JP3468464B2 - 形状と物性を統合したボリュームデータ生成方法 - Google Patents
形状と物性を統合したボリュームデータ生成方法Info
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- JP3468464B2 JP3468464B2 JP2001025023A JP2001025023A JP3468464B2 JP 3468464 B2 JP3468464 B2 JP 3468464B2 JP 2001025023 A JP2001025023 A JP 2001025023A JP 2001025023 A JP2001025023 A JP 2001025023A JP 3468464 B2 JP3468464 B2 JP 3468464B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、形状と物性を統合
した実体データを小さい記憶容量で記憶し、ＣＡＤとシ
ミュレーションを一元化することできるボリュームデー
タ生成方法に関する。
した実体データを小さい記憶容量で記憶し、ＣＡＤとシ
ミュレーションを一元化することできるボリュームデー
タ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】先端的な研究開発・技術開発の現場で
は、その高度化・複雑化に伴い、膨大な試行錯誤が不可
欠となっており、開発途中でのリスクが高まっている。
科学技術立国を目指す我が国として、これらのリスクを
極力排し、開発過程の革新的な高度化・効率化を図るこ
とが極めて重要である。
は、その高度化・複雑化に伴い、膨大な試行錯誤が不可
欠となっており、開発途中でのリスクが高まっている。
科学技術立国を目指す我が国として、これらのリスクを
極力排し、開発過程の革新的な高度化・効率化を図るこ
とが極めて重要である。
【０００３】現在、研究開発・技術開発の現場におい
て、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉ
ｇｎ）、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａ
ｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、ＣＡＴ（Ｃ
ｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ）など
が、それぞれ設計、加工、解析、試験のシミュレーショ
ン手段として用いられている。また、本発明によって、
連続的なシミュレーションであるＣ−Ｓｉｍｕｌａｔｉ
ｏｎ（Ｃｏｏｒｐｏｒａｔｉｖｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏ
ｎ）、加工プロセスも考慮したＡ−ＣＡＭ（Ａｄｖａｎ
ｃｅｄ ＣＡＭ）、究極の精度が出せるＤ−ｆａｂｒｉ
ｃａｔｉｏｎ（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｆａｂｒ
ｉｃａｔｉｏｎ）なども、これから広く普及するはずで
ある。
て、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉ
ｇｎ）、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａ
ｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、ＣＡＴ（Ｃ
ｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ）など
が、それぞれ設計、加工、解析、試験のシミュレーショ
ン手段として用いられている。また、本発明によって、
連続的なシミュレーションであるＣ−Ｓｉｍｕｌａｔｉ
ｏｎ（Ｃｏｏｒｐｏｒａｔｉｖｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏ
ｎ）、加工プロセスも考慮したＡ−ＣＡＭ（Ａｄｖａｎ
ｃｅｄ ＣＡＭ）、究極の精度が出せるＤ−ｆａｂｒｉ
ｃａｔｉｏｎ（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｆａｂｒ
ｉｃａｔｉｏｎ）なども、これから広く普及するはずで
ある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のシミュ
レーション手段では、対象物を、ＣＳＧ（Ｃｏｎｓｔｒ
ｕｃｔｉｖｅ Ｓｏｌｉｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）やＢ−
ｒｅｐ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉ
ｏｎ）でデータを記憶している。
レーション手段では、対象物を、ＣＳＧ（Ｃｏｎｓｔｒ
ｕｃｔｉｖｅ Ｓｏｌｉｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）やＢ−
ｒｅｐ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉ
ｏｎ）でデータを記憶している。
【０００５】しかし、ＣＳＧでは、対象物全体を微細な
ソリッドモデルの集合体として記憶するため、データが
重くシミュレーション手段（ソフトウェア等）を実装す
る場合、膨大なデータを扱うこととなり、大型コンピュ
ータを用いた場合でも解析に時間がかかる問題点があっ
た。
