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構造最適化装置、構造最適化方法及び構造最適化プログラム 実績あり 外国出願あり

国内特許コード P120007672
整理番号 2231
掲載日 2012年6月14日
出願番号 特願2010-528686
登録番号 特許第5377501号
出願日 平成21年7月17日(2009.7.17)
登録日 平成25年10月4日(2013.10.4)
国際出願番号 JP2009062974
国際公開番号 WO2010029810
国際出願日 平成21年7月17日(2009.7.17)
国際公開日 平成22年3月18日(2010.3.18)
優先権データ
  • 特願2008-233176 (2008.9.11) JP
発明者
  • 山田 崇恭
  • 西脇 眞二
  • 泉井 一浩
  • 吉村 允孝
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 構造最適化装置、構造最適化方法及び構造最適化プログラム 実績あり 外国出願あり
発明の概要

本発明は、最適構造の明確な形状表現を可能にし、物体領域Ωでのトポロジー変化を許容する等の自由度の高い構造最適化を可能にするものである。本発明は、レベルセット関数φを定め、所定の制約条件下において、剛性等の構造物の性能を目標値に近づけるようにレベルセット関数φを更新して、物体領域Ωと空洞領域との境界∂Ωを移動させるとともに、レベルセット関数φの更新に伴う物体領域Ω内のトポロジー変化を許容して物体領域Ω内に新たな空洞領域を形成し、その新たな空洞領域と物体領域Ωとの境界∂Ωを移動させる。

従来技術、競合技術の概要


従来、構造最適化の方法としては、寸法最適化、形状最適化、トポロジー最適化がある。



この中の形状最適化は、外形形状を設計変数として、感度情報に基づいて前記外形形状を更新することにより最適構造を得る方法であり、実用的な方法として機械産業において広く利用されている。



しかしながら、形状最適化は、最適構造の穴の数などの形態を変更することが難しいという欠点をもち、構造の大幅な性能向上を期待できない。



これに対して、トポロジー最適化は、最適設計問題を材料分布問題に置き換えて解くことにより、最適構造の形態変更を可能とし、構造の大幅な性能向上を期待できる。



しかしながら、トポロジー最適化はグレースケールなどの数値不安定性問題を生じることがある。



そして近年、新しい構造最適化方法として、レベルセット法に基づく構造最適化が提案されている(非特許文献1)。



この方法は、外形形状を1次元高位のレベルセット関数で表現し、形状と形態の変更をレベルセット関数値の変化に置き換えて最適構造を得る。これにより従来のトポロジー最適化とは異なり、最適構造の輪郭を常に明確に表現することが可能であり、グレースケールなどの問題を生じることがないという長所を有する。



しかしながら、レベルセット法は、移流方程式に基づいてレベルセット関数を更新させるため、外形形状(物体領域)に穴が創出されるようなトポロジー変化(形態変化)を許容しないことを前提としている。



これに対して、非特許文献2に示すように、レベルセット法に基づく構造最適化の過程において、適宜、目的関数のトポロジカルデリバティブに基づいて、恣意的に穴を創出する方法が提案されている。また、非特許文献3に示すように、最適化の過程において、トポロジカルデリバティブの値が所定の閾値である物体領域(構造を形成する領域)を空洞領域(空洞を形成する領域)に置き換えることにより、外形形状(物体領域)に穴が創出されるようなトポロジー変化(形態変化)を許容する方法が提案されている。



しかしながら、いずれの方法も、穴の数又は閾知の設定などのパラメータの依存性が極めて高く、適切にそれらのパラメータを設定しなければ、物理的に妥当な最適構造が得られないという問題がある(非特許文献4参照)

