(57)【要約】【課題】この発明は、設計支援装置に関し、流れの剥離の有無を加味して、流体経路の最適形状を探索する際の計算時間を良好に短縮できるようにすることを目的とする。【解決手段】数値流体計算により目標とする評価指標（タンブル比など）を満足する吸気ポートの最適形状を求める設計支援装置において、新たに解析を行おうとする新規の設計変数と、既に解析が行われた過去の設計変数とが類似するか否かを判定する。評価指標の解析結果が流れの剥離を伴うものであるか否かを判定する。新規の設計変数と過去の設計変数とが類似していると判定された場合に、当該新規の設計変数に対する評価指標の解析結果として、当該新規の設計変数と類似し、かつ剥離を伴わない過去の設計変数に対する評価指標の解析結果を割り当てる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値流体計算により目標とする評価指標を満足する流体経路の最適形状を求める設計支援装置であって、
前記流体経路の形状を規定する設計変数に応じた前記数値流体計算の結果に基づいて、目標とする前記評価指標の解析を行う解析実行手段と、
前記評価指標の解析結果に基づいて、目標とする前記評価指標が得られるように前記設計変数を修正する設計変数修正手段と、
前記評価指標の解析結果が流れの剥離を伴うものであるか否かを判定する剥離有無判定手段と、
前記評価指標の解析結果を、対応する前記設計変数および前記剥離の有無と関連付けて記憶する解析履歴記憶手段と、
新たに解析を行おうとする新規の設計変数と、既に解析が行われた過去の設計変数とが類似するか否かを判定する類似判定手段と、
前記類似判定手段によって前記新規の設計変数と前記過去の設計変数とが類似していると判定された場合に、当該新規の設計変数に対する前記評価指標の解析結果として、当該新規の設計変数と類似し、かつ前記剥離を伴わない前記過去の設計変数に対する前記評価指標の解析結果を割り当てる計算結果割当実行手段と、
を備えることを特徴とする設計支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、吸気ポートなどの設計をコンピュータによって支援するための設計支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、形状設計において多くの時間を必要とする実機評価の回数削減を狙い、数値流体計算（ＣＦＤ）によって形状の流れ場を把握することで形状の評価を行い、製品形状を確立するという試みが行われている。そのためには、ＣＦＤ評価を行うために形状をＣＡＤで作成し、その都度メッシュモデルを作成し、評価する必要がある。これに対し、メッシュ自体をモーフィングによって形状変更することで、ＣＡＤに戻らずに短時間でメッシュモデルを自動的に取得することができる。このような自動処理と最適化処理とを組み合わせることで、最適な形状を導出する最適化手法が、例えば特許文献１に記載のように知られている。
【０００３】
上記特許文献１に記載の技術では、演算の安定化に要する時間を効果的に短縮させるべく、モーフィング実行後の形状に対して、モーフィング実行前のベースのメッシュモデルの演算結果（流速などの演算結果）を割り当てる（マッピングする）ようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４３１０７号公報
【特許文献２】特開２００１−９８３８号公報
【特許文献３】特開２００７−１７２３４９号公報
【特許文献４】特開２００５−２８４６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、数値流体計算の結果を利用して流体経路の最適形状を求める場合には、形状が近似していても、流れの剥離の有無が異なるような条件が存在する。例えば、内燃機関の吸気ポートの場合には、全体形状としては近似であっても、スロート径の変形量によって吸気バルブ付近の剥離形態が異なることがあり、その結果、タンブル比などの評価指標が大きく異なってしまう場合がある。このような流体経路の形状評価において、上記特許文献１に記載の手法のようにある結果（ベースのメッシュモデルの演算結果）をマッピングしても、却って剥離が顕著となり、その結果、演算が不安定となって計算時間が余計に多くかかってしまう場合が生じ得る。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、流れの剥離の有無を加味して、流体経路の最適形状を探索する際の計算時間を良好に短縮できるようにした設計支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、設計支援装置であって、
数値流体計算により目標とする評価指標を満足する流体経路の最適形状を求める設計支援装置であって、
前記流体経路の形状を規定する設計変数に応じた前記数値流体計算の結果に基づいて、目標とする前記評価指標の解析を行う解析実行手段と、