ソリッドモデルの集合体として記憶するため、データが
重くシミュレーション手段（ソフトウェア等）を実装す
る場合、膨大なデータを扱うこととなり、大型コンピュ
ータを用いた場合でも解析に時間がかかる問題点があっ
た。
【０００６】また、Ｂ−ｒｅｐでは、対象物を境界で表
現するため、データは軽く、データ量は小さくなるが、
境界面の内部は一様に扱うため、変形解析等には適さな
い問題点があった。
現するため、データは軽く、データ量は小さくなるが、
境界面の内部は一様に扱うため、変形解析等には適さな
い問題点があった。
【０００７】更に、これらの従来のデータ記憶手段で
は、熱・流体解析、固体の大変形解析、これらの連成解
析等でその都度、解析に適したメッシュ等に分割して、
有限要素法等を適用するため、その解析結果を表示等は
できるが、ＣＡＤとシミュレーションを一元化すること
が困難であり、設計・解析・加工・組立・試験等の各工
程を同じデータで管理することができない問題点があっ
た。
は、熱・流体解析、固体の大変形解析、これらの連成解
析等でその都度、解析に適したメッシュ等に分割して、
有限要素法等を適用するため、その解析結果を表示等は
できるが、ＣＡＤとシミュレーションを一元化すること
が困難であり、設計・解析・加工・組立・試験等の各工
程を同じデータで管理することができない問題点があっ
た。
【０００８】言い換えれば、現状のＳｏｌｉｄ／Ｓｕｒ
ｆａｃｅ−ＣＡＤ（以下Ｓ−ＣＡＤと呼ぶ）には、以下
の問題点があった。 （１）デ―タが渡らない、内部での変換操作に弱い（数
値誤差と処理手法の問題）。 （２）シミュレーションに直接使えない（内部情報をも
っていないのでメッシュを生成しなくてはいけない）。 （３）ＣＡＭによる加工の検討ができない（最終形状し
かもっていない）。
ｆａｃｅ−ＣＡＤ（以下Ｓ−ＣＡＤと呼ぶ）には、以下
の問題点があった。 （１）デ―タが渡らない、内部での変換操作に弱い（数
値誤差と処理手法の問題）。 （２）シミュレーションに直接使えない（内部情報をも
っていないのでメッシュを生成しなくてはいけない）。 （３）ＣＡＭによる加工の検討ができない（最終形状し
かもっていない）。
【０００９】また加工においても以下の問題点があっ
た。 （１）加工プロセスの表現ができない（荒加工や工程設
計の支援が不十分）。 （２）レーザ加工や超先端加工など新しい加工法に対応
できていない（切削が主である、数値精度が足りな
い）。 （３）加工法自体の選択ができない（複合体で内部に異
なる材料特性を有するものに対応できない）。
た。 （１）加工プロセスの表現ができない（荒加工や工程設
計の支援が不十分）。 （２）レーザ加工や超先端加工など新しい加工法に対応
できていない（切削が主である、数値精度が足りな
い）。 （３）加工法自体の選択ができない（複合体で内部に異
なる材料特性を有するものに対応できない）。
【００１０】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、形
状と物性を統合した実体データを小さい記憶容量で記憶
することができ、これにより、物体の形状・構造・物性
情報・履歴を一元的に管理し、設計から加工、組立、試
験、評価など一連の工程に関わるデータを同じデータで
管理することができ、ＣＡＤとシミュレーションを一元
化することできるボリュームデータ生成方法を提供する
ことにある。
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、形
状と物性を統合した実体データを小さい記憶容量で記憶
することができ、これにより、物体の形状・構造・物性
情報・履歴を一元的に管理し、設計から加工、組立、試
験、評価など一連の工程に関わるデータを同じデータで
管理することができ、ＣＡＤとシミュレーションを一元
化することできるボリュームデータ生成方法を提供する
ことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、コンピ
ュータを用いて、外部データ取得手段（Ｓ１）により対
象物（１）の境界データからなる外部データ（１２）を
取得し、外部データ入力手段（Ａ）により前記外部デー
タ（１２）をコンピュータに入力し、八分木分割手段
（Ｂ）により前記外部データを八分木分割により境界平
面が直交する立方体のセル（１３）に分割し、 該八分
木分割手段（Ｂ）は、前記境界データが所定の条件を満
たすまで八分木分割処理を繰り返す手段と、八分木分割
を繰り返す過程で生成される立方体データを境界データ
を有する境界セルと境界データを有しない内部セルの２
種類に分けて生成する処理手段と、内部セルには１種類
の物性値を、境界セルには対象物の内側と外側に対応し
た２種類の物性値および形状に関する境界データを生成
する処理手段とを備え、更に、セルデータ記憶手段
（Ｃ）によりそれら全てを各セル毎に記憶する、ことを
特徴とする形状と物性を統合したボリュームデータ生成
方法が提供される。
ュータを用いて、外部データ取得手段（Ｓ１）により対
象物（１）の境界データからなる外部データ（１２）を
取得し、外部データ入力手段（Ａ）により前記外部デー
タ（１２）をコンピュータに入力し、八分木分割手段
（Ｂ）により前記外部データを八分木分割により境界平
面が直交する立方体のセル（１３）に分割し、 該八分
木分割手段（Ｂ）は、前記境界データが所定の条件を満
たすまで八分木分割処理を繰り返す手段と、八分木分割
を繰り返す過程で生成される立方体データを境界データ
を有する境界セルと境界データを有しない内部セルの２
種類に分けて生成する処理手段と、内部セルには１種類
