アンセムアジアパシフィック: 3D プリント - 付加製造の高度な設計事例と完全なプロセス

©安世中独コンサルティング（北京）有限公司

目次

1 積層造形のための先進設計の概要 - 1 -
2 高度な付加設計プロセス - 2 -
2.1 トポロジー最適化 - 3 -
2.2 ポストトポロジー設計 - 3 -
2.3 格子構造の設計と最適化 - 4 -
2.4 設計検証と格子構造解析 - 5 -
2.5 パラメータの最適化 - 7 -
3 先進的付加設計の応用例 - 9 -
3.1 トポロジー最適化設計の応用例 - 10 -
3.2 トポロジー最適化とパラメータ最適化の併用例 - 11 -

1 積層造形のための高度な設計の概要 付加製造は将来の製造業の発展のトレンドであり、その利点は明らかです。複雑な軽量構造、格子構造設計、多部品統合製造など、従来の方法では製造できない設計を実現できます。積層造形は技術革命であるだけでなく、設計革命と新たな設計実現可能性をもたらします。設計概念を変えることは避けられなくなり、つまり積層造形をベースとして、積層造形技術の背後にある積層思考を設計に実践する必要があります。積層造形を設計する際には、元の設計を再検討し、積層造形と他のプロセスの違いに注意を払い、積層造形の利点を十分に発揮する必要があります。これらの違いは、積層造形に設計の機会をもたらします。付加的思考に基づくデザインは、デザインの革命です。デザインの束縛を完全に解き放ち、付加製造を指向し、製品性能主導のデザイン、つまり製品性能主導のジェネレーティブデザインを行います。この設計プロセスでは、フォワード設計がコアコンセプトであり、シミュレーション最適化がコアテクノロジーです。Ansys中徳コンサルティング株式会社がANSYSシリーズの製品をベースに、自社の応用研究開発成果と組み合わせて開発した積層造形の先進設計手法を例にとると、その基本プロセスは次のようになります。（1）製品の性能要件に基づいて、設計空間、設計条件、設計目標を定義します。（2）トポロジー最適化技術を通じて製品の概念設計形状を決定し、その中核技術はトポロジー最適化である。（3）ポストトポロジージオメトリ処理を通じて初期設計を形成し、その中核技術はモデル修復、クリーニング、スムージング、軽量設計、および格子構造設計である。（4）初期設計の性能を検証し、パラメータ最適化技術またはジオメトリ調整を組み合わせて設計を改善して完成させる。その中核技術は、シミュレーション分析、格子分析、パラメータ化、およびパラメータ最適化である。（5）物理的なプロトタイプの製造とテスト。積層造形のためのフォワード設計プロセス2積層造形のための高度な設計プロセス 完全な付加的高度設計プロセスには、次のステップが含まれます。(1) トポロジー最適化: 概念設計を決定します。（２）ポストトポロジカル構造設計：モデルの平滑化、固化、格子構造設計などを含む。（３）設計検証：設計ソリューションのパフォーマンスシミュレーションを実行し、設計要件を満たしていることを確認します。（４）パラメータ最適化：設計検証に基づいてさらに詳細な設計最適化と最終決定を行う。

