JP4020056B2 - 解析用シェルモデル作成装置 - Google Patents

Description

本発明は計算機を用いた数値解析システムに係り、特に３次元形状モデラで作成した薄板構造のソリッドモデルから解析用シェルモデルを作成する作成装置に関する。

薄板構造のソリッドモデルから解析用シェルモデルを作成する方法の例が、特許文献１および特許文献２に記載されている。この特許文献１に記載の解析モデル作成方法においては、形状特徴をもたない境界表現で表現された形状データでも、容易な操作で形状を簡略化するために、形状モデルを内部データ構造に変換して、形状データから平行、接続状態等の幾何学的特徴を抽出している。そして、簡略化形状部分の一部の形状要素と簡略化の種類を入力し、幾何学的特徴から簡略化対象形状を抽出し、簡略化するのに必要な削除と合わせる形状処理を指示している。その後、対象の形状要素とそれに接続される形状要素の幾何形状を変更し、意味の無い位相要素を削除している。

一方、特許文献２に記載の解析モデル作成方法においてはＣＡＤシステムで生成された形状データをもとに、解析に用いる中立面メッシュモデルを効率よく作成するために、ＣＡＤデータのサーフェス情報を利用して、２層構造の中空のメッシュモデルを生成している。そしてモデルの接点を形状に基づいて設定された移動ベクトルに基づいて移動させ、モデルの接点を中立面上に集めて中立面モデルを生成している。

特開平６−２５９５０５号公報

特開２００２−２０７７７７号公報

しかしながら上記特許文献１および特許文献２のいずれに記載の解析モデル生成方法においても、解析に応じた中間面モデルを形状モデルから一意に決めることについては、考慮されていない。すなわち、厚みのある形状モデルを擬似モデルである中間面モデルに変換するときは、形状モデルに対する解析の種類、例えば構造解析や衝突解析、や解析の境界条件により、中間面モデルの形状を異ならせるのが効果的であるにもかかわらず、形状モデルを１個しか生成できない。その結果、中間面モデルを解析に応じて作成することが困難になる、という不具合を生じている。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は解析の種類や境界条件にあった中間面を生成することにある。本発明の他の目的は、解析に応じた中間面を簡単な手順で作成することにある。さらに本発明の他の目的は、解析条件に応じて中間面を選択することにより、解析の精度の向上や解析に要する時間を低減することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、解析対象のソリッドモデルから数値解析用の解析用シェルモデルを作成する解析用シェルモデル生成装置において、ソリッドモデルの同一部分に対して複数の中間面を生成する中間面生成手段と、ソリッドモデルの同一の面に対して生成された複数の中間面同士を比較して差異部分を抽出する抽出手段と、抽出された差異部分を用いて複数の中間面候補モデルを生成する中間面候補モデル生成手段と、生成された中間面候補モデルから解析に使用する中間面モデルを選択可能とする選択手段とを備えたことを特徴とする解析用シェルモデル作成装置。

この特徴において、生成した中間面候補モデルを画面として表示する表示手段と、選択した中間面モデルを解析用中間面モデルとして登録する手段とを設けるのがよく、中間面生成手段は、裏側面群オフセット法と表側面群オフセット法と中間位置点内挿法の少なくともいずれかを用いて複数の中間面を生成するものであってもよい。また、ソリッドモデルを複数の領域に区画したときに、区画された領域毎に適用する中間面自動生成方法を選択する第１の選択手段と、形状特徴を表わすパラメータ毎に適用する中間面自動生成方法を選択する第２の選択手段とを設け、表示手段は、第１および第２の選択手段により選択された方法を用いて生成された中間面を有する中間面候補モデルを画面上に表示するのが好ましい。

さらに、ソリッドモデルを複数の領域に区画したときに、領域毎に適用され解析の種類に応じて選択される中間面自動生成方法と、形状特徴を表すパラメータ毎に適用される中間面自動生成方法とを、中間面生成パラメータとしてデータベースに登録する登録手段を設けてもよく、この登録手段は、中間面生成パラメータデータベースに登録された解析の種類を選択すると、領域毎に適用する中間面自動生成方法と、形状特徴を表わすパラメータ毎に適用する中間面自動生成方法とを中間面生成パラメータとしてデータベースに登録するものであってもよい。

本発明によれば、複数の中間面を作成する手段を解析用シェルモデル作成装置が備えているので、解析の種類や境界条件に応じてその解析に適した中間面を使用できる。また、これにより、解析に要する時間が低減し、解析精度が向上する。

