(57)【要約】【課題】３次元ＣＡＤにより設計された３次元形状データをもとに、有限要素法による３次元ソリッド解析モデルから２次元解析のためのシェル要素解析モデルを作成する方法に関する。【解決手段】３次元解析モデルから２次元解析モデルへの変換を行う解析モデル変換方法であって、入力された３次元形状モデルに対して４面体ソリッド要素を生成し、前記ソリッド要素内の板厚方向中立面を構成する辺りの中間節点を結んで３角形あるいは４角形シェル要素を生成することを特徴とする解析モデル変換方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元解析モデルから２次元解析モデルへの変換を行う解析モデル変換方法であって、入力された３次元形状モデルに対して４面体ソリッド要素を生成し、前記ソリッド要素内の板厚方向中立面を構成する辺の中間節点を結んで３角形あるいは４角形シェル要素を生成することを特徴とする解析モデル変換方法。
【請求項２】
３次元形状および３次元解析モデルは、薄肉構造の形状であることを特徴とし、板厚方向に１層構造の４面体要素を生成させることを特徴とする請求項１記載の解析モデル変換方法。
【請求項３】
請求項２で示した３次元解析モデルにおいて、形状の板厚を算出して中立面要素である３角形あるいは４角形シェル要素に板厚情報を付加することを特徴とする請求項１記載の解析モデル変換方法。
【請求項４】
請求項１で生成した３角形シェル要素に対し、隣接する２つの３角形シェル要素から必要に応じて４角形シェル要素への変換を行うことを特徴とする請求項１記載の解析モデル変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元ＣＡＤにより設計された３次元形状データをもとに、有限要素法による３次元ソリッド解析モデルから２次元解析のためのシェル要素解析モデルを作成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の３次元ＣＡＤの普及に伴い、３次元ＣＡＤ形状データを利用した迅速な解析モデル作成方法の確立が望まれている。これに対し、線形構造解析に代表されるように、３次元ＣＡＤ形状データをもとに有限要素法による４面体要素分割で３次元ソリッド解析モデルを作成して容易に解析ができるようになって来ている。
【０００３】
しかしながら、例えばプラスチック射出成形ＣＡＥ（流動・保圧・冷却・変形解析プログラム）のように、薄肉の構造・外装部品を対象にした場合には、３次元ソリッド解析モデルでの解析を実施することは、板厚方向温度分布を正確に計算する必要があるため、５層〜１０層程度の板厚方向要素分割が必要である。この際の解析モデルの総要素数は５００万以上にもなり、現状の計算機能力からみる限り計算コストの点で困難であり、３次元ソリッドモデルから手動で中立面を生成し、３角形あるいは４角形の２次元シェル要素で分割した解析モデルを使用して計算を行うケースが多く存在する。
【０００４】
ここで、中立面ならびに中立面要素生成方法に先行例として、以下のものがある。
【０００５】
１）３次元ソリッド形状モデルの板厚方向に中立面を生成する方法
３次元ソリッドＣＡＤデータから形状の板厚を構成する２つの面に対し、２次元中立面サーフェスデータを手動で生成する。例えば、ＩＤＥＡＳ、ＰＡＴＲＡＮ、ＦＥＭＡＰに代表されるＣＡＤ／ＣＡＥツールを使用して中立面を生成可能である。次に、この中立面形状に対して２次元シェル要素モデルを生成する方法がある。
【０００６】
２）面体ソリッド要素を生成し、中間節点を使用して２次元シェル要素を生成する方法
特開平１１−３５３５０１号公報（カルソニック）では、３次元ソリッドＣＡＤデータから有限要素法などのプリプロセッサーを使用して６面体ソリッド要素を生成し、中間節点を使用してシェル要素を生成する方法を開示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記で述べた中立面ならびに中立面要素生成方法には、以下の問題点がある。
【０００８】
１）次元ソリッドＣＡＤデータから２次元中立面サーフェスデータを生成方法面と面が交差する部分、板厚が変化する部分、厚肉部などに対して中立面を正確に生成する事は困難である。また、板厚がテーパ状に変化する場合など、生成した中立面サーフェスに対して板厚情報を付加することができない。よって、要素分割後に板厚情報を手動で入力する必要がある。
２）６面体ソリッド要素を生成し、中間節点を使用して２次元シェル要素を生成する方法
６面体ソリッド要素の生成は、プリプロセッサーを使用しても自動的には困難であり、手動で行う必要がある。このため、モデル作成に非常に時間を要する。
【０００９】
以上のように、３次元ソリッド形状モデルの板厚方向に中立面を生成しこの中立面形状に対して２次元シェル要素モデルを生成する方法、３次元ソリッド形状モデルに６面体ソリッド要素を生成し中間節点を使用して２次元シェル要素を生成する方法は、ともに解析モデル作成に非常に時間がかかる欠点がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３次元ＣＡＤ形状データを基に２次元シェル要素解析モデルを自動作成する方法に関する。これにより、３次元ＣＡＤ形状データから２次元シェル要素解析モデルを作成する時間が大幅に短縮できる。
