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JP5467810B2 - Mechanical structure shape design method, shape design apparatus, shape design program, and shape design program recording medium. - Google Patents

Mechanical structure shape design method, shape design apparatus, shape design program, and shape design program recording medium. Download PDF

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JP5467810B2 JP2009170509A JP2009170509A JP5467810B2 JP 5467810 B2 JP5467810 B2 JP 5467810B2 JP 2009170509 A JP2009170509 A JP 2009170509A JP 2009170509 A JP2009170509 A JP 2009170509A JP 5467810 B2 JP5467810 B2 JP 5467810B2
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Description

この発明は、例えば、自動車の車輪用軸受であるハブ軸受などの転動体を有する機械構造物形状設計方法、形状設計装置、形状設計プログラム、および形状設計プログラム記録媒体に関する。   The present invention relates to a mechanical structure shape design method, a shape design device, a shape design program, and a shape design program recording medium having rolling elements such as a hub bearing that is a bearing for a vehicle wheel.

図10は従来のハブ軸受の縦断面図である。この図10に示したハブ軸受は、車両の駆動輪に使用されているものであり、ハブホイール1と、複列転がり軸受2とを備えている。ハブホイール1は中空構造となっており、その外周面の軸方向中間部には径方向外向きのフランジ部11が鍛造により形成されており、中空孔13には所定の領域にスプラインが形成されている。フランジ部11よりも一方側(車両インナ側)の外周面には、複列転がり軸受2における他方側(車両アウタ側)の玉群22の内輪軌道面12が一体的に形成されている。中空孔13には、図示しない軸体がスプライン結合される。   FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a conventional hub bearing. The hub bearing shown in FIG. 10 is used for a drive wheel of a vehicle, and includes a hub wheel 1 and a double-row rolling bearing 2. The hub wheel 1 has a hollow structure, and a radially outward flange portion 11 is formed by forging at an axially intermediate portion of the outer peripheral surface, and a spline is formed in a predetermined region in the hollow hole 13. ing. The inner ring raceway surface 12 of the ball group 22 on the other side (vehicle outer side) of the double row rolling bearing 2 is integrally formed on the outer peripheral surface on one side (vehicle inner side) of the flange portion 11. A shaft body (not shown) is splined to the hollow hole 13.

複列転がり軸受2は、2列の軌道溝を有する単一の外輪21と、2列で配列される転動体としての複数の玉群22,24と、2つの保持器23と、シール26と、車両インナ側の玉群24に関する内輪25と、ハブホイール1に設けられている内輪軌道面12とから構成されている。   The double row rolling bearing 2 includes a single outer ring 21 having two rows of raceway grooves, a plurality of ball groups 22, 24 as rolling elements arranged in two rows, two cages 23, and a seal 26. The inner ring 25 is related to the ball group 24 on the vehicle inner side, and the inner ring raceway surface 12 is provided on the hub wheel 1.

ハブホイール1の外周面には、複列転がり軸受2が取り付けられる。ハブホイール1の車両インナ側端部は、径方向外向きに屈曲されて複列転がり軸受2の内輪25の車両インナ側端面に対してかしめ付けられている。このかしめ部は、符号aを付して示す。   A double row rolling bearing 2 is attached to the outer peripheral surface of the hub wheel 1. A vehicle inner side end portion of the hub wheel 1 is bent radially outward and is caulked against a vehicle inner side end surface of the inner ring 25 of the double row rolling bearing 2. This caulking portion is indicated by a reference symbol a.

そして、ハブホイール1のフランジ部11に対して、パイロット部14によりガイドされてディスクブレーキ装置のディスクロータ4および図示しない車輪があてがわれて複数のボルト10によって装着される。また、複列転がり軸受2の外輪21に設けてある径方向外向きの取付片27が、車体5にボルト39にて固定される。   Then, the disc rotor 4 of the disc brake device and a wheel (not shown) are assigned to the flange portion 11 of the hub wheel 1 by the pilot portion 14 and attached by a plurality of bolts 10. A radially outward mounting piece 27 provided on the outer ring 21 of the double row rolling bearing 2 is fixed to the vehicle body 5 with bolts 39.

図10に示した自動車用ホイール軸受であるハブ軸受は、軸受の軽量化および軸受の低トルク化が求められている。軽量化を図ることで省資源を達成でき、低トルク化を図ることで燃費を削減できるからである。特開2006−330917号公報(特許文献1)には、有限要素法を用いて転動体を含む複数の要素を有する機械構造物の形状を求める形状設計方法について記載されている。   The hub bearing that is the wheel bearing for automobiles shown in FIG. 10 is required to reduce the weight of the bearing and reduce the torque of the bearing. This is because resource saving can be achieved by reducing weight and fuel efficiency can be reduced by reducing torque. Japanese Patent Laying-Open No. 2006-330917 (Patent Document 1) describes a shape design method for obtaining the shape of a mechanical structure having a plurality of elements including rolling elements using a finite element method.

ここで、有限要素法とは、計算機により構造物の変形や応力を解析するための近似解析手法であり、複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割することで近似し、全体の挙動を予測しようとするものである。   Here, the finite element method is an approximate analysis method for analyzing the deformation and stress of a structure by a computer, approximating by dividing a complex shape / property object into simple small parts. Is intended to predict the behavior of

以下、特許文献1に記載されている形状設計方法の概要について説明する。   Hereinafter, an outline of the shape design method described in Patent Document 1 will be described.

図11は最適化形状を求める前におけるハブホイール1の初期形状を示す外観斜視図であり、(A)はフランジ部の一方面側から見た斜視図であり、(B)はフランジ部の他方面側から見た斜視図であり、図12はハブホイール1の外観斜視図であり、図13は図11(A)に示す線A−Aに沿う断面図であり、(A)は形状変更可能領域および形状不可能領域を示した断面図であり、(B)は(A)の断面にメッシュを付して示した図である。   FIG. 11 is an external perspective view showing the initial shape of the hub wheel 1 before obtaining the optimized shape, (A) is a perspective view seen from one side of the flange portion, and (B) is another view of the flange portion. FIG. 12 is an external perspective view of the hub wheel 1, FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 11A, and FIG. It is sectional drawing which showed the possible area | region and the shape impossible area | region, (B) is the figure which attached | subjected the mesh to the cross section of (A).

図11(A)に示すように、ハブホイール1の初期形状においてフランジ部11aは、肉厚のある平坦な円板状である。また、図11(A)に示すように、ディスクロータなどの相手部材60との取付けの関係でボルト孔17の位置と、パイロット14の外周形状は、変更できない箇所であり、内輪軌道面12は荷重に対する負荷容量の関係で形状を変更できない箇所であり、形状変更不可能領域として設定される。さらに、図13(A)にクロスハッチで示す領域16aであるフランジ部11aの厚み部分と、中空孔13のうちのパイロット14側の内周面であるクロスハッチで示す領域19は形状変更可能領域として設定される。図13(A)に示す中空孔13の一方端側は、図10で説明した内輪25と、かしめ部aとを一体化して示されている。   As shown in FIG. 11A, in the initial shape of the hub wheel 1, the flange portion 11a has a flat disk shape with a thickness. Further, as shown in FIG. 11A, the position of the bolt hole 17 and the outer peripheral shape of the pilot 14 cannot be changed due to the attachment with the mating member 60 such as a disk rotor, and the inner ring raceway surface 12 is This is a part where the shape cannot be changed due to the relationship of the load capacity with respect to the load, and is set as a shape-unchangeable region. Further, a thickness portion of the flange portion 11a which is a region 16a indicated by a cross hatch in FIG. 13A and a region 19 indicated by a cross hatch which is an inner peripheral surface on the pilot 14 side of the hollow hole 13 are regions whose shape can be changed. Set as One end side of the hollow hole 13 shown in FIG. 13A is shown by integrating the inner ring 25 described in FIG. 10 and the caulking portion a.

