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JP2007041630A - Structure design support program and structure design support apparatus - Google Patents

Structure design support program and structure design support apparatus Download PDF

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JP2007041630A
JP2007041630A JP2003391546A JP2003391546A JP2007041630A JP 2007041630 A JP2007041630 A JP 2007041630A JP 2003391546 A JP2003391546 A JP 2003391546A JP 2003391546 A JP2003391546 A JP 2003391546A JP 2007041630 A JP2007041630 A JP 2007041630A
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JP
Japan
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value
target cell
design
cell
target
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JP2003391546A
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Kazuo Mitsui
和男 三井
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Nihon University
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Nihon University
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design support program and device of a structure for generating a properly shaped structure model with relative small calculation amounts only by setting a load value including loaded cyclic loading and a target value. <P>SOLUTION: This design support program is provided to execute first processing to calculate and set the stress value of each cell in design material information and loading information including cyclic loading, second processing to define a first cell in a design region as a target cell, and to compare the stress values of the target cell and the neighboring cell with the target stress value, third processing to set the target cell and an input value from the neighboring cell to the target cell based on the comparison result and input value conditions, fourth processing to add the total value of input values and a value calculated by performing an arithmetic operation to the current potential value of the target cell to calculate the new potential value of the cell, and fifth processing to compare the potential value of the calculation result with a predetermined threshold and sixth processing to set new design materials in the target cell based on the comparison result and to remove the design materials from the target cell, and to maintain the design materials. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、与えられた設計条件を満たす構造物の設計をする分野に係り、特に、荷重を受ける構造物の設計を支援するのに好適な構造物の設計支援プログラム及び構造物の設計支援装置に関する。   The present invention relates to the field of designing a structure that satisfies a given design condition, and more particularly to a structure design support program and a structure design support apparatus suitable for supporting the design of a structure that receives a load. About.

従来、構造から効果のない材料を少しずつ取り除くことによって、構造の形状は最適な形状に向かって進化するという進化的構造最適化の単純な概念が示された(非特許文献1参照)。この手法は,例えば、「骨格は,力の場との相互作用によって,力の場に対応して変化する」などの自己組織化の考え方をモデル化したものと見ることができる(非特許文献2参照)。すなわち力のかからない細胞は少しずつ消滅し、そのような過程を繰り返すことで最終的には、最小限の材料で最大の強度を出す形態を獲得するわけである。   Conventionally, a simple concept of evolutionary structure optimization has been shown in which the shape of a structure evolves toward an optimal shape by gradually removing ineffective materials from the structure (see Non-Patent Document 1). This method can be regarded as a model of the concept of self-organization, for example, “the skeleton changes in response to the force field by interaction with the force field” (Non-patent Documents). 2). That is, cells that do not apply force disappear little by little, and by repeating such a process, a form that produces the maximum strength with a minimum amount of material is finally obtained.

しかし、そこには「力のかかる部分は必ず成長して、要求される強度をもつようになる」というメカニズムが含まれていない。これに対し、成長のメカニズムを含めたモデルを、セルオートマトンを用いて表現し、形態の最適化への応用を試みたものが発案された(非特許文献3参照)。これは、セルの出現と消滅に関する単純な局所規則のみを定義することによって、構造が自律的に発生するという自己組織化のもつ本質的な能力を利用するもので、この手法では、目標セルの出現と消滅を決定するために、制御パラメターとして上限応力値と下限応力値を設定する必要がある。 However, it does not include a mechanism that “the part where the force is applied always grows and has the required strength”. On the other hand, a model in which a model including a growth mechanism is expressed using a cellular automaton and an application to optimization of a form has been devised (see Non-Patent Document 3). This exploits the intrinsic ability of self-organization that structures are generated autonomously by defining only simple local rules for cell appearance and disappearance. In order to determine the appearance and disappearance, it is necessary to set an upper limit stress value and a lower limit stress value as control parameters.

Xie, Y.M. and Steven, G.P.:Evolutionary Structural Optimization, Springer-Verlag, 1997Xie, Y.M. and Steven, G.P .: Evolutionary Structural Optimization, Springer-Verlag, 1997 ダーシー・トムソン(柳田友道他訳):生物のかたち, 東大出版会, 1981Darcy Thomson (Translated by Y. Yanagida and others): Biological Shape, University of Tokyo Press, 1981 三井和男:セルオートマトンによる構造システムの自律的生成と最適化, 日本建築学会構造系論文集, 555号, 2000年5月Kazuo Mitsui: Autonomous generation and optimization of structural systems using cellular automata, Architectural Institute of Japan, 555, May 2000

しかしながら、上記従来の非特許文献1による手法においては、初期における構造物が最大体積を有する状態から計算処理が開始されるため、その計算量が多大なものとなる。
また、上記非特許文献3の手法における前記上限値と下限値の決定においては、場合によって何回もの試行錯誤を繰り返しながらその値を求める必要があり、煩わしい作業となることがある。
However, in the method according to the conventional non-patent document 1, since the calculation process is started from a state in which the structure in the initial stage has the maximum volume, the amount of calculation becomes large.
Moreover, in the determination of the upper limit value and the lower limit value in the method of Non-Patent Document 3, it is necessary to obtain the values while repeating trial and error in some cases, which may be troublesome work.

さらに、上記各例にあっては、たとえば原動機のピストンのように外力の大きさおよび方向が周期的に変化する荷重(周期荷重)を受ける構造システムの設計に適用することが容易ではなかった。   Furthermore, in each of the above examples, it has not been easy to apply to the design of a structural system that receives a load (periodic load) in which the magnitude and direction of the external force change periodically, such as a piston of a prime mover.

そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、負荷される周期荷重を含む荷重値、および、目標値を設定するだけで適切な形状の構造物モデルを生成可能で、且つ、比較的少ない計算量で同モデルを生成可能な、構造物の設計支援プログラム及び構造物の設計支援装置を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made by paying attention to such an unsolved problem of the conventional technology, and is appropriate only by setting a load value including a cyclic load to be loaded and a target value. It is an object of the present invention to provide a structure design support program and a structure design support apparatus that can generate a shape structure model and can generate the model with a relatively small amount of calculation.

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1記載の構造物の設計支援プログラムは、与えられた設計条件に基づき適切な形状の構造物モデルを生成するためのコンピュータが実行可能なプログラムであって、前記設計条件として、少なくとも、前記構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる周期荷重を含む荷重情報と、前記構造物の、前記構造物の設計領域情報と、終了条件と、を取得するようになっており、前記設計領域を複数の仮想的なセルに分割する処理を行い、当該設計領域内に、支持点及び荷重点を含み、当該荷重点にかかる荷重を前記支持点に伝達可能で且つ前記設計条件における前記設計材料の性質を有する所定形状の構造物モデルを前記セルに対応付けて初期配置する処理を行い、前記設計材料情報及び前記荷重情報に基づき前記設計領域に配置された構造物モデルに対応する各セルに対してそれぞれの応力値を算出して設定する第1の処理を行い、前記設計領域内の一のセルを目標セルとして選択し、当該目標セル及びその近傍にある近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとをそれぞれ比較する第2の処理を行い、この比較結果及び予め設定された入力値条件に基づき前記目標セル及び前記近傍セルから当該目標セルへの入力値をそれぞれ設定する第3の処理を行い、前記入力値の合計値と前記目標セルの現在のポテンシャル値を減衰処理した値とを足し合わせて、当該目標セルの新たなポテンシャル値を算出する第4の処理を行い、この算出結果のポテンシャル値の大きさと所定の閾値とを比較する第5の処理を行い、この比較結果に基づき目標セルへの新たな設計材料の設定、当該目標セルからの設計材料の除去、又は、前記目標セルに対応する設計材料の維持を行う第6の処理を行い、前記第1乃至第6の処理を、当該処理を実行可能な全セルに対して行うステップを、終了条件を満たすまで繰り返し行うことを特徴としている。   In order to achieve the above object, a structure design support program according to claim 1 of the present invention is a computer-executable program for generating a structure model having an appropriate shape based on given design conditions. And, as the design condition, at least information on a design material constituting the structure, a target stress value, load information including a periodic load applied to the structure, and the structure of the structure The design area information and the end condition are acquired, the process for dividing the design area into a plurality of virtual cells is performed, the support area and the load point are included in the design area, A process of initially arranging a structure model having a predetermined shape that can transmit a load applied to a load point to the support point and has a property of the design material under the design conditions is performed in association with the cell, A first process of calculating and setting each stress value for each cell corresponding to the structure model arranged in the design area based on the measured material information and the load information is performed. Cell is selected as a target cell, and a second process is performed for comparing the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cells in the vicinity thereof with the magnitude of the target stress value. Based on the input value condition, a third process for setting input values from the target cell and the neighboring cells to the target cell is performed, and the total value of the input values and the current potential value of the target cell are attenuated. And a fourth process for calculating a new potential value of the target cell is performed, and the magnitude of the calculated potential value is compared with a predetermined threshold value. Based on the comparison result, a sixth process for setting a new design material in the target cell, removing the design material from the target cell, or maintaining the design material corresponding to the target cell is performed. The steps of performing the first to sixth processes on all cells capable of executing the processes are repeatedly performed until an end condition is satisfied.

従って、設計条件として、少なくとも、構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる荷重情報と、構造物の設計領域情報と、終了条件と、前記構造物の設計領域情報と、終了条件と、を取得することにより、終了条件を満足するまで比較的単純な演算を繰り返し行うことで、設計領域に配置された構造物モデルを適切な形状へと変形させることが可能である。   Accordingly, as design conditions, at least information on design materials constituting the structure, target stress values, load information applied to the structure, design area information of the structure, termination conditions, and design of the structure By acquiring the area information and the end condition, it is possible to transform the structure model arranged in the design area into an appropriate shape by repeating relatively simple operations until the end condition is satisfied. Is possible.

ここで、構造物モデルとは、上記したように、支持点及び荷重点の情報を有しており、荷重点にかかる荷重を支持点に伝達出来るような性質を有するもので、その他にも設計条件に基づく様々な情報を有した数学的なモデルである。これら情報をそれぞれ機能部として見れば、様々な機能部を有する1つのシステムとも言える。   Here, as described above, the structure model has information on the support point and the load point, and has the property that the load applied to the load point can be transmitted to the support point. It is a mathematical model with various information based on conditions. If each of these pieces of information is viewed as a functional unit, it can be said that the system has various functional units.

また、設計領域とは、設計条件として利用者からの入力やプログラムの設定により取得可能もので、本発明では、構造物の設計範囲のことである。つまり、この範囲内において、構造物モデルを変形させて終了条件を満足する構造物モデルを生成することになる。
また、ポテンシャル値は、設計材料の有無にかかわらずセルの有するエネルギーを示すものであり、通常は、このエネルギーが高いほどそのセルに新たな設計材料が出現し易くなる。
The design area can be acquired as a design condition by a user input or program setting. In the present invention, the design area is a design range of a structure. That is, within this range, the structure model that satisfies the end condition is generated by deforming the structure model.
The potential value indicates the energy of the cell regardless of the presence or absence of the design material. Normally, the higher this energy, the more likely new design material appears in the cell.

