JP2005038398A - 柔軟物の変形解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟物の特定部位を移動させた場合の解析対象の柔軟物全体の変形過程を有限要素法により高精度に解析して画面上で確認可能にする柔軟物の変形解析装置を提供する。
【解決手段】 画面１ａ上の三次元仮想空間に柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行う画像表示手段１と、所定部位で拘束されている柔軟物の特定部位が画面１ａ上でマウス３で指示されて移動させられた移動位置を三次元座標値として認識する座標値認識手段１１と、柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、認識された移動位置の三次元座標値データに応答して、有限要素法により特定部位の移動に伴って初期状態の柔軟物の解析モデルが変形するのを逐次解析する変形解析手段１２とを備え、画像表示手段１が、解析された変形解析モデルに応答して、変形した柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、柔軟物の特定部位の移動に伴う柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった柔軟物の変形解析装置に関するものである。

工業製品の設計に際して、有限要素法による剛性解析は従来から広く行われており、例えば特許文献１によれば、自動車のタイヤの製造に際して、その試作の回数を減らすために、要素数及び節点数を減少させて能率よく変形解析等の実装状態での総合的なタイヤ性能をシュミレーションするタイヤ解析モデルの作成方法が開示されている。

一方、敢えて有限要素法に依らずに、変形解析の演算負荷を軽減して変形解析の評価を画面上で行うために、特許文献２によれば、三次元的に車両に配線されるワイヤハーネスの三次元設計データのデータ入力工程と、基準配線データの画像を三次元仮想空間に背景画像として表示する画像表示工程と、三次元設計データを背景画像に重ねて表示する三次元設計データ表示工程と、データ入力手段での入力に応じて三次元設計データとしてのワイヤハーネスの形状を変更して表示する三次元データ変形工程とを備え、例えばマウスにより三次元仮想空間で三次元設計データを移動させてポリゴン処理・表示により基準配線データ画像に対応させるワイヤハーネスの三次元仮想組立方法が開示されている。これにより、ワイヤハーネスの試作品が車両に配線される際の寸法不足、無理な取付け角度等の発生をできるだけ回避して、試作を繰返さないで配線状態を設定しようとしている。
特開２００２−８２９９８号公報 特開２００２−３７３５３３号公報

これらの解析方法を含めて、解析有限要素法に依るか否かに拘らず、剛性解析は特定の入力条件に対して特定のか解析結果を求めるのが一般的であり、ワイヤハーネス、パイプ等のような線状体或はバンパカバーのようなプレート状の柔軟物の変形解析についても入力条件に対応する変形形状を一義的に確認している。しかしながら、ワイヤハーネスについては、その一端に取付けられたコネクタの着脱操作時に周辺部品に干渉せずに着脱できるか否か、或はプレート状の部品を強制的に撓ませて実装状態に取付ける際に干渉しないか否か等のように、解析対象となる柔軟物の特定部位の移動に対して、柔軟物の一連の変形過程を視覚的に確認するような解析装置は存在していない。

本発明は、このような点に鑑みて、柔軟物の特定部位を移動させた場合の解析対象の柔軟物全体の変形過程を有限要素法により高精度に解析して画面上で確認可能にする柔軟物の変形解析装置を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、柔軟物の特定部位の移動に伴う柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった柔軟物の変形解析装置において、画面上の三次元仮想空間に柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行う画像表示手段と、所定部位で拘束されている柔軟物の特定部位が画面上で指示されて移動させられた移動位置を三次元座標値として認識する座標値認識手段と、柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、認識された移動位置の三次元座標値データに応答して、有限要素法により特定部位の移動に伴って初期状態の柔軟物の解析モデルが変形するのを解析して変形解析モデルを逐次作成する変形解析手段とを備え、画像表示手段が、解析された変形解析モデルに応答して、変形した柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする。

所定部位を拘束された線状もしくはプレート状柔軟物が、その形状を模して画面上の三次元仮想空間に表示されると共に、画面上で特定部位の移動が解析用に三次元的に指示されると、その途中の移動位置も含めて柔軟物の変形が逐次解析され、柔軟物の三次元形状を模した変形過程が逐次表示される。

