最適化設計解析

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デザインレビュー(DR)における解析結果の分析と最適設計のご提案

今まで手作業で行なっていたANSYSの解析結果の裏付の可視化やその他の解析を、自動で連続実行し、解析を効率化するだけでなく、最適化アルゴリズムを用いた解析や、データ分析などを考慮した最適設計を実現する事例をご紹介いたします。

デザインレビュー(DR)における解析結果の分析と最適設計のご提案

放熱フィン形状の最適化

伝熱解析における放熱フィン形状の最適化を行いました。放熱フィン部の高さ・厚み・枚数を様々に変更し、最大温度が最小になる形状を探索する。

放熱フィン形状の最適化

稼動時の熱変形を考慮したロバスト光学設計

複写機を模擬したこのモデルは、光源の発熱により熱変形がおきます。
この影響により筐体上に設置されたレンズは、設計値に対してズレた位置となるため、光学性能が低下することが予測されます。
そのため、この問題では筐体形状を変化させながら、それぞれの筐体形状に対して、熱変形前後でのスポット径の差異が最小となるレンズ形状を最適化により探索しています。その結果、初期設計に対して、熱変形後のスポット径を平均57%改善しています。

「稼動時の熱変形を考慮したロバスト光学設計」の詳細

MEMSくし型フィンガー形状の静電場解析による最適化設計

静電場解析におけるMEMSくし型フィンガー形状の最適化を行い最適解の算出、設計の不確定要因(バラツキ)が応答に及ぼす影響(ロバスト・信頼性解析)を取り入れた最適化を行っています。

「MEMSくし型フィンガー形状の静電場解析による最適化設計」の詳細

熱流体構造連成解析によるプレス成型金型の最適化

プレス成型工程における金型の温度や応力の不均一性による被加工材の品質低下を防止する為に熱流体解析と構造解析を連成させ、金型の最大変位量を制約とし、温度ムラが最小となる最適な水冷管の配置形状を決定する。
(第19回 日本機械学会 設計工学・システム部門講演会発表事例)

フレームの最適化

自転車のフレームは可能な限り軽くあると同時に、走行時の荷重に耐えうる強度を持っている必要があります。この事例ではANSYSによる解析を行い、最大応力と固有振動数の制約条件を満たしながら、質量を最小化した最適化モデルを決定しました。質量に関しては26%もの改善を得られました。

寸法変更を伴う最適化設計

形状変更させるためにCADをフローの中に取り込んだ場合、リメッシュの失敗やメッシュ形状が変わることによる数値誤差といった問題が存在します。本事例ではコンロッドの応力解析においてパラメトリックメッシュモーフィングツールのANSYS ANSYS ParaMeshをフローの中に取り込むことで、CADによる形状変更の必要が無く、形状変更はメッシュのモーフィングによって代用することができるようになりました。ANSYSとの連携により最大応力を最小化した最適設計を得ることができました。

ロバスト性・信頼性手法を用いた自動車サブフレームの最適化

自動車のサブフレームの振動周波数についての事例です。このサブフレームには7次モードが490Hz以下でなければならないという安全基準がありました。しかし初期設計ではこの基準を満たしていなかったため、最適化によってこの基準を満たすような設計を決定しています。本事例ではロバスト・信頼性も考慮しバラツキがあったとしても基準が満たされる設計を探索しています。Optimusが搭載しているロバスト・信頼性手法の有効性が示された事例です。

実使用を考慮したブレーキ鳴き現象の最適化

ディスクブレーキ動作時のブレーキ鳴き現象に関して、以前行なわれた最適化をさらに発展させました。製造時における寸法誤差、ブレーキパッドの磨耗、気象条件、潤滑材の有無などの不確定要素をばらつきとして設計に取り込み、これらの不確定要素が存在したとしても使用に耐えうるディスクブレーキの最適設計を行いました。Optimusのロバスト・信頼性設計の機能により、評価している固有値の数値のバラツキが使用条件の範囲内に収まるような最適設計を行なうことができました。

モバイルPC内のCPU冷却性能の最適化

モバイルPCの開発において重要な課題となっているCPUの冷却には、内部の空気量や熱を制御するヒートシンクの配置やファンスピードが大きく影響しています。
本事例では、ファンのトルクを制約とし、モバイルPCから排出される空気流量を最大化させる最適なヒートシンクの配置とファンのスピードを算出しています。結果、空気流量を30%増加させる最適解を算出しました。

混合タンクの最適化

FluentによるCFD解析の流れを自動化し、混合タンク内の流れの沈殿を最小とする3つの回転羽根の最適な垂直位置を算出した事例です。
タンクの設計においては、壁面のせん断応力の低い領域の流体の沈殿が問題となりますが、タンク内のトルクを制約とした最適化計算の結果、この領域を21%減少させる最適な回転羽根位置を算出しました。

軸流タービンノズル形状の最適化

ANSYS CFXを利用した軸流タービン翼の最適化事例です。形状作成ツールBladeGen、メッシュ作成ツールCFX-TurboGrid、解析ソルバーCFX を連携させ、より高性能なタービン形状を決定しています。翼形状を設計パラメータとして、評価する出力値は圧縮効率と流出角度偏差になります。トレードオフ関係が見られる出力値同士に対し、多目的最適化を行なっています。また応答曲面モデルも活用して計算時間が必要となる流体解析においても計算コスト削減を実現しています。

実用性を考慮したロバスト性・信頼性手法を用いた最適化

ロバスト・信頼性設計に必要な各種手法の特徴の説明と実行例も含めた充実した内容の事例です。ANSYS Icepakを用いた熱流体解析によりノートパソコンモデルの内の解析を行いました。放熱フィン形状のバラツキに対しても筐体内温度が制約条件を満たすように最適設計を行ないました。計算回数を多く必要とするモンテカルロ法以外のロバスト・信頼性の手法を搭載したOptimusだからこそ実現できた事例です。
(第8回最適化シンポジウム2008発表事例)

構造・制御同時最適化の提案(スマート構造物)

ハードディスク、光ディスク、自動車、高層ビル、工作機械、ステッパなどなど、制御系を内蔵した構造/機構系に属する製品は枚挙に暇がありません。本事例ではそれら制御-構造の同時最適化のメリットと必要性を示し、Optimusが実現可能にする制御-構造の同時最適化について紹介しています。実際に、MATLABとANSYSを利用して制振制御の解析を行い、構造系の寸法と制御系の重み行列をパラメータとして最適化を行った事例です。

深絞り加工後のスプリングバック最適化

塑性加工分野における最適化手法の一提案として、深絞り加工後のスプリングバック時におけるはね返り量を最小化する最適化を行ないました。板厚だけではなく、摩擦係数も設計パラメータとすることで被加工材の材質に関しても考慮しました。ANSYS/LS-DYNAによる深絞り解析後に、ANSYSの静解析により残留応力から変位量を求め、スプリングバック時のはね返り量としました。最適化後の設計においては、はね返り量について72%の改善が見られました。
(第59回塑性加工連合講演会発表事例)

スプリングバック時のはね返り量の目標最適化

ANSYS Workbenchの構造非線形解析を利用した板成形解析。加工後のスプリングバック時におけるはね返り量が所定の範囲に抑えられるような板の曲げ半径を決定しました。本事例では実験計画法と応答曲面モデルを活用し、設計空間の分析により有効な設計パラメータの判別を行なっております。またこのアプローチにより最適化計算に必要な繰り返し計算回数を大幅に削減できました。

 

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