また、現在のポテンシャル値とは、1つ前のステップにおいて算出されたポテンシャル値のことである。
また、上記したように目標セルのポテンシャル値を算出するときに、現在のポテンシャル値を減衰させた値を用いるようにしているが、これは、長い時間、近傍の設計材料のあるセルからの入力が無いセルの設計材料を消滅させるためのもので、これにより、孤立した設計材料などの不必要な材料を除くことができ、より適切な形状の構造物モデルの生成が可能となる。
The current potential value is the potential value calculated in the previous step.
In addition, when calculating the potential value of the target cell as described above, a value obtained by attenuating the current potential value is used, but this is input from a cell with a nearby design material for a long time. This eliminates unnecessary material such as isolated design material, and enables generation of a more appropriately shaped structure model.

また、セルとは、上記したように、設計領域を複数の小領域の集合に分割した際の、個々の小領域の部分である。
また、応力値(stress)は、物体が周期荷重を含む荷重を受けたとき荷重に応じて物体の内部に生ずる抵抗力であり、その強さは物体内部にとった任意の単位面積を通して両側の部分が互いに及ぼしあう力で表される。現れ方により、圧力・張力・ずれ応力などがある。
Further, as described above, the cell is a portion of each small area when the design area is divided into a set of a plurality of small areas.
The stress value (stress) is a resistance force generated inside the object according to the load when the object receives a load including a periodic load, and the strength is measured on both sides through an arbitrary unit area taken inside the object. It is expressed by the force that the parts exert on each other. Depending on how it appears, there are pressure, tension and shear stress.

また、設計条件として荷重情報があるが、ここでは、構造物にかかる荷重の大きさ、周期、方向などの情報に加え、その荷重を支持する支持位置の情報も含むものとする。   Although there is load information as a design condition, here, in addition to information on the magnitude, cycle, direction, etc. of the load applied to the structure, information on a support position that supports the load is also included.

また、請求項2に係る発明は、請求項1記載の構造物の設計支援プログラムにおいて、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セルの応力値の方が小さいときは、前記目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を0に設定し、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及び近傍セルの応力値の方が大きいときは、前記目標セル及び近傍セルから前記目標セルへの入力値を、当該目標セルの前記新たなポテンシャル値を増加する値に設定することを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the structure design support program according to the first aspect, the comparison result between the stress values of the target cell and neighboring cells and the target stress value is the target stress value. When the stress value of the target cell is smaller than that, the input value to the target cell from the target cell and the neighboring cell is set to 0, and the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell and the target stress are set. When the comparison result with the magnitude of the value is greater in the stress value of the target cell and the neighboring cell than the target stress value, the input value from the target cell and the neighboring cell to the target cell is The new potential value is set to an increasing value.

内容が逆です。
つまり、目標セル及び近傍セルからの自セルへの入力値を設定するときに、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさより小さいときには、入力値として0を設定し、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさよりも大きいときには、入力値として目標セルの新たなポテンシャル値を増加させる値に設定するようにしたので、過剰な応力が発生している場所のセルには設計材料が出現し易くなり、十分な応力が発生していない場所のセルからは設計材料が取り除かれ易くなるので、無駄な設計材料の出現や維持を阻止することが可能になり、効率の良い変形を行うことが可能となる。
The contents are reversed.
That is, when setting the input value to the own cell from the target cell and the neighboring cell, if the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell is smaller than the magnitude of the target stress value, 0 is set as the input value, When the magnitude of the stress value in the target cell and neighboring cells is larger than the magnitude of the target stress value, the new potential value of the target cell is set as the input value so that excessive stress occurs. The design material is likely to appear in the cell at the location where it is located, and the design material is easily removed from the cell where the sufficient stress is not generated, thus preventing the appearance and maintenance of useless design material. It becomes possible to perform efficient deformation.

また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2記載の構造物の設計支援プログラムにおいて、前記第2の処理における前記目標セルへの入力値の設定は、前記応力値としてvon Misesの相当応力値を適用し、目標応力値をσ、目標セルの相当応力値をσ0、目標セルの自セルへの入力値をx0、近傍セルの相当応力値をσi(i=1,2,3,・・・)、近傍セルの前記目標セルへの入力値をxi(i=1,2,3,・・・)とすると、以下の式に従って行われることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the structure design support program according to the first or second aspect, the setting of the input value to the target cell in the second process is performed as von Mises as the stress value. The equivalent stress value of σ E is applied, the target stress value is σ E , the equivalent stress value of the target cell is σ 0 , the input value to the own cell of the target cell is x 0 , and the equivalent stress value of the neighboring cell is σ i (i = 1, 2, 3,..., Where x i (i = 1, 2, 3,...) Is an input value to a target cell of a neighboring cell, Yes.

Figure 2007041630
Figure 2007041630

つまり、セルの応力値として、von Misesの相当応力値を用い、前記数式の条件に従って、入力値を設定するようにしたものである。つまり、目標セルから自セルへの入力値をx0、近傍セルから目標セルへの入力値をxiとして、例えば、2次元の構造物を考えたときに、目標セルに隣接(上下左右)する4つのセルを近傍セルとし、これらから目標セルへの入力を考えると、目標セルへの入力値はx0、x1、x2、x3、x4の5つの値となる。ここで、斜め方向にあるセルや目標セルから二つ以上離れたセルからの入力も考慮して良い、更に、3次元へと拡張すると、目標セルと隣接するセルが増加し、立方体の各面(6面)に隣接するセルからの入力を考慮した場合は、目標セルへの入力値はx0、x1、x2、x3、x4、x5、x6の7つの値となり、更に、斜め方向のセルを考慮すると目標セルへの入力数は全部で27となる。無論、二つ以上離れたセルからの入力も考慮すると更に入力数は増加することになる。 In other words, the von Mises equivalent stress value is used as the stress value of the cell, and the input value is set according to the condition of the above formula. That is, when the input value from the target cell to the own cell is x 0 and the input value from the neighboring cell to the target cell is x i , for example, when considering a two-dimensional structure, it is adjacent to the target cell (up / down / left / right) If the four cells are set as neighboring cells and the input from these to the target cell is considered, the input values to the target cell are five values x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , and x 4 . Here, it is possible to consider inputs from cells that are diagonally spaced or two or more away from the target cell. Further, when expanding to three dimensions, the number of cells adjacent to the target cell increases, and each side of the cube When the input from the cell adjacent to (six planes) is considered, the input values to the target cell are seven values of x 0 , x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , Furthermore, when the cells in the oblique direction are taken into account, the total number of inputs to the target cell is 27. Of course, when the input from two or more cells is taken into account, the number of inputs further increases.

また、請求項4に係る発明は、請求項3記載の構造物の設計支援プログラムにおいて、前記第3の処理における前記ポテンシャル値の算出は、1つ前のステップにおいて算出された前記現在のポテンシャル値をuk(kは整数)、減衰定数を(1-λDt)(Dtは時間増分、λは定数(0<lDt<1))とすると、以下の式に従って行われることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the design support program for a structure according to the third aspect, the calculation of the potential value in the third process is the current potential value calculated in the previous step. , Where u is k (k is an integer), the attenuation constant is (1-λDt) (Dt is a time increment, and λ is a constant (0 <lDt <1)).

Figure 2007041630
Figure 2007041630

ここで、上式の第一項は,入力信号のポテンシャルに対する時間的加算性を意味する。ポテンシャルukは次の時間ステップk+1に伝播する際、そのまま伝播するのではなく(1-lDt) 倍することで時間の経過とともに減衰することとなる。第二項以降は空間的加算性を意味する。つまり、新たなポテンシャル値の算出に、1からλΔt引いた値に現在のポテンシャル値ukを乗算したものを利用しているもので、これにより、新たなポテンシャル値uk+1が算出されることになる。 Here, the first term of the above equation means temporal addition to the potential of the input signal. When the potential u k propagating in the next time step k + 1, so that the attenuated over time as it instead of propagating (1-LDT) multiplying it. From the second term onwards, it means spatial additivity. That is, a new potential value u k + 1 is calculated by using a value obtained by subtracting λΔt from 1 and the current potential value u k for calculating a new potential value. It will be.

また、本発明に係る請求項5記載の構造物の設計支援装置は、与えられた設計条件に基づき適切な形状の構造物モデルを生成する装置であって、前記設計条件として、少なくとも、前記構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる荷重情報と、前記構造物の設計領域情報と、が設定可能な設計条件設定手段と、前記設計領域を複数の仮想的なセルに分割する設計領域分割手段と、当該設計領域分割手段によって分割された設計領域内に、支持点及び荷重点を含み、当該荷重点にかかる荷重を前記支持点に伝達可能で且つ前記設計条件における前記設計材料の性質を有する所定形状の構造物モデルを前記セルに対応付けて初期配置する構造物モデル配置手段と、前記設計材料情報及び前記荷重情報に基づき前記設計領域内に配置された構造物モデルに対応する各セルに対してそれぞれの応力値を算出して設定する応力値設定手段と、前記設計領域内の一のセルを目標セルとして選択し、当該目標セル及びその近傍にある近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとをそれぞれ比較する応力値比較手段と、この比較結果及び予め設定された入力値条件に基づき前記目標セル及び前記近傍セルから当該目標セルへの入力値をそれぞれ設定する入力値設定手段と、前記入力値の合計値と前記目標セルの現在のポテンシャル値を減衰処理した値とを足し合わせて、当該目標セルの新たなポテンシャル値を算出するポテンシャル値算出手段と、この算出結果のポテンシャル値の大きさと所定の閾値とを比較するポテンシャル値比較手段と、この比較結果に基づき目標セルへの新たな設計材料の設定、当該目標セルからの設計材料の除去、又は、前記目標セルに対応する設計材料の維持を行う構造物モデル変形手段と、を備えることを特徴としている。   The structure design support apparatus according to claim 5 of the present invention is an apparatus for generating a structure model having an appropriate shape based on a given design condition, and at least the structure as the design condition. Design condition setting means capable of setting information on a design material constituting the object, target stress value, load information applied to the structure, and design area information of the structure, and a plurality of virtual areas of the design area. A design area dividing means for dividing into a specific cell, a design area divided by the design area dividing means, including a support point and a load point, and a load applied to the load point can be transmitted to the support point; and Structure model placement means for initially placing a structure model of a predetermined shape having properties of the design material under design conditions in association with the cell, and the design based on the design material information and the load information A stress value setting means for calculating and setting each stress value for each cell corresponding to the structure model arranged in the area, and selecting one cell in the design area as the target cell, And a stress value comparison means for comparing the magnitude of the stress value of the neighboring cell in the vicinity thereof and the magnitude of the target stress value, and the target cell and the neighboring cell based on the comparison result and a preset input value condition Input value setting means for setting the input value to the target cell from each other, and the sum of the input values and the value obtained by attenuating the current potential value of the target cell are added together to obtain a new value for the target cell. Potential value calculating means for calculating the potential value, potential value comparing means for comparing the magnitude of the potential value of the calculation result with a predetermined threshold value, and the comparison result And a structure model deforming means for setting a new design material in the target cell, removing the design material from the target cell, or maintaining the design material corresponding to the target cell. .