図12に示したハブホイール1は、図11に示した初期形状から材料を削減して剛性の最大化と軽量化とを両立させて実現した最適形状となるように設計されたものである。図12において、ハブホイール1の一方面である車両インナ側の中心部には、軸受部15が形成されており、強度を高めるために、ある幅と肉厚を有するリブ16が軸受部15の根元から径方向に延びるように、例えば4箇所に形成されている。各リブ16は内径側が厚肉部となっており、外径側の先端部が薄肉部になっている。各リブ16の先端側の薄肉部には、タイヤのホイールをハブホイール1にボルトとナットで締結するために、ボルト孔17が形成されている。   The hub wheel 1 shown in FIG. 12 is designed to have an optimum shape realized by reducing the material from the initial shape shown in FIG. 11 and achieving both maximization of rigidity and weight reduction. In FIG. 12, a bearing portion 15 is formed in the center portion on the vehicle inner side which is one surface of the hub wheel 1, and a rib 16 having a certain width and thickness is formed on the bearing portion 15 in order to increase the strength. For example, it is formed at four locations so as to extend in the radial direction from the root. Each rib 16 has a thick portion on the inner diameter side and a thin portion on the distal end portion on the outer diameter side. Bolt holes 17 are formed in the thin portion on the tip side of each rib 16 in order to fasten the tire wheel to the hub wheel 1 with bolts and nuts.

軸受部15には中空孔13が形成されているとともに、図10に示した複列転がり軸受の転動体などが接触する内輪軌道面12が軸受部15の周りの全周にわたって形成されている。リブ16から内輪軌道面12に至る箇所には、鍛造時の金型が抜けるように勾配が形成されている。勾配の一部に小さな段差が設定され、その部分が研磨されて図10に示したシール26が接触するシールランド18が形成されている。パイロット部14は円筒状に形成されている。   A hollow hole 13 is formed in the bearing portion 15, and an inner ring raceway surface 12 in contact with the rolling elements of the double row rolling bearing shown in FIG. 10 is formed over the entire circumference around the bearing portion 15. A slope is formed at a portion from the rib 16 to the inner ring raceway surface 12 so that a die during forging can be removed. A small step is set in a part of the gradient, and the part is polished to form a seal land 18 with which the seal 26 shown in FIG. 10 contacts. The pilot portion 14 is formed in a cylindrical shape.

図14は構造物の従来の形状設計方法を説明するためにハード構成とフローチャートとを概念的に示した図である。   FIG. 14 is a diagram conceptually showing a hardware configuration and a flowchart for explaining a conventional shape design method for a structure.

制御装置101は、図11に示したハブホイール1の初期形状や、図13(A)に示した断面形状の画像を表示する。オペレータはその表示を見て、形状の変更が不可能な領域と可能な領域とを設定する。オペレータは、図12に示したハブホイール1に関して、荷重条件,拘束条件,接触条件および鍛造抜き勾配を設定する。荷重条件として路面からハブホイール1に加わる入力荷重などの種々の条件を定義する。   The control device 101 displays an image of the initial shape of the hub wheel 1 shown in FIG. 11 and the cross-sectional shape shown in FIG. The operator looks at the display and sets an area where the shape cannot be changed and an area where the shape cannot be changed. The operator sets the load condition, restraint condition, contact condition, and forging draft for the hub wheel 1 shown in FIG. Various conditions such as an input load applied to the hub wheel 1 from the road surface are defined as load conditions.

これらの定義付けがされると、制御装置101は、有限要素法モデル作成ソフトウェア102を用いて、均質化法に基づく方法や、力法に基づく方法によりトポロジー最適化解析または領域形状最適化を行って基本形状を求める。ここでトポロジー最適化解析とは、空間内に最適な構造形態をとる形状を得る手法を云い、どのように部材を配置すれば最適な構造になるかを求める解析である。トポロジー最適化解析で得られる構造形態最適化形状は、基本形状として決定される。制御装置101は、決定した基本形状からメッシュモデルを作成する。   When these definitions are made, the control device 101 uses the finite element method model creation software 102 to perform topology optimization analysis or region shape optimization by a method based on a homogenization method or a method based on a force method. To obtain the basic shape. Here, the topology optimization analysis refers to a technique for obtaining a shape having an optimal structure form in a space, and is an analysis for determining how members are arranged to obtain an optimal structure. The structural form optimized shape obtained by the topology optimization analysis is determined as the basic shape. The control device 101 creates a mesh model from the determined basic shape.

オペレータは、決定した基本形状を見て外形を変更する必要があるか否かを判断する。もし変更する必要があれば、変更する寸法と変更しない寸法を決定する。決定した寸法変更箇所に対して、これにモーフィングモデル作成ソフトウェア103を用いて、モーフィング技術を適用し、厚みなどの設計変数に対して形状を可変させられるモーフィングモデルを作成する。モーフィングとは、図13(B)に示すようなメッシュモデルにおいて、メッシュの接点や要素形状を変えることで解析モデルの形状を変更することである。モーフィングモデルを作成することにより、形状の変更が容易になる。   The operator looks at the determined basic shape and determines whether or not the outer shape needs to be changed. If it is necessary to change, determine the dimension to be changed and the dimension not to be changed. Using the morphing model creation software 103, the morphing model whose shape can be varied with respect to the design variable such as thickness is created using the morphing model creation software 103 for the determined dimension change portion. Morphing is to change the shape of the analysis model by changing the contact point or element shape of the mesh in the mesh model as shown in FIG. By creating a morphing model, it is easy to change the shape.

オペレータは作成したモーフィングモデルに関して荷重条件や拘束条件などを定義し、制御装置101により有限要素解析用モデル104を作成する。そして、有限要素法計算105により、各部の応力と変位を計算して構造解析を実行する。実行された構造解析の結果の有限要素法計算結果分析106を行い、最適化されているか否かを判断する。   The operator defines a load condition, a constraint condition, and the like for the created morphing model, and creates a finite element analysis model 104 by the control device 101. Then, the finite element method calculation 105 calculates the stress and displacement of each part, and executes the structural analysis. A finite element method calculation result analysis 106 of the result of the executed structural analysis is performed to determine whether or not the optimization is performed.

最適化されていなければ、最適化ソフトウェア107を用いて寸法の変更を行なう。制御装置101は、モーフィングソフトウェア108を用いて有限要素法モデルの寸法変更を行なう。変更した寸法を有限要素法モデルに反映させ、以下有限要素法解析および有限要素法計算結果分析を繰り返す。   If not optimized, the size is changed using the optimization software 107. The control device 101 uses the morphing software 108 to change the size of the finite element method model. The changed dimensions are reflected in the finite element method model, and the finite element method analysis and the finite element method calculation result analysis are repeated thereafter.

図14に示した例は、いったん有限要素法モデルを作成し、このモデルに対して、モーフィングソフトウェアを適用し、有限要素法モデルで寸法を変化させながら形状最適化計算を行なうようにしたのに対して、モーフィングモデルを作成することなく、3D−CADとCAD形状変更ソフトウェアを組み合わせ、CADレベルで寸法を変化させながら形状最適化計算を行なう方法もある。   In the example shown in FIG. 14, a finite element method model is once created, and morphing software is applied to the model to perform shape optimization calculation while changing dimensions in the finite element method model. On the other hand, there is a method in which 3D-CAD and CAD shape changing software are combined without creating a morphing model, and shape optimization calculation is performed while changing dimensions at the CAD level.

3D−CADで外形を作成するためには、オペレータがハブホイールのフランジ部における厚みの寸法などのベクトルデータなどを入力しなければならない。なお、以下の説明では、3D−CADによって作成された形状をCAD形状と定義する。   In order to create an external shape by 3D-CAD, an operator must input vector data such as a thickness dimension at the flange portion of the hub wheel. In the following description, a shape created by 3D-CAD is defined as a CAD shape.

