(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モデルの形状を修正して構造解析を行う設計システムにおいて、
モデルをメッシュ分割する手段と、
上記メッシュ分割したモデルのエッジである親エッジより新たなエッジである子エッジを生成して表示する手段と、
上記表示された子エッジの形状をユーザが修正する手段と、
上記親エッジ上の複数の節点から平行に投影、放射状に投影、あるいは１点から投影のいずれかの投影方法により上記子エッジ上の節点を求めることで、上記親エッジ上の複数の節点に対応する上記子エッジ上の複数の節点の集合であるベーシスベクタを求める手段と、
上記メッシュ分割したモデルと上記ベーシスベクタとを用いて構造解析を行う手段と
を有する設計システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モデルの形状を修正して構造解析を行う設計システムおよび記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造解析において、形状の候補（ベーシスベクタ）を複数定義した上で、例えば強度を保ちながら重量を最小化するにはどういうモデル形状が望ましいかを求める場合、図９に示すように、（ａ）の形状をメッシュ分割して（ｂ）のようにする。次に、手作業により、（ｃ）に示すように、メッシュ分割した各エッジ（辺）上の節点についてそれぞれ小さな○で示す座標を１つ１つ手作業で入力（ｘｙｚ座標を指定）して修正し、修正後のエッジをもとに形成されるモデルについて、公知の制約条件や材料の属性（強度、重量など）をもとに構造解析を行い、所定の強度を満たす例えば重量が最小のモデル形状の最適解を求めるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した設計最適化を行う場合、モデルをメッシュ分割して各エッジ（辺）上の節点を手作業により１つ１つ図９の（ｃ）に示すように座標値と関連づける必要があり、節点数が多いと極めて多数の手入力操作が必要となり、手間が大変で迅速に構造解析を行えないという問題があった。
【０００４】
本発明は、これらの問題を解決するため、モデルをメッシュ分割した親エッジに対し任意の曲線からなる子エッジが指定されると親エッジから子エッジに投影して自動的に座標計算し、これをもとに構造解析して最適解を求めることで、簡易な操作によって迅速に構造解析を可能にすることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図１を参照して課題を解決するための手段を説明する。
図１において、処理装置２は、プログラムに従い各種処理を実行するものであって、ここでは、メッシュ分割手段４およびベーシスベクタ自動生成手段５などから構成されるものである。
【０００６】
メッシュ分割手段４は、モデルをメッシュ分割するものである。
ベーシスベクタ自動生成手段５は、モデルをメッシュ分割した親エッジをコピーした子エッジを修正し、親エッジを子エッジに投影して対応関係を求めてベーシスベクタを自動生成するものである。
【０００７】
設計最適化手段８は、ベーシスベクタをもとに最適化を行うものである。
次に、動作を説明する。
メッシュ分割手段４がモデルをメッシュ分割し、ベーシスベクタ自動生成手段５がメッシュ分割したエッジ（親エッジという）をコピーして表示し、表示されたエッジ（子エッジという）が任意形状に修正されると、親エッジを修正された子エッジに投影して対応関係を求めてベーシスベクタを生成し、設計最適化手段８が生成したベーシスベクタをもとに最適化を行うようにしている。
【０００８】
この際、親エッジに対応づけて子エッジを表示し、対応関係を分かり易くするようにしている。
また、投影として、平行に投影、放射状に投影、あるいは１点から投影して対応関係を求めるようにしている。
【０００９】
また、画面上に表示された子エッジを任意形状に修正あるいは関数を指定して任意形状に修正するようにしている。
従って、モデルをメッシュ分割した親エッジに対し任意の曲線からなる子エッジが指定されると親エッジから子エッジに投影して自動的に座標計算し、これをもとに構造解析して最適解を求めることにより、簡易な操作によってモデル形状の修正を実現して迅速に構造解析することが可能となる。
【００１０】
【実施例】
次に、図１から図８を用いて本発明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１において、形状モデル１は、ＣＡＤで作成した３次元形状のモデルであって、後述する図５の（ａ）や図８の（ａ）に示すような物体を表す形状である。
