JP2006023800A - タイヤモデル作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの補強コード、特にベルト層及び／又はベルト補強層の初期応力を適切に再現し、精度良くタイヤ特性をシミュレーションすることができるタイヤモデル作成方法を提供する。
【解決手段】タイヤ特性をシミュレーションにより解析するためのタイヤモデル作成方法であって、タイヤを構成する複数の部材を再現した２次元断面モデルを作成するステップと、前記２次元断面モデルを直線状に展開して、３次元直線タイヤモデルを作成するステップと、前記３次元直線タイヤモデルを丸めて、円環状に変形する変形ステップと、円環状に変形された前記タイヤモデルの両端面を結合する結合ステップとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、有限要素法によってタイヤ特性を評価する際の解析モデルの作成方法に関する。

有限要素法を用いて、タイヤ特性を予測し、このタイヤ特性に基づいてタイヤを設計する方法が種々提案されている。これらの方法は、いずれもコンピュータを用いてタイヤの有限要素モデルを作成し、作成したタイヤモデルを用いてタイヤの静止状態あるいは転動状態を再現し、このときタイヤモデルに作用する特定の材料物性値を算出してタイヤ特性を評価している。このタイヤ特性を用いることで、実際にタイヤを作製することなく、タイヤ特性の優れたタイヤを設計することができる。

このようなタイヤのシミュレーションに用いるタイヤモデルの作成方法として、タイヤボディ部の２次元形状を周方向に展開して要素分割しタイヤボディ部要素モデルを設定し、そのタイヤボディ部要素モデルよりも詳細に要素分割したトレッドパターン部要素モデルを設定し、タイヤボディ部要素モデルにトレッドパターン部要素モデルを結合して、タイヤの有限要素モデルを作成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許３３１４０８２号公報

ところで、実際のタイヤの製造工程は、一般に、生タイヤケーシング１００を成形する第１成形工程と、完成生タイヤ１０８（グリーンタイヤ）を成形する（図９（ｂ）破線参照）第２成形工程と、グリーンタイヤ１０８を加硫する加硫工程を含んでいる。
第１成形工程では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、カーカス部材Ｐ、１対のビードコア部材Ｂd、１対のビードフィラー部材Ｂfおよび１対のサイドトレッド部材Ｓを有する、回転体形状の生タイヤケーシング１００を成形する。
第２成形工程では、トレッド部材Ｔおよびベルト部材Ｂeを有する回転体形状のトレッド／ベルト部１０６を成形し、この成形されたトレッド／ベルト部１０６の内周面側に回転体の中心軸を一致させるようにして生タイヤケーシング１００を配し、この状態で生タイヤケーシング１００を膨張させて上記生タイヤケーシング１００をトレッド／ベルト部１０６の内周面に圧着させてグリーンタイヤ１０８を成形する。

加硫工程では、このグリーンタイヤ１０８を加硫用金型（モールド）内に入れて、グリーンタイヤ１０８の内周面側から伸縮自在な加硫用ブラダー（図示せず）を膨張させて、グリーンタイヤ１０８を加硫用モールドの内表面の形状に沿わせるように拡張し、その後、加硫用モールドおよび加硫用ブラダーを昇温して、拡張したグリーンタイヤ１０８を加硫する。
したがって、第２成形工程では、タイヤケーシング１００が膨張させられ、加硫工程では、加硫用ブラダーを用いてグリーンタイヤ１０８の内周面側から圧力が加えられ、グリーンタイヤ１０８が拡張させられる。
特に、タイヤ断面形状は、タイヤ内の補強コードとして有機繊維を用いた場合には、補強コードにかかる張力の高低や、タイヤを接地面に接地させた時のタイヤの接地形状（踏面形状）に大きく影響を与える。さらに、この補強コードにかかる張力および接地形状は、タイヤ特性、例えば、転がり抵抗特性、摩耗特性、耐久特性、操縦安定性、振動乗り心地特性、ウェット特性および騒音特性等に大きな影響を与える。

