CN110226161A - 车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法为求出结合于作为车身的结构体的一部分的、材料特性不同于结构体的增强构件的最优形状的方法，其包括下述步骤：结构体模型取得步骤，取得使用平面要素及/或立体要素将结构体模型化而成的结构体模型；增强构件模型生成步骤，生成由立体要素形成、与结构体模型的一部分结合的不同于结构体的增强构件模型；材料特性设定步骤，对增强构件模型的材料特性进行设定；优化分析模型生成步骤，将增强构件模型结合于结构体模型的一部分而生成优化分析模型；和优化分析步骤，将增强构件模型作为分析对象而进行优化分析，求出增强构件模型的最优形状。

Description

车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置

技术领域

本发明涉及寻求增强汽车车身结构的增强构件(reinforcement)的最优形状的、车身(automotive body)增强构件的形状优化方法及形状优化装置，尤其涉及通过优化分析(optimization analysis)方法将增强构件的形状优化的、车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置。需要说明的是，本发明中，所谓形状优化(shape optimization)，并非指预先设想规定的形状(例如T字形状)并以该规定形状为前提来求出最优形状，而是指以不设想规定形状的方式求出满足分析条件的最优形状。

背景技术

近年来，尤其是在汽车产业中，以环境问题为起因的车身的轻量化(weightreduction of automotive body)在不断推进，在车身的设计中，基于计算机辅助工程(computer aided engineering)的分析(以下，称为“CAE分析”)成为不可缺少的技术。已知在该CAE分析中通过使用数理优化(mathematical optimization)、板厚优化(thicknessoptimization)、形状优化(shape optimization)及拓扑优化(topology optimization)等优化技术来实现车身性能(performance of automotive body)的提高(如车身的轻量化、刚度(stiffness)的提高等)，这些优化技术经常用于例如发动机机体(engine block)等铸件的结构优化(structural optimization)。

优化技术中，尤其是拓扑优化逐渐受到关注。拓扑优化是指下述方法：设置某种程度大小的设计空间，在该设计空间中组入立体要素(three-dimensional element)，满足所赋予的条件，且保留所需最小限度的立体要素的部分，由此求出满足所赋予的条件的最优形状。因此，拓扑优化中使用下述这样的方法，即对形成设计空间的立体要素直接进行约束(constraint)、并直接施加载荷(loading)。作为与这样的拓扑优化有关的技术，专利文献1中公开了用于对复杂结构体的组件(component)进行拓扑优化的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-250818号公报

非专利文献

非专利文献1：弓削、另外1名、“建设机械的最佳设计”、成蹊大学工学研究报告、Vol.41、No.1、2004年、p.1-5

发明内容

发明要解决的课题

汽车车身等结构体主要使用薄板(sheet)而构成，在利用优化技术对由这样的薄板构成的车身的一部位进行形状优化的情况下，如非专利文献1所记载，以往是将作为对象的车身的一部分取出，对取出的部分单独进行优化。因此，难以使来自车身整体的载荷、约束状态反映于该设计空间，由此，存在难以在车身的一部位应用优化技术这样的课题。另外，即使由车身整体的优化分析来求出车身的一部位的优化形状，也存在经优化的部位被消除的情况，因此也存在不知应当如何将该优化形状适当地反映于薄板结构这样的课题。

专利文献1中公开的技术是关于基于拓扑优化的优化分析所涉及的数学运算方面的方法及物理系统，对于上述这样的薄板结构的优化等课题没有提供任何解决手段。

此外，近年来，将由与薄板不同的材料特性的树脂(resin)、FRP(Fiber-Reinforced Plastics；纤维增强树脂)形成的增强构件粘贴于构成汽车车身的薄板而将其增强，提高车身的刚度、强度(strength)。然而，不存在以这样的增强构件的形状、增强构件的粘贴位置作为优化对象的现有技术，期望开发出求出增强构件(其增强车身)的优化形状的优化技术。

本发明是鉴于上述课题而做出的，其目的在于提供将材料特性(materialproperties)与结构体不同的增强构件结合于作为车身的结构体的一部分而将结构体增强时，能够求出增强构件的最优形状的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置。