以下、本発明に係る解析用シェルモデル作成装置の実施例を、図面を用いて説明する。なお、本明細書の記載においては、解析用シェルモデルとは解析用メッシュが定義されたモデルを指し、解析メッシュ生成前のメッシュ生成の元となる形状データを中間面と呼ぶ。

図１に、本発明に係る解析用シェルモデル作成装置１００の一実施例のシステム構成図を示す。解析用シェルモデル作成装置１００は、使用者がデータを入力したり表示したりするキーボードとポインティングデバイスとディスプレイとを有する入出力装置１０１と、実際の厚みのある解析対象（ソリッドモデル）がソリッドモデルデータ１０２として登録される形状モデル入力部１０３とを有する。形状モデル入力部１０３に入力されたソリッドモデルを複数の領域に分け、その各々の領域ごとに中間面を作成するために、中間面生成に際して領域座標値及び中間面生成方法を入力し、これを領域指定データ１０４として領域毎中間面生成方法指定部１０５に登録する。

形状特徴毎中間面生成方法指定部１０７には、形状特徴を表現するパラメータ毎に中間面生成方法を指定する形状特徴種類、およびパラメータ、中間面生成方法が入力される。これらの入力データは、形状特徴指定データ１０６として登録される。中間面生成パラメータデータベース登録部１１８は、領域指定データ１０４と形状特徴指定データ１０６とを、解析内容ごとに中間面生成パラメータデータベース１１７に登録する。解析内容指定部１１９は、中間面生成パラメータデータベース１１７に登録したデータから解析内容を選択し、これに該当する領域指定データと形状特徴指定データとを領域指定データ１０４と形状特徴指定データ１０６として登録する。

複数中間面生成部１０９は、ソリッドモデルデータ１０２から、複数の中間面生成方法を用いて複数の中間面モデルを作成し、複数中間面モデルデータ１０８として登録する。中間面モデル差異部抽出部１１１は、複数中間面モデルデータ１０８に登録した中間面モデル群から差異部分を抽出し、差異部分データ１１０として登録する。差異部分データ照合部１１２は、領域指定データ１０４および形状特徴指定データ１０６に登録したデータを差異部分データ１１０と比較し、合致する差異部分のみを差異部分データ１１０に登録する。中間面モデル候補作成部１１４は、一致部分と差異部分データ１１０とを組み合わせて中間面モデルを作成し、中間面モデル候補データ１１３として登録する。解析用中間面モデル選択部１１６は、中間面モデル候補データ１１３から解析に使用する中間面モデルを選択し、解析用中間面モデル１１５として登録する。なお本実施例においては、解析用シェルモデル作成装置に複数の中間面生成方法が実装されている。

ところで、解析結果は中間面に依存する。図１２に示した段差を有するソリッドモデル２０１を用いて、境界条件や拘束条件を変化させると、中間面形状により解析精度および解析時間が大幅に変化する。例えば、ソリッドモデル２０１について、板厚の半分の点を結んで作成した中間面２０７を有する中間面モデル２０３を解析用中間面モデルに用いる。このとき、ソリッドモデル２０１には、左側側面からＸ方向に荷重が作用し、右側面が完全に拘束されているという条件２０２が課されていると、解析モデルである中間面モデル２０３の折れ部２０４では、実際と異なる変形が示される。

この原因は、ソリッドモデル２０１では拘束面まで力を受ける面（体積）があるのに対し、中間面モデル２０３では中間面２０７に作用するＸ方向の力を折れ部２０４の平面２０４ａで受けるためである。この不具合を解消するために、段差の無い新たな中間面モデル２０５を作成する。この中間面モデル２０５を用いると、条件２０２で示された境界条件および拘束条件下の解析精度が向上する。

しかしながら、条件２０６で示すように、右端の安全拘束条件は条件２０２と同じであっても、左側の上面に垂直方向から荷重が加わる条件では、曲げモーメントの作用が、ソリッドモデル２０１と異なってくる。すなわち、ソリッドモデル２０１で板厚が変化する中間部では、実際には曲げモーメントが作用しているにもかかわらず、中間面モデル２０５では曲げモーメントが作用しない解析結果が得られる。このような境界条件と拘束条件を有する条件２０６の場合には、中間面モデル２０３を用いると解析精度が向上する。このように、解析条件等に応じて中間面を作成する、言い換えれば複数の中間面を用意して解析条件に応じて選択して使用することで、解析精度が向上する。