したがって、タイヤ特性が優れたタイヤを設計するには、タイヤ断面形状を正確に再現するとともに、補強コードにかかる初期応力をタイヤの製造工程を考慮して再現することが重要である。特に、ベルト層およびベルト補強層にかかる初期応力は、タイヤ接地特性に与える影響が大きい。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、タイヤの補強コード、特にベルト層および／またはベルト補強層の初期応力を適切に再現し、精度良くタイヤ特性をシミュレーションすることができるタイヤモデル作成方法を提供することを目的とする。

本発明に係るタイヤモデル作成方法は、タイヤ特性をシミュレーションにより解析するためのタイヤモデル作成方法であって、タイヤを構成する複数の部材を再現した２次元断面モデルを作成するステップと、前記２次元断面モデルを直線状に展開して、３次元直線タイヤモデルを作成するステップと、前記３次元直線タイヤモデルを丸めて、円環状に変形する変形ステップと、円環状に変形された前記タイヤモデルの両端面を結合する結合ステップとを含むことを特徴とする。
さらに、変形ステップは、前記３次元直線タイヤモデルのうち、少なくともベルト層及び／又はベルト補強層を含む部材モデルに物理量を設定して、前記３次元直線タイヤモデルを円環状に変形することが好ましい。
また、変形ステップにおいて、ベルト層及び／又はベルト補強層に生じる応力を初期応力として設定することが好ましい。
あるいは、結合ステップの後に、ベルト層及び／又はベルト補強層に生じる応力を初期応力として設定するステップを含んでもよい。

本発明は、タイヤモデルの２次元断面形状を作成し、それを直線状に展開したあと、タイヤの製造工程のように、円環状（トロイド状）に変形する。このとき、直線状のタイヤモデルを変形させることにより、タイヤモデルを構成するタイヤ補強コードを含む部材モデルには応力が作用する。
本発明によれば、タイヤの補強コード、特にベルト層およびベルト補強層の初期応力を適切に再現し、精度良くタイヤ特性をシミュレーションすることができるタイヤモデル作成方法を提供することができる。

以下、本発明のタイヤモデル作成方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
図１は、本発明のタイヤモデル作成方法を実行し、実際のタイヤ特性試験をシミュレーションして、タイヤ特性の解析を実行するシミュレーション装置の概略を示す概略図である。

シミュレーション装置１は、各種演算処理を実行するとともに各部を統括して制御する中央演算処理装置（ＣＰＵ）２と、このＣＰＵ２のワークエリアとして機能したり、ＣＰＵ２によって実行される処理プログラムや、ＣＰＵ２によって実行される処理プログラムの処理結果や各種データ等を記憶するメモリ３とを備え、ＣＰＵ２とメモリ３はバスを介して接続される。
メモリ３としては、コンデンサに電気を蓄えることによって、情報を記憶するＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、コンデンサを使用せず、論理回路でメモリを構成しているＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）や、ＣＰＵによる実行プログラムなどを記憶する不揮発性で読み取り専用なＲＯＭ（Read Only Memory）などの半導体記憶装置がある。

また、シミュレーション装置１は、Ｉ／Ｏインターフェース４を介して、入力装置５、出力装置６および外部記憶装置７に接続され、これらとの間でデータのやり取りを行う。
入力装置５は、モデル作成条件、処理条件、あるいは特性演算条件など各種の条件を入力するものであり、代表的なものとしてキーボードやマウスなどがある。出力装置６は、入力装置５からの入力結果やタイヤ特性の解析結果などを表示するものであり、代表的なものとしてディスプレイやプリンタなどがある。
外部記憶装置７としては、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤといった光学ディスクなどがある。

このようなシミュレーション装置１は、オペレータの入力に従って、有限要素法（Finite Element Method）によるタイヤの解析モデル（以下、タイヤモデルという）を作成し、シミュレーション条件を設定した後に、タイヤ特性試験をシミュレーションすることによってタイヤ特性を解析する。