の物性値を、境界セルには対象物の内側と外側に対応し
た２種類の物性値および形状に関する境界データを生成
する処理手段とを備え、更に、セルデータ記憶手段
（Ｃ）によりそれら全てを各セル毎に記憶する、ことを
特徴とする形状と物性を統合したボリュームデータ生成
方法が提供される。
【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
境界セル（１３ｂ）は、外部データに含まれる境界面を
構成する境界形状要素が再構成できる十分な切断点が得
られるまで、八分木分割により再分割する。
境界セル（１３ｂ）は、外部データに含まれる境界面を
構成する境界形状要素が再構成できる十分な切断点が得
られるまで、八分木分割により再分割する。
【００１３】また、前記外部データ（１２）は、多面体
を表すポリゴンデータ、有限要素法用の四面体又は六面
体要素、３次元ＣＡＤ又はＣＧツール用の曲面データ、
或いはその他の立体の表面を部分的な平面や曲面で構成
された情報で表現するデータである。
を表すポリゴンデータ、有限要素法用の四面体又は六面
体要素、３次元ＣＡＤ又はＣＧツール用の曲面データ、
或いはその他の立体の表面を部分的な平面や曲面で構成
された情報で表現するデータである。
【００１４】上述した本発明の方法によれば、対象物
（１）の外部データ（１２）を八分木分割により境界平
面が直交する立方体のセル（１３）に分割したセルの階
層として小さい記憶容量で外部データ（１２）を記憶す
ることができる。また、各セルが形状に関する情報と変
化しない定数値と変化する変数値からなる物性値を記憶
しているので、物体の形状・構造・物性情報・履歴を一
元的に管理し、設計から加工、組立、試験、評価など一
連の工程に関わるデータを同じデータで管理することが
でき、ＣＡＤとシミュレーションを一元化することでき
る。
（１）の外部データ（１２）を八分木分割により境界平
面が直交する立方体のセル（１３）に分割したセルの階
層として小さい記憶容量で外部データ（１２）を記憶す
ることができる。また、各セルが形状に関する情報と変
化しない定数値と変化する変数値からなる物性値を記憶
しているので、物体の形状・構造・物性情報・履歴を一
元的に管理し、設計から加工、組立、試験、評価など一
連の工程に関わるデータを同じデータで管理することが
でき、ＣＡＤとシミュレーションを一元化することでき
る。
【００１５】すなわち本発明では、もの（対象物）を形
だけでなく物理的な属性も含めて記憶し表現できるの
で、その階層データをプラットフォームとして、高度シ
ミュレーション技術、人とものとのインターフェース技
術などを構築することができる。
だけでなく物理的な属性も含めて記憶し表現できるの
で、その階層データをプラットフォームとして、高度シ
ミュレーション技術、人とものとのインターフェース技
術などを構築することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。
を図面を参照して説明する。
【００１７】図１は、コンピュータに実装した本発明の
ボリュームデータ生成方法のフロー図である。この図に
示すように、本発明の方法は、外部データ入力手段
（Ａ）、八分木分割手段（Ｂ）、及びセルデータ記憶手
段（Ｃ）からなる。外部データ入力手段（Ａ）により、
外部データ取得手段Ｓ１で取得した対象物１の境界デー
タからなる外部データ１２を本発明の方法を実装したコ
ンピュータに入力する。八分木分割手段（Ｂ）により、
外部データ１２を八分木分割により境界平面が直交する
立方体のセル１３に分割する。セルデータ記憶手段
（Ｃ）により、各セル毎に種々の物性値をメモリ装置や
ファイル装置などの記憶手段（１４）に記憶する。
ボリュームデータ生成方法のフロー図である。この図に
示すように、本発明の方法は、外部データ入力手段
（Ａ）、八分木分割手段（Ｂ）、及びセルデータ記憶手
段（Ｃ）からなる。外部データ入力手段（Ａ）により、
外部データ取得手段Ｓ１で取得した対象物１の境界デー
タからなる外部データ１２を本発明の方法を実装したコ
ンピュータに入力する。八分木分割手段（Ｂ）により、
外部データ１２を八分木分割により境界平面が直交する
立方体のセル１３に分割する。セルデータ記憶手段
（Ｃ）により、各セル毎に種々の物性値をメモリ装置や
ファイル装置などの記憶手段（１４）に記憶する。
【００１８】なお、以下本発明の方法によるデータを
「Ｖ−ＣＡＤデータ」又はボリュームデータと呼び、こ
のデータを用いた設計やシミュレーションを「ボリュー
ムＣＡＤ」又は「Ｖ−ＣＡＤ」と呼ぶ。
「Ｖ−ＣＡＤデータ」又はボリュームデータと呼び、こ
のデータを用いた設計やシミュレーションを「ボリュー
ムＣＡＤ」又は「Ｖ−ＣＡＤ」と呼ぶ。
【００１９】図１に示すように、本発明の方法を構成す
るステップＳ２では、必要に応じて八分木分割手段
（Ｂ）を繰り返し行う。また、Ｖ−ＣＡＤデータ１４を
用いて、例えば、設計・解析・加工・組立・試験等のシ
ミュレーションをステップＳ３で順次行い、これを出力
ステップＳ４（例えばＣＡＭやポリゴンデータとして）
に出力するのがよい。
るステップＳ２では、必要に応じて八分木分割手段
（Ｂ）を繰り返し行う。また、Ｖ−ＣＡＤデータ１４を
用いて、例えば、設計・解析・加工・組立・試験等のシ
ミュレーションをステップＳ３で順次行い、これを出力
ステップＳ４（例えばＣＡＭやポリゴンデータとして）
に出力するのがよい。
【００２０】外部から入力する外部データ１２は、多面
体を表すポリゴンデータ、有限要素法に用いる四面体又
は六面体要素、３次元ＣＡＤ又はＣＧツールに用いる曲
