【構造最適化】トポロジー最適化を活用したビームの配置検討

2025年02月17日

今回は設計にトポロジー最適化を活用する際に、設計課題に対して最適化結果をどのように考察するかを考えたいと思います。
トポロジー最適化ってなに？という方は下記記事をチェックしてみてください。
「解析なんでも相談室 vol.7」　～構造最適化とは？設計には形状最適化が適している？～

トポロジー最適化と再モデリングについて

他の最適化手法と比較した際のトポロジー最適化の強みは、形状自由度の高さです。
構造の最適化問題を、設計領域内における材料配置として考えるため、寸法や既存の形状の枠組みにとらわれず、より力学的に理にかなった形状を導出できるという点で、製品の軽量化への活用が期待される技術となっています。

形状自由度の高さについてはメリットもある一方で、形状の自由度が高いがゆえに、最適化された形状をそのまま再現しようとすると、3Dプリンターを使用する必要がある場合などもあり、製造性の面で課題が生じる場合があります。

弊社にある3Dプリンターで作成したトポロジー最適化の結果形状

今回は、最適化形状から最適化形状の力学的な根拠を抽出し、設計案に活用する一例をご紹介したいと思います。

モデルケース「フレームのビーム配置問題」

トポロジー最適化の最適化結果の考察について、フレームの補強案検討を例に考えたいと思います。
フレームの補強は既存の決まった部材を使用するケースが多いため、トポロジー最適化の結果から、設計案に活用できるアイデアを抽出する必要があります。

対象のフレームの初期形状

荷重条件、最適化条件については以下の設定としました。

解析条件と最適化条件

トポロジー最適化の計算結果は以下になりました。

トポロジー最適化の計算結果

※ラフなメッシュで計算を実施したため、形状が途切れています。

最適化結果から、各フレーム面の最適化形状に着目することで、最適化形状の力学的な意味を考察し、それらの特長を部材の組み合わせに置き換えた補強案を作成しました。

フレーム各面の最適化形状の考察

最適化形状の考察から考えた補強案

まとめ

今回の最適化計算では、トポロジー最適化を活用することで最適形状を導出し、最適形状のそれぞれの領域がどのような力学的な意味があるかを考察し、補強案の作成に活用しました。
「解析事例: アーム部品の軽量化事例」の記事でも最適化結果に対する考察を行う例を紹介していますので、気になる方はご確認ください。
https://www.sbd.jp/case_list/example/hiramekiworks-arm.html

[From K.Tsukidashi]

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