特開2006−330917号公報JP 2006-330917 A

図14に示した例では、モーフィング技術を用いているため、メッシュの大きさや形状の変形度合いが大きすぎるとメッシュがつぶれてしまったり、メッシュ自体が変形してしまったりする。その結果、解析計算ができない場合がある。すなわち、図13(B)に示すようなメッシュモデルにおいて、メッシュの接点や要素形状を変えるときに変形量が大きすぎるとき、不具合の起こる可能性が高くなる。図15(A)に示した例では、Aに示す部分のメッシュの線同士が接近しているため、パイロット14の内径を示す外形が径方向外側に押しやられるのでBに示す径が大きくなってしまっている。図15(B)に示した例ではCに示す部分のメッシュの線同士が接近しているため、パイロット14の内径部分の深さがDに示すように深くなってしまっている。全体のメッシュの間隔を均等に狭くすればメッシュがつぶれることはなくなるが、全体のメッシュの間隔を変更することはオペレータの負担が大きくなる。   In the example shown in FIG. 14, since the morphing technique is used, the mesh may be crushed or the mesh itself may be deformed if the mesh size or the deformation degree of the shape is too large. As a result, analytical calculation may not be possible. That is, in the mesh model as shown in FIG. 13B, if the amount of deformation is too large when changing the contact point or element shape of the mesh, there is a high possibility of malfunction. In the example shown in FIG. 15A, since the mesh lines in the portion shown in A are close to each other, the outer shape showing the inner diameter of the pilot 14 is pushed outward in the radial direction, so the diameter shown in B becomes larger. I'm stuck. In the example shown in FIG. 15B, the mesh lines in the portion indicated by C are close to each other, so that the depth of the inner diameter portion of the pilot 14 is increased as indicated by D. If the intervals between the entire meshes are evenly reduced, the mesh will not be crushed, but changing the intervals between the entire meshes increases the burden on the operator.

CAD形状の寸法を変化する方法では、ハブホイールのフランジ部における厚みの寸法などのベクトルデータなどをオペレータが入力しなおさなければならず自動化が困難である。   In the method of changing the dimensions of the CAD shape, it is difficult for the operator to input vector data such as the thickness dimension at the flange portion of the hub wheel again.

そこで、この発明の目的は、CADとモーフィング技術との利点を利用して最適な形状となるように機械構造物を設計するための機械構造物形状設計方法、形状設計装置、形状設計プログラム、および形状設計プログラム記録媒体を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a mechanical structure shape design method, a shape design apparatus, a shape design program, and a shape design program for designing a mechanical structure so as to obtain an optimum shape by using advantages of CAD and morphing technology A shape design program recording medium is provided.

この発明は、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を、コンピュータを用いて求める形状設計方法であって、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定させ、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定させる工程と、設定された領域に基づいて、コンピュータが初期形状を求める工程と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報を入力させる工程と、入力された各種情報や制約条件情報に基づいて、コンピュータが初期形状のうち形状変更が可能な領域から材料を削減した基本形状を求める工程と基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択工程と、選択工程によって選択されたCAD機能によって基本形状のCAD形状を変更することにより最適化をコンピュータが行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化をコンピュータが行う最適化工程とを含む。 The present invention relates to a shape design method for determining the shape of a mechanical structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of mounting portions extending in a radial direction from the bearing portion by using a computer. Is set as an area where the shape cannot be changed, the mounting portion is set as an area where the shape can be changed, a step where the computer obtains an initial shape based on the set area, Based on the process of inputting various information and constraint information to be added to the structure and the input various information and constraint information, the computer obtains a basic shape in which the material is reduced from the region where the shape can be changed in the initial shape. a step, in order to optimize the basic shape, and CAD functions implemented by executing the computer-aided design software, morphing Computer and selecting step of whether to use either of the morphing function implemented is selected by the operator, the optimization by changing the CAD shape basic shape by CAD function selected by the selection step by executing Gumoderu creation software Or an optimization step in which the computer performs optimization by transforming the morphing model of the basic shape by the selected morphing function.

コンピュータ支援設計ソフトウェアにより機械構造物の外形形状を求めることと、モーフィングモデル作成ソフトウェアにより機械構造物の外形形状を求めることとの利点を利用して機械構造物を設計することが可能になる。   It is possible to design a mechanical structure by using the advantages of obtaining the outer shape of the machine structure by computer-aided design software and obtaining the outer shape of the machine structure by morphing model creation software.

好ましくは、最適化工程は、選択工程でモーフィング機能が選択されたとき、モーフィングモデル作成ソフトウェアを用いてモーフィングモデル形状を格子状に区切ったメッシュを変形する工程と、変形したメッシュの変形量を判別する工程とを含み、選択工程は、メッシュの変形量に応じて選択指示を与える工程を含む。 Preferably, in the optimization step, when the morphing function is selected in the selection step, the step of deforming the mesh obtained by dividing the shape of the morphing model into a lattice using the morphing model creation software and the amount of deformation of the deformed mesh are determined. The selecting step includes a step of giving a selection instruction according to the deformation amount of the mesh.

外形形状を最適化することで容易に最適な形状の機械構造物を設計できる。   By optimizing the external shape, it is possible to easily design a mechanical structure having an optimal shape.

この発明の他の局面は、機械構造物の形状設計装置であって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計する形状設計装置であって、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報入力されたことに基づいて、初期形状の内形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたCAD機能によって基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段とを備える。 Another aspect of the present invention is an apparatus for designing a shape of a mechanical structure, which is a shape for designing the shape of a mechanical structure having a bearing portion having a rolling element and a plurality of mounting portions extending radially from the bearing portion. Based on the fact that the bearing unit is set as an area in which the shape cannot be changed and the mounting part is set as an area in which the shape can be changed by the operator. and the outer shape forming means for obtaining, by the operator, based on the various information and constraints information applied to the mechanical structure is input, the outer shape to reduce the material from the area can be changed in the inner shape of the initial shape and external shape deforming means for determining a basic shape is deformed, in order to optimize the basic shape, and CAD functions implemented by executing the computer-aided design software, morphing Performing a selection unit for selecting whether to use either of the morphing function by the operator which is realized by executing a Dell creation software, optimized by changing the CAD shape basic shape by CAD function selected by the selection means Or an optimization unit that performs optimization by deforming a morphing model having a basic shape by using a selected morphing function and automatically designing the morphing model.

この発明の機械構造物の形状設計装置によっても、コンピュータ支援設計ソフトウェアと、モーフィングモデル作成ソフトウェアモーフィングモデルとのいずれかを用いて外形形状を最適化することで容易に最適な形状の機械構造物を自動設計できる。According to the mechanical structure shape designing apparatus of the present invention, it is possible to easily obtain a mechanical structure having an optimal shape by optimizing the external shape using either the computer-aided design software or the morphing model creation software morphing model. Automatic design is possible.

この発明のさらに他の局面は、機械構造物形状設計プログラムであって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報が入力されたことに基づいて、初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたCAD機能によって前記基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させる。 Still another aspect of the present invention is a machine structure shape design program for designing a shape of a machine structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of mounting portions extending in a radial direction from the bearing portion. Based on the fact that the bearing is set as an area where the shape cannot be changed by the operator and the mounting part is set as an area where the shape can be changed, the external shape is created to obtain the initial shape of the machine structure. Based on the input of various information and constraint condition information applied to the machine structure by the means and the operator, the basic shape is changed by reducing the material from the region of the initial shape where the shape can be changed. and external shape deforming means for determining the shape, in order to optimize the basic shape, and CAD functions implemented by executing the computer-aided design software, morph A selecting means for selecting whether to use either of the morphing function by the operator which is realized by executing a ring modeling software, optimized by changing the CAD shape of the basic shape by CAD function selected by the selection means Or by modifying the basic shape morphing model by the selected morphing function to perform optimization and function as an optimization means for automatic design.

コンピュータによって、機械構造物の形状設計を実現できる。The shape design of the machine structure can be realized by a computer.