面データ、或いはその他の立体の表面を部分的な平面や
曲面で構成された情報で表現するデータである。 外部データ１２は、このようなデータ（Ｓ−ＣＡＤデー
タと呼ぶ）のほかに、（１）Ｖ−ＣＡＤ独自のインター
フェース（Ｖ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）により人間の入力
により直接作成されたデータと、（２）測定機やセン
サ、デジタイザなどの表面のデジタイズデータや、
（３）ＣＴスキャンやＭＲＩ、および一般的にＶｏｌｕ
ｍｅレンダリングに用いられているボクセルデータなど
の内部情報ももつＶｏｌｕｍｅデータであってもよい。
体を表すポリゴンデータ、有限要素法に用いる四面体又
は六面体要素、３次元ＣＡＤ又はＣＧツールに用いる曲
面データ、或いはその他の立体の表面を部分的な平面や
曲面で構成された情報で表現するデータである。 外部データ１２は、このようなデータ（Ｓ−ＣＡＤデー
タと呼ぶ）のほかに、（１）Ｖ−ＣＡＤ独自のインター
フェース（Ｖ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）により人間の入力
により直接作成されたデータと、（２）測定機やセン
サ、デジタイザなどの表面のデジタイズデータや、
（３）ＣＴスキャンやＭＲＩ、および一般的にＶｏｌｕ
ｍｅレンダリングに用いられているボクセルデータなど
の内部情報ももつＶｏｌｕｍｅデータであってもよい。
【００２１】図２は、本発明の方法におけるデータ構造
の説明図である。上述した八分木分割手段（Ｂ）では、
修正された八分木（オクトリー、Ｏｃｔｒｅｅ）による
空間分割を行う。オクトリー表現、すなわち八分木によ
る空間分割とは、目的の立体（対象物）を含む、基準と
なる立方体１３を８分割し（Ａ）、それぞれの領域の中
に立体が完全に含まれるか、含まれなくなるまで再帰的
に８分割処理を（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）のように繰り返す。
この八分木分割によりボクセル表現よりも大幅にデータ
量を減らすことができる。
の説明図である。上述した八分木分割手段（Ｂ）では、
修正された八分木（オクトリー、Ｏｃｔｒｅｅ）による
空間分割を行う。オクトリー表現、すなわち八分木によ
る空間分割とは、目的の立体（対象物）を含む、基準と
なる立方体１３を８分割し（Ａ）、それぞれの領域の中
に立体が完全に含まれるか、含まれなくなるまで再帰的
に８分割処理を（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）のように繰り返す。
この八分木分割によりボクセル表現よりも大幅にデータ
量を減らすことができる。
【００２２】八分木による空間分割により分割された一
つの空間領域をセル１３とよぶ。セルは境界平面が直交
する立方体である。セルによる階層構造、分割数もしく
は分解能によって空間中に占める領域を表現する。これ
により空間全体の中で対象は大きさの異なるセルを積み
重ねたものとして表現される。すなわち、八分木分割手
段（Ｂ）では、外部データ１２から境界と内部の物性を
以下の実体データ１４（Ｖ−ＣＡＤデータ）に変換す
る。境界データは、厳密に（たとえば、平面であれば含
まれる３点で厳密に再構成できる）、もしくは指定した
許容差（位置、接線、法線、曲率およびそれらの隣接部
分との接続性に対して指定された閾値）内に近似する。
つの空間領域をセル１３とよぶ。セルは境界平面が直交
する立方体である。セルによる階層構造、分割数もしく
は分解能によって空間中に占める領域を表現する。これ
により空間全体の中で対象は大きさの異なるセルを積み
重ねたものとして表現される。すなわち、八分木分割手
段（Ｂ）では、外部データ１２から境界と内部の物性を
以下の実体データ１４（Ｖ−ＣＡＤデータ）に変換す
る。境界データは、厳密に（たとえば、平面であれば含
まれる３点で厳密に再構成できる）、もしくは指定した
許容差（位置、接線、法線、曲率およびそれらの隣接部
分との接続性に対して指定された閾値）内に近似する。
【００２３】図３は、補間曲面の例である。補間曲面の
特別な場合がＭａｒｃｈｉｎｇ Ｃｕｂｅである。本発
明では、必ず稜線上の切断点で表現できるまで、法線や
主曲率および連続性を満たすまで再分割する。また、２
次曲面までを厳密表現、自由曲面は平面もしくは２次曲
面によるセル内曲面で近似、これにより幾何固有量のみ
を保存する。
特別な場合がＭａｒｃｈｉｎｇ Ｃｕｂｅである。本発
明では、必ず稜線上の切断点で表現できるまで、法線や
主曲率および連続性を満たすまで再分割する。また、２
次曲面までを厳密表現、自由曲面は平面もしくは２次曲
面によるセル内曲面で近似、これにより幾何固有量のみ
を保存する。
【００２４】図４は、本発明による分割方法を二次元で
示す模式図である。本発明では、上述した八分木分割手
段（Ｂ）において、分割された各セル１３を対象物の内
側に位置する内部セル１３ａと、境界面を含む境界セル
１３ｂとに区分する。すなわち本発明では境界セル１３
ｂを表現するために修正された八分木を使い、完全に内
部に含まれるものはその最大の大きさをもつ内部セル１
３ａ（立方体）により構成され、外部データ１２からの
境界情報を含むセルは境界セル１３ｂとして構成してい
る。各境界セル１３ｂは３次元では１２本、２次元では
４本の稜線上の切断点１５（図中に白丸で示す）により
厳密に、もしくは近似的に置き換えられる。
示す模式図である。本発明では、上述した八分木分割手
段（Ｂ）において、分割された各セル１３を対象物の内
側に位置する内部セル１３ａと、境界面を含む境界セル