図２は、タイヤ２次断面モデルの一例を示す斜視図である。２次元断面モデルは、３次元空間において作成しようとするタイヤモデルの２次元断面形状であり、トレッド部、ベルト部、カーカス部、ビード部、トレッドゴム部、サイドゴム部およびベルト補強層を含むタイヤモデルのタイヤ周方向に対して垂直な断面を再現したものである。
２次元断面モデルは、オペレータの入力に応じて複数の要素にメッシュ分割される。各要素は頂点を節点で規定することにより表され、要素番号と節点番号との対応関係を示すデータが記憶装置に格納される。また、節点座標は３次元空間座標で定義され、節点番号とその空間座標とが記憶装置に格納される。

なお、ここで作成される２次元断面は、タイヤモデルを作成した際に、タイヤ周方向に対して垂直となる面に限定されない。例えば、タイヤ周方向に対して一定の角度で傾斜させてタイヤモデルをメッシュ分割することを考慮して、タイヤ周方向に対して傾斜した断面を予め想定して２次元断面としてもよい。

図３はタイヤ３次元直線モデルの一例を示す斜視図である。タイヤ３次元直線モデルは、図２に示すタイヤ２次元断面モデルを所定の直線方向（Ｚ方向）に展開して作成される３次元有限要素モデルである。２次元断面モデルを直線状に展開する際に、Ｚ方向に対してメッシュ分割する。このようにして作成されたタイヤ３次元直線モデルは、ソリッド要素、膜要素あるいはシェル要素など複数の要素によって表される。
Ｚ方向において分割される要素数は、あとで要素数を再設定する処理を省くため、最終的なタイヤモデルの円周方向の要素数を予め算出して設定することが好ましい。
なお、ここで設定されるＺ方向の長さは、後述するタイヤ３次元直線モデルを変形させてタイヤモデルを作成する処理において、基準部（変形の基準部）の長さとなる。

図４はタイヤ３次元直線モデルが変形する様子を示す図である。オペレータの入力に従って、タイヤ３次元直線モデルに対して材料物性値が付与された後に、直線Ｏを中心として一方の端部から各節点に対して強制変位が与えられ、順番にタイヤ３次元直線モデルが変形させられることにより、タイヤ３次元直線モデルはトロイド状（円環状）に丸まる。
この処理は材料物性値を与えられたタイヤ３次元直線モデルをシミュレーション演算することにより実行される。

この処理を具体的に示すと、例えば、他方の端部の結合面における節点を除く、強制変位を与える節点すべてに対して並進運動を行わせ、所定の基準線を越えたものから順番に丸めて、変形解析を行うことにより、補強コードに生じる応力を算出する。
この応力に基づいて、補強コードに作用する初期応力が算出される。初期応力は、発生した応力にある数値を加算するなど、所定の数学的処理を施すことで算出することができる。

ここで、タイヤモデルの基準部における円周長は、図３に示すタイヤ３次元直線モデルの直線方向（Ｚ方向）の長さとなる。したがって、タイヤモデルの基準部よりタイヤ径方向に対して外側であるトレッド側は変形により伸長し、タイヤ周方向に対して内側であるビードコア側は収縮される。

しかしながら、実際のタイヤ製造工程において、タイヤの各部材に加わる初期応力は、加硫工程においてブラダーを膨張させることによりグリーンタイヤに加わる圧力によるものであり、初期応力は引張り応力のみである。したがって、実際のタイヤ製造工程において、圧縮力は作用しない。
また、タイヤの補強コード以外の部材の初期応力は、補強コードのものに比べてタイヤ特性に与える影響が少ない。
そこで、補強コード以外の部材については材料物性値を設定しなくてもよい。

一方、タイヤの補強コードの材料物性値は、実際の値に基づいて設定し、ゴム部およびビードコアの弾性率は、未加硫ゴムの弾性率以下の小さな値に設定し、ゴム部およびビードコアのポアソン比はゼロに設定する。