産業上の利用分野


本発明は、構造最適化装置、構造最適化方法及び構造最適化プログラムに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
構造物の設計領域を示す設計領域データを格納する設計領域データ格納部と、
初期構造が設定された設計領域の各部が構造を形成する物体領域、空洞を形成する空洞領域、又はそれら領域の境界であるかを示し、物体領域を表す値及び空洞領域を表す値の間の所定値が前記境界を表すレベルセット関数を示すレベルセット関数データを格納しているレベルセット関数データ格納部と、
所定の制約条件下において、剛性等の構造物の性能を目標値に近づけるように前記レベルセット関数を更新して、前記物体領域内のトポロジー変化(形態変化)及び前記物体領域と前記空洞領域との境界の移動を同時に行わせるレベルセット関数更新部と、を具備する構造最適化装置。
【請求項2】
構造物の設計領域を示す設計領域データを格納する設計領域データ格納部と、
初期構造が設定された設計領域の各部が構造を形成する物体領域、空洞を形成する空洞領域、又はそれら領域の境界であるかを示し、物体領域を表す値及び空洞領域を表す値の間の所定値が前記境界を表すレベルセット関数を示すレベルセット関数データを格納しているレベルセット関数データ格納部と、
所定の制約条件下において、剛性等の構造物の性能を目標値に近づけるように前記レベルセット関数を更新して、前記物体領域と前記空洞領域との境界を移動させるとともに、前記レベルセット関数の更新に伴う前記物体領域内のトポロジー変化(形態変化)を許容して前記物体領域内に新たな空洞領域を形成し、その新たな空洞領域と物体領域との境界を移動させるレベルセット関数更新部とを具備し、
前記レベルセット関数更新部が、レベルセット関数を変数とする関数族、物体領域におけるエネルギー密度、空洞領域におけるエネルギー密度、及び界面エネルギー密度により示されるエネルギー汎関数から、エネルギー汎関数最小化原理に従って、前記レベルセット関数の時間発展を示す反応拡散方程式を算出し、当該反応拡散方程式を用いて前記レベルセット関数を時間発展させることにより、前記レベルセット関数を更新するものである構造最適化装置。
【請求項3】
前記レベルセット関数更新部が、前記レベルセット関数を更新した結果得られる構造の構造的な複雑さを示す複雑度が予め設定された複雑度となるように、前記レベルセット関数を更新するものである請求項1記載の構造最適化装置。
【請求項4】
入力手段により、構造物の設計領域を示す設計領域データコンピュータに入力する設計領域データ入力ステップと、
入力手段により、初期構造が設定された設計領域の各部が構造を形成する物体領域、空洞を形成する空洞領域、又はそれら領域の境界であるかを示し、物体領域を表す値及び空洞領域を表す値の間の所定値が前記境界を表すレベルセット関数を示すレベルセット関数データを前記コンピュータに入力するレベルセット関数入力ステップと、
前記コンピュータに設けられたレベルセット関数更新部により、所定の制約条件下において、剛性等の構造物の性能を目標値に近づけるように前記レベルセット関数を更新して、前記物体領域内のトポロジー変化(形態変化)及び前記物体領域と前記空洞領域との境界の移動を同時に行わせるレベルセット関数更新ステップと、を具備する構造最適化方法。
【請求項5】
構造物の設計領域を示す設計領域データを格納する設計領域データ格納部と、
初期構造が設定された設計領域の各部が構造を形成する物体領域、空洞を形成する空洞領域、又はそれら領域の境界であるかを示し、物体領域を表す値及び空洞領域を表す値の間の所定値が前記境界を表すレベルセット関数を示すレベルセット関数データを格納しているレベルセット関数データ格納部と、
所定の制約条件下において、剛性等の構造物の性能を目標値に近づけるように前記レベルセット関数を更新して、前記物体領域内のトポロジー変化(形態変化)及び前記物体領域と前記空洞領域との境界の移動を同時に行わせるレベルセット関数更新部と、としての機能をコンピュータに備えさせる構造最適化プログラム。
産業区分
  • 演算制御装置
  • 記憶装置
  • 入出力装置
  • 計算機応用
  • その他情報処理
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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