(57)【要約】【課題】設計仕様をもとに設計・材料・製造にかかわるコストとリスクコストとを所定値以下に抑えて最適な構造・材料を選択する機器構造物設計方法及び機器構造物設計支援装置を提供することを目的とする。【解決手段】機器構造物の構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力手段４と、仕様情報から構造パラメータを設定する構造パラメータ設定手段５と、設計仕様情報から材料パラメータをその統計分布とともに設定する材料パラメータ設定手段６と、構造パラメータ及び材料パラメータから機器構造物の温度・応力・ひずみ等の使用条件を算出する使用条件算出手段７と、所定の期間における設計対象事象の生起確率を計算する事象生起確率評価手段８と、生起確率と損害額との積からリスクを評価するリスク評価手段９と、構造パラメータ及び材料パラメータから材料コストを求めるコスト評価手段１０とを備えた。【選択図】  図１
2007293574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器構造物の構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力手段と、
前記設計仕様情報から構造パラメータを設定する構造パラメータ設定手段と、
前記設計仕様情報から材料パラメータをその統計分布とともに設定する材料パラメータ設定手段と、
前記構造パラメータ及び材料パラメータから機器構造物の温度・応力・ひずみ等の使用条件を算出する使用条件算出手段と、
所定の期間における設計対象事象の生起確率を計算する事象生起確率評価手段と、
生起確率と損害額との積からリスクを評価するリスク評価手段と、
前記構造パラメータ及び材料パラメータから材料コストを求めるコスト評価手段と
を備えたことを特徴とする機器構造物設計支援装置。
【請求項２】
前記構造パラメータと材料パラメータとを任意に組み合わせてその全組み合わせに対してコストを計算し、コストが最小となる構造パラメータ及び材料パラメータを最適値とする最適化手段と、
前記最適値に対応する構造、材料及びコストを決定し表示する設計選択手段と
を備えた請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項３】
前記構造パラメータの情報が格納された構造パラメータ参照データベースを備え、
前記構造パラメータ設定手段は、前記設計仕様入力手段にて入力された構造の情報に基づいて前記構造パラメータ参照データベースから構造パラメータを取得し設定する請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項４】
前記材料パラメータの情報が格納された材料特性統計データベースを備え、
前記材料パラメータ設定手段は、前記設計仕様入力手段にて入力された材料の情報に基づいて前記材料特性統計データベースから材料パラメータを取得し設定する請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項５】
故障の履歴データから求めた故障統計情報が格納された故障統計データベースを備え、
前記事象生起確率評価手段は、使用条件と前記故障統計データベースから取得した履歴データとから設計対象事象が所定期間において生起する累積確率を計算する請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項６】
事象の情報とその事象の生起により生じる損害額の情報とが関連付けられて格納された損害額データベースを備え、
前記リスク評価手段は、前記事象生起確率評価手段にて得られた累積確率に、前記損害額データベースから取得した損害額をかけ合わせることによってリスク値を算出する請求項５記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項７】
材料の単価の情報が格納されたコストデータベースを備え、
前記コスト評価手段は、前記構造パラメータ及び材料パラメータと前記コストデータベースから取得した材料の単価とから材料コストを算出する請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項８】
前記コストデータベースには加工や組立の際の時間単価の情報が格納され、
前記コスト評価手段は、材料コストの算出に加えて、前記構造パラメータ及び材料パラメータを用いて、溶接する際の工数を計算する溶接シミュレーションまたは切削する際の工数を計算する切削シミュレーションを行い、得られた工数と前記コストデータベースから取得した時間単価から加工や組立の際の製造コストを算出する請求項７記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項９】
