JPH0744525A - 有限要素法解析のデータ生成システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】操作性に優れ、所望の有限要素法解析を行なう
ために必要なメッシュデータを簡単に生成することので
きるシステムを提供する。 【構成】解析対象物の図面を表示し、この図面に対応し
て任意の線要素を入力するＣＡＤ装置１と、線要素相互
の交点を算出して交点データとする交点算出部３と、線
要素に関して隣接する交点から線分データを算出し、線
分データと交点データとからメッシュデータを生成する
メッシュ生成部４とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有限要素法（ＦＥＭ;F
inite Element method）による数値解析に使用されるメ
ッシュデータを生成するデータ生成システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】有限要素法によって数値解析を行なう場
合、解析対象の形状モデルをブロック分割し、その形状
モデルを数値データとして表わしたメッシュデータを生
成し、このメッシュデータに対して有限要素法の実際の
演算が行なわれる。現実には、演算に使用される計算機
のメモリ容量や演算時間などの制約から、メッシュデー
タでの要素数や節点数が制約される。この制約条件の下
で高精度の解を得るために、例えば、応力集中部ではメ
ッシュの間隔を狭くして要素密度を高めるなどのノウハ
ウがある。

【０００３】従来、メッシュデータの作成には、プリプ
ロセッサが使用されている。プリプロセッサでは、メッ
シュデータの作成機能に重点が置かれており、ブロック
分割に対応する比較的単純なブロック外形データをユー
ザが座標値のキーボード入力で作成し、その後、細分割
操作などを対話的に行なって最終要素形状を決定するこ
とによって、メッシュデータが自動的に作成される。し
かし、プリプロセッサの作図機能が劣るため、外形形状
が複雑になると、ブロック座標の算出と座標のキーボー
ド入力作業に多くの労力が必要となる。また、ブロック
分割を行なう場合、内部にトーラス部分（内部ループ）
を含まないようにする必要がある。

【０００４】特開平３−７５９７０号公報には、直線で
表わされた分割線をブロックに対して指定し、ブロック
の外形線と分割線との交点、ブロック内の内部ループと
分割線との交点、分割線相互の交点を計算によって算出
し、外形線ごとに交点をソートして３角形要素あるいは
４角形要素を総当たりで抽出する方法が、開示されてい
る。この方法によれば、ブロック内の内部ループを意識
することなくメッシュデータを生成することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のメッシ
ュデータの生成方法では、ブロック座標の算出や座標の
キーボード入力を手で行なう必要があって作業量が多く
なるとともに、プリプロセッサを使いこなすためのノウ
ハウも必要となるという問題点がある。また、特開平３
−７５９７０号公報に示されたものでは、同一ブロック
内で要素密度を変化させることが難しく、所望の有限要
素法解析を行なおうとすればブロック分割を細かく行な
わなければならず、作業が煩雑になるという問題点があ
る。

【０００６】本発明の目的は、操作性に優れ、所望の有
限要素法解析を行なうために必要なメッシュデータを簡
単に生成することのできるメッシュデータ生成システム
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の有限要素法解析
のデータ生成システムは、解析対象物の図面に対応して
任意の線要素を入力する入力手段と、前記線要素相互の
交点を算出して交点データとする交点算出手段と、前記
線要素に関して隣接する前記交点から線分データを算出
し、前記線分データと前記交点データとからメッシュデ
ータを生成するメッシュデータ生成手段と、前記メッシ
ュデータを出力する出力手段とを有する。

【０００８】

【作用】解析対象物の図面に対応して任意の線要素を入
力する入力手段が設けられ、この線要素から交点や線分
データを抽出してメッシュデータを生成するので、操作
性に優れ、必要に応じてメッシュの要素密度を変更する
ことが容易に行なえる。ここで線要素とは、直線に限ら
れるものでなく曲線を含むものであり、マウスやドラッ
グボールなどの任意のポインティングデバイスで直接入
力されるものも含まれる。

