最適化

Altairは、設計最適化ソフトウェアのトッププロバイダーであり、20年以上にわたって大手メーカーの設計プロセスの進化を支え続けてきました。全ての最適化テクノロジーが揃ったHyperWorksを使用することにより、アイデア出し、コンセプト設計、詳細なエンジニアリング、複合領域のシステム最適化において設計の道しるべを得ることができます。

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より軽量でより効率が良いRenault社のパワートレイン 新しいパワートレインの最終設計では、社内のNVHと疲労累積性能評価指数が30%も改善された一方で、重量の8%削減も達成しました。 Read the Renault Case Study
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サスペンションシステムの質量の最小化と耐久性の向上 Gestamp社はAltairと協力してHyperWorksでカスタムツール一式を作成することにより、“試行錯誤” を繰り返す初期の設計サイクルをなくすと同時に、トーションビーム式リアサスペンションシステムの質量の削減と耐久性の向上を達成しました。 Read the Gestamp Case Study
HyperWorksは、複合領域の製品設計サイクルにおける概念設計および設計の微調整の両段階のための最適化技術を備えています。OptiStructは、構造向け概念設計および設計の微調整機能を備えた、すでに市場で高く評価されている解析、最適化のための統合ツールです。HyperStudyは、サードパーティソルバーでも使用できる、ソルバーニュートラルな設計の検証、スタディ、最適化のためのツールです。
Quote
「設計サイクル全体を通して行ったシミュレーションにより、パッケージの性能を格段に改善することができました。製品が受ける最大加速度が29%軽減され、最大ひずみも28%軽減されました」

–Dante Sánchez Rojas, CAE Specialist

Mabe


事例を読む


概念設計

製品設計を最も柔軟に変更できるのはコンセプト検討の段階です。こうしたコンセプト検討の段階における柔軟性を生かすには、設計のコンセプト開発に主眼を置いたソリューションを導入すべきです。そうすることにより、高性能・高効率の設計や、軽量で革新的な設計を実現する可能性を最大限まで引き上げることができます。

OptiStructには、コンセプト設計のための以下の最適化手法が実装されています。

トポロジー最適化

業界で高く評価されているOptiStructの設計と最適化の統合テクノロジーは、トポロジー最適化手法を用いて革新的なコンセプト設計案を生み出します。この手法では、ユーザーが定義した設計空間、設計目標、製造プロセスパラメーターに基づき、最も効率良く材料を配置した最適な設計案が生成されます。

トポグラフィー最適化

薄肉構造物の強化には、ビードやスエージがよく使用されます。OptiStructのトポグラフィー最適化テクノロジーは、与えられたビードの許容寸法の範囲内で、構造強化に最適なビードパターンを含む革新的な設計案を生成します。

フリー寸法最適化

フリー寸法最適化は、切削加工の金属製構造物の最適な板厚分布を見つけたり、積層複合材の最適なプライ形状を決定したりするために広く用いられています。各材料層の要素厚さをフリー寸法最適化で設計変数に指定することにより、設計要件を満たす最適な板厚分布が生成されます。OptiStructの複合材設計と最適化プロセスのコンセプト設計段階でフリー寸法最適化を用いることで、最適なプライ形状と板厚の急激な変化部位を特定できます。

3Dプリンティングのための設計

3Dプリンティングは製造業を揺るがす画期的なテクノロジーです。3Dプリンティングの圧倒的な柔軟性を活用することで、スタンピングや鋳造などの従来の製造手法では実現し得ない、複雑なジオメトリを作り出すことができます。これにより、複雑かつ多機能な設計を開発する大きなチャンスが生まれます。

20年以上にわたってテクノロジーとサービスを通じて最適化を実践してきたAltairだからこそ、その最適化の知見を3Dプリンティングに生かすことができます。分野は違えど非常に似通った哲学を持つトポロジー最適化と3Dプリンティングを組み合わせることで、大きな相乗効果が見込めるとAltairは考えています。