請求項１の発明によれば、曲げ弾性或は撓みを伴って変形する柔軟物の特定部位を移動させた場合の解析対象の全体形状の変形過程が、有限要素法で精度良く逐次解析されると共に、その三次元形状を模して表示され、したがって柔軟物製の部品を実装する際の周辺部品との干渉、或は実装状態での変動に伴う周辺部品との干渉等の変形に伴う問題点が、画面上で高精度に評価可能となる。つまり、柔軟物製の部品設計に際して剛性、形状或は拘束位置等が、容易、かつ高精度に決定できるようになり、試作品への依存度を軽減もしくは無くすことができる。このため、請求項２又は請求項４に明示したように、線状又は面状の柔軟物の変形過程が逐次グラフィック表示される。

請求項３の発明によれば線状体としてのワイヤハーネスの端部のコネクタを外して撓ませた場合のクランプ位置間の変形過程が正確に評価され、請求項５の発明によれば関連備品の背景表示により、変形過程での干渉等の周辺に対する問題が一層容易、かつ精度良く評価可能になる。

図１乃至図３を基に本発明の実施の形態の一例による柔軟物の変形解析装置を説明する。この装置はコンピュータを用いるもので、画面１ａに表示を行う画像表示装置１と、キーボード２、マウス３及び記憶媒体の読取り器４を有する入力部１ｂを備えると共に、データ処理装置としてＣＰＵ、メモリ等を内蔵して、プログラムにより作動することにより次の各部を構成している。

即ち、画面１ａの三次元仮想空間の座標軸上に柔軟物をその三次元形状を模してグラフィック表示する画像表示手段１０と、三次元仮想空間で形状を規定された柔軟物に対して画面１ａ上で指示された特定部位について、その移動位置の位置を有限要素法による解析に用いる三次元座標系の三次元座標値として認識する座標値認識手段１１と、有限要素法による変形解析のために、解析対象となる柔軟物を分割した初期状態の解析モデルの要素の節点を三次元座標値データとして設定されると共に、柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、特定部位の移動位置の三次元座標値データに応答して、非拘束の端部の節点或は途中の節点の三次元座標値を変形解析して柔軟物の変形解析モデルを逐次作成する変形解析手段１２とを備えている。

画像表示手段１０は、画面１ａの二次元座標系に、実際の解析に用いるＣＡＤの三次元座標系に対応して見掛け上の三次元座標系の三次元仮想空間を表示するもので、解析対象になる柔軟物の初期状態及び変形した解析モデルに応答して、予め入力されている三次元形状データを基にグラフィック処理を行い、柔軟物の実際の三次元形状を模したグラフィック表示を行う。また、この画像表示手段は、柔軟物に付属したり、干渉する可能性がある周辺の部品等の関連部品の三次元形状も表示する。

座標値認識手段１１は、マウス３で指示された移動位置について、所属の特定部位を原点として、解析用三次元座標系のそれぞれの軸に平行な水平方向のＺ軸及び垂直方向のＹ軸並びにこれらの２軸で形成される面に面直のＸ軸の図示のマウス指示用三次元座標系を表示し(図３参照)、いずれかに沿った一次元の移動、いずれか２軸で規定される二次元面での移動或はさらに残りの軸に沿った移動を加えた三次元位置を解析用三次元座標系に変換した三次元座標値データを出力する。つまり、マウス３によるこのような指示位置の移動経路を逐次サンプリングしてその三次元座標値を保持するトラッキング部１１ａ及びそのトラッキングデータを基に三次元空間での移動量を算出して所定の移動量ごとにその移動位置の三次元座標値データを出力する座標値出力部１１ｂを備えている。

変形解析手段１２は、プレートに対してはメッシュ状に分割した解析モデルの要素の節点について、或はワイヤハーネス、パイプ等の線状体に対してはその中心線に対応する線状の解析モデルの複数の節点について、周知の有限要素法により変形解析を行い、面状又は線状の解析モデルの三次元座標値データで作成する。

このように構成された柔軟物の変形解析装置の動作を自動車のインストルメンタルパネルの裏側に配線されるワイヤハーネス５について説明する。図３に示すように、この可撓性、曲げ弾性等を有する電線束であるワイヤハーネス５は、途中位置をクランプ６で固定され、先端部にコネクタ７を取付けて座部７ａに着脱自在に拘束されている。この場合、解析対象はクランプ６より先端側部分のワイヤハーネス５となる。

