(57)【要約】【課題】概略形状から必要な箇所の寸法変更、必要な部材の変更が可能な形状最適化のための三次元ＣＡＤモデルを自動生成し、生成された三次元ＣＡＤモデルを初期形状として形状最適化計算に適用し、設計仕様を満足するための三次元形状モデルの修正に要する時間を短縮する。【解決手段】三次元ＣＡＤモデルを構成する部品の種類および寸法を決定する三次元形状最適化装置であって、概略形状を入力する手段と、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段と、補強が必要な部材を明示する手段とを含む。【選択図】図１
2009122999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ＣＡＤモデルを構成する部品の種類および寸法を決定する三次元形状最適化方法であって、概略形状を入力する工程と、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する工程と、補強が必要な部材を明示する工程とを含むことを特徴とする三次元形状最適化方法。
【請求項２】
前記概略形状から二次元化領域を取得する工程と、中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する工程と、該中立線および該二次元化領域から前記三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の三次元形状最適化方法。
【請求項３】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する工程と、該平面部分の形状から前記二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する工程と、前記二次元化領域から前記中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する工程と、前記中立線および前記二次元化領域から前記三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する工程と、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する工程と、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する工程と、解析モデルを生成する工程と、該解析モデルを利用して該構造解析をする工程と、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように該設計変数を決定する工程とを含むことを特徴とする請求項２記載の三次元形状最適化方法。
【請求項４】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する工程と、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する工程と、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する工程と、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する工程と、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する工程と、解析モデルを生成する工程と、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする工程と、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する工程と、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である前記三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する工程と、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する工程とを有することを特徴とする請求項２記載の三次元形状最適化方法。
【請求項５】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する工程、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する工程、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する工程、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する工程、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する工程、解析モデルを生成する工程、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする工程、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する工程、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する工程、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する工程、前記概略形状と、前記概略形状における性能と、最適化計算によって得られた前記三次元ＣＡＤモデルと、前記三次元ＣＡＤモデルを利用した際の性能とを比較できるように表示する工程、および補強が必要な部材を明示する工程を有することを特徴とする請求項１記載の三次元形状最適化方法。
【請求項６】