製造の柔軟性を生かすためには、設計アプローチから見直さなければなりません。鋳造製品やスタンピング製品における従来の製造性制約条件無しにトポロジー最適化を利用すると、これまで以上に効率の良い設計を柔軟に生み出せるだけでなく、さらなる軽量化を達成できる可能性さえあります。3Dプリンティングは複雑な構造物を構築できる製造の柔軟性を備えているため、トポロジー最適化案をあまり手を加えることなく採用することができます。

3Dプリンティングならではの特長は、ラティス構造をプリントできる点です。ラティス構造には、軽量性や優れた熱的性質など数多くの魅力的な特性があります。また、多孔質であることに加え、細胞組織と結合しやすい小柱構造を持つことから、生物医学分野のインプラントにおいても非常に望ましい形状です。OptiStructには、トポロジー最適化に基づいてラティス構造を設計できる独自のソリューションが備わっています。トポロジー最適化を実行した後に、応力、座屈、変位、周波数などの詳細な性能目標を考慮しながら、ラティスビーム(格子梁)について大規模な寸法最適化スタディを実施することができます。

ラティス構造を利用した、3Dプリンティングのための最適化

設計の微調整

設計の寸法(高さ、長さ、半径、厚さ)やモデルパラメーター(材料特性、荷重)のみを変更する場合は、設計の微調整を行います。パラメーター化はパラメーターのタイプに応じて行われるため、パラメーターが入力デック内の値(厚さなど)の場合は寸法最適化を使用でき、パラメーターに対応する値が無いけれどもモデルの修正が必要な場合(有限要素モデル内の半径など)は形状最適化を使用できます。

HyperWorksには、こうしたスタディのセットアップをさらに向上させるとともに、確実に最高の結果を得られるようにするためのさまざまなオプションが用意されています。

形状最適化

形状最適化は、HyperMeshのモーフィングテクノロジーであるHyperMorphで作成した形状変数を使用して既存の設計を改善するときに使用します。HyperMorphでセットアップした形状を、OptiStructまたはHyperStudyで使用して設計の更新および最適化を行います。これにより、元のCADデータがなくても設計変更を簡単に提案することができます。

コネクティングロッドの形状最適化

ノンパラメトリックな形状最適化

OptiStruct独自の最適化手法を使用することにより、形状変数を自動生成し、設計要件に基づいて最適な形状輪郭を決定できます。この手法では形状変数を定義する必要がなく、より一層柔軟に設計を改善できます。フリー形状最適化は、高い応力集中を減少させることに非常に効果的です。

寸法最適化

寸法最適化は、材料特性、断面寸法、板厚などの最適なモデルパラメーターを求めます。OptiStructおよびHyperStudyのためのモデルのパラメーター化は、HyperMesh環境で簡単にセットアップできます。HyperStudyではASCII入力ファイルをパラメーター化することも可能です。

衝突安全荷重ケースに対して自動車用シートの寸法最適化を実行

複合材積層の設計

OptiStructのプライベースのモデリングアプローチを使用すると、複合材積層のモデリングが大幅に簡略化されるだけでなく、プライバンドルの板厚とプライの積層順の最適化が可能になります。プライバンドルは、同じ形状またはレイアウトのプライの集合です。バンドルの板厚を最適化することにより、材料ごとの最適なプライ数や繊維方向を求めることができます。OptiStructでは、実用的な設計を実現するために、最適化プロセス全体で製造要件およびプライの積層規則が考慮されます。

複合領域設計の最適化

エンジニアリング製品の設計においては、コスト、構造性能、耐久性、製造可能性、流れの効率など、製品のさまざまな要素を考慮しなければなりません。これらの要素の検討は通常、各専門チームに割り振られ、それぞれのチームはほかの領域のことはほとんど顧みずに、担当の領域に関する作業しか行いません。こうした理由から、ほかの領域で大きく妥協しなければならなかったり、絶えず設計をすり合わせる必要が出てきたりする可能性があります。各チームで決定した設計を融合してすり合わせる場合、多くのリソースが消費されてしまいますが、複合領域最適化を利用すればその事態を回避できます。