【００１１】
本発明の請求項１に示す方法は、３次元解析モデルから２次元解析モデルへの変換を行う解析モデル変換方法であって、入力された３次元形状モデルに対して４面体ソリッド要素を生成し、前記ソリッド要素内の板厚方向中立面を構成する辺の中間節点を結んで３角形あるいは４角形シェル要素を生成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に示す方法は、３次元形状および３次元解析モデルは、薄肉構造の形状であることを特徴とし、板厚方向に１層構造の４面体要素を生成させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に示す方法は、請求項２で示した３次元解析モデルにおいて、形状の板厚を算出して中立面要素である３角形あるいは４角形シェル要素に板厚情報を付加することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項３に示す方法は、請求項１で生成した３角形シェル要素に対し、隣接する２つの３角形シェル要素から必要に応じて４角形シェル要素への変換を行うことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
前述したように本発明は、３次元ＣＡＤ形状データをもとに２次元シェル要素解析モデルを自動作成する方法に関する。これにより、３次元ＣＡＤ形状データから２次元シェル要素解析モデルを作成する時間を大幅に短縮することが可能である。以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
［実施形態］
本発明の実施形態の構成の概略を図１に示す。
【００１７】
まず最初に、図１のＳ１に示すように、対象形状は３次元ＣＡＤで設計され、３次元ＣＡＤ形状データがあることを前提として考える。この３次元形状データを、有限要素法解析で使用されるＳＤＲＣ社のＩＤＥＡＳやＭＳＣ社のＰＡＴＲＡＮなど４面体要素分割が可能なプリプロセッサーで読み込んだ状態からスタートする。
【００１８】
図１のＳ２では、上記プリプロセッサーの４面体要素自動分割機能を利用して形状に対し４面体要素を生成する。この際の注意点としては、形状の板厚方向の分割が１層になるように４面体要素の一辺の長さを指定する。これは、形状の最大板厚を指定することで可能である。そして、要素分割生成された４面体要素の節点座標情報と要素構成節点情報を外部ファイルに書き出す。なお、形状に厚肉部が存在して板厚方向の分割が１層にならない場合は、予め３次元ＣＡＤ側で形状の修正を行っておく。
【００１９】
次に、図１のＳ３では、Ｓ２で生成された４面体要素の節点座標情報と要素構成節点情報にもとづき、一つ一つの４面体要素に対して要素を構成する辺に対して中間節点を発生させる。なお、この処理はＳ２において４面体要素自動分割する際に、２次（４面体の各辺に中間節点がある）の４面体要素を指定して分割することでも可能である。
【００２０】
図１のＳ４では、Ｓ３での中間節点情報を利用して、形状の板厚方向に対して３角形あるいは４角形の中立面シェル要素を生成する。形状の板厚方向の分割が１層になるように４面体要素を生成した場合、板厚方向の上下表面の間に生成される４面体要素の形態は、基本的に２つがある。１つは、図２に示すように４面体要素を構成する一対の面と頂点が形状の上下表面に位置する場合である。もう一つは、図３に示すように４面体要素を構成する２つの辺が形状の上下表面に位置する場合である。前者の中立面シェル要素は３角形となり、後者では４角形となる。
【００２１】
次に、図１のＳ５で、Ｓ４で生成したすべての３角形あるいは４角形の中立面シェル要素に対し、中立面シェル要素面の法線方向にある形状表面までの板厚を算出して、シェル要素の板厚として定義する。
【００２２】
最後に図１のＳ６で、前述の手順により生成した３角形あるいは４角形シェル要素の節点座標、素構成節点、要素板厚情報に、解析の種類に応じた境界条件や解析条件を加えて解析入力データを作成し、解析を実行する。
【００２３】
以上、３次元形状から中立面シェル要素を生成して解析入力データを作成するまでの基本概要を示した。
【００２４】
次に、実際の複雑な製品形状の形状要素に対応しておく必要があるので、この方法について詳細に述べる。
【００２５】
考慮しておくべき形状要素として、形状に板厚差がある場合といろいろなタイプのリブ構造がある場合について、４面体要素の生成パターンと中立面シェル要素の生成方法について述べる。
【００２６】