前記評価指標の解析結果に基づいて、目標とする前記評価指標が得られるように前記設計変数を修正する設計変数修正手段と、
前記評価指標の解析結果が流れの剥離を伴うものであるか否かを判定する剥離有無判定手段と、
前記評価指標の解析結果を、対応する前記設計変数および前記剥離の有無と関連付けて記憶する解析履歴記憶手段と、
新たに解析を行おうとする新規の設計変数と、既に解析が行われた過去の設計変数とが類似するか否かを判定する類似判定手段と、
前記類似判定手段によって前記新規の設計変数と前記過去の設計変数とが類似していると判定された場合に、当該新規の設計変数に対する前記評価指標の解析結果として、当該新規の設計変数と類似し、かつ前記剥離を伴わない前記過去の設計変数に対する前記評価指標の解析結果を割り当てる計算結果割当実行手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、新規の設計変数に対する評価指標の解析結果として、当該新規の設計変数と類似し、かつ流れの剥離を伴わない過去の設計変数に対する評価指標の解析結果が割り当てられるようになる。これにより、流れの剥離の有無を加味して、流体経路の最適形状を探索する際の計算時間を良好に短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における設計支援システムのハードウェア構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１における設計支援システムのソフトウェア構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１のシステムにおける最適化探索を伴う流体解析計算の一連の処理を表したルーチンのフローチャートである。
【図４】モーフィングによる形状変更前後の吸気ポートのモデルを表した図である。
【図５】類似形状判定の手法を説明するための図である。
【図６】流れ場における剥離の有無を説明するための図である。
【図７】剥離判定の手法を説明するための図である。
【図８】データベーステーブルの一例を示す図である。
【図９】設計変数の感度曲線を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における設計支援システムのハードウェア構成を説明するための図である。本実施形態の設計支援システムは、設計対象（解析対象）となる流体経路（ここでは吸気ポート）の設計を支援するためのシステムであり、図１に示すような汎用のコンピュータ１０をハードウェアとして実現可能なものである。
【００１１】
図１に示すコンピュータ１０は、所定の設計条件（設計変数など）の入力を受け付ける入力装置１２、入力された設計条件に基づいて所定のプログラムを実行するＣＰＵ１４、ＣＰＵ１４による演算結果を出力する出力装置１６、および、ＣＰＵ１４が実行する各種プログラムや演算処理に必要な各種データが格納された記憶装置１８等の基本的構成要素を具備するものであればよい。
【００１２】
図２は、本発明の実施の形態１における設計支援システムのソフトウェア構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、図２に示すように、ベースメッシュモデル作成部２０、条件設定部２２、計算ソルバー２４、結果ＤＢ（データベース）部２６、最適化評価部２８、形状修正部３０、および、マッピング処理部３２を備えている。
【００１３】
ここでは、内燃機関の吸気ポートの形状を最適化するための流体解析を行うシステムとして、本設計支援システムを適用した例に説明を行うものとする。具体的には、吸気ポートを最適にするための評価指標としては、内燃機関の筒内のタンブル（縦渦流）比ＴＲや吸気ポートの流量係数ＣＦが用いられる。本システムの狙いは、トレードオフの関係にあるタンブル比ＴＲと流量係数ＣＦをともに満足させる最適なポート形状を探索して得ることである。
【００１４】
記憶装置１８には、本設計支援システムのユーザによって予め作成された吸気ポートの３次元形状データ（ＣＡＤ(Computer Aided Design)データ）が格納されている。また、記憶装置１８には、メッシュモデルの各セルに関する情報やその他各種の作業用データが記憶される。ベースメッシュモデル作成部２０は、そのＣＡＤデータを記憶装置１８から読み出したうえで、そのＣＡＤデータを複数のセル（有限要素）に分割して、ベースのメッシュモデルを作成する機能を有している。ベースのメッシュモデルは、基本的にはベースメッシュモデル作成部２０によって自動的に作成されるものであるが、ユーザの手によって作成されるものであってもよい。
【００１５】
条件設定部２２には、入力装置１２によってユーザから入力された境界条件や計算条件が設定される。ここでいう境界条件とは、メッシュモデルの境界条件（吸気ポート壁面の位置や温度の情報など）のことであり、計算条件とは、メッシュモデルの流れ計算に必要な各種の計算条件（吸気ポートの各部の径やポート高さなどの設計変数、およびメッシュモデル入口の流速など）のことである。
