(57)【要約】【課題】要求特性を満たしながら軽量化を図ることのできる内部構造を容易に選定することを目的とする。【解決手段】設計支援装置１は、体積密度及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが、体積密度に関するパラメータ及び材料物性値と関連付けられて格納された記憶部２１と、構造物の外部形状及び要求特性を入力データとして取得し、要求特性を満足するとともに質量の軽量化が実現された構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する最適化処理部２２と、最適化処理部２２の解析結果に基づいて、記憶部２１に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択するモデル選択部２３と、選択した単位構造モデルを構造物の対応箇所に与えることにより、構造物の内部構造を決定する内部構造決定部２８とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積密度及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが、前記体積密度に関するパラメータ及び材料物性値と関連付けて格納された記憶部と、
構造物の外部形状及び要求特性を入力データとして取得し、前記要求特性を満足するとともに質量の軽量化が実現された前記構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する最適化処理部と、
前記最適化処理部の解析結果に基づいて、前記記憶部に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択するモデル選択部と、
選択した前記単位構造モデルを前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の内部構造を決定する内部構造決定部と
を具備する設計支援装置。
【請求項２】
前記モデル選択部によって選択された前記単位構造モデルの材料物性値を前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の均質化モデルを作成するモデル作成部と、
前記均質化モデルを用いて構造解析を行う構造解析部と、
前記構造解析部による構造解析結果が前記要求特性を満足しているか否かを判定する判定部と
を有し、
前記内部構造決定部は、前記判定部によって前記要求特性を満足していると判定された場合に、前記構造物の内部構造を決定する請求項１に記載の設計支援装置。
【請求項３】
前記判定部によって前記要求特性を満足していないと判定された場合に、前記要求特性を満たしていないと判定された領域に対応する前記単位構造モデルを変更するモデル変更部を備える請求項２に記載の設計支援装置。
【請求項４】
複数の前記単位構造モデルは、複数の管状体が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされている請求項１から３のいずれかに記載の設計支援装置。
【請求項５】
前記記憶部には、前記ラティス構造モデル毎に、前記管状体の径を連続的または離散的に変化させたときの体積密度及び材料物性値が関連付けられており、
前記モデル選択部は、前記最適化処理部の解析結果として得られた前記密度分布に基づいて、複数の前記ラティス構造モデルの中から対応する前記ラティス構造モデルを選択するとともに、その径を特定する請求項４に記載の設計支援装置。
【請求項６】
前記最適化処理部は、密度法に基づいたトポロジー最適化を用いた構造解析を行う請求項１から５のいずれかに記載の設計支援装置。
【請求項７】
体積密度及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが、前記体積密度に関するパラメータ及び材料物性値と関連付けて格納された記憶部を備えるコンピュータによって実行される設計支援プログラムであって、
構造物の外部形状及び要求特性を入力データとして取得し、前記要求特性を満足するとともに軽量化が実現された前記構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する最適化処理と、
前記最適化処理の解析結果に基づいて、前記記憶部に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択するモデル選択処理と、
選択した前記単位構造モデルを前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の内部構造を決定する内部構造決定処理と
を含む設計支援プログラム。
【請求項８】
所定の重量条件及び要求特性を満たす構造物の密度分布に応じて、中実と中空との間の体積密度を有する複数の単位構造ユニットが連結された内部構造を有する構造物。
【請求項９】