この発明のさらに他の局面は、機械構造物形状設計プログラムを記録する記録媒体であって、転動体を有する軸受部と、軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、オペレータによって、軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、オペレータによって、機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報入力されたことに基づいて、初期形状の内形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、選択手段によって選択されたCAD機能によって基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させる。 Still another aspect of the present invention is a recording medium for recording a machine structure shape design program, the machine structure having a bearing portion having a rolling element and a plurality of attachment portions extending radially from the bearing portion. Based on the fact that the shape design computer was set by the operator as an area where the shape of the bearing cannot be changed and the mounting area as an area where the shape can be changed, the initial shape of the machine structure the outer shape creating means, the operator for obtaining the mechanical structure on the basis of the various information and constraints information is input applied to the material, outer shape to reduce the material from the available space changes of the inner shape of the initial shape shape and external shape deforming means for determining a basic shape by deforming, in order to optimize the basic shape, CA realized by executing a computer-aided design software Features and a selection means for selecting whether to use either of the morphing function by the operator which is realized by executing morphing modeling software, by changing the CAD shape basic shape by CAD function selected by the selection means Optimization is performed, or the morphing model having the basic shape is deformed by the selected morphing function to perform optimization and function as an optimization means for automatic design.

記録媒体に記録されているプログラムをコンピュータで実行させることにより、機械構造物の形状の設計を実現できる。The design of the shape of the mechanical structure can be realized by causing the computer to execute the program recorded on the recording medium.

この発明によれば、コンピュータ支援設計ソフトウェアおよびモーフィングモデルソフトウェアを用いて、機械構造物の外形形状を求めるとともに、外形形状を変形するようにしたので、両者の利点を利用して、機械構造物を最適な形状になるように設計することができる。   According to the present invention, the computer-aided design software and the morphing model software are used to determine the outer shape of the machine structure and to deform the outer shape. It can be designed to have an optimal shape.

この発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。It is a block diagram of the shape design apparatus of the machine structure which has a rolling element of one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブホイールの形状を設計する方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the method to design the shape of a hub wheel with the shape design apparatus of the mechanical structure which has a rolling element of one Embodiment of this invention. CAD形状の寸法変更を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dimension change of CAD shape. モーフィングモデル形状の寸法変更を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the dimension change of a morphing model shape. この発明の他の実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブ軸受の形状を設計する方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the method to design the shape of a hub bearing with the shape design apparatus of the machine structure which has a rolling element of other embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。It is a block diagram of the shape design apparatus of the machine structure which has a rolling element in other embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the shape design method of the mechanical structure which has a rolling element in other embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the shape design method of the mechanical structure which has a rolling element in other embodiment of this invention. この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the shape design method of the mechanical structure which has a rolling element in other embodiment of this invention. 従来のハブ軸受の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the conventional hub bearing. ハブホイールの初期形状を示す外観斜視図であり、(A)はフランジ部の一方面側から見た外観斜視図であり、(B)はフランジ部の他方面側から見た外観斜視図である。It is the external appearance perspective view which shows the initial shape of a hub wheel, (A) is the external appearance perspective view seen from the one surface side of the flange part, (B) is the external appearance perspective view seen from the other surface side of the flange part. . 図10に示すハブ軸受に含まれるハブホイールを示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows the hub wheel contained in the hub bearing shown in FIG. 図11(A)に示す線A−Aに沿う縦断面図である。FIG. 12 is a longitudinal sectional view taken along line AA shown in FIG. 構造物の従来の形状設計方法を説明するためにハード構成とフローチャートとを概念的に示した図である。It is the figure which showed notionally the hardware structure and the flowchart in order to demonstrate the conventional shape design method of a structure. メッシュモデルにおけるメッシュの間隔を狭くしすぎた場合の不具合を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the malfunction when the space | interval of the mesh in a mesh model is made too narrow.

以下に、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1はこの発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置のブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram of a mechanical structure shape designing apparatus having rolling elements according to an embodiment of the present invention.

図1において、3D−CAD(Computer Aided Design)110は、3次元図形を形成するコンピュータ支援設計とも呼ばれ、コンピュータを用いて設計をする装置である。なお、3D−CADに限ることなく2次元(2D)‐CADを用いてもよい。3D‐CAD110は、制御部111と、入力部112と、表示部113と、印刷部114と、メモリ115とを含む。制御部111は設計のための演算などを行なうものであり、外形形状作成手段と、外形形状変形手段と、最適化手段として作動する。   In FIG. 1, a 3D-CAD (Computer Aided Design) 110 is also called a computer-aided design for forming a three-dimensional figure, and is a device that uses a computer to design. Note that two-dimensional (2D) -CAD may be used without being limited to 3D-CAD. The 3D-CAD 110 includes a control unit 111, an input unit 112, a display unit 113, a printing unit 114, and a memory 115. The control unit 111 performs calculations for design and the like, and operates as an outer shape creation means, an outer shape deformation means, and an optimization means.

入力部112はキーボードやマウスなどを含む。オペレータが入力部112を操作することにより、形状変更可能領域と形状変更不可能領域や種々の条件が入力され、設計された機械構造物であるハブホイールなどの第1の形状である初期形状や、第2形状である基本形状の輪郭の変更やモーフィングモデル形状のメッシュの変更が指示される。表示部113は、設計された機械構造物であるハブホイールなどの形状を表示する。印刷部114は設計された設計された機械構造物であるハブホイールなどの形状を印刷する。   The input unit 112 includes a keyboard and a mouse. When the operator operates the input unit 112, the shape changeable region and the shape nonchangeable region and various conditions are input, and the initial shape, which is the first shape, such as the hub wheel that is the designed mechanical structure, The change of the outline of the basic shape which is the second shape and the change of the mesh of the morphing model shape are instructed. The display unit 113 displays the shape of a hub wheel or the like that is a designed mechanical structure. The printing unit 114 prints a shape such as a hub wheel that is a designed mechanical structure.

メモリ115は、各種プログラムであるソフトウェアを記憶する。この実施形態では、制御プログラムソフトウェア116と、有限要素法モデル作成ソフトウェア117と、モーフィングモデル作成ソフトウェア118と、最適化ソフトウェア119と、モーフィングモデル形状変更ソフトウェア120と、CAD形状変更ソフトウェア121とを記憶している。   The memory 115 stores software that is various programs. In this embodiment, control program software 116, finite element method model creation software 117, morphing model creation software 118, optimization software 119, morphing model shape change software 120, and CAD shape change software 121 are stored. ing.

制御プログラムソフトウェア116は、後述の図2に示すフローチャートに基づくソフトウェアである。有限要素法モデル作成ソフトウェア117は、有限要素解析用モデルを作成するためのソフトウェアであり、モーフィングモデル作成ソフトウェア118は、モーフィングモデルを作成するためのソフトウェアである。最適化ソフトウェア119は、作成された機械構造物であるハブホイールなどの形状が最適化されているかを判別するためのソフトウェアである。モーフィングモデル形状変更ソフトウェア120は、有限要素法で作成されたメッシュモデルのメッシュの大きさや形状を変更することによりモデルの外形寸法を最適化するためのソフトウェアである。CAD形状変更ソフトウェア121は、3D‐CAD110で形成されたCAD形状の輪郭を変形することにより、外形寸法を最適化するためのソフトウェアである。   The control program software 116 is software based on a flowchart shown in FIG. The finite element method model creation software 117 is software for creating a finite element analysis model, and the morphing model creation software 118 is software for creating a morphing model. The optimization software 119 is software for determining whether or not the shape of a hub wheel or the like that is the created machine structure is optimized. The morphing model shape changing software 120 is software for optimizing the external dimensions of the model by changing the size and shape of the mesh of the mesh model created by the finite element method. The CAD shape changing software 121 is software for optimizing the external dimensions by deforming the contour of the CAD shape formed by the 3D-CAD 110.

なお、これらのソフトウェア116〜121をCDやDVDなどの記録媒体に記録しておき、読取装置により記録媒体から各ソフトウェア116〜121を読取ってメモリ115に書き込むようにしてもよい。   The software 116 to 121 may be recorded on a recording medium such as a CD or a DVD, and the software 116 to 121 may be read from the recording medium by a reading device and written to the memory 115.

図2はこの発明の一実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置でハブホイールの形状を設計する方法を説明するためのフローチャートであり、図3はCAD形状の寸最適化を説明するための図であり、図4はモーフィングモデルの最適化を説明するための図である。   FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for designing the shape of a hub wheel by the shape designing apparatus for a mechanical structure having rolling elements according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 explains the optimization of the CAD shape size. FIG. 4 is a diagram for explaining optimization of the morphing model.

