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最適化や解析の効果的な活用には ツールの密な連携が必須だ

シミュレーション技術の進歩によって、製品の機能や工場内での作業の様子を忠実に再現できるようになった。ただし、実際の設計現場で活用したり、製造技術の高度化に対応したりしていくためには、モデル化や解析手法、最適化など一つひとつの要素技術が優れているだけでは足りない。様々な要素技術を連携させながら、必要に応じて適宜活用できるようにするための統合環境が欠かせない。ダッソー・システムズの高橋直希氏が、シミュレーションをフル活用した設計事例を基に、多様なツールを連携させる統合環境の役割の重要性を解説した。

高橋 直希氏
ダッソー・システムズ
3DSバリューソリューション事業部
シニア・テクニカル・セールス・マネージャー

 モデリング技術とシミュレーション技術の進歩は著しい。これによって、製品の機能や動き、工場内での生産の様子などを、実際のモノの動きと見分けがつかないほど忠実にコンピューター上で再現できるようになった。ただし、こうした進んだ技術が、本当に製品の設計や製造の効率化に貢献できているのかと言えば、何らかの課題や不安を感じているマネジャーが多いのではないか。

 ダッソー・システムズ 3DSバリューソリューション事業部シニア・テクニカル・セールス・マネージャーの高橋直希氏は、「要素技術の進歩を、開発や製造段階で効果的に活用するためには、統合化した開発環境の上で要素技術を組み合わせ、自在に活用できることが非常に重要なポイントになります」という。

最適化ではツール連携が必須

 設計におけるシミュレーション技術の活用という観点では、与えられた目的関数・設計変数・制約条件の下で、性能がより優れたデザインを自動設計する最適化技術が注目されている。中でもトポロジー(位相)最適化は、人間では思いつかないような合理的な形状を探り出す手段として、様々な工業製品の設計に利用されるようになった。

 実際に最適化技術を設計で生かすためには、様々なシミュレーションツールを、適宜使い分けながら作業を進める必要がある。オートバイのブレーキディスクの設計を例に採り、最適化作業の手順と、ツールの使い分けを見てみよう。

 ブレーキディスクの設計では、様々な要求を同時に満たす形状を探り出す必要がある。振動・熱問題への対処、剛性の確保、応力の低減、疲労寿命の延長、軽量化などが、仕様に応じて具体的に要求される。手順としては、物理的な挙動を把握し、設計パターンを絞り込む。次に、軽量化など注力する設計目標に向けたコンセプト設計を行っていく。そして、詳細な構造設計を行い、最期に信頼性を評価する。トポロジー最適化は、コンセプト設計の部分で適用する(図1)。

図1 ブレーキディスクの形状最適化の設計フロー
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最適化手法を使い分け

 設計パターンの絞り込みは、以下の点を念頭に進めていく。

 まず、ブレーキを使うことで発生した熱によってフェード現象を引き起こさないように、空気を通して効率的に冷却する穴を、ブレーキパッドとの接触面を確保するための部分であるアウターローターに空ける。十分な冷却ができる穴を空けながら、強度とブレーキ性能を維持できるように穴を配置することが重要になる。この穴の数と配置と形状を最適化する。

 最適化する設計パラメーターとして、穴の半径、アウターローターに配置する時の穴の数、穴の角度などを指定する。次に最適化するための、データとツールの連携を設定する。具体的には、「形状パラメーターの準備」「数値処理」「熱伝達解析の実行」「解析結果の抽出」といった作業を、パラメーターやデータを受け渡しながら、円滑に処理を進めていけるようツール間の連携を取る必要がある。

 ここまで準備したうえで「目的関数として部品温度の最小化」「設計変数として穴の半径」「数、角度、制約条件としてブレーキ面の面積」を設定して、最適化計算を始める。

 次はコンセプト設計である。ここでは、インナーローターの形状を、トポロジー最適化を活用することによって、より高性能かつ軽量なデザインを探り出す。

 まずトポロジー最適化のための設定を行う。設計領域としてインナーローターを指定し、目的関数として形状全体の剛性の最大化を設定する。制約条件としてはインナーローターの体積を、幾何学的制約(周期対称)、製造条件などを付加する。そして、最適化計算を実行し、条件に合った設計案を得る。

統合環境で最適化を円滑に実行

 ここで示したブレーキディスクの設計事例では、一連の最適化の結果、剛性が2倍になった一方で、重量は30%の軽量化し、冷却効率も大幅に改善した。また、設計を進める過程で耐久性の評価も行っている。得られた設計案は、回転方向に合わせて非対称な形状になっているが、これは部品間の接触という非線形性を考慮した結果で、なかなか人間では導き出すことが難しいものになった。

 最適化による成果を得るには、ツールの連携など綿密な下準備が必要であることも事例から分かる。前述した最適化を実施するためには、ダッソー・システムズのシミュレーションツール群がフルに必要となる。具体的には、マルチフィジックス・シミュレーション・ソフトウエア「Abaqus」、穴の配置を決めるのに利用した設計プロセスの自動化・最適化ソフトウエア「Isight」、トポロジー最適化ソフトウエア「Tosca」、疲労・耐久性の評価ソフトウエア「fe-safe」を活用している。ダッソー・システムズでは、これら複数のソフトウエア機能を単一のライセンス形態で提供することが可能だ。

 また、実際の製品開発の現場では、一人の設計者がすべての設計と解析を行うのではなく、チームで行う場合がほとんどだ。このため、設計や解析を円滑に進めるためには、チームでの連携も重要になる。要素技術の進歩に伴って、専門知識や成果物の共有、作業プロセスの再利用、難易度に応じた役割分担、タスクスケジュールの管理、顧客要求・要求性能との紐付け、実験結果・技術資料との紐付けなどが大きな課題になりつつある。

 ダッソー・システムズでは、「3DEXPERIENCE」という新しい製品の上で必要なシミュレーションツールを統合し、設計で扱うデータ、ツール、組織・ヒトの間の連携を円滑に取りながら、同じ操作環境で扱えるようにしている。事例で用いたツール以外にも、様々な解析に対応するツールを用意している(図2)。

図2 データ、ツール、組織の連携を実現する「3DEXPERIENCE」
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