トポロジー最適化
トポロジー最適化とは、設計したい空間にどのように材料を配置すれば最適な構造となるのかを提案してくれる手法です。設計の強度を高めると同時に、重量と材料使用量の削減を達成できます。
トポロジー最適化は、設計者、エンジニア、解析担当者向けのテクノロジーです。設計プロセスの初期段階に組み込むことで、最適な設計案を見極めやすくなります。また、試行錯誤の必要がなくなるため、設計コンセプトの迅速な作成と設計の修正回数の削減を実現できます。
トポロジー最適化のメリット
効率がよく、軽い構造
生物の形は環境条件の産物であるため、審美的に見て美しい上に効率がよく、機能性にも優れている傾向にあります。例えば骨は、環境からの刺激に対応した構造を生み出す自然の力を垣間見せてくれる、素晴らしいお手本です。 こうしたアルゴリズムを基盤としたトポロジー最適化ソリューションが作り出した形状や形は、様々な分野で効率がよく軽い構造のデザインに利用可能で、製品設計や建築におけるアイディア構築段階に貢献します。
殻を破るインスピレーション
トポロジー最適化テクノロジーは、究極的にはデザイナーや建築家にとって補完的なアイデア生成装置、またコンピュータを使ったインスピレーションの源としての 役目を果たします。
最適化技術の先駆者として
アルテアは、最適化ソリューションのパイオニアとして30年以上にわたりその役割を果たしてきました。軽量で持続可能、かつイノベーティブな製品設計を可能にするシミュレーション技術の開発とコンサルティングを続けています。
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トポロジー最適化の適用フロー
トポロジー最適化の最初のステップは、設計空間のFEM（有限要素法）モデル作成です。設計空間とは、構造物が存在してもよい設計範囲です。他の部品との干渉が生じる箇所等、設計空間以外の空間は、設計範囲から除きます。
この設計空間モデルに対して、与えられた条件下でトポロジー最適化を適用します。すると、設計空間の不要な部分が削られて、構造として必要な部分のみが残った形状が生成されます。この形状は、工学的な要件を満たしているだけでなく、過去の経験や従来の設計手法からは求めることのできない斬新なデザインとなることが多くあります。
均質化法
最近主流となっている均質化法と呼ばれる手法を用いたトポロジー最適化では、0 から1 の間で変化する各要素の仮想の密度を設計変数として使用し、その密度値が各要素の“必要性” を表している、と考えます。すなわち、密度が0.0 の要素は（実際には計算の安定性のために完全に0 にはしないが）構造上不要であり、1.0 の要素は必要であると考えます。
実際の計算では、密度は0.0 か1.0 に離散的に完全に分かれるわけではなく、中間的な密度を持つ要素が生じる場合が多くあります。その場合は材料配置が必要となる領域の境界を明確にするため、密度のしきい値を設定し（例えば、0.6）、それより高い領域のみに材料配置（構造部材）が必要と考えます（ちなみに、最近のトポロジー最適化手法ではこのような中間密度要素をなるべく生成しないような工夫が凝らされています）。
あらゆる製造方法に対応するトポロジー最適化
業界をリードするアルテアのトポロジー最適化ツールには、複数の製造プロセスに焦点を当てた形状最適化が含まれています。 これらのトポロジー最適化ツールは、複数の異なる製造方法のルールと仕様を考慮し、順守するように構築されています。 これらの制約には、対称形状、型抜方向、キャビティの回避、オーバーハング角度などが含まれます。
トポロジー最適化ソフトウェア
Altair® OptiStruct®
Altair OptiStruct はCAE エンジニアを中心とした幅広いユーザーを対象としたハイエンドの構造解析・最適化ツールで、構造解析に必要となるほとんどの解析機能（応力 / 剛性、振動騒音、伝熱、接触、大変形、弾塑性 / 超弾性、疲労寿命、マルチボディダイナミクス等）を備えています。最適化に関しても、業界のパイオニアとして約30年以上の歴史を持ち、トポロジーをはじめとして、自由な組み合わせが可能な寸法 / フリー寸法 / 形状 / フリー形状 / トポグラフィーの各最適化を有しています。また、解析結果のほとんどを目的関数や制約条件の応答として使用可能で、設計プロセスの初期段階でのコンセプトデザインの生成から最終段階での微調整のための最適化まで、全ての段階で活用することができます。
Altair® Inspire™
Altair Inspireは、革新的な使用感と格段に容易な操作性を有した、設計者のための総合的な構想設計環境です。Altair Inspireでは有限要素メッシュ作成に煩わされることなく、CADモデルを利用してトポロジー最適化テクノロジーをベースにしたコンセプトデザインを簡単に生成することが可能です。Altair Inspire自身もCADに匹敵するモデル作成・編集機能を有しており、CADモデルが存在しない設計プロセスのごく初期の段階においてもゼロからコンセプトデザインを創出できます。
活用事例
トポロジー最適化解析を用いたCFRP 3Dプリンターによるドローン製作の取り組み紹介 - ATC Japan 2023
＜ATC Japan 2023ユーザー講演＞
今後更なる需要拡大が見込まれる物流や農林業、インフラ点検といった産業用ドローンにおいて、積載容量アップや飛行時間の長時間化などのドローン性能向上にはドローンフレームの軽量化設計が必要となってくる。一方で、軽量化に伴う過度な剛性低下は、耐久性や飛行安定性能の低下に繋がるため、トレードオフ関係にある軽量化と高剛性化を同時に満たすフレーム設計を行うことが非常に重要であるが、その難易度は高い。そこで、トポロジー最適化解析と機械学習技術を組み合わせることで軽量化と高剛性化を両立させたフレームを設計し、炭素繊維複合材3Dプリンターで製作した産業用ドローンのコンセプト機の開発事例について紹介する。
株式会社中央エンジニアリング
航空宇宙事業部 部長
志谷 徹氏
