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設計探査ソリューション　|　HEEDS

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設計探査ソリューション　|　HEEDS

HEEDS（ヒーズ）は、米Siemens社により開発された、設計空間を探査して、設計/開発期間の短縮やライフサイクルコスト削減を実現する、複合領域解析及び設計探査 (*MDAO)ソリューションです。あらゆる商用CADやCAEツールと連携してお使いいただけます。
(*MDAO : MultiDisciplinary design Analysis and Optimization)
本ページからは製品紹介資料のほか、設計者向け熱流体解析ソフト Simcenter FLOEFDとの連携による設計最適化事例をダウンロードいただけます。

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まずは操作画面を確認したいという方へ！
HEEDS操作体験イメージ動画をご用意しました。視聴を申し込みいただくことで、HEEDSの操作動画をお好きなタイミングで視聴いただくことが可能です。動画は随時追加予定です。

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・　製品コンセプト：より良いデザインを、よりシンプルに、より早く！
・　Simcenter FLOEFDとの連携による設計最適化
 ・　HEEDSの4つの特長
 ・　設計空間探査技術とは
 ・　設計課題およびそれに対する設計探査/最適化の価値
 ・　HEEDSについて
 ・　導入事例　最適化の価値と費用対効果
 ・　Simcenter HEEDS　資料ダウンロード

より良いデザインを、よりシンプルに、より早く！

設計空間探査技術は最適化の次なる進化系といえます。局所的な探査を行う従来の最適化手法とは異なり、最新の最適化手法を用いてより広範囲で効率的な探査を行い、複数の革新的なソリューションを発見することができます。
一般的な最適化計算では、複雑な問題に対応するにはシミュレーションデータをシンプルにする必要があります。この作業には時間がかかり、革新的なソリューションを見出す能力を低下させることになります。設計空間探査技術を用いると、製品開発に影響を与えうるすべての変数を考慮するため、目標性能を制限することなく最適化計算が可能となり、複雑化した問題にも対応できます。

Simcenter FLOEFDとの連携による設計最適化

HEEDSはさまざまな商用CADやCAEツールなどと、素早く簡単に連携することができます。
一例として、設計者向け熱流体解析ソフト FLOEFDとの連携による、IGBTコントロールユニットにおけるヒートシンクの設計最適化事例をご紹介いたします。
※FLOEFD以外のソフトウェアとの連携もお気軽にお問い合わせください。

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HEEDSの4つの特長

1. プロセスの自動化

HEEDSは簡単な操作でワークフローを自動化できるため、すぐに製品開発プロセスの促進につなげることができます。また商用のCADやCAEツールなど多岐に渡るインターフェースにより、マニュアル操作やカスタムスクリプトなしで、素早く簡単に多くの技術領域と連携することが可能です。性能のトレードオフやデザインのロバスト性評価では、異なるモデル又は異なる分野のシミュレーションデータでも自動的に受け渡しをすることが可能です。

2. コンピュータリソースの分散実行

HEEDSは利用可能な全てのコンピュータリソースと連携するため、お手持ちのハードウェアへの投資効果を最大化します。これには、オンサイトまたは海外のWindowsおよびLinuxベースのワークステーションやクラスター、クラウドが含まれます。

使用例：Windowsパソコンで形状変更を自動化させ、Linuxのワークステーションで構造解析を行い、Linuxクラスター（又はクラウド）で複数コアの流体解析（CFD）を実行

3. 効率的な探査

高度な専門知識とモデルをシンプルにする専門技術が必要だった従来の最適化ツールとは違い、HEEDSは最適化の専門知識のない方に使っていただくことを想定して開発されています。性能要件を満たす、又はそれ以上のデザインを初心者でも簡単に、そして効率的に発見できるよう、独自に開発した自己学習型の設計空間探査機能を搭載しています。
この探査技術により設計空間を自動探査するため、決められた時間の中でより良いデザイン候補の発見が可能となります。