三次元ＣＡＤモデルを構成する部品の種類および寸法を決定する三次元形状最適化装置であって、概略形状を入力する手段と、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段と、補強が必要な部材を明示する手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の三次元形状最適化方法を実施するための三次元形状最適化装置。
【請求項７】
前記概略形状から二次元化領域を取得する手段と、中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段と、該中立線および該二次元化領域から前記三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段とを含むことを特徴とする請求項６記載の三次元形状最適化装置。
【請求項８】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段と、該平面部分の形状から前記二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段と、前記二次元化領域から前記中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段と、前記中立線および前記二次元化領域から前記三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段と、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段と、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段と、解析モデルを生成する手段と、該解析モデルを利用して該構造解析をする手段と、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように該設計変数を決定する手段とを含むことを特徴とする請求項７記載の三次元形状最適化装置。
【請求項９】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する手段、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する手段、および補強が必要な部材を明示する手段を有することを特徴とする請求項７記載の三次元形状最適化装置。
【請求項１０】
前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する手段、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する手段、前記概略形状と、前記概略形状における性能と、最適化計算によって得られた前記三次元ＣＡＤモデルと、前記三次元ＣＡＤモデルを利用した際の性能とを比較できるように表示する手段、および補強が必要な部材を明示する手段を有することを特徴とする請求項６記載の三次元形状最適化装置。
【請求項１１】
コンピュータを、概略形状を入力する手段、該概略形状から二次元化領域を取得する手段、中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、該中立線と該二次元化領域とから三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるためのプログラム。
【請求項１２】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、前記中立線および前記二次元化領域から三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるための請求項１１記載のプログラム。
【請求項１３】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する手段、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるための請求項１１記載のプログラム。
【請求項１４】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、前記平面部分の形状から二次元化領域を作成して前記二次元化領域の座標データを取得する手段、前記二次元化領域から中立線と前記二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、前記解析モデルを利用して前記構造解析をする手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように前記設計変数を決定する手段、前記中立線および前記二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、前記構造解析の結果から前記制約条件を満たしながら前記目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して前記設計変数を最適化する手段、前記概略形状と、前記概略形状における性能と、最適化計算によって得られた前記三次元ＣＡＤモデルと、前記三次元ＣＡＤモデルを利用した際の性能とを比較できるように表示する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるための請求項１１記載のプログラム。
【請求項１５】
コンピュータを、請求項６記載の三次元形状最適化装置の手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１６】
コンピュータを、前記概略形状から二次元化領域を取得する手段、中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、該中立線と該二次元化領域とから三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な請求項１５記載の記録媒体。
