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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序章
バイオミメティック最適化手法は、自然の生物学的構造とプロセスの研究から得られた知識に基づいています。
構造最適化は、現在の境界条件を考慮しながらコンポーネントの理想的な設計を扱う最適化の特別な分野です。一般的に最適化された特性には、重量、耐荷重、剛性、または寿命が含まれます。目標は、値を最大化または最小化することによって、これらのプロパティの 1 つ以上を最適化することです。
一般的に、考えられるのは、過負荷や過小負荷の領域を避けながら、建設資材を可能な限り効率的に利用することです。機能上の理由から、ほぼすべての技術コンポーネントが断面に変化を示し、したがってノッチが発生するため、ノッチ応力を最小限に抑えることは、構造の最適化において特に重要です。従来の構造最適化では、ノッチの形状係数、つまりノッチへの応力集中係数は、ノッチの曲率半径を可能な限り大きく選択するか、ノッチの相互作用を利用してリリーフ ノッチを追加することで低減されます。この手順では、ノッチの形状は変更されません。他のノッチ形状 (ボー曲線、楕円、対数スパイラルなど) の使用は、1930 年代にはすでに提案されていました。しかし、それらはテクノロジーに広く適用されておらず、たまにしか使用されていません.
Computer Aided Optimization (CAO) や Soft Kill Option (SKO) などのコンピューターベースの生体模倣最適化ツールは、コンポーネントの形状とトポロジーをそれぞれ変更し、有限要素解析 (FEA) を使用して応力を均質化します。このようなツールは 1990 年から利用可能であり、業界で使用されています。ただし、この場合、最適化のために FEA を使用する必要があるため、可能なユーザーの数が制限されます。これは、その操作には強力なコンピューター、特別なソフトウェア、および専門家が必要になるためです。コンポーネントを最適化するためのスペシャリストだけでなく、設計エンジニアも使用できる、よりシンプルで高速な方法の需要により、「引張三角形の方法」が開発されました。この手法の開発は 2006 年に開始されたばかりですが、理解しやすく適用しやすいため、すでに検証済みのアプリケーションに使用されています。バイオミメティック最適化手法の幅広いアプリケーションと、ユーザーが手法を理解して適用できる比較的容易さにより、ユーザーは設計プロセスの早い段階でコンポーネントの最適化を実行できます。 Tensile Triangle Method の場合、CAD システムにこの方法を実装するだけでこれが可能になります。
すべての最適化は、選択された負荷のケースに特化することを意味するため、サービスの負荷はよく知られています。その他の考慮されていない負荷条件は、コンポーネントに高い応力をもたらす可能性さえあります。
Introduction
Biomimetic optimization methods are based on the knowledge gained from studying natural biological structures and processes.
Structural optimization is a special branch of optimization dealing with the ideal design of components while taking the current boundary conditions into account. Commonly optimized properties include the weight, the load capacity, the stiffness, or the lifespan. The goal is to optimize one or more of these properties by maximizing or minimizing their values.
Generally, the idea is to utilize the construction material as efficiently as possible while avoiding overloaded and underloaded areas. Since almost every technical component for functional reasons exhibits changes in section and, hence, notches, minimizing notch stress is especially important in structural optimization. In classic structural optimization, the notch shape factor, i.e. the stress concentration factor on the notch, is reduced by selecting the largest possible radius of curvature for the notch or by utilizing the mutual interaction of notches and adding relief notches. The shapes of the notches are not changed by this procedure. The use of other notch shapes (Baud curves, ellipses, logarithmic spirals, etc.) was suggested as early as in the 1930s. But they are not widely applied in technology and are only used occasionally.
Computer-based biomimetic optimization tools, such as Computer Aided Optimization (CAO) and the Soft Kill Option (SKO), modify the shape and topology of the component, respectively, and thus homogenize the stresses using the finite element analysis (FEA). Such tools have been available since 1990 and are used in industry. The need to use FEA for optimization in this case limits the number of possible users, though, because a powerful computer, special software, and an expert are needed for its operation. The demand for even simpler and faster methods that cannot only be used by specialists to optimize components, but also by design engineers, led to the development of the “Method of Tensile Triangles”. Although development of this method began in 2006 only, it is already being used for verified applications because it is easy to understand and apply. The wide range of applications of biomimetic optimization methods together with the relative ease with which users are able to understand and apply the methods enables users to perform component optimization early in the design process. In the case of the Tensile Triangle Method, this is possible simply by implementing the method in CAD systems.
As every optimization means specialization for the selected cases of load, service loading can be well known. Other unconsidered loading conditions might even result in higher stresses in a component.