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パワーショベルにおけるバケット形状の最適化

Altair Inspireのパラメトリックモデリング、HyperStudyのDOE、MotionSolveとEDEMの連成シミュレーションおよびromAIによる低次元化モデルを用いた最適化により掘削性能を向上させるバケット形状を導出します。

結果、本手法により20%性能向上を実現するバケット形状を算出することができました。

Altair Inspireによるパラメトリックモデリング

Altair Inspireのスケッチ機能とパラメータ機能を用いることで、パラメトリックのバケット形状を作成できます。

例えば、下記の論文の図5を参考にパラメトリックのバケットモデルを作成しました。

Haoran Sun, Zhigui Ren, Jiahao Li, Gaowei Li, and Wenshuai Liu. Bucket structure optimization of backhoe hydraulic excavator based on compound digging trajectory and limit digging force. Advances in Mechanical Engineering 2022, Vol. 14(4) 1-8

パラメータを変更するだけで、様々にバケット形状を変更できます。

Altair MotionSolveとAltair EDEMによるパワーショベルの土砂掘削シミュレーション

Altair MotionSolveとAltair EDEMの連成シミュレーションにより、パワーショベルによる土砂掘削シミュレーションを行えます。

Altair MotionSolveは機構解析のソフトウェアでパワーショベルの動作をシミュレーションできます。弾性変形も考慮可能で、土砂掘削時のアーム、ブームの応力・ひずみの評価が可能です。

また、1DシミュレーションツールAltair Twin Activateとの連成により、油圧アクチュエータも組み込むことが可能です。

Altair EDEMは離散要素法に基づいたバルク材挙動のシミュレーションソフトウェアで、土砂の振る舞い、負荷を計算できます。General EDEM Material ModelやSoil Starter Pack / Powder Starter Packなどの材料モデルも充実しており、様々な材料でのシミュレーションを行えます。

Altair HyperStudyによるDOE

Altair HyperStudyはDOE・最適化のソフトウェアで自動探査が可能です。また、補助ツールであるEDEM-HyperStudy Connectorにより、InspireのパラメトリックモデルとMotionSolve-EDEMの連成シミュレーションを融合し、掘削性能を向上させるバケット形状の自動探査が可能です。

Altair Unlimitedによる高速計算

Altair EDEMはGPUに対応しており、Altairのクラウド環境Altair Unlimitedを使用することで計算を高速化できます。

EDEM-HyperStudy ConnectorはHyperStudyが作成したDOEのjobをAltair Unlimitedで実行する機能もサポートしております。

HyperStudyが作成したバケット形状を変更したモデルを自動でAltair Unlimitedにjob投入し、結果を戻します。

計算コストの高いEDEMの計算もクラウド上の並列Jobで短時間に、効率的に計算することが可能です。

romAIによる低次元化モデルと最適化

HyperStudyのDOEの結果をトレーニングデータとして、Altair romAIでディープラーニングを用いた低次元化モデルが作成可能です。

作成した低次元化モデルはバケット形状変更後の掘削性能を短時間で予測できるため、例えば、掘削土量を最大化するバケット形状をTwin Activateの最適化ブロックを用いてすばやく求めることができます。

最適化したバケット形状の性能確認

romAIのモデルで予測した掘削土量を最大化するバケット形状を用いて、再度MotionSolve-EDEMの連成シミュレーションを行い、掘削性能を確認しました。

結果ベース形状に対し、20%の性能向上が確認できました。

使用ソフト

Altair EDEM

Altair MotionView/MotionSolve

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Twin Activate

v2023.1

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本デモモデルのチュートリアルです。デモモデルも下記リンク先よりダウンロードいただけます。

パラメトリックバケットモデルの作成方法

バケット掘削時の掘削土量を算出するEDEMpyスクリプト

Altair HyperStudyを用いたバケットの自動形状変更方法（容量一定拘束なし）

パラメトリックバケットモデルから面積、線長さ、角度などを算出する方法

パワーショベルの土砂掘削シミュレーションにて消費エネルギを算出する方法

パワーショベルの掘削シミュレーションにおけるバケット形状のDOE・最適化

HyperStudyのDOEデータからromAIによる予測モデルを作成し最適化する方法

Kosuke_IKEDA

romAIの代わりに、AI Studioを使用して低次元化モデル作成と最適化を行うことも可能です。

HyperStudyのDOEデータからAI Studioでディープラーニングによる予測モデルを作成し最適化する方法

AI StudioはAltairのデータ分析プラットフォームで、ディープラーニングを含む様々なアルゴリズムで予測モデル作成し、最適化を行うことも可能です。ノーコード、ローコードツールで準備されたブロックを接続するだけで、どなたでも簡単にデータ分析が可能です。また、KSK様ご提供の実務直結型トレーニング「Learning サブスクリプション」により、DX人材の育成も支援しています。