トポロジー最適化に基づく付加設計プロセス2.1トポロジー最適化
トポロジー最適化は、既知の設計空間と動作条件、および設計制約に基づいて、積層造形のオーバーハング角度などのプロセス制約を考慮して、最大の剛性と最小の質量を備えた設計を決定します。材料内の最適な力の伝達経路を計算し、単位密度を最適化することで除去できる材料を決定します。最終的な最適化結果は、密度分布：0（完全除去）〜1（完全保持）です。トポロジー最適化は、従来の機能主導の経験的設計モデルに革命をもたらし、パフォーマンス主導の生成的設計を実現し、真のフォワード設計モデルになりました。 ANSYS Topology、Genesis、SolidThinking、Tosca など、トポロジー最適化のための成熟した製品は数多くあります。 2.2ポストトポロジー設計 トポロジー最適化は、材料の配置の概念設計のみを提供します。トポロジー最適化の概念設計モデルに基づいて、専門的なポストトポロジーモデル処理技術を使用してポストトポロジーモデルを処理します。トポロジー最適化の構造的特徴を最大限に保持することに基づいて、機械的要件、美的要件、および組み立て要件を満たす最終設計モデルが形成され、必要に応じてパラメーター化されて、その後のパラメトリック詳細設計が容易になります。トポロジーモデル処理後の重要な手順は次のとおりです。ニーズに応じて特定の手順を選択してください。（１）トポロジー最適化結果（保持材領域）はSTL形式でエクスポートされます。（２）シートモデル加工（クリーニング、修復、スムージング、リバースエンジニアリング等）。（３）ソリッドモデリング操作：格子構造設計、ソリッド化、モデル再構築等（４）モデルのパラメータ化（後でパラメータの最適化が必要な場合）。トポロジー後のモデル構造設計には、ANSYS Spaceclaim、Materialise 3-Matic など、シートモデルを処理およびリバースエンジニアリングできるソフトウェアツールが必要です。
ポストトポロジー設計例1.1格子構造設計と最適化
格子構造は軽量構造であるだけでなく、振動低減、騒音低減、断熱、防火などの機能構造でもあります。積層造形技術により、複雑な格子構造の広範な応用が可能になります。
ラティス構造の設計には、専門的な設計ソフトウェアが必要です。たとえば、ANSYS Spaceclaim と Materialise 3-Matic はどちらも、さまざまな組み込みラティス構造を提供しています。ユーザーはラティス構造タイプを直接選択して、選択した領域のラティス設計を自動的に完了し、パラメータを通じて充填率とサイズを制御できます。

ANSYS Spaceclaimラティス構造設計ラティス構造の設計とトポロジー最適化は、プロセスに統合できます。トポロジー最適化に基づいて、ラティス構造の最適な設計を実現できます。ANSYS Topology を例にとると、選択したラティス構造タイプに基づいて、トポロジー最適化によりラティス構造の密度を最適化できます。最適化されたラティス構造密度に基づいて、ANSYS Spaceclaim は可変密度のラティス構造を自動的に生成します。

格子構造の最適化

ホイールハブラティス構造設計1.2設計検証とラティス構造解析 トポロジー最適化設計スキームは、構造力学性能、流体力学性能などのシミュレーション方法によって検証する必要があります。そのためには、トポロジー最適化プロセスとシミュレーションプロセスの統合とデータ転送が必要です。

トポロジー最適化から設計検証までシームレスに統合ラティス構造は構造が複雑で部品数が多いためシミュレーションが難しく、特にラティス構造の最適化設計技術は解決すべき課題です。安世中徳コンサルティング株式会社は、マクロとミクロの観点とマルチスケールアルゴリズムの組み合わせに基づく等価均質化力学法を基本的な考え方とする、効果的な格子構造シミュレーション技術ソリューションを開発しました。すなわち、メソスコピック解析法（サブセル解析）に基づいて、格子構造のマクロ的な均質化された機械的特性を求め、その後、マクロ的な解析を通じて格子構造を等価的にシミュレートし、その後、メソスコピックレベルに戻って、マクロ的な計算結果に基づいて格子構造の局所的な詳細をシミュレートします。格子構造のマルチスケールシミュレーション解析の主要な技術的リンクには、（1）格子構造セルの決定が含まれる。（２）格子構造セルの均質化解析と格子構造の等価特性（等価弾性マトリックス）の決定。（３）実際の作業条件に基づいて、等価均質化処理後の全体構造を計算し、全体の変形とひずみを決定する。（４）格子構造セルの局所応力解析（均質化ひずみに基づく格子構造の強度の決定）。

ラティス構造のマルチスケール解析の基本プロセス上記のシミュレーションプロセスに対応して、Ansys Sino-German Consulting Co., Ltd. は、ANSYS Workbench に統合された特別なラティス構造シミュレーションおよび解析モジュール Lattice Simulation を開発しました。

ラティスシミュレーション1.3パラメータ最適化 トポロジー最適化の後、構造設計プロセスは設計検証段階、つまり詳細設計の最終段階に入ります。設計の最終段階とパラメータ最適化技術を組み合わせることは、詳細設計のより効果的な手段です。パラメータ最適化の一般的なプロセスには、次のステップが含まれます。(1) パラメトリックモデリング: パラメトリックCADモデル(寸法パラメータなど)とパラメトリック有限要素モデル(荷重条件パラメータ化など)を含みます。（２）パラメータ感度分析：重要なパラメータを特定し、無関係なパラメータを除外し、その後の迅速な最適化に備えるために高品質の応答曲面を確立する。（３）最適化分析：最適化の目的と制約を定義し、最適化計算のための最適化アルゴリズムを設定する。（4）設計検証：最終的に最適化された設計に対して検証分析を実施します。（５）ロバスト性信頼性評価：信頼性が要求される場合、ロバスト性信頼性解析と最適化を実施する。