前記最適化手段は、前記コスト評価手段にて算出されたコストを前記構造パラメータ及び材料パラメータの関数として近似し、その関数から最適化探索方向を設定し、最適値を計算する請求項２記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項１０】
前記使用条件算出手段は、前記構造パラメータから有限要素解析モデルを作成することにより使用条件を算出し、その際の有限要素解析モデルのデータをＣＡＤシステムに対してネットワークを介して入出力する請求項１記載の機器構造物設計支援装置。
【請求項１１】
機器構造物の構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力ステップと、
前記設計仕様情報から構造パラメータを設定する構造パラメータ設定ステップと、
前記設計仕様情報から材料パラメータをその統計分布とともに設定する材料パラメータ設定ステップと、
前記構造パラメータ及び材料パラメータから機器構造物の温度・応力・ひずみ等の使用条件を算出する使用条件算出ステップと、
所定の期間における設計対象事象の生起確率を計算する事象生起確率評価ステップと、
生起確率と損害額との積からリスクを評価するリスク評価ステップと、
前記構造パラメータ及び材料パラメータから材料コストを求めるコスト評価ステップと
を行うことを特徴とする機器構造物設計方法。
【請求項１２】
前記コスト評価ステップを行った後に、前記構造パラメータと前記材料パラメータとを任意に組み合わせてその全組み合わせに対してコストを計算し、コストが最小となる構造パラメータと材料パラメータとを最適値とする最適化ステップと、
前記最適値に対応する構造、材料、及びコストを決定し表示する設計選択ステップと
を行う請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項１３】
前記構造パラメータ設定ステップでは、前記設計仕様入力ステップにて入力された構造の情報に基づいて、前記構造パラメータの情報が格納された構造パラメータ参照データベースから構造パラメータを取得し設定する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項１４】
前記材料パラメータ設定ステップでは、前記設計仕様入力ステップにて入力された材料の情報に基づいて、前記材料パラメータの情報が格納された材料特性統計データベースから材料パラメータを取得し設定する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項１５】
前記事象生起確率評価ステップでは、使用条件と故障の履歴データから求めた故障統計情報が格納された前記故障統計データベースから取得した履歴データとから設計対象事象が所定期間において生起する累積確率を計算する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項１６】
前記リスク評価ステップでは、前記事象生起確率評価ステップにて得られた累積確率に、事象の情報とその事象の生起により生じる損害額の情報とが関連付けられて格納された損害額データベースから取得した損害額をかけ合わせることによってリスク値を算出する請求項１５記載の機器構造物設計方法。
【請求項１７】
前記コスト評価ステップでは、前記構造パラメータ及び材料パラメータと材料の単価の情報が格納されたコストデータベースから取得した単価とから材料コストを算出する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項１８】
前記コストデータベースに予め加工や組立の際の時間単価の情報を格納し、前記コスト評価ステップでは、材料コストの算出に加えて、前記構造パラメータ及び材料パラメータを用いて、溶接する際の工数を計算する溶接シミュレーションまたは切削する際の工数を計算する切削シミュレーションを行い、得られた工数と前記コストデータベースから取得した時間単価から加工や組立の際の製造コストを算出する請求項１７記載の機器構造物設計方法。
【請求項１９】
前記最適化ステップでは、前記コスト評価ステップにて算出されたコストを前記構造パラメータ及び材料パラメータの関数として近似し、その関数から最適化探索方向を設定し、最適値を計算する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【請求項２０】
