トポロジー最適化

トポロジー最適化とは、設計したい空間にどのように材料を配置すれば最適な構造となるのかを提案してくれる手法です。

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最適化技術の歴史 1990年代から未来へ 1990年代、Altairがトポロジー最適化の汎用ソフトウェアの開発を始め、今も活躍する最適化技術の礎を築きました。現在も、軽量で持続可能、かつイノベーティブな製品設計を可能にするシミュレーション技術の開発にまい進しています。 最適化の歴史
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自然の原理を最大限に活用した、3Dプリント電動バイク“Light Rider” トポロジー最適化、新素材、積層造形法の融合により 常識を覆す軽量設計が誕生 事例を読む

トポロジー最適化の最初のステップは、設計空間のFEM(有限要素法)モデル作成です。設計空間とは、構造物が存在してもよい設計範囲です。他の部品との干渉が生じる箇所等、設計空間以外の空間は、設計範囲から除きます。

この設計空間モデルに対して、与えられた条件下でトポロジー最適化を適用します。すると、設計空間の不要な部分が削られて、構造として必要な部分のみが残った形状が生成されます。この形状は、工学的な要件を満たしているだけでなく、過去の経験や従来の設計手法からは求めることのできない斬新なデザインとなることが多くあります。

トポロジー最適化を用いた設計プロセス
トポロジー最適化を用いた設計プロセス(画像提供:フォルクスワーゲンAG)

設計プロセスの初期検討段階からトポロジー最適化を利用し、最適なコンセプトデザインから設計をスタートさせることにより、設計の試行錯誤回数を劇的に削減できるだけではなく、画期的な軽量化を達成します。

トポロジー最適化結果の材料配置領域の明確化

トポロジー最適化結果の材料配置領域の明確化

最近主流となっている均質化法と呼ばれる手法を用いたトポロジー最適化では、0 から1 の間で変化する各要素の仮想の密度を設計変数として使用し、その密度値が各要素の“必要性” を表している、と考えます。すなわち、密度が0.0 の要素は(実際には計算の安定性のために完全に0 にはしないが)構造上不要であり、1.0 の要素は必要であると考えます。

実際の計算では、密度は0.0 か1.0 に離散的に完全に分かれるわけではなく、中間的な密度を持つ要素が生じる場合が多くあります。その場合は材料配置が必要となる領域の境界を明確にするため、密度のしきい値を設定し(例えば、0.6)、それより高い領域のみに材料配置(構造部材)が必要と考えます(ちなみに、最近のトポロジー最適化手法ではこのような中間密度要素をなるべく生成しないような工夫が凝らされています)。

活用事例

トポロジー最適化は、自動車、航空宇宙、電化製品、造船、建築などの様々な分野に活用されています。

フルカスタマイズ可能な炭素繊維製自転車用のチタン製接合部品を積層造形で製造

Robot Bike社:フルカスタマイズ可能な炭素繊維製自転車用のチタン製接合部品を積層造形で製造事例を読む

トポロジー最適化の事例一覧

トポロジー最適化ソフトウェア

Altair OptiStruct

Altair OptiStruct はCAE エンジニアを中心とした幅広いユーザーを対象としたハイエンドの構造解析・最適化ツールで、構造解析に必要となるほとんどの解析機能(応力 / 剛性、振動騒音、伝熱、接触、大変形、弾塑性 / 超弾性、疲労寿命、マルチボディダイナミクス等)を備えています。最適化に関しても、業界のパイオニアとして約30年以上の歴史を持ち、トポロジーをはじめとして、自由な組み合わせが可能な寸法 / フリー寸法 / 形状 / フリー形状 / トポグラフィーの各最適化を有しています。また、解析結果のほとんどを目的関数や制約条件の応答として使用可能で、設計プロセスの初期段階でのコンセプトデザインの生成から最終段階での微調整のための最適化まで、全ての段階で活用することができます。

OptiStructの製品概要 | 活用事例

Altair Inspire

Altair Inspireは、革新的な使用感と格段に容易な操作性を有した、設計者のための総合的な構想設計環境です。Altair Inspireでは有限要素メッシュ作成に煩わされることなく、CADモデルを利用してトポロジー最適化テクノロジーをベースにしたコンセプトデザインを簡単に生成することが可能です。Altair Inspire自身もCADに匹敵するモデル作成・編集機能を有しており、CADモデルが存在しない設計プロセスの超初期段階においてもゼロからコンセプトデザインを創出できます。

Inspireの製品概要 | 活用事例