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。

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。

自然の原理を最大限に活用した3Dプリント電動バイク開発

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。

「未来の自動車づくり」を支える開発プロセス革新

最適化技術の先駆者として

Altair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。

最適化技術の歴史

トポロジー最適化を用いた設計プロセス(画像提供:フォルクスワーゲンAG)

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。

トポロジー最適化結果の材料配置領域の明確化

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)。

活用事例

トポロジー最適化は、自動車、航空宇宙、電化製品、造船、建築などの様々な分野に活用されています。

トポロジー最適化が作り出す画期的な設計アイデアを利用することで、設計プロセスでの試行錯誤を大幅に削減し、劇的な軽量化や剛性強化を可能にしています。



トポロジー最適化 活用事例一覧

トポロジー最適化の事例一覧

トポロジー最適化ソフトウェア

Altair OptiStruct

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。

OptiStructの製品概要 | 活用事例

Altair Inspire

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超初期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。

Inspireの製品概要 | 活用事例