【０００９】入力手段としては、解析対象物の図面に対
応して任意の線要素を入力するものであれば任意のもの
が使用されるが、例えば、解析対象物の図面を表示す
る表示部と、表示部に表示された図面に対し線要素を表
示部に逐次表示しつつ入力するための指示入力部とを有
するものや、線要素が書き加えられた解析対象物の図
面を読み込み前記線要素を抽出する画像読取手段からな
るものを使用することができる。に示したものは具体
的にはＣＡＤ装置であり、ＣＡＤ装置を用いて解析対象
物を設計し、設計データに基づいてＣＡＤ装置のディス
プレイに解析対象物を表示し、その後、マウスなどのポ
インティングデバイスを用いて線要素を手で入力してい
けばよい。また、解析対象物の設計データ（図形デー
タ）が入手できる場合には、そのデータを読み込んでデ
ィスプレイ上に表示させるようにしてもよい。に示し
たものは具体的にはスキャナと画像処理装置とを組み合
わせたものであり、線要素が書き加えられた図面をスキ
ャナで読み込み、画像処理装置を用いて読み込まれた画
像データから線要素を抽出すればよい。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図１は本発明の一実施例の有限要素法解
析システムの構成を示すブロック図である。このシステ
ムは、メッシュデータの作成後、さらに有限要素法によ
る数値解析を行なうように構成されている。

【００１１】ディスプレイを有するＣＡＤ装置１が、設
けられている。ＣＡＤ装置１は、解析対象物の設計や解
析対象物の図形データの読み込みに使用され、さらに、
ディスプレイに解析対象物の図面を表示した状態で、メ
ッシュデータの生成に用いられる任意の線要素がマウス
などによって入力されるように構成されている。この場
合、マウスなどで入力される線要素は、解析対象物の図
面と重畳するようにして、ディスプレイ上に逐次表示さ
れる。解析対象物の図面および入力された線要素は、入
力データファイル２に格納されるようになっている。

【００１２】入力データファイル２に格納されたデータ
からメッシュデータを生成するメッシュデータ生成出力
部１０が設けられている。メッシュデータ生成出力部１
０は、入力データファイル２を参照して交点計算処理を
行なう交点計算部３と、交点計算部３の計算結果に基づ
いてメッシュデータを生成するメッシュ生成部４と、生
成されたメッシュデータをメッシュデータファイル６と
して出力するメッシュ出力部５とによって構成されてい
る。交点計算部３は、解析対象物の図面を構成する線
（以下、外形線という）と上述のように入力された線要
素について、それら外形線相互の交点、線要素相互の交
点、外形線と線要素との交点を抽出し交点の座標を算出
して交点データとするように構成されている。交点の検
索や交点座標の計算には、公知の方法が用いられる。メ
ッシュ生成部４は、外形線あるいは線要素上で相互に隣
接する交点から線分データを算出し、交点データと算出
された線分データとからメッシュデータを生成するもの
である。ここで線分データは、メッシュ境界線（要素境
界線）に対応するものである。

【００１３】メッシュ生成部４におけるメッシュデータ
の生成方法としては、例えば、交点と線分データとを用
いて最も内側にある「閉領域」をなす要素を認識し、さ
らに節点の番号が左回りであることを確認して個々の要
素であることを決定する方法がある。この生成方法は、
膨大かつ複雑なデータの検索・並び換え・登録が必要と
なるが、ある交点はどの要素境界線に乗っているか、ま
た逆にある要素境界線はどの交点を含んでいるか、の双
方向の検索を可能とするオブジェクト構造を採用しハッ
シュアルゴリズムを採用することにより、現実的なメモ
リ使用量・検索時間で行なうことができる。

【００１４】メッシュデータファイル６に格納されたメ
ッシュデータが入力する条件入力部７が設けられてい
る。条件入力部７は、有限要素法解析に必要な各種パラ
メータ、例えば荷重条件や境界条件の入力が行なわれる
ところである。そして、条件入力部７の出力側には有限
要素法解析の数値演算を実際に行なう有限要素法解析計
算部８が設けられており、有限要素法解析計算部８によ
って求められた解析結果は、解析結果ファイル９に出力
されるようになっている。