１３ｂとに区分する。すなわち本発明では境界セル１３
ｂを表現するために修正された八分木を使い、完全に内
部に含まれるものはその最大の大きさをもつ内部セル１
３ａ（立方体）により構成され、外部データ１２からの
境界情報を含むセルは境界セル１３ｂとして構成してい
る。各境界セル１３ｂは３次元では１２本、２次元では
４本の稜線上の切断点１５（図中に白丸で示す）により
厳密に、もしくは近似的に置き換えられる。
【００２５】外部データ１２に含まれる境界を構成する
境界形状要素（平面、２次曲面などの解析曲面にたいし
ては厳密に、その他の自由曲面や離散点群で表現される
境界形状要素については近似的に）が再構成できる十分
な切断点１５が得られるまで、境界セル１３ｂは八分木
分割される。例えば一つの線分ならばその上にある２点
がセルの稜線上の切断点１５となるまで、平面であれば
３点が切断点となるまで、２次曲線であれば３点が、２
次曲面であれば４点、以下多項式曲面、有理式曲面のそ
れぞれに対し、外部データの表現式が既知の場合は必要
十分の点とセルの稜線がその定義されている範囲の間で
見つかるまで空間を階層的に八分割してゆく。すなわ
ち、再分割する箇所は、境界（表面）部分で指定分解能
を満たすまで、或いは各セルが持つ解析結果の値（応
力、ひずみ、圧力、流速など）の変化率が指定閾値を超
えなくなるまで行う。
境界形状要素（平面、２次曲面などの解析曲面にたいし
ては厳密に、その他の自由曲面や離散点群で表現される
境界形状要素については近似的に）が再構成できる十分
な切断点１５が得られるまで、境界セル１３ｂは八分木
分割される。例えば一つの線分ならばその上にある２点
がセルの稜線上の切断点１５となるまで、平面であれば
３点が切断点となるまで、２次曲線であれば３点が、２
次曲面であれば４点、以下多項式曲面、有理式曲面のそ
れぞれに対し、外部データの表現式が既知の場合は必要
十分の点とセルの稜線がその定義されている範囲の間で
見つかるまで空間を階層的に八分割してゆく。すなわ
ち、再分割する箇所は、境界（表面）部分で指定分解能
を満たすまで、或いは各セルが持つ解析結果の値（応
力、ひずみ、圧力、流速など）の変化率が指定閾値を超
えなくなるまで行う。
【００２６】また、複数の境界形状要素を含む境界セル
１３ｂの角点１６（図中に黒丸で示す）についてはその
内部の境界を、隣接する境界セル（再構成に十分な切断
点を有し、完全に境界要素が横断するまで分割されてい
る）が保有する切断点１５で表現される境界の交線とし
て間接的に表現できるので必要以上に分割しない。
１３ｂの角点１６（図中に黒丸で示す）についてはその
内部の境界を、隣接する境界セル（再構成に十分な切断
点を有し、完全に境界要素が横断するまで分割されてい
る）が保有する切断点１５で表現される境界の交線とし
て間接的に表現できるので必要以上に分割しない。
【００２７】従って、Ｖ−ＣＡＤデータ１４は、セル内
部に蓄えられる形状に関する情報として、セルの位置を
表す指標、階層における詳細度をあらわす分割数または
分解能、隣接セルを表すポインタ、切断点の数と座標値
など、および用途に応じて、法線や曲率等となる。ま
た、Ｖ−ＣＡＤとしては最下層ではＥｕｌｅｒ的に節点
情報や結果の値を保持する。再分割の際の最小分解能が
なるべく大きくなるように、境界の位置、法線、接線の
連続性および曲率のそれぞれ連続性に関する閾値（許容
差）の決め方を定義する。
部に蓄えられる形状に関する情報として、セルの位置を
表す指標、階層における詳細度をあらわす分割数または
分解能、隣接セルを表すポインタ、切断点の数と座標値
など、および用途に応じて、法線や曲率等となる。ま
た、Ｖ−ＣＡＤとしては最下層ではＥｕｌｅｒ的に節点
情報や結果の値を保持する。再分割の際の最小分解能が
なるべく大きくなるように、境界の位置、法線、接線の
連続性および曲率のそれぞれ連続性に関する閾値（許容
差）の決め方を定義する。
【００２８】図５は、本発明の各セルの属性を示す模式
図である。上述した内部セル１３ａは、属性として１種
の物性値を持ち、境界セル１３ｂは、対象物の内側と外
側の２種の物性値をもつ。すなわち各セルは、内部セル
１３ａ、境界セル１３ｂに区分されるが、さらにそれぞ
れに関して空間セル（流体用、Ｅｕｌｅｒ）と移動変形
セル（固体用、Ｌａｇｒａｎｇｅ）の２種類がある。Ｖ
−ＣＡＤでは境界セル１３ｂだけ属性値を２重に持つ。
図である。上述した内部セル１３ａは、属性として１種
の物性値を持ち、境界セル１３ｂは、対象物の内側と外
側の２種の物性値をもつ。すなわち各セルは、内部セル
１３ａ、境界セル１３ｂに区分されるが、さらにそれぞ
れに関して空間セル（流体用、Ｅｕｌｅｒ）と移動変形
セル（固体用、Ｌａｇｒａｎｇｅ）の２種類がある。Ｖ
−ＣＡＤでは境界セル１３ｂだけ属性値を２重に持つ。
【００２９】初期状態としては全ての空間（世界）内に
固定された空間流体セル（Ｅｕｌｅｒメッシュ）だが、
固体に対してはＣ−Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎの各シミュレ
ーション内で自由に移動変形する移動変形セル（Ｌａｇ
ｒａｎｇｅメッシュ）となる。ひとつのシミュレーショ
ンの結果をＶ−ＣＡＤ内に呼び戻して、静止世界に取り
込む。その際に境界情報は分解能などを再設定できるよ
うにする。変形後の対象セルを再分割／間引きするため
に、座標系に依存しない対象セルのために直交パラメー
タ空間から変形した六面体への双方向マッピングを用意
し、階層の上下移動はパラメータ空間（直交８分木空
間）でおこない、再マップする。また読み込み時に空間