【００１６】
計算ソルバー２４では、条件設定部２２から得られた環境条件および計算条件の下で、メッシュモデルに対して流れ計算が実行される。より具体的には、そのような流れ計算は、メッシュモデルの個々のセルに対して実行される。
【００１７】
そして、計算ソルバー２４は、各セルに対する流速の計算結果に基づき、所定の関係式に従って、内燃機関の筒内のタンブル比ＴＲや吸気ポートの流量係数ＣＦを算出する。尚、各セルに付与される情報は、吸気ポート内のガス流速でなくても、吸気ポート内の圧力や吸気ポート内を流れるガスの運動エネルギなどであってもよい。
【００１８】
本実施形態のシステムでは、計算ソルバー２４により算出されるタンブル比ＴＲと流量係数ＣＦがともに目標値を満たすようになるまで、形状修正部３０によってメッシュの形状変更を施しつつ、上記の演算を繰り返すようにしている。そのような目的のために、計算ソルバー２４による計算結果は、最適化評価部２８に送られるようになっている。また、計算ソルバー２４による計算結果は、図８を参照して後述するようなデータベースとして、結果ＤＢ処理部２６に保存されるようになっている。
【００１９】
また、最適化評価部２８では、計算ソルバー２４による計算結果に基づいて、ベースのメッシュモデルの設計変数（吸気ポートの各部の径やポート高さなど）の変形量（すなわち、形状修正部３０によるメッシュモデルの変形量）が最適解となるように選定される。
【００２０】
形状修正部３０では、最適化評価部２８によって選定された設計変数の変形量に従って、メッシュモデルの形状を変更する処理、例えばモーフィングが行われる。より具体的には、吸気ポートの各部の径やポート高さが最適化評価部２８によって選定された値となるようにメッシュモデルの形状が変更される。
【００２１】
計算ソルバー２４は、目標タンブル比ＴＲmおよび目標流量係数ＣＦmをともに満たす最適な吸気ポート形状が得られたと判断できる計算結果が得られるまで、最適化評価部２８によって選定された適切な設計変数を形状修正部３０に与えつつ、当該形状修正部３０によって形状変更された後のメッシュモデルに対して演算を再度繰り返すようになっている。
【００２２】
モーフィングを行うことによってメッシュモデルの形状を変更させる上記手法によれば、メッシュモデルを逐一ＣＡＤ上で作成し直す必要なしに、短時間でメッシュモデルを取得することができる。また、モーフィングによれば、メッシュモデル全体の粗密分布を形状変更前のベースのメッシュモデルから大きく変えずに保持したままで、メッシュモデルの形状を変更させることが可能となる。
【００２３】
これにより、実機評価に対するモデル計算の結果のずれ量が形状変更を行う毎に大きく変わらなくなるので、モデルの計算結果の相対評価が可能となる。更に、上記手法によれば、モーフィングによるメッシュモデルの自動修正とモデル計算の結果の評価に加え、上述した最適化探索を組み合わせることで、目的に応じた最適な形状を自動で算出することが可能となる。
【００２４】
また、図２に示すマッピング処理部３２は、最適化評価部２８によって選定された設計変数の変形量に基づく形状変更後のメッシュモデルの形状に対して、既に解析が実行された類似形状であって流れの剥離の無い形状に関する解析結果を割り当てる（マッピングする）という処理を行う。このような処理は、本実施形態の特徴部分であるので、以下、図３乃至図９を参照して詳述する。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態１のシステムにおける最適化探索を伴う流体解析計算の一連の処理を表したルーチンのフローチャートである。
図３に示すルーチンでは、先ず、ステップ１００において、形状の最適化を実行する吸気ポートの目標値（タンブル比、流量係数、スワール比など）が入力されるとともに、吸気ポートを内燃機関に搭載するうえでの制約要件（固定領域、製造因子など）が定義される。また、本ステップ１００では、設計対象の変形領域や設計変数が定義される。
【００２６】
次に、ステップ１０２では、解析対象となるベースのモデル（メッシュモデルなど）がデータベースなどから取得される。次いで、ステップ１０４では、最適化評価部２８において、所定の最適化アルゴリズムを用いた最適化探索によって、上記ステップ１００で定義された設計変数の変形量が探索される。尚、本ルーチンの起動後に最初にステップ１０４の処理が実行される場合には、上記ステップ１００で定義された設計変数がそのまま使用される。
【００２７】
次に、ステップ１０６では、上記ステップ１０４において算出された変形量に従って、モデルの形状が選択された設計変数値に見合う形状に補正される。例えば、メッシュモデルの場合にはモーフィングなどにより形状が変更され、１次元モデルやＣＡＤモデルの場合には、モデルの寸法変更が行われる。また、本ステップ１０６では、対象となるモデルに対して、形状補正後の計算条件が設定される。尚、本ルーチンの起動後に最初にステップ１０６の処理が実行される場合には、上記ステップ１０２で取得されたベースのモデルの形状がそのまま使用される。