用于解决课题的手段

本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法为求出结合(joining)于作为车身的结构体的一部分的、材料特性与该结构体不同的增强构件的最优形状的方法，其是计算机执行以下的各步骤的方法，包括：结构体模型取得步骤，取得使用平面要素(two-dimensional element)及/或立体要素将上述结构体模型化而成的结构体模型；增强构件模型生成步骤，生成由立体要素形成、与上述结构体模型的一部分结合的不同于上述结构体的增强构件模型；材料特性设定步骤，对该增强构件模型的材料特性进行设定；优化分析模型生成步骤，将上述增强构件模型结合于上述结构体模型的一部分而生成优化分析模型；和优化分析步骤，对该生成的优化分析模型赋予分析条件，将上述增强构件模型作为优化的分析对象而进行优化分析，求出上述增强构件模型的最优形状。

需要说明的是，优选的是，上述材料特性设定步骤中，作为上述增强构件模型的材料特性，设定杨氏模量(Young’ s modulus)、泊松比(Poisson’ s modulus)及比重(specific gravity)。

另外，优选的是，上述材料特性设定步骤中，提供对上述增强构件模型的材料特性赋予面内各向异性(in-plane anisotropy)的主轴(principal axis)角度，设定与该主轴角度对应的上述材料特性的值，在包含多个层的情况下，使具有主轴角度的各个层叠合。

另外，优选的是，上述优化分析步骤进行基于拓扑优化的分析处理。

本发明涉及的车身增强构件的形状优化装置为求出结合于作为车身的结构体的一部分的、材料特性与该结构体不同的增强构件的最优形状的装置，具备：结构体模型取得部，取得使用平面要素及/或立体要素将上述结构体模型化而成的结构体模型；增强构件模型生成部，生成由立体要素形成、与上述结构体模型的一部分结合的不同于上述结构体的增强构件模型；材料特性设定部，对该增强构件模型的材料特性进行设定；优化分析模型生成部，将上述增强构件模型结合于上述结构体模型的一部分而生成优化分析模型；和优化分析部，对该生成的优化分析模型赋予分析条件，将上述增强构件模型作为优化的分析对象而进行优化分析，求出上述增强构件模型的最优形状。

需要说明的是，优选的是，上述材料特性设定部设定杨氏模量、泊松比、及比重作为上述增强构件模型的材料特性。

另外，优选的是，上述材料特性设定部提供对上述增强构件模型的材料特性赋予面内各向异性的主轴角度，设定与该主轴角度对应的上述材料特性的值，在包含多个层的情况下，使具有主轴角度的各个层叠合。

另外，优选的是，上述优化分析部进行基于拓扑优化的分析处理。

发明的效果

根据本发明，能够精度良好地求出将结构体增强的增强构件的最优形状，通过将最优形状的增强构件结合于结构体，从而能够提高结构体的规定性能，或者能够在保持规定性能的同时有助于轻量化。

附图说明

咽1]图1为本发明实施方式涉及的车身增强构件的形状优化装置的框图(blockdiagram)。

[图2]图2为对实施方式中作为分析对象的车身模型、增强构件模型、及优化分析模型进行说明的图。

[图3]图3为对实施方式中使用立体要素生成的增强构件模型、和增强构件模型与车身模型的结合状态及方法进行说明的图。

咽4]图4为示出实施方式涉及的优化分析中对优化分析模型赋予的载荷约束条件的一例的图。

咽5]图5为示出通过实施方式涉及的优化分析进行形状优化而得到的最优形状增强构件模型的一例的图((a)：立体图，(b)：俯视图)。

[图6]图6为示出实施方式涉及的车身增强构件的形状优化方法的处理流程的流程图。

[图7]图7为示出实施例中对车身模型赋予载荷约束条件时的车身位移(displacement)的分析结果的图。

[图8]图8为对实施例中经形状优化的最优形状增强构件模型的厚度方向的形状进行说明的图((a)：A-A截面，(b)：上表面，(c)：B-B截面)。

[图9]图9为对实施例中向优化分析模型赋予载荷约束条件时的增强构件模型中产生的应力分布(stress distribution)进行说明的图((a)：A-A截面，(b)：整体，(c)：B-B截面)。

咽10]图10为对实施例中使用最优形状增强构件模型将车身模型轻量化的轻量化分析模型进行说明的图((a)：具有顶部增强件(roof reinforcement)的车身模型，(b)：除去了顶部增强件的车身模型，(c)：最优形状增强构件模型)。

[图11]图11为示出实施例中车身模型的顶部(roof portion)的板厚与顶部的重量的关系(a)、及顶部的板厚与车身模型的变化重量(weight change)的关系(b)的图。

