OS-T：5060 フリー形状手法を用いた製造用制約条件を伴う3Dモデル

本チュートリアルでは、対称性やメッシュバリア制約といった製造用制約条件とフリー形状最適化手法を用いて、ソリッドモデルの形状最適化を行います。最適化の目的は、モデルの形状を変化させることによって応力を軽減させることです。


frshape_pic1
図 1.

HyperMeshの起動とOptiStructユーザープロファイルの設定

  1. HyperMeshを起動します。
    User Profilesダイアログが現れます。
  2. OptiStructを選択し、OKをクリックします。
    これで、ユーザープロファイルが読み込まれます。ユーザープロファイルには、適切なテンプレート、マクロメニュー、インポートリーダーが含まれており、OptiStructモデルの生成に関連したもののみにHyperMeshの機能を絞っています。

モデルのオープン

  1. File > Open > Modelをクリックします。
  2. optistruct.zipファイルから自身の作業ディレクトリに保存したfreeshape3D_mfg.hmファイルを開きます。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。
  3. Openをクリックします。
    freeshape3D_mfg.hmデータベースが現在のHyperMeshセッションに読み込まれます。

最適化のセットアップ

フリー形状設計変数の作成

  1. Analysisページからパネルoptimizationをクリックします。
  2. free shapeパネルをクリックします。
  3. 設計変数shapeを作成します。
    1. createサブパネルを選択します。
    2. desvar=欄にshapeと入力します。
    3. nodes > by setsをクリックします。
    4. shape_nodesを選択し、selectをクリックします。
    5. createをクリックします。

    frshape_pic2
    図 2. フリー形状設計領域
  4. 形状設計変数用のパラメータを更新します。
    1. parametersサブパネルを選択します。
    2. 方向をgrowにセットします。
    3. mvfactor=欄に0.5と入力します。
    4. nsmooth=欄に10と入力します。
    5. updateをクリックします。

    5060_paramaters_sub
    図 3.
  5. returnを２回クリックし、パネルを終了します。

バリアメッシュフェイスを作成するためのシェル要素の変換

  1. 2Dページからパネルelem typesをクリックします。
  2. <uicontrol>File</uicontrol>elemsby collectorをクリックします。
  3. barrierを選択し、selectをクリックします。
  4. 2D & 3Dサブパネルを選択します。
  5. tria3欄でCTRIA3をクリックし、BMFACEを選択します。
  6. quad4欄でCQUAD4をクリックし、BMFACEを選択します。
  7. updateをクリックします。

1-Plane対称性制約条件の定義

フリー形状用の製造制約オプションは、型抜き方向制約、押し出し制約、パターングルーピング： 1-plane対称性制約、最大成長/縮小距離制御、側面制約、メッシュバリア制約です。
  1. Analysisページからパネルoptimizationをクリックします。
  2. free shapeパネルをクリックします。
  3. desvar=欄にshapeと入力します。
  4. pattern groupingサブパネルを選択します。
  5. pattern typeは1-pln symを選択します。
    フリー形状最適化における1-plane対称性制約条件は、初期メッシュ、荷重または境界条件に関係なく、対照的な設計を生成します。対称面は、anchor節点とfirst節点を指定することで定義されます。対称面は、anchor節点からfirst節点へのベクトルに垂直で、anchor節点を通る面となります。
  6. anchor nodeをクリックし、id=欄に1と入力します。
    IDが1である節点が選択されます。
  7. first nodeをクリックし、id=欄に2と入力します。
    IDが2である節点が選択されます。
  8. updateをクリックし、設計変数を更新します。

frshape_pic3
図 4. 1-Plane対称性の定義

メッシュバリア制約条件の定義

本演習では、メッシュバリアは予め作成されており、コンポーネントの名称はbarrierです。
メッシュバリア制約条件は、設計境界/サーフェスの変形の総量を制御します。メッシュバリアは、制限された設計空間内で変形し、決してバリアを貫通しないよう、設計の境界/サーフェスを拘束します。