【００２８】
次に、ステップ１０８では、類似形状判定および剥離判定が実行される。先ず、図４および図５を参照して、類似形状判定の手法について説明する。図４は、モーフィングによる形状変更前後の吸気ポートのモデルを表した図であり、図５は、類似形状判定の手法を説明するための図である。より具体的には、図５（Ａ）は、形状変更の対象となった設計変数の近傍領域における形状変更後の吸気ポートの形状を示し、図５（Ｂ）は、過去において解析が実行済みの吸気ポートの形状を示している。
【００２９】
本ステップ１０８の類似判定においては、図５（Ａ）に示すように、設計変数近傍領域に任意点が作成され、当該任意点を基準として各表面節点へのベクトル値Ｕijが算出される。また、図５（Ｂ）に示すように、解析実行済みの吸気ポートの形状に対しても、任意点を基準として各表面節点へのベクトル値Ｖijが算出される。そして、これらのベクトル値Ｕij、Ｖijが次式に代入されることによって類似度Ｓiが算出されるようになっている。
【数１】
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【００３０】
上記の式によれば、２つのベクトル値Ｕij、Ｖijが互いに近づくにつれ、類似度Ｓiは１に近づいていくことになる。そこで、本実施形態では、当該類似度Ｓiが所定の閾値Ｓt以上となる場合に、今回の形状変更後の形状が、過去に解析実行済みの形状に類似すると判定するようにしている。
【００３１】
次に、図６および図７を参照して、剥離判定の手法について説明する。図６は、流れ場における剥離の有無を説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、流れ場に剥離が生じていない形状を、図６（Ｂ）は、流れ場に剥離が生じている形状を、それぞれ示している。図６に示すように、計算対象となる形状寸法が近似する場合であっても、わずかな形状の差異によって剥離の有無が変化する。
【００３２】
図７は、剥離判定の手法を説明するための図である。尚、図７中に示す３つの円は、設計変数１〜３の各部位における断面速度分布を示している。また、図７中に示す設計変数１〜３は、図６中に示す設計変数１〜３に対応している。
剥離の現象は、上流側から下流側に向かうに従って、図７に示すように、断面方向に拡大するように広がっていく。従って、流れ場の断面平均流速Ｖaveに対する各セルの差分面積（流速、圧力など）で判定することができる。より具体的には、例えば、｜断面平均流速Ｖave−各セルの流速Ｖi｜＞閾値Ａsとなる領域面積を算出するようにする。そして、算出された領域面積が閾値Ａt以上となる場合に、流れが壁から剥がれて拡散している、つまり、剥離が生じていると判定することができる。
【００３３】
上記ステップ１０８において、今回の形状補正のために選択された設計変数が既に解析が行われた過去の設計変数と類似すると判定され、かつ、当該類似の設計変数が流れの剥離を伴わないものであると判定された場合には、ステップ１１０において、今回選択された設計変数に対して、当該類似の設計変数に対する評価指標の解析結果がマッピングされる（割り当てられる）。そして、そのうえで、今回選択された設計変数の評価のための計算が実施され、タンブル比等の各評価指標（評価項目）の最終的な評価結果が算出される（ステップ１１２）。
【００３４】
一方、上記ステップ１０８において、今回選択された設計変数と類似する過去の設計変数であって剥離を伴わない設計変数がないと判定された場合には、過去の評価指標の解析結果のマッピングを行わずに、上記ステップ１１２において、今回選択された設計変数に対する計算が実施される。
【００３５】
次に、今回選択された設計変数に対する計算結果や判定結果がデータベースとして保持される（ステップ１１４）。図８は、そのようなデータベーステーブルの一例を示す図である。より具体的には、図８に示すように、評価計算を実行する度に、各設計変数値（変数１、変数２等）や各評価項目結果（評価１、評価２等）とともに、剥離の有無を判定する断面平均差分の算出結果および剥離の有無の情報（○、×）がデータベース表としてまとめられる。
【００３６】
次に、ステップ１１６では、評価項目に対する設計変数の感度を評価するための感度曲線が算出される。具体的には、上記データベースの結果に基づき、剥離有りの場合と剥離なしの場合のそれぞれに対する各設計変数についての評価項目毎の感度曲線関数が算出される。図９は、そのような設計変数の感度曲線を表した図である。より具体的には、図９は、剥離の有無によって設計変数の感度曲線にずれが生じている場合の例を示している。
【００３７】
図９に示すように剥離の有無によって設計変数の感度曲線にずれがある場合であって、剥離なしの点が剥離有りの場合の設計変数の感度曲線の周辺に存在しないような場合には、解析結果の信頼性が疑わしくなる。このため、このような形状を最適解とすることは、製造時のロバスト性を考慮すると製品に対して最適形状を反映することが困難となる。従って、剥離の有無によって設計変数の感度曲線があまりにもずれる場合には、剥離なしの場合の感度曲線で最適解の探索方向を定めるようにする方が、解のロバストな信頼性を確保することができる。