このような構成であれば、設計条件設定手段によって、設計条件として、少なくとも、前記構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる荷重情報と、前記構造物の設計領域情報と、が設定可能であり、設計領域分割手段によって、設計領域を複数の仮想的なセルに分割することが可能であり、構造物モデル配置手段によって、設計領域分割手段によって分割された設計領域内に、支持点及び荷重点を含み、当該荷重点にかかる荷重を前記支持点に伝達可能で且つ前記設計条件における前記設計材料の性質を有する所定形状の構造物モデルを前記セルに対応付けて初期配置することが可能であり、応力値設定手段によって、設計材料情報及び前記荷重情報に基づき前記設計領域内に配置された構造物モデルに対応する各セルに対してそれぞれの応力値を算出して設定することが可能であり、応力値比較手段によって、設計領域内の一のセルを目標セルとして選択し、当該目標セル及びその近傍にある近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとをそれぞれ比較することが可能であり、入力値設定手段によって、応力値比較手段の比較結果及び予め設定された入力値条件に基づき前記目標セル及び前記近傍セルから当該目標セルへの入力値をそれぞれ設定することが可能であり、ポテンシャル値算出手段によって、入力値の合計値と前記目標セルの現在のポテンシャル値を減衰処理した値とを足し合わせて、当該目標セルの新たなポテンシャル値を算出することが可能であり、ポテンシャル値比較手段によって、ポテンシャル値算出手段によって算出されたポテンシャル値の大きさと所定の閾値とを比較することが可能であり、構造物モデル変形手段によって、ポテンシャル値比較手段の比較結果に基づき目標セルへの新たな設計材料の設定、当該目標セルからの設計材料の除去、又は、前記目標セルに対応する設計材料の維持を行うことが可能である。   In such a configuration, the design condition setting means, as design conditions, at least information on the design material constituting the structure, the target stress value, load information applied to the structure, and the structure Design area information can be set, the design area dividing means can divide the design area into a plurality of virtual cells, and the structure model arranging means can be divided by the design area dividing means. Corresponding to the cell a structural model of a predetermined shape that includes a support point and a load point in the design area, can transmit the load applied to the load point to the support point, and has the properties of the design material under the design conditions The stress value setting means can correspond to the structure model arranged in the design area based on the design material information and the load information. It is possible to calculate and set the stress value for each cell, and select one cell in the design area as the target cell by the stress value comparison means, and the target cell and its nearby neighbors The magnitude of the stress value of the cell can be compared with the magnitude of the target stress value, and the target cell can be compared by the input value setting means based on the comparison result of the stress value comparison means and preset input value conditions. And the input value from the neighboring cell to the target cell can be set respectively, and the potential value calculation means adds the total value of the input values and the value obtained by attenuating the current potential value of the target cell. In addition, it is possible to calculate a new potential value of the target cell, by the potential value comparison means, by the potential value calculation means. It is possible to compare the magnitude of the generated potential value with a predetermined threshold value, and the structure model deforming means sets a new design material in the target cell based on the comparison result of the potential value comparing means, and the target It is possible to remove the design material from the cell or to maintain the design material corresponding to the target cell.

従って、設計条件として、少なくとも、構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる荷重情報と、構造物の設計領域情報と、を与えることにより、比較的単純な演算を繰り返し行うことで、設計領域に配置した構造物モデルを、設計条件を満足する適切な形状へと変形させていくことが可能である。   Therefore, by providing at least the design material information constituting the structure, the target stress value, the load information applied to the structure, and the design area information of the structure as design conditions, it is relatively simple. By repeatedly performing the calculation, the structure model arranged in the design area can be transformed into an appropriate shape that satisfies the design conditions.

また、請求項6に係る発明は、請求項5記載の構造物の設計支援装置において、前記入力値設定手段は、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セルの応力値の方が小さいときは、前記目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を0に設定し、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及び近傍セルの応力値の方が大きいときは、前記目標セル及び近傍セルから前記目標セルへの入力値を、当該目標セルの前記新たなポテンシャル値を増加する値に設定することを特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, in the structure design support apparatus according to the fifth aspect, the input value setting means includes a magnitude of the stress value of the target cell and neighboring cells and the magnitude of the target stress value. When the comparison result shows that the stress value of the target cell is smaller than the target stress value, the input value to the target cell from the target cell and the neighboring cell is set to 0, and the stress of the target cell and the neighboring cell is set. When the comparison result between the magnitude of the value and the magnitude of the target stress value is larger in the stress value of the target cell and the neighboring cell than the target stress value, input from the target cell and the neighboring cell to the target cell A value is set to a value that increases the new potential value of the target cell.

つまり、ポテンシャルuと閾値ε(εは可変)の差(u−ε)(がその大きさにかかわらず,u−ε≧0のときs=1すなわち材料が出現し、u−ε<0のときS=0すなわち材料が消滅するとした。これは、目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を設定するときに、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさより小さいときには、入力値として0を設定し、目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を設定するときに、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさよりも大きいときには、入力値として目標セルの新たなポテンシャル値を増加させる値に設定するようにしたので、過剰な応力が発生している場所のセルには設計材料が出現し易くなり、十分な応力が発生していない場所のセルからは設計材料が取り除かれ易くなるので、無駄な設計材料の出現や維持を阻止することが可能になり、効率の良い変形を行うことが可能となる。   That is, regardless of the difference between the potential u and the threshold ε (ε is variable) (u−ε) (where u−ε ≧ 0, s = 1, that is, the material appears, and u−ε <0. When S = 0, that is, the material disappears, when the input values to the target cell from the target cell and the neighboring cell are set, the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell is the magnitude of the target stress value. When the value is smaller than 0, the input value is set to 0, and when setting the input value to the target cell from the target cell and the neighboring cell, the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell is larger than the magnitude of the target stress value. When it is large, the input value is set to a value that increases the new potential value of the target cell. Therefore, the design material tends to appear in the cell where excessive stress is generated, and sufficient stress is applied. A place where it does not occur Since easily removed design material from, it is possible to prevent the occurrence or maintenance of unnecessary design material, it is possible to perform efficient deformation.

本発明に係る請求項1記載の構造物の設計支援プログラムによれば、設計条件として、少なくとも、構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる荷重情報と、構造物の設計領域情報と、を取得することにより、終了条件を満足するまで比較的単純な演算を繰り返し行うことで、設計領域に配置された構造物モデルを適切な形状へと変形させることが可能である。   According to the structure design support program according to claim 1 of the present invention, as design conditions, at least information on a design material constituting the structure, a target stress value, and load information applied to the structure, By acquiring the design area information of the structure, it is possible to transform the structure model arranged in the design area into an appropriate shape by repeating relatively simple operations until the end condition is satisfied. Is possible.

また、請求項2記載の構造物の設計支援プログラムによれば、目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を設定するときに、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさより小さいときには、入力値として0を設定し、目標セル及び近傍セルからの目標セルへの入力値を設定するときに、目標セル及び近傍セルの応力値の大きさが目標応力値の大きさよりも大きいときには、入力値として目標セルの新たなポテンシャル値を増加させる値に設定するようにしたので、過剰な応力が発生している場所のセルには設計材料が出現し易くなり、十分な応力が発生していない場所のセルからは設計材料が取り除かれ易くなるので、無駄な設計材料の出現や維持を阻止することが可能になり、効率の良い変形を行うことが可能となる。   According to the structure design support program of claim 2, when setting the input value to the target cell from the target cell and the neighboring cell, the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell is the target stress. When the value is smaller than 0, the input value is set to 0, and when the input value from the target cell and the neighboring cell to the target cell is set, the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell is the target stress value. When the size is larger than the size, the input value is set to a value that increases the new potential value of the target cell. Therefore, the design material is likely to appear in the cell where excessive stress is generated. Since the design material is easily removed from the cell where no excessive stress is generated, it is possible to prevent the appearance and maintenance of useless design material and to perform efficient deformation. The

ここで、請求項5記載および第6項記載の構造物の設計支援装置は、請求項1ないし請求項4記載の構造物の設計支援プログラムによって制御することが可能なもので、その効果は重複するので記載を省略する。   Here, the structure design support apparatus according to claims 5 and 6 can be controlled by the structure design support program according to any one of claims 1 to 4, and the effects are duplicated. Therefore, the description is omitted.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図1乃至図16は、本発明に係る構造物の設計支援装置の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る設計支援装置の構成を図1に基づき説明する。図1は、本発明に係る設計支援装置の構成を示すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 16 are diagrams showing an embodiment of a structure design support apparatus according to the present invention.
First, the configuration of the design support apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a design support apparatus according to the present invention.

設計支援装置1は、設計支援プログラム10と、CPU11と、RAM12と、バス13と、を含んだ構成となっている。
設計支援プログラム10は、設計条件設定部10aと、設計領域分割部10bと、構造物モデル配置部10cと、応力値設定部10dと、応力値比較部10eと、入力値設定部10fと、ポテンシャル値算出部10gと、ポテンシャル値比較部10hと、構造物モデル変形部10iと、を含んだ構成となっている。なお、これら各部によって構成される第1の設計支援プログラム10は、図示しない記憶装置に記憶されており、CPU11により適宜読み出されて実行される。
The design support apparatus 1 includes a design support program 10, a CPU 11, a RAM 12, and a bus 13.
The design support program 10 includes a design condition setting unit 10a, a design region dividing unit 10b, a structure model arrangement unit 10c, a stress value setting unit 10d, a stress value comparison unit 10e, an input value setting unit 10f, a potential The value calculation unit 10g, the potential value comparison unit 10h, and the structure model deformation unit 10i are included. Note that the first design support program 10 constituted by these units is stored in a storage device (not shown), and is appropriately read and executed by the CPU 11.

以下、プログラム実行時の各部の処理内容を説明する。
設計条件設定部10aは、設計する構造物に合わせて、目標応力値σE、設計領域情報、設計材料情報、荷重情報及びその他プログラムの処理上において必要な情報を設定するためのもので、これらの情報は、予めプログラムの側に備えられていたり、利用者が設定メニューから選択したり、利用者がキーボードなどの入力デバイスにより手入力したりすることによって取得されるものである。ここで、荷重情報は、設計する構造物の加重点にかかる周期荷重の周期、大きさ、方向の情報であり、処理上において必要な情報とは、処理の終了条件(例えば、所定ステップ数、所定目標値への到達など)や設計材料の出現及び消滅に係るポテンシャル値の比較値などである。
Hereinafter, the processing contents of each unit at the time of program execution will be described.
The design condition setting unit 10a is for setting target stress value σ E , design region information, design material information, load information, and other information necessary for processing the program according to the structure to be designed. This information is provided in advance on the program side, selected by the user from the setting menu, or acquired manually by the user using an input device such as a keyboard. Here, the load information is information on the period, magnitude, and direction of the cyclic load applied to the weighting point of the structure to be designed, and the information necessary for the process is an end condition of the process (for example, a predetermined number of steps, A target value), a comparison value of potential values related to the appearance and disappearance of a design material, and the like.

設計領域分割部10bは、設計条件設定部10aによって設定された設計領域を複数の均一なサイズのセルに分割するものである。ここで、本実施の形態において、セルのサイズは可変できるものとする。
構造物モデル配置部10cは、設計材料情報に基づく性質を有する所定形状の構造物モデルを複数のセルに分割された設計領域内にセルと対応付けて配置するもので、これにより、構造物モデルを各セル毎に評価することが可能になる。
The design area dividing unit 10b divides the design area set by the design condition setting unit 10a into a plurality of cells having a uniform size. Here, in this embodiment, it is assumed that the cell size can be varied.
The structure model arrangement unit 10c arranges a structure model having a predetermined shape having a property based on design material information in association with a cell in a design area divided into a plurality of cells. Can be evaluated for each cell.