前記単位構造ユニットは、複数の管状体が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされ、前記管状体の径が前記構造物の密度分布に応じた径とされている請求項８に記載の構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設計支援装置及び設計支援プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車業界や航空機業界を中心に、構造物の軽量化による燃費向上が期待されている。一般的に、構造物を軽量化すると強度が低下する。このため、例えば、所望の強度を満足するために、リブを新たに設計して部品の強度を補強する設計が行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、近年、所望の剛性を満足しながら軽量化を図る構造物の設計を支援する手法として、トポロジー最適化手法が知られている。例えば、特許文献２には、密度法に基づくトロポジー最適化を用いてリブを設ける範囲を選定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４２７３７号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１４４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、リブを用いて剛性を補強する技術はよく知られるところであるが、リブ構造は曲げ剛性を主体に設計しているため、ねじり剛性については十分な検討ができていない可能性がある。また、構造物において要求される特性は様々であり、軽量化を図りながらユーザが所望する要求特性を満足するような内部構造を容易に設計できる技術が望まれていた。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、要求特性を満たしながら軽量化を図ることのできる内部構造を容易に選定することのできる設計支援装置及び設計支援プログラム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】
【０００６】
本発明の第一態様は、体積密度及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが、前記体積密度に関するパラメータ及び材料物性値と関連付けられて格納された記憶部と、構造物の外部形状及び要求特性を入力データとして取得し、前記要求特性を満足するとともに質量の軽量化が実現された前記構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する最適化処理部と、前記最適化処理部の解析結果に基づいて、前記記憶部に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択するモデル選択部と、選択した前記単位構造モデルを前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の内部構造を決定する内部構造決定部とを具備する設計支援装置である。
【０００７】
上記設計支援装置によれば、体積密度と材料物性値とが互いに異なる複数の単位構造モデルを事前に記憶部に格納しておき、最適化処理部により、要求特性を満足するとともに軽量化が実現された強度分布または密度分布が解析結果として得られた場合に、この密度分布に対応する体積密度を有する単位構造モデルを記憶部から抽出して構造モデルにそれぞれ割り当てることにより、内部構造が決定される。これにより、要求特性を満足しながら軽量化を実現する内部構造を容易に選定することが可能となる。
【０００８】
上記設計支援装置は、前記モデル選択部によって選択された前記単位構造モデルの材料物性値を前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の均質化モデルを作成するモデル作成部と、前記均質化モデルを用いて構造解析を行う構造解析部と、前記構造解析部による構造解析結果が前記要求特性を満足しているか否かを判定する判定部とを更に有し、前記内部構造決定部は、前記判定部によって前記要求特性を満足していると判定された場合に、前記構造物の内部構造を決定することとしてもよい。
【０００９】
上記設計支援装置によれば、モデル選定部によって選定された単位構造モデルの材料物性値が構造物の対応箇所に与えられた均質化モデルが作成され、均質化モデルが要求特性を満たしているか否かが検証される。そして、均質化モデルが要求特性を満たすと判定されたときに、その構造物の内部構造が決定されるので、要求特性を確実に満足する内部構造を得ることが可能となる。
【００１０】
上記設計支援装置は、前記判定部によって前記要求特性を満足していないと判定された場合に、前記要求特性を満たしていないと判定された領域に対応する前記単位構造モデルを変更するモデル変更部を更に備えていてもよい。
【００１１】
上記設計支援装置によれば、均質化モデルが要求特性を満たすと判定されるまで、構造物の各要素に対する単位構造モデルの割り当てが繰り返し行われて均質化モデルが更新される。これにより、要求特性を確実に満足する内部構造を得ることが可能となる。
【００１２】
上記設計支援装置において、複数の前記単位構造モデルは、複数の管状体が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされていてもよい。