4. 可視化と気づき

HEEDSは「ロバスト性が高い」かつ「実現可能」な多くのデザイン候補の性能を簡単に比較することができます。一つの画面上で様々なプロットやテーブル、グラフやイメージ図を表示させ、影響し合う目的関数や制約条件の性能のトレードオフ関係を可視化します。可視化により、デザインへの理解を深め革新的なソリューションの発見を支援します。この機能により、生産に適した製品開発が可能となり、真のデジタルツインを確立します。HEEDSはエンジニアリングに携わる全ての意思決定者に最適なツールです。設計探査技術が組織的なイノベーション推進の原動力となることで、お客様の製品ラインナップの性能に劇的な変化をもたらします。

設計空間探査技術とは

「より良いデザインを、よりシンプルに、より早く」

設計空間探査技術は最適化の次なる進化系といえます。局所的な探査を行う従来の最適化手法とは異なり、最新の最適化手法を用いてより広範囲で効率的な探査を行い、複数の革新的なソリューションを発見することができます。
一般的な最適化計算では、複雑な問題に対応するにはシミュレーションデータをシンプルにする必要があります。この作業には時間がかかり、革新的なソリューションを見出す能力を低下させることになります。設計空間探査技術を用いると、製品開発に影響を与えうるすべての変数を考慮するため、目標性能を制限することなく最適化計算が可能となり、複雑化した問題にも対応できます。

設計課題およびそれに対する設計探査/最適化の価値

近年、製品開発を取り巻く環境は急激に変化しています。例えば、以下のような変化があります。

・変化１：グローバル化
製品の市場は国内だけでなく、世界規模に拡大しています。そのため、各社は国内だけでなく、海外の企業とも競争する必要があり、多様なニーズや規制に対応する必要があります。
また、設計、製造、調達などのプロセスが国際的に分業化され、サプライチェーンが複雑になっています。

・変化２：高度化
顧客の要求水準が高まり、製品の多機能化、高性能化、高品質化が求められています。そのため、設計においては、より高度な技術や知識が必要となり、設計プロセスは複雑になっています。

・変化３：複雑化
製品の多機能化、システム化が進み、設計対象が複雑になっています。また、製品開発プロセスも複雑になっています。そのため、設計では多数の要素を考慮する必要があり、設計プロセスが複雑になっています。

このような変化から、企業は設計プロセスにおいて様々な課題に直面しています。

これらの課題への対応は、企業の競争力を維持・向上させる上で不可欠です。
設計探査/最適化技術は、これらの設計課題に対し革新的な解決策を提案します。

（クリックして解決策を表示）
設計課題１：性能向上
多くの業界において、製品の高性能化は競争優位性を確立するための重要な要素となっています。
例えば、自動車業界では燃費と安全性の向上などが、航空宇宙業界では軽量化と構造強度の両立などが常に求められています。
これらの課題は、相反する要求間のトレードオフを考慮する必要があり、難しい課題となっています。
設計者は、材料力学、流体力学など、複数の分野にわたる深い知識と、複雑な相互作用を評価する能力が求められます。

設計探査/最適化の価値１：性能向上を実現する最適解の探査
多くの設計問題では、複数の性能目標（例：燃費と安全性、軽量化と強度）を同時に最適化する必要があります。
多目的最適化技術は、これらの目標間のトレードオフを定量的に分析し、設計者が最適な設計案を選択できるように手助けします。
例えば、放熱設計において、ヒートシンクを大きくすると放熱性は向上しますが、製品の重量が増加する可能性もあります。同時に、設置スペースの制約や振動・衝撃に対する耐久性の制約なども考慮する必要があります。
最適化技術はこれらの条件を満たしつつ、複数の性能目標をバランス良く最適化する設計案を探査します。
設計者は、最適化技術によって提示されたトレードオフを参考に、制約条件を満たし、最も望ましい性能バランスを持つ設計案を選択することができます。

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設計課題２：コスト削減
製品のライフサイクル全体にわたるコスト削減は、企業の収益性を向上させるために重要です。
製造業では、材料費、加工費、組立費などの直接的なコストだけでなく、開発費、設備費、物流費、廃棄費などの間接的なコストも考慮する必要があります。
例えば、製品設計の段階で部品点数を削減することができれば、材料費だけでなく、組立工数や在庫管理コストの削減にもつながります。
また、製品の軽量化は製造コストの削減だけでなく、輸送費や運転時のエネルギー削減にも貢献する可能性があります。