【請求項１７】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、該平面部分の形状から二次元化領域を作成して該二次元化領域の座標データを取得する手段、該二次元化領域から中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、該中立線および該二次元化領域から三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、該解析モデルを利用して該構造解析をする手段、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように該設計変数を決定する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な請求項１６記載の記録媒体。
【請求項１８】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、該平面部分の形状から二次元化領域を作成して該二次元化領域の座標データを取得する手段、該二次元化領域から中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、該解析モデルを利用して該構造解析をする手段、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように該設計変数を決定する手段、該中立線および該二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して該設計変数を最適化する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な請求項１６記載の記録媒体。
【請求項１９】
コンピュータを、前記概略形状の、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に平行な平面部分の領域を取得する手段、該平面部分の形状から二次元化領域を作成して該二次元化領域の座標データを取得する手段、該二次元化領域から中立線と該二次元化領域とを含むモデルを作成する手段、最適化計算のための目的関数、制約条件、設計変数を入力する手段、構造解析のための材料条件、拘束条件、荷重条件を入力する手段、解析モデルを生成する手段、該解析モデルを利用して該構造解析をする手段、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように該設計変数を決定する手段、該中立線および該二次元化領域から、基本部材を含む組み立て体である三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段、該構造解析の結果から該制約条件を満たしながら該目的関数が最小または最大になるように遺伝的アルゴリズムを利用して該設計変数を最適化する手段、該概略形状と、該概略形状における性能と、最適化計算によって得られた該三次元ＣＡＤモデルと、該三次元ＣＡＤモデルを利用した際の性能とを比較できるように表示する手段、および補強が必要な部材を明示する手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な請求項１５記載の記録媒体。
【請求項２０】
三次元ＣＡＤモデルを構成する部品の種類および寸法を決定するために、概略形状を入力する手段と、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段と、補強が必要な部材を明示する手段とを含む三次元形状最適化装置の記録媒体であって、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデル生成するための要素となる基本部材に関するデータが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状最適化装置および三次元形状最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、機械構造物の設計において、与えられた設計仕様を満足するために、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を利用して、機械構造物の形状、材料条件などのパラメータを色々変化させるパラメータサーベイを実施し、そこで得られた解析結果の中から設計仕様を満足する設計解を導出している。このとき、最適化技術を利用することで、パラメータサーベイを自動化し、設計解を予測する形状最適化計算を実施することで、その導出を短時間でできるようにしている。
【０００３】
通常、新しく設計を行う場合、均質化法に代表される最適化技術を利用することで概略形状を見出していた。この概略形状は、ボクセルメッシュと呼ばれる領域において、強度上必要な部分のみを明示するものである。このため、製作可能か否かなどは考慮されておらずイメージ図に近い。このため、実際に設計に適用しようとした場合、出力された概略形状を参考にして、対話作業により三次元ＣＡＤモデルを新たに生成し、それを初期形状として、形状最適化計算を実施することで設計解を算出していた。
【０００４】
従来、イメージ図などの形状から三次元モデルを生成する三次元形状自動生成技術としては、特許文献１に開示されている。特許文献１では、任意の被写体画像からその被写体の三次元形状を安定して抽出するために、任意の背景を含む被写体画像を入力する画像入力手段と、被写体形状から被写体形状を切り出す画像切り出し手段と、切り出された被写体形状に基づき、被写体に類似する標準三次元形状モデルの形状を修正する形状修正手段を利用する方法が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１９４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の三次元形状自動生成技術では、入力された形状に対して、入力形状の類似検索により、対応する三次元形状モデルを取り出している。しかし、一般に機械設計で利用する三次元形状モデルの作成は、三次元ＣＡＤと呼ばれるシステムにより作成される。この三次元ＣＡＤは、形状特徴と呼ばれる直方体、円筒といった基本的な形状を組み合わせて三次元形状モデルを生成している。さらに、梁、桁といった構成部品を形状特徴として扱うことも可能であり、形状特徴をＨ形鋼やＵ形鋼などの部品に見立てて、それらの形状特徴の組み立て体として表現することも可能である。