複合領域最適化は、関係する全ての領域を考慮できる最適化手法です。各領域で別々のシミュレーションツール(ソルバー)が使用されている可能性もありますが、複合領域最適化ではそれらのモデルをひとつのスタディの中で扱うことができます。一部の設計変数は各領域のモデルで共通しており、これらの変数はスタディ中にリンクされます。

複合領域スタディを効率良く処理するには、ソフトウェアが多くのソルバーと通信できなければなりません。また、そうした複雑なスタディを容易にセットアップできる直感的なインターフェースも必要です。

オープンアーキテクチャーを搭載したHyperStudyは、複合領域の設計スタディにおいて多くのソルバーと容易に連携することができます。HyperStudyをHyperMeshおよびMotionViewと直接連携させることで、有限要素法ソルバー、マルチボディソルバー、流体力学ソルバーの入力データを直接パラメーター化することができます。HyperStudyでは、OptiStructRADIOSSAcuSolveMotionSolveFEKO、Abaqus、Ansys、Fluent、Star-CD、Nastran、Excelなどの一般的なソルバーの結果データを直接読み込むことができます。

OptiStructのマルチモデル最適化(MMO)フレームワークでは、複数の異なるOptiStructモデルをひとつの最適化ジョブで同時に扱うことができます。一部の設計変数は各モデルで共通しており、また既存のOptiStructモデルを修正することなくそのまま使用できます。MMOスタディのセットアップには以下を含めることができます。

  • ひとつのモデルの異なる表現(例: 耐久性解析用の細かいメッシュと、NVH解析用の比較的粗いメッシュ)

  • ひとつのシステムの複数の設定(例: 航空機のフラップメカニズムの離陸時、着陸時、飛行中の設定)

  • 共通の車両プラットフォームを持つ複数の設計バリエーション(例: 共通のプラットフォームを持つSUVとセダン)

MMOは、エンジニアにあまり負担をかけることなく複数の設計バリエーションと設定を最適化できる強力な手法です。最適化プロセスを効率良く実行するために、MMOではMPI並列化が実装されています。

パレートフロント: コストと構造性能

OptiStructは最適化プロセスにおいて、静解析、座屈解析、固有値解析、周波数応答解析、ランダム応答解析、熱-構造解析、伝熱解析、音響解析といったさまざまな領域の応答を使用できます。これらに加え、システムレベルの最適化および疲労ベースのコンセプト設計・最適化のための画期的な手法も用意されています。

ロバスト設計

一般的な構造解析においては、設計や使用環境のばらつきは考慮しません。しかしこうしたばらつきは日常茶飯事であり、期待されている製品性能からの逸脱を招きかねません。製品によっては、こうした性能の逸脱を考慮することが成否を分ける可能性があります。

設計要件をぎりぎりで満たすように最適化された設計の場合は、設計の信頼性を評価し、必要であれば信頼性の要件を考慮したうえで設計を最適化することが重要です。信頼できる設計を実現することで、設計や使用環境のばらつきによって性能の逸脱が生じた場合でも設計の安全性が確保されます。

設計や使用環境のばらつきによって生じる設計性能の逸脱の幅が許容値よりも大きくなる場合は、ロバストな設計を探求することがきわめて重要です。ロバストな設計とは、性能の逸脱が許容範囲内に収まる設計のことです。

高度な最適化および確率統計機能を備えたHyperStudyでは、サンプリング法によって設計の信頼性を評価できるだけでなく、強化された逐次最適化信頼性評価(SORA)を使用して、信頼性とロバスト性に優れた設計を実現できます。信頼性とロバスト性の評価と最適化には大量の計算リソースが求められますが、サンプリング法とSORA法のどちらも、Altair独自のサンプリングアルゴリズムおよび最適化アルゴリズムによって効率良く処理できるようになっています。

Ontonix社のOntoNetは、コンポーネントやシステムの複雑性とロバスト性の特定を可能にする、エンジニアのための複雑性・ロバスト性定量化デスクトップツールです。モンテカルロシミュレーション、DOE(実験計画法)、最適化、感度解析の結果を処理して、システムの複雑性とロバスト性の値を算出できます。

性能のばらつきのポストプロセッシング

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