セルへの対応付け（空間におけるｉｎｄｅｘｉｎｇ）を
する必要がある。従ってＥｕｌｅｒのなかにＬａｇｒａ
ｎｇｅがある２重構造となる。
固定された空間流体セル（Ｅｕｌｅｒメッシュ）だが、
固体に対してはＣ−Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎの各シミュレ
ーション内で自由に移動変形する移動変形セル（Ｌａｇ
ｒａｎｇｅメッシュ）となる。ひとつのシミュレーショ
ンの結果をＶ−ＣＡＤ内に呼び戻して、静止世界に取り
込む。その際に境界情報は分解能などを再設定できるよ
うにする。変形後の対象セルを再分割／間引きするため
に、座標系に依存しない対象セルのために直交パラメー
タ空間から変形した六面体への双方向マッピングを用意
し、階層の上下移動はパラメータ空間（直交８分木空
間）でおこない、再マップする。また読み込み時に空間
セルへの対応付け（空間におけるｉｎｄｅｘｉｎｇ）を
する必要がある。従ってＥｕｌｅｒのなかにＬａｇｒａ
ｎｇｅがある２重構造となる。
【００３０】また、各セルの物性値には大きく分けて最
初に与えて値の変わらない定数値と、シミュレーション
の結果で値の変わる変数値の２種類がある。
初に与えて値の変わらない定数値と、シミュレーション
の結果で値の変わる変数値の２種類がある。
【００３１】定数値の例としては、材料特性（弾性係数
（ヤング率、降伏値）、Ｎ値（塑性変形の際の伸びの次
数）、引っ張り強度、ポアソン比（剪断硬さ）、温度、
加工速度）、摩擦特性（潤滑材の特性として、粘度、せ
ん断摩擦係数、クーロン摩擦）、加工（境界）条件（工
具の移動ベクトル、冷却速さ）が挙げられる。
（ヤング率、降伏値）、Ｎ値（塑性変形の際の伸びの次
数）、引っ張り強度、ポアソン比（剪断硬さ）、温度、
加工速度）、摩擦特性（潤滑材の特性として、粘度、せ
ん断摩擦係数、クーロン摩擦）、加工（境界）条件（工
具の移動ベクトル、冷却速さ）が挙げられる。
【００３２】変数値の例としては、セルごとに応力（対
称テンソル量（６変数））とひずみ（対称テンソル（６
変数））など、および流速や圧力、温度などがある。シ
ミュレーションの過程で隣接する内部セル間で予め指定
していた許容値を超えた変数値の差が生じたときには、
その差が許容値以内に納まるまで上述した八分木に従っ
た再分割を自動で行なう。
称テンソル量（６変数））とひずみ（対称テンソル（６
変数））など、および流速や圧力、温度などがある。シ
ミュレーションの過程で隣接する内部セル間で予め指定
していた許容値を超えた変数値の差が生じたときには、
その差が許容値以内に納まるまで上述した八分木に従っ
た再分割を自動で行なう。
【００３３】（分解能の自動決定方法）
分解能の自動決定については、既に述べた形状からの制
約や物性値の隣接セル間の格差による方法のほかに、メ
モリや計算時間から決まる制約、および予め指定した絶
対精度（たとえばセルの幅が１μｍになったら分割を止
める）による制約があり、これら全ての制約の一つでも
満たされたら空間の八分割をやめる。これにより必要最
小限の分解能（詳細度）をもつ表現となり、実装をより
現実的なものとすることができる。
約や物性値の隣接セル間の格差による方法のほかに、メ
モリや計算時間から決まる制約、および予め指定した絶
対精度（たとえばセルの幅が１μｍになったら分割を止
める）による制約があり、これら全ての制約の一つでも
満たされたら空間の八分割をやめる。これにより必要最
小限の分解能（詳細度）をもつ表現となり、実装をより
現実的なものとすることができる。
【００３４】（Ｖ−ＣＡＤデータの活用方法）
図６は、本発明によるＶ−ＣＡＤ及びＶ−ＣＡＤデータ
と、Ｖ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，Ｓ−ＣＡＤ，Ａ−ＣＡ
Ｍ，Ｄ−ｆａｖｒｉｃｖａｔｉｏｎ，Ｃ−ｓｉｍｕｌａ
ｔｉｏｎとの関係を模式的に示したものである。
と、Ｖ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，Ｓ−ＣＡＤ，Ａ−ＣＡ
Ｍ，Ｄ−ｆａｖｒｉｃｖａｔｉｏｎ，Ｃ−ｓｉｍｕｌａ
ｔｉｏｎとの関係を模式的に示したものである。
【００３５】本発明による形状と物性を統合した実体デ
ータの記憶方法は、Ｓ−ＣＡＤ等の設計における形状定
義、変更、表示、保持、検討、評価に加え、Ｃ−ｓｉｍ
ｕｌａｔｉｏｎ等における固体の構造解析、大変形解析
（剛塑性および弾塑性解析）、熱・流体解析、流動解析
などの解析／シミュレーションの入力、出力および途中
におけるデータ表現として用いられる。また、更に、Ａ
−ＣＡＭ，Ｄ−ｆａｖｒｉｃｖａｔｉｏｎにおける除去
加工、付加加工、変形加工のためのデータの生成、解
析、可視化、比較評価、さらに表面や内部の測定、計測
のためのデータ作成、結果の保持、表示、各種解析や加
工データとの比較評価に用いることができる。表示方法
としては、サーフェスレンダリングとボリュームレンダ
リングの２種類がある。
ータの記憶方法は、Ｓ−ＣＡＤ等の設計における形状定
義、変更、表示、保持、検討、評価に加え、Ｃ−ｓｉｍ
ｕｌａｔｉｏｎ等における固体の構造解析、大変形解析
（剛塑性および弾塑性解析）、熱・流体解析、流動解析
などの解析／シミュレーションの入力、出力および途中
におけるデータ表現として用いられる。また、更に、Ａ
−ＣＡＭ，Ｄ−ｆａｖｒｉｃｖａｔｉｏｎにおける除去
加工、付加加工、変形加工のためのデータの生成、解
析、可視化、比較評価、さらに表面や内部の測定、計測
のためのデータ作成、結果の保持、表示、各種解析や加