応力値設定部10dは、設定された荷重情報に基づき、有限要素法を用いて応力解析を行い、設計領域内に配置された構造物モデルの各セルに対応した設計材料の応力値を算出して設定するものであり、本実施の形態においては、等方正材料に対する規準としてしばしば用いられるvon Misesの相当応力値を適用し、以下の数(1)に従って算出する。   The stress value setting unit 10d performs stress analysis using the finite element method based on the set load information, and calculates the stress value of the design material corresponding to each cell of the structure model arranged in the design region. In this embodiment, von Mises equivalent stress value, which is often used as a criterion for isotropic materials, is applied, and calculation is performed according to the following number (1).

Figure 2007041630
(1)
Figure 2007041630
(1)

但し、2次元の各座標をx軸及びy軸とし、σxはx軸方向の応力値、σはy軸方向の応力値、τxyはせん断応力値とする。
応力値比較部10eは、選択された目標セルの応力値σ0と目標応力値σとの大きさを比較すると共に、目標セルの近傍にあるセル(例えば、上下左右に隣接した4つのセル)の応力値σiと目標応力値σEとの大きさも比較するもので、これら比較結果は、バス13を介してRAM12へと伝送されそこに記憶されることになる。
However, the two-dimensional coordinates are the x-axis and y-axis, σ x is the stress value in the x-axis direction, σ y is the stress value in the y-axis direction, and τ xy is the shear stress value.
The stress value comparison unit 10e compares the magnitudes of the stress value σ 0 and the target stress value σ E of the selected target cell, and also has cells in the vicinity of the target cell (for example, four cells adjacent in the vertical and horizontal directions). the magnitude of the stress value sigma i and the target stress value sigma E) of even one that comparison, the comparative results will be stored therein is transmitted to the RAM12 via the bus 13.

入力値設定部10fは、応力値比較部10eにおいて比較された比較結果に基づき、以下の数(2)に従って目標セルから自セルへの入力値x0及び近傍セルから目標セルへの入力値x1〜xiをそれぞれ決定するものである。ここで決定された入力値はRAM12に記憶されることになる。 Input value setting unit 10f is input value based on a result of comparison in the stress value comparison unit 10e, the input value x 0 and the neighboring cells from the target cell to the local cell according to the following equation (2) to a target cell x 1 to x i are respectively determined. The input value determined here is stored in the RAM 12.

Figure 2007041630
(2)
Figure 2007041630
(2)

ここで、あるセル上に設計材料が存在するか否かを決定するのに、そのセルの近傍だけに関連した局所的な規則を用いるのが、セルオートマトン法といわれる公知の手法である。
ポテンシャル値算出部10gは、決定された入力値x0〜xiと目標セルの現在のポテンシャル値ukとに基づき、以下の数(3)に従って目標セルの新たなポテンシャル値uk+1を算出するものである。
Here, in order to determine whether or not a design material exists on a certain cell, it is a known method called a cellular automaton method to use a local rule related only to the vicinity of the cell.
Based on the determined input values x 0 to x i and the current potential value u k of the target cell, the potential value calculation unit 10g calculates a new potential value u k + 1 of the target cell according to the following number (3). Is to be calculated.

Figure 2007041630
(3)
Figure 2007041630
(3)

ここで第一項は、入力信号のポテンシャルに対する時間的加算性を意味する。ポテンシャルukは次の時間ステップk+1に伝播する際、そのまま伝播するのではなく(1-lDt) 倍することで時間の経過とともに減衰する。第二項以降は空間的加算性を意味する。つまり、新たなポテンシャル値uk+1は、現在のポテンシャル値ukに(1−λΔt)を乗算したものに、目標セルの自セルへの入力値x0と目標セルの近傍にある近傍セル(例えば、上下左右に隣接した4つのセル)からの目標セルへの入力値x1〜xiとを足し合わせたものである。
ポテンシャル値比較部10hは、ポテンシャル値算出部10gにおいて算出されたポテンシャル値uk+1と、設計材料の出現及び消滅に係る比較値とを比較するものである。この比較結果はRAM12に記憶される。
Here, the first term means temporal addition to the potential of the input signal. When the potential u k propagates to the next time step k + 1, it does not propagate as it is, but attenuates with the passage of time by multiplying by (1-lDt). From the second term onwards, it means spatial additivity. That is, the new potential value u k + 1 is obtained by multiplying the current potential value u k by (1−λΔt), the input value x 0 to the target cell's own cell, and a neighboring cell in the vicinity of the target cell. Input values x 1 to x i to the target cell from (for example, four cells adjacent vertically and horizontally) are added together.
The potential value comparison unit 10h compares the potential value u k + 1 calculated by the potential value calculation unit 10g with the comparison value related to the appearance and disappearance of the design material. The comparison result is stored in the RAM 12.

構造物モデル変形部10iは、ポテンシャル値比較部10hの比較結果に基づき、目標セルにおける材料の出現、消滅及び維持を行うものである。
CPU11は、上記設計支援プログラムの各部をRAM12に適宜読み出して、RAM12に記憶された算出値や比較結果などのデータに基づき実行するものである。
The structure model deforming unit 10i performs appearance, disappearance, and maintenance of the material in the target cell based on the comparison result of the potential value comparison unit 10h.
The CPU 11 reads each part of the design support program as appropriate into the RAM 12 and executes it based on data such as calculated values and comparison results stored in the RAM 12.

RAM12は、主に、上記各部における処理結果を一時記憶したり、これら設計支援プログラム10の各部自体を一時記憶するものである。
バス13は、上記各部とCPU11とRAM12とのそれぞれ相互間のデータ送受信を行うためのデータ伝送路である。
以下、図2乃至図16に基づき、設計支援装置1のより具体的な動作を説明する。図2(a)〜(d)は複数のセルに分割された設計領域に構造物モデルが配置された図であり、図3は処理対象セル群の目標セル及びその近傍セルの位置関係を示す図であり、図4は入力値とポテンシャル値との関係を示す図であり、図5は、設計材料の出現と消滅を決定するステップ関数を示す図である。なお、本実施の形態においては、説明の便宜上2次元の構造物モデルを例として処理を説明する。
The RAM 12 mainly temporarily stores the processing results in the above-described units and temporarily stores the units of the design support program 10.
The bus 13 is a data transmission path for performing data transmission / reception between the above-described units and the CPU 11 and the RAM 12.
Hereinafter, a more specific operation of the design support apparatus 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 2D are diagrams in which a structure model is arranged in a design area divided into a plurality of cells, and FIG. 3 shows a positional relationship between a target cell of a processing target cell group and its neighboring cells. FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an input value and a potential value, and FIG. 5 is a diagram showing a step function for determining the appearance and disappearance of a design material. In the present embodiment, the process will be described by taking a two-dimensional structure model as an example for convenience of explanation.

設計条件設定部によって上記した設計条件が設定されると、図2(a)に示すように、格子で示したような設計領域を設定する。この中に初期形状を任意に設定する。荷重条件と支持条件は周期的に変動する周期荷重を含むものとする。セルの一つひとつを要素として有限要素法による応力解析を行うとセルの一つひとつの応力値を得ることができる。これに基づいて設計空間の全てのセルについて近傍の応力値を調べる   When the design condition described above is set by the design condition setting unit, a design area as shown by a lattice is set as shown in FIG. An initial shape is arbitrarily set in this. The load condition and the support condition include a cyclic load that varies periodically. When stress analysis is performed by the finite element method using each cell as an element, the stress value of each cell can be obtained. Based on this, the stress values in the vicinity are examined for all cells in the design space.

本例では全てのセルとその近傍を調べるから、図2(b)のように構造に関連しないセルの場合もある。図2(c)のように構造に接する場合や図(d)のように構造の内部にある場合も調べる。なお、実際の計算では図2(b)の場合には入力がないから調べる必要がない。本例に係る構造物の設計支援装置の基本的手順は,以下に示す5つの内3)4)5)を繰り返すものである。 In this example, since all the cells and the vicinity thereof are examined, there are cases where the cells are not related to the structure as shown in FIG. The case where it is in contact with the structure as shown in FIG. 2C or the case where it is inside the structure as shown in FIG. In the actual calculation, there is no input in the case of FIG. The basic procedure of the structure design support apparatus according to this example is to repeat 3), 4) and 5) among the following five.

1)設計領域を均一な正方格子(セル)に分割する。
2)設計領域に支持点と荷重点を含み,荷重を支持点まで伝達する任意の構造システムを設定する。
3)構造の応答を評価するために有限要素法を用いて応力解析を行い,各セルの応力を求める。
4)3)で得られた応力をもとに,次の時間ステップにおけるセルの状態,すなわちそのセル上に材料が存在するか否かを決定し,形状を更新する。
5)3)へ戻る。
1) Divide the design area into uniform square lattices (cells).
2) Set up an arbitrary structural system that includes support points and load points in the design area and transmits the load to the support points.
3) In order to evaluate the response of the structure, perform stress analysis using the finite element method to obtain the stress of each cell.
4) Based on the stress obtained in 3), the state of the cell in the next time step, that is, whether or not material exists on the cell is determined, and the shape is updated.
5) Return to 3).

本発明では、4)においてセル上に材料が存在するか否かを決定するための計算が本質となる。このために全てのセルについて図2(b)から図(d)で示したような近傍の応力状態を調べる。このとき以下の方法を用いる。 In the present invention, the calculation for determining whether or not material is present on the cell in 4) is essential. For this purpose, the stress state in the vicinity as shown in FIGS. 2B to 2D is examined for all cells. At this time, the following method is used.

図3に目標セルと近傍セルとを示す。そして、目標とする応力値σEを予め設定し,相当応力がsEを超えるセルが近傍にある場合には,そのセルから目標セルに入力信号+1が入力される。これは数(5)に従うものである。 FIG. 3 shows target cells and neighboring cells. Then, when a target stress value σ E is set in advance and there is a cell in the vicinity where the equivalent stress exceeds s E , an input signal +1 is input from the cell to the target cell. This is in accordance with number (5).

ここでi=0は目標セルを意味し、i=1,2,3,4は近傍セルを意味する。その結果,数(3)の第二項のように目標セルのポテンシャルuには入力信号の合計が加算される。   Here, i = 0 means a target cell, and i = 1, 2, 3, 4 means neighboring cells. As a result, the sum of the input signals is added to the potential u of the target cell as in the second term of the number (3).

Figure 2007041630
(4)
Figure 2007041630
(4)

Figure 2007041630
(5)
Figure 2007041630
(5)

ここに,uk , uk+1 はそれぞれ離散時間、k , k+1におけるポテンシャル,x0は目標セルからの入力,xi(i=1,4)は近傍セルからの入力である。
数4の第一項は,入力信号のポテンシャルに対する時間的加算性を意味する。ポテンシャルukは次の時間ステップk+1に伝播する際,そのまま伝播するのではなく(1-λΔt) 倍することで時間の経過とともに減衰する。第二項以降は空間的加算性を意味する。図4は入力+1が100sec続き、その後入力が0となったときのポテンシャルの変化を示している。
Here, u k and u k + 1 are discrete times, potentials at k and k + 1, x 0 is an input from the target cell, and x i (i = 1, 4) is an input from a neighboring cell.
The first term of Equation 4 means temporal addition to the potential of the input signal. When the potential u k propagating in the next time step k + 1, it decays with time as it instead of propagating (1-λΔt) multiplying it. From the second term onwards, it means spatial additivity. FIG. 4 shows the change in potential when the input +1 continues for 100 seconds and then the input becomes 0.