前記使用条件算出ステップでは、前記構造パラメータから有限要素解析モデルを作成することにより使用条件を算出し、その際の有限要素解析モデルのデータをＣＡＤシステムに対してネットワークを介して入出力する請求項１１記載の機器構造物設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安全性・経済性を考慮し機器構造物を設計する機器構造物設計方法及び機器構造物設計支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機器構造物の設計においては、寸法、重量、製造のしやすさ等の制約条件のもと、最適な形状を選定する手法として最適化設計法が広く用いられるようになってきた。
【０００３】
そして、機器構造物の信頼性を確率論的に評価し、リスクを予測してメンテナンス費用を設計段階でコントロールするリスクベース設計方法も提案されてきた（例えば特許文献１及び２参照）。
【特許文献１】特開２００４−９４４５３号公報
【特許文献２】特開２００４−９４６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
機器構造物の信頼性やリスクを考慮した設計法や、その設計法に合わせた設計時の材料選択方法については提案されているが、製造する機器構造物の構造や材料、及び製造法の安全性及び経済性の双方が最適となるような組み合わせを決定する実用的な手法は未だ提案されていない。
【０００５】
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、製造する機器構造物の、材料コストや製造コストとリスク値とが所定値以下となる最適な構造や材料、及び製造法を、設計仕様に基づいて選出する機器構造物設計方法及び機器構造物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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る機器構造物設計支援装置は、請求項１に記載したように、機器構造物の構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力手段と、前記設計仕様情報から構造パラメータを設定する構造パラメータ設定手段と、前記設計仕様情報から材料パラメータをその統計分布とともに設定する材料パラメータ設定手段と、前記構造パラメータ及び材料パラメータから機器構造物の温度・応力・ひずみ等の使用条件を算出する使用条件算出手段と、所定の期間における設計対象事象の生起確率を計算する事象生起確率評価手段と、生起確率と損害額との積からリスクを評価するリスク評価手段と、前記構造パラメータ及び材料パラメータから材料コストを求めるコスト評価手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る機器構造物設計方法は、請求項１１に記載したように、機器構造物の構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力ステップと、前記設計仕様情報から構造パラメータを設定する構造パラメータ設定ステップと、前記設計仕様情報から材料パラメータをその統計分布とともに設定する材料パラメータ設定ステップと、前記構造パラメータ及び材料パラメータから機器構造物の温度・応力・ひずみ等の使用条件を算出する使用条件算出ステップと、所定の期間における設計対象事象の生起確率を計算する事象生起確率評価ステップと、生起確率と損害額との積からリスクを評価するリスク評価ステップと、前記構造パラメータ及び材料パラメータから材料コストを求めるコスト評価ステップとを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る機器構造物設計支援装置によると、製造する機器構造物の、材料コストや製造コストとリスク値とが所定値以下となる最適な構造や材料、及び製造法を、機器構造物の設計仕様に基づいて選択することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る機器構造物設計方法及び機器構造物設計支援装置の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
【００１０】
〔第１実施形態〕
図１〜図１０は、本発明に係る機器構造物設計支援装置の第１実施形態を示す図である。
【００１１】
第１実施形態の機器構造物設計支援装置１は、図１に示すように、通信処理やデータ処理等の様々な処理を行う処理装置２と、データを電気的及び磁気的に記録する記憶装置３とを備える。
【００１２】
