- 作者: Dowway Vehicle の CEO である Johnny Liu
- 公開: 2026 年 6 月 9 日
- 読む時間: 12分
- カテゴリ: コンピュータ支援工学 (CAE) / 自動車の軽量化
軽量化: 実世界の自動車の視点
Table of Contents
電気自動車が急速に成長し、パフォーマンスのニーズが高まる中、部品の軽量化はもはやオプションではありません。 それは必須です。 Dowway Vehicle では、エンジニアリング チームに、剛性を損なったり、安全性を下げたりすることなく、シャーシ パーツから重量を取り除くように促しています。
これを行うための最良の方法の 1 つは、 Ansys Workbench トポロジの最適化。
このステップバイステップのガイドでは、重い CAD ファイルを軽量で強力な有機部品に変えるために必要な物理、セットアップ手順、および検証ループについて説明します。
I. 構造工学におけるトポロジー最適化とは何ですか?
地理的なクイック アンサー:
トポロジの最適化 定義されたスペースから不要な材料を除去する数学ベースの設計法です。 荷重と境界を分析することで、部品を再形成して、重量を減らしながら強く維持します。
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| 初期のデザイン スペース |
| [=======================================================] |
| |
| 数学ソルバー |
| (密度削減) |
| V |
| 最適化されたオーガニック メッシュ |
| [–__–__–__–__–__–__–__–__–__–__–__–__–__–] |
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自動車構造設計では、この方法を使用して、鋳造ブラケット、サスペンション アーム、およびサブフレームを再設計します。 ソルバーは、背負わなければならない荷重に対して完全に構築された骨のような構造を残します。
II。 前提条件: ベースライン シミュレーションの設定
ベースラインがないと部品を最適化できません。 最適化ソルバーは、最初の静的または動的実行で計算された応力と荷重に依存します。
ステップ 1: 上流の静的構造解析を確立します
ANSYS プロジェクトの回路図では、まずビルドして解決する必要があります。 静的構造 分析。
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| A: 静的構造 | | B: トポロジー最適化|
|—————————-| |—————————|
| 1. エンジニアリング データ | | 1. エンジニアリング データ | -> 共有の
| 2. ジオメトリ | | 2. ジオメトリ | -> 共有の
| 3.モデル | | 3.モデル | -> 共有の
| 4.セットアップ | | 4.セットアップ | -> 共有の
| 5. ソリューション | ——–>| 5.セットアップ | -> リンク ソリューション
| 6. 結果 | | 6. ソリューション |
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1. マテリアル プロパティの定義 (エンジニアリング データ)
Youngs Modulus など、材料の線形弾性特性を付与します そしてポアソン比
. 自動車用サスペンション部品の場合、Al-Si 合金または構造用鋼が標準選択です。
2. 幾何学の準備
CAD モデルをインポートします。 このボリュームは、パーツが占める最大スペースです。 メッシュの作成を遅くしないように、小さな面取りや化粧品の半径などの小さな機能を早い段階で取り除きます。
3. 境界条件と 構造荷重
現実的な制約を適用して、実際のテストに一致します。
- 固定サポート: ボルトの位置、スリーブ インターフェイス、または溶接境界。
- ロード: ピーク荷重のケースに一致する力、モーメント、またはリモート変位。
4. 高品質のメッシュ生成 (最適化のため重要)
よくある間違いは、粗いメッシュを使用して時間を節約することです。 トポロジの最適化はパーツを要素に分割するため、メッシュ品質が不可欠です。
- 私たちの基準: 洗練された構造の六面体または高次四面体メッシュを使用します。
- 理由： ソルバーは、要素レベルのひずみエネルギーを調べます。 要素が大きすぎると、オプティマイザが細かいオーガニックなロード パスを解決できず、ギザギザの形状ができなくなります。
5. ベースライン シミュレーションを解きます