【００１３】
上記設計支援装置によれば、単位構造モデルがラティス構造モデルとされているので、管状体の連結パターンを変えずに径のみを変更することにより、材料物性値や体積密度を容易に変えることができる。
【００１４】
上記設計支援装置において、前記記憶部には、前記ラティス構造モデル毎に、前記管状体の径を連続的または離散的に変化させたときの体積密度及び材料物性値が関連付けられており、前記モデル選択部は、前記最適化処理部の解析結果として得られた前記密度分布に基づいて、複数の前記ラティス構造モデルの中から対応する前記ラティス構造モデルを選択するとともに、その径を特定することとしてもよい。
【００１５】
上記設計支援装置によれば、複数のラティス構造モデルが用意されているので、内部構造の自由度を向上させることが可能となる。
【００１６】
上記設計支援装置において、前記最適化処理部は、密度法に基づいたトポロジー最適化を用いた構造解析を行うこととしてもよい。
【００１７】
上記設計支援装置によれば、軽量化を図りながら要求特性を満足する密度分布を容易に得ることができる。
【００１８】
本発明の第二態様は、体積密度及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが、前記体積密度に関するパラメータ及び材料物性値と関連付けて格納された記憶部を備えるコンピュータによって実行される設計支援プログラムであって、構造物の外部形状及び要求特性を入力データとして取得し、前記要求特性を満足する前記構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する最適化処理と、前記最適化処理の解析結果に基づいて、前記記憶部に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択するモデル選択処理と、選択した前記単位構造モデルを前記構造物の対応箇所に与えることにより、前記構造物の内部構造を決定する内部構造決定処理とを含む設計支援プログラムである。
【００１９】
本発明の第三態様は、所定の重量条件及び要求特性を満たす構造物の密度分布に応じて、中実と中空との間の体積密度を有する複数の単位構造ユニットが連結された内部構造を有する構造物である。
【００２０】
上記構造物において、前記単位構造ユニットは、複数の管状体が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされ、前記管状体の径が前記構造物の密度分布に応じた径とされていてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、要求特性を満たしながら軽量化を図ることのできる内部構造を容易に選定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る設計支援装置のハードウェア構成の一例を示した概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る設計支援装置が有する機能の一例を示した機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る単位構造モデルの一例を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る記憶部に格納されるモデル情報の一例を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る設計支援装置によって設計支援される構造物の外部形状の一例を示した図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る最適化処理部の解析結果の一例を示した図である。
【図７】図６に示した解析結果の上部領域において、中実の要素を抜き出して示した図である。
【図８】図８（ａ）は図６に示した解析結果の上部領域において、体積密度比０．５の要素を抜き出して示した図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における領域Ｃの拡大図である。
【図９】図９（ａ）は図６に示した解析結果の上部領域において、体積密度比０．２の要素を抜き出して示した図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）における領域Ｄの拡大図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る設計支援方法の手順を示したフローチャートである。
【図１１】記憶部に格納されるモデル情報の他の例を示した図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る単位構造モデルの他の例を示した図である。