[图12]图12为示出实施例中结合有最优形状增强构件模型的轻量化分析模型的顶部的板厚与刚度提高率(improvement rate of rigidity)的关系的图。

咽13]图13为对实施例中向车身模型及轻量化分析模型赋予载荷约束条件时的顶部的变形(deformation)进行说明的图。

具体实施方式

在对本发明的实施方式涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置进行说明之前，对本发明中作为对象的结构体模型进行说明。需要说明的是，本说明书所附的附图中，有时示出了形状及尺寸，但本发明并不限定于这些形状及尺寸。

<结构体模型>

结构体模型是将材料特性与结构体不同的增强构件结合于结构体的一部分时，使用平面要素及/或立体要素将结构体模型化而得到的，本实施方式中，作为结构体模型，以图2(a)所示的车身模型31作为对象。

车身模型31由汽车的车身骨架(automotive body frame)部件(part)、底盘(chasis)部件等多个部件构成，车身模型31的各部件利用平面要素及/或立体要素而模型化。另外，与构成车身模型31的各部件的要素(平面要素及立体要素)、材料特性(材质(material properties))等有关的信息存储于结构体模型文件23(参见图1)。

需要说明的是，本实施方式中，示出将通过在车身顶部(与图2所示的车身模型31的顶部33对应)的下表面粘贴材料特性与车身不同的增强构件从而增强、提高积雪(fallensnow)强度的情况作为对象的例子。

<车身增强构件的形状优化装置>

接着，以下基于图1～5对本实施方式涉及的车身增强构件的形状优化装置1(以下，也简称为“形状优化装置1”)的构成进行说明。

本实施方式涉及的形状优化装置1是将材料特性与作为车身的结构体的一部分不同的增强构件结合于该结构体的一部分而将结构体增强时，求出增强构件的最优形状的装置，如图1所示，由PC(个人计算机)等构成，具有显示装置(display device)3、输入装置(input device)5、存储装置(memory device)7、工作用数据存储器(working datamemory)9、及运算处理部(arithmetic processing unit)11。此外，显示装置3、输入装置5、存储装置7及工作用数据存储器9连接于运算处理部11，根据来自运算处理部11的命令来执行各自的功能。以下，对本实施方式涉及的形状优化装置1的各构成进行说明。

《显示装置》

显示装置3用于分析结果的显示等，由液晶监视器等构成。

《输入装置》

输入装置5用于结构体模型文件23的显示指示、操作者的条件输入等，由键盘、鼠标等构成。

《存储装置》

存储装置7用于结构体模型文件23等各种文件的存储等，由硬盘等构成。

《工作用数据存储器》

工作用数据存储器9用于运算处理部11中使用的数据的暂时保存、运算，由RAM(Random Access Memory)等构成。

《运算处理部》

如图1所示，运算处理部11具有结构体模型取得部13、增强构件模型生成部15、材料特性设定部17、优化分析模型生成部19、和优化分析部21，由PC等的CPU(中央运算处理装置)构成。上述各部通过CPU执行规定的程序来发挥功能。以下，对运算处理部11中的上述各部的功能进行说明。

(结构体模型取得部)

结构体模型取得部13是取得使用平面要素及/或立体要素将汽车车身模型化而成的车身模型31(参见图2(a))的部分，能够通过从存储于存储装置7的结构体模型文件23读取车身模型31的要素信息、材料特性信息而进行取得。但是，结构体模型取得部13也可以基于车身的CAD数据、利用平面要素及/或立体要素将车身模型化而新生成车身模型31。

(增强构件模型生成部)

增强构件模型生成部15是生成由立体要素形成、与车身模型31(参见图2(a))的一部分结合的不同于车身模型31的增强构件模型35(参见图2(b))的部分。以下，作为所增强的车身对象部位(portion)，以顶部33为例进行说明。

例如如图3所示，增强构件模型35可以通过下述方式生成：从车身模型31中作为增强对象的部位即顶部33的下表面起朝向下方来堆叠立体要素35a。由增强构件模型生成部15生成的增强构件模型35成为后述优化分析部21所优化分析的对象，在优化分析的过程中，将位于不需要增强的部位的立体要素消除，保留位于需要增强的部位的立体要素。

需要说明的是，增强构件模型生成部15也可以从顶部33的下表面起在下方设定规定的设计空间，并对设计空间进行要素分割而成为多个立体要素，由此生成增强构件模型35。

(材料特性设定部)