図2において、3D‐CAD110の制御部111は、ステップ(図示ではSPと略称する)SP1において、図11(A),(B)に示したハブホイールの第1の形状である初期形状や、図13(A)に示した断面形状の画像を表示部113に表示する。オペレータは、表示部113の表示を見て、図12に示したハブホイール1に関して、形状変更可能領域と形状変更不可能領域とを設定した後、荷重条件,拘束条件,接触条件および鍛造抜き勾配などを定義する。荷重条件として路面からハブホイール1に加わる入力荷重を定義する。   In FIG. 2, the control unit 111 of the 3D-CAD 110 performs an initial shape, which is the first shape of the hub wheel shown in FIGS. 11A and 11B, at step (abbreviated as SP in the drawing) SP1, The cross-sectional image shown in FIG. The operator looks at the display on the display unit 113 and sets the shape changeable region and the shape nonchangeable region with respect to the hub wheel 1 shown in FIG. 12, and then loads, restraints, contact conditions, and forging draft. And so on. An input load applied to the hub wheel 1 from the road surface is defined as a load condition.

オペレータは、各種情報や制約条件を定義して入力部112から入力する。制御部111は、ステップSP2において、各種情報が入力されたか否かを判別し、入力されたことを判別すると、ステップSP3において、有限要素法モデル作成ソフトウェア117を用いて、均質化法に基づく方法や、力法に基づく方法によりトポロジー最適化解析または領域形状最適化を行って構造形態最適化形状(外形形状)である基本形状を求める。この基本形状は、初期形状から材料を削減した第2形状である。   The operator defines various information and constraint conditions and inputs them from the input unit 112. In step SP2, the control unit 111 determines whether or not various types of information are input. If it is determined that the information is input, in step SP3, the control unit 111 uses the finite element method model creation software 117 to perform a method based on the homogenization method. Alternatively, a basic shape which is a structural shape optimized shape (outer shape) is obtained by performing topology optimization analysis or region shape optimization by a method based on a force method. This basic shape is a second shape obtained by reducing the material from the initial shape.

ここでトポロジー最適化解析とは、空間内に最適な構造形態をとる形状を得る手法をいい、どのように部材を配置すれば最適な構造になるかを求める解析であり、解析対象よりやや大きめの空間を設定し、必要な箇所を抜出していく方法である。領域形状最適化解析も、目的とするところはトポロジー最適化と同じであるが、構造物の領域(形状)を変化させて求める点がトポロジー最適化解析と異なる。   Here, topology optimization analysis is a method to obtain a shape that takes the optimal structure form in the space, and is an analysis to find out how to arrange the members to achieve the optimal structure, which is slightly larger than the analysis target. It is a method of setting the space of and extracting the necessary part. The area shape optimization analysis is also the same as the topology optimization, but is different from the topology optimization analysis in that it is obtained by changing the region (shape) of the structure.

トポロジー最適化手法としては、例えばBendsoe,M.P.and Kikuchi,N.,“Generating optimal topologies in structural design using a Homogenization method”,Comput.Methods Appl.Mech Engrg.,71(1988).pp.197−224によって提案された均質化法に基づく方法がある。また、力法による最適化手法として、例えば、畔上秀幸,呉志強“線形弾性問題における領域最適化解析(力法によるアプローチ)”、日本機械学界論文集A編,60(578),1994,pp.2312−2318.がある。   As a topology optimization method, for example, Bendsoe, M. et al. P. and Kikuchi, N .; , “Generating optimal topologies in structural design a homogenization method”, Comput. Methods Appl. Mech Engrg. 71 (1988). pp. There is a method based on the homogenization method proposed by 197-224. Moreover, as an optimization method by the force method, for example, Hideyuki Kurakami, Shishi Kure, “Area Optimization Analysis in Linear Elasticity Problem (Approach by Force Method)”, Japanese Society of Mechanical Science, A, 60 (578), 1994, pp. 2312-2318. There is.

さらに、トポロジー最適化を行なうために、OptiStruct(Altair Engineering),OptiShape(くいんと),GENESIS(VDOC),NASTRAN(エムエスシー)、領域形状最適化を行なうためにOptiShape(くいんと)などのソフトウェアを使用することができる。ステップSP1〜SP3は、CADによる外形形状が決定される第1工程である。   Furthermore, in order to perform topology optimization, software such as OptiStruct (Altern Engineering), OptiShape, GENESIS (VDOC), NASTRAN, and OptiShape to perform region shape optimization. Can be used. Steps SP1 to SP3 are a first step in which the external shape by CAD is determined.

決定した基本形状は、表示部113に画像として表示される。制御部111は、ステップSP4において、寸法最適化解析のために、基本形状から図13(B)に示すメッシュモデルを作成する。ステップSP5において、モーフィングモデル作成ソフトウェア118を用いて、モーフィング技術を適用し、厚みなどの設計変数に対して形状の変更が可能な、基本形状の輪郭内をメッシュで示したモーフィングモデルを作成する。このようにモーフィングモデルを作成することにより、形状の変更が容易になる。ステップSP4〜SP6は、外形形状を変形する第2工程である。   The determined basic shape is displayed as an image on the display unit 113. In step SP4, the control unit 111 creates a mesh model shown in FIG. 13B from the basic shape for dimension optimization analysis. In step SP5, using the morphing model creation software 118, a morphing technique is applied to create a morphing model in which the inside of the outline of the basic shape, which can be changed in shape with respect to a design variable such as thickness, is indicated by a mesh. By creating the morphing model in this way, it becomes easy to change the shape. Steps SP4 to SP6 are a second step of deforming the outer shape.

オペレータは作成したモーフィングモデルに関して荷重条件や拘束条件などを定義する。制御部111は、ステップSP6において、有限要素解析用モデルを作成し、有限要素法計算により、各部の応力と変位を計算して構造解析を実行する。実行された構造解析の結果の有限要素法計算結果分析を行い、ステップSP7において、最適化ソフトウェア119を用いて、有限要素解析用モデルが最適化されているか否かを判断する。最適化されていれば処理を終了する。   The operator defines a load condition, a constraint condition, and the like for the created morphing model. In step SP6, the controller 111 creates a model for finite element analysis, calculates the stress and displacement of each part by finite element method calculation, and executes structural analysis. A finite element method calculation result analysis of the result of the executed structural analysis is performed, and in step SP7, it is determined using the optimization software 119 whether or not the finite element analysis model is optimized. If it is optimized, the process ends.

最適化されていないとき、作成された有限要素解析用モデルを変形、すなわち寸法の変更を行なう。有限要素解析用モデルは、モデルの外形形状であるCAD形状と、CAD形状の表面を格子状に区切ったメッシュで表されたモーフィングモデル形状とで表されている。オペレータは変更が大きければステップSP1〜SP3で決定されたCAD形状の寸法変更をする必要があると判断し、変更がわずかでありCAD形状を変更するまでもなく外形線のわずかな変更、すなわち微調整で済むと判断すればステップSP4、SP5で決定されたモーフィングモデル形状の変更であると判断し、いずれで変更すべきかを入力部112を操作して指示する。そして、オペレータは、CAD形状の寸法変更に必要な形状のデータを入力部112から入力するかあるいは、モーフィングモデル形状の寸法変更であれば、変更すべきメッシュを指示してそのメッシュの形状を変更する。   When not optimized, the created finite element analysis model is deformed, that is, the dimensions are changed. The model for finite element analysis is represented by a CAD shape which is an outer shape of the model, and a morphing model shape represented by a mesh obtained by dividing the surface of the CAD shape into a lattice shape. If the change is large, the operator determines that it is necessary to change the dimensions of the CAD shape determined in steps SP1 to SP3, and the change is slight, and the slight change of the outline is not necessary without changing the CAD shape. If it is determined that the adjustment is sufficient, it is determined that the morphing model shape has been changed in steps SP4 and SP5, and the input unit 112 is instructed which one should be changed. Then, the operator inputs the shape data necessary for changing the CAD shape size from the input unit 112 or, if the size of the morphing model shape is changed, indicates the mesh to be changed and changes the shape of the mesh. To do.

