최적의 형상과 함께 아우터 부품(14a)과 이너 부품(14b)의 최적의 접합 개소를 해석할 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 결합 위치의 다른 예를 설명하는 설명도이다. 도 7에는 최적화 블록 모델(27)의 결합 위치의 다른 예로서, 최적화 블록 모델(27)과 힌지부(14d)의 접합부가 나타나 있다. 본 실시형태 1에 있어서, 힌지부(14d)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 평면 요소로 구성하였다. 결합 처리부(19)는 이들 최적화 블록 모델(27)과 힌지부(14d)를 도 4c에 나타내는 바와 같이 결합하였다.
[재료 특성 설정부]
재료 특성 설정부(20)는 최적화 블록 모델(27)에 영률이나 비중(specific gravity), 항복 강도(yield strength), 인장 강도(tensile strength) 등의 재료 특성을 설정한다. 입체 요소는 평면 요소보다 잘 변형되지 않는다. 그 때문에, 해석 대상으로 되는 모델이 입체 요소와 평면 요소를 결합해서 구성되어 있는 경우, 평면 요소로 구성되는 개소가 크게 변형되어, 실태와 다른 해석 결과가 되는 경우가 있다. 예를 들면, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에, 최적화 블록 모델(27)에 하중이 부가되면, 최적화 블록 모델(27)보다 결합 부위의 개소가 크게 변형되어. 실태와 맞지 않는다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 재료 특성 설정부(20)는 상기와 같이 구조체 모델(13)에 있어서의 최적화 블록 모델(27)이 결합된 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에는 최적화 블록 모델(27)의 입체 요소에 있어서의 영률을 평면 요소에 있어서의 영률보다 낮게(예를 들면 절반 이하) 설정한다. 이와 같이 함으로써, 변형의 치우침이 없어 밸런스 좋은 해석을 실행할 수 있다.
[최적화 해석 조건 설정부]
최적화 해석 조건 설정부(21)는 최적화 블록 모델(27)에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정한다. 이 최적화 해석 조건 설정부(21)에 의해서 설정되는 최적화 해석 조건에는 목적 조건과 제약 조건의 2종류가 있다. 목적 조건은 구조체 모델(13)의 목적에 따라 설정되는 조건이다. 이 목적 조건으로서, 예를 들면 변위(displacement)를 최소로 하거나, 왜곡 에너지를 최소로 하거나, 발생 응력을 최소로 하거나, 흡수 에너지를 최대로 하는 등이 있다. 최적화 해석 조건 설정부(21)는 최적화 블록 모델(27)에 대해 목적 조건을 1개만 설정한다. 제약 조건은 최적화 해석을 실행함에 있어서 부과되는 제약이다. 이 제약 조건으로서 예를 들면, 최적화 전의 최적화 블록 모델(27)의 체적에 대한 최적화 후의 최적화 블록 모델(27)의 체적 비율인 재료 체적률, 임의의 부분의 변위, 발생 응력 등이 있다. 최적화 해석 조건 설정부(21)는 최적화 블록 모델(27)에 대해 제약 조건을 복수 설정 가능하다.
[기구 해석 조건 설정부]　
기구 해석 조건 설정부(22)는 최적화 블록 모델(27)이 결합된 구조체 모델(13)에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정한다. 기구 해석 조건 설정부(22)는 예를 들면, 도어(14)가 닫히는 동작에 있어서의 아우터 부품(14a)의 변형량을 해석하는 경우, 도어(14)를 힌지부(14d)에 의해서 도어 프레임(12)에 회전운동 가능하게 설치하여, 해석 개시시에 있어서의 도어(14)의 위치나, 도어(14)가 닫히는 속도 등을 설정한다. 또한, 기구 해석 조건 설정부(22)는 구조체 모델(13)에 대해 미리 기구 해석을 실행하고, 그 결과 얻어진 하중, 변위 등을 설정하도록 해도 좋다.