【００１５】次に本実施例の動作について、図２のフロ
ーチャートを用いて説明する。

【００１６】まず、ＣＡＤ装置１において、解析対象物
を設計するか解析対象物の図形データを読み込み、解析
対象物の図面をディスプレイ上に表示しながら、メッシ
ュデータの作成に用いられる線要素を入力する。線要素
の入力にはＣＡＤ装置１に付属するマウスなどが使用さ
れる。線要素としては、端点の２点によって指定される
直線のほか、スプライン曲線、円弧、あるいはマウスの
軌跡による自由曲線などがある。このとき、メッシュデ
ータにおける要素密度を高めたい領域では線要素を多く
引き、要素密度を低くしておく領域では、線要素をまば
らに引くようにする。このようにして入力された線要素
のデータは、解析対象物の図形データとともに、入力デ
ータファイル２に格納される。

【００１７】次に、入力データファイル２に格納された
データがメッシュデータ生成出力部１０によって読み込
まれ（ステップ１０１）、読み込まれたデータに基づい
て交点計算部３で交点計算処理が行なわれる（ステップ
１０２）。交点計算処理では、解析対象物の外形線相互
の交点、線要素相互の交点、外形線と線要素との交点が
抽出され、これら交点の座標が計算され、交点データが
求められる。そして、交点計算処理の結果に基づいて、
メッシュ生成部４でメッシュ生成処理が行なわれる（ス
テップ１０３）。メッシュ生成処理では、外形線あるい
は線要素上で相互に隣接する交点から線分データを算出
し、交点データと算出された線分データとから上述した
ようにしてメッシュデータが生成される。このとき、あ
る交点間の線分データを抽出したら、その線分データに
対応する線要素の該当する区間のデータを削除すること
により、メモリの容量が不足気味の場合の作動不良を回
避することができる。そして、このメッシュデータは、
メッシュ出力部５によって、メッシュデータファイル６
に出力される（ステップ１０４）。

【００１８】その後、メッシュデータファイル６が条件
入力部７に読み込まれ、条件入力部７で各種パラメータ
が設定され、有限要素法解析計算部８において実際の数
値解析演算が行なわれる。そして、有限要素法解析計算
部８によって求められた解析結果が解析結果ファイル９
に格納される。

【００１９】次に、交点演算処理とメッシュ生成処理に
ついて、実例を挙げて説明する。例えば、ＣＡＤ装置１
において、線要素として図３(a)に示されたものが入力
されたとする。線要素はそれぞれ曲線２１で表わされて
いる。この段階では、ＣＡＤ装置１のディスプレイ上で
の曲線２１相互の交点は、交点として認識されていな
い。このような線要素に対して交点計算処理を施すこと
により、交点２２が認識され、交点２２の座標が算出さ
れる。交点２２は、メッシュデータでの節点となる。そ
して、メッシュ生成処理を行なうことにより、曲線２１
に対応して交点２２相互を結ぶ要素境界線（線分デー
タ）２３が求められ、各要素２４が抽出される。この状
態が図３(b)に示されている。なお、要素境界線２３
は、交点２２相互を結ぶものとして定義されるので、も
との曲線２１でひげ状となっている部分は、無視され
る。また、曲線２１の引き方によって、図示されるよう
に、３角形の要素あるいは４角形の要素を任意に生成で
きる。

【００２０】さらに実例について説明する。図４(a)は
解析対象物の一例を示す図である。この解析対象物は、
複数のブロック３１に分割されており（ブロック分割線
は点線で示される）、いくつかのブロック３１の内部に
は、内部ループ（トーラス部分）３２が存在する。この
解析対象物に対してＣＡＤ装置１を用いて線要素を適宜
入力したものが、図４(b)に示されている。内部ループ
３２周囲の応力集中部には、重点的に線要素が加えられ
ている。本実施例によれば、この図に示されるように、
解析者の意に沿うように任意にメッシュを設定すること
ができる。