図４と図５は、形状の断面で板厚方向に板厚差がある場合について４面体要素の生成パターンを示している。基本的に、図に示すように形状の角部には、４面体要素を構成する２つ以上の要素面が形状の外表面に位置する要素ができる。この要素を「コーナー要素」と呼ぶことにする。このうち板厚段差部の「コーナー要素」（図５）は除外して考えることができるが、形状の端部の「コーナー要素」は省略することはできないので、この両者を区別する必要がある。
【００２７】
またもう１つ、４面体要素を構成する要素面が一つも形状の外表面にでない要素（図５）ができる。この要素を「内部要素」と呼ぶことにする。この「内部要素」に中立面シェル要素を生成するには、隣接する４面体要素の中立面シェル要素の構成節点と連続性を考慮する必要がある。
【００２８】
図６、図７、図８は、断面形状がリブなどの付加でＴ字形になる場合について４面体要素の生成パターンを示している。この例においても４面体要素を構成する要素面が一つも形状の外表面にでない「内部要素」が生成されるので、隣接する４面体要素の中立面シェル要素の構成節点と連続性を考慮したシェル要素の生成が必要がある。
【００２９】
図９、図１０は、断面形状がＬ字になる場合について４面体要素の生成パターンを示している。この例においても、「コーナー要素」と「内部要素」が生成される。
【００３０】
図１１、図１２は、断面形状が十字あるいはこれ以上になる場合にについて４面体要素の生成パターンを示しているが、これらは基本的に、複数個の「内部要素」が生成されることを考慮する必要がある。
【００３１】
このように、３次元形状に対して板厚方向の分割が１層になるように４面体要素を生成して中立面シェル要素の生成するには、前述した、「コーナー要素」と「内部要素」に注目して、中立面シェル要素を生成すればよいことがわかる。よって、次にこの方法の詳細について述べる。
【００３２】
図１３は、前述の図１の流れを詳しく説明した図であり、生成した４面体要素から中立面シェル要素を生成するための詳細な流れを示す。
【００３３】
まず最初に、図１３のＳ１０に示すように、対象形状は３次元ＣＡＤで設計され、３次元ＣＡＤ形状データがあることを前提として考える。前述したように、この３次元形状データを、有限要素法解析で使用される例えばＳＤＲＣ社のＩＤＥＡＳやＭＳＣ社のＰＡＴＲＡＮなど４面体要素分割が可能なプリプロセッサーで読み込んだ状態からスタートする。
【００３４】
Ｓ１１では、上記プリプロセッサーの４面体要素自動分割機能を利用して形状に対し４面体要素を生成する。この際の注意点としては、形状の板厚方向の分割が１層になるように４面体要素の一辺の長さを指定する。これは、形状の最大板厚を指定することで可能である。そして、要素分割生成された４面体要素の節点座標情報と要素構成節点情報を外部ファイルに書き出す。なお、形状に厚肉部が存在して板厚方向の分割が１層にならない場合は、予め３次元ＣＡＤ側で形状の修正を行っておく。
【００３５】
次に、Ｓ１２では、Ｓ１１で生成された４面体要素の節点座標情報と要素構成節点情報にもとづき、一つ一つの４面体要素に対して要素を構成する辺に対して中間節点を発生させる。なお、この処理はＳ１１において４面体要素自動分割する際に、２次（４面体の各辺に中間節点がある）の４面体要素を指定して分割することでも可能である。
【００３６】
Ｓ１３では、分割された全４面体要素について、４面体要素の各面に隣接する隣接要素番号のテーブルを作成する。そしてＳ１４ではさらに、分割された全４面体要素について、４面体要素の各面に隣接しない面（すなわち、形状の表面を構成する面）のテーブルを作成する。これらのテーブルは、容易に作成可能である。
【００３７】
Ｓ１５では、前述した４面体要素を構成する２つ以上の要素面が形状の外表面に位置する「コーナー要素」の検出を、形状を構成する全要素の１つ１つについて判定しながら行う。さらに、Ｓ１６では、４面体要素を構成するどの要素面も形状の外表面に位置しない「内部要素」の検出を行う。これら「コーナー要素」、「内部要素」の検出も容易に作成可能である。
【００３８】
またＳ１７では、４面体要素で分割された形状データに関して中立面シェル要素生成を行う上で不要な「コーナー要素」を除外する。この際、すでに図５の板厚段差部の例で述べたように、板厚段差部の「コーナー要素」は除外するが、形状の端部の「コーナー要素」は省略できないので、この両者を区別する必要がある。これは、「内部要素」に隣接する「コーナー要素」をまず抽出して、この「コーナー要素」の２つ以上の要素面が、Ｓ１４での形状表面構成要素テーブルに属しているかどうかで除外の対象要素を決定できる。そして、Ｓ１８では、対象要素を除外して「内部要素」の隣接要素情報を更新する。
【００３９】
以上の準備をした後、Ｓ１９では、Ｓ１２での中間節点情報を利用して、形状の板厚方向に対して３角形あるいは４角形の中立面シェル要素を生成する。形状の板厚方向の分割が１層になるように４面体要素を生成した場合、板厚方向の上下表面の間に生成される４面体要素の形態は、基本的に２つがある。１つは、図２に示すように４面体要素を構成する一対の面と頂点が形状の上下表面に位置する場合である。もう一つは、図３に示すように４面体要素を構成する２つの辺が形状の上下表面に位置する場合である。前者の中立面シェル要素は３角形となり、後者では４角形となる。