[최적 형상 해석부]　
최적 형상 해석부(23)는 상기 설정된 기구 해석 조건에 의거하여 기구 해석을 실행하는 동시에, 최적화 해석 조건에 의거하여 최적화 해석을 실행하여 최적화 블록 모델(27)의 최적 형상을 구한다. 도 8은 본 발명의 실시형태 1에 관한 기구 해석 조건을 설명하는 설명도로서, 도어(14)를 닫는 동작을 설명하는 설명도이다. 도 8에 있어서, 상태 B1은 도어(14)의 열림 상태를 나타내고 있다. 상태 B2, 상태 B3은 도어(14)가 열림 상태에서 닫힘 상태로 되는 과정을 나타내고 있다. 상태 B4는 도어(14)의 닫힘 상태를 나타내고 있다.
최적 형상 해석부(23)가 해석을 개시하면, 도어(14)는 힌지부(14d)를 중심으로 회전운동하여(도 8에 나타내는 상태 B1∼상태 B3 참조), 도어(14)가 닫히면 아우터 부품(14a)이 도어 프레임(12)에 충돌한다(도 8에 나타내는 상태 B4 참조). 도어(14)가 회전을 개시하면, 최적화 블록 모델(27)에는 원심력이 작용한다. 도어(14)가 닫히고, 도어 프레임(12)과 아우터 부품(14a)이 충돌하면 반력이 생기고, 해당 반력이 아우터 부품(14a)으로부터 결합부(29)(도 6 참조)를 통해, 최적화 블록 모델(27)에 전달되어 작용한다. 또, 이 때, 최적화 블록 모델(27)에는 순간적으로 부의 가속도(acceleration)가 발생한다. 그 때문에, 최적화 블록 모델(27)에는 질량에 따른 관성력(inertia force)이 작용한다. 이와 같이, 최적화 블록 모델(27)에는 상기 3개의 힘(원심력(centrifugal force), 반력(reaction force), 관성력)이 작용한다.
또한, 최적 형상 해석부(23)는 수치 해석에 의한 최적화 계산 즉 최적화 해석에 있어서, 최적화 파라미터의 이산화를 실행하는 것이 바람직하다. 이 이산화에 있어서의 패널티 계수(penalty coefficient)로서 2이상 또는 기준으로 되는 입체 요소의 사이즈의 3∼20배를 제한으로 하는 것이 바람직하다. 최적화 파라미터의 이산화를 실행함으로써, 최적화 파라미터를 박판의 구조체형상에 반영하는 것이 가능하게 된다. 최적 형상 해석부(23)는 최적화 해석으로서, 토폴러지 최적화에 의한 최적화 계산 즉 토폴러지 최적화 처리를 실행하는 것이라도 좋고, 다른 최적화 계산 방식에 의한 최적화 처리라도 좋다. 따라서, 최적 형상 해석부(23)로서는 예를 들면 시판되고 있는 유한 요소(finite element)를 이용한 해석 소프트를 사용할 수 있다. 최적 형상 해석부(23)가 최적화 해석 처리를 실행함으로써, 최적화 블록 모델(27)에 있어서의 입체 요소 중, 주어진 해석 조건을 만족시키는 최적의 형상으로 되는 입체 요소가 남는다.
여기서, 주목해야 할 점은 상술한 바와 같이, 도어 프레임(12)과 아우터 부품(14a)이 충돌하면 반력이 생기고, 해당 반력이 결합부(29)를 통해 아우터 부품(14a)으로부터 최적화 블록 모델(27)에 전달된다고 하는 실제의 차체에 발생하는 하중 전달과 마찬가지의 하중 전달에 의해서 해석을 실행할 수 있는 점이다.　이 점을 비교예로서 나타내어 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분의 일예인 도어의 비교예로서의 도어 단독의 모델의 설명도이다. 도 9에는 이 비교예의 모델로서, 도어(14)의 아우터 부품(14a) 이외의 부분(예를 들면, 이너 부품(41b), 힌지부(41c))에 상당하는 도어 모델(41)이 도시되어 있다. 도 10은 비교예의 기구 해석 조건을 설명하는 설명도이다. 비교예에서는 이 도어 모델(41)에 대해 기구 해석을 실행하는 동시에 최적화 해석을 실행하였다. 구체적으로는 비교예의 최적화 해석에서는 가령 도어 모델(41)에 아우터 부품(14a)이 부착된다고 한 경우의 부착면의 변위를 최소로 하는 형상을 구하였다. 비교예의 기구 해석에서는 도 10에 나타내는 힌지부(41c)의 축(43)을 중심으로 도어 모델(41)을 소정 속도로, 소정 각도 회전운동시킨 후, 순간 정지시킨다고 하는 도어를 닫는 동작에 상당하는 동작에 대해 해석하였다. 이 때, 도어 모델(41)에는 회전운동 중의 원심력과 회전운동 정지시의 관성력이 작용하는 것은 본 발명과 마찬가지지만, 비교예에서는 도어 프레임(12)을 이용하고 있지 않으므로, 아우터 부품(14a)이 도어 프레임(12)에 충돌하는 현상을 고려할 수 없다. 또, 비교예에서는 아우터 부품(14a)이 없기 때문에, 아우터 부품(14a) 그 자체가 갖는 강성 등의 특성을 고려할 수 없다.
