OS-T：4040 シュレッダーの寸法最適化

本チュートリアルでは、シェル要素とバー要素から成るモデルについて、寸法最適化を行います。バー要素の特性を解析するためにPBARL特性を更新し、それを設計変数にリンクします。結果の設計は、より高い振動数と更新された要素特性を有するものになります。

寸法最適化は、１次元要素または２次元要素の特性変更を含みます。これらの特性には、面積、１次元要素の慣性モーメント、および２次元要素の板厚が含まれます。寸法最適化は、材料の削除、ビードの生成または構造物の形状変更が必要ない場合に行います。

寸法最適化では、必要とされる目的に見合うよう要素の断面特性を変更します。特性は、DVPRELカードを用いて設計変数（DESVAR）にリンクされます。

本チュートリアルは、OptiStructユーザープロファイル下のOptiStructマクロを使った最適化問題の設定を示します。

4040_fe_model_shredder
図 1. シュレッダーの有限要素モデル
最適化問題の設定は次のとおりです：
目的関数
全体質量の最小化
制約条件
横モードは6 Hz以上
設計変数
ビーム幅、ビーム板厚、ビームの深さ、およびシェル厚

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。

モデルの読み込み

  1. File > Import > Solver Deckをクリックします。
    Importタブがタブメニューに追加されます。
  2. File typeにOptiStructを選択します。
  3. Filesアイコンfiles_panelを選択します。
    Select OptiStruct Fileブラウザが開きます。
  4. 自身の作業ディレクトリに保存したshredder.femファイルを選択します。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。
  5. Openをクリックします。
  6. Import、続いてCloseをクリックし、Importタブを閉じます。

有限要素解析の実行と結果のチェック

ジョブのサブミット

  1. AnalysisページからOptiStructパネルをクリックします。

    OS_1000_13_17
    図 2. OptiStructパネルへのアクセス
  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shredder_analysis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analysis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、OptiStructジョブを開始します。
ジョブが成功した場合、shredder_analysis.femが書き出されたディレクトリに新しい結果ファイルがあるはずです。何らかのエラーがある場合、shredder_analysis.outファイルはデバッグを手助けするエラーメッセージを探すのに良い場所です。

固有モードの表示

  1. OptiStructパネルから、HyperViewをクリックします。
    HyperViewがHyperMesh Desktop内で起動し、新しいページとセッションファイルshredder_analysis.mvwが読み込まれます。このファイルは、モデルと結果を含むshredder_analysis.h3dファイルとリンクされています。
  2. Animationツールバーで、アニメーションタイプをanimationModal-24（Modal）に設定します。
  3. ResultsツールバーでresultsDeformed-24をクリックし、Deformedパネルを開きます。
  4. 変形形状設定を定義します。
    1. Result typeをEigen Mode(v)に設定します。
    2. ScaleをModel Unitsにセットします。
    3. TypeをUniformにセットします。
    4. Value欄に1000と入力します。

    これは最大変位がモデルの1000単位となることを意味し、他の変位はそれに比例します。

    1.0より大きいスケールファクターを使用すると変形は拡大し、1.0より小さい場合は縮小します。この場合、すべての方向の変位を強調させます。

  5. 変形形状設定を定義します。
    1. ShowをEdgesに設定します。
    2. ColorをMeshに設定します。
  6. Applyをクリックします。
  7. Resultsブラウザでシミュレーションのリストから、Mode 1を選択します。

    os_4040_mode1
    図 3.
  8. ResultsツールバーでresultsContour-24をクリックし、Contour panelを開きます。
  9. Applyをクリックします。
    Eigen Modeコンターが表示されます。
  10. Page Controlsツールバーで、ページレイアウトをpageLayout4-24に設定します。

    os_4040_4windows
    図 4.
  11. 1つ目のウィンドウをクリックし、メニューバーからEdit > Copy > Windowをクリックします。
  12. 2つ目のウィンドウをクリックし、続いてメニューバーからEdit > Paste > Windowをクリックします。
  13. 1つ目のウィンドウを3つ目と4つ目のウィンドウにコピーします。

    os_404_4windows2
    図 5. 全ウィンドウ上の最初のモードのコンター
  14. ウィンドウをクリックしてアクティブにし、Resultsブラウザでモードを選択することによって、ウィンドウに割り当てられているモードを変更します。
    • 2つ目のウィンドウをMode 2にセットします。
    • 3つ目のウィンドウをMode 3にセットします。
    • 4つ目のウィンドウをMode 4にセットします。

    os_4040_assign_entities
    図 6.

    os_4040_modes
    図 7. 最初の4つの固有モードのコンタープロット
  15. AnimationツールバーでanimationStart-24をクリックし、アニメーションを開始します。再度クリックし、アニメーションを停止します。
    3次および4次モード（~ 3.9および~ 4.8 Hz）は、加振された際にシュレッダーのパフォーマンスを落とし得る横形を有しています。目的は、7Hz以上で最小の質量を得ることです。
  16. メニューバーでFile > Save As > Report Templateをクリックします。
  17. Save Report Asダイアログで作業ディレクトリに移動し、ファイルをreport.tplとして保存します。

    4040_save_session_file
    図 8.
  18. アプリケーションの上部右側でpagePrevious-24とpageNext-24をクリックし、最初のページ上のHyperMeshクライアントに戻ります。