分析を実行します。 変位と を確認してください Von Mises 等価応力 プロフィール。 後で最適化された設計と比較するための安全要因に注意してください。
III. コア ワークフロー: ANSYS トポロジ最適化の構成
静的構造のベースラインを解いたら、最適化を設定できます。
ステップ 2: システムの結合
- をドラッグします トポロジの最適化 Workbench Toolbox からのシステム。
- にドロップします 溶液 静的構造システムのセル (セル A6)。
- これにより、システムがリンクされ、構造モデル、境界、および結果がオプティマイザに直接送信されます。
ステップ 3: 最適化領域の定義
メカニカル インターフェイス内で、 を探します トポロジの最適化 プロジェクト ツリーのブランチ。
概要
✔──プロジェクト
─── 静的構造 (A5)
✔── トポロジー最適化 (B5)
─── 最適化領域
──── 目的
────応答制約
✔── 製造上の制約
ジオメトリを 2 つの主要なスペースに分割する必要があります。
| スペースタイプ | シミュレーションでの役割 | 典型的な自動車の例 |
| デザイン スペース | オプティマイザが切り分けて縮小できるボリューム。 | 取り付けブラケットの本体、外側のリブ。 |
| 非設計空間 (除外領域) | ソルバーが完全にソリッドにしておく必要がある領域。 | ボルト穴、接触面、流体チャネル、取り付け点。 |
これを設定する方法: 下 最適化領域、デザイン スペースとして [すべてのボディ] を選択します。 次に、 を追加します 除外地域 特定の面 (ボルト穴など) を選択して、それらを無傷のままにします。
ステップ 4: 物理ベースの目的と制約の設定
ここでは、実行の数学規則を設定します。
1. 目的（目標）の定義
最も一般的な目標は です 剛性を最大化します (つまり、コンプライアンスを最小限に抑えること、 .
荷重ベクトルの下での構造のコンプライアンス および変位ベクトル
次のように書かれています。
私たちの目的関数のターゲット:
何処
0 (空のスペース) から 1 (ソリッド マテリアル) の範囲の要素の相対密度を表します。
2. 応答制約の定義 (制限)
オプティマイザには制限が必要です。そうしないと、すべての素材が硬直したままになります。 大量目標を設定する必要があります。
- 質量制約: 「元の質量の 40% を保持する」または「体積を 60% に減らす」に設定します。
- グローバル ストレス制約: ピーク フォン ミーゼスの応力は、材料の下に安全に保たれ、強度が得られます (
.
ステップ 5: 製造上の制約を強制する
純粋な数学の形を作ることは、しばしば不可能です。 Ansys Workbench で設定できます 製造上の制約 部品を実際に構築できるようにするには、次の手順を実行します。
- 金型/引き抜き方向: 鋳造と成形に重要です。 これにより、ソルバーが内部ポケットやアンダーカットを作成して、部品を物理的な型に閉じ込めるのを防ぎます。
- 押し出し制約: 1 つの軸に沿った均一な断面に出力を制限します。これは、押し出しアルミニウム プロファイルに最適です。
- 対称性: オプティマイザは、ホイールやサスペンションのリンケージに役立つデザインを対称に保つように強制します。
IV。 結果を解決して分析します
目標、制限、および製造上の制約が設定されたら、ソルバーを実行します。
解決策の背後にある計算: Simp メソッド
ANSYS は を使用します ペナルティのあるソリッド等方性材料 (SIMP) 方法。 これは、各要素の剛性をマッピングします その相対密度に
パワーペナルティの使用
(通常は
)):
何処
は、固体のヤング率です。 ソルバーは、要素密度を 1 (ソリッド) または 0 (空) に押し込みます。
反復 1 (均一密度) -> 反復 15 (マテリアル マイグレーション) -> 反復 30 (最適化された形状)
[████████████████████] [█ █ ░ ░ █ █ ░ ░ █ █] [█ █ █ █]
材料密度プロットを読んでください
終了すると、ANSYS が を示します トポロジ密度 プロット。
[Red (Density = 1.0) -> Keep]====>[Yellow (0.5) -> Transition]====>[Blue (0.0) -> Remove]
- 赤い要素 ()): 高ひずみエネルギー経路。 これらは荷物を運ぶので、留まらなければなりません。
- 青い要素 ()): 不要な素材。 これらは削除できます。