【００１２】
処理装置２は、図示外の記録媒体から読み出したプログラムを主記憶にローディングして起動し以下に説明する各種処理を実行するものであって、ここでは、ベーシスベクタ属性情報付加手段３、メッシュ分割手段４、およびベーシスベクタ自動生成手段５などから構成されるものである。
【００１３】
ベーシスベクタ属性情報付加手段３は、モデルを表現するベーシスベクタの各種属性情報を付加するものである。
メッシュ分割手段４は、形状モデルをメッシュ分割するものである。
【００１４】
ベーシスベクタ自動生成手段５は、形状モデルをメッシュ分割した親エッジをコピーした子エッジを表示したり、表示された子エッジを修正したり、親エッジを子エッジに投影して対応関係を求めてベーシスベクタを生成したりなどするものである（図２、図３、図４参照）。
【００１５】
設計最適化手段８は、ベーシスベクタをもとに最適化を行うものである。
次に、図２のフローチャートの順番に従い図１の構成の動作を詳細に説明する。
【００１６】
図２は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図２において、Ｓ１は、形状モデリングを行う。これは、ＣＡＤを使って３次元物体のモデルを作成する。
【００１７】
Ｓ２は、構造解析の条件を設定する。例えば制約条件、材料の特定などを設定する。
Ｓ３は、最適化条件を設定する。これは、図示のように、
・子エッジを自動生成
・ユーザが子エッジを変形
・属性情報を付加
などを設定する。ここで、子エッジを自動生成は、図５の（ｂ）に示す親エッジ（モデルをメッシュ分割して生成した辺）のコピーを親エッジに対応つけて子エッジ（親エッジと同じ形状のエッジ）として表示する。ユーザが子エッジを変形は、図５の（ｂ）に示すように子エッジをマウスなどを使って右側に凸の状態に変形する。属性情報を付加は、子エッジに親エッジと異なるあるいは新規の属性情報を付加する。
【００１８】
Ｓ４は、メッシュ分割する。これは、図示のように、
・メッシュ分割
・ベーシスベクタを自動生成
などを行う。メッシュ分割は、後述する図５の（ｃ）に示すように、モデルをメッシュで分割する。ベーシスベクタを自動生成は、後述する図４のフローチャートに従い図５の（ｄ）に示すように自動生成する。
【００１９】
Ｓ５は、最適化を実行する。これは、Ｓ４で自動生成されたベーシスベクタをもとに、最適化計算を行う（制約条件、材料の特性などをもとに最適な形状を決定する）。
【００２０】
Ｓ６は、Ｓ５の最適化の結果を表示する。例えば後述する図８の（ｃ）に示すように、最適化計算した結果の形状を表示する。
Ｓ７は、終了か（満足した形状が得られたか）判別する。ＹＥＳの場合には、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ１に戻りモデル形状自体を変更してＳ２以降を実行、あるいはＳ２に戻り構造解析の条件を変更してＳ３以降を実行、あるいはＳ３に戻り最適化条件を変更してＳ４以降を実行する。
【００２１】
以上によって、形状モデルをメッシュ分割して親エッジのコピーである子エッジを対応つけて表示し、子エッジの変形に対応してベーシスベクタを自動生成し、これをもとに最適化計算を行ってその結果の形状を表示することを繰り返すことにより、例えば所定の強度を持ち最適（最小体積）を持つ形状を設計することが可能となる。
【００２２】
図３は、本発明の詳細動作説明フローチャート（その１）を示す。
図３において、Ｓ１１は、メニューから「ベーシスベクタ」を選択する。
Ｓ１２は、「親エッジをピック」というメッセージを表示する。
【００２３】
Ｓ１３は、親エッジをピックする。
Ｓ１４は、子エッジをコピーして表示する。
Ｓ１５は、子エッジを変形する。これらＳ１１からＳ１５は、メニュー画面上で「ベーシスベクタ」をマウスで選択し、続いて、「親エッジをピック」というメッセージに対応して、後述する例えば図５の（ｂ）に示す、表示された親エッジをマウスでクリックして選択すると、コピーされた子エッジが表示されるので、この表示された子エッジを例えば図示のように変形する。
【００２４】
Ｓ１６は、射影方法の設定を行う。これは、親エッジを子エッジに射影して対応関係を求める際の射影方法を設定、例えば
・Ｙ方向に平行
・放射
・１点から放射
・その他の射影方法
のいずれかを設定する。
【００２５】
Ｓ１７は、次ありか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ１４に戻り繰り返す。ＮＯの場合には、Ｓ１８に進む。
Ｓ１８は、形状データのメッシュ分割を行う。
【００２６】