最適化のセットアップ

設計変数の定義

本演習における設計変数はカバーの板厚、バーの幅、板厚と深さです。１つ目の設計変数をSizeパネルを使って定義します。
  1. Analysisページからパネルoptimizationをクリックします。
  2. sizeパネルをクリックします。
  3. desvarサブパネルを選択します。
  4. 設計変数coverthckを作成します。
    1. desvar=欄にcoverthckと入力します。
    2. initial value =欄に3.0と入力します。
    3. lower bound欄に1.0と入力します。
    4. upper bound欄に6.0と入力します。
    5. move limitのトグルはmove limit defaultにセットします。
    6. 離散設計変数（ddval）のトグルをno ddvalにセットします。
    7. createをクリックします。
  5. さらに４つの設計変数を作成します。
    設計変数 Initial Value Lower Bound Upper Bound
    Beamwide 50 30 90
    Beamhigh 100 80 125
    Beamthck1 10 5 15
    Beamthck2 20 15 30
  6. generic relationshipサブパネルを選択します。
  7. 設計変数とプロパティの関係coverthckを作成します。
    1. name =欄にcoverthckと入力します。
    2. C0欄に0.0と入力します。
    3. プロパティセレクターを使って、coverを選択します。
    4. プロパティセレクターの下で、Thickness Tを選択します。
    5. designvarsをクリックし、coverthckを選択し、returnをクリックします。
    6. createをクリックします。

次の手順では、ビーム寸法についてプロパティの関連付けを定義Cビームの各寸法が設計変数として定義されます。


4040_type_chan
図 9.
表 1. 初期設計の特性値
名称 Represents Value
DIMs(1) Beam Width 50
DIMs(2) Beam High 100
DIMs(3) Beam Thck1 10
DIMs(4) Beam Thck2 20

  1. 設計変数とプロパティの関係DIM1を作成します。
    1. name =欄にDIM1と入力します。
    2. C0欄に0.0と入力します。
    3. プロパティセレクターを使って、frame2を選択します。
    4. プロパティセレクターの下で、Dimension 1を選択します。
    5. designvarsをクリックし、Beamwideを選択し、returnをクリックします。
    6. createをクリックします。
  2. 設計変数とプロパティの関係DIM2を作成します。
    1. name =欄にDIM2と入力します。
    2. C0欄に0.0と入力します。
    3. プロパティセレクターを使って、frame2を選択します。
    4. プロパティセレクターの下で、Dimension 2を選択します。
    5. designvarsをクリックし、Beamhighを選択し、returnをクリックします。
    6. createをクリックします。
  3. 設計変数とプロパティの関係DIM3を作成します。
    1. name =欄にDIM3と入力します。
    2. C0欄に0.0と入力します。
    3. プロパティセレクターを使って、frame2を選択します。
    4. プロパティセレクターの下で、Dimension 3を選択します。
    5. designvarsをクリックし、Beamthck1を選択し、returnをクリックします。
    6. createをクリックします。
  4. 設計変数とプロパティの関係DIM4を作成します。
    1. name =欄にDIM4と入力します。
    2. C0欄に0.0と入力します。
    3. プロパティセレクターを使って、frame2を選択します。
    4. プロパティセレクターの下で、Dimension 4を選択します。
    5. designvarsをクリックし、Beamthck2を選択し、returnをクリックします。
    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。

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. 周波数の応答を作成します。
    1. responses=欄に、f3と入力します。
    2. response typeの下で、frequencyを選択します。
    3. Mode Numberに、3と入力します。
    4. createをクリックします。
    応答f3が、thirdモードの振動数について定義されました。
  5. モード4については、f4という名の別の周波数応答を作成します。
  6. returnをクリックし、Optimization panelに戻ります。

制約の定義

  1. dconstraintsパネルをクリックします。
  2. 制約条件c_f3を作成します。
    1. constraints=欄にc_f3と入力します。
    2. lower boundの横のボックスにチェックマークを入れ、6.0と入力します。
    3. response =をクリックしf3を選択します。
    4. 荷重ステップセレクターを使って、を選択します。
    5. createをクリックします。
  3. 制約条件c_f4を作成します。
    1. constraints=欄にc_f4と入力します。
    2. lower boundの横のボックスにチェックマークを入れ、6.0と入力します。
    3. response =をクリックしf4を選択します。
    4. 荷重ステップセレクターを使って、を選択します。
    5. createをクリックします。
  4. return をクリックしてパネルを終了します。

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。

データベースの保存

  1. メニューバーでFile > Save As > Modelをクリックします。
  2. Save Asダイアログでファイル名欄にshredder_optimization.hmと入力し、自身の作業ディレクトリに保存します。

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shredder_optimization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 shredder_optimization.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

  1. OptiStructパネルから、HyperViewをクリックします。
    HyperMesh DesktopでHyperViewが起動され、結果が読み込まれます。
  2. アプリケーションの上部右側でpagePrevious-24とpageNext-24をクリックし、Design Historyページに進みます。
  3. Resultsブラウザから、最終反復計算を選択します。

    os4040_iteration
    図 10.
  4. ResultsツールバーでresultsContour-24をクリックし、Contour panelを開きます。
  5. Result typeをElement Thicknesses (s)およびThicknessに設定します。
  6. Applyをクリックします。
    結果の色は、適用されている荷重および境界条件から得られた変位の状態を示しています。カバーコンポーネントの最終の最適板厚は1.0です。
  7. 任意のテキストエディタでshredder_optimization.propファイルを開き、最終の最適PBAR特性を確認します。

    4040_pbarl
    図 11.
    最終的な寸法は次のとおり（小数点以下切捨て）：
    Beam Wide (DIM1):
    70.10
    Beam High (DIM2)
    125
    Beam Thck (DIM3)
    5
    Beam wide (DIM4)
    15
    この.propファイルは、上書きモードでHyperMeshに読み込むことができ、PBARLカードは更新されます。