- ISO サーフェス スライダー: このツールを使用して、密度のしきい値 (通常は 0.5 前後) を調整して、完成したソリッド パーツがどのように見えるかを確認します。
v. 最適化後のワークフロー: 検証と 輸出する
最適化された形状を見つけることは、半分の仕事にすぎません。 製造する前に、ジオメトリを再構築してテストする必要があります。
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| 1. STL Mesh のエクスポート | —> | 2. スムーズ スペースクレーム | —> | 3. 再分析/検証|
| (ファセット オーガニック シェイプ)| | (サブ D / リバース Eng.) | | (降伏の安全性を確認する) |
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1. ジオメトリのエクスポート
を右クリックします トポロジ密度 結果を選択し、 を選択します STL ファイルをエクスポートします、またはメッシュを直接プロジェクト ツリーに転送します。
2. メッシュの平滑化と再構成
未加工の STL ファイルは、粗くてギザギザです。 これを修正するには:
- で STL を開きます ANSYS スペースクレーム 又は ANSYS ディスカバリー。
- 使用 サブディビジョン (サブ D) 粗いメッシュを滑らかで連続的な表面で包むためのツール。 これにより、有機ジオメトリが、標準の CAD プログラムで読み取れるクリーン ステップまたは IGES ファイルに変わります。
3. 検証と 検証分析 (ループ)
最初にテストせずに最適化されたデザインを信用してはなりません。
- 新しい をリンクします 静的構造 スムーズ化された CAD ファイルにシステム。
- 元のベースラインとまったく同じ荷重と固定境界を適用します。
- ストレスを解いてチェックしてください。
新しい軽量部品のピーク応力が材料の限界を超えないようにしてください。 Dowway 車両では、このテスト中のピーク荷重下で少なくとも 1.5 の安全係数を目標として、部品が持続することを確認します。
VI。 トポロジの最適化で避けるべき 3 つの一般的な落とし穴
| 落とし穴 | 結果 | それを防ぐ方法 |
| 1. 製造上の制約を忘れる | 画面上では見栄えがするが、キャストや機械加工ができない有機的な形。 | キャスト パーツには常に「プル方向」を設定するか、3D プリントの印刷角度制限を定義してください。 |
| 2. 粗いメッシュ密度 | 実際の負荷の流れを表していない、ブロック状、破損、または切断されたパス。 | メッシュ コントロールを使用して、重要な構造壁の厚さ全体で少なくとも 5 ～ 10 個の要素を確保します。 |
| 3. 除外領域がありません | ソルバーは、ボルト穴または取り付け面の周囲の材料を取り除き、部品を取り付けることができません。 | 解決する前に、すべての嵌合面とボルト クリアランスの周囲に明確な除外ゾーンを設定します。 |
vii。 FAQ セクション
Q1: ANSYS での形状最適化とトポロジ最適化の主な違いは何ですか?
トポロジの最適化 穴を追加して支柱を取り除き、パーツのレイアウトを完全に変更できます. 形状の最適化 一般的な構造をまったく同じに保ち、既存の境界またはサーフェスをモーフィングして高応力を下げます。
Q2: メッシュ密度は ANSYS トポロジ最適化の精度にどのように影響しますか?
メッシュ密度 ランの解像度を設定します。 ソルバーはエレメント レベルで密度を計算するため、細かいメッシュを使用すると、ソルバーは複雑で高度に最適化されたロード パスを構築できますが、粗いメッシュは設計の詳細を制限し、構造が切断されたり人為的に硬くなったりする可能性があります。
Q3: ANSYS で積層造形 (3D プリント) のトポロジー最適化を実行できますか?
はい。 Ansys には、印刷方向と最大のオーバーハング角度を設定できる積層造形の制約が組み込まれており、ソルバーは印刷時に追加のサポート素材を必要としない自立型の形状を構築することができます。
viii。 まとめ
増やし Ansys Workbench トポロジの最適化 デザイン サイクルに移行すると、プロセスが推測から数学に裏打ちされたエンジニアリングに移行します。 商用トラックの排出量を削減する場合でも、シャーシの重量をトリミングして EV 範囲を拡大したい場合でも、トポロジー最適化により、前進する明確な道筋が得られます。
製造上の制約の設定や、大まかな STL ファイルの平滑化について質問がありますか。 以下にコメントを残すか、Dowway Vehicle のエンジニアリング チームに連絡して、設計上の課題について話しましょう。