【０００７】
さて、従来の類似検索により三次元形状モデルを抽出した場合、入力された全体形状が類似した三次元形状モデルが得られることになり、入力された形状を構成する梁などの個々の形状特徴が、設計者が望む形状である保証はない。すなわち、本来、梁と桁とで構成される組み立て体の筐体構造などは、従来方法では、全体構造の類似性から検索されるため、梁や桁が接続されて単一構造となっている可能性がある。このため、単一構造となってしまっている場合には、梁部分のみの寸法値を設計変数とする形状最適化計算は非常に困難である。また、部材そのものを設計変数として、部材の置き換えまで含めた最適化計算も、梁や桁が単一部品となっている場合には、梁のみを別な種類の梁に置き換えることは困難である。
【０００８】
このような従来の三次元形状自動生成技術により概略形状から三次元形状モデルを生成した場合に、前述の課題により形状最適化計算を実行するためには、三次元形状モデルを構成する梁や桁を修正する必要があるため、三次元ＣＡＤの編集に非常に多大な時間を要することになる。
【０００９】
特許文献１においても、入力された概略形状に対して、類似形状のみを検索して表示するため、機械構造物を構成する個々の部材の形状や接続状況まで考慮した三次元形状モデルの生成という点に関しては、十分に考慮されていない。
【００１０】
本発明は、概略形状から必要な箇所の寸法変更、必要な部材の変更が可能な形状最適化のための三次元ＣＡＤモデルを自動生成し、生成された三次元ＣＡＤモデルを初期形状として形状最適化計算に適用し、設計仕様を満足するための三次元形状モデルの修正に要する時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の三次元形状最適化装置は、三次元ＣＡＤモデルを構成する部品の種類および寸法を決定する三次元形状最適化装置であって、概略形状を入力する手段と、該概略形状から該三次元ＣＡＤモデルを生成して表示する手段と、補強が必要な部材を明示する手段とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、均質化法に代表される最適化技術の出力結果である概略形状から、必要な箇所の寸法変更、必要な部材の変更が可能な形状最適化のための三次元ＣＡＤモデルを自動生成し、生成された三次元ＣＡＤモデルを初期形状として、形状最適化計算に適用することで、設計仕様を満足する設計解を短時間で得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、均質化法に代表される最適計算結果である概略形状を入力手段と、入力された概略形状に対して、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に並行な平面部分の形状を取得する手段と、取得した平面部分形状に対して二次元化した平面領域を生成し、生成した領域の座標値データを取得する手段と、生成した平面領域情報を取得し、取得した平面領域の面積と、平面領域を包含する長方形の面積との比率を算出し、指定した比率以上の平面領域は、包含する長方形全ての領域を平面領域として認識し、比率以下の場合は、線分による中立線を生成し、中立線の座標値データを取得して、さらに、幅情報として、中立線の生成する際に作成した内接円の直径データを算出する手段と、作成した平面領域情報を取得し、データベースから直方体の三次元ＣＡＤモデルを取得して、平面情報の座標値、厚さ情報に従って直方体を変更し、また中立線情報を取得し、データベースからＨ形鋼の三次元ＣＡＤモデルを取得して、中立線情報の座標値、幅情報に従ってＨ形鋼を変更し、操作者に概略形状とともに生成した三次元ＣＡＤモデルを表示し、さらに同一の中立線で、幅情報が異なる場合は、対象部材を強調表示するとともに、補強が必要であることを知らせる手段と、形状最適化計算に必要な、目的関数、制約条件、遺伝的アルゴリズム（Ｇｅｎｅｔｉｃ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を利用した最適化計算を行うための最大世代数、集団数、部材の変更、寸法変更などの設計変数を入力する手段と、構造解析に必要な、材料条件、拘束条件、荷重条件、メッシュ条件を入力する手段と、作成した三次元形状モデルに対して、解析条件入力部で入力された材料条件、拘束条件、荷重条件を設定し、メッシュ条件に従って領域をメッシュ生成して解析モデルを作成する手段と、作成した解析モデルを取得し、構造解析を実施する手段と、実行した解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズムを利用して、目的関数が最小または最大かつ制約条件を満たす最良の設計変数を算出する手段と、最適計算を実行した中で最も良い結果の三次元ＣＡＤモデル、その結果、概略形状入力部で入力した概略形状、そのときの解析結果を取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する手段とを備えた三次元形状最適化装置とその方法を提案する。
【００１４】
これにより、概略形状から三次元ＣＡＤモデルを自動生成し、形状最適化計算を行うことが可能になる。
【００１５】