次に、解析用シェルモデル作成装置１００を用いて、図２に示したソリッドモデル２００から中間面を作成する具体例を、以下に説明する。図３に、入出力装置１０１が備えるディスプレイ画面３００を示す。使用者は、操作画面上の領域座標値指定フィールド３０１に領域の始点および終点の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標値を入力する。さらに、中間面生成方法指定フィールド３０２に採用する中間面生成方法、例えば「中間位置点内挿法」を入力する。

使用者は、座標値を直接数値で入力してもよく、ポインティングデバイスを用いて図面上から指定してもよい。中間面生成方法指定フィールド３０２には、解析用シェルモデル作成装置１００に実装されている中立面生成方法の名称一覧が、リスト形式で表示されている。使用者は、このリストから適正なものを選択する。実行ボタン３０３を押すと、領域座標値指定フィールド３０１と中間面生成方法指定フィールド３０２に入力されたデータが、領域指定データ１０４に登録される。キャンセルボタン３０４を押すと、領域および中間面生成方法の指定が解除される。

形状モデル２０１のデータを入力した後に形状の特徴を入力する方法を、図４に示したディスプレイ画面４００を用いて説明する。使用者は入出力装置１０１を用いて、形状特徴種類指定フィールド４０１に形状特徴種類、例えば「段差」を入力する。パラメータ指定フィールド４０２には、形状特徴のパラメータ、ここでは「５ｍｍ」を入力し、中間面生成方法指定フィールド４０３には、採用する中間面生成方法、ここでは「中間位置点内挿法」を入力する。

形状特徴種類は、解析用シェルモデル作成装置１００が認識できる形状特徴の種類であり、プルダウンメニューによりその一覧がリスト形式で表示される。実行ボタン４０４を押すと、特徴種類指定フィールド４０１およびパラメータ指定フィールド４０２、中間面生成方法指定フィールド４０３に入力されたデータが形状特徴指定データ１０６に登録される。キャンセルボタン４０５を押すと、上記入力が解除される。

次に、中間面を作成する領域毎に、中間面生成パラメータをデータベース１１８に登録する。使用者は入出力装置１０１を用いて、図５に示した操作画面５００上の解析種類指定フィールド５０１に解析種類、ここでは「形状Ａ 衝突解析」を入力する。

形状特徴種類指定フィールド５０２の形状特徴種類およびパラメータ指定フィールド５０３の形状特徴のパラメータ、中間面生成方法指定フィールド５０４の中間面生成方法については、形状特徴毎中間面作成画面４００で作成したデータを用いる。同様に、領域座標値指定フィールド５０５の領域の座標値と中間面生成方法指定フィールド５０６の中間面生成方法については、領域毎中間面生成画面３００で作成したものを用いる。実行ボタン５０７を押せば、上記各入力データは、中間面生成パラメータデータベース１１７に登録される。キャンセルボタン５０８を押せば、各入力が解除される。

上記手順を経て、中間面パラメータデータベース１１７には、図６に示すデータ構造でデータが記憶される。ディスプレイ画面５００における解析種類指定フィールド５０１のデータはエリア６０１に、形状特徴種類指定フィールド５０２のデータはエリア６０２に、パラメータ指定フィールド５０３のデータはエリア６０３に、中間面生成方法指定フィールド５０４のデータはエリア６０４に、領域座標値指定フィールド５０５のデータはエリア６０５に、中間面生成方法指定フィールド５０６のデータはエリア６０６にそれぞれ記憶される。解析種類毎に、形状特徴指定データ及び領域指定データを複数登録することできる。

各種の解析に対応したデータを入力したので、実際の解析の準備に入る。まず、解析の種類を決定する。解析の種類が決まったら、図７に示す解析準備開始のディスプレイ画面７００において、解析種類指定フィールド７０１に解析種類を指定する。この解析内容指定フィールド７０１のリストは、既に中間面生成パラメータデータベース１１７に登録されているので、そのリストをプルダウンメニューから選択する。準備完了したら実行ボタン７０２を押す。実行ボタン７０２が押されたら、選択された解析種類に対応する領域指定データ及び形状特徴指定データが自動的に選択され、領域指定データ１０４と形状特徴指定データ１０６として入力される。キャンセルボタン１１０３を押せば、入力が解除される。