工データとの比較評価に用いることができる。表示方法
としては、サーフェスレンダリングとボリュームレンダ
リングの２種類がある。
【００３６】表１は、Ｓ−ＣＡＤと本発明によるＶ−Ｃ
ＡＤを比較した表である。この表から本発明のＶ−ＣＡ
Ｄが多くの点でＳ−ＣＡＤより優れているのがわかる。
ＡＤを比較した表である。この表から本発明のＶ−ＣＡ
Ｄが多くの点でＳ−ＣＡＤより優れているのがわかる。
【００３７】
【表１】
【００３８】図７は、本発明による分割方法（修正され
た八分木）を従来の八分木と比較して示す図４と同様の
二次元模式図である。この図において、（Ａ）は通常の
八分木（Ｏｃｔｒｅｅ）、（Ｂ）は本発明による修正八
分木の例である。この例では、Ｏｃｔｒｅｅのような空
間分割法にとって苦手な薄い板（散点部分）を分割した
場合を示している。この図５から、本発明の修正八分木
（Ｂ）では、切断点による表面の再構築を用いているた
め、通常の八分木（Ａ）に比較して少ない分割ですんで
しまうことがわかる。
た八分木）を従来の八分木と比較して示す図４と同様の
二次元模式図である。この図において、（Ａ）は通常の
八分木（Ｏｃｔｒｅｅ）、（Ｂ）は本発明による修正八
分木の例である。この例では、Ｏｃｔｒｅｅのような空
間分割法にとって苦手な薄い板（散点部分）を分割した
場合を示している。この図５から、本発明の修正八分木
（Ｂ）では、切断点による表面の再構築を用いているた
め、通常の八分木（Ａ）に比較して少ない分割ですんで
しまうことがわかる。
【００３９】
【発明の効果】本発明の形状と物性を統合した実体デー
タの記憶方法、すなわちＶ−ＣＡＤとＶ−ＣＡＤデータ
によって、設計のための道具としてＣＡＤとシミュレー
ションの一体化が達成できる。また加工のための道具で
あるＣＡＭとの一体化も可能である。さらに、より一般
的に現実世界の対象を計算機内に表現するモデリング手
法としての有用性、新規性は従来別々になっていた形と
物性を統合化し、「もの」を「もの（実体データ）」と
して表現でき、人工物と自然物との統合へと繋がる発展
性を有する。
タの記憶方法、すなわちＶ−ＣＡＤとＶ−ＣＡＤデータ
によって、設計のための道具としてＣＡＤとシミュレー
ションの一体化が達成できる。また加工のための道具で
あるＣＡＭとの一体化も可能である。さらに、より一般
的に現実世界の対象を計算機内に表現するモデリング手
法としての有用性、新規性は従来別々になっていた形と
物性を統合化し、「もの」を「もの（実体データ）」と
して表現でき、人工物と自然物との統合へと繋がる発展
性を有する。
【００４０】上述したように、設計のためのツールとし
てソリッドＣＡＤが主流になりつつあるが、ボリューム
ＣＡＤは次の世代の設計基盤となるものである。ボリュ
ームＣＡＤにより、ＣＡＤとシミュレーションが完全に
一元化され、設計・解析・加工・組立・試験等の各工程
を同じデータで管理することが可能となる。また、設計
・解析に、人工物だけでなく、人体のような自然物も取
り込み、自然物をそのまま扱うことができる。
てソリッドＣＡＤが主流になりつつあるが、ボリューム
ＣＡＤは次の世代の設計基盤となるものである。ボリュ
ームＣＡＤにより、ＣＡＤとシミュレーションが完全に
一元化され、設計・解析・加工・組立・試験等の各工程
を同じデータで管理することが可能となる。また、設計
・解析に、人工物だけでなく、人体のような自然物も取
り込み、自然物をそのまま扱うことができる。
【００４１】従って、本発明の形状と物性を統合したボ
リュームデータ生成方法は、形状と物性を統合した実体
データを小さい記憶容量で記憶することができ、これに
より、物体の形状・構造・物性情報・履歴を一元的に管
理し、設計から加工、組立、試験、評価など一連の工程
に関わるデータを同じデータで管理することができ、Ｃ
ＡＤとシミュレーションを一元化することできる等の優
れた効果を有する。
リュームデータ生成方法は、形状と物性を統合した実体
データを小さい記憶容量で記憶することができ、これに
より、物体の形状・構造・物性情報・履歴を一元的に管
理し、設計から加工、組立、試験、評価など一連の工程
に関わるデータを同じデータで管理することができ、Ｃ
ＡＤとシミュレーションを一元化することできる等の優
れた効果を有する。
【図１】本発明のボリュームデータ生成方法のフロー図
である。
である。
【図２】本発明の方法におけるデータ構造の説明図であ
る。
る。
【図３】補間曲面を示す図である。
【図４】本発明による分割方法を二次元で示す模式図で
ある。
ある。
【図５】本発明の各セルの属性を示す模式図である。
【図６】本発明によるＶ−ＣＡＤ及びＶ−ＣＡＤデータ
とその他のシミュレーション手段との関係を模式的に示
したものである。
とその他のシミュレーション手段との関係を模式的に示
したものである。
【図７】従来の八分木（Ａ）と本発明による分割方法
（Ｂ）（修正された八分木）を比較した模式図である。
（Ｂ）（修正された八分木）を比較した模式図である。
１２ 外部データ、１３ セル、
１３ａ 内部セル、１３ｂ 境界セル、
１４ Ｖ−ＣＡＤデータ、１５ 切断点、１６ 角点
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 牧野内 昭武
埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究
所内
(56)参考文献 米川和利ほか，空間分割モデルを用い
た形状モデラ，情報処理学会論文誌，日
本，社団法人情報処理学会，1996年 １
月15日，第37巻 第１号，ｐ60−69