入力が連続するとポテンシャルは飽和状態に達する。wを適当に選ぶことによって飽和量usを調節することができる。w の決定には次式を用いる。 If the input continues, the potential reaches saturation. The saturation amount u s can be adjusted by appropriately selecting w. The following equation is used to determine w.

Figure 2007041630
(6)

入力がないときポテンシャルは時間と共に減衰する。ポテンシャルuが周期T(sec)の間にμからmまで減衰するように設定するには数7によりlを決定すればよい。
Figure 2007041630
(6)

When there is no input, the potential decays with time. In order to set the potential u to attenuate from μ to m during the period T (sec), l may be determined by Equation 7.

Figure 2007041630
(7)
Figure 2007041630
(7)

Figure 2007041630
(8)

ここで、値については、us =10,ρ=m/m =0.5とすると計算に好適である。解決すべき問題に周期Tは与えられるから、数(4)のλもωも数(5)(6)(7)により自動的に決定できる。また、時間増分Δtは要求された解の精度によって任意に設定できる。
Figure 2007041630
(8)

Here, the values are suitable for calculation when u s = 10 and ρ = m / m = 0.5. Since the period T is given to the problem to be solved, both λ and ω of the equation (4) can be automatically determined by the equations (5), (6), and (7). Further, the time increment Δt can be arbitrarily set according to the accuracy of the requested solution.

このようにすることにより、図5に示すようにポテンシャルuと閾値εの差u−εがその大きさにかかわらず、u−ε≧0のときs=1すなわち材料が出現し,u−ε<0のときs=0すなわち材料が消滅することとなる。これは処理が非線形性であることを意味する。これらの処理は、入出力信号の二値性と上述の空間的加算性、時間的加算性、非線形性の4つの基本的性質を有するものである。   By doing so, as shown in FIG. 5, regardless of the difference u−ε between the potential u and the threshold value ε, when u−ε ≧ 0, s = 1, that is, the material appears, and u−ε. When <0, s = 0, that is, the material disappears. This means that the process is non-linear. These processes have the four basic properties of the binary nature of input / output signals and the above-described spatial addability, temporal addability, and nonlinearity.

閾値εの設定は、飽和量uの設定に影響を受ける。飽和量を前述のように10と設定するときの閾値ε の推奨値は1となる。 Setting of the threshold ε is affected by setting the saturation amount u s. The recommended value of the threshold ε when the saturation amount is set to 10 as described above is 1.

この処理をさらに詳しく説明すると、設計領域分割部10bによって、設定された設計領域20を複数の均一なサイズのセル21に分割する処理が行われる。そして、分割処理後に、構造物モデル配置部10cによって、設定された設計材料の性質を有し、且つ、図中の支持点23に周期荷重点24にかかる周期荷重を伝達することが可能な構造物モデル22をセルに対応付けて配置する。   More specifically, this process is performed by the design area dividing unit 10b to divide the set design area 20 into a plurality of cells 21 having a uniform size. And the structure which has the property of the set design material by the structure model arrangement | positioning part 10c after a division | segmentation process, and can transmit the periodic load concerning the periodic load point 24 to the support point 23 in a figure The object model 22 is arranged in association with the cell.

ここで、構造物モデル22はセル21を最小構成単位として構成されている。従って、構造物モデルの対応するセル毎に同じ条件で評価することが可能である。また、本実施の形態において、設計材料の性質は、ヤング率及びポアソン比により決定され、ここでは、座屈の発生は考慮しないこととする。また、ここで言うセルとは、正方格子である。   Here, the structure model 22 is configured with the cell 21 as a minimum constituent unit. Therefore, it is possible to evaluate under the same conditions for each corresponding cell of the structure model. In the present embodiment, the property of the design material is determined by Young's modulus and Poisson's ratio, and here, occurrence of buckling is not considered. Moreover, the cell said here is a square lattice.

更に、設計領域20内に配置された構造物モデル22に対して、設計材料の性質及び周期荷重情報に基づき上記数(1)に従って各セル21の相当応力値σをそれぞれ算出して設定する。相当応力値σの設定がなされると、応力値比較部10eは、数2に従ってそのセルに対して設定された相当応力値σと目標応力値σEとを比較する処理を行う。 Further, the equivalent stress value σ of each cell 21 is calculated and set for the structure model 22 arranged in the design region 20 according to the above formula (1) based on the properties of the design material and the cyclic load information. When the equivalent stress value σ is set, the stress value comparison unit 10e performs a process of comparing the equivalent stress value σ set for the cell with the target stress value σ E according to Equation 2.

ここで、処理対象となる処理対象セル群30は、図3に示すように、目標セル31及び目標セル及びその上下左右に隣接する近傍(Neumann近傍)にある近傍セル31a〜31d(図3参照)で選択する。つまり、図2中の構造物モデル22に対応するセル31を目標セルとして選択すると、図3に示すように、この目標セル25に中央セル31と、これに隣接する4つの近傍セル31a〜31dに合致するセルが処理対象として選択される。   Here, as shown in FIG. 3, the processing target cell group 30 to be processed includes the target cell 31, the target cell, and neighboring cells 31 a to 31 d in the vicinity adjacent to the top, bottom, left, and right (Neumann vicinity) (see FIG. 3). ) To select. That is, when the cell 31 corresponding to the structure model 22 in FIG. 2 is selected as the target cell, as shown in FIG. 3, the target cell 25 has the central cell 31 and the four neighboring cells 31a to 31d adjacent thereto. A cell that matches is selected as a processing target.

従って、応力値比較部10eでは、まず、目標セル31に設定された相当応力値σ0と目標応力値σとを比較し、次いで、近傍セルセル31a〜31dの相当応力値σ〜σ4と目標応力値σとをそれぞれ比較する。 Therefore, the stress value comparison unit 10e first compares the equivalent stress value σ 0 set in the target cell 31 with the target stress value σ E, and then compares the equivalent stress values σ 1 to σ 4 of the neighboring cell cells 31a to 31d. And the target stress value σ E are respectively compared.

従って、入力値設定部10fでは、比較処理の行われた目標セル31とその近傍セル31bとの比較結果に基づき、上記した数(5)に従って、入力値が設定されることになる。   Therefore, in the input value setting unit 10f, the input value is set according to the above-described number (5) based on the comparison result between the target cell 31 subjected to the comparison process and the neighboring cell 31b.

例えば、目標セル31、近傍セル31a及び31bの相当応力値σ0、σ1及びσ2が目標応力値σよりも小さい場合は、目標セル31への入力値x0、お呼びxは、数(5)に従って値0が設定され、近傍セル31c及び31dの相当応力値σ及びσが目標応力値σよりも大きい場合は、目標セル31への入力値x、x4は、数(5)に従って値+1が設定される。その結果、目標セル31のポテンシャルはこれらの合計+2に定数倍した値だけ増加する。 For example, the target cell 31, the equivalent stress value sigma 0 of neighboring cells 31a and 31b, when sigma 1 and sigma 2 is smaller than the target stress value sigma E, the input value x 0 to the target cell 31, x 1 Contact call x 2 Is set to 0 according to the number (5), and the equivalent stress values σ 3 and σ 4 of the neighboring cells 31c and 31d are larger than the target stress value σ E , the input values x 3 and x to the target cell 31 4 is set to the value +1 according to the number (5). As a result, the potential of the target cell 31 increases by a value that is a constant multiple of these totals +2.

そして、ポテンシャル値算出部10gにおいては、ポテンシャル値uk+1が算出される。 In the potential value calculation unit 10g, the potential value u k + 1 is calculated.

そして、目標セルの新たなポテンシャル値uk+1が算出されると、ポテンシャル値比較部10hにおいて、ポテンシャル値uk+1と、設計材料の出現と消滅に係るポテンシャル値の比較値とを比較する処理が行われる。
つまり、比較値は、新たな設計材料の出現、設計材料(構造物モデル22の目標セルに対応した部分)の消滅(目標セルから設計材料を取り除く)又は維持に係る所定値(例えば0)である。
When the new potential value u k + 1 of the target cell is calculated, the potential value comparison unit 10h compares the potential value u k + 1 with the comparison value of the potential value related to the appearance and disappearance of the design material. Processing is performed.
That is, the comparison value is a predetermined value (for example, 0) related to the appearance of a new design material, the disappearance of the design material (the part corresponding to the target cell of the structure model 22) (the design material is removed from the target cell), or the maintenance. is there.

この比較処理が終了すると、構造物モデル変形部10iにおいて、目標セルのポテンシャル値uk+1が比較値以上であり、且つ、目標セルに設計材料が無い場合はそのセルに新たな設計材料を出現させる処理を行い、目標セルのポテンシャル値uk+1が比較値以上であり、且つ、目標セルに設計材料がある場合はその設計材料をそのまま維持する処理を行い、ポテンシャル値uk+1が比較値より小さい値であり、且つ、既に目標セルに設計材料がある場合は、目標セルから設計材料を消滅させる処理を行う。 When this comparison process is completed, if the potential value u k + 1 of the target cell is greater than or equal to the comparison value and there is no design material in the target cell, a new design material is placed in that cell. If the potential value u k + 1 of the target cell is equal to or greater than the comparison value and there is a design material in the target cell, a process of maintaining the design material as it is is performed, and the potential value u k + 1 Is smaller than the comparison value, and if there is already a design material in the target cell, a process of eliminating the design material from the target cell is performed.

つまり、本実施の形態においては、図5に示すように、(u-ε)の値が比較値である「0」以上であれば、上記新たな設計材料の出現処理及び設計材料の維持処理が行われ(S=1)、一方、比較値「0」より小さい値であれば、上記設計材料の消滅処理が行われる(S=0)。
従って、ポテンシャル値の比較処理において、目標セルのポテンシャル値が比較値以上であれば、目標セルにある設計材料が維持され、目標セル31のポテンシャル値が比較値以上であれば、目標セルには設計材料が出現し、一方、目標セルのポテンシャル値が比較値よりも小さければ、目標セルにある設計材料が消滅する。
That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, if the value of (u−ε) is equal to or greater than “0” which is a comparison value, the new design material appearance process and the design material maintenance process are performed. On the other hand, if the value is smaller than the comparison value “0”, the design material disappearing process is performed (S = 0).
Therefore, in the potential value comparison process, if the potential value of the target cell is equal to or greater than the comparison value, the design material in the target cell is maintained, and if the potential value of the target cell 31 is equal to or greater than the comparison value, If the design material appears and the potential value of the target cell is smaller than the comparison value, the design material in the target cell disappears.

この構造物モデルの変形処理が終了すると、応力値設定部10dにおいて上記数(1)に従い変形処理後の構造物モデル22’に対応する各セルの相当応力値の算出及び再設定処理が行われる。
本実施の形態においては、上記した一連の処理をポテンシャル値の算出可能な全セルに対して行い、これを1ステップとして、このステップを所定の条件を満たすまで繰り返し行う。
When the deformation process of the structure model is completed, the stress value setting unit 10d performs the calculation and resetting process of the equivalent stress value of each cell corresponding to the structure model 22 ′ after the deformation process according to the number (1). .
In the present embodiment, the above-described series of processing is performed on all cells for which potential values can be calculated, and this is repeated as one step until a predetermined condition is satisfied.

