「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？～

2022年10月20日

解析について、よくお問合せ頂くご質問や素朴な疑問をご紹介いたします！
今回は、「構造最適化とは？」についてのご質問となります。ご参照ください。

（ご質問）
構造最適化シミュレーションの中でも色々な種別があり、実際の設計には、「形状最適化」が適していると聞きました。
「トポロジー最適化」などもあるようですが、よくわかりません？教えてください！　

（ご説明）
構造最適化シミュレーションには、手法により数種類の種別があります。代表的な種別としては、
　　①寸法最適化
　　②トポロジー最適化
　　③形状最適化
の３種類が挙げられます。それぞれの違いも含めて、これより、ご説明いたしましょう。

構造最適化とは？

まず、そもそも「構造最適化とは？」どういうものなのか？をご説明いたします。
通常、設計段階で強度を検討したい場合には、構造解析（応力解析）を実施されることが、一般的になってまいりました。
ただし、様々な方向からの荷重が想定される場合には、複数ケースを計算する必要があり、また、例えば軽量化を検討したい場合には、何度も形状を変更して再計算をする必要があり、どうしても試行錯誤が発生する状況となります。
この試行錯誤を自動化して、効率的に最適形状を算出する手法が「構造最適化」技術となります。
近年の技術向上により使い易いツールも登場しており、最近とくに注目されている技術となります。

３種類の「構造最適化」

それでは、この「構造最適化」の中でも主な３種類の種別について特徴をご説明いたしましょう。

① 寸法最適化
・形状に寸法を設定し、この寸法を自動的にパラメーター変動して形状変更しながら繰返し計算して最適化する手法となり、パラメトリック最適化とも呼ばれます。
・寸法変動範囲が決まっており、その中での軽量化などの検討をする目的に利用できますので、「寸法パラメータースタディ」に適した手法と言えます。

② トポロジー最適化
・ある領域内でメッシュ要素を重要度に応じて濃淡で表現する手法となります。
　寸法に依存しない自由な変動を許容するためノンパラメトリック最適化とも呼ばれます。
・基本的には、要素を削除することで最適形状を算出するため、穴があく等の複雑な形状が出力されます。
　現実には製造できないような形状が出力される場合もあるため、＜アイデア検討＞に適した手法と言えます。

③ 形状最適化
・形状の境界を自由に変動させる手法、具体的には、メッシュ要素形状を変動させる手法となります。
　こちらも自由な変動を許容するノンパラメトリック最適化の一種となります。
・境界変動の手法であるため、現実的な最適形状を算出できる利点があり、さらに、具体的な設計値となる応力値や変位値を満たす計算も実施可能であり、最も実用的な点が特徴となります。
・また、この手法では、重量を減らす軽量化検討だけでなく、補強リブ生成などの増やす方向の最適形状検討も可能となっており、一般的に最も＜設計＞に適した手法と言えます。
・この実用的な機能を搭載したツールは、まだ少ない状況となります。
　　　※構造最適化「HiramekiWorks」には搭載されております。詳細は以下のページをご参照ください。
　　　HiramekiWorks （ヒラメキワークス）｜SOLIDWORKSアドイン構造最適化ソフトウェア

・３種類の「構造最適化」概要一覧は、下記となります。

・「構造最適化」機能が利用できる具体的なツールとして下記の２つがございます。
　（１）構造解析SOLIDWORKS Simulation　：　①寸法最適化　＋　②トポロジー最適化（パーツのみ）
　（２）構造最適化HiramekiWorks　：　②トポロジー最適化（アセンブリも可能）　＋　③形状最適化
　　　※設計検討に適した「③形状最適化」が実施可能なツールは、他にあまり無い特徴的な機能となります。

まとめ

さて、今回は、設計開発の劇的な効率化が得られる可能性を秘めている「構造最適化」技術について、ご説明させて頂きましたが、お分かりいただけましたでしょうか？
実際に取り組まれる設計課題に応じて、どのような手法が適しているのか？参考にして頂ければ幸いです。
解析検討されたい目的に合わせて、適材適所でシミュレーションを上手く活用しましょう！！

[From T.Yamamoto]

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