処理装置２は、作業員に対して、機器構造物を設計する際に用いる構造や材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力手段４と、入力された設計仕様情報のうちの構造の情報に基づいて構造パラメータを設定する構造パラメータ設定手段５と、入力された設計仕様情報のうちの材料の情報に基づいて材料パラメータを設定する材料パラメータ設定手段６と、構造パラメータ、材料パラメータ等から使用条件を算出する使用条件算出手段７と、使用条件から信頼度を評価する事象生起確率評価手段８と、使用条件からリスクを評価するリスク評価手段９と、使用条件からコストを評価するコスト評価手段１０と、リスクやコストから機器構造物の最適な構造、材料を選択する最適化手段１１と、選択された最適な構造や材料を作業員に提示して設計に関する選択を促す設計選択手段１２とを備える。
【００１３】
処理装置２は、設計仕様入力手段４等の各手段が行う処理や、その他の様々なデータ処理、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を備える。
【００１４】
記憶装置３は、データを電気的に記憶するメモリやＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｒｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置１３と、データを磁気的に記録するハードディスクやＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の補助記憶装置１４とを備える。
【００１５】
また、補助記憶装置１４は、図１の一点鎖線で囲んだ枠内部分に相当するもので、複数の構造パラメータの情報が格納された構造パラメータ参照データベース１５、複数の材料パラメータの情報が格納された材料特性統計データベース１６、故障の履歴データから求めた故障統計情報が格納された故障統計データベース１７、事象の情報とその事象の生起により生じる損害額の情報とが関連付けられて格納された損害額データベース１８、及び、材料の単価及び加工や組立の際の時間単価の情報が格納されたコストデータベース１９を有する。
【００１６】
なお、第１実施形態では、構造パラメータ参照データベース１５等のデータベースが補助記憶装置１４内に設けられているが、補助記憶装置１４と別個に独立して設けられても構わない。
【００１７】
次に、設計仕様入力手段４等の各手段について具体的に説明する。
【００１８】
設計仕様入力手段４では、図２に示すように、作業員に対して、部品カテゴリ、目標値、最適化範囲等の情報の入力を促す。
【００１９】
部品カテゴリは、設計の対象となる部品を指定する項目であり、例えば蒸気配管等である。目標値は、使用条件と、その使用条件下で必要とされる寿命の数値、あるいは、数値範囲を入力する項目であり、例えば使用圧力、使用温度、寿命である。
【００２０】
最適化範囲は、設計する構造物（ここでは蒸気配管）の、許容されるコストの範囲、及び、用いることのできる材料の種類、及び、最適化する構造パラメータの種類を入力する項目であり、例えばコストの上限、使用可能な材料、使用可能な構造等である。
【００２１】
ここで、構造パラメータとは、板厚、管径、管長さなど、構造を決定するパラメータを言う。部品カテゴリの項目で設計する部品を選択済みであれば、この項目は、その部品の設計に適した材料の種類の候補、構造パラメータの候補が選択されるようにするとよい。
【００２２】
入力方法は、作業員が数値を直接入力する方法でも、作業員が提示された選択肢から選択する方法でもよく、例えば、コスト範囲として３千〜４千万円、材料の種類として９Ｃｒ鋼、改良９Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼、構造パラメータとして外径、肉厚が入力される。
【００２３】
構造パラメータ設定手段５は、構造パラメータとして寸法情報等を設定する。すなわち、構造パラメータ設定手段５は、図３に示すように、構造パラメータ参照データベース１５を用いて、設計仕様入力手段４の最適化範囲の項目で入力された寸法情報に合致する部品の構造パラメータを取得し設定する。この際、構造パラメータ設定手段５が複数の構造パラメータを提示し、設計者がその中から設計範囲を選択するようにしてもよい。なお、部品の種類と各部品の設計に必要な構造パラメータとが、予め構造パラメータ参照データベース１５に関連付けられて格納されている。
【００２４】
構造パラメータ参照データベース１５に寸法情報が格納されていない場合は、設計者が入力した数値範囲が構造パラメータとして設定される。任意の数値範囲は、１０〜２０といったような連続的な範囲であっても、１０、１５、２０といったような離散的な数値の範囲であっても構わない。ただし、数値範囲が連続的な範囲であった場合、構造パラメータ設定手段５が数値範囲を離散的数値に変換する。その際に、設計者が分割数を入力することにより、数値範囲を任意の等間隔の離散的数値に変換するようにしてもよい。
【００２５】