材料特性设定部17对增强构件模型生成部15所生成的增强构件模型35的材料特性进行设定。作为材料特性设定部17所设定的增强构件模型35的材料特性，可举出杨氏模量、泊松比及比重等。

此外，作为增强构件模型35，在将例如FRP(Fiber-Reinforced Plastics；纤维增强树脂)这样、其材料特性(机械特性(mechanical properties))具有面内各向异性的材料作为对象的情况下，提供(apply)对增强构件模型35的材料特性赋予面内各向异性的主轴角度，设定与主轴角度对应的材料特性的值，由此能够对增强构件模型35的材料特性设定面内各向异性。另外，在增强构件包含多个层的情况下，也可以针对多个层分别设定主轴角度。

需要说明的是，材料特性设定部17可以在利用后述的优化分析模型生成部19将增强构件模型35结合于车身模型31的一部分而生成优化分析模型41(参见图2(c))后，对优化分析模型41中的增强构件模型35的材料特性进行设定。

(优化分析模型生成部)

如图2所示，优化分析模型生成部19将增强构件模型生成部15所生成的增强构件模型35结合于车身模型31的一部分而生成优化分析模型41。例如，作为将顶部33与增强构件模型35结合的方法，在顶部33由平面要素33a模型化的情况下，例如如图3所示，有时将增强构件模型35的立体要素35a的节点(node)与顶部33的平面要素33a的节点共用。

但是，优化分析模型生成部19可以介由例如刚体要素将车身模型31的一部分与增强构件模型35的节点彼此连接，只要在车身模型31的一部分与增强构件模型35之间可传递载荷即可，没有特别限定，可以为梁要素(beam elements)、杆要素(rod elements)、刚体结合要素(rigid coupling elements)等。此外，在车身模型31中与增强构件模型35结合的部位由立体要素模型化的情况下，与上述同样地，优化分析模型生成部19可以通过节点共用等来将待结合的部位的立体要素与增强构件模型35的立体要素结合。

需要说明的是，在利用优化分析模型生成部19生成优化分析模型41时，可以将增强构件模型35结合于处在自车身模型31分离的状态的一部分车身模型31而一体化，并将已一体化的一部分车身模型31与增强构件模型35结合于车身模型31。

(优化分析部)

优化分析部21对优化分析模型生成部19所生成的优化分析模型41(参见图2(c))赋予分析条件，将增强构件模型35作为进行优化分析处理的对象来进行优化分析，求出增强构件模型35的最优形状。利用优化分析部21进行的优化分析中可以应用例如拓扑优化。拓扑优化中使用密度法(density method)时，中间密度多的情况下，优选进行离散化(discretization)，由下式表示。离散化中经常使用的惩罚系数(penalty coefficient)为2以上，惩罚系数的值可以适当设定。

K(ρ)＝ρ^pK

其中，

K：对要素的刚度矩阵(stiffness matrix)进行惩罚(penalty)而得到的刚度矩阵

K：要素的刚度矩阵

ρ：经标准化(normalization)的密度

p：惩罚系数

需要说明的是，优化分析部21可以进行拓扑优化处理，也可以利用其他计算方式进行优化处理。因此，作为优化分析部21，例如也可以使用市售的使用有限元(finiteelement)的分析软件。

作为用于进行优化分析的分析条件，有下述条件：提供对优化分析模型41施加载荷的位置、约束位置的载荷约束条件；根据优化分析的目标而设定的目标条件；和在进行优化分析时施加的制约条件。

图4中示出载荷约束条件的一例。图4所示的载荷约束条件为设想对顶部33的积雪强度进行评价的条件，其将位于优化分析模型41的下部的4处千斤顶顶起(jack up)设置部完全约束，对顶部33的上表面施加车身高度方向朝下的分布载荷。

作为目标条件，例如有优化分析模型41中的应变(strain)能量总和的最小化、位移的最小化、刚度的最大化等。此外，作为制约条件，有作为优化分析的对象的增强构件模型35的体积制约率(volume function constraints rate)等。可设定多个制约条件。

图5中示出了在优化分析部21中应用拓扑优化而得到的最优形状增强构件模型43的一例。图5中，为了显示最优形状增强构件模型43而未显示顶部33。如图5所示，最优形状增强构件模型43可通过以满足上述分析条件(载荷约束条件、目标条件、制约条件)的方式将立体要素保留及消除而求出。