【００２１】次に、本発明の別の実施例について説明す
る。上述の実施例は、ＣＡＤ装置を用いてディスプレイ
上に表示された解析対象物を見ながら、マウスなどを用
いて線要素を入力するものであった。しかし、任意の線
要素の入力方法はこれに限られるものではない。ＣＡＤ
装置の代りに、スキャナと画像処理装置を組み合わせた
ものも使用することができる。

【００２２】スキャナと画像処理装置とを組み合わせた
場合には、メッシュデータに対応する線要素が書き加え
られた解析対象物の図面を用意する。そして、この図面
をスキャナで読み込み、画像処理装置によって解析対象
物の外形線と記入された線要素とを抽出する。あとは抽
出されたデータについて、交点計算処理からの処理を上
述の実施例と同様に行なうことにより、メッシュデータ
が生成される。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、解析対象
物の図面に対応して任意の線要素を入力する入力手段
と、線要素相互の交点を算出して交点データとする交点
算出手段と、線要素に関して隣接する交点から線分デー
タを算出し、線分データと交点データとからメッシュデ
ータを生成するメッシュデータ生成手段とを設けること
により、任意に入力された線要素から交点や線分データ
を抽出してメッシュデータが生成できるので、操作性に
優れ、必要に応じてメッシュの要素密度を変更すること
などが容易に行なえるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の有限要素法解析システムの
構成を示すブロック図である。

【図２】図１のシステムの動作を説明するフローチャー
トである。

【図３】(a)はＣＡＤ装置に入力された線要素を例示す
る図、(b)は例示された線要素から生成されたメッシュ
データを示す図である。

【図４】(a)は解析対象物の一例を示す図、(b)はこの解
析対象物に線要素を加えた状態を示す図である。

【符号の説明】

１ ＣＡＤ装置 ２ 入力データファイル ３ 交点計算部 ４ メッシュ生成部 ５ メッシュ出力部 ６ メッシュデータファイル ７ 条件入力部 ８ 有限要素法解析計算部 ９ 解析結果ファイル １０ メッシュデータ生成出力部 ２１ 曲線 ２２ 交点 ２３ 要素境界線 ２４ 要素 １０１〜１０４ ステップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 7623−5Ｌ Ｇ０６Ｆ 15/60 ４５０ (72)発明者 納富 信 福岡県北九州市戸畑区大字中原46番地の59 日鐵プラント設計株式会社内 (72)発明者 宮崎 新市 福岡県北九州市戸畑区大字中原46番地の59 日鐵プラント設計株式会社内 (72)発明者 山口 荘一 長崎県佐世保市名切町３番３号 株式会社 エス・イー・エー創研内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有限要素法解析に使用されるメッシュデ
   ータを生成するデータ生成システムであって、 解析対象物の図面に対応して任意の線要素を入力する入
   力手段と、 前記線要素相互の交点を算出して交点データとする交点
   算出手段と、 前記線要素に関して隣接する前記交点から線分データを
   算出し、前記線分データと前記交点データとからメッシ
   ュデータを生成するメッシュデータ生成手段と、 前記メッシュデータを出力する出力手段とを有すること
   を特徴とする有限要素法解析のデータ生成システム。
2. 【請求項２】 入力手段が、解析対象物の図面を表示す
   る表示部と、前記表示部に表示された図面に対し線要素
   を前記表示部に逐次表示しつつ入力するための指示入力
   部とを有する、請求項１に記載の有限要素法解析のデー
   タ生成システム。
3. 【請求項３】 入力手段が、線要素が書き加えられた解
   析対象物の図面を読み込み前記線要素を抽出する画像読
   取手段からなる、請求項１に記載の有限要素法解析のデ
   ータ生成システム。