그 결과, 상술한 최적화 블록 모델(27)을 도어 프레임(12)에 설치해서 기구 해석을 실행하는 경우와, 상기 비교예의 경우(도어 모델(41)을 도어 프레임(12)에 설치하지 않고 기구 해석을 실행하는 경우)에서는 전혀 다른 최적 형상으로 되었다. 그리고, 이러한 형상의 차이가 예를 들면 강성 향상률에 있어서 다른 결과로 된다. 따라서, 본 발명에서는 구조체 모델(13)에 최적화 블록 모델(27)을 결합하는 것은 최적화 블록 모델(27)을 단지 구속할 뿐만 아니라, 하중을 전달시킴으로써, 실용상 활용 가능한 최적 형상을 구하는 것을 가능하게 한 것이다. 이 점은 후술하는 실시예에서 상세하게 설명한다.
다음에, 상기와 같이 구성되는 형상 최적화 해석 장치(1)를 이용해서 실제로 해석을 실행할 때의 처리의 흐름을 도 11에 나타내는 흐름도에 의거하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 처리는 조작자가 입력 장치(5)를 통해 컴퓨터에 지시하는 것에 의해서, 컴퓨터가 연산 처리부(11)의 각 기능부(설계 공간 설정부(15), 최적화 블록 모델 생성부(17), 결합 처리부(19), 재료 특성 설정부(20), 최적화 해석 조건 설정부(21), 기구 해석 조건 설정부(22) 및 최적 형상 해석부(23))의 상술한 각 처리를 적절히 실행하고, 이것에 의해 실현된다.
조작자가 구조체 모델(13)의 파일 읽어냄을 입력 장치(5)에 의해서 지시함으로써, 컴퓨터가 구조체 모델(13)을 기억 장치(7)로부터 읽어내어, 표시 장치(3)에 표시한다(S1). 다음에, 조작자는 표시된 구조체 모델(13)에 있어서, 최적화 처리의 대상으로 되는 설계 공간(25)을 설정한다. 구체적으로 조작자는 입력 장치(5)의 입력 조작을 실행하는 것에 의해, 구조체 모델(13)에 있어서 설계 공간(25)으로 하는 부위의 좌표를 지정하여, 해당 부위의 요소를 삭제하는 지시를 실행한다. 이 지시가 이루어짐으로써, 컴퓨터의 설계 공간 설정부(15)가 해당 부위의 요소를 삭제하는 처리를 실행하고, 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. 이 지시로서는 설계 공간(25)에 있어서의 어느 면을 기준으로 해서 최적화 블록 모델(27)을 생성할지라는 지시를 포함한다. 예를 들면, 도 4b 및 도 5a에 나타내는 최적화 블록 모델(27)을 생성하는 바와 같은 경우에는 최적화 블록 모델(27)에 있어서의 전후 방향의 면을 기준으로 해서 최적화 블록 모델(27)을 생성한다고 하는 지시를 주면, 컴퓨터의 최적화 블록 모델 생성부(17)가 상기 면을 차폭 방향으로 압출하는 것에 의해서 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. 이 지시에는 결합 요소로서 강체 요소, 판 요소 또는 빔(beam) 요소의 어느 요소를 이용할지를 포함한다. 컴퓨터의 결합 처리부(19)는 지시를 받아, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합 처리를 실행한다(S7).