<车身增强构件的形状优化方法>

接着，以下对本实施方式涉及的车身增强构件的形状优化方法(以下，简称为“形状优化方法”)进行说明。

本实施方式涉及的形状优化方法是将材质与作为车身的结构体的一部分不同的增强构件结合于结构体的一部分而将结构体增强时，求出增强构件的最优形状的方法，如图6所示，其包括结构体模型取得步骤S1、增强构件模型生成步骤S3、材料特性设定步骤S5、优化分析模型生成步骤S7和优化分析步骤S9。以下，对各步骤进行说明。需要说明的是，本实施方式涉及的形状优化方法使用由计算机构成的形状优化装置1(参见图1)来执行上述的各步骤。

《结构体模型取得步骤》

结构体模型取得步骤S1是作为使用平面要素及/或立体要素将结构体模型化而成的结构体模型而取得图2(a)所示的车身模型31的步骤，在形状优化装置1中，结构体模型取得部13执行该步骤。

《增强构件模型生成步骤》

增强构件模型生成步骤S3是生成由立体要素35a(参见图3)形成、与车身模型31的一部分结合的不同于车身模型31的增强构件模型35(参见图2(b))的步骤，在图1所示的形状优化装置1中，增强构件模型生成部15执行该步骤。

《材料特性设定步骤》

材料特性设定步骤S5是对增强构件模型生成步骤S3中生成的增强构件模型35的材料特性进行设定的步骤，在形状优化装置1中，由材料特性设定部17执行。作为在材料特性设定步骤S5中对增强构件模型35设定的材料特性，可举出杨氏模量、泊松比及比重等。

此外，在增强构件如例如FRP这样、其材料特性具有面内各向异性的情况下，提供对增强构件模型35的材料特性赋予面内各向异性的主轴角度，设定与主轴角度对应的材料特性的值，由此设定了增强构件模型35的材料特性的面内各向异性。另外，在增强构件包含多个层的情况下，也可以针对多个层分别设定主轴角度。

《优化分析模型生成步骤》

优化分析模型生成步骤S7是将增强构件模型生成步骤S3中生成的增强构件模型35结合于车身模型31的一部分而生成优化分析模型41的步骤，在图1所示的形状优化装置1中，优化分析模型生成部19执行该步骤。

《优化分析步骤》

优化分析步骤S9是对优化分析模型生成步骤S5中生成的优化分析模型41赋予分析条件、将增强构件模型35作为进行优化分析处理的对象而进行优化分析、求出增强构件模型35的最优形状的步骤，在图1所示的形状优化装置1中，优化分析部21执行该步骤。

作为对优化分析模型41赋予的分析条件，有提供对优化分析模型41施加载荷的位置、约束位置的载荷约束条件(参见图4)、和根据优化分析的目标而设定的目标条件。

优化分析步骤S9中的优化分析中可应用拓扑优化。此外，拓扑优化中使用密度法时，优选将要素的惩罚系数设定为3以上来进行离散化。但是，优化分析步骤S9的优化分析中，可以利用其他计算方式应用优化分析处理，作为进行优化分析处理的方式，可以使用例如市售的使用有限元的分析软件。

以上，根据本实施方式涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置，能够精度良好地求出将作为车身的结构体增强的增强构件的最优形状。此外，通过使用最优形状的增强构件，能够实现结构体的轻量化。关于使用了最优形状增强构件的结构体的轻量化，在后述的实施例中具体地说明。

需要说明的是，上述中，以将车身的顶部增强件的增强构件的形状优化作为对象进行了说明，但本发明中作为形状优化对象的部位并不限定于此，可以进行将例如车身的门板(door outer panel)、后备箱(trunk)、发动机罩(hood)、及翼子板(fender)等增强的增强构件的形状优化。此外，上述说明中，作为结构体，以汽车车身作为对象，但本发明并不限定结构体的种类。另外，作为本发明的应用例，预想有对由钢板(steel sheet)形成的结构体粘贴树脂、FRP(纤维增强树脂、GFRP、CFRP等)、铝板、镁板、钛板等的情况等。

实施例1

为了确认本发明的效果，实施例1中，进行利用本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置来求出将汽车车身的顶部增强的增强构件的最优形状的实验，以下对此进行说明。