【００３８】
そこで、ステップ１１８では、感度差分判定（剥離有りの設計変数の感度曲線と剥離なしの設計変数の感度曲線とのずれの判定）が実行される。より具体的には、剥離有りの場合の感度曲線と剥離なしの場合の感度曲線のそれぞれについて、図９に示すように近似関数を算出し、これらの近似関数の微分変化量から極値を算出する。或いは、直線近似の場合には、変化率を評価値としてもつようにする。そして、剥離の有無によって極値や変化率の差が所定の閾値α以上であるか否かを判断する。
【００３９】
上記ステップ１１８における感度差分判定において、上記極値等の差が上記閾値α以上であると判定された場合には、剥離ありの評価結果に基づいて解の最適化を行うと信頼性に問題があると判断し、ステップ１２０において、剥離なしの場合の近似曲線の極値方向が探索方向となるように、最適化探索の探索方向が修正される。これにより、ロバストな最適指針を構築することができる。
【００４０】
次に、ステップ１２２では、最適化判定（目的関数判定）が実施される。その結果、解が未だ最適値に到達していないと判定された場合には、上記ステップ１０４にまで戻り、最適化探索が順次実施されていく。また、上記ステップ１１８において、上記極値等の差が上記閾値α以上でないと判定された場合には、上記ステップ１２０における探索方向の修正が行われることなく、上記ステップ１２２において、最適化判定が実施される。
【００４１】
ベースとなる評価指標の解析結果をそのままマッピングするようにした場合には、近似形状間で剥離などの影響差があるような形状間では、逆に演算が不安定となってしまう。これに対し、以上説明した図３に示すルーチンの処理によれば、剥離判定結果がマッピング処理部３２にフィードバックされ、類似形状判定時に剥離有りのデータが除外されたうえで、マッピングがされるように修正される。類似形状のデータをマッピングすることとすれば、一から計算する場合よりも計算時間を短縮することができる。そして、剥離のない形状のみをマッピングすることにより、不安定となるような計算を生じさせないようにすることができるので、一から計算したり、何らかの計算結果をマッピングしたりする場合よりも、計算安定化までの時間を短縮でき、その結果、総計算時間を確実に短縮することができる。
【００４２】
また、最適化探索においては、類似形状であっても剥離の有無が異なる形状では、計算精度への信頼性が低くなる。そして、製造上のロバスト性を考慮すると、そのような形状を最適形状としても製造上困難である。これに対し、上記図３に示すルーチンの処理によれば、剥離有無判定による結果と最適化による設計変数の感度評価とを適合し、剥離の有る形状感度は除外した設計変数感度探索が行われるようになる。これにより、剥離の有無を判定して製造要件を加味したロバストな最適化探索を実現することができる。
【００４３】
ところで、上述した実施の形態１においては、剥離判定（不安定な流れの判定）を断面間の流れ場の情報平均値（流速、圧力など）で評価する例について説明を行ったが、剥離判定の手法はこれに限らず、例えば、流れ方向のベクトル変化量で評価しても良い。
【００４４】
また、上述した実施の形態１においては、類似度Ｓiという指標を用いて形状間（設計変数間）で類似判定を行うようにしたが、類似形状判定の手法はこれに限らず、例えば、中心スプラインなどの方向ベクトルで評価しても良い。
【００４５】
尚、上述した実施の形態１においては、ＣＰＵ１４が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「解析実行手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「設計変数修正手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「剥離有無判定手段」および「類似判定手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「解析履歴記憶手段と」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「計算結果割当実行手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００４６】
１０  コンピュータ
１２  入力装置
１４  ＣＰＵ
１６  出力装置
１８  記憶装置
２０  ベースメッシュモデル作成部
２２  条件設定部
２４  計算ソルバー
２６  結果ＤＢ部
２８  最適化評価部
３０  形状修正部
３２  マッピング処理部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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