(57)【要約】【課題】設計者の経験や勘に依存することなく成形加工技術によって製造可能な構造体の最適形状を短時間で設計可能な構造体の最適形状設計方法、最適形状設計装置、及び最適形状設計プログラムを提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置１は、少なくとも一つの成形可能な部分構造形状のデータを所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状ＤＢ２と、密度−構造形状ＤＢ２を参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する部分構造形状を配置することにより、構造体の密度分布を部分構造形状の集合体に変換し、部分構造形状の集合体のデータを構造体の最適形状のデータとして出力する情報処理装置３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計方法であって、
少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換する変換ステップと、
前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する出力ステップと、
を含むことを特徴とする構造体の最適形状設計方法。
【請求項２】
前記部分構造形状は、材料を配置するリブ部と、材料を配置しない隙間部と、により定義されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体の最適形状設計方法。
【請求項３】
前記部分構造形状は、成形時に所定の方向に型抜き可能な構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体の最適形状設計方法。
【請求項４】
前記部分構造形状は、材料を配置するリブ部と、材料を配置しない隙間部と、により定義され、前記変換ステップは、型抜き方向手前側に配置される部分構造形状の全てのリブ部が、型抜き方向奥側に配置される部分構造形状のリブ部上に配置されるように前記部分構造形状を配置するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の構造体の最適形状設計方法。
【請求項５】
前記成形加工技術が射出成形加工技術又はプレス成形加工技術であることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の構造体の最適形状設計方法。
【請求項６】
成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計装置であって、
少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースと、
前記密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換し、前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する情報処理装置と、
を備えることを特徴とする構造体の最適形状設計装置。
【請求項７】
コンピュータによって実行される、成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計プログラムであって、
少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換する変換処理と、
前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する出力処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする構造体の最適形状設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計方法、最適形状設計装置、及び最適形状設計プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
射出成形加工やプレス成形加工等の成形加工技術によって製造される構造体の設計段階において、所定の制約条件の下で任意の目的を満足する構造体の最適形状を設計する手法の一つとして、ＣＡＥ（Computer  Aided  Engineering）を利用したトポロジー最適化（位相最適化）手法が知られている。トポロジー最適化手法とは、構造体の密度と剛性及び強度とを関連付けし、設計空間内における構造体の密度分布を設計変数として最適化する手法のことを意味する。このトポロジー最適化手法は、最も自由度の高い形状最適化手法であり、既存概念にとらわれない形状設計案の導出が可能であることから近年広く利用されている。
【０００３】
ところが、トポロジー最適化手法による最適化計算結果は構造体の密度分布に関する情報であるために、構造体の最適形状を設計する際には最適化計算結果の意味を上手に解釈しなければならない。具体的には、トポロジー最適化手法による最適化計算結果をそのまま使用しても成形加工によって構造体を製造できない場合がある。このため、設計者は、構造体の厚みが所定値以上あるか否かを判断したり、抜け加工が可能であるか否かを判断したりして、最適化計算結果に基づいて成形加工技術によって製造可能な構造体のリブ構成を決定しなければならない。また、密度が１より小さい領域をどのように扱うのかを慎重に考えなければならない。従って、トポロジー最適化手法を利用して構造体の最適形状設計ができるか否かは設計者の経験や勘に大きく依存する。
【０００４】