以下、本発明の実施例について、図面を引用して説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明に係る三次元形状最適化装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。図１の実施例の装置は、概略形状入力部１０１、平面形状取得部１０２、二次元形状生成部１０３、中立線・平面生成部１０４、三次元ＣＡＤ形状生成部１０５、最適化条件入力部１０６、解析条件入力部１０７、解析モデル作成部１０８、解析部１０９、最適計算制御部１１０、最適計算表示部１１１、データベース１１２、計算機１１３を含む。
【００１７】
概略形状入力部１０１では、均質化法に代表される最適計算結果である概略形状を入力する。平面形状取得部１０２では、概略形状入力部１０１で入力された概略形状に対して、ＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面に並行な平面部分の形状を取得する。二次元形状生成部１０３では、平面形状取得部１０２で取得した平面部分形状に対して二次元化した平面領域を生成し、生成した領域の座標値データを取得する。
【００１８】
中立線・平面生成部１０４では、二次元形状生成部１０３で生成した平面領域情報を取得し、取得した平面領域の面積と、平面領域を包含する長方形の面積との比率を算出し、指定した比率以上の平面領域は、包含する長方形全ての領域を平面領域として認識する。比率以下の場合は、線分による中立線を生成し、中立線の座標値データを取得する。さらに、幅情報として、中立線の生成する際に作成した内接円の直径データを算出する。
【００１９】
三次元ＣＡＤ形状作成部１０５では、中立線・平面生成部１０４で作成した平面領域情報を取得し、データベースから直方体の三次元ＣＡＤモデルを取得して、平面情報の座標値、厚さ情報に従って直方体を変更する。また、中立線情報を取得し、データベースからＨ形鋼の三次元ＣＡＤモデルを取得して、中立線情報の座標値、幅情報に従ってＨ形鋼を変更し、操作者に概略形状とともに生成した三次元ＣＡＤモデルを表示する。さらに、同一の中立線で、幅情報が異なる場合は、対象部材を強調表示するとともに、補強が必要であることを知らせる。
【００２０】
形状最適化条件入力部１０６では、形状最適化計算に必要な目的関数、制約条件、遺伝的アルゴリズムを利用した最適化計算を行うための最大世代数、集団数、部材の変更、寸法変更などの設計変数の初期値を入力する。解析条件入力部１０７では、構造解析に必要な、材料条件、拘束条件、荷重条件、メッシュ条件を入力する。
【００２１】
解析モデル作成部１０８では、三次元ＣＡＤ形状作成部１０５で作成した三次元形状モデルに対して、解析条件入力部１０７で入力された材料条件、拘束条件、荷重条件を設定し、メッシュ条件に従って領域をメッシュ生成して解析モデルを作成する。解析部１０９では、解析モデル作成部１０８で作成した解析モデルを取得し、構造解析を実施する。
【００２２】
最適計算制御部１１０では、解析部１０９で実行した解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズムを利用して、目的関数が最小または最大かつ制約条件を満たす最良の設計変数を算出する。最適結果表示部１１１では、最適計算制御部１１０で最適計算を実行した中で最も良い結果の三次元ＣＡＤモデル、そのときの結果、概略形状入力部１０１で入力した概略形状、そのときの解析結果を取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する。
【００２３】
データベース１１２では、概略形状入力部１０１、平面形状取得部１０２、二次元形状生成部１０３、中立線・平面生成部１０４、三次元ＣＡＤ形状生成部１０５、最適化条件入力部１０６、解析条件入力部１０７、解析モデル作成部１０８、解析部１０９、最適計算制御部１１０、最適計算表示部１１１で算出した結果を蓄積する。計算機１１３では、本装置を構成する１０１から１１２までを制御する。
【００２４】
このように構成される実施形態の処理手続きについて、図１から図１７を参照しながら説明する。図２、図３、図４、図５、図６は、図１に示す三次元形状最適化装置における利用手順を示すフローチャートである。本発明の利用手順は、大きく三つのフェーズに分けられる。一つ目は、概略形状を入力し、最適化計算のための初期形状となる三次元ＣＡＤモデルを生成するフェーズ１である。二つ目は、形状最適化に必要な条件の入力、構造解析の実行に必要な条件の入力を行うフェーズ２である。三つ目は、一つ目の作成された三次元ＣＡＤモデルを初期形状として、二つ目のフェーズで入力された形状最適化条件、解析条件に従って、構造解析を実施し、目的関数が最大または最小かつ制約条件を満たすように最適計算を実行し、最良の結果を出力するフェーズ３である。
【００２５】
まず、フェーズ１のＳ１について説明する。
【００２６】
Ｓ１では、最適化計算を実施するに当り、初期形状となる三次元ＣＡＤモデル作成の元となる概略形状を入力する。図７に入力する概略形状および入力画面の一例を示す。概略形状は、均質化法により最適化計算された出力結果であり、コンピュータの筐体である。均質化法は、三次元の最適化対象領域をボクセルメッシュと呼ばれる差分格子に分割し、最適化計算を実行することにより、強度的に必要な部分の各格子からなるセルを明示するものである。
【００２７】
図７は、コンピュータ筐体において、斜線部分および実線部分が強度的に必要な領域を意味し、それ以外の部分は必要ではないことを意味する。すなわち、フェーズ１では、斜線部分と実線部分の領域からなる筐体の三次元ＣＡＤモデルを作成する。操作者は、概略形状を、「参照」ボタンを押すことで、データ一覧を表示し、ターゲットとなる概略形状のデータを選択する。概略形状入力部１０１は選択されたデータを読み込んで画面に表示する。操作者は、表示された画面の概略形状が適切であれば「入力」ボタンを押すことで、概略形状入力部１０１は入力された概略形状をデータベースに記憶する。