ここで選定された部品カテゴリ「蒸気配管」に対する構造パラメータは、例えば外径ｄｉ（ｉ＝１，２，３，…）と肉厚ｔｉ（ｉ＝１，２，３，…）であり、（ｄ１、ｔ１）、（ｄ２、ｔ２）、…のように外形と肉厚とがセットで設定される。
【００２６】
材料パラメータ設定手段６は、材料パラメータとして材料特性の統計的分布データ等を設定する。すなわち、材料パラメータ設定手段６は、図４に示すように、設計仕様入力手段４の最適化範囲の項目で入力された材料の情報（例えば、「９Ｃｒ鋼」、「改良９Ｃｒ鋼」、「１２Ｃｒ鋼」等）に基づいて材料特性統計データベース１６から材料特性の統計分布パラメータ（平均、分散等）の値を取得し、材料パラメータとして設定する。
【００２７】
なお、材料特性統計データベース１６には、各々の材料についての、材料名の情報と、各々の材料に対する引張特性、弾塑性変形特性、クリープ破断寿命特性、クリープ変形特性、疲労特性、じん性等を求めるために予め行った実験データの情報と、それらの実験データに基づいて得られる材料特性の、ばらつきに関する統計分布データ（平均、分散など）の情報とが、各々関連付けられて格納されている。
【００２８】
使用条件算出手段７は、設計する機器構造物について形状、環境条件から負荷を計算することにより、使用条件を求める。すなわち、使用条件算出手段７は、図５に示すように、構造パラメータ設定手段５で設定された構造パラメータの設計範囲のうち、特定の数値組み合わせを選出する。この際、設計範囲が連続的数値データとして入力されていた場合は、数値範囲の最大値どうしの組み合わせが設定される（例えば、外径＝ｄ１、肉厚＝ｔ１、という組み合わせ）。
【００２９】
続いて、使用条件算出手段７は、選出された組み合わせに基づきＣＡＤの形状データを作成するとともに、このＣＡＤデータに基づいて有限要素法（ＦＥＭ）計算に必要なＦＥＭ解析モデルを作成し、モデルの節点、要素の情報をＦＥＭ計算に用いられる様々な数値の初期値、定数等が定義されるインプットファイルに設定する。
【００３０】
さらに、使用条件算出手段７は、設計仕様入力手段４で入力された使用温度、使用圧力をＦＥＭ計算に必要な境界条件（負荷条件）としてインプットファイルに設定する。そして、使用条件算出手段７は、材料パラメータ設定手段６で選択された材料特性の統計分布の平均値を、ＦＥＭ計算に必要な材料特性としてインプットファイルに設定する。
【００３１】
ＦＥＭ計算が実行されると、外径＝ｄ１、肉厚＝ｔ１の形状をもった機器構造物の、入力された使用温度、使用圧力における負荷の程度、すなわち、機器構造物の温度、応力、変形の値が計算される。
【００３２】
ただし、設計時に使用温度、使用圧力といった外的環境にやむを得ない変動がある場合には、予め使用温度、使用圧力のばらつきを考慮して計算を実行する。すなわち、使用条件算出手段７は、予め文献や実機調査等により得られている使用温度、使用圧力の平均値、分散のデータに基づいてモンテカルロシミュレーションを行う機能を備えており、使用温度、使用圧力の平均値、分散に従った使用温度、使用圧力のデータの組み合わせを任意の数だけ人為的に作成することができる。
【００３３】
このようなデータの組み合わせを個別にインプットファイルに設定し、データの組み合わせの数だけＦＥＭ計算を行うと、それぞれの組み合わせにおける、構造物の温度、応力、変形が求められる。よって、使用温度、使用圧力にばらつきが存在した場合の、構造物の温度、応力、変形のばらつきが求められる。
【００３４】
事象生起確率評価手段８は、機器構造物の統計的寿命計算を行う。すなわち、事象生起確率評価手段８は、図６に示すように、材料パラメータ設定手段６から、材料強度または寿命の統計分布データを取り込み、使用条件算出手段７で得られた温度・応力・変形データに対応する寿命等の累積確率を求める。
【００３５】
材料パラメータ設定手段６で獲得した材料特性の統計分布データは、負荷毎の寿命分布を含んでいるので、統計分布データから、機器構造物が使用条件算出手段７で求められた温度・応力・変形の値で使用された場合の寿命分布を求めることができる。
【００３６】
寿命分布は、図６に示したように、寿命に対する累積確率として表示される。すなわち、機器構造物が、設計使用入力手段４の目標値の項目において入力された寿命の時間が経過した際に実際に寿命に達している確率が表示される。
【００３７】
ここで、材料パラメータ設定手段６で取得した材料特性の統計分布データは、引張強度統計分布等の強度分布データをも含んでいるので、図６に示した寿命に対する累積確率のグラフの横軸を強度に置き換えたグラフを表示させることもできる。その際に、強度パラメータとして、温度、応力値、変形量の何れかを任意に選択して表示させることもできる。
【００３８】
ここで、使用条件算出手段７で求められた温度・応力・変形の値のうち、指定した強度パラメータ（例えば応力）の数値が参照され、機器構造物にその強度の応力が負荷された場合に機器構造物が破壊する破壊確率が表示される。