상술한 결합 처리가 완료하면, 조작자는 최적화 블록 모델(27)의 재료 특성을 설정한다(S8). 이 때, 조작자는 입력 장치(5)의 입력 조작을 실행하고, 영률이나 비중, 항복 강도나 인장 강도 등의 재료 특성을 입력한다. 컴퓨터의 재료 특성 설정부(20)는 이 입력된 재료 특성을, 상술한 바와 같이 구조체 모델(13)과 결합된 최적화 블록 모델(27)에 설정한다.　
그 후, 조작자는 최적화 해석 조건을 설정한다(S9). 이 때, 조작자는 최적화 해석 조건으로서, 전술한 바와 같이, 왜곡 에너지를 최소로 하고, 흡수 에너지를 최대로 하는 등의 목적 조건, 및 재료 체적률 등의 제약 조건을 입력한다. 조작자는 다음에, 최적화 블록 모델(27)이 결합된 구조체 모델(13)에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 입력하고, 이것에 의거하여, 컴퓨터의 기구 해석 조건 설정부(22)는 기구 해석 조건을 설정한다(S10).
다음에, 컴퓨터의 최적 형상 해석부(23)는 기구 해석의 계산 및 최적화 해석의 계산을 실행하여, 최적 형상 해석을 실행한다(S11). 다음에, 컴퓨터는 최적화 계산 등에 의해서 최적화 블록 모델(27)에 있어서의 필요한 요소가 남은 상태에 대해, 최적 형상 해석의 결과로서 표시 장치(3)에 표시한다(S13).
조작자는 최적화 계산 등에 의해서 얻어진 형상 모델을 작성하고, 해당 모델에 의거하여 다른 구조 해석 계산에 의해 강성의 확인을 실행한다.
이상과 같이 본 실시형태 1에서는 구조체 모델(13) 중의 최적화의 대상으로 되는 부위를 설계 공간(25)으로서 설정하고, 설정된 설계 공간(25)에 최적화 블록 모델(27)을 생성하고, 해당 최적화 블록 모델(27)을 구조체 모델(13)에 결합해서 기구 해석을 실행하도록 했으므로, 최적화 블록 모델(27)에 구조체 모델(13)과의 결합부(29)로부터 하중 전달이 적절히 실행되고, 최적화 블록 모델(27)의 최적의 형상을 정밀도 좋게 산출할 수 있다. 이것에 의해서, 예를 들면 차체 구조의 최적화가 가능하게 되고, 강성이나 충돌 특성의 향상이 가능하게 되며, 차체의 도어에 예시되는 가동 부분의 강성이나 충돌 성능을 소정값으로 유지하면서 차체 등의 구조체의 경량화를 실현할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 입체 요소로서 도 5b에 나타내는 육면체를 예로 들고, 그 밖의 입체 요소로서, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 것이 바람직한 취지를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 입체 요소로서, 도 12a 및 도 12b에 나타내는 바와 같은 사면체를 이용하는 경우를 배제하는 것은 아니다. 도 12a, 도 12b는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분의 일예로서, 도어의 최적화 블록 모델의 다른 양태에 있어서의 내부의 상태를 설명하는 설명도이다. 도 12a는 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 다른 양태의 일예를 나타내는 도면이다. 도 12b는 도 12a에 나타내는 최적화 블록 모델의 전후 방향 중앙부에 있어서의 내부의 상태를 확대해서 나타내는 확대도이다. 도 12a, 도 12b에 나타내는 바와 같이 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 입체 요소로서 사면체 요소를 이용하는 경우에는 설계 공간(25)의 외형만 작성하고 내부는 자동적으로 묻도록 해서 모델 생성하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 입체 요소의 형상으로서 삼각형으로 이루어지는 3면의 선단이 서로 인접하는 부위에 뾰족부를 갖게 되기 때문에, 최적화 블록 모델(27)을 박판의 구조체에 반영하기 어렵다고 하는 문제가 있다.