このような背景から、特許文献１や特許文献２には、トポロジー最適化手法を利用した構造体の最適形状設計を支援するための技術が提案されている。具体的には、特許文献１には、大きなメッシュサイズで部品全体のトポロジー最適化を実施し、リブ構成が必要な小領域を特定し、特定した小領域に限定してさらに小さいメッシュサイズでトポロジー最適化を実施することによってリブ構成を設計する技術が記載されている。また、特許文献２には、トポロジー最適化計算結果で得られた凹凸形状の二次元断面形状を作成し、作成した二次元断面形状を多項式で繋いで滑らかな面を作成することにより構造体の実形状を作成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０５９１５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８６６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、トポロジー最適化を複数回実施する必要があるために、構造体の最適形状設計に多くの時間を要する。また、特許文献２に記載の技術は、凹凸のない構造体形状を作成することが目的となっており、作成された構造体形状の成形の可否を考慮していないために、成形加工技術によって構造体を製造できない可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、設計者の経験や勘に依存することなく成形加工技術によって製造可能な構造体の最適形状を短時間で設計可能な構造体の最適形状設計方法、最適形状設計装置、及び最適形状設計プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法は、成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計方法であって、少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換する変換ステップと、前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法は、上記発明において、前記部分構造形状は、材料を配置するリブ部と、材料を配置しない隙間部と、により定義されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法は、上記発明において、前記部分構造形状は、成形時に所定の方向に型抜き可能な構造であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法は、上記発明において、前記部分構造形状は、材料を配置するリブ部と、材料を配置しない隙間部と、により定義され、前記変換ステップは、型抜き方向手前側に配置される部分構造形状の全てのリブ部が、型抜き方向奥側に配置される部分構造形状のリブ部上に配置されるように前記部分構造形状を配置するステップを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法は、上記発明において、前記成形加工技術が射出成形加工技術又はプレス成形加工技術であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る構造体の最適形状設計装置は、成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計装置であって、少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースと、前記密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換し、前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する情報処理装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る構造体の最適形状設計プログラムは、コンピュータによって実行される、成形加工技術によって製造される構造体の最適形状設計プログラムであって、少なくとも一つの成形可能な部分構造形状に関する情報を所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状データベースを参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する前記部分構造形状を配置することにより、前記構造体の密度分布を前記部分構造形状の集合体に変換する変換処理と、前記部分構造形状の集合体に関する情報を前記構造体の最適形状に関する情報として出力する出力処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る構造体の最適形状設計方法、最適形状設計装置、及び最適形状設計プログラムによれば、設計者の経験や勘に依存することなく成形加工技術によって製造可能な構造体の最適形状を短時間で設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、密度−構造形状データベースに格納されている部分構造形状の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である最適形状設計処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、構造体の設計空間モデル、密度分布、及び最適形状モデルの一例を示す図である。
【図５】図５は、隣接する部分構造形状（リブ構成）の配置方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置の構成及びその動作について詳細に説明する。
【００１８】
〔構成〕
まず、図１，図２を参照して、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置の構成を示すブロック図である。図２は、密度−構造形状データベースに格納されている部分構造形状の一例を示す図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置１は、射出成形加工技術及びプレス成形加工技術等の成形加工技術によって製造される構造体の最適形状を設計する装置であり、密度−構造形状データベース（ＤＢ）２と、情報処理装置３と、を主な構成要素として備えている。密度−構造形状ＤＢ２と情報処理装置３とは相互に情報通信可能な形態で電気的に接続されている。
【００２０】
密度−構造形状ＤＢ２は、少なくとも一つの成形可能な構造体の部分構造形状（リブ構成）のデータを所定の密度分布の範囲毎に格納している。本実施形態では、図２に示すように、材料を配置するリブ部１１と、材料を配置しない隙間部１２と、により定義される部分構造形状のデータが所定の密度分布の範囲（本例では０〜０．３３，０．３３〜０．５，０．５〜０．７５）に密度−構造形状ＤＢ２に格納されている。また、各部分構造形状は、成形時に所定の方向に型抜き可能な構造となっており、各部分構造形状のデータは、対応する密度分布の範囲に関する情報、材料情報、寸法情報、座標情報、及び固有の識別情報を含んでいる。
【００２１】