【図１３】互いに異なる連結パターンを有する複数のラティス構造モデルが単位構造モデルとして登録されている場合におけるモデル情報の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る設計支援装置及び設計支援プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る設計支援装置１のハードウェア構成の一例を示した概略構成図である。設計支援装置１は、図１に示すように、コンピュータ（計算機システム）を有し、例えば、ＣＰＵ１１、ＣＰＵ１１が実行するプログラム及びこのプログラムにより参照されるデータ等を記憶するための補助記憶装置１２、各プログラム実行時のワーク領域として機能する主記憶装置１３、ネットワークに接続するための通信インターフェース１４、キーボードやマウス等からなる入力部１５、及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部１６等を備えている。これら各部は、例えば、バス１８を介して接続されている。補助記憶装置１２は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が一例として挙げられる。
【００２４】
後述する説明する各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラム（例えば、設計支援プログラム）の形式で補助記憶装置１２に記憶されており、このプログラムをＣＰＵ１１が主記憶装置１３に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、補助記憶装置１２に予めインストールされている形態や、他のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【００２５】
図２は、本実施形態に係る設計支援装置１が有する機能の一例を示した機能ブロック図である。図２に示すように、設計支援装置１は、記憶部２１、最適化処理部２２、モデル選択部２３、モデル作成部２４、構造解析部２５、判定部２６、モデル変更部２７、及び内部構造決定部２８を備えている。
【００２６】
記憶部２１には、体積密度（単位体積当たりの質量）及び材料物性値が互いに異なる複数の単位構造モデルが格納されている。例えば、単位構造モデルは、例えば、ラティス構造をとる構造モデルである。図３にラティス構造モデルの連結パターンの一例を示す。ラティス構造とは狭義には「格子」を意味するが、本実施形態では、図３に示すように、中空または中実とされた複数の管状体３０が所定の連結パターンでつなぎ合わされた三次元構造をいう。このようなラティス構造では、管状体３０の径を変更することで、換言すると、径を細くしたり太くしたりすることで、容易に体積密度及び材料物性値を変化させることができるという利点がある。
【００２７】
記憶部２１には、例えば、ラティス構造モデルにおいて管状体の径を離散的に変化させたときの体積密度及び材料物性値が関連付けられたモデル情報が格納されている。図４に、モデル情報の一例を示す。図４に例示されるモデル情報では、図３に示したような管状体３０の連結パターンを持つラティス構造モデルについて、体積密度比、管状体の径、及び材料物性値が関連付けられている。
【００２８】
ここで、体積密度比は、中実の状態、すなわち、ラティス構造モデルが占める単位空間を中実としたときに対する体積密度の比率を示しており、中実の状態が１．０、中空の状態が０．０で表される。なお、図４に示したモデル情報では、材料物性値は、それぞれの絶対値が示されているが、体積密度比と同様に、中実の状態を１．０としたときの各材料物性値の比率を登録することとしてもよい。単位構造モデルにおいて体積密度比が低いほど管状体３０の径が細く、換言すると、単位構造モデルが占める単位空間における空洞部分が多く、体積密度比が高いほど管状体３０の径が太く、単位構造モデルが占める単位空間における中実部分が多くなる。すなわち、図４に示したモデル情報においては、モデルＩＤ＝Ｍ１ａの管状体３０の径の方が、モデルＩＤ＝Ｍ１ｂの管状体３０の径よりも細い。なお、図４に示したモデル情報では、２つの単位構造モデルを示しているが単位構造モデルの数についてはこれに限定されず、少なくとも２つ用意されていればよい。また、単位構造モデルの数が多いほど、選択肢が増えることとなるので内部構造の設計の自由度が増すこととなる。
【００２９】
また、図４に示したモデル情報では、材料物性値として縦弾性率、横弾性率、ポアソン比等が一例として示されているが、材料物性値についてはこの例に限定されない。例えば、後述する構造解析部２５によって有限要素法（FEM：Finite  Element  Method）を用いて均質化モデルを解析する際に、均質化モデルを作成するために必要となる各種材料物性値が格納されているとよい。
【００３０】
最適化処理部２２は、例えば、構造物の外部形状に関する三次元データ及び要求特性を入力データとして取得し、要求特性を満足するとともに最も軽量化が図れる構造物の強度分布または密度分布を解析結果として出力する。最適化処理部２２は、例えば、トポロジー最適化を用いて構造物の体積密度を最適化する。
【００３１】
最適化処理部２２は、例えば、入力データとして取得した構造体の外部形状に関する三次元モデル及び重量条件のもとでトポロジー最適化を行う。例えば、トポロジー最適化では、内部構造を中実とした構造物の有限要素法モデルに対して各要素における要求特性を満たしつつ、質量が最小になるような最適化処理を実行する。あるいは、トポロジー最適化では、目標重量を満足しつつ要求特性を満足する最適化処理を実行する。