制御部110は、ステップSP8において、CAD形状の寸法変更であるかを判別し、CAD形状の寸法変更であることを判別すると、ステップSP9において、CAD形状変更ソフトウェア121を用いて、入力されたデータに応じてCAD形状の変形を行なう。CAD形状の変形でないことを判別したときには、ステップSP10において、モーフィングソフトウェア120を用いて、指示されたメッシュの形状を変更してモーフィングモデル形状の変形を行なう。いずれかのモデルの寸法が変更されると、ステップSP6に戻り、有限要素解析用モデルを再度作成し、ステップSP7において最適化されていることが判別されると、処理を終了する。ステップSP7〜SP10は、外形形状を最適化する第3の工程である。   In step SP8, the control unit 110 determines whether the CAD shape is a dimensional change. If the control unit 110 determines that the CAD shape is a dimensional change, the control unit 110 uses the CAD shape change software 121 in step SP9. The CAD shape is deformed according to the above. When it is determined that the CAD shape is not deformed, in step SP10, using the morphing software 120, the shape of the instructed mesh is changed and the morphing model shape is deformed. When the dimension of any model is changed, the process returns to step SP6, a finite element analysis model is created again, and when it is determined that the model is optimized in step SP7, the process ends. Steps SP7 to SP10 are a third step of optimizing the outer shape.

より具体的に説明すると、オペレータは、例えば、加工し易いように、平面や円筒面や円錐面で近似した形状に変形すると必要があると判断したときには、先にCAD形状の輪郭の変更を行い、その後、変更の微調整を行ないたいときはモーフィングモデル形状のメッシュの変更を行なう。変更について具体的に説明すると、図3(A)に示すハブ軸受の縦断面のCAD形状に対して、形状変更可能領域であるパイロット14の内側の底の深さを変更するときは、図3(B)に示すように、底の外形線を矢印Gに示す軸方向に移動し、パイロット14の内側の径方向の寸法を変更したいときには、図3(C)に示すように、矢印Hに示す径方向の外形線を移動させる。   More specifically, for example, when it is determined that it is necessary to transform the shape into an approximate shape with a flat surface, a cylindrical surface, or a conical surface so that the operator can easily process, the operator first changes the contour of the CAD shape. Thereafter, when fine adjustment of the change is desired, the morphing model shape mesh is changed. The change will be described in detail. When the depth of the bottom inside the pilot 14 which is the shape changeable region is changed with respect to the CAD shape of the longitudinal section of the hub bearing shown in FIG. As shown in FIG. 3 (C), when the outer outline of the bottom is moved in the axial direction shown by the arrow G and the radial dimension inside the pilot 14 is to be changed, The indicated radial outline is moved.

外形形状の変更を微調整したいときには、図4に示すモーフィングモデルにおいて、軸方向(I方向)に並んでいるメッシュの大きさを小さくすれば軸方向の寸法を短くでき、メッシュの大きさを大きくすれば軸方向の長さを長くできる。また、図4において、径方向(J方向)に並んでいるメッシュの大きさを変更することで、径方向の寸法を微調整できる。   If you want to fine-tune the change in the outer shape, you can shorten the axial dimension by increasing the size of the mesh aligned in the axial direction (I direction) in the morphing model shown in FIG. 4, and increase the size of the mesh. By doing so, the axial length can be increased. In FIG. 4, the size in the radial direction can be finely adjusted by changing the size of the mesh arranged in the radial direction (J direction).

なお、図3(B)に示すようにパイロット14の内側の底の深さを変更するとき、CAD形状で底の深さを最も深い形状に輪郭を変更しておき、その後、底の深さが浅くなるようにモーフィングモデル形状を膨らませるようにメッシュの形状を変更すれば、メッシュがつぶれ難くなる。   As shown in FIG. 3B, when the depth of the bottom inside pilot 14 is changed, the contour is changed to the deepest shape in the CAD shape, and then the depth of the bottom is changed. If the shape of the mesh is changed so that the morphing model shape is expanded so as to be shallow, the mesh becomes difficult to be crushed.

また、モーフィングモデル形状の変更を行なった後に、CAD形状の変更を行なうようにしてもよい。すなわち、オペレータは、形状変更に応じて、CAD形状の変更と、モーフィングモデル形状の変更とを選択的に選べばよい。   Further, the CAD shape may be changed after the morphing model shape is changed. That is, the operator may select selectively the change of the CAD shape and the change of the morphing model shape according to the shape change.

上述のごとく、この実施形態によれば、3D‐CAD110により有限要素法モデル作成ソフトウェア116を用いて機械構造物のCAD形状を求め、求められたCAD形状で規定される機械構造物を、モーフィングモデル作成ソフトウェア11を用いて、格子状に区切ったメッシュで示されたモーフィングモデル形状を求めて機械構造物を設計することができる。また、オペレータが形状最適化のためにCAD形状の輪郭の変更であるか、あるいはモーフィングモデル形状の変更であるかを判断し、いずれで変更すべきかを選択できるようにしたので、ハブホィール1を最適な形状になるように設計することができる。   As described above, according to this embodiment, the CAD shape of the machine structure is obtained by the 3D-CAD 110 using the finite element method model creation software 116, and the machine structure defined by the obtained CAD shape is converted into the morphing model. The creation software 11 can be used to obtain a morphing model shape indicated by a mesh divided into a lattice shape to design a mechanical structure. In addition, the operator can determine whether to change the contour of the CAD shape or to change the shape of the morphing model for shape optimization, and can select which one should be changed. It can be designed to be a simple shape.

図5は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart for explaining a shape design method for a mechanical structure having rolling elements according to still another embodiment of the present invention.

図1〜図4に示した実施形態は、図11に示したハブホイール1の最適形状を求めたのに対して、図5に示した実施形態は、転動体モデルも解析して、転動体を有する機械構造物としての最適な軸受の形状を設計するものである。すなわち、図2に示したフローチャートの処理と並行して、転動体の解析計算を行なう。すなわち、転動体接触解析により、接触角や接触楕円範囲を計算する。転動体接触解析に関しては、A.B.ジョーンズ(A.B.JONES)著,“A General Theory for Elasfically Constraincd Ball and Radial Roller Bearings Under Arbitrary Load and Speed Conditions” Journal of Basic Engineering,June 1960/309に記載されている。   The embodiment shown in FIGS. 1 to 4 obtains the optimum shape of the hub wheel 1 shown in FIG. 11, whereas the embodiment shown in FIG. The optimum shape of the bearing as a mechanical structure having the above is designed. That is, in parallel with the processing of the flowchart shown in FIG. That is, a contact angle and a contact ellipse range are calculated by rolling element contact analysis. Regarding the rolling element contact analysis, A. B. Jones (A. B. JONES), “A General Theory for Electrically Constrained Ball and Radial Roller Bearings Under 30 Nine Arbitral Load and Speed Cond.

図11(A)に示した内輪軌道面12と、外輪軌道面との転走面間の距離を定義するために、オペレータはステップSP1において形状表示された後、外輪の形状などの情報を入力する。ここで、転走面間の距離は、玉軸受であれば外輪の内周面と内輪の内周面との対向する距離を意味し、ころ軸受であれば「ころの軸線に垂直な平面」と「内外輪転走面上のころとの接触線」との交点間の距離を意味する。転走面間の距離および外輪または内輪に加わる荷重は、ステップSP6における有限要素解析用モデル作成により得られる。   In order to define the distance between the raceway surface between the inner ring raceway surface 12 and the outer ring raceway surface shown in FIG. 11A, the operator inputs information such as the shape of the outer ring after the shape is displayed in step SP1. To do. Here, the distance between the rolling surfaces means the distance between the inner peripheral surface of the outer ring and the inner peripheral surface of the inner ring in the case of a ball bearing, and “a plane perpendicular to the roller axis” in the case of a roller bearing. And the distance between the intersections of the “contact line with the roller on the inner and outer ring rolling surface”. The distance between the rolling surfaces and the load applied to the outer ring or the inner ring are obtained by creating a model for finite element analysis in step SP6.