【００２８】
Ｓ２では、Ｓ１で入力された概略形状の平面部分形状を取得する。平面形状取得部１０２は、概略形状入力部１０１によって記憶された概略形状を包含する直方体形状を、演算により求める。ここで、ＸＹ平面に並行な平面部分形状の取得方法について述べる。平面形状取得部１０２は、演算より求めた直方体形状のＺ軸方向の最小値から、ボクセルのセルの一段目においてＸＹ平面のセルの個数を算出し、Ｚ軸方向の最大値まで、一段ずつＸＹ平面のセルの個数を算出し、それぞれをデータベースに記憶する。記憶したＺ軸方向の最小値から最大値までの、ＸＹ平面におけるセルの個数の分布を図８に示す。概略形状から明らかなように、概略形状の床部分および天井部分にセルが多いことがわかる。
【００２９】
つぎに、平面形状取得部１０２は、指定した閾値におけるＺ軸の値を算出し、それぞれをデータベースに記憶する。なお、閾値は操作者が任意に指定することが可能であるが、ここでは３００とする。データベースに記憶したＺ軸の値は、説明のために、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと呼ぶことにし、図８の黒丸でそれぞれ示す。ＡからＢの間が床部分、ＣからＤの間が天井部分を意味する。また、図８に概略形状のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点の位置関係を表示する。
【００３０】
つぎに、平面形状取得部１０２は、概略形状データを取得し、ＸＹ平面に並行かつＺ軸のＡ点からＢ点までの形状、ＸＹ平面に並行かつＣ点からＤ点までの形状を取得して、それぞれをデータベースに記憶する。本処理は、指定した領域のボクセルのセルを取得することで実現可能である。このようにＸＹ平面に並行な平面部分形状が取得でき、床部分、天井部分以外の部分は排除することができる。
【００３１】
つぎに、平面形状取得部１０２は、ＸＺ平面、ＹＺ平面に並行な平面部分形状についても、同様の方法で取得し、それらの形状をデータベースに記憶する。取得したＸＺ平面に平行な平面部分形状の一例を図９に示す。平面形状取得部１０２は、ＸＹ平面に並行な平面部分形状２個、ＸＺ平面に並行な平面部分形状２個、ＹＺ平面に並行な平面部分形状２個の合計６個の形状を取得し、それらの情報をデータベースに記憶する。
【００３２】
Ｓ３では、Ｓ２で取得した平面形状の二次元化を行う。二次元形状生成部１０３は、Ｓ２で記憶した平面部分形状のデータを取得し、取得した平面部分形状のデータを包含する直方体形状を演算により求める。ここで、ＸＹ平面に並行な平面形状部分の処理について述べる。
【００３３】
つぎに、二次元形状生成部１０３は、平面部分形状を二次元化する。すなわち、ＸＹ平面への投影した形状を演算により取得し、データベースに記憶する。これは、ＸＹ平面に並行なボクセルの和集合を算出すれば良い。つぎに、二次元化した形状の座標値を演算によって求める。これは直方体形状の頂点の座標値から算出できる。Ｘ座標、Ｙ座標は、直方体の頂点から得られる座標値をそのまま利用し、Ｚ座標は、直方体におけるＺ軸方向の２点における中間点の値を利用して、それぞれをデータベースに記憶する。すなわち、平面部分形状は、直方体の厚さ方向における中間位置に、平面形状を包含する長方形の座標値データを持つことになる。つぎに、二次元形状生成部１０３は、残りの平面部分形状についても、同様の方法で、座標値を算出し、二次元化処理を行い、それぞれをデータベースに記憶する。
【００３４】
Ｓ４では、Ｓ３で算出した二次元形状について、中立線化、平面化を行う。中立線・平面生成部１０４は、Ｓ３で算出した二次元化形状のデータを取得する。つぎに、中立線・平面生成部１０４は領域の面積を算出する。さらに、座標値を取得し、領域を包含する長方形の面積を算出し、領域の面積と長方形の面積の比率を算出する。比率が指定した値以上の場合であれば、中立線・平面生成部１０４は、対象領域は平面としてデータベースに記憶する。比率の指定は、操作者が任意に指定することができるが、ここでは０．７とした。また、比率が指定した値以下の場合は、中立線・平面生成部１０４は、領域の中立線を生成する。
【００３５】
まず、平面部分の領域の境界線を抽出する。つぎに、中立線・平面生成部１０４は、抽出した境界線の内部領域に対して中立線を作成する。中立線の作成は、ＭＡＴ（Ｍｅｄｉａｌ  Ａｘｉｓ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）法などの公知技術を利用することで生成が可能である。つぎに、中立線・平面生成部１０４は、生成した中立線の境界上の端点同士を直線で結び、それぞれ端点の座標値を算出してデータベースに記憶する。つぎに、中立線・平面生成部１０４は、ＭＡＴ法を用いて中立線を作成する際に利用する円の直径もデータベースに記憶する。この円は、領域に内接するものであり、領域の幅を意味する。
【００３６】
図１０にＸＹ平面におけるＳ４の処理を実施した場合の平面作成の一例を示す。また、図１１にＸＺ平面におけるＳ４の処理を実施した場合の中立線作成の一例を示す。また、内接円も記載し、内接円が幅に対応することを示す。すなわち、比率が０．７以上の場合は、領域はすべて埋め尽くされるようになり、０．７以下の場合は、領域を中立線化するようにする。このように、強度上必要な部分において、忠実に三次元ＣＡＤモデルを作成すると、必要以上に穴などの形状が複雑になり、実際の製作も困難になる。しかし、中立線・平面生成部１０４によって、平面化と中立線化とに簡単化することにより、簡単な部材で三次元ＣＡＤモデルを構成できるようになり、規格部品を利用できる。
【００３７】
Ｓ５では、Ｓ４までに得られた平面、中立線情報に従って、三次元ＣＡＤモデルを自動生成する。三次元ＣＡＤ形状作成部１０５では、Ｓ４で得られた平面化情報、中立線化情報を取得する。まず、中立線からの三次元ＣＡＤモデルの生成について述べる。三次元ＣＡＤ形状作成部１０５は、Ｈ型鋼の三次元ＣＡＤモデルを、データベース１１２から取得し、中立線情報の座標値、幅情報から、Ｈ型鋼の長さ、幅、位置を変更する。ここで、幅の情報は、内接円の直径は、中立線の各点で異なるため、それらの平均値を利用する。