なお、図２に示す例では、所定の密度分布の範囲毎に一つの成型可能な構造体の部分構造形状が設定されているが、所定の密度分布の範囲毎に複数の部分構造形状を設定してもよい。また、複数の部分構造形状を設定した場合、隣り合う部分構造形状のリブ部１１が連続して繋がるように、部分構造形状の横に配置できる部分構造形状を予め設定してもよい。また、リブ部１１の材質毎に部分構造形状を設定してもよい。
【００２２】
情報処理装置３は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の公知の情報処理装置により構成され、内部の演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することにより、位相最適化計算部３ａ、密度−構造変換部３ｂ、及び最適形状出力部３ｃとして機能する。これら各部の機能については後述する。なお、上述したコンピュータプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。また、上述したコンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることによって提供するように構成してもよい。また、上述したコンピュータプログラムをインターネット等の電気通信回線を介して提供又は配布するように構成してもよい。
【００２３】
このような構成を有する本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置１では、情報処理装置３が以下に示す最適形状設計処理を実行することにより、設計者の経験や勘に依存することなく成形加工技術によって製造可能な構造体の最適形状を短時間で設計する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、本発明の一実施形態である最適形状設計処理を実行する際の情報処理装置３の動作について説明する。
【００２４】
〔最適形状設計処理〕
図３は、本発明の一実施形態である最適形状設計処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、情報処理装置３に対して構造体の設計空間モデル（有限要素モデル）及び最適化条件が入力されたタイミングで開始となり、最適形状設計処理はステップＳ１の処理に進む。なお、構造体の設計空間モデルとしては、図４（ａ）に示すようなものを例示する。
【００２５】
ステップＳ１の処理では、位相最適化計算部３ａが、入力された構造体の設計空間モデル及び最適化条件を用いて位相最適化計算を実行することにより、構造体の最適化された密度分布に関するデータを算出する。なお、位相最適化計算は本願発明の出願時点で公知であるので、その詳細な説明は省略する。また、構造体の密度分布のデータには、構造体の形状情報、座標情報、及び各座標における密度情報が含まれている。また、構造体の最適化された密度分布としては、図４（ｂ）に示すようなものを例示できる。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、最適形状設計処理はステップＳ２の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ２の処理では、密度−構造変換部３ｂが、密度−構造形状ＤＢ２を参照して、ステップＳ１の処理によって算出された構造体の密度分布毎に対応する部分構造形状を配置することにより、構造体の密度分布を部分構造形状の集合体に変換する。部分構造形状の集合体としては、図４（ｃ）に示すようなものを例示できる。ここで、この処理の際、密度−構造変換部３ｂは、型抜き方向手前側に配置される部分構造形状の全てのリブ部１１が、型抜き方向奥側に配置される部分構造形状のリブ部１１上に配置されるように部分構造形状を配置することが望ましい。また、図５に示すように、型抜き可能な構造を形成するように、隣接する部分構造形状（リブ構成Ａ，Ｂ）の外周にリブ部（リブ部１１ａ，１１ｂ）を形成して隣接する部分構造形状を配置、接続してもよい。
【００２７】
なお、型抜き方向に関する情報は、ユーザに入力させてもよいし、構造体の設計空間モデルや密度分布のデータに情報が含まれている場合にはその情報を引き継いでもよい。また、型抜き方向に対して垂直な面内方向では、複数の部分構造形状の密度の平均値が最大になるように部分構造形状を配置することが望ましい。また、一つの密度分布の範囲に複数の部分構造形状が設定されている場合には、ユーザに使用する部分構造形状を選択させてもよいし、各部分構造形状毎に部分構造形状の集合体を形成してもよい。部分構造形状の集合体のデータには、構造体の形状、座標値、及び各座標における部分構造形状の情報が含まれている。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、最適形状設計処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２８】
ステップＳ３の処理では、最適形状出力部３ｃが、部分構造形状の集合体のデータを構造体の最適形状のデータとして表示装置、印刷装置、通信装置等の出力装置に出力する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、一連の最適形状設計処理は終了する。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である構造体の最適形状設計装置１は、少なくとも一つの成形可能な部分構造形状のデータを所定の密度分布の範囲毎に格納している密度−構造形状ＤＢ２と、密度−構造形状ＤＢ２を参照して、位相最適化計算によって得られた構造体の密度分布毎に対応する部分構造形状を配置することにより、構造体の密度分布を部分構造形状の集合体に変換し、部分構造形状の集合体のデータを構造体の最適形状のデータとして出力する情報処理装置３と、を備えるので、設計者の経験や勘に依存することなく成形加工技術によって製造可能な構造体の最適形状を短時間で設計できる。
【００３０】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
１  構造体の最適形状設計装置
２  密度−構造形状データベース（ＤＢ）
３  情報処理装置
３ａ  位相最適化計算部
３ｂ  密度−構造変換部
３ｃ  最適形状出力部
１１，１１ａ，１１ｂ  リブ部
１２  隙間部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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