Ｓ１９は、射影方法にもとづいてベーシスベクタを射影する。これにより、Ｓ１６で設定された射影方法に従い、後述する図４のＳ２１からＳ2７の手順で親エッジの節点番号と子エッジの座標値とを対応づける。
【００２７】
以上によって、親エッジと任意に変形した子エッジとを対応づけて記憶することが可能となる。
図４は、本発明の詳細動作説明フローチャート（その２）を示す。これは、既述した図３のＳ１９の詳細動作説明フローチャートである。
【００２８】
図４において、Ｓ２１は、射影方法が平行か判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ２２からＳ２４によって平行射影により親エッジと子エッジとを関係づける。ＮＯの場合には、Ｓ２５からＳ２７で指定した射影により親エッジと子エッジとを関係づける。
【００２９】
Ｓ２２は、親エッジの節点を抽出する。ここでは、親エッジの節点の節点番号と座標値を抽出する。
Ｓ２３は、指定された方向に節点を子エッジに射影する。これは、指定された方向に平行で親エッジの節点を子エッジに向け射影する。
【００３０】
Ｓ２４は、節点番号と子エッジの座標値を関連づけて記憶する。
以上のＳ２１のＹＥＳ，Ｓ２２からＳ２４によって、親エッジの節点を指定された方向に平行で子エッジに射影し、親エッジの節点の節点番号と子エッジの射影された対応する点の座標値とを関連づけて記憶することにより、親エッジと子エッジとを関連づけて記憶することが可能となる。
【００３１】
また、Ｓ２５は、親エッジの節点を抽出する。ここでは、親エッジの節点の節点番号と座標値を抽出する。
Ｓ２６は、指定された放射中心座標から節点を子エッジに射影する。これは、指定された放射中心座標から親エッジの節点を子エッジに向け射影する。
【００３２】
Ｓ２７は、節点番号と子エッジの座標値を関連づけて記憶する。
以上のＳ２１のＮＯ，Ｓ２５からＳ２７によって、親エッジの節点を指定された放射中心座標から親エッジの節点を子エッジに射影し、親エッジの節点の節点番号と子エッジの射影された対応する点の座標値とを関連づけて記憶することにより、親エッジと子エッジとを関連づけて記憶することが可能となる。
【００３３】
図５は、本発明の説明図を示す。
図５の（ａ）は、形状モデルの例を示す。この形状モデルには、属性情報を付加する。
【００３４】
図５の（ｂ）は、親エッジをコピーして子エッジを生成し、子エッジを変形した様子を示す。ここでは、親エッジをコピーした子エッジを右に湾曲した形状に変形した後の様子を示す。この際、子エッジには親エッジの属性情報を変更したり、付加したりすることができる。
【００３５】
図５の（ｃ）は、メッシュ分割および子エッジを表示した様子を示す。
図５の（ｄ）は、親エッジの節点を平行に子エッジに射影した様子を示す。ここで、黒丸は親エッジの節点を表し、白丸は親エッジの節点を子エッジに平行に射影したものである。両者の関係は、親エッジの節点番号に子エッジの座標値を対応づけて記憶する。
【００３６】
以上のように、形状モデルをメッシュ分割して親エッジをコピーした子エッジを表示して子エッジの変形に対応して、親エッジの節点を子エッジに射影して親エッジの節点番号と子エッジに射影した座標値とを関連づけて記憶することにより、簡単な操作で任意の形状に変形した候補モデル（ベーシスベクタ）を作成することが可能となる。
【００３７】
図６は、オペレーション回数比較例を示す。
図６の（ａ）は、節点数１００の個所に対して５パターンのベーシスベクタを定義する場合の様子を示す。ここで、太線の左側の親エッジと、右側の細線の子エッジとがあり、親エッジの節点１０１から２００までの１００個の節点を子エッジに対応づける場合を例に挙げる。
【００３８】
図６の（ｂ）は、ユーザオペレーション（手作業）の回数比較例を示す。
図６の（ｂ−１）は、従来方法の操作回数の計算例を示す。
・親エッジの節点からベーシスベクタ構成点を作成１００回×５パターン＝５００回の操作が必要となる。これは、従来技術の欄に記載した手作業で親エッジの節点（１パターンで１００個）に対応する変形後の形状への対応点（ベーシスベクタ構成点）の座標をそれぞれ設定するので、１パターンについて１００回の座標指定（座標入力）が必要となり、５パターンで合計５００回の操作が必要となる。
【００３９】
図６の（ｂ−２）は、本発明の操作回数の計算例を示す。
・（子エッジ作成に１回＋ＣＡＤモデリング機能により形状作成（子エッジの形状作成）に１回）×５パターン＝１０回の操作が必要となる。
【００４０】
従って、従来の手作業で操作した場合の５００回から本発明では１０回の操作で済み、オペレータの操作回数が極めて少なくでき、簡単かつ迅速に多数の異なるパターンの形状の候補モデル（ベーシスベクタ）を自動作成して最適化設計することが可能となる。