そうすることで、タイヤの補強コード、特にベルト層およびベルト補強層の初期応力を適切に再現することができる。
ただし、材料物性値の設定方法は、上記に限定されず、例えば、タイヤの補強コード、特にベルト層及び／又はベルト補強層に加わる初期応力が重要であるものとして、材料物性値をベルト層及び／又はベルト補強層（補強コード）についてのみ設定し、補強コード以外の部材についてはタイヤ特性に与える影響が少ないため材料物性値を設定しなくてもよい。

このような材料物性値としては、比重や、機械的特性を示す引張り弾性率、曲げ弾性率、ポアソン比などを挙げることができる。

図５はタイヤ３次元有限要素モデルの一例を示す斜視図である。トロイド状に変形したタイヤ３次元直線モデルは、結合していない断面（不連続部）を有している。すなわち、タイヤ３次元直線モデルにおいて、端部であった両断面は、トロイド状に変形することにより接しているが、この面における節点は２重に存在し、互いに拘束されていない状態である。
そこで、重複する節点座標をマージして共有節点とすることで不連続部を結合する。このようにして作成されるタイヤモデルはタイヤの補強コードにかかる初期応力を適切に再現しているため、精度良くタイヤ特性のシミュレーションを行うことができる。
図６はベルト層およびベルト補強層にかかる初期応力分布の一例を示す図である。図４に示す変形解析においてタイヤの補強層に作用する初期応力分布の一例である。

図７はタイヤ３次元有限要素モデルの作成方法の処理の流れを示す図である。
タイヤ２次元断面モデルを設定する（ステップＳ１０１)。トレッド部、ベルト部、カーカス部、ビード部、トレッドゴム部、サイドゴム部およびベルト補強層を含むタイヤモデルのタイヤ周方向に対して垂直な２次元断面形状を、２次元断面モデルとして、作成する。
２次元断面モデルは、オペレータの入力操作に応じて、所定の要素数にメッシュ分割される。

タイヤ２次元断面モデルを直線状に展開し、３次元直線タイヤモデルを設定する（ステップＳ１０２)。ステップＳ１０１で作成された２次元断面モデルを、直線方向に展開して、タイヤ３次元直線モデルを作成する。ここで設定されるタイヤ３次元直線モデルの直線方向の長さがステップＳ１０３における変形の基準部の長さとなる。

３次元直線モデルを変形する（ステップＳ１０３)。ステップＳ１０２で作成されたタイヤ３次元直線モデルに対して材料物性値を付与した後に、一方の端部から各節点に対して強制変位を与え、タイヤ３次元直線モデルを変形してトロイド状にする。ここで材料物性値はタイヤモデルすべての部材モデルに設定する必要はなく、例えば、タイヤ補強コードなど、タイヤ特性をシミュレーションする際に影響を与える部材について設定すればよい。

不連続部分を結合する（ステップＳ１０４)。ステップＳ１０３で作成されたタイヤモデルは、両端部に相当する断面（不連続部）における節点は２重に存在し、互いに拘束されていない状態であるため、重複する節点座標をマージして共有節点とすることで不連続部を結合する。
このようにして、作成されたタイヤモデルは予め初期応力が付与されたモデルであり、このタイヤモデルを用いてタイヤ特性をシミュレーションすることで精度のよい解析結果を得ることができる。

上記の手順に従うことによって、実際のタイヤ製造工程においてベルト部補強コード層にかかる初期応力を適切に設定することが可能となり、精度良くタイヤの諸性能をシミュレーションすることができる。
このようなタイヤモデルを利用したシミュレーションの際のタイヤ特性として、制動状態や加速状態をシミュレーションしたときの接地面内のすべり特性（摩擦力、スリップ率など）、タイヤをインフレートしたときのカーカスにかかる応力特性、ハイドロプレーニングをシミュレーションしたときのウェットグリップ性能、スノータイヤの雪上性能、車両のコーナリングをシミュレーションするときのコーナリング特性（横バネ特性）、タイヤに荷重を加えてタイヤのたわみ具合（荷重負荷時の変形）をシミュレーションするときの縦バネ特性や接地圧、タイヤの転動状態において路面から伝わる振動をいかに吸収するかをシミュレーションするときの振動振動乗り心地特性（エンベロープ特性）などを挙げることができる。