实验中，首先，取得图2所示的车身模型31。就车身模型31而言，均是使用平面要素及/或立体要素将车身模型化而得到的，车身模型31的材质为钢板，增强构件模型35的材质为树脂，其材料特性如下述表1所示地进行设定。

[表1]

接着，生成图2(b)所示的增强构件模型35，对增强构件模型35的材料特性进行设定。如图3所示，增强构件模型35以从顶部33的下表面起朝向下方堆叠立体要素35a的方式生成。此处，增强构件模型35的厚度设定为10mm。需要说明的是，车身模型31的顶部33为壳模型(shell model)(平面要素)。此外，增强构件模型35的材料为树脂，作为其材料特性，设定如表1所示的杨氏模量、泊松比、及比重的值。

然后，将设定了材料特性的增强构件模型35如图3所示那样结合于车身模型31的顶部33的下表面，生成图2所示的优化分析模型41。增强构件模型35与顶部33的结合通过使增强构件模型35的立体要素35a与顶部33的平面要素33a各自的节点(节点)共用来进行。

最后，对生成的优化分析模型41赋予分析条件，执行拓扑优化分析(topologyoptimization analysis)，求出增强构件模型35的最优形状。作为分析条件，施加图4所示的载荷约束条件，将目标条件设为使得应变能量总和最小，将制约条件设为体积制约率20％以下。就图4所示的载荷约束条件而言，将车身模型31的4处千斤顶顶起设置部(图4中的Δ标记)设为完全约束，针对顶部33的上表面的节点，沿车身高度方向朝下施加500N的分布载荷。此处，施加了分布载荷的顶部33的节点数为24248个。

将由优化分析得到的最优形状增强构件模型43的结果示于图5，将对车身模型31施加图4所示的载荷约束条件时的车身高度方向的车身位移的分析结果示于图7。

由图7可知，与顶部33的中央部(由图7中的虚线椭圆包围的部位)相比，顶部33的前端部81及后端部83处的位移更大。根据图5及图7的结果，在优化分析的过程中，立体要素35a在车身位移少的部位不保留，立体要素35a以支承车身位移大的部位的方式保留，结果，如图5(b)中虚线所示，最优形状增强构件模型43具有：在车身的前端部及后端部处沿车身宽度方向延伸而将车身左右的侧梁部(side rail)37连接的桥(bridge)形状；和将桥形状与侧梁部37连接的L字形状。

图8中示出最优形状增强构件模型43的前部(图8(b)中的A-A截面)及中央部(图8(b)中的B-B截面)的截面形状。

最优形状增强构件模型43中，在其前部，如图8(a)所示，为在厚度方向上室外侧的立体要素保留的形状，与此相对，就中央部而言，如图8(c)所示，为厚度方向上室外侧的立体要素被消除、室内侧的立体要素保留的形状。

作为在最优形状增强构件模型43的前部与中央部、其厚度方向的形状不同的原因，认为是由于：顶部33与车身模型31的侧梁部37连接，顶部33的约束状态根据柱39(参见图8(b))的位置而变化因此，在优化分析中，在增强构件模型35的厚度方向上产生的应力分布的差异而导致上述的厚度方向的形状不同。

图9中示出对进行优化分析前的优化分析模型41施加图4所示的载荷约束条件时的增强构件模型35的应力分布的分析结果。

就增强构件模型35的中央部而言，由于位于柱(pillar)39(参见图8(b))的附近，因此成为图9(d-2)所示这样的与固定端的梁模式相近的应力分布，与此相对，就增强构件模型35的前部而言，由于处于远离柱39的位置，因此成为图9(d-1)所示这样的应力分布。而且认为，由于这样的厚度方向上的应力分布的差异，从而在优化分析中，在立体要素保留的部位方面产生差异。

以上显示，通过本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置，能够精度良好地求出将车身增强的增强构件的最优形状。

实施例2

实施例2中，进行使用由本发明进行形状优化了的增强构件而对车身的轻量化进行研究的实验，以下，对此进行说明。

实验中，使用由本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置求出的最优形状增强构件模型，以图10所示这样的、在顶部53的下表面配设有将车身左右的侧梁部57连接的顶部增强件55的车身模型51作为对象，研究车身的轻量化。

首先，以从车身模型51中除去顶部增强件55而得到的车身模型61作为对象，利用本实施方式涉及的形状优化装置1或形状优化方法，求出图10(c)所示的最优形状增强构件模型65，将最优形状增强构件模型65结合于车身模型61的顶部63而生成轻量化分析模型(相当于图5(a)所示的执行优化分析后的优化分析模型41)。此处，最优形状增强构件模型65是赋予与前述实施例1中使用的优化分析相同的分析条件而求出的，其重量为5.3kg。