設計探査/最適化の価値２：ライフサイクルコスト削減を実現する製品形状や材料配合の探査
設計段階でのコスト削減
・部品点数の最適化によって、製品に必要な部品を最小限に抑えることができます。これにより、材料費、加工費、組立費、在庫管理費などを削減できます。
・製品の設計要件を満たしつつ、安価な材料を選定することができます。
・加工時間やエネルギー消費を削減するために、製品の形状や構造を最適化することもできます。
運用段階でのコスト削減
・製品の重量を最適化することで、輸送コストやエネルギー消費を削減できます。
・製品の圧損、トルクなどを最小限に抑える設計を行うことで、運用コストを削減できます。

（クリックして解決策を表示）
設計課題３：設計リードタイム削減
市場の変化が激しい現代においては、企業の競争力を維持するため、製品の市場投入までの時間を短縮することが重要となっています。
そのため、設計では短期間で多数の設計案を評価し、最適な設計を決定することが求められます。
最近では、製品の複雑化に伴いシミュレーションを含めた設計検証に時間がかかるようになり、設計リードタイムの長期化が問題となっています。
例えば、自動車の開発では、衝突時安全性の評価や空力性能の評価に高度なシミュレーションが必要となり、設計変更の影響を評価するためには多大な時間がかかる場合があります。

設計探査/最適化の価値３：設計者の工数削減、リードタイム削減に貢献する
設計探査/最適化技術によって設計案の評価を自動化することで、設計者の試行錯誤にかかる時間と労力を大幅に削減することもできます。
・また、シミュレーションと最適化を上手く組み合わせることで、設計初期段階での問題発見と解決も可能です。手戻りの少ない効率的な設計プロセスを実現します（”フロントローディング”の実現）。

（クリックして解決策を表示）
設計課題４：形式知化、自動化
設計者の経験やノウハウを形式知として組織的に蓄積し、共有することは、企業の知的資産を有効活用し、競争力を高める上で重要です。
しかし、従来の設計プロセスは暗黙知に依存する部分が多く、形式知化が難しいという課題があります。
例えば、熟練設計者のノウハウは図面や仕様書に明示されない場合が多く、若手への技術伝承が困難になります。
また、設計変更の履歴や設計意図が十分に記録されない場合、過去の設計を再利用することが難しくなります。

設計探査/最適化の価値４：設計案の探査を自動化できる
設計探査/最適化技術は、設計空間を自動的に探査し、多数の設計案を生成・評価します。これにより、設計者の経験や直感に頼ることなく、網羅的な探査によって、従来の方法では発見が難しかった斬新な設計案を見つけることができます。
・自動化によって、設計者の暗黙知（経験や勘）を形式知化し、組織全体で共有することも可能です。特定の設計者に依存せず、組織全体の設計能力を向上させることができます。
・設計案の選定、シミュレーション実行、結果評価などの単純な繰り返し操作を自動化することも可能です。これにより、設計者は創造的な作業に集中できるようになり、設計品質の向上に貢献できます。また、最適化ツールを用いて、多数の設計案を自動的に比較・分析し、最適な設計案を絞り込むこともできます。
・自動化は、最終的に品質向上、コスト削減、リードタイム削減に繋がる重要な技術です。

HEEDSについて

HEEDSは、このような設計探査/最適化の価値を提供する強力なツールです。

優れたGUI：リードタイム削減、設計案の探査の自動化に貢献
・設計者自身が設計探査プロセスを構築可能
・多くのCAD、CAEとの連携簡略化機能を搭載。マニュアル操作やスクリプト不要
・異なるCAE間でもシミュレーションデータを自動的に受け渡し可能

SHERPA：性能向上を実現する最適解の探査、ライフサイクルコスト削減、リードタイム削減、設計案の探査の自動化に貢献
・設計変数、目標関数、制約条件のスクリーニングが不要⇒最適化の専門家でなくても設計探査を実行可能
・SHERPAが最適化アルゴリズムとチューニングを自動で決定、調整
・空間全体を探査しつつも最適点周りを効率的に探査⇒決められた時間の中でより良いデザインを提示