また、上記実施形態では、タイヤ３次元直線モデルの各節点に強制変位を与え、順番に変形させてトロイド状に丸めたが、タイヤ３次元直線の変形の仕方はこれに限定されず、一端を固定し、他端を特定の関数式（例えば、サイクロイド曲線）に従って強制変位を与えることで、タイヤモデルを作成してもよい。
また、不連続部の結合を、接合面において重複する節点座標をマージして共有節点とすることで行ったが、接合面と節点との相対位置が一定となるような拘束条件を設定して不連続部を接合してもよい。

また、上記実施形態では、トレッド部、ベルト部、カーカス部、ビード部、トレッドゴム部、サイドゴム部およびベルト補強層を含むタイヤモデルの２次元断面を作成して、タイヤモデルを作成したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、図８に示すように、トレッド部モデル（図８（ｂ））とトレッド部モデル以外を含むケーシング部モデル（図８（ａ））とを作成し、ケーシング部モデルとトレッド部モデルとを結合してタイヤモデル（図８（ｃ））を作成してもよい。
ケーシング部モデルは、トレッド部以外の部材、つまりベルト部、カーカス部、ビード部、トレッドゴム部、サイドゴム部およびベルト補強層などを再現したものであり、上述した作成方法により作成させる。
トレッド部はトレッドパターンを含み、作成方法について特に限定はなく、周知の方法により作成される。トレッド部では、ベルト層およびベルト補強層にかかる初期応力のように、タイヤ接地特性に影響を与える初期応力がかからないため周知の方法により作成することができる。

以上、本発明に係るタイヤモデル作成方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。

本発明を実現するためのシミュレーション装置の概略を示す概略図である。 タイヤ２次断面モデルの一例を示す斜視図である。 タイヤ３次元直線モデルの一例を示す斜視図である。 タイヤ３次元直線モデルが変形する様子を示す図である。 タイヤ３次元有限要素モデルの一例を示す斜視図である。 初期応力分布の一例を示す図である。 タイヤ３次元有限要素モデルの作成方法の処理の流れを示す図である。 本発明のタイヤモデル作成方法の変形例を示す図である。 タイヤ製造工程におけるタイヤの成形を説明するための図である。

符号の説明

１ シミュレーション装置
２ 中央演算処理部
３ メモリ
４ Ｉ／Ｏインターフェース
５ 入力装置
６ 出力装置
７ 外部記憶装置
１００ タイヤケーシング
１０６ ベルト部
１０８ グリーンタイヤ

Claims (4)

1. タイヤ特性をシミュレーションにより解析するためのタイヤモデル作成方法であって、
   タイヤを構成する複数の部材を再現した２次元断面モデルを作成するステップと、
   前記２次元断面モデルを直線状に展開して、３次元直線モデルを作成するステップと、
   前記３次元直線モデルを所定の直線を中心として丸めて、円環状に変形する変形ステップと、
   円環状に変形された３次元モデルの両端面を結合する結合ステップとを含むことを特徴とするタイヤモデル作成方法。
2. 前記結合ステップの後に、ベルト層及び／又はベルト補強層に初期応力を付与するステップを含む請求項１に記載のタイヤモデル作成方法。
3. 前記変形ステップは、前記３次元直線モデルのうち、少なくともベルト層及び／又はベルト補強層を含む部材モデルに材料物性値を付与して、シミュレーションを実行することにより前記３次元直線モデルを円環状に変形する請求項１に記載のタイヤモデル作成方法。
4. 前記変形ステップにおいて、ベルト層及び／又はベルト補強層に生じる応力に基づいて、前記ベルト層および前記ベルト補強層に作用する初期応力を付与する請求項１または３に記載のタイヤモデル作成方法。

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