【００３２】
以下、最適化処理部２２による処理について、図５に示す構造物を例示して具体的に説明する。
例えば、図５に示すように、外径形状が略三角形状であり所定の厚さを持つ構造物モデルが設計支援の対象となる構造物として入力されると、最適化処理部２２はまずこの構造物モデルを表示部１６に表示させる。
表示部１６に表示された三次元モデルに対して、ユーザにより、軽量化を実施可能な領域が指定される。例えば、ユーザは、表示部１６に表示されている図５に示すような構造物モデルに対し、造形上の制約で中実でなければならない箇所を指定する。例えば、ユーザによって図５に示す領域Ａ１の箇所が中実箇所として指定されると、最適化処理部２２は、ユーザによって指定された領域Ａ２については中実として設定し、最適化処理において領域Ａ２は中実のまま維持する。
また、最適化処理を行わない領域が存在する場合には、ユーザはその部分を設計領域から除外するための指定を行う。例えば、図５において、領域Ａ２を設計領域から除外する旨の入力がされると、最適化処理部２２はその領域Ａ２については設計領域から除外する。
また、構造物の外面は所定の厚みを有する必要があることから、外面の厚さを設定し、その厚さは中実状態が維持されるよう設定することとしてもよい。
【００３３】
続いて、ユーザにより入力部１５が操作されることにより、トポロジー最適化を実施するに当たり必要とされる各種条件が設定される。各種条件として、例えば、境界条件（荷重条件、拘束条件、接触条件等）、制約条件、目的関数等が挙げられる。
目的関数としては、構造物が満足する機械的特性に関する要求特性が入力される。例えば、曲げ剛性とねじり剛性の要求特性値が入力される。なお、要求特性については、構造物によって異なり、ユーザがその構造物に対して要求する特性が要求特性として入力される。
【００３４】
最適化処理部２２は、ユーザによって入力された各種条件に基づいて、要求特性を満足する構造物の剛性分布を演算する。具体的には、最適化処理部２２は、図５に示した構造物のＦＥＭモデルに対して要求特性（例えば、曲げ剛性とねじり剛性の目標値）を満たしつつ、質量が最小となるような最適化構造を演算する。
本実施形態では、特に、トポロジー最適化として密度法を利用した公知のアルゴリズム（例えば、Ａｌｔａｉｒ社製、ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ  Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ）を用いる。密度法に基づくトポロジー最適化では、ＦＥＭモデルを構成する各要素に対してパラメータとして要素密度（０〜１）を設定し、変化させることで、材料密度ρ、ヤング率Ｅを変化させる。要素密度の変化に起因する材料密度ρ、ヤング率Ｅの変化は、ペナルティ係数Ｐを用いて次式より得られる。
【００３５】
ρ´＝ｘρ
Ｅ´＝ｘＰＥ
【００３６】
例えば、Ｐ＝２と仮定すると、要素密度ｘ＝０．５の要素においては材料密度ρ´＝０．５ρ、ヤング率Ｅ´＝０．５２Ｅ＝０．２５Ｅとなり、材料密度ρが軽くなる以上にヤング率Ｅが低下して剛性が落ちることを意味する。
【００３７】
密度法に基づくトロポジー最適化では、ＦＥＭモデルを構成する各要素（各メッシュ領域）のうち、構造物の剛性への寄与度が小さい要素について密度を減少させる。これを制限条件で設定される軽量基準を満たすまで繰り返すことによって、無駄な要素を抜き取り、所望の剛性を確保可能な範囲で軽量化を図った最適化構造が得られる。
【００３８】
最適化処理部２２の解析結果は、構造物モデルの要素毎の密度を示す密度分布情報として表示部１６に表示される。例えば、解析結果では、同じ密度を有する要素（メッシュ領域）が同じ色で示される。図６に最適化処理部２２の解析結果を示す。図６に示される解析結果では、色の代わりにメッシュの種類を変えて示している。
【００３９】
モデル選択部２３は、最適化処理部２２の解析結果に基づいて記憶部２１に格納されている複数の単位構造モデルの中から対応する単位構造モデルをそれぞれ選択する。モデル選択部２３は、例えば、各要素の密度分布情報と、記憶部２１に格納されている単位構造モデルの体積密度比に応じて、構造物モデルを複数の領域に分類する。例えば、図４に示すように、体積密度比が０．２と０．５の２つのラティス構造モデルが記憶部２１に格納されている場合には、構造物モデルにおける各要素の密度分布情報に基づいて４つの領域、すなわち、中実（１．０）、０．５、０．２、空洞（０．０）の４つの領域に分類する。そして、各要素に対して対応する単位構造モデルを与える。
【００４０】
例えば、図７は図６に示した解析結果の上部領域における中実の要素を抜き出して示した図、図８（ａ）は図６に示した解析結果の上部領域において体積密度比０．５の要素を抜き出して示した図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）における領域Ｃの拡大図である。また、図９（ａ）は図６に示した解析結果の上部領域において体積密度比０．２の要素を抜き出して示した図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）における領域Ｄの拡大図である。