【００３９】
設計使用入力手段４で入力された寿命目標値に対応する累積確率、あるいは、材料の破壊確率が設計者により予め設定された制限値（上限値）未満の場合に、このときの構造パラメータと材料との組み合わせは採択される。
【００４０】
材料パラメータ設定手段６で取得した材料特性の統計分布データにおいて、材料の寿命分布や強度分布の元となる実験データが十分に得られておらず、事象生起確率評価手段８において寿命に対する累積確率等のグラフが表示できない場合には、事象生起確率評価手段８は、材料特性統計データベース１６に格納されている実機部品の故障確率に関する統計的データを参照する。
【００４１】
材料特性統計データベース１６に格納されている故障確立に関する統計的データは、実機部品の損傷事例データを使用条件毎に統計的に整理したものであり、ここで得られる統計分布を、事象生起確率評価手段８の材料の統計分布として用いることができる。
【００４２】
リスク評価手段９は、図７に示すように、事象生起確率評価手段８で求めた目標値（時期）に対応する事象生起の累積確率と損害額データベース１８から得られる損害額とを掛け合わせてリスク値を計算する。なお、損害額データベース１８には、様々な部品に対して、予め損害額の情報が格納されており、リスク評価手段９は、設計仕様入力手段４の部品カテゴリで入力された部品に対応した損害額の情報を取得する。
【００４３】
また、リスク評価手段９は、設計者により予め設定されたリスクの許容範囲を示す制限値（上限値）に基づいてリスク値を評価する。
【００４４】
コスト評価手段１０は、図８に示すように、設定されている材料の使用量とコストデータベース１９から取得した単価とを掛け合わせて材料コストを計算する。さらに、コスト評価手段１０は、設定されている加工・組立の工数とコストデータベース１９から取得した時間単価の積から製造コストを計算する。なお、コストデータベース１９には、材料名の情報と、材料の単価の情報と、製造単価の情報とがそれぞれ関連付けられて格納されている。
【００４５】
用いる材料の使用量は、使用条件算出手段７にて生成されたＣＡＤの形状データから、体積、あるいは重量が計算される。また、加工・組立の工数は、設計者により入力される。
【００４６】
また、コスト評価手段１０は、必要に応じて、機器構造物の構造や材料の情報からコストを算出するシミュレーション手段２２を備える。シミュレーション手段２２は、材料の使用量等が構造パラメータや材料パラメータによって変動する場合に、使用条件算出手段７が作成した解析モデルを用いて、工数を算出するための加工シミュレーションを行う。コスト評価手段１０は、得られた工数に基づいて製造コストを計算する。なお、加工シミユレーションとしては、切削や溶接の際の工数を計算する切削シミュレーションや溶接シミュレーション等がある。
【００４７】
なお、コスト評価手段１０は、設計仕様入力手段４において入力されたコストの許容範囲を示す制限値（上限値）に基づいてコストを評価する。
【００４８】
最適化手段１１は、図９に示すように、得られたコストを構造パラメータの関数として材料ごとに整理し、各材料についてコストを最小化する最適な材料と構造パラメータとの組み合わせを抽出する。
【００４９】
図９のグラフに、所定の材料について構造パラメータが変化した場合のコスト変化を模式的に示している。材料、構造パラメータに対応するコスト変化を求める際に、材料の種類や構造パラメータの組み合わせ数が多過ぎて、すべての材料、構造パラメータに対応するコスト変化を同一のグラフで現すことは困難なことが多い。
【００５０】
そこで、材料毎のコスト変化は、コスト＝ｆ（構造パラメータ）という形の近似関数として求められる。近似する際の近似手法としては、例えば、最小二乗法、応答曲面法などがある。さらに、このような近似関数に基づき、コストの最小化を目的とした最適化計算を行い、各材料毎に、コストを最小化できる構造パラメータの最適値が求められる。最適化手段１１は、最適化計算により得られた材料毎の最小コストを比較し、その中で最もコストの低い材料、構造パラメータの組み合わせを抽出する。
【００５１】
設計選択手段１２は、最適化手段１１で得られた最適値を従来のものと比較するため、最適化手段１１で得られた最適な構造パラメータと材料との組み合わせに関するデータを、従来の標準機の設計データと並べて表示する。作業員は、最適化手段１１で得られたデータと従来のデータとにおける構造パラメータの差と材料種別の違いとから、最適化手段１１で得られた構造パラメータと材料との組み合わせを採択するか否かを決定する。特に、最適化手段１１により得られたデータと従来の標準機の設計データとの差が大きく違う場合、設計選択手段１２は、最適化手段１１で得られた構造パラメータと材料の組み合わせを採択するか否かの入力を促すことにより、設計の意志選択を支援する。