中間面生成パラメータデータベース１１７に入力されたデータの具体例を、図８に示す。本例では、解析種類指定フィールド６０１のデータとして、「形状Ａ 簡易強度解析」、「形状Ａ 詳細強度解析」、「形状Ａ 衝突解析」、「形状Ｂ 詳細強度解析」、「形状Ｂ 衝突解析」が既に入力されているから、これらの中から選択する。「形状Ａ 衝突解析」を選択すると、領域指定データ及び形状特徴指定データには、自動的に下記データが登録される。
［領域指定データ］
領域１：(0.0,0.0,0.0)-(13.0,25.0,30.0)
中間面生成方法１：表側面オフセット法
領域２：(50.0,0.0,0.0)-(65.0,25.0,30.0)
中間面生成方法２：中間位置点内挿法
[形状特徴指定データ]
形状特徴種類１：段差
パラメータ１：5 mm
中間面生成方法１：表側面オフセット法
各領域毎に解析の種類や中間面生成方法等が決定したので、ソリッドモデルデータ１０２から複数の中間面モデルデータを作成し、複数中間面モデルデータ１０８に登録する。図２に示した形状モデル２０１について求めた中間面モデルのいくつかの例を、図９に示す。図９（ａ）には裏側面群オフセット法９０１による中間面モデルを、図９（ｂ）には表側面群オフセット法９０２による中間面モデルを、図９（ｃ）には中間位置点内挿法９０３による中間面モデルをそれぞれ示す。

図９（ａ）に示した裏側面群オフセット法９０１では、ソリッドモデルを裏側（内側）形状により複数の薄板部に分け、これらの薄板部を接続した薄板部群について、各薄板部を形成する裏側の面を代表板厚寸法の半分の距離だけ表側にオフセットさせている。これにより、薄板部群の中間面モデルを生成する。

具体的には、図９（ａ）の左側部の裏面を構成する面９０５ａ，９０７ａ，９０９ａ，９１１ａ，９１３ａを、代表寸法、ここでは上端部の厚みの半分だけ左側に移動させる。水平面９０６ａ，９０８ａ等についても、代表寸法の半分だけソリッドモデルの内部側に移動させて、水平方向の中間面９０６、９０８を形成する。この手順を繰り返して、垂直方向の中間面９０５、９０７、９０９、９１１、９１３と水平方向の中間面９０６，９０８，９１０，９１２を形成する。下部の中間面９４１〜９４３は、本実施例形状では中間作成法によらず同じである。右側部分の中間面９１４〜９１８も同様に、内側の面を代表寸法の半分だけ右側に移動させて形成する。

表側面群オフセット方法（図９（ｂ））では、この逆に表側面基準で薄板群を形成し、表側面を内側に代表板厚寸法の半分だけオフセットして中間面９１９、９２０、９４１〜９４３を作成する。中間位置点内挿法（図９（ｃ））では、厚みのあるソリッドモデルの厚さの半分の点を結んで中間面９２１〜９３４を形成する。生成した中間面モデルデータ９０１〜９０３を、複数中間面モデルデータ１０８に登録する。

複数中間面モデルデータ１０８に登録した中間面モデルデータ９０１〜９０３を構成する各中間面について、他の中間面モデルデータ９０１〜９０３に同じ形の中間面が含まれているか否かを調べる。含まれていないときは、この中間面を差異部分データ１１０に登録する。例えば図９に示した複数中間面モデルデータ９０１〜９０３では、中間面９０５〜９３４が差異部分データ１１０として登録される。

差異部分データ１１０に入力されている各中間面のデータを、領域指定データ１０４と比較する。比較した中間面が領域指定データ１０４の領域内であり、指定中間面生成方法以外で作成されているときは、この比較した中間面のデータを差異部分データ１１０から除外する。同様に、差異部分データ１１０に入力された各中間面のデータと形状特徴指定データ１０６を比較する。比較した中間面が形状特徴指定データ１０６の形状特徴種類とパラメータを有し、指定中間面生成方法以外で作成された中間面のときは、この中間面のデータを差異部分データ１１０から除外する。

中間面モデルデータ９０１〜９０３の中間面９０５〜９３４、９４１〜９４３が差異部データに登録されており、図１０に示したデータ１５１が領域指定データに、データ１５２が形状特徴指定データにそれぞれ登録されているときは、中間面９０５〜９１３、９２１〜９２９、９４１〜９４３が差異部分から省かれる。その結果、差異部分データには、中間面９１４〜９２０、９３０〜９３４だけが含まれる。

複数の中間面モデルデータ９０１〜９０３について、各中間面モデルデータ９０１〜９０３を構成する中間面９０５〜９３４の共通性を調べる。そして、共通性がない中間面については、差異部分データに登録する。これにより、残りの中間面群を差異部分に登録した中間面群と組み合わせて、中間面モデル候補データ１１３を作成できる。作成した中間面モデル候補１７１〜１７３の例を、図１１に示す。