更に、ステップが進み、目標セルのポテンシャル値uk+1を算出するときには、各セルに対してステップ分のポテンシャル値の算出が行われているので、例えば、現在のポテンシャル値ukとして初期値「0」以外の数値を有している可能性がある。従って、例えば、目標セルのポテンシャル値がuk=10だとすると、新たなポテンシャル値uk+1の算出においては、uk=10に(1-lDt)を乗算した値が上記した入力値x0〜x4と足し合わされることになる。 Further, when the step advances and the potential value u k + 1 of the target cell is calculated, the potential value for the step is calculated for each cell. For example, as the current potential value uk, the initial value “ It may have a numerical value other than “0”. Therefore, for example, if the potential value of the target cell is u k = 10, in the calculation of a new potential value u k + 1 , the value obtained by multiplying u k = 10 by (1-lDt) is the input value x 0 described above. It will be added together and ~x 4.

上記したように、与えられた周期荷重を支える構造のなかで、構造のあらゆる部分で許容される応力値が目標応力値σE以下となる制約条件を満たす最も重量が小さい構造形態を求める問題を最小重量問題という。 As described above, among the structures that support a given cyclic load, the problem is to find the structure with the smallest weight that satisfies the constraint condition that the stress value allowed in any part of the structure is less than or equal to the target stress value σ E. This is a minimum weight problem.

以下、図6乃至図12に基づき、本発明を実際の最小重量問題に適用した例を説明する。図6は、設計条件の一例を示す図であり、図7は、図6の条件において本装置1を適用したときの終了条件を満足する構造物モデルの生成過程を示す、図であり、図8は図7に示した構造の生成過程における体積変化を示す図、図9は図6の条件において本装置1を適用したときの終了条件を満足する構造物モデルの生成過程における相当応力値の推移を示す図である。なお、図中の濃淡は応力の状態を示しているが、説明を簡単にするため、以下の説明では応力の状態については触れないこととする。   Hereinafter, an example in which the present invention is applied to an actual minimum weight problem will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of design conditions, and FIG. 7 is a diagram illustrating a generation process of a structure model that satisfies an end condition when the present apparatus 1 is applied under the conditions of FIG. 8 is a diagram showing a volume change in the generation process of the structure shown in FIG. 7, and FIG. 9 is a graph showing an equivalent stress value in the generation process of the structure model that satisfies the termination condition when the apparatus 1 is applied under the conditions of FIG. It is a figure which shows transition. In addition, although the shading in the figure has shown the state of stress, in order to simplify description, suppose that the state of stress is not touched in the following description.

図6に示すように、設計支援装置1には、1000mm×2400mmの設計領域において壁面から1000mmの点に800Nの周期荷重を支持する構造物モデルを生成するための設計条件が設定される。なお、目標応力値σ:0.25Mpa、ヤング率:100GPa、ポアソン比:0.3、セルサイズ:40mm×40mm、セル厚:10mmとなっており、設計材料は、例えば鋼などの線形弾性材料とし、上記したようにヤング率とポアソン比でその特性を持たせることができるものと仮定した。 As shown in FIG. 6, the design support apparatus 1 is set with design conditions for generating a structure model that supports a periodic load of 800 N at a point 1000 mm from the wall surface in a 1000 mm × 2400 mm design region. The target stress value σ E : 0.25 Mpa, Young's modulus: 100 GPa, Poisson's ratio: 0.3, cell size: 40 mm × 40 mm, cell thickness: 10 mm, and the design material is linear elasticity such as steel. As a material, it was assumed that the characteristics can be given by Young's modulus and Poisson's ratio as described above.

次に、外力が周期的に変動する場合の一つとして,荷重の方向が周期的に変化する場合を考える。図6に示した条件で荷重の方向が初期状態から時計回りに0〜p/2radまで回転する場合である。初期形状として,荷重を左端に伝達する任意形状の中から荷重点と支持点を結ぶ直線梁を選択した。   Next, as one of the cases where the external force fluctuates periodically, consider the case where the direction of the load changes periodically. This is a case where the direction of the load rotates clockwise from the initial state to 0 to p / 2 rad under the conditions shown in FIG. As the initial shape, a straight beam connecting the load point and the support point was selected from any shape that transmits the load to the left end.

図7(a)〜(j)はこの条件での変形過程を示している。図8は上記例の生成過程における体積の変化を周期毎に平均して示したものである。von Mises応力を制御パラメターとして自律的に形態が変化し、それに伴って体積が収束する様子が解る。   FIGS. 7A to 7J show the deformation process under this condition. FIG. 8 shows the change in volume during the generation process of the above example, averaged for each period. It can be seen that the shape changes autonomously with von Mises stress as the control parameter, and the volume converges accordingly.

そして、図6の設計条件において、設計領域を25×60の複数のセルに分割し、そこに初期形状が図7(a)に示すような片持ち梁の形状である構造物モデルを配置した場合には、この構造物モデルに対して上記した設計支援プログラム10によるステップを繰り返し行うことで、図7(b)〜図7(j)に示すように、新たな設計材料を出現させつつも不必要な設計材料は消滅させながら形状を変形させて、最終的(例えば、160ステップ後)には図8(j)のように目標応力値σの相当応力値が構造物モデルの対応する全セルにほぼ均等に分布する三部材フレーム構造のモデルが生成される。なお、この生成過程においては、構造物モデルの対応する各セルにおける相当応力値σの平均値が、ステップを繰り返すごとに図9に示すような推移を見せる。つまり、設計材料の出現と消滅に関する局所規則が、応力の集中する周期荷重点などは別として、各セルの応力値を均衡化し、その平均値を、設定した目標応力値σ=0.25Mpaに誘導する働きを持っていることが解る。 Then, under the design conditions of FIG. 6, the design area is divided into a plurality of 25 × 60 cells, and a structure model whose initial shape is a cantilever shape as shown in FIG. In this case, by repeating the above-described steps of the design support program 10 on the structure model, as shown in FIGS. 7B to 7J, a new design material appears. The shape is deformed while eliminating unnecessary design materials, and finally (for example, after 160 steps), the equivalent stress value of the target stress value σ E corresponds to the structure model as shown in FIG. A model of a three-member frame structure that is distributed almost evenly in all cells is generated. In the generation process, the average value of the equivalent stress values σ in the corresponding cells of the structure model shows a transition as shown in FIG. 9 every time the step is repeated. That is, the local rule regarding the appearance and disappearance of the design material balances the stress value of each cell apart from the periodic load point where the stress is concentrated, and the average value is set as the set target stress value σ E = 0.25 Mpa. It can be seen that it has a function to induce

さらに、図10(a)〜(j)に図7における条件下での他の初期形状での生成過程を示す。本例では初期形状が異なるものとして上記例と同様の処理を行うことにより、図7(j)と同一の形状を生成することができた。
このように本発明では、異なる初期形状であっても同一の最終形状を得ることができる。
Further, FIGS. 10A to 10J show generation processes in other initial shapes under the conditions in FIG. In this example, it is possible to generate the same shape as in FIG. 7J by performing the same processing as in the above example assuming that the initial shape is different.
Thus, in the present invention, the same final shape can be obtained even with different initial shapes.

次に、図11に基づき、設計支援プログラムの処理の流れを説明する。図11は、設計支援プログラムの処理を示すフローチャートである。但し、図11のフローチャートは、設計条件の設定以降の処理の流れを示す。
図13に示すように、まずステップS100に移行し、設計条件が設定され処理が開始されたか否かを判定し、処理が開始されたと判定された場合(Yes)はステップS102に移行し、そうでない場合(No)は開始されるまで待機する。
Next, the processing flow of the design support program will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing the process of the design support program. However, the flowchart of FIG. 11 shows the flow of processing after setting the design conditions.
As shown in FIG. 13, first, the process proceeds to step S100 to determine whether the design condition is set and the process is started. If it is determined that the process is started (Yes), the process proceeds to step S102, and so on. If not (No), wait until it starts.

ステップS102に移行した場合は、設計領域分割部10bによって、設定された設計領域を複数の均一なサイズのセルに分割してステップS104に移行する。 ステップS104では、分割された領域に対して、構造物モデル配置部10cによって、構造物モデルを配置してステップS106に移行する。ここで、本実施の形態において、配置する構造物モデルは、周期荷重点と支持点を含み周期荷重点にかかる周期荷重を支持点に伝達でき、且つ、全体が設計領域内に収れば、任意の形状で、任意の位置に配置することが可能となっている。   When the process proceeds to step S102, the design area dividing unit 10b divides the set design area into a plurality of cells having a uniform size, and the process proceeds to step S104. In step S104, the structure model placement unit 10c places a structure model in the divided area, and the process proceeds to step S106. Here, in the present embodiment, the structure model to be arranged can transmit the cyclic load applied to the cyclic load point including the cyclic load point and the support point to the support point, and if the whole is within the design region, Arbitrary shapes can be arranged at arbitrary positions.

ステップS106では、応力値設定部10dによって、設計領域内に配置された構造物モデルに対して、有限要素法を用いて応力解析を行い、上記した数(1)に基づき各セルにおけるvon Misesの相当応力値σをそれぞれ算出して、対応する各セルに設定しステップS108に移行する。ステップS108では、応力値比較部10eによって、目標セルを選択しステップS110に移行する。   In step S106, the stress value setting unit 10d performs stress analysis on the structure model arranged in the design region by using the finite element method, and based on the above number (1), the von Mises of each cell. The equivalent stress value σ is calculated and set in each corresponding cell, and the process proceeds to step S108. In step S108, the stress value comparison unit 10e selects a target cell and proceeds to step S110.

ステップS110では、応力値比較部10eによって、目標セル及びその近傍にある4つの近傍セルの相当応力値σ0及びσ1〜σ4と設計条件の1つである目標応力値σEとをそれぞれ比較して、その比較結果をRAM12へと伝送してステップS112に移行する。
ステップS112に移行すると、入力値設定部10fによって、応力値比較部10eによる比較結果に基づき、数(2)及び数(3)に従って目標セルへの入力値をそれぞれ決定し、これらをRAM12に伝送してステップS114に移行する。
In step S110, the stress value comparison unit 10e, the target cells and the four and equivalent stress value sigma 0 and sigma 1 ~Shiguma 4 neighboring cell and the target stress value sigma E, which is one of the design conditions in the vicinity thereof, respectively The comparison results are transmitted to the RAM 12 and the process proceeds to step S112.
In step S112, the input value setting unit 10f determines input values to the target cell according to the numbers (2) and (3) based on the comparison result by the stress value comparison unit 10e, and transmits them to the RAM 12. Then, the process proceeds to step S114.

ステップS114では、ポテンシャル値算出部10gによって、入力値設定部10fにおいて設定された各入力値x0〜x4及び現在のポテンシャル値ukに基づき、数(4)に従って新たなポテンシャル値uk+1を算出してステップS116に移行する。
ステップS116では、ポテンシャル値比較部10hによって、ポテンシャル値算出部10gおいて算出された目標セルの新たなポテンシャル値uk+1と設計材料の出現と消滅に係る比較値とを図5に示すステップ関数に従って比較して、その比較結果をRAM12に伝送してステップS118に移行する。
In step S114, a new potential value u k + is calculated according to the number (4) based on the input values x 0 to x 4 and the current potential value u k set by the input value setting unit 10f by the potential value calculation unit 10g. 1 is calculated, and the process proceeds to step S116.
In step S116, the new potential value u k + 1 of the target cell calculated by the potential value calculation unit 10g by the potential value comparison unit 10h and the comparison values related to the appearance and disappearance of the design material are shown in FIG. The comparison is performed according to the function, the comparison result is transmitted to the RAM 12, and the process proceeds to step S118.