バリアは、シェル要素および可能な限り少数の要素によって構築される必要があります。

  1. free shapeパネルで、sideconサブパネルをクリックします。
  2. desvar =をクリックしshapeを選択します。
  3. Barrier meshの横のcomponent=をクリックし、barrierを選択します。
  4. updateをクリックします。
  5. returnをクリックし、メインメニューに戻ります。

frshape_pic4
図 5. メッシュバリアコンポーネント

最適化の応答の作成

  1. Analysisページからoptimizationをクリックします。
  2. Responsesをクリックします。
  3. モデルの全体積について定義される質量の応答を作成します。
    1. responses=欄に、massと入力します。
    2. response typeの下で、massを選択します。
    3. regional selectionをとno regionidに設定します。
    4. createをクリックします。
  4. 静的応力の応答を作成します。
    1. responses=欄に、Stressと入力します。
    2. response typeをstatic stressに設定します。
    3. エンティティセレクターをelemsにセットし、elems > by setsをクリックし、stressを選択します。
    4. response セレクターをvon misesにセットします。
    5. von misesの下で、both surfacesを選択します。
    6. createをクリックします。
  5. returnをクリックし、Optimization panelに戻ります。

設計制約条件の作成

  1. dconstraintsパネルをクリックします。
  2. constraints=欄にstressと入力します。
  3. response =をクリックしstressを選択します。
  4. upper boundの横のボックスにチェックマークを入れ、62と入力します。
  5. 荷重ステップセレクターを使って、ls2を選択します。
  6. createをクリックします。
  7. returnをクリックし、Optimization panelに戻ります。

目的関数の定義

  1. objectiveパネルをクリックします。
  2. minが選択されていることを確認します。
  3. responseをクリックし、Massを選択します。
  4. createをクリックします。
  5. returnを２回クリックし、Optimization panelを終了します。

SHAPEカードの定義

デフォルトでは、変位と応力の結果のみが_s#.h3dファイルに得られます。HyperViewで、モデルに加えられた形状変化に重ねた結果（変位 / 応力 / 温度）を得るには、SHAPEカードを定義する必要があります。
  1. Analysisページからパネルcontrol cardsをクリックします。
  2. Card Imageダイアログで、SHAPEをクリックします。
  3. FORMATをH3Dに設定します。
  4. TYPEをALLに設定します。
  5. OPTIONをALLに設定します。
  6. returnを2回クリックし、メインメニューに戻ります。

最適化の実行

  1. AnalysisページからOptiStructをクリックします。
  2. save asをクリックします。
  3. Save Asダイアログで、OptiStructモデルファイルを書き出す場所を指定し、ファイル名としてfreeshape3d_mfgoptと入力します。
    OptiStruct入力ファイルには、拡張子 .femが推奨されます。
  4. Saveをクリックします。
    入力ファイル欄には、Save Asダイアログで指定されたファイル名と場所が表示されます。
  5. export optionsのトグルをallにセットします。
  6. run optionsのトグルをoptimizationにセットします。
  7. memory optionsのトグルはmemory defaultにセットします。
  8. OptiStructをクリックして最適化を実行します。
    ジョブが完了すると、ウィンドウ内に次のようなメッセージが現れます：
    OPTIMIZATION HAS CONVERGED.
FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).
    エラーがある場合、OptiStructはエラーメッセージも出します。エラーに関する詳細は、テキストエディタでファイル freeshape3d_mfgopt.outを開いて確認することができます。このファイルは同じディレクトリ内に.femファイルとして書き出されます。
  9. Closeをクリックします。

結果の表示

形状結果の可視化

  1. OptiStructパネルから、HyperViewをクリックします。
    HyperViewが起動し、freeshape3d_mfgopt_des.h3dファイルがpage 1に、freeshape3d_mfgopt_s4.h3dファイルがpage 2に開きます。
  2. アプリケーションの上部右側でpageNext-24をクリックし、page 2に移動します。
  3. Resultsブラウザで、最終反復計算結果であるIteration 14を選択します。
  4. ResultsツールバーでresultsDeformed-24をクリックし、Deformedパネルを開きます。
  5. Result typeをShape change(v)に設定します。
  6. Applyをクリックします。
形状最適化の結果はモデルに適用されます。

応力のコンタープロットの表示

  1. ResultsツールバーでresultsContour-16をクリックし、Contour panelを開きます。
  2. Result typeをElement Stresses (2D & 3D) (t)に設定します。
  3. stress typeをvon Misesに設定します。
  4. selectionの下で、セレクターをElementsにセットします。
  5. Elements > By setをクリックし、stressを選択します。
  6. Addをクリックして閉じます。
  7. Applyをクリックします。

5060_final_4_7
図 6. 最終形状のvon Mises応力コンター