【００４１】
図７は、本発明の設計最適化に必要なデータ構造例を示す。
図７の（ａ）は、全体のデータ構造例を示す。ここでは、図示の下記のデータから構成される。
【００４２】
・ヘッダ：
・構造データ：
・境界条件データ：
・設計変数データ：
・設計変数と節点座標関係データ：
・その他：
ここで、ヘッダはデータの名称などを表す情報を設定したものである。構造データは３次元形状を表す構造データである。境界条件データは、構造データで表される３次元形状の境界条件を設定したものである。設計変数データは、図７のｂ）に示すように、形状を変形したパターン情報（例えば既述した図６の（ａ）のパターン１，２，３，４，５という情報）を設定したものである。設計変数と節点座標関係データは、図７の（ｃ）に示すように、親エッジの節点番号と子エッジの座標値とを対応づけて設定したものである。
【００４３】
図７の（ｂ）は、設計変数データの例を示す。ここでは、既述した図６の（ａ）の５つのパターンについて図示のように設定したものである。
図７の（ｃ）は、設計変数と節点座標関係データの例を示す。ここでは、矢印で示したように、５つのパターンについて、それぞれ１００個の親エッジの節点番号と子エッジ上の座標値とを対応づけて設定したものである。
【００４４】
図７の（ｄ）は、ベーシスベクタ属性データ構造例を示す。ここでは、図示の下記の属性データを設定する。
0003648089.tif 000002
図８は、本発明の説明図を示す。
【００４５】
図８の（ａ）は、最適化前の形状（モデル）を示す。ここでは、図示の下記のように条件を設定した。
▲１▼荷重条件：右端を上方向（Ｙ方向）へ荷重１１１．１を付加する
▲２▼拘束条件：左端を完全に固定する
▲３▼材料条件：鉄を使用する
▲４▼最適化条件：全要素の最大せん断応力を９０．０以下のまま体積を最小化する（最適化前の体積１．９７４×１０4  ）
図８の（ｂ）は、ベースベクタ例を示す。
【００４６】
図８の（ｂ−１）は、点線の穴を実線の穴のように拡大したベースベクタ例を示す。
図８の（ｂ−２）は、点線の穴を実線のように横方向に拡大した穴のベースベクタ例を示す。
【００４７】
図８の（ｂ−３）は、点線の穴を矩形の穴のように拡大したベースベクタ例を示す。尚、図８の（ｂ−１）から（ｂ−３）では、拡大したけれども、これにかぎられず、縮小してもよい。
【００４８】
図８の（ｃ）は、図８の（ａ）の最適化前の形状について、図８の（ｂ−１）から（ｂ−３）に示すベーシスベクタをもとに１０度目の反復計算により収束した最適化後の形状例を示す。この場合には、図示の形状でそれぞれ表されるように最適化が行われる。最適化後の体積は、図示のように、０．９９９×１０4が得られた。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モデルをメッシュ分割した親エッジに対し任意の曲線からなる子エッジが指定されると親エッジから子エッジに投影して自動的に座標計算し、これをもとに構造解析して最適解を求める構成を採用しているため、簡易な操作によって候補モデル（ベーシスベクタ）の作成を実現して迅速に構造解析することが可能となる。これにより、
（１）  親エッジに対して複数個の子エッジを定義（設定）する操作を容易に行うことができる。
【００５０】
（２）  子エッジを変形させる操作もＣＡＤモデリングコマンドなどを用いて簡易に操作でき、手間のかかるベーシスベクタ作成を自動的に生成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム構成図である。
【図２】本発明の動作説明フローチャートである。
【図３】本発明の詳細動作説明フローチャート（その１）である。
【図４】本発明の詳細動作説明フローチャート（その２）である。
【図５】本発明の説明図である。
【図６】オペレーション回数比較例である。
【図７】本発明の設計最適化に必要なデータ構造例である。
【図８】本発明の説明図である。
【図９】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１：形状モデル
２：処理装置
３：ベーシスベクタ属性情報付加手段
４：メッシュ分割手段
５：ベーシスベクタ自動生成手段
６：モデル（形状データ）
７：ベーシスベクタ
８：設計最適化手段
【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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