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形状最適化で相手部品との干渉を考慮した形状検討【構造vol.10】

2024年03月21日

これまでの技術コラムでは形状拘束と呼ばれる、ある面の形状を変えない、もしくは面直方向だけ形状を変えないなど、ピンポイントで形状を縛りながら、形状を導出していく事例を紹介してきました。

参考URL:
サステナブルなものづくり 強度アップ×軽量化の美味しいところ取りの設計を考える【構造 vol.7】
トポロジー最適化×形状最適化で大胆な設計変更【構造 vol.8】

しかしながら、上記の形状拘束を面に指定すると、指定した方向は完全に形状が変わらないことを前提としています。そのため、例えば相手部品が少し離れたところにあり、干渉を避けるという意味で「この領域までは形状が動いていい」、逆に「この領域までは形状が動いてほしくない」というような、もう少し自由度のある制約をかけたいケースがあるかと思います。
形状最適化にはこれまでご紹介した形状拘束だけでなく、便利な制約機能があり、今回は「干渉不可領域」というものを活用した解析例を紹介いたします。

例えば、今回は蓋の形の部品を例に考えていきます。
この部品を運搬する際には、重みで変形しないことを考慮しつつもできる限り多く重ねて、運搬することが望ましいです。今回はそのような理由から一つ一つを軽量化し、かつ現形状と同じくらいに変形しづらい、つまりは剛性を保つ形状を目的に形状最適化を行います。

今回は以下の図のような蓋の部品を想定して計算を行います。



蓋を積み重ねることを前提に設計を考えると、内面側に大きな突起のようなものが立ってしまうと、下に重ねる蓋と干渉してしまいます。そうすると蓋をうまく積み上げることができないので、下の部品に干渉しないように形状変更しなければなりません。


(図2)上:製品形状、下:製品積み上げ時のイメージ


そこで今回は、蓋の内側の形状を変更し、質量を削減し、かつ剛性を現形状と同様となる形状を求めて計算を行います。
今回のケースでは以下の図のように水色の領域部分を干渉不可領域として設定します。
3㎜までは形状変更を可能とし、その先には干渉できないように設定します。


(図3)解析モデル断面表示 グレー部:解析対象、水色部:干渉不可領域


境界条件ですが、上面には積みあがった蓋から受ける10㎏相当の荷重を与え、底面部を完全拘束します。




(図4)境界条件 左:荷重条件、右:拘束条件


上記境界条件のもと、形状最適化の条件は以下のとおり設定します。

目的:設計領域の質量最小化
制約:剛性比 元形状と同等(100%)
製造制約:干渉不可領域(詳細上記)
     内側面のみ形状変更(外側面は形状が変わらないように形状拘束で設定)

計算結果が以下となります。
先に述べたように現形状から剛性が変わらないながらも内側面だけ形状変化で質量は34%減少することができました。




(図5)形状最適化 内側面結果(右図は断面表示)


今回肝心となる干渉不可領域の効果は以下になります。
干渉不可領域として設定していた箇所には干渉せず、形状が変わっています。



(図6)形状最適化結果断面表示


いかがだったでしょうか。
干渉を考慮した形状変更の検討が必要な際や形状変動量に制限を加える必要がある場合には是非役立ててみてください。

[From K. Mikuni]

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