【００５２】
以上のように構成したので、第１実施形態の機器構造物設計支援装置１では、設計者が、リスクを判断基準としてコスト最小となる構造・材料を選択し、さらに、従来機からの極端な変更を防止して安全と経済性をバランスさせた設計要項を選択することが可能となる。
【００５３】
なお、機器構造物設計支援装置１は、文字、画像、音声等を表示する表示装置２０、音声、文字等を入力する入力装置２１を備える。表示装置２０は、文字、画像等を出力するディスプレイ等であり、入力装置２１は、文字、画像等を入力するキーボード、マウス、ボタン等である。
【００５４】
次に、機器構造物設計支援装置１を用いて機器構造物の設計を行う際の流れを、図１０のフローチャートに基づいて説明する。
【００５５】
始めに、設計仕様入力手段４は、機器構造物を設計する際に必要な情報である部品カテゴリ、各設計パラメータ等の目標値、材料やコスト等の最適化範囲等の設計仕様データの入力を促す（Ｓ１）。
【００５６】
入力装置２１により設計仕様データが入力されると、構造パラメータ設定手段５は、設計候補となる形状・寸法等の構造に関する構造パラメータを設定する（Ｓ２）。また、材料パラメータ設定手段６は、適用される材料の種類と材料特性を示す統計分布とが付加された材料パラメータを設定する（Ｓ３）。
【００５７】
そして、使用条件算出手段７は、構造パラメータ設定手段５で設定された構造パラメータ及び材料パラメータ設定手段６で設定された材料パラメータの情報から境界条件を設定するとともに、機器構造部材に生じる温度・応力・ひずみ等の使用条件を計算し、解析モデル（例えばＣＡＤ形状情報モデル）を作成する（Ｓ４）。
【００５８】
事象生起確率評価手段８は、使用条件算出手段７で算出された使用条件に対応する材料特性の確率分布を用いて、設計する際に考慮すべき事象の生起確率（例えば破損が生じる確率）を求める（Ｓ５）。
【００５９】
もし、求められた事象の生起確率が予め設定されている制限値以上となる場合は、事象生起確率評価手段８はその時の構造パラメータと材料の組み合わせを不採択とし、構造パラメータ設定手段５が形状・寸法等の構造に関する構造パラメータを再選出して設定する（Ｓ２へ）。
【００６０】
また、事象の生起確率が予め設定した制限値未満である場合は、リスク評価手段９で、この生起確率と損害額とを掛け合わせてなるリスク値を求める（Ｓ６）。
【００６１】
もし、リスク値が予め設定した制限値以上となる場合は、リスク評価手段９は、選択されている構造パラメータと材料パラメータの組み合わせを不採択とし、構造パラメータ設定手段５が形状・寸法等の構造に関する構造パラメータを再選出して設定する（Ｓ２へ）。
【００６２】
また、リスク値が予め設定した制限値未満である場合は、コスト評価手段１０において、使用条件算出手段１１において選出した構造・材料コスト及び付随する製造コストを算出する（Ｓ７）。なお、製造コストを算出する際、必要に応じて、シミュレーション手段２２において加工シミュレーションを行って加工の際の工数を計算することにより、製造コストを導出する。
【００６３】
機器構造物の設計を行う際、構造パラメータの設定（Ｓ２）から製造コスト算出（Ｓ７）までの手順を、設定された各々の構造パラメータと材料パラメータとの組み合わせについて繰返し行う（Ｓ８）。なお、設計仕様入力手段４で設定した構造パラメータが連続的な数値範囲であった場合、離散化された数値を用いて組み合わせを作成し、構造パラメータの設定（Ｓ２）から製造コスト算出（Ｓ７）までの手順を繰り返す。
【００６４】
そして、全ての構造パラメータと材料パラメータとの組み合わせについて終了した時点で、最適化手段１１は、コストと構造パラメータの関係を材料種別ごとに求め、コストが最小となる構造と材料との組み合わせを選定する（Ｓ９）。
【００６５】
機器構造物の構造と材料との組み合わせが選定されると、設計選択手段１２は、最適化手段１１で選定された構造、材料の組み合わせ、及びコストのデータと、従来の設計機のデータを、構造パラメータの差や材料種別の違いが比較しやすいように並べて表示する（Ｓ１０）。作業員は表示されたデータに基づいて機器構造物設計支援装置１により求められた構造、材料等の設計仕様を採択するか否かを決定する。
【００６６】
以上のようにして、機器構造物設計支援装置１を用いた機器構造物の設計が行われる。
【００６７】