モデル選択部２３は、中実（体積密度比＝１．０）及び中空（体積密度比＝０．０）以外の各要素について体積密度比に対応するラティス構造モデルを選択する。この結果、体積密度比０．２の要素については図４のモデルＩＤ＝Ｍ１ａが、体積密度比０．５については図４のモデルＩＤ＝Ｍ１ｂが選択される。
【００４１】
モデル作成部２４は、モデル選択部２３によって選択されたラティス構造モデルの材料物性値をモデル情報から取得し、取得した材料物性値を構造物モデルの対応要素に与えることにより、構造物の均質化モデルを作成する。具体的には、モデル作成部２４は、記憶部２１に格納されているモデル情報から各モデルＩＤ＝Ｍ１ａ、Ｍ１ｂの材料特性値を抽出し、これらの材料特性値を対応する要素に与えることで、構造物の均質化モデルを作成する。これにより、各要素に対してその体積密度比に応じた材料特性値（縦弾性率、横弾性率、ポアソン比等）が与えられる。
【００４２】
構造解析部２５は、モデル作成部２４によって作成された均質化モデルを用いて有限要素法による構造解析を行い、均質化モデルがユーザによって入力された要求特性について解析する。例えば、構造解析部２５では、曲げ剛性とねじり剛性とが評価される。
【００４３】
判定部２６は、構造解析部２５による構造解析結果においてユーザの要求特性を満たしているか否かを判定する。例えば、構造解析部２５による曲げ剛性及びねじり剛性がいずれもユーザによって設定された要求特性を満たしているか否かを判定する。
【００４４】
モデル変更部２７は、判定部２６によって構造解析結果がユーザの要求特性を満たしていないと判定された場合に、要求特性を満たしていない要素に対して与えられているラティス構造モデルを変更する。例えば、より剛性の高いラティス構造モデルを割り当てることにより、均質化モデルを更新する。均質化モデルが更新されると、更新後の均質化モデルに対して構造解析部２５が構造解析を行う。そして、判定部２６によって構造解析結果がユーザによって設定された要求特性を満たすと判定されるまで、ラティス構造モデルの割り当てが変更される。
【００４５】
内部構造決定部２８は、判定部２６によって構造解析結果がユーザの要求特性を満たしていると判定された場合に、そのときの内部構造を決定する。これにより、ユーザの要求特性を満たすとともに軽量化された構造物の内部構造を得ることができる。
【００４６】
次に、本実施形態に係る設計支援装置１によって実現される設計支援方法について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係る設計支援方法の手順を示したフローチャートである。後述する設計支援方法は、例えば、補助記憶装置１２に格納されている設計支援プログラムをＣＰＵ１１が主記憶装置１３に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより実現される。
【００４７】
まず、ユーザにより設計支援の対象となる構造物の三次元モデル（外部形状モデル）が入力され、最適化処理を行うのに必要となる入力情報、例えば、要求特性等が入力されると（ＳＡ１）、入力された情報に基づいてトロポジー最適化処理が実行される（ＳＡ２）。最適化処理では、例えば、密度法に基づくトポロジー最適化が行われ、構造物モデルの要素毎の密度を示す密度分布情報が解析結果として表示部に表示される（ＳＡ３）。
続いて、解析結果として得られた密度分布情報に基づいて、各要素に対応する単位構造モデルが選択される（ＳＡ４）。
【００４８】
続いて、各要素に対して選択された単位構造モデルの材料物性値が与えられた構造物の均質化モデルが作成される（ＳＡ５）。続いて、均質化モデルを用いて有限要素法による構造解析が実行される（ＳＡ６）。
続いて、構造解析結果が要求特性を満たしているか否かが判定され（ＳＡ７）、要求特性を満たしていないと判定された場合には（ＳＡ７：ＮＯ）、構造解析結果において要求特性を満たしていないと判定された要素に対して異なる単位構造モデル、例えば、より剛性の高い単位構造モデルが割り当てられることにより、均質化モデルが更新され（ＳＡ８）、ステップＳＡ６に戻り、ステップＳＡ６以降の処理が繰り返し行われる。すなわち、更新後の均質化モデルに対して構造解析が再度行され（ＳＡ６）、その解析結果が要求特性を満たすか否かが判定される（ＳＡ７）。
【００４９】