【００３８】
つぎに、平面からの三次元ＣＡＤモデルの生成について述べる。三次元ＣＡＤ形状作成部１０５は、直方体の三次元ＣＡＤモデルを、データベース１１２から取得し、平面情報の座標値から、直方体の縦、横、厚さ、位置を変更する。全ての中立面、平面情報に対して、同様の処理を実施して、三次元ＣＡＤモデルを作成し、データベースへ記憶する。作成した三次元ＣＡＤモデルの一例を図１２に示す。本図において、概略形状入力部１０１で入力した概略形状を上段に、Ｓ５によって生成された三次元ＣＡＤモデルを下段に表示している。ここで、本図の下段に示すように、補強が必要な箇所には、適切な形状の部材を明示する。この部材を「補強が必要な部材」と呼ぶ。
【００３９】
また、三次元ＣＡＤ形状作成部１０５は、中立線情報の幅情報を取得し、中立線の各点で幅が、例えば２０％以上など、操作者が指定した値を超える場合は、その中立線から生成されたＨ形鋼を操作者に明示して、補強が必要なことを知らせる。これは、部材の付け根などに補強が必要な場合に、概略形状では補強形状が算出されているにもかかわらず、Ｓ５で全て直線的なＨ形鋼に置き換えてしまうことで、補強の情報の欠落を防止するためである。また、操作者は、入力した概略形状と、生成された三次元ＣＡＤモデルを見比べ、製作における制約などを鑑みて、対話的修正することは可能である。
【００４０】
つぎに、フェーズ２について説明する。フェーズ２は、フェーズ１で生成された三次元ＣＡＤモデルの最適化計算を実施すべく、最適化計算に必要な諸条件を操作者が入力する。
【００４１】
Ｓ６では、形状最適化計算に必要な入力を行う。形状最適化条件の入力画面の一例を図１３に示す。形状最適化条件入力部１０６は、フェーズ１で生成された三次元ＣＡＤモデルを取得し、それを表示して、操作者に形状最適化の対象となることを明示する。操作者は、最適化計算のために、設計仕様を満足するために必要な条件を入力する。均質化法による最適計算の結果の概略形状と、同等レベルの三次元ＣＡＤ形状を求めるため、条件は、概略計算を算出したものを設定する。ここでは、目的関数として質量最小、制約条件として、最大変位０．５ｍｍ以下、遺伝的アルゴリズムを利用した最適化計算を行うための最大世代数５０、集団数４０と入力する。
【００４２】
つぎに、設計変数の初期値を入力する。ここでは、三次元ＣＡＤモデルを構成するＨ形鋼といった個々の部材に対して、他のＵ形鋼、Ｌ形鋼へ変更するかどうかを指定する。図１３では、部材１、部材２といった三次元ＣＡＤモデルを構成する部材名称の一覧を表示し、そのそれぞれに対して、部材を変更するかどうかを指定する。三次元ＣＡＤモデルの表示画面で、部材をマウスでクリックすれば、部材１、部材２といった部材名称を表示することで、操作者は部材名称を知ることができる。なお、床材は、最適化計算において、部品変更する必要がないため、床材に対応する部材３は、図１３の（部材３変更）でＯＦＦを指定し、変更しないことにしている。また、詳細ボタンを押すことで、各部材に対して、Ｈ形鋼、Ｕ形鋼、Ｌ形鋼といった変更可能な部材の中から設計変数の指定が可能である。
【００４３】
ここで、三次元ＣＡＤモデル生成するための要素となる、Ｈ形鋼、Ｕ形鋼、Ｌ形鋼などの部材を基本部材と呼ぶことにする。そして、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、すなわちデータベースに、あらかじめ基本部材に関するデータを記録しておく。また、三次元ＣＡＤモデルは、基本部材を含む組み立て体と見なすことができる。
【００４４】
図１４に詳細設定の画面の一例を示す。指定した部材に対して、Ｈ形鋼、Ｕ形鋼、Ｌ形鋼、Ｔ形鋼の部材が変更可能であるが、ここではＨ形鋼、Ｕ形鋼、Ｌ形鋼の中から部材が変更される。つぎに、部材の寸法に関しても設計変数を入力する。図１３では、部材１、部材２といった各部材の寸法に対して、変更を行うか、行わないかを指定する。ここで、詳細ボタンを押せば、Ｈ形鋼の高さ、幅などの寸法許容範囲などの詳細な設計変数を入力することができる。図１５に詳細設定の画面の一例を示す。指定した部材に対して、最適化計算において寸法変更できる範囲および初期状態の値を指定している。形状最適化条件入力部１０６は、入力した情報を取得し、データベースに記憶する。
【００４５】
Ｓ７では、構造解析に必要な解析条件の入力を行う。解析条件入力画面の一例を図１６に示す。解析条件入力部１０７は、フェーズ１で生成された三次元ＣＡＤモデルに対する解析モデルを表示する。操作者は、解析のために必要な条件を入力する。荷重条件として、等分布荷重１Ｎ／ｍｍ３を筐体上部の面を入力する。また、拘束条件として、筐体と床が接触する面に対しては、ＸＹＺ方向の拘束を入力する。操作者は、解析モデルの表示画面で、荷重条件、拘束条件を入力する面、線、点などを、マウスのクリックすれば、条件入力が可能である。また、材料として鋼を入力する。これにより、解析条件入力部１０７は、鋼のヤング率、ポアソン比などの部材固有の属性を、データベースより取得することができる。なお、解析モデルを構成する各部材に対して、それらの材料をそれぞれ入力することも可能である。また、構造解析実行に必要なメッシュ生成のためのサイズを入力する。以上により、解析に必要な諸条件を入力する。解析条件入力部１０７は、入力した情報を取得し、データベースに記憶する。
【００４６】
つぎに、フェーズ３について説明する。フェーズ３は、フェーズ１で生成された三次元ＣＡＤモデルを初期状態、フェーズ２で入力された最適化計算条件、解析条件に従って構造解析を行い、その結果を、遺伝的アルゴリズム（Ｇｅｎｅｔｉｃ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ、図中ＧＡと表記）を利用して反復計算をすることで最適化計算を実行し、最良の三次元ＣＡＤモデルを算出する。