転動体(玉、ころなど)、が外輪と内輪との間の転走面と接触する部分については、ヘルツの接触理論を適用することが一般に行われている。ステップSP15において、軸受の解析であるか否かを判別し、軸受の解析であればステップSP21において、ステップSP6の有限要素解析用モデルで作成された外輪および内輪の間の距離と、外輪または内輪に加わる荷重とが入力されていることを判別する。ステップSP22において、転走面間の距離と荷重との関係を解析し、ヘルツの接触理論から得られる非線形ばねとして数値モデル化する。ステップSP23において、数値化モデルに基づいて、転動体モデルを作成する。転動体モデルは、玉やころの数や、その直径などの外形を規定したモデルである。作成した転動体モデルを有限要素法モデルに組み込む。それ以外の処理は図1と同じである。   In general, the Hertz contact theory is applied to a portion where a rolling element (ball, roller, etc.) comes into contact with the rolling surface between the outer ring and the inner ring. In step SP15, it is determined whether or not it is a bearing analysis. If it is a bearing analysis, in step SP21, the distance between the outer ring and the inner ring created by the finite element analysis model in step SP6 and the outer ring or inner ring are determined. It is determined that the load applied to the is input. In step SP22, the relationship between the distance between the rolling surfaces and the load is analyzed, and a numerical model is formed as a nonlinear spring obtained from Hertz's contact theory. In step SP23, a rolling element model is created based on the numerical model. The rolling element model is a model that defines the number of balls and rollers and the outer shape such as the diameter. The created rolling element model is incorporated into the finite element model. The other processes are the same as those in FIG.

この実施形態では、単にハブホイールの形状を設計するのみならず、軸受を解析することにより、転動体も含めたハブ軸受の最適な形状を設計できる。   In this embodiment, the optimum shape of the hub bearing including the rolling elements can be designed not only by designing the shape of the hub wheel but also by analyzing the bearing.

図6は、この発明の他の実施形態の転動体を有する機械構造物の形状設計装置を示すブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram showing a machine structure shape designing apparatus having rolling elements according to another embodiment of the present invention.

図6に示した実施形態は、3D−CAD110aに形状変更データベース122を備えたものであり、その他の構成は図1と同じである。形状変更データベース122は、記憶手段として作動し、形状変更するCAD形状の輪郭およびモーフィングモデル形状のメッシュのそれぞれの複数の異なる形状のパターンをテンプレートとして記憶している。   In the embodiment shown in FIG. 6, the 3D-CAD 110 a includes the shape change database 122, and other configurations are the same as those in FIG. 1. The shape change database 122 operates as a storage unit, and stores a plurality of different shape patterns of the contour of the CAD shape to be changed and the mesh of the morphing model shape as templates.

図2に示したフローチャートにおけるステップSP9において、CAD形状の寸法を変更するとき、およびステップSP10においてモーフィングモデル形状の寸法を変更するときは、オペレータが入力部112から指示を与えることにより、形状変更データベース122から所望の形状を読み出して、該当する部分の寸法変更を行なう。図1に示した実施形態では、CAD形状の寸法を変更するためにオペレータがベクトルデータを入力したり、変更すべきモデルのメッシュの形状をその都度変更したりする必要がある。これに対して、この実施形態によれば、形状変更データベース122から所望の形状を読み出して入力するだけでCAD形状あるいはモーフィングモデル形状の寸法変更を容易に行なうことができる。   When the CAD shape dimension is changed in step SP9 in the flowchart shown in FIG. 2 and when the morphing model shape dimension is changed in step SP10, the operator gives an instruction from the input unit 112 to change the shape change database. A desired shape is read from 122 and the dimension of the corresponding part is changed. In the embodiment shown in FIG. 1, it is necessary for an operator to input vector data in order to change the size of the CAD shape, or to change the shape of the mesh of the model to be changed each time. On the other hand, according to this embodiment, the CAD shape or the morphing model shape can be easily changed by simply reading and inputting a desired shape from the shape change database 122.

図7はこの発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart for explaining a shape design method of a mechanical structure having rolling elements in still another embodiment of the present invention.

この実施形態は、図示しないが図1に示したメモリ115に寸法変更値分配ソフトウェアを記憶している。図7に示すステップSP11において、最適化のためにCAD形状を変更するとき、およびステップSP12において、モーフィングモデル形状を変更するときに、それぞれ寸法変更値分配ソフトウェアに基づいて、寸法変更値を振分ける。それ以外の処理は、図1と同じである。   In this embodiment, although not shown, the dimensional change value distribution software is stored in the memory 115 shown in FIG. When the CAD shape is changed for optimization in step SP11 shown in FIG. 7 and when the morphing model shape is changed in step SP12, the dimension change values are distributed based on the dimension change value distribution software, respectively. . The other processes are the same as those in FIG.

寸法変更値は、モデルの形状に応じて決定すればよい。例えば、形状の変形割合が所定値より多ければCAD形状の変形値を大きくし、モーフィングモデル形状の変形値を少なくすることが考えられる。   The dimension change value may be determined according to the shape of the model. For example, if the deformation ratio of the shape is greater than a predetermined value, it is conceivable to increase the CAD shape deformation value and decrease the morphing model shape deformation value.

図8は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart for explaining a shape design method of a mechanical structure having rolling elements in still another embodiment of the present invention.

この実施形態は、モーフィングモデル形状を変更した後、メッシュの品質チェックを行なうようにしたものである。すなわち、図8に示すステップSP12において、図7の説明と同様にして、最適化のために分配値に基づいてモーフィングモデル形状を変更した後、ステップSP13において、メッシュの品質のチェックが正常であるか否かを判別する。   In this embodiment, after changing the morphing model shape, the mesh quality is checked. That is, in step SP12 shown in FIG. 8, after changing the morphing model shape based on the distribution value for optimization, the mesh quality check is normal in step SP13, as in the description of FIG. It is determined whether or not.

メッシュの品質チェックは、メッシュのゆがみ値、ストレッチゆがみなど変形量のチェックを行なうことである。ストレッチは、例えば三角形で言えば三角形の内側にフィットする最大の円の半径をコーナ節点間の最大距離で割ったものである。もし、メッシュがつぶれているようであればその後の解析計算ができないので、ステップSP14において、CAD形状の変更する割合が大きくなるように分配値を変更する。そして、ステップSP11において、変更した分配値でCAD形状の変形を行なう。それ以外の処理は図1と同じある。   The mesh quality check is to check deformation amount such as mesh distortion value and stretch distortion. Stretching, for example, in the case of a triangle, is the radius of the largest circle that fits inside the triangle divided by the maximum distance between corner nodes. If the mesh seems to be crushed, the subsequent analysis calculation cannot be performed. Therefore, in step SP14, the distribution value is changed so that the ratio of changing the CAD shape is increased. In step SP11, the CAD shape is deformed with the changed distribution value. The other processes are the same as those in FIG.

このように、メッシュがつぶれているようであれば、CAD形状の変更を大きくすることにより、その後にモーフィングモデル形状を変更してもメッシュの品質が悪くなるのを防ぐことができる。   As described above, if the mesh appears to be crushed, it is possible to prevent the quality of the mesh from deteriorating even if the morphing model shape is subsequently changed by increasing the CAD shape change.

図9は、この発明のさらに他の実施形態における転動体を有する機械構造物の形状設計方法を説明するためのフローチャートである。   FIG. 9 is a flowchart for explaining a shape design method of a mechanical structure having rolling elements according to still another embodiment of the present invention.

図9に示した実施形態は、図2、図5、図6、図7、図8の各実施形態を組合わせたものである。この実施形態によれば、ステップSP11,12において、分配値に基づいてCAD形状、モーフィングモデル形状を変更し、ステップSP13においてメッシュの品質をチェックし、ステップSP14において、メッシュの品質に応じて分配値を変更し、ステップSP21〜ステップSP23において転動体モデルを作成できる。したがって、最適なハブ軸受の形状を自動的に設計することが可能になる。   The embodiment shown in FIG. 9 is a combination of the embodiments shown in FIGS. 2, 5, 6, 7, and 8. According to this embodiment, the CAD shape and the morphing model shape are changed based on the distribution values in steps SP11 and SP12, the quality of the mesh is checked in step SP13, and the distribution value is determined according to the quality of the mesh in step SP14. The rolling element model can be created in steps SP21 to SP23. Therefore, it is possible to automatically design an optimal hub bearing shape.