パラメータ最適化の一般的なプロセスパラメータ最適化の基礎はパラメトリックモデリングです。トポロジー最適化設計に基づくパラメトリックモデリングの実装には、ANSYS Spaceclaim などの非パラメトリックモデルのパラメトリック変換ツールが必要です。このツールは、任意の非パラメトリック CAD モデルに基づいて直接パラメトリック設計を実行できるため、トポロジー後のパラメトリックモデリングに便利です。パラメトリックモデルは、ANSYS Mechanical 環境に直接関連付けることができ、ANSYS パラメータ最適化モジュール optiSLang との双方向の関連付けを実現して、パラメータ最適化設計を完了できます。

トポロジー最適化からパラメータ最適化まで、ANSYS Spaceclaim の直接パラメトリックモデリング最適化解析は、専門的なパラメータ最適化ツールに基づいています。現在主流のパラメータ最適化ソフトウェアには、ANSYS optiSLang、iSight、ModelCenter などがあります。 ANSYS optiSLang を例にとると、optiSLang は最適化設計用の多くの主流 CAE ソルバーと統合でき、ANSYS Workbench 環境に統合できます。ANSYS ソルバー (および格子解析ツール) をシームレスに呼び出して応答計算 (重量、応力、剛性、固有振動数など) を完了し、高度な最適化検索アルゴリズムを適用して最適化目標と最適化制約を満たす最適な設計変数を見つけ、最終的にパフォーマンス要件を満たす最適な設計ソリューションを得ることができます。

ANSYS optiSLang と ANSYS Workbench のパラメータ最適化プロセス図の統合2付加的な高度な設計アプリケーションの例
2.1トポロジー最適化設計の応用例 通信衛星ブラケット構造はトポロジー最適化により再設計され、44個のリベットを削除して一体型構造となり、重量が35％削減され、剛性が40％向上しました。

ロボットアームの付加設計プロセスは ANSYS プラットフォーム上で完了し、2 つのアームコンポーネントに対してトポロジー最適化が実行されます。プロセスには、トポロジー最適化、構造スムージング、モデル検証、3D プリントによる製造が含まれます。最適化の結果、最大応力と最大変形は同程度でありながら、重量が 40% 削減されることがわかりました。

3.2トポロジー最適化とパラメータ最適化の併用例
アルミ合金振動テーブルのダイナミックフレームの動作状態は振動環境であり、設計では、他の性能指標要件（強度、Q値、横方向振動、テーブル表面の均一性など）を満たしながら、1次共振周波数をできるだけ高くする必要があります。元の設計では動作周波数が低く、期待に応えることができませんでした。設計の最適化によってパフォーマンスを改善したいと考えました。最適化の目標は次の通りです。ü 質量は増加しない。 ü 垂直一次共振周波数を可能な限り高めます。 ü その他の性能指標は、元の設計と同等かそれ以上です（強度、Q値、横方向振動、テーブル振動の均一性）。
最適化プロセスは3つのステップに分かれています。(1) トポロジカル最適化：Z方向の剛性を最大化することを目的として、最小の重量で材料分布を探します。（２）パラメトリックモデリング：トポロジー最適化の結果に基づいてパラメトリックCADモデルを構築する。（３）パラメータ最適化：質量を増加せず、Z方向の１次共振周波数を最大化することを目標に最適化を行う。最終的な最適化の結果、周波数は 270Hz 増加し、質量は 1.3kg 減少し、その他の性能指標も総合的に改善されました。

このコラムは、アリアンツ・アジア・パシフィックおよびアリアンツ・チャイナ・ドイツの協力により、アンタークティック・ベアが提供しています。このコラムでは、ある種の実用的なエンジニアリング問題の解決を突破口として、付加的なプロセスシミュレーション、設備シミュレーション、付加的な設計などの方向を線として、シミュレーション+付加的な実際の応用事例とそれが工業製品のイノベーションにもたらす価値を皆さんに示します。 Anshi Asia Pacificの関係者と連絡を取りたい場合は、登録情報を入力してください https://www.wenjuan.com/s/JfUJjeq/

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