JP2006065466A - Ｆｅｍモデル化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば車両の車室内空間などの比較的大規模な音場について防音材の存在を考慮したＦＥＭを計算時間上実行可能なものとするＦＥＭモデル化方法を提供すること。
【解決手段】 振動し得る構造体と音場との間に吸音又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物において該音場にＦＥＭを適用する際に、該部材を構造体と音場の節点との間に配設された周波数依存のバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化する。このバネ・マス・ダンパモデルのバネ定数、マス質量、及びダンパ減衰定数の周波数特性は、実験的に求められた又はシミュレーションにより求められた上記部材の表面インピーダンス及び振動伝達率から算出される。車両に適用される場合、上記構造体がボディパネルに、上記音場が車室内空間に、上記部材が防音材を含んだ内装材に、それぞれ対応することになる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、概して、ＦＥＭモデル化方法に係り、特に、防音材の存在を考慮した車両規模でのＦＥＭを計算時間上実行可能なものとするＦＥＭモデル化方法に関する。

車両設計ための車室内音場解析の手法として、車室内音場にＦＥＭ（有限要素法）を適用する方法が周知である（例えば、特許文献１及び２参照）。

しかしながら、単に車室内音場にＦＥＭを適用しても、床や天井