【００４７】
Ｓ８では、三次元ＣＡＤモデルを生成する。三次元ＣＡＤ形状生成部１０５は、データベースから反復回数情報を取得する。反復回数が１の場合は、フェーズ１で生成された三次元ＣＡＤモデルを取得する。反復回数が２以降の場合は、データベースから設計変数情報を取得し、設計変数情報に記載された情報に従って、各部材のＨ形鋼の高さや幅の寸法値を変更したり、Ｈ形鋼をＬ形鋼やＴ形鋼に置き換えたりして、新たな三次元ＣＡＤモデルを生成し、データベースに記憶する。
【００４８】
Ｓ９では、解析モデルを作成する。解析モデル作成部１０８は、Ｓ８で生成した三次元ＣＡＤモデルを、データベースより取得し、解析モデルを作成する。解析モデル作成部１０８は、Ｓ７で入力された解析条件情報を取得し、入力された拘束条件、荷重条件、材料条件の設定、入力されたメッシュサイズに従って計算領域をメッシュ生成し、データベースに記憶する。
【００４９】
Ｓ１０では、構造解析を実行する。解析部１０９は、データベースより解析モデルを取得し、構造解析を実行し、解析結果をデータベースに記憶する。
【００５０】
Ｓ１１では、解析結果を評価し、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を利用して最適化計算する。最適計算制御部１１０は、Ｓ１０で実行した構造解析の結果をデータベースより取得する。さらにＳ６で入力された最適化問題設定で入力された情報を、データベースから取得する。最適計算制御部１１０は、目的関数である質量が最小となっており、かつ制約条件である最大変位が０．５ｍｍ以内である、またはＳ６で入力された最大世代数５０を超えていれば反復計算を終了してＳ１２に進む。そうでなければ、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を利用して交叉・突然変異を実施し、次の世代の新集団４０個を生成すべく設計変数を決定し、設計変数の情報および反復回数をデータベースに記録してＳ８に戻る。
【００５１】
Ｓ１２では、最適計算結果を表示する。最適結果表示部１１１では、Ｓ１１までに得られた最も良い結果の三次元ＣＡＤモデルをデータベースから取得し、Ｓ１で入力された均質化法で出力されたが概略形状をデータベースから取得し、それぞれの違いを操作者に認識できるように表示する。図１７にＳ１で入力した概略形状と、Ｓ１１までに得られた最良の三次元ＣＡＤモデルを表示した結果比較画面の一例を示す。本図に示すように、操作者にそれぞれの構造の違いを認識できるようにし、それぞれの構造解析結果を表示することで性能も把握できる。
【００５２】
本実施例では、概略形状から三次元ＣＡＤモデルを生成する際、Ｈ形鋼を用いたが、Ｌ形鋼など、他の形状の部材を利用することは可能である。中立線の情報から三次元ＣＡＤモデルを生成する際に、データベースからＨ形鋼を取得するのではなく、Ｌ形鋼を取得して作成すればよい。
【００５３】
本実施例では、各部材において、Ｈ形鋼からＬ形鋼に部材を変更しているが、任意の箇所のＨ形鋼を削除するような、部材の有無も最適化計算に含めることは可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、Ｘ線ＣＴスキャナから生成されたボクセル形状を概略形状とすることも可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、密度法による最適化計算結果を概略形状とすることは可能である。本実施例では、概略形状として均質化法による最適化計算結果を入力したが、ボクセル画像を概略形状とすることは可能である。
【００５４】
上述の手順（手段）は、通常、コンピュータを機能させるためのプログラムとして実施するものである。また、このプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明による三次元形状最適化装置に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による三次元形状最適化装置の全体構成図である。
【図２】本発明の利用手順（フェーズ１）を示す図である。
【図３】本発明の利用手順（フェーズ１続き）を示す図である。
【図４】本発明の利用手順（フェーズ２）を示す図である。
【図５】本発明の利用手順（フェーズ３）を示す図である。
【図６】本発明の利用手順（フェーズ３続き）を示す図である。
【図７】入力する概略形状を画面表示した一例を示す図である。
【図８】ＸＹ平面に並行なセルの個数の分布を示す図である。
【図９】ＸＺ平面に並行な平面部分の形状の一例を示す図である。
【図１０】ＸＹ平面における平面作成の一例を示す図である。
【図１１】ＸＺ平面における中立線作成の一例を示す図である。
【図１２】生成した三次元ＣＡＤモデルの一例を示す図である。
【図１３】最適化問題の入力画面の一例を示す図である。
【図１４】部材変更の詳細設定画面の一例を示す図である。
【図１５】部材寸法の詳細設定画面の一例を示す図である。
【図１６】解析条件の入力画面の一例を示す図である。
【図１７】概略形状と最良の三次元ＣＡＤモデルの結果を比較する画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０１…概略形状入力部、１０２…平面形状取得部、１０３…二次元形状生成部、１０４…中立線・平面生成部、１０５…三次元ＣＡＤ形状作成部、１０６…形状最適化条件入力部、１０７…解析条件入力部、１０８…解析モデル作成部、１０９…解析部、１１０…最適計算制御部、１１１…最適結果表示部、１１２…データベース、１１３…計算機。
【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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