図１１に、入出力装置１０１が備えるディスプレイ画面１６０の一例を示す。使用者は、候補表示フィールド１６１に表示された複数の中間面モデル候補１７１〜１７３から、解析に使用する中間面モデルを１個選択する。その際、解析の種類に応じてどの中間面モデル候補１７１〜１７３を使用するかを、使用者が選択する。実行ボタン１６２を押せば、選択された中間面モデルが解析用中間面モデルデータ１１５に登録される。キャンセルボタン１６３を押せば、指定が解除される。

本実施例によれば、複雑なソリッドモデルであっても板厚が比較的薄くてシェルモデルで近似できるときには、境界条件や拘束条件等に応じた解析用の中間面を使用でき、解析の精度が向上する。また、境界条件や拘束条件等が変化しても、容易に解析モデルを変更できる。さらに、経験が少ない作業者であっても、比較的容易に解析できる。

本発明に係る解析用シェルモデル生成装置の一実施例のブロック図。 ソリッドモデルの例を示す斜視図。 入力画面の一例。 入力画面の一例。 入力画面の一例。 データ―構造の一例。 入力画面の一例。 データ構造の一例。 中間面モデルを説明する斜視図。 データ構造の一例。 出力画面の一例。 中間面モデルと、境界条件および拘束条件との関係を説明する図。

符号の説明

１０１…入出力装置、１０２…形状モデルデータ、１０３…形状モデルデータ入力部、１０４…領域指定データ、１０５…領域毎中間面生成法指定部、１０６…形状特徴指定データ、１０７…形状特徴毎中間面生成法指定部、１０８…複数中間面データ、１０９…複数中間面生成部、１１０…差異部分データ、１１１…中間面モデル差異部抽出部、１１２…差異部分データ照合部、１１３…中間面モデル候補データ、１１４…中間面モデル候補作成部、１１５…解析用中間面モデルデータ、１１６…解析用中間面選択部、１１７…中間面生成パラメータデータベース登録部、１１８…中間面生成パラメータデータベース、１１９…解析内容指定部、１５１、１５２…データ、１６０…出力画面、２００、２０１…ソリッドモデル、２０３、２０５…中間面モデル、３００、４００、５００…入力画面、６０１〜６０６…データ、７００…入力画面、８００…データ構造、９０１〜９０３…中間面モデル、９０５〜９３４、９４１〜９４３…中間面。

Claims (6)

1. 解析対象のソリッドモデルから数値解析用の解析用シェルモデルを作成する解析用シェルモデル生成装置において、ソリッドモデルの同一部分に対して複数の中間面を生成する中間面生成手段と、ソリッドモデルの同一の面に対して生成された複数の中間面同士を比較して差異部分を抽出する抽出手段と、抽出された差異部分を用いて複数の中間面候補モデルを生成する中間面候補モデル生成手段と、生成された中間面候補モデルから解析に使用する中間面モデルを選択可能とする選択手段とを備えたことを特徴とする解析用シェルモデル作成装置。
2. 生成した前記中間面候補モデルを画面として表示する表示手段と、選択した前記中間面モデルを解析用中間面モデルとして登録する手段とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の解析用シェルモデル作成装置。
3. 前記中間面生成手段は、裏側面群オフセット法と表側面群オフセット法と中間位置点内挿法の少なくともいずれかを用いて複数の中間面を生成することを特徴とする請求項１に記載の解析用シェルモデル作成装置。
4. ソリッドモデルを複数の領域に区画したときに、区画された領域毎に適用する中間面自動生成方法を選択する第１の選択手段と、形状特徴を表わすパラメータ毎に適用する中間面自動生成方法を選択する第２の選択手段とを設け、前記表示手段は、第１および第２の選択手段により選択された方法を用いて生成された中間面を有する中間面候補モデルを画面上に表示することを特徴とする請求項１に記載の解析用シェルモデル作成装置。
5. ソリッドモデルを複数の領域に区画したときに、領域毎に適用され解析の種類に応じて選択される中間面自動生成方法と、形状特徴を表すパラメータ毎に適用される中間面自動生成方法とを、中間面生成パラメータとしてデータベースに登録する登録手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の解析用シェルモデル作成装置。
6. 前記登録手段は、中間面生成パラメータデータベースに登録された解析の種類を選択すると、領域毎に適用する中間面自動生成方法と、形状特徴を表わすパラメータ毎に適用する中間面自動生成方法とを中間面生成パラメータとしてデータベースに登録することを特徴とする請求項５に記載の解析用シェルモデル作成装置。
   

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