接着，对具有顶部增强件55的车身模型51(参见图10(a))施加图4所示的载荷约束条件，进行结构分析(structural analysis)，取得作为性能维持目标的车身特性的目标值。本实施例中，作为车身特性，使用顶部53的车身高度方向的最大位移。

同样地，对于结合有最优形状增强构件模型65的轻量化分析模型，也施加图4所示的载荷约束条件并进行结构分析，作为轻量化分析模型涉及的车身特性的分析值，取得顶部63(参见图10(b))的车身高度方向的最大位移。

进而，将轻量化分析模型的顶部63的最大位移(分析值)、与车身模型51的顶部53的最大位移(目标值)进行比较，轻量化优化模型的最大位移小于车身模型51的最大位移时，进一步减小轻量化分析模型的顶部63的板厚而进行结构分析，再次取得顶部63的最大位移作为车身特性的分析值。

以上述方式，减小轻量化分析模型的顶部63的板厚来取得顶部63的最大位移，直至轻量化分析模型的最大位移与车身模型51的最大位移相等(等效刚度(equivalentstiffness))。

图11中示出顶部63的板厚与其重量的关系、和顶部63的板厚与车身的变化重量的关系。

就图11(b)所示的车身的变化重量而言，是以设置有顶部增强件55且顶部53的板厚为1.2mm的车身模型51的重量为基准、顶部63的板厚变化时的轻量化分析模型的变化重量，从最优形状增强构件模型65的重量减去顶部增强件55的重量和因顶部63的板厚减少而变化的重量。

例如，就顶部63的初始板厚为1.2mm时的车身的变化重量而言，由于因顶部63的板厚减少而变化的重量为0kg，因此为从最优形状增强构件模型65的重量(＝5.3kg)减去顶部增强件55的重量(＝1.7kg)而得到的值(5.3kg-1.7kg＝+3.6kg)。

实施例2中作为对象的轻量化分析模型的顶部63的初始的板厚为1.2mm、重量为15.6kg，如图11(a)所示，就顶部63的重量而言，与其板厚的相关系数(correlationcoefficient)R成为R²＝1，因此与其板厚的减少一同线性地减少。

而且，如图11(b)所示，伴随顶部63的板厚减少，车身的变化重量减少，顶部63的板厚为0.93mm时，车身的变化重量成为0kg。即可知，通过使顶部63的板厚减少至0.93mm以下，从而能够使轻量化分析模型较之车身模型51而更加轻量化。

图12中示出使顶部63的板厚变更时的轻量化分析模型的刚度提高率。此处，刚度提高率为设置有顶部增强件55的车身模型51的刚度与结合有最优形状增强构件模型65的轻量化分析模型的刚度之比，车身模型51及轻量化分析模型的刚度是将分别对顶部53及顶部63施加的载荷的总和除以最大位移的值。

由图12可见，顶部63为初始板厚1.2mm时，轻量化分析模型的刚度是比车身模型51高约33％的值。然后，使顶部63的板厚减少时，轻量化分析模型的刚度提高率减少，板厚为0.53mm时，刚度提高率基本为0％，即，与具有顶部增强件55的车身模型51的刚度基本相等(等效刚度)。

图13中示出车身模型51(无最优形状增强构件模型65(参见图10(c)))、和在顶部63结合有最优形状增强构件模型65的轻量化分析模型71(顶部63的板厚为1.2mm及0.53mm)的车身位移的分析结果。

轻量化分析模型71的顶部63的板厚为1.2mm时(参见图13(b))，轻量化分析模型71的车身位移整体而言比车身模型51的车身位移小，顶部63处的最大位移(-0.21mm)为比车身模型51的顶部53处的最大位移(-0.28mm)小的值。

另一方面，轻量化分析模型71的顶部63的板厚为0.53mm时(参见图13(c))，虽然顶部63处显示最大位移(-0.28mm)的部位与车身模型51的顶部53处显示最大位移(-0.28mm)的部位不同，但两者的最大位移为相等的值。