ステップS118では、構造モデル変形部10iによって、ポテンシャル値比較部10hにおける比較結果に基づき、構造物モデルに対して変形処理を行いステップS120に移行する。
ステップS120に移行すると、応力値比較部10eによって、処理可能な全てのセルを選択したか否かを判定し、選択したと判定された場合はステップS122に移行し、そうでない場合はステップS108に移行する。
In step S118, the structural model deforming unit 10i performs a deformation process on the structure model based on the comparison result in the potential value comparing unit 10h, and the process proceeds to step S120.
In step S120, the stress value comparison unit 10e determines whether all cells that can be processed have been selected. If it is determined that the cells have been selected, the process proceeds to step S122. If not, the process proceeds to step S108. Transition.

ステップS122に移行した場合は、応力値設定部10dによって、終了条件を満たしているか否かを判定し、満たしていると判定された場合(Yes)は処理を終了し、そうでない場合(No)はステップS124に移行する。
ステップS124に移行した場合は、時間の経過を示すステップを1進めてステップS106に移行する。
When the process proceeds to step S122, the stress value setting unit 10d determines whether or not the end condition is satisfied. When it is determined that the end condition is satisfied (Yes), the process ends, and when it is not (No) Proceeds to step S124.
When the process proceeds to step S124, the step indicating the passage of time is advanced by 1 and the process proceeds to step S106.

以上、上記本発明の実施の形態によれば、設計支援プログラム10に対して、上記した設計条件を与えることで、複数の均一なセルに分割された設計領域内に配置された構造物モデルを、設計材料の出現と消滅に関する局所規則に従って、応力の必要な部分には設計材料を出現させ、一方、不必要なところからは設計材料を消滅させていくことで、各セルに対応する設計材料の相当応力値を目標応力値になるように変形させ、終了条件を満たす構造物モデルを生成することが可能である。   As described above, according to the embodiment of the present invention, by giving the design conditions described above to the design support program 10, the structure model arranged in the design region divided into a plurality of uniform cells can be obtained. In accordance with local rules regarding the emergence and disappearance of design materials, design materials appear in areas where stress is required, while the design materials disappear from unnecessary areas. It is possible to generate a structure model that satisfies the end condition by deforming the equivalent stress value of the above to the target stress value.

更に、本発明を三次元の構造に適応した例について説明する。
図12は、三次元モデルに適用するための目標セルと近傍セルからなる三次元の処理対象セル群を示す図、図13は本実施例を立体形状に適用した例を示す図であり、(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図、図14は本実施例を立体形状に適用した他の例を示す図であり、(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図、図15は、本実施例を立体形状に適用した他の例を示す図であり、図16(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図である。
Further, an example in which the present invention is applied to a three-dimensional structure will be described.
FIG. 12 is a diagram illustrating a three-dimensional processing target cell group including target cells and neighboring cells for application to a three-dimensional model, and FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which the present embodiment is applied to a three-dimensional shape. a) is an initial shape, (b) is a diagram showing an optimized shape, FIG. 14 is a diagram showing another example in which this embodiment is applied to a three-dimensional shape, (a) is an initial shape, and (b) is an optimum shape. FIG. 15 is a diagram illustrating another example in which the present embodiment is applied to a three-dimensional shape, FIG. 16A is an initial shape, and FIG. 15B is a diagram illustrating an optimized shape.

この例では、処理対象となるセルを三次元処理対象セル群40で選択する。この三次元処理対象セル群40は目標セル(図示されていない)及びその六面に隣接する近傍(Neumann近傍)にある近傍セル41a〜41f(奥の近傍セル41fは図示されていない)の7つのセルなる。   In this example, a cell to be processed is selected in the three-dimensional processing target cell group 40. The three-dimensional processing target cell group 40 includes seven target cells (not shown) and neighboring cells 41a to 41f (nearly neighboring cells 41f are not shown) in the vicinity (near Neumann) adjacent to the six faces thereof. One cell.

本例では、上記三次元処理対象セル群40を用いて、上記例と同様の処理を行い三次元構造物の最適化を行う。
図13に示した例は、(a)に示した初期形状の立体構造物の初期構造各層上部に等分布の鉛直荷重5KN/mと逆三角形震度分布の地震力(C=0.2)を作用させて最適化を行い(b)に示す構造を得たものである。本例は、(a)の初期形状から37ステップの最適化処理で(b)の構造を得た。
In this example, the three-dimensional processing target cell group 40 is used to perform the same processing as in the above example to optimize the three-dimensional structure.
In the example shown in FIG. 13, the initial structure of the three-dimensional structure having the initial shape shown in FIG. 13A has a vertical load of 5 KN / m 2 and a seismic force with an inverted triangular seismic intensity distribution (C B = 0.2) above each layer. ) Is optimized and the structure shown in (b) is obtained. In this example, the structure of (b) was obtained by the optimization process of 37 steps from the initial shape of (a).

図14に示した例は、(a)に示した初期形状の立体構造物に設計領域の中央下部に集中荷重P=100KNを作用させ、4端点を固定して最適化を行い(b)に示す構造を得たものである。本例は、(a)の初期形状から40ステップの最適化処理で(b)の構造を得た。
In the example shown in FIG. 14, the concentrated load P = 100 KN is applied to the three-dimensional structure of the initial shape shown in FIG. The structure shown is obtained. In this example, the structure of (b) was obtained by the optimization process of 40 steps from the initial shape of (a).

図16に示した例は、図15に示した最適化条件の基に最適化を行ったものである。本例では、(a)に示した三次元構造物に、荷重として梁上の水平面(幅0.3m)に鉛直荷重と水平荷重(鉛直荷重の0.2倍)を加えたものである。この例では図15に示すように、設計領域6m×6m、ヤング率205GPa、ポアソン比0.3、セルサイズ0.1、σ=0.5MPa、σ=1.0MPa、P=1000N/nod、Q=200N/nodで最適化を行った。図16(a)の状態から、9回の最適化ステップを行った結果(b)、21回の最適化ステップを行った結果(c)の構造を得、最終的に41回の最適化ステップを行った結果(d)の構造に最適化された。 The example shown in FIG. 16 has been optimized based on the optimization conditions shown in FIG. In this example, a vertical load and a horizontal load (0.2 times the vertical load) are applied to the horizontal plane (width 0.3 m) on the beam as a load to the three-dimensional structure shown in (a). In this example, as shown in FIG. 15, the design area 6 m × 6 m, Young's modulus 205 GPa, Poisson's ratio 0.3, cell size 0.1 3 m 3 , σ L = 0.5 MPa, σ U = 1.0 MPa, P = 1000 N / nod, Q = 200 N / nod for optimization. From the state of FIG. 16 (a), the result of 9 optimization steps (b) and the result of 21 optimization steps (c) are obtained, and finally 41 optimization steps are performed. As a result, the structure of (d) was optimized.

この処理における体積の変化を図17に、平均相当応力σの状態を図18に示す。これらのグラフにより、最適化が進むに連れ、体積が減少し、且つ平均相当応力が減少していることが分かり、本実施の形態の有用性が証明される。   FIG. 17 shows the volume change in this process, and FIG. 18 shows the state of the average equivalent stress σ. From these graphs, it can be seen that as the optimization proceeds, the volume decreases and the average equivalent stress decreases, and the usefulness of the present embodiment is proved.

図19に示した例は、(a)に示した初期形状の立体構造物の空間部分は最後まで中空にする設定の元、最下面の全節点に下向きの鉛直荷重を作用させて最適化を行い(b)に示す構造を得たものである。本例は、(a)の初期形状から20ステップの最適化処理で(b)の構造を得た。
In the example shown in FIG. 19, the space portion of the three-dimensional structure having the initial shape shown in FIG. The structure shown in (b) is obtained. In this example, the structure of (b) was obtained by the optimization process of 20 steps from the initial shape of (a).

以上説明したように、本発明に係る構造物の設計支援プログラム及び構造物の設計支援装置によれば、平面および立体構造において最適な構造を得ることができる。   As described above, according to the structure design support program and the structure design support apparatus according to the present invention, it is possible to obtain an optimum structure in a plane and a three-dimensional structure.

本発明に係る設計支援装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the design support apparatus which concerns on this invention. (a)は処理対象構成物の一例を示す図、(b)〜(d)は、処理対象構成物と目標セル及びその近傍セルの位置関係を示す図である。(A) is a figure which shows an example of a process target structure, (b)-(d) is a figure which shows the positional relationship of a process target structure, a target cell, and its vicinity cell. 目標セルと近傍セルからなる処理対象セル群を示す図である。It is a figure which shows the process target cell group which consists of a target cell and a neighboring cell. ポテンシャル値の時間的変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of a potential value. 設計材料の出現と消滅を決定するステップ関数を示す図である。It is a figure which shows the step function which determines appearance and disappearance of a design material. 設計条件の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of design conditions. (a)〜(j)は、図6の設計条件において構造物モデルの初期形状を片持ち梁とした場合のフレーム構造を生成する一例を示す図である。(A)-(j) is a figure which shows an example which produces | generates the frame structure when the initial shape of a structure model is a cantilever in the design conditions of FIG. 図7に示した構造の生成過程における体積変化を示す図である。It is a figure which shows the volume change in the production | generation process of the structure shown in FIG. 図6の条件において本装置1を適用したときの終了条件を満足する構造物モデルの生成過程における相当応力値の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the equivalent stress value in the production | generation process of the structure model which satisfies completion | finish conditions when this apparatus 1 is applied on the conditions of FIG. (a)〜(j)は、図6の設計条件において構造物モデルの初期形状を別の形状とした場合のフレーム構造を生成する一例を示す図である。(A)-(j) is a figure which shows an example which produces | generates the frame structure when the initial shape of a structure model is made into another shape on the design conditions of FIG. 設計支援プログラムの処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of a design support program. 三次元モデルに適用するための目標セルと近傍セルからなる処理対象セル群を示す図である。It is a figure which shows the process target cell group which consists of a target cell and a neighboring cell for applying to a three-dimensional model. 本実施例を立体形状に適用した例を示す図であり、(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図である。It is a figure which shows the example which applied a present Example to the solid shape, (a) is an initial shape, (b) is a figure which shows an optimization shape. 本実施例を立体形状に適用した他の例を示す図であり、(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図である。It is a figure which shows the other example which applied the present Example to the solid shape, (a) is an initial shape, (b) is a figure which shows an optimization shape. 本実施例を立体形状に適用した他の例の最適化条件を示す図である。It is a figure which shows the optimization conditions of the other example which applied the present Example to the solid shape. 図15に示した最適化例を示す図であり、(a)は初期形状、(b),(c)は生成過程の形状(d)は最適化形状を示す図である。It is a figure which shows the optimization example shown in FIG. 15, (a) is an initial shape, (b), (c) is a figure of the production | generation process (d), and is a figure which shows an optimization shape. 図16に示した構造の生成過程における体積変化を示す図である。It is a figure which shows the volume change in the production | generation process of the structure shown in FIG. 図16に示した構造物モデルの生成過程における相当応力値の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the equivalent stress value in the production | generation process of the structure model shown in FIG. 本実施例を立体形状に適用した他の例を示す図であり、(a)は初期形状、(b)は最適化形状を示す図である。It is a figure which shows the other example which applied the present Example to the solid shape, (a) is an initial shape, (b) is a figure which shows an optimization shape.