【００４０】
次に、Ｓ２０で、Ｓ１９で生成したすべての３角形あるいは４角形の中立面シェル要素に対し、中立面シェル要素面の法線方向にある形状表面までの板厚を算出して、シェル要素の板厚として定義する。さらにＳ２１では、Ｓ１９で生成したすべての３角形のうち、隣接する２つの３角形の隣接辺両側の内角を考慮して１つの４角形に変換可能かを調べ、４角形に変換可能であれば変換を行う。
【００４１】
以上の操作を行った後に、前述の手順により生成した３角形あるいは４角形シェル要素の節点座標、素構成節点、要素板厚情報に、解析の種類に応じた境界条件や解析条件を加えて解析入力データを作成し解析を実行する。
【００４２】
［実施例］
次に、上記に述べた実施形態を実際の製品形状に適用した例について述べる。ここでは、薄肉のプラスチック構造外装部品をシェル要素でモデル化して解析を行うプラスチック射出成形ＣＡＥ（流動、保圧、冷却、変形解析など）を対象として取り上げる。
【００４３】
図１４、図１５は、レーザビームプリンター（ＬＢＰ）で使用される定着用トナー容器の１部品であり、ＩＤＥＡＳにより設計された３次元ＣＡＤ形状データである。この部品の基本板厚は２．５ｍｍであり、複雑なリブ形状を有する。
【００４４】
図１６は、前記の３次元ＣＡＤ形状データをＩＤＥＡＳの有限要素法解析のためのプリプロセッサー機能を使用して、４面体要素により板厚方向に１層構造となるように自動分割した時の要素分割図である。この要素分割図を、ＩＤＥＡＳの中間フォーマットファイルであるユニバーサルファイル（テキストデータ）に出力する。
【００４５】
図１７は、このユニバーサルファイルを読み込んで、４面体要素から上記に述べた中立面要素分割方法にもとづき、中立面シェル要素を生成した最終のシェル要素モデルである。３次元ＣＡＤ形状データから最終的に中立面シェル要素を生成するまでの時間は、１ＧＨｚのＣＰＵ速度を有するＰＣで、約３０分程度である。
【００４６】
この形状モデルに、解析の種類に応じた境界条件や解析条件を加えて解析入力データを作成することで射出成形解析を実行することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来の手動による中立面、シェル要素を生成する方法に比べ、３次元ＣＡＤ形状データをもとにシェル要素解析モデルを自動作成することが可能である。これにより、３次元ＣＡＤ形状データからシェル要素解析モデルを作成する時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中立面要素生成方法の概略を示すフロー図である。
【図２】４面体要素に３角形中立面要素が生成した場合の図である。
【図３】４面体要素に４角形中立面要素が生成した場合の図である。
【図４】板厚差形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図５】板厚差形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図６】リブ形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図７】リブ形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図８】リブ形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図９】Ｌ字形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図１０】Ｌ字形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図１１】十字の交差部形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図１２】十字以上の交差部形状の４面体要素分割例を示した図である。
【図１３】中立面要素生成方法の詳細を示すフロー図である。
【図１４】レーザビームプリンター（ＬＢＰ）で使用される定着用トナー容器の１部品であり、ＩＤＥＡＳにより設計された３次元ＣＡＤ形状図である。
【図１５】レーザビームプリンター（ＬＢＰ）で使用される定着用トナー容器の１部品であり、ＩＤＥＡＳにより設計された３次元ＣＡＤ形状図である。
【図１６】３次元ＣＡＤ形状データをＩＤＥＡＳの有限要素法解析のためのプリプロセッサー機能を使用して、４面体要素により板厚方向に１層構造となるように自動分割した時の要素分割図である。
【図１７】４面体要素から中立面要素分割方法にもとづき、中立面シェル要素を生成したシェル要素モデル図である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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