コンピュータリソースの分散実行：リードタイム削減、設計案の探査の自動化に貢献
・利用可能な全てのコンピュータリソースと連携可能
・使用例：WindowsパソコンでHEEDS実行とCAD形状変更を自動化、Linuxのデスクトップで構造解析、Linuxのクラウドで複数コアの流体解析

豊富な可視化機能：性能向上を実現する最適解の探査、ライフサイクルコスト削減、リードタイム削減、設計案の探査の自動化に貢献
・一つの画面上で様々なプロットやテーブル、グラフやイメージ図を表示可能
・目的関数同士のトレードオフ関係や設計変数、制約条件の影響を分かりやすく可視化
・コストパフォーマンスの高い設計変更領域の判定

導入事例　最適化の価値と費用対効果

※本記事は、https://plm.sw.siemens.com/en-US/simcenter/integration-solutions/heeds/ の抄訳です。

■　FIME
業種：小売　家庭用ボイラー
使用ソフト：： HEEDS, Simcenter 3D, STAR-CCM+

観点	内容	成果
性能向上	ボイラーのモジュレーション比（最大出力/最小出力）を高め、より安定した燃焼と快適な温度制御を実現	5:1 → 15:1（3倍）に向上
ライフサイクルコスト削減	燃焼効率が向上し、無駄なON/OFF動作が減少。部品の摩耗や燃料の無駄使いも削減	燃料消費・部品寿命が改善
リードタイム削減設計案の探査の自動化	HEEDSが空気取り入れ口径、チョーク、穴径など8変数を最適化。変数設定＆評価を自動実行。試作に頼らず160パターン、155パターンの設計を全自動で最適化。試作回数を減らした。	スタティックミキサー：160案ダイナミックスタティックミキサー：155案を自動探索

■　Martin UAV
業種：航空　ドローン
使用ソフト： HEEDS, Simcenter 3D, STAR-CCM+

観点	内容	成果
性能向上	滞空性能、推力、効率性を高めた革新的なダクト設計	ホバリング時推力：+5.8% 巡航所要パワー：−3.8%
ライフサイクルコスト削減	実機試作せずに多数の設計パターンを検討し、開発初期コストと試作・失敗リスクを削減	プロトタイプ不要で実機性能を実現
リードタイム削減	試作レスで最適ダクト形状に到達、設計から製造への迅速な移行を実現	数100件の設計案を自動で評価・最適化
設計案の探査の自動化	HEEDSによる空力性能の多目的最適化を実施（推力と抗力の両立）	人力では数件だった評価を自動で数百パターン評価

■　Vuyk Engineering Rotterdam
業種：船舶
使用ソフト： HEEDS, Simcenter 3D, STAR-CCM+

観点	内容	成果
性能向上	船舶の「ムーンプール（海底作業用の開口部）」設計を最適化。抗力を低減し、燃費・を改善	抗力を3%以上低減
ライフサイクルコスト削減	抗力低減により燃費が改善し、年間の運用コスト削減（数百万ユーロ）が見込まれる	数百万ユーロ規模の燃料コスト削減
リードタイム削減	限られた予算・納期の中で最適設計を短期間で完成	時間・予算の制約下で最適設計を実現
設計案の探査の自動化	社内の専門知識とツールを活用して、複雑な船舶設計の課題に取り組んだ。

■　Trek Bicycle
業種：リテール　自転車
使用ソフト： HEEDS, Simcenter 3D, STAR-CCM+, Solidworks, Abaqus

観点	内容	成果
性能向上	空力性能と乗り心地の両立を実現する「チューブインチューブ構造」の最適化。水筒位置も空力的に最適化。	空気抵抗を5.5%削減
ライフサイクルコスト削減
リードタイム削減	自動実行によって解析ケース数が増加し、計算時間と製品設計時間が大幅に短縮された。	手動の設計探索回数：30〜50 → HEEDSでは500〜1,000案を自動評価（同じかそれ以下の時間で）
設計案の探査の自動化	CFD（Simcenter STAR-CCM+）、FEA（Abaqus）、CAD（SolidWorks）を連携し、複数の設計目標を同時に探索	設計変数と目的関数の相関関係が明らかになり、既知の現象に対するエンジニアの洞察が深まる。