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G06F 17/50
Claims (4)
- 【請求項１】 コンピュータを用いて、外部データ取得
手段（Ｓ１）により対象物（１）の境界データからなる
外部データ（１２）を取得し、外部データ入力手段
（Ａ）により前記外部データ（１２）をコンピュータに
入力し、八分木分割手段（Ｂ）により前記外部データを
八分木分割により境界平面が直交する立方体のセル（１
３）に分割し、該八分木分割手段（Ｂ）は、前記境界データが所定の条件を満たすまで八分木分割処
理を繰り返す手段と、 八分木分割を繰り返す過程で生成される立方体データを
境界データを有する境界セルと境界データを有しない内
部セルの２種類に分けて生成する処理手段と、 内部セルには１種類の物性値を、境界セルには対象物の
内側と外側に対応した２種類の物性値および形状に関す
る境界データを生成する処理手段とを備え、 更に、 セルデータ記憶手段（Ｃ）によりそれら全てを各
セル毎に記憶する、ことを特徴とする形状と物性を統合
したボリュームデータ生成方法。 - 【請求項２】 前記境界セル（１３ｂ）は、外部データ
に含まれる境界面を構成する境界形状要素が再構成でき
る十分な切断点が得られるまで、八分木分割により再分
割する、ことを特徴とする請求項１に記載の形状と物性
を統合したボリュームデータ生成方法。 - 【請求項３】 前記内部セル（１３ａ）は、属性として
１種の物性値を持ち、境界セル（１３ｂ）は、対象物の
内側と外側の２種の物性値をもつ、ことを特徴とする請
求項１に記載の形状と物性を統合したボリュームデータ
生成方法。 - 【請求項４】 前記外部データ（１２）は、多面体を表
すポリゴンデータ、有限要素法用の四面体又は六面体要
素、３次元ＣＡＤ又はＣＧツール用の曲面データ、或い
はその他の立体の表面を部分的な平面や曲面で構成され
た情報で表現するデータである、ことを特徴とする請求
項１に記載の形状と物性を統合したボリュームデータ生
成方法。
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|---|---|---|---|
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| CNB011447931A CN1248140C (zh) | 2001-02-01 | 2001-12-27 | 综合形状和物理特性的实体数据的存储方法 |
| US10/058,905 US7088363B2 (en) | 2001-02-01 | 2002-01-30 | Storage method of substantial data integrating shape and physical properties |
| EP02002407A EP1229463A3 (en) | 2001-02-01 | 2002-01-31 | Storage method of substantial data integrating shape and physical properties |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001025023A JP3468464B2 (ja) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | 形状と物性を統合したボリュームデータ生成方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002230054A JP2002230054A (ja) | 2002-08-16 |
| JP3468464B2 true JP3468464B2 (ja) | 2003-11-17 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| EP (1) | EP1229463A3 (ja) |
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| JP2015018360A (ja) * | 2013-07-10 | 2015-01-29 | 株式会社Ihi | 解析装置 |
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| WO2003017016A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-27 | Riken | Die machining method and device by v-cad data |
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| JPWO2003067527A1 (ja) * | 2002-02-06 | 2005-06-02 | デジタルプロセス株式会社 | 立体形状表示プログラム、立体形状表示方法、および立体形状表示装置 |
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2002
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| Title |
|---|
| 米川和利ほか，空間分割モデルを用いた形状モデラ，情報処理学会論文誌，日本，社団法人情報処理学会，１９９６年 １月１５日，第３７巻 第１号，ｐ６０−６９ |
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