因此，由图11～图13的结果显示，当代替顶部增强件55而使用最优形状增强构件模型65时，通过将顶部63的板厚从1.2mm减少至0.53mm，根据图11(b)的虚线箭头，顶部63的板厚0.53mm对应于车身的变化重量-5.2kg，因此能够在保持与设置有顶部增强件55的车身模型51同等刚度的状态下，通过顶部增强件55的削减和顶部63的板厚减少，将车身重量减轻5.2kg。

以上证实了，通过本发明涉及的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置，能够求出将车身增强的增强构件的最优形状，并且通过将最优形状的增强构件结合于车身，能够在维持车身性能的状态下将车身轻量化。

产业上的可利用性

根据本发明，能够提供在将材料特性与作为车身的结构体不同的增强构件结合于结构体的一部分而将结构体增强时、可求出增强构件的最优形状的车身增强构件的形状优化方法及形状优化装置。

附图标记说明

1 形状优化装置

3 显示装置

5 输入装置

7 存储装置

9 工作用数据存储器

11 运算处理部

13 结构体模型取得部

15 增强构件模型生成部

17 材料特性设定部

19 优化分析模型生成部

21 优化分析部

23 结构体模型文件

31 车身模型

33 顶部

33a 平面要素

35 增强构件模型

35a 立体要素

37 侧梁部

39 柱

41 优化分析模型

43 最优形状增强构件模型

51 车身模型

53 顶部

55 顶部增强件

57 侧梁部

61 车身模型

63 顶部

65 最优形状增强构件模型

71 轻量化分析模型

81 前端部

83 后端部

Claims (8)

1.车身增强构件的形状优化方法，其特征在于，所述形状优化方法求出结合于作为车身的结构体的一部分的、材料特性不同于所述结构体的增强构件的最优形状，并且是计算机执行以下各步骤的方法，包括：

结构体模型取得步骤，取得使用平面要素及/或立体要素将所述结构体模型化而成的结构体模型；

增强构件模型生成步骤，生成由立体要素形成、与所述结构体模型的一部分结合的不同于所述结构体的增强构件模型；

材料特性设定步骤，对所述增强构件模型的材料特性进行设定；

优化分析模型生成步骤，将所述增强构件模型结合于所述结构体模型的一部分而生成优化分析模型；及

优化分析步骤，对生成的所述优化分析模型赋予分析条件，将所述增强构件模型作为优化的分析对象而进行优化分析，求出所述增强构件模型的最优形状。

2.如权利要求1所述的车身增强构件的形状优化方法，其特征在于，所述材料特性设定步骤中，作为所述增强构件模型的材料特性，设定杨氏模量、泊松比及比重。

3.如权利要求1或2所述的车身增强构件的形状优化方法，其特征在于，所述材料特性设定步骤中，提供对所述增强构件模型的材料特性赋予面内各向异性的主轴角度，设定与所述主轴角度对应的所述材料特性的值，在包含多个层的情况下，使具有主轴角度的各个层叠合。

4.如权利要求1至3中任一项所述的车身增强构件的形状优化方法，其特征在于，所述优化分析步骤进行基于拓扑优化的分析处理。

5.车身增强构件的形状优化装置，其特征在于，其求出结合于作为车身的结构体的一部分的、材料特性不同于所述结构体的增强构件的最优形状，所述形状优化装置具备：

结构体模型取得部，取得使用平面要素及/或立体要素将所述结构体模型化而成的结构体模型，

增强构件模型生成部，生成由立体要素形成、与所述结构体模型的一部分结合的不同于所述结构体的增强构件模型；

材料特性设定部，对所述增强构件模型的材料特性进行设定；

优化分析模型生成部，将所述增强构件模型结合于所述结构体模型的一部分而生成优化分析模型；和

优化分析部，对生成的所述优化分析模型赋予分析条件，将所述增强构件模型作为优化的分析对象而进行优化分析，求出所述增强构件模型的最优形状。

6.如权利要求5所述的车身增强构件的形状优化装置，其特征在于，所述材料特性设定部设定杨氏模量、泊松比及比重作为所述增强构件模型的材料特性。

7.如权利要求5或6所述的车身增强构件的形状优化装置，其特征在于，所述材料特性设定部提供对所述增强构件模型的材料特性赋予面内各向异性的主轴角度，设定与所述主轴角度对应的所述材料特性的值，在包含多个层的情况下，使具有主轴角度的各个层叠合。

8.如权利要求5至7中任一项所述的车身增强构件的形状优化装置，其特征在于，所述优化分析部进行基于拓扑优化的分析处理。