そして、ステップＳＡ７において、要求特性を満たしていると判定されるまで、単位構造モデルの割り当て変更が行われる。そして、ステップＳＡ７において、要求特性を満たしていると判定された場合には（ＳＡ７：ＹＥＳ）、そのときの内部構造が決定される（ＳＡ９）。これにより、ユーザの要求特性を満たすとともに軽量化された構造物の内部構造を得ることができる。この結果、要求特性を満たす構造物の密度分布に応じて、中実と中空との間の体積密度を有する複数の単位構造ユニットが連結された内部構造を有する構造物が得られる。より具体的には、単位構造ユニットは、複数の管状体３０が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされ、管状体３０の径が構造物の密度分布に応じた径とされた構造物が得られる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態に係る設計支援装置１によれば、体積密度と材料物性値とが互いに異なる複数の単位構造モデルの情報を事前に記憶部２１に格納しておき、最適化処理部２２により、要求特性を満足するとともに軽量化が実現された密度分布が解析結果として得られた場合に、この密度分布に対応する体積密度を有する単位構造モデルを記憶部２１から抽出して構造モデルにそれぞれ割り当てることにより、内部構造が決定される。これにより、要求特性を満足しながら軽量化を実現する内部構造を容易に選定することが可能となる。
【００５１】
更に、モデル選択部２３によって選択された単位構造モデルの材料物性値を構造物の対応箇所に与えることにより、構造物の均質化モデルを作成し、均質化モデルが要求特性を満たしているか否かを検証し、要求特性を満たすまで単位構造モデルの割り当てを変更するので、要求特性を確実に満足する内部構造を得ることが可能となる。
【００５２】
また、複数の単位構造モデルは、複数の管状体３０が所定のパターンで連結されたラティス構造モデルとされているので、管状体３０の連結パターンを変えずに径のみを変更することにより、材料物性値や体積密度を容易に変えることができる。更に、連結パターンが統一されていることから、単位構造モデルの連結を容易に行うことが可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態に係る設計支援装置１では、図４に示すように、体積密度比が離散的に設定された各単位構造モデルに対して、各径、体積密度比、材料物性値等が関連付けられたモデル情報が記憶部２１に格納されている場合を例示して説明したが、モデル情報はこの例に限定されない。例えば、図１１に示すように、モデル情報は、体積密度比が連続的に変化する場合における材料物性値の変化を示した曲線情報として表されていても良い。また、複数の材料物性値を関連付ける場合には、図１１に示すような二次元の曲線情報ではなく、多次元の曲面情報として表されていても良い。
【００５４】
更に、本実施形態では、図３に示した１つの連結パターンを有するラティス構造モデルに対してその径を変えることで複数の単位構造モデルを構築していたが、例えば、記憶部２１に格納される単位構造モデルは、複数のラティス構造モデルの連結パターンを有していても良い。例えば、図１２に管状体３０の連結パターンが異なる複数のラティス構造モデルを示す。図１２に示すような連結パターンの異なる複数のラティス構造モデルについて、それぞれ管状体３０の径を変更したときの体積密度比や材料物性値が関連付けられたモデル情報が記憶部２１に格納されていてもよい。
【００５５】
例えば、図１３に各ラティス構造モデルにおける体積密度比と材料物性値（例えば、縦弾性率比）とが関連付けられたモデル情報を示す。ここで、モデルＡは例えば、図３に示した連結パターンを有するラティス構造モデルの特性、モデルＢは例えば、図１２（ａ）に示した連結パターンを有するラティス構造モデルの特性、モデルＣは例えば、図１２（ｂ）に示した連結パターンを有するラティス構造モデルの特性、モデルＤは例えば、図１２（ｃ）に示した連結パターンを有するラティス構造モデルの特性をそれぞれ示している。
【００５６】
なお、図１３に示すように、複数の連結パターンについてのラティス構造モデルが記憶部２１に格納されている場合、同じ体積密度比（例えば、体積密度比０．５）を有するラティス構造モデルが複数存在することとなる。この場合には一つのラティス構造モデルを任意に選択すればよいが、最も剛性が高いラティス構造モデル（例えば、モデルＡ）を選択することで、同じ質量比としながら高い剛性を有する内部構造を形成することが可能となる。
【００５７】
また、本実施形態では、最適化処理部２２の解析結果として密度分布情報が出力される場合を例示したが、これに代えて、強度分布、例えば、剛性比分布が解析結果として出力されることとしてもよい。この場合、モデル選択部２３が剛性比と体積密度比とが関連付けられた情報を有しており、この関連情報を用いて剛性比分布から密度分布に変換した上で上記処理を行うこととすればよい。
【００５８】
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、上記実施形態で説明した設計支援方法の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１  設計支援装置
１５  入力部
１６  表示部
２１  記憶部
２２  最適化処理部
２３  モデル選択部
２４  モデル作成部
２５  構造解析部
２６  判定部
２７  モデル変更部
２８  内部構造決定部
３０  管状体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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