No.66「構造最適化解析」

No.66 数理ソリューション 特集号
構造最適化解析
Structural Optimization using Finite Element Method

なぜいまこれが?

工業製品や建築、土木構造物の最適化設計のアプローチについて、最適化の解析技術をご紹介します。

幾何形状を最適化するトポロジー最適化では、制約条件を体積、目標を強度と置くことで、軽量ながらも剛性を保持した形状が求められます。また、幾何形状を大きく変更するため、全く新しいコンセプトの形状が得られる可能性もあります。製品開発においては設計⇔強度評価の反復が必須ですが、構造解析と最適化を組み合わせることで時間の短縮化が図られる一方、技術者はこれらを使いこなすための知見や技術が要求されます。

これがポイント!

薄肉軽量化を目標としたトポロジー最適化

図1 梁の薄肉軽量化例
図1 梁の薄肉軽量化例
図2 支持台の薄肉軽量化例
図2 支持台の薄肉軽量化例
図3 応力緩和の最適化例
図3 応力緩和の最適化例

トポロジー最適化の形状はラティス(穴開き、格子)構造化する傾向があります。この理由は、剛性で不必要な範囲を空洞化することで軽量化を行うためです。ただし、実際の製品形状は製作上空洞でないことが望まれる場合もあります。このような場合、制約条件にこれを加えることで、ラティス化されず薄肉軽量化された、実現性のある形状が得られます。当社の提案として、例えば図1は3方向から荷重を受ける梁で、板厚が低減されながら必要な剛性が確保された薄肉形状が得られます。また、図2は支持台の例で、同じ剛性で異なるパターンのリブプレート配置の形状が得られます。

形状改善のための最適化

形状に生じる高い応力箇所の緩和のために表面形状を調整する最適化が可能です(形状最適化)。図3では、梁の薄肉軽量化をベースに応力の制約条件を置くことで、板厚が調整され高応力部が低減されることが分かります。

当社では、最適化に精通した技術者がお客様の問題を的確にとらえ、解決に導くことが可能です。どうぞお気軽にご相談下さい。

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JFEテクノリサーチ株式会社 営業本部