도 12b에는 도 12a에 나타내는 최적화 블록 모델(27)의 전후 방향 중앙부에 있어서의 내부의 상태가 확대되어 도시되어 있다. 도 12a에 나타내는 최적화 블록 모델(27)은 도 12b에 나타내는 바와 같이, 표면에서 내부에 걸쳐 요소 사이즈가 서서히 커지도록(점차) 생성한 것이다. 또한, 최적화 블록 모델(27)은 내부의 요소 사이즈를 표면의 요소 사이즈에 맞게 미세하게 하고, 또한 최적화 블록 모델(27) 전체에서 균일한 요소 사이즈가 되도록 생성해도 좋다. 이 경우, 정밀도가 높은 해석을 실행할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는 이너 부품(14b)을 설계 공간(25)으로 했지만, 설계 공간(25)의 설정 방법은 이것에 한정되지 않는다. 도 13a∼도 13d는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델의 가동 부분의 일예로서, 도어의 설계 공간의 다른 양태를 설명하는 설명도이다. 도 13a는 이 가동 부분 중의 설계 공간 이외의 부분의 일예를 나타내는 도면이다. 도 13b는 이 가동 부분 중의 설계 공간 이외의 부분의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 13c는 본 발명의 실시형태 1에 관한 최적화 블록 모델의 다른 양태를 나타내는 도면이다. 도 13d는 본 발명의 실시형태 1에 관한 구조체 모델과 최적화 블록 모델의 결합체의 다른 양태를 나타내는 도면이다. 예를 들면, 설계 공간(25)은 도 13a에 나타내는 아우터 부품(14a) 및 도 13b에 나타내는 이너 부품(14b) 이외의 부분에 설정되어도 좋다. 이 경우, 도 4b의 경우에 비해, 이너 부품(14b) 이외의 부분만이 최적화 블록 모델(27)로서 생성된다(도 13c 참조). 아우터 부품(14a)과 이너 부품(14b)과 최적화 블록 모델(27)을 결합한 것(도어(14)에 상당)이 도 13d에 나타난다. 이 경우, 상기의 아우터 부품(14a) 이외의 부분을 설계 공간(25)으로 한 경우와 마찬가지의 최적 형상 해석을 실행하면(도 14 참조), 이너 부품(14b)의 내부에 최적화 후의 형상이 남는다. 이와 같이 함으로써, 이너 부품(14b)을 어떻게 보강하면 좋은지를 알 수 있다. 또, 상술한 바와 같이 아우터 부품(14a) 및 이너 부품(14b) 이외의 부분에 설계 공간(25)을 설정한 경우, 상기의 아우터 부품(14a) 이외의 부분을 설계 공간(25)으로 한 경우에 비해, 최적화 해석 조건을 변경함으로써 더욱 정확한 해석을 실행할 수 있다. 예를 들면, 이너 부품(14b)이 있으므로, 이너 부품(14b) 이외의 재료 체적률을 줄여도 좋다.
또한, 상기의 예에서는 차체의 좌측 전방의 도어(14)(프런트 도어)를 대상으로 최적화하는 것을 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 다른 가동 부분에도 적용할 수 있다. 다른 가동 부분으로서는 예를 들면, 리어 도어, 백 도어, 트렁크 등을 들 수 있다.
[실시형태 2]　
본 실시형태 2는 최적화 블록 모델 생성부(17)의 다른 양태에 관한 것이며, 최적화 블록 모델 생성을, 구조체 모델(13)을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 최적화 블록 모델(27)을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 이용하는 동시에 상기 결합부에 배치된 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 실행하는 것이다. 이하, 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.
도 15는 아우터 부품(14a)과 이너 부품(14b)으로 둘러싸인 공간의 일부에 설계 공간(25)을 설정한 상태를 나타내고 있다. 이 예에서는 도 15에 나타내는 바와 같이, 평면 요소로 구성되는 구조체 모델(13)과 후술하는 도 17에 나타내는 최적화 블록 모델(27)의 입체 요소의 결합 위치에 기준 축면에 평행이 아닌 것이 존재한다. 이러한 경우에 적용하는 것이 본 실시형태 2이다.