第１実施形態によると、機器構造物を設計する際に、安全・信頼性を犠牲にすることなく、リスクを判断基準としてコストが最適となる機器構造物の構造・材料を選択でき、さらに従来と比べて極端な変更を防止して安全と経済性をバランスさせた設計要項を容易に選択することが可能となる。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る機器構造物設計支援装置の第２実施形態について、図１１を用いて説明する。なお、第１実施形態に示された機器構造物設計支援装置１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
第２実施形態の機器構造物設計支援装置１Ａは、図１１に示すように、通信処理やデータ処理等の様々な処理を行う処理装置２、データを電気的及び磁気的に記録する記憶装置３、文字、画像、音声等を表示する表示装置２０、音声、文字等を入力する入力装置２１からなる。
【００７０】
処理装置２は、作業員に機器構造物を設計する際に用いる構造、材料等の設計仕様情報の入力を促す設計仕様入力手段４と、入力された設計仕様情報のうちの構造の情報に基づいて構造パラメータを設定する構造パラメータ設定手段５と、入力された設計仕様情報のうちの材料の情報に基づいて材料パラメータを設定する材料パラメータ設定手段６と、構造パラメータ、材料パラメータ等から使用条件を算出する使用条件算出手段７と、使用条件から信頼度を評価する事象生起確率評価手段８と、使用条件からリスクを評価するリスク評価手段９と、使用条件からコストを評価するコスト評価手段１０と、リスクやコストから機器構造物の最適な構造、材料を選択する最適化手段１１と、選択された最適な構造や材料を作業員に提示して設計に関する選択を促す設計選択手段１２とを備える。
【００７１】
処理装置２は、設計仕様入力手段４等の各手段が行う処理や、その他の様々なデータ処理を行うＣＰＵを備える。
【００７２】
記憶装置３は、電気的にデータを記憶するメモリやＲＡＭ等の主記憶装置１３と、磁気的にデータを記録するハードディスクやＲＯＭ等の補助記憶装置１４とを備える。
【００７３】
また、補助記憶装置１４は、図１１に示すように、構造パラメータを複数定義した構造パラメータ参照データベース１５、材料パラメータを複数定義した材料特性統計データベース１６、故障の履歴データから求めた故障統計情報が格納された故障統計データベース１７、事象とその事象の生起により生じる損害額とを関連付けて定義した損害額データベース１８、及び、材料の単価及び加工や組立の際の時間単価をそれぞれ関連付けて格納するコストデータベース１９を有する。
【００７４】
また、機器構造物設計支援装置１Ａは、ＣＡＤシステム２３を備える。ＣＡＤシステム２３は、使用条件算出手段７の有限要素解析モデルをネットワークを通じて送信するとともに、設計選択手段１２から最適化され求められた構造パラメータや材料パラメータをネットワークを通じて受信する。
【００７５】
第２実施形態によれば、処理装置２及びＣＡＤシステム２３間において、有限要素解析モデルの情報がネットワークを介して入出力されるため、設計時間の短縮がはかれ、機器構造物の最適な構造・材料の選択を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る機器構造物設計支援装置の第１実施形態を示すシステムブロックの構成図。
【図２】第１実施形態の設計仕様入力手段の構成図。
【図３】第１実施形態の構造パラメータ設定手段の構成図。
【図４】第１実施形態の材料パラメータ設定手段の構成図。
【図５】第１実施形態の使用条件算出手段の構成図。
【図６】第１実施形態の事象生起確率評価手段の構成図。
【図７】第１実施形態のリスク評価手段の構成図。
【図８】第１実施形態のコスト評価手段の構成図。
【図９】第１実施形態の最適化手段および設計選択手段の構成図。
【図１０】第１実施形態の全体の流れを示すフローチャート。
【図１１】本発明に係る機器構造物設計支援装置の第２実施形態を示すシステムブロックの構成図。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ  機器構造物設計支援装置
２  処理装置
３  記憶装置
４  設計仕様入力手段
５  構造パラメータ設定手段
６  材料パラメータ設定手段
７  使用条件算出手段
８  事象生起確率評価手段
９  リスク評価手段
１０  コスト評価手段
１１  最適化手段
１２  設計選択手段
１３  主記憶装置
１４  補助記憶装置
１５  構造パラメータ参照データベース
１６  材料特性統計データベース
１７  故障統計データベース
１８  損害額データベース
１９  コストデータベース
２０  表示装置
２１  入力装置
２２  シミュレーション手段
２３  ＣＡＤシステム
【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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