変形解析手段１２には、ワイヤハーネス５の実線の配線状態に対応して、その中心線の解析モデルＭ１が、両側の端部の節点ａ_０，ａ_１及びその途中のたとえば５ｍｍ間隔の多数の節点群ｂの三次元位置（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ）が、（ｘ_ａ０，ｙ_ａ０，ｚ_ａ０），（ｘ_ａ１，ｙ_ａ１，ｚ_ａ１），（ｘ_ｂ１，ｙ_ｂ１，ｚ_ｂ１），（ｘ_ｂ２，ｙ_ｂ２，ｚ_ｂ２）……として設定されている。また、ワイヤハーネス５の単位電線及びその被覆のヤング率、ポアソン比、密度等の物性、断面形状、本数、全体の断面・長さ等の変形解析に必要な解析条件が入力されている。この変形解析手段、画像表示手段１０及び座標値認識手段１１に対する入力操作は、入力部１ｂのキーボード２、或はＣＡＤデータ等を利用して記憶媒体に保持されている場合には読取り器４を介して行われる。

図３に実線で示すように、画面１ａには、ワイヤハーネス５の配線状態が、コネクタ７の着脱時に干渉する恐れのある部品８，９と共に、初期状態の解析モデルＭ１に応答して三次元表示されている。座標値認識手段１１には、ワイヤハーネス５の直径よりも多少長い例えば２０ｍｍが、解析すべき距離間隔として設定されている。

画面１ａ上でマウス３のカーソルによるドラッグにより、実装状態のコネクタ７の近辺の特定部位としての基準位置Ｐ１をマウス３で指示すると、この位置を原点としてマウス指示用座標系Ｘ，Ｙ，Ｚが画面表示される。次いで、キーボード２の指令入力と併せてマウス３により、例えばＸ軸上の最終的な移動位置Ｐ２のみの指示により移動経路Ｒ１が指示されたとすると、変形解析手段１２は、座標値認識手段１１から移動経路Ｒ１に沿った２０ｍｍの移動量ごとに三次元座標値データが供給され、その都度有限要素法により基準位置Ｐ１近辺の節点ａ_１の移動位置ａ_１ ^,（ｘ^, _ｂ１，ｙ^, _ｂ１，ｚ^, _ｂ１）に対する節点群ｂの各変位位置が解析され、変形解析モデルＭ２が逐次作成される。図２では初期状態の解析モデルＭ１及び最終移動位置の変形解析モデルＭ２のみを示している。尚、マウス３による移動位置Ｐ２は、キーボード２の指令入力と併せて、マウス指示用三次元座標系の２軸で規定される二次元面或はさらに残りの軸に沿った移動を加えた三次元位置を指示することもできる。さらに、最終的な移動位置に限らず、このような指示方法により、逐次複数の途中位置を適宜、好ましくは２０ｍｍ程度に指示することにより移動経路を設定して２０ｍｍの移動量ごとに三次元座標値データを供給させることもできる。

画像表示手段１０は、逐次供給される変形解析モデルＭ２のデータに応答して、変形したワイヤハーネス５及び移動したコネクタ７の実際の形状を模して曲線で定義されるパスに沿った形状データを作成して、図３に示すように、グラフィック表示する。同図では、簡単のために、最終の移動位置Ｐ２及び途中の１個所のみの変形形状を２点鎖線で示すが、実際には移動経路Ｒ１に沿って２０ｍｍの移動位置ごとに逐次表示され、最終的に全ての変形形状が連続的に表示される。

これにより、コネクタ７を外して部品８に干渉しないように移動させた場合のワイヤハーネス５の変形過程、部品９に干渉するか否かもしくは干渉の程度を容易、かつ有限要素法により高精度に評価することができる。したがって、車両製造に際して、クランプ位置、周辺の部品に対する干渉等を考慮して、ワイヤハーネス自体或はその配線の設計が、高精度に行い得るようになる。従来から車両製造時に寸法不足も含めて干渉等の問題を生じ易かったワイヤハーネスに対して、場合により、後述の振動に対する変形解析と併せて行うことにより、試作を繰返さずに済むようになる。

尚、座標値認識手段につき、特定部位の移動経路の指示はマウスにより画面上に２軸で規定される二次元面に二次元座標値を指示し、キーボードの指令入力により残りの軸に沿った移動量を加えて三次元位置を指示することもできる。また、手動操作されるポインタを備えた周知の三次元位置指示器を用いることにより、ポインタの操作位置に対応した三次元座標値を解析用に出力させると共に、その位置を画面の三次元仮想空間に表示することも考えられる。さらに、前述の座標値認識手段１１の座標値出力部１１ｂは、タイマを用いて演算時間に対応した所定の時間間隔ごとにトラッキングした移動経路の三次元座標値を出力することも考えられる。

