【構造最適化】構造最適化の事例紹介　vol.3　機械部品の軽量化

2020年12月17日

今回は軽量化を目的として、部品の剛性は保持したまま質量を最小にする設計改善事例をご紹介します。

質量最小化

Fig.1 に、設計改善を施す部品（形状はModel Mania®を参考）を示します。
この部品は中央にある穴で固定されており、左右の円筒内面に荷重が作用します。
今回は、Table.1 に示す力が円筒部に作用するとして、剛性を維持したまま質量が最小となる形状を HiramekiWorks によって求めます。

Fig.1 対象となる機械部品 ( Model Mania®を参考 )

Table.1 荷重・拘束条件

最適化の条件を以下にまとめます。

目的
部品の質量を最小にする

制約
部品全体の剛性を元の形状から変化させない

製造制約
① Fig.2で示す面の形状は変更しない
② 肉厚の下限値は2.5 mm

その他の条件
最大反復回数：200回

Fig.2 形状を変更しない面

まずは最適化後のおおよその形状を把握するため、粗いメッシュで計算した結果をお示しします。Fig.3 がその結果です。


(a) 上から見た図	(b) 下から見た図

Fig.3 粗いメッシュで計算した結果(反復50回目)

Fig.3 に示すように、上面と下面の両側でシェルのような構造が形成されていることがわかりました。
今回は、両方向に対して型抜きができるように、Fig.4 のように部品を二つにわけて計算をさせます。
荷重や拘束条件は Table.1 のまま、製造上の制約についても Fig.2 と同じ箇所に設定し、上下の部品ごとに異なる方向に型抜き可の制約を与えます。

Fig.4 2つのパーツからなる機械部品

Fig.5 に結果を示します。上下に肉抜きされ、外周部にリブが立つような形状が得られました。
Fig.6 はコンター表示を消して可視化した結果です。
部品を上下で分けましたが、接合している部分も移動していることがわかります。


(a) 等角投影図	(b) 上面図

Fig.5 HiramekiWorks による形状最適化結果

Fig.6 コンター表示無しの形状最適化結果

それでは肝心の質量の変化を見てみましょう。
Fig.7 は、横軸に反復回数、縦軸に質量を取ったグラフです。
最適化計算前の部品の質量は 294.99 g に対し、最適化計算後の質量は 210.88 g と約 28.5% の質量削減に成功しました。
また、軸が通る部分の形状拘束や両方向への型抜き可など複数の製造制約を考慮した解析ができております。

Fig.7 最適化計算中における機械部品の質量の推移

複数の条件下での最適化は、設計改善プロセスにおいて試行錯誤が必要となるため、全体の工数が長くなる要因の一つです。
最適化シミュレーションの導入は、こうした試行錯誤をコンピュータが肩代わりしてくれるため、全体の工数を大幅に削減できます。
計算に使用したワークステーションのスペックおよび計算時間を Table.2 に示しますので、参考にしてください。

Table.2 計算に使用したワークステーションのスペックと計算時間

次回予告

次回は、形状最適化後のメッシュ形状改善について、実際の操作手順を含めてご紹介します。

[From K.Takabatake]

CPU	Intel Xeon W-2123 @3.60GHz
コア数	4
RAM	32 GB
計算時間	2 h 6 m 30 s

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