符号の説明Explanation of symbols

1 設計支援装置
10 設計支援プログラム
10a 設計条件設定部
10b 設計領域分割部
10c 構造物モデル配置部
10d 応力値設定部
10e 応力値比較部
10f 入力値設定部
10g ポテンシャル値算出部
10h ポテンシャル値比較部
10i 構造物モデル変形部
20 設計領域
21 セル
22 構造物モデル
23 支持点
24 周期荷重点
30 処理対象セル群
31 目標セル
31a〜31d 近傍セル
40 三次元セル群
41a〜41e 近傍セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Design support apparatus 10 Design support program 10a Design condition setting part 10b Design area division | segmentation part 10c Structure model arrangement | positioning part 10d Stress value setting part 10e Stress value comparison part 10f Input value setting part 10g Potential value calculation part 10h Potential value comparison part 10i Structure model deformation unit 20 Design area 21 Cell 22 Structure model 23 Support point 24 Periodic load point 30 Target cell group 31 Target cell 31a to 31d Neighbor cell 40 Three-dimensional cell group 41a to 41e Neighbor cell

Claims (6)

与えられた設計条件に基づき適切な形状の構造物モデルを生成するためのコンピュータが実行可能なプログラムであって、
前記設計条件として、少なくとも、前記構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる周期荷重を含む荷重情報と、前記構造物の設計領域情報と、終了条件と、を取得し、前記設計領域を複数の仮想的なセルに分割する処理を行い、当該設計領域内に、支持点及び周期荷重点を含み、当該周期荷重点にかかる周期周期荷重を前記支持点に伝達可能で且つ前記設計条件における前記設計材料の性質を有する所定形状の構造物モデルを前記セルに対応付けて初期配置する初期処理を行い、
前記設計材料情報及び前記荷重情報に基づき前記設計領域に配置された構造物モデルに対応する各セルに対してそれぞれの応力値を算出して設定する第1の処理を行い、
前記設計領域内の一のセルを目標セルとして選択し、当該目標セル及びその近傍にある近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとをそれぞれ比較する第2の処理を行い、
この比較結果及び予め設定された入力値条件に基づき前記目標セル及び前記近傍セルから当該目標セルへの入力値をそれぞれ設定する第3の処理を行い、
前記入力値の合計を定数倍した値と前記目標セルの現在のポテンシャル値を減衰処理した値とを足し合わせて、当該目標セルの新たなポテンシャル値を算出する第4の処理と、
この算出結果のポテンシャル値の大きさと所定の閾値とを比較する第5の処理を行い、
この比較結果に基づき目標セルへの新たな設計材料の設定、当該目標セルからの設計材料の除去、又は、前記目標セルに対応する設計材料の維持を行う第6の処理を行い、
前記第1乃至第6の処理を、当該処理を実行可能な全セルに対して行うステップを、終了条件を満たすまで繰り返し行うことを特徴とする構造物の設計支援プログラム。
A computer-executable program for generating a structural model of an appropriate shape based on given design conditions,
As the design conditions, at least information on a design material constituting the structure, a target stress value, load information including a periodic load applied to the structure, design area information of the structure, and an end condition, The design area is divided into a plurality of virtual cells, the support area and the cyclic load point are included in the design area, and the periodic cyclic load applied to the cyclic load point is applied to the support point. An initial process is performed to initially arrange a structure model of a predetermined shape having a property of the design material in the design conditions that can be transmitted in association with the cell,
Performing a first process of calculating and setting each stress value for each cell corresponding to the structure model arranged in the design region based on the design material information and the load information,
Selecting one cell in the design area as a target cell, and performing a second process of comparing the magnitude of the stress value of the target cell and a neighboring cell in the vicinity thereof with the magnitude of the target stress value, respectively;
Based on the comparison result and a preset input value condition, perform a third process of setting the input value from the target cell and the neighboring cell to the target cell,
A fourth process for calculating a new potential value of the target cell by adding a value obtained by multiplying the sum of the input values by a constant and a value obtained by attenuating the current potential value of the target cell;
A fifth process for comparing the magnitude of the potential value of the calculation result with a predetermined threshold value is performed,
Based on the comparison result, a sixth process for setting a new design material in the target cell, removing the design material from the target cell, or maintaining the design material corresponding to the target cell is performed.
A structure design support program characterized in that the steps of performing the first to sixth processes on all cells capable of executing the processes are repeatedly performed until an end condition is satisfied.
前記目標セル及びその近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及びその近傍セルの応力値の方が小さいときは、前記目標セル及びその近傍セルからの目標セルへの入力値を0に設定し、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及び近傍セルの応力値の方が大きいときは、前記目標セル及び近傍セルから前記目標セルへの入力値を、当該目標セルの前記新たなポテンシャル値を増加する値に設定することを特徴とする請求項1記載の構造物の設計支援プログラム。   When the comparison result between the magnitude of the stress value of the target cell and its neighboring cells and the magnitude of the target stress value is smaller than the stress value of the target cell and its neighboring cells, the target cell And the input value to the target cell from its neighboring cells is set to 0, and the comparison result between the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell and the magnitude of the target stress value is greater than the target stress value. When the stress value of the neighboring cell is larger, the input value from the target cell and the neighboring cell to the target cell is set to a value that increases the new potential value of the target cell. A structure design support program according to claim 1. 前記第2の処理における前記目標セルへの入力値の設定は、前記応力値としてvon Misesの相当応力値を適用し、目標応力値をσ、目標セルの相当応力値をσ、目標セルの自セルへの入力値をx、近傍セルの相当応力値をσi(i=1,2,3,・・・)、近傍セルの前記目標セルへの入力値をxi(i=1,2,3,・・・)とすると、以下の式に従って行われることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の構造物の設計支援プログラム。
Figure 2007041630
In setting the input value to the target cell in the second process, the equivalent stress value of von Mises is applied as the stress value, the target stress value is σ E , the target cell equivalent stress value is σ 0 , the target cell X 0 , the equivalent stress value of the neighboring cell σ i (i = 1, 2, 3,...), And the input value of the neighboring cell to the target cell x i (i = 3. The structure design support program according to claim 1, wherein the structure design support program is executed according to the following formula.
Figure 2007041630
前記第3の処理における前記ポテンシャル値の算出は、1つ前のステップにおいて算出された前記現在のポテンシャル値をuk(kは整数)、減衰定数を(1-λDt)(Dtは時間増分、λは定数(0<lDt<1))とすると、以下の式に従って行われることを特徴とする請求項3記載の構造物の設計支援プログラム。
Figure 2007041630
The calculation of the potential value in the third process is performed by using the current potential value calculated in the previous step as u k (k is an integer), the attenuation constant as (1-λDt) (Dt is a time increment, 4. The structure design support program according to claim 3, wherein λ is a constant (0 <lDt <1), and is performed according to the following equation.
Figure 2007041630
与えられた設計条件に基づき適切な形状の構造物モデルを生成する装置であって、
前記設計条件として、少なくとも、前記構造物を構成する設計材料の情報と、目標応力値と、前記構造物にかかる周期を含む荷重情報と、前記構造物の、前記構造物の設計領域情報と、終了条件と、が設定可能な設計条件設定手段と、
前記設計領域を複数の仮想的なセルに分割する設計領域分割手段と、
当該設計領域分割手段によって分割された設計領域内に、支持点及び荷重点を含み、当該荷重点にかかる荷重を前記支持点に伝達可能で且つ前記設計条件における前記設計材料の性質を有する所定形状の構造物モデルを前記セルに対応付けて初期配置する構造物モデル配置手段と、
前記設計材料情報及び前記荷重情報に基づき前記設計領域内に配置された構造物モデルに対応する各セルに対してそれぞれの応力値を算出して設定する応力値設定手段と、
前記設計領域内の一のセルを目標セルとして選択し、当該目標セル及びその近にある近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとをそれぞれ比較する応力値比較手段と、
この比較結果及び予め設定された入力値条件に基づき前記目標セル及び前記近傍セルから当該目標セルへの入力値をそれぞれ設定する入力値設定手段と、
前記入力値の合計を定数倍した値と前記目標セルの現在のポテンシャル値を減衰処理した値とを足し合わせて、当該目標セルの新たなポテンシャル値を算出するポテンシャル値算出手段と、
この算出結果のポテンシャル値の大きさと所定の閾値とを比較するポテンシャル値比較手段と、
この比較結果に基づき目標セルへの新たな設計材料の設定、当該目標セルからの設計材料の除去、又は、前記目標セルに対応する設計材料の維持を行う構造物モデル変形手段と、を備えることを特徴とする構造物の設計支援装置。
An apparatus for generating a structural model of an appropriate shape based on given design conditions,
As the design conditions, at least information on a design material constituting the structure, a target stress value, load information including a period applied to the structure, design area information of the structure of the structure, A design condition setting means capable of setting an end condition;
Design area dividing means for dividing the design area into a plurality of virtual cells;
A predetermined shape including a support point and a load point in the design area divided by the design area dividing means, capable of transmitting the load applied to the load point to the support point, and having the properties of the design material under the design conditions A structure model placement means for initially placing the structure model in association with the cell;
Stress value setting means for calculating and setting the respective stress values for each cell corresponding to the structure model arranged in the design region based on the design material information and the load information;
Selecting one cell in the design region as a target cell, a stress value comparison means for comparing the target cell and the stress value of a neighboring cell in the vicinity thereof with the target stress value, respectively;
Input value setting means for setting input values from the target cell and the neighboring cells to the target cell based on the comparison result and a preset input value condition;
A potential value calculation means for adding a value obtained by multiplying the sum of the input values by a constant and a value obtained by attenuating the current potential value of the target cell to calculate a new potential value of the target cell;
A potential value comparing means for comparing the magnitude of the potential value of the calculation result with a predetermined threshold;
A structure model deformation means for setting a new design material in the target cell based on the comparison result, removing the design material from the target cell, or maintaining the design material corresponding to the target cell. A structure design support device characterized by the above.
前記入力値設定手段は、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及び近傍セルの応力値の方が小さいときは、前記目標セル及び近傍セルからの前記目標セルへの入力値を、0に設定し、前記目標セル及び近傍セルの応力値の大きさと前記目標応力値の大きさとの比較結果が当該目標応力値よりも前記目標セル及び近傍セルの応力値の方が大きいときは、前記目標セル及び近傍セルから前記目標セルへの入力値を、当該目標セルの前記新たなポテンシャル値を増加する値に設定することを特徴とする請求項6記載の構造物の設計支援装置。 In the input value setting means, when the comparison result between the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell and the magnitude of the target stress value is smaller than the stress value of the target cell and the neighboring cell Sets the input value to the target cell from the target cell and the neighboring cell to 0, and the comparison result between the magnitude of the stress value of the target cell and the neighboring cell and the magnitude of the target stress value is the target stress. When the stress value of the target cell and the neighboring cell is larger than the value, the input value from the target cell and the neighboring cell to the target cell is set to a value that increases the new potential value of the target cell. The structure design support apparatus according to claim 6, wherein:
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