본 실시형태 2에 있어서, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 상술한 실시형태 1에 있어서의 최적화 블록 모델 생성 기능에 부가해서, 이하에 나타내는 최적화 블록 모델 생성 기능을 겸비한다. 구체적으로는 최적화 블록 모델 생성부(17)는 도 16에 나타내는 바와 같이, 설계 공간(25)에 있어서의 이너 부품(14b)측의 면에 있어 구조체 모델(13)을 삭제한 부위에 존재하는 절점을 직선으로 연결하여, 최적화 블록 모델(27)을 작성하기 위한 기준으로 되는 기준면(33)을 판 요소로 작성한다. 최적화 블록 모델 생성부(17)는 기준면(33)을 생성하면, 기준면(33)을 차폭 방향으로 절점 공유에 의해 일체화하고 있는 바와 같이 압출해서 최적화 블록 모델(27)을 생성한다.
본 실시형태 2에 관한 최적화 블록 모델(27)을 생성한 상태를 도 17, 도 18에 나타낸다. 도 17은 생성된 최적화 블록 모델(27)의 메시 상태를 나타낸 도면이다. 도 18은 최적화 블록 모델(27)에 결합부(29)를 도시한 것이다. 이와 같이, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 기준면(33)(도 16 참조)을 생성하고, 이 기준면(33)을 이용해서 최적화 블록 모델(27)을 생성한다. 이것에 의해, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합부(29)의 경사 부위 등이 완만한 직선으로 된다고 하는 효과가 있다. 이와 같이 함으로써, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합 상태가 완만하게 되고, 그 결과, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 사이에 있어서의 하중의 전달이 정확하게 된다고 하는 효과가 얻어진다.
본 실시형태 2에 대한 비교예로서, 실시형태 1과 마찬가지로, 사전에 기준면(33)을 생성하지 않고 최적화 블록 모델(27)을 생성한 예를 도 19, 도 20에 나타낸다. 도 19는 비교예에 있어서 생성된 최적화 블록 모델(27)의 메시 상태를 나타낸 도면이다. 도 20은 비교예에 있어서의 최적화 블록 모델(27)에 결합부(29)를 도시한 것이다. 도 19, 도 20에 나타내는 비교예에서는 도 17에 나타내는 본 실시형태 2의 최적화 블록 모델(27)에 비해 경사 부위에 단(35)이 형성되어 있어, 비교예의 결합부(29)가 완만하지 않은 것을 알 수 있다.
본 실시형태 2에 의하면, 최적화 블록 모델(27)의 형상이 사면을 갖는 바와 같은 경우에도, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 결합 상태가 완만하게 되고, 그 결과, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 사이에 있어서의 하중의 전달이 정확하게 된다.
[실시형태 3]
상술한 실시형태 1, 2에서는 최적화 블록 모델 생성부(17)에 의한 최적화 블록 모델(27)의 생성 처리로서, 최적화 블록 모델(27)을 단체로 형성한 예를 나타내었지만, 본 실시형태 3에 있어서, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 최적화 블록 모델(27)을 입체 요소에 의해서 구성되는 복수의 블록으로 구성하는 동시에, 해당 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용해서 연결하여 생성하도록 해도 좋다. 이하, 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델(27)의 생성 처리를 구체적으로 설명한다.
도 21 및 도 22a∼도 22c는 본 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 생성 방법의 설명도이다. 도 22a는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 상측 부분을 생성한 상태를 나타내는 도면이다. 도 22b는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델의 하측 부분을 생성한 상태를 나타내는 도면이다. 도 22c는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 최적화 블록 모델과 구조체 모델을 결합한 상태를 나타내는 도면이다. 최적화 블록 모델 생성부(17)는 상술한 실시형태 1, 2에 있어서의 최적화 블록 모델 생성 기능에 부가하여, 본 실시형태 3의 최적화 블록 모델 생성 기능을 겸비한다. 본 실시형태 3에 있어서, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 실시형태 2에서 나타낸 기준면(33)을 생성하는 방법을 이용하는 동시에 복수의 블록으로 최적화 블록 모델(27)을 생성한다.
