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@___monta___

FreeCADで構造最適化

Last updated at Posted at 2025-03-02

構造最適化

ちょっとした経緯からTopology Optimizationが面白そうだったので、FreeCADで試してみました
当初自分の勉強用に始めたので、前半と後半で少し形状が異なるかもしれません。
ご容赦ください。

ゆがみはほぼ変わらず、体積をおおよそ半部とする形状を出力することができました

モデル Z方向最大変位 体積
最適化前 -12.57㎛ 11534
最適化後 -17.49㎛ 5816

最適化する前の形状を作成する

今回は、棚を支える三角形部分の形状最適化をすることにします。
以下は出来上がった形状をBlenderでレンダリングしたイメージ図です。

image.png

BESOスクリプトのダウンロード

FreeCADには標準ではToplogy最適化の機能はありません。調べたところ、以下のBESOスクリプトを用いるとできるようです。インストールは特にないのですが、FreeCADのアドオンディレクトリに展開してもよいと思います。

形状作成

まずは削る前の形状を設計します。この辺りはFreeCADの基本なのでかなりはしょります。

スケッチから、XZ平面を選択します。実際のところどの平面でも特に問題ないはずです。

image.png

５㎝の直角三角形を作成します。

image.png

Padで２㎝の厚みを出します。

image.png

FEM開始

ワークベンチをFEMへ切り替えます。
開くと、デフォルトのSolverだけがセットされています。

image.png

素材設定

”A”のマークをクリックすると解析コンテナーが追加されます。

image.png

次にこの形状を構成する素材を設定します。
鉄とプラスチックでは当然強さや変形の仕方が違いますからね。

”A”のマークの隣の黄色い球をクリックします。
image.png

追加されたMaterialSolidをダブルクリックして設定を開きます。
image.png

FEM材料が表示されるので、情報の▽をクリックして、適当な素材を選びます。
ここでは３Dプリンタでも用いられるABSを選びます。
image.png

固定境界条件

今回棚の支えを設計すると想像すると、一面は壁に固定され、上面から荷重がかかりますね。
ここでは壁に固定する面の設定を行います。

これを固定境界上限の設定と呼ぶらしいです。
画面上部に鍵のマークがついたアイコンをクリックします。

image.png

タスクに設定が表示されるので、「追加」ボタンをクリックしてから固定する面を選択します。

image.png

選択した面に赤マークが出ることを確認してOKをクリック。

image.png

荷重負荷

後は荷物が上面に置かれたら、面全体に荷重がかかると想定します。
理想的にはたわみなどがなければそうなるはずですよね。

アイコンで荷重負荷をクリックします。面に赤い矢印のアイコンです。
image.png

固定境界条件と同じように、圧力がかかる面を選択してOKをクリック。
私の環境では矢印の方向が面への方向ではなく逆方向だったので、設定にある「逆方向」にチェックをいれいました。
10㎏のものを2つの足で支えると想定し、荷重は49.00Nとしました。
image.png

Mesh

FEMメッシュを生成します。
まずはBodyを選択します。
image.png

すると、FEMメッシュ作成のボタンが有効化されるので、今回はNが付いているNetGenをもちいてFEMMeshを生成します。
image.png

例によってパラメータがタスクに表示されます。
デフォルトでは分割が大きすぎるので、最大サイズを2㎜とします。

image.png

OKをクリックすると、AnalysisのしたにFEMMeshNetgenが追加されます。
これくらいのおおざっぱさでも1.9万のNodeが構成されたようです。体積が11534。

image.png

ソルバー計算の実行

モデルのなかから、「SolverCcxTools」を選択する。Ｓに実行の矢印が付いたアイコン。
image.png

Solverの実行アイコンが有効になるので、クリックする。
image.png

するとAnalysisのしたに3つくらい項目が増える。

image.png

結果確認

CCX‗Resultをダブルクリックする。

画面上のこうもくで、
「変位Z」を選択。
変位のチェックボックスをクリックしてスライドバーを意味版右までもっていくとゆがみが分かるように表示される。
＊どれくらい歪むかの値は、上記にこの例では最大12.57㎛とあるので非常に小さい。
image.png

image.png

#構造最適化

ここまでが準備でここからが本番。

Inpファイルの書き出し

「SolverCczxTools」をダブルクリックするとInpファイルの書き出しが可能となる。
念のため、日本語を含まないパスを設定して、「.Inpファイルの書き出し」をクリック。途中計算が大量に出力されるので、専用のフォルダを作成し、書き出しを行う方が良いです。

image.png

BESOマクロ実行

メニューのマクロからさらにその下にある「マクロ」を選択する。

マクロの実行画面がひょうじされるので、「ユーザーマクロの保存先」に、BESOを展開したフォルダを設定する。
image.png

一覧の中から「beso_fc_gui.py」を選択し、実行をクリックする。
image.png

左上の「Select analysis file」ボタンをクリックして、先ほど書き出した.Inpを選択。

image.png

「Mass goal ratio」を0.5として、目標を50％の質量とします。
image.png

あとはデカい「Generate conf. file and run optimization」ボタンをクリックします。
反応がなくわかりにくいですが、しばらくするとグラフが出ます。
重なって出たりするので、よく見ておきましょう…
image.png

表示されたグラフが更新されるのと、(表示していれば)ログも更新されます。
image.png

ある程度まで行くと変化がなくなりますが、止まるまで待ちます。
image.png

止まったら、グラフおよびマクロのウィンドウは×で閉じても構いません。

最適化結果確認

さて、BESOで作られた形状はどのような形でしょう。

形状確認

マクロが終了すると、フォルダに大量のファイルが作成され終了します。
ループごとに削減された形状、残った形状などの情報がのこされます。例えば、file020_state1.inpはループ20回目の残っている形状になります。

停止したフォルダの時系列で以後の_state1.inpをFreeCADへD＆Dします。

image.png

再度変形を確認する。

SolverCcxToolsを選択し、Solver計算の実行を実行します。
結果がこちら。

image.png

モデル Z方向最大変位 体積
最適化前 -12.57㎛ 11534
最適化後 -17.49㎛ 5816
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