なお、上述の説明では、この発明をハブホイール1の最適形状を求める場合に適用したが、これに限ることなく、その他の等速ジョイント,ロッカーアームなどのように転動体を有し、複数の要素を有する機械構造物の最適形状を求める場合にも適用することができる。   In the above description, the present invention is applied to the case where the optimum shape of the hub wheel 1 is obtained. However, the present invention is not limited to this, and other rolling elements such as a constant velocity joint and a rocker arm are provided. The present invention can also be applied to obtaining an optimum shape of a machine structure having elements.

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.

1 ハブホイール、110 3D‐CAD、111 制御部、112 入力部、113 表示部、114 印刷部、115 メモリ、116 制御プログラムソフトウェア、117 有限要素法モデル作成ソフトウェア、118 モーフィングモデル作成ソフトウェア、119 最適化ソフトウェア、120 モーフィングモデル形状変更ソフトウェア、121 CAD形状変更ソフトウェア、122 形状変更データベース。   1 Hub wheel, 110 3D-CAD, 111 control unit, 112 input unit, 113 display unit, 114 printing unit, 115 memory, 116 control program software, 117 finite element method model creation software, 118 morphing model creation software, 119 optimization Software, 120 morphing model shape change software, 121 CAD shape change software, 122 shape change database.

Claims (5)

転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を、コンピュータを用いて求める形状設計方法であって、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定させ、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定させる工程と、
前記設定された領域に基づいて、前記コンピュータが初期形状を求める工程と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報を入力させる工程と、
前記入力された各種情報や制約条件情報に基づいて、前記コンピュータが初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減した基本形状を求める工程と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択工程と、
前記選択工程によって選択されたCAD機能によって前記基本形状のCAD形状を変更することにより最適化をコンピュータが行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化をコンピュータが行う最適化工程とを含むことを特徴とする、機械構造物形状設計方法。
A shape design method for determining the shape of a mechanical structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of mounting portions extending in a radial direction from the bearing portion using a computer,
By the operator, setting the bearing portion as a region where the shape cannot be changed, and setting the mounting portion as a region where the shape can be changed;
Based on the set area, the computer determines an initial shape;
A step of inputting various information and constraint condition information applied to the machine structure by an operator;
Based on the inputted various information and constraint condition information, the computer obtains a basic shape obtained by reducing the material from an area where the shape can be changed in the initial shape; and
In order to optimize the basic shape, an operator selects which one of a CAD function realized by executing computer-aided design software and a morphing function realized by executing morphing model creation software is used . A selection process;
The computer performs optimization by changing the CAD shape of the basic shape by the CAD function selected by the selection step , or optimization by modifying the morphing model of the basic shape by the selected morphing function . A machine structure shape design method comprising: an optimization step performed by a computer.
前記最適化工程は、
前記選択工程でモーフィング機能が選択されたとき、前記モーフィングモデル作成ソフトウェアによって前記基本形状のモーフィングモデル形状を格子状に区切ったメッシュを変形する工程と、
前記変形したメッシュの変形量を判別する工程とを含み、
前記選択工程は、前記メッシュの変形量に応じて選択指示を与える工程を含む、請求項1に記載の機械構造物形状設計方法。
The optimization process includes:
When a morphing function is selected in the selection step, a step of deforming a mesh obtained by dividing the morphing model shape of the basic shape into a lattice shape by the morphing model creation software;
Determining the amount of deformation of the deformed mesh,
The mechanical structure shape design method according to claim 1, wherein the selection step includes a step of giving a selection instruction according to a deformation amount of the mesh.
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計する形状設計装置であって、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、モーフィングモデル作成ソフトウェアを実行することにより実現されるモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたCAD機能によって前記基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段とを備える、機械構造物形状設計装置。
A shape design device for designing the shape of a mechanical structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of mounting portions extending in a radial direction from the bearing portion,
An outer shape for determining the initial shape of the mechanical structure based on the fact that the bearing portion is set as an area where the shape cannot be changed by the operator and the mounting portion is set as an area where the shape can be changed. Creating means;
By an operator, the mechanical structure various information and constraints information applied to the object is based on inputted, the basic shape by deforming the outer shape to reduce the material from the area can be changed in shape of the initial shape Outer shape deformation means for obtaining
In order to optimize the basic shape, an operator selects which one of a CAD function realized by executing computer-aided design software and a morphing function realized by executing morphing model creation software is used. A selection means;
Optimization is performed by changing the CAD shape of the basic shape by the CAD function selected by the selection means , or optimization is performed by modifying the morphing model of the basic shape by the selected morphing function . A machine structure shape design apparatus comprising an optimization means for automatic design.
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、前記基本形状のモーフィングモデルを変形するモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたCAD機能によって前記基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させるための、機械構造物形状設計プログラム。
A computer for designing the shape of a mechanical structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of attachment portions extending in a radial direction from the bearing portion;
An outer shape for determining the initial shape of the mechanical structure based on the fact that the bearing portion is set as an area where the shape cannot be changed by the operator and the mounting portion is set as an area where the shape can be changed. Creating means;
By an operator, the mechanical structure various information and constraints information applied to the object is based on inputted, the basic shape by deforming the outer shape to reduce the material from the area can be changed in shape of the initial shape Outer shape deformation means for obtaining
Selection means for allowing an operator to select which one of a CAD function realized by executing computer-aided design software and a morphing function for deforming the morphing model of the basic shape is used to optimize the basic shape ,
Optimization is performed by changing the CAD shape of the basic shape by the CAD function selected by the selection means , or optimization is performed by modifying the morphing model of the basic shape by the selected morphing function . Machine structure shape design program to function as an optimization means for automatic design.
転動体を有する軸受部と、前記軸受部から径方向に延びる複数の取付け部とを有する機械構造物の形状を設計するコンピュータを、
オペレータによって、前記軸受部を形状の変更が不可能な領域として設定され、前記取付け部を形状の変更が可能な領域として設定されたことに基づいて、前記機械構造物の初期形状を求める外形形状作成手段と、
オペレータによって、前記機械構造物に加わる各種情報や制約条件情報入力されたことに基づいて、前記初期形状のうち形状の変更が可能な領域から材料を削減して外形形状を変形して基本形状を求める外形形状変形手段と、
前記基本形状を最適化するために、コンピュータ支援設計ソフトウェアを実行することにより実現されるCAD機能と、前記基本形状のモーフィングモデルを変形するモーフィング機能のどちらを用いるかをオペレータによって選択させる選択手段と、
前記選択手段によって選択されたCAD機能によって前記基本形状のCAD形状を変更することにより最適化を行うか、あるいは選択されたモーフィング機能によって前記基本形状のモーフィングモデルを変形することにより最適化を行って自動設計する最適化手段として機能させるための、機械構造物形状設計プログラムを記録する記録媒体。
A computer for designing the shape of a mechanical structure having a bearing portion having rolling elements and a plurality of attachment portions extending in a radial direction from the bearing portion;
An outer shape for determining the initial shape of the mechanical structure based on the fact that the bearing portion is set as an area where the shape cannot be changed by the operator and the mounting portion is set as an area where the shape can be changed. Creating means;
By an operator, the mechanical structure various information and constraints information applied to the object is based on inputted, the basic shape by deforming the outer shape to reduce the material from the area can be changed in shape of the initial shape Outer shape deformation means for obtaining
Selection means for allowing an operator to select which one of a CAD function realized by executing computer-aided design software and a morphing function for deforming the morphing model of the basic shape is used to optimize the basic shape ,
Optimization is performed by changing the CAD shape of the basic shape by the CAD function selected by the selection means , or optimization is performed by modifying the morphing model of the basic shape by the selected morphing function . A recording medium for recording a machine structure shape design program for functioning as an optimization means for automatic design.
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