さらに、ワイヤハーネス５の振動に対する周辺部品への干渉状態を確認するために、ワイヤハーネス５の中間位置を特定部位として、想定した所定振幅だけ移動させた場合のワイヤハーネス５の変形過程を解析することもできる。この場合、画面１ａ上においてマウス３のカーソルでワイヤハーネス５の中間位置を指示して三次元座標系で上下に所定量移動させると、両側端部の節点ａ_０，ａ_１を拘束点として特定部位近辺の節点の移動に対する両側の節点群ｂ_０の変位位置が所定の距離間隔もしくは所定の移動時間間隔ごとに解析される。これにより、ワイヤハーネス５の振動時の変形過程が、実際の形状を模して逐次表示され、ワイヤハーネス５の剛性或はクランプ位置の設計資料にすることができる。

別の実施の形態として、プレート状柔軟物の面状の変形過程を解析可能にする変形解析装置について図４を基に説明する。例えば、同図Ｂに示すように、バンパ２０を本体に装着して、そのフリー状態のコーナ部２１の上面部のコーナ始端Ｐ１１近辺を手で拘束して、自重で変形した位置から移動させてコーナ終端Ｐ１０を図示のように締結させる場合に、周辺部品への干渉の有無或はその度合を確認するように構成される。前述の変形解析手段１２には、コーナ部２１に対して例えば一辺が５ｍｍ前後のメッシュ状の要素に分解した解析モデルが設定されると共に、バンパ２０の物性、コーナ部２１の形状、厚み等の変形解析に必要な解析条件が、コーナ始端Ｐ１１近辺の拘束領域となる節点情報と共に入力される。

同図Ａに示すように、変形解析手段１２は、画面１ａにおいて二点鎖線で示すように有限要素法で解析したフリー状態で自重で変形すると想定される垂下位置Ｐ１２がマウス３で指示され、コーナ終端Ｐ１０にドラッグされると、対応する節点の移動経路に応じて所定の移動量又は単位時間ごとにコーナ部２１の面状に変形した変形解析モデルを作成して、画像表示手段１０に面状の変形過程を表示させる。同図の表示画像は、二点鎖線で取付け開始時の変形形状のみ示して、間欠的に表示される途中の変形形状は省略してある。これにより、バンパ２０の設計に際して、コーナ部２１の想定した垂下量に対する変形過程を確認することができ、バンパ２０の剛性或は形状決定の資料にすることにより試作段階のコストを低減できる。

本発明の実施の形態による柔軟物の変形解析装置の構成を示す図である。 同装置の動作を説明する図である。 同装置の画面表示状態を説明する図である。 別の実施の形態によるバンパの変形解析装置を説明する図である。

符号の説明

１ａ 画面
３ マウス
５ ワイヤハーネス
６ クランプ
７ コネクタ
８，９ 部品
２０ バンパ
２１ コーナ部

Claims (5)

1. 柔軟物の特定部位の移動に伴う柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった柔軟物の変形解析装置であって、
   前記画面上の三次元仮想空間に前記柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行う画像表示手段と、所定部位で拘束されている前記柔軟物の前記特定部位が前記画面上で指示されて移動させられた移動位置を三次元座標値として認識する座標値認識手段と、前記柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、認識された前記移動位置の三次元座標値データに応答して、有限要素法により前記特定部位の移動に伴って初期状態の前記柔軟物の解析モデルが変形するのを解析して変形解析モデルを逐次作成する変形解析手段とを備え、
   前記画像表示手段が、解析された前記変形解析モデルに応答して、変形した前記柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする柔軟物の変形解析装置。
2. 柔軟物が線状体であり、変形解析手段が、前記線状体の一方の端部及び途中位置のいずれかが特定部位として移動するのに対応して前記線状体の中心部に対応する線状の変形解析モデルを逐次作成し、画像表示手段が前記変形解析モデルに応答して変形した前記線状体の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする請求項１記載の柔軟物の変形解析装置。
3. 線状体が、端部にコネクタが接続されたワイヤハーネスであり、前記コネクタを外した状態を想定して前記端部が特定部位として移動させられることを特徴とする請求項２記載の柔軟物の変形解析装置。
4. 柔軟物がプレートであり、変形解析手段が、前記プレートの一方の端部及び途中位置のいずれか特定部位として移動するのに対応して面状の変形解析モデルを逐次作成し、画像表示手段が前記変形解析モデルに応答して変形した前記プレートの三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする請求項１記載の柔軟物の変形解析装置。
5. 画像表示手段が、変形する柔軟物に干渉する恐れのある対象物の三次元形状を模して三次元仮想空間にグラフィック表示を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の柔軟物の変形解析装置。

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