구체적으로는 최적화 블록 모델 생성부(17)는 우선, 도 15에 나타낸 설계 공간(25)에 독립된 복수의 기준면(33a, 33b)을 생성한다(도 21 참조). 다음에, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 도 21에 나타내는 상부의 삼각형의 기준면(33a)을 차폭 방향으로 압출하여, 도 22a에 나타내는 바와 같이 삼각기둥 부분의 상부 블록(27a)을 생성한다. 계속해서, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 삼각기둥의 아래쪽의 기준면(33b)(도 21 참조)을 차폭 방향으로 압출하여, 도 22b에 나타내는 바와 같이 하부 블록(27b)을 생성한다. 그 후, 최적화 블록 모델 생성부(17)는 생성한 블록끼리와, 이들 상부 블록(27a) 및 하부 블록(27b)의 결합체인 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)(차체)을 결합부(29)에 의해서 순차 결합한다(도 22c 참조).
상술한 바와 같이, 본 실시형태 3에서는 최적화 블록 모델(27)을 복수의 블록으로 분할해서 생성함으로써, 직방체와 같은 단순 형상의 블록으로 이루어지는 설계 공간(25)은 물론, 단순 형상이 아닌 설계 공간(25), 예를 들면 복잡한 형상의 블록이나 사면을 포함하는 블록 등으로 이루어지는 설계 공간(25)에 있어서도 최적화 블록 모델(27)을 생성하는 것이 가능하게 된다.
또, 최적화 블록 모델(27)을 복수의 블록으로 분할해서 생성함으로써, 최적화 블록 모델(27)을 완만한 면으로 형성할 수 있다. 이것에 의해, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 접합을 완만하게 할 수 있고, 그 결과, 최적화 블록 모델(27)과 구조체 모델(13)의 사이에 있어서의 하중 전달을 정확하게 실행할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 3에서는 상부 블록(27a) 및 하부 블록(27b)의 어느 쪽을 먼저 생성해도 좋고, 또, 이들 블록끼리(상부 블록(27a) 및 하부 블록(27b))의 결합과, 상부 블록(27a) 또는 하부 블록(27b)과 차체의 결합의 순서는 본 발명에 있어서 특히 불문하며, 어느 결합을 먼저 실행해도 좋다.
또, 본 실시형태 3에 있어서, 최적화는 절점이 공유된 공간을 대상으로 하는 것이 기본이기 때문에, 블록 결합은 결합 면적으로 해서 20% 이하로 하는 것이 바람직하다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 관한 형상 최적화 해석 방법 및 장치는 차체 등의 구조체의 최적화에 유용하고, 특히, 구조체의 가동 부분의 강성이나 충돌 특성의 향상과 구조체의 경량화를 모두 실현하는 형상 최적화 해석 방법 및 장치에 적합하다.
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　
12; 도어 프레임　 13; 구조체 모델　
14; 도어　 14a; 아우터 부품　
14b; 이너 부품　 14d; 힌지부　
15; 설계 공간 설정부　 17; 최적화 블록 모델 생성부
19; 결합 처리부　 20; 재료 특성 설정부　
21; 최적화 해석 조건 설정부　 22; 기구 해석 조건 설정부　
23; 최적 형상 해석부　 25; 설계 공간　
27; 최적화 블록 모델　 27a; 상부 블록　
27b; 하부 블록　 29; 결합부　
33; 기준면　 33a; 기준면　
33b; 기준면　 35 단　
41; 도어 모델　 41b; 이너 부품　
41c; 힌지부　 43; 축

Claims (17)

  1. 가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을, 평면 요소 또는 입체 요소를 사용해서 최적화를 실행하는 형상 최적화 해석 방법으로서,
    상기 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정 스텝과,
    설정된 상기 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성 스텝과,
    생성된 상기 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리 스텝과,
    상기 최적화 블록 모델에 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과,
    상기 최적화 블록 모델에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정하는 최적화 해석 조건 설정 스텝과,
    상기 최적화 블록 모델이 결합된 상기 구조체 모델에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정하는 기구 해석 조건 설정 스텝과,
    설정된 상기 최적화 해석 조건 및 상기 기구 해석 조건에 의거해서 상기 최적화 블록 모델에 대해 기구 해석을 실행하여, 상기 최적화 블록 모델의 최적 형상을 구하는 최적 형상 해석 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구 해석 조건 설정 스텝은 상기 구조체 모델에 대해 미리 기구 해석을 실행한 결과, 얻어진 하중 또는 변위를 설정하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정 스텝은 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 최적화 블록 모델의 결합된 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에는 상기 최적화 블록 모델의 입체 요소에 있어서의 영률을 상기 평면 요소에 있어서의 영률보다 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성한 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성 스텝은 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따르고, 또한 상기 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델은 상기 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 이용하는 동시에 상기 결합부에 배치된 상기 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델은 입체 요소에 의해서 구성되는 복수의 블록체로 이루어지고, 해당 복수의 블록체를 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용해서 연결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실행하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 방법.
