最適化設計について 前編

2019-1-16

今回は、最適化設計について前編と後編の2回に分けてご説明いたします。
以前、メルマガの記事で、最適化設計の概説の概説とものから抜粋にて掲載しますが、専門的な言葉を可能な限り使わずに説明しようとしていることから、技術的には、正確ではない表現もあるかもしれませんが、勘弁ください。
それでは、まず前編では、最適化とは、どの様な技術かについて説明します。

最適化とは何か?「ものづくり用語辞典」では、「一定の制約のもとで、任意の目的を満たす最適な条件を決定すること。特に、製品設計における最適化は、CAEを利用して最適な設計仕様を自動的に求める事を指す場合が多い」と記述されています。なかなかわかりにくい表現ですが、一言で表現すれば、「設計する製品の寸法や材質や最適な機能をCAEを用いて決定すること」と言え、これは、設計作業自体が最適化を行う作業ということです。但し、従来の最適化の最終的な解は,試作をして実際に実験を行い確認することで決定しましたが、CAEでこれを行うことが新しいところで、CAEで行うことで、最近は設計の上流工程で、この最適化が活用される傾向にあります。

次に、最近の最適化技術についてご説明します。例えば、ある部品の強度を解析するとします。当然ながら、力を加える位置と、そこに加える力を設定し、シミュレーションにより、どこにどのくらいの応力が集中するかを見ながら、設計する部品の形状や材質をいろいろと変えて何回かのシミュレーションを行いながら、人為的に最適解を求めました。この方法に対し、最近の最適化技術では、例えば、重さを最小にするという最適化の目的を決め、その部品にかかる応力の範囲を制約条件として、製品の寸法や材質の特性を変数として設定することで、最適化シミュレーションを実施すれば、変数とした製品の寸法や特性を自動的に導き出すことができるようになってきています。これは、従来何回も繰り返したシミュレーションの実施を自動的に繰り返すわけですが、単に何回も計算したからと言って、最適解が求まるわけえではなく、そのためには、求めるべき変数に対する最適解を絞り込んでいくためのアルゴリズム、つまり計算の手順が必要であり、この計算の手順にいろいろな種類があります。

さらに、ここまで自動的に最適解が求められるようになってくると、さらに欲が出てくるのが人間の常です。前述の例では、最適化の目的は重さを最小に、だけですが、さらに、形状も最小化とか、複数の目的を検討したくなります。また、制約条件も応力だけではなく、熱やいろいろと考えなければならない条件があれば、これらも制約条件に加えることを考えます。つまり、より複雑な最適化シミュレーションを求めるようになります。ここまで最適化しようとなると、最適化のアルゴリズムも複雑になるばかりではなく、いろいろな種類の最適化手法のどの手法を用いるが、確実な計算ができるか選択をしなければならなくなってきています。この最適化手法を選択するためには、その最適化する対象の特徴を理解することが必要になってきますので、後編では、その特徴についてから説明いたします。