  9. 가동 부분을 갖는 구조체 모델의 일부분을, 평면 요소 또는 입체 요소를 사용해서 최적화를 실행하는 형상 최적화 해석 장치로서,
    상기 가동 부분에 있어서의 최적화의 대상으로 되는 부분을 설계 공간으로서 설정하는 설계 공간 설정부와,
    설정된 상기 설계 공간에 입체 요소로 구성되고 최적화의 해석 처리를 실행하는 최적화 블록 모델을 생성하는 최적화 블록 모델 생성부와,
    생성된 상기 최적화 블록 모델을 상기 구조체 모델에 결합하는 결합 처리부와,
    상기 최적화 블록 모델에 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와,
    상기 최적화 블록 모델에 최적 형상을 구하기 위한 최적화 해석 조건을 설정하는 최적화 해석 조건 설정부와,
    상기 최적화 블록 모델이 결합된 상기 구조체 모델에 기구 해석을 실행하기 위한 기구 해석 조건을 설정하는 기구 해석 조건 설정부와,
    설정된 상기 최적화 해석 조건 및 상기 기구 해석 조건에 의거해서 상기 최적화 블록 모델에 대해 기구 해석을 실행하여, 상기 최적화 블록 모델의 최적 형상을 구하는 최적 형상 해석부를 구비한 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기구 해석 조건 설정부는 상기 구조체 모델에 대해 미리 기구 해석을 실행한 결과, 얻어진 하중 또는 변위를 설정하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 재료 특성 설정부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 최적화 블록 모델의 결합된 부위가 평면 요소로 구성되어 있는 경우에는 상기 최적화 블록 모델의 입체 요소에 있어서의 영률을 상기 평면 요소에 있어서의 영률보다 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소를, 오면체 이상 팔면체 이하이고 서로 평행한 2면을 적어도 1조 갖는 입체 요소로 구성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델에 있어서의 상기 설계 공간이 설치된 주위의 면을 따르고, 또한 상기 설계 공간의 최대 면적을 갖는 면에 평행하게 입체 요소를 세분화하는 상기 최적화 블록 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 구조체 모델을 구성하는 평면 요소 또는 입체 요소와의 결합부에 절점을 배치하고, 상기 최적화 블록 모델을 구성하는 입체 요소로서 육면체 입체 요소를 이용하는 동시에 상기 결합부에 배치된 상기 절점을 포함하는 평면을 따르도록 입체 요소를 쌓아 올리도록 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적화 블록 모델 생성부는 상기 최적화 블록 모델을 입체 요소에 의해서 구성되는 복수의 블록으로 구성하는 동시에, 해당 복수의 블록을 강체 요소, 빔 요소 또는 평면 요소를 이용해서 연결하여 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적 형상 해석부는 수치 해석에 의한 최적화 계산에 있어서 최적화 파라미터로 이산화를 실행하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적 형상 해석부는 토폴러지 최적화에 의한 최적화 계산을 실행하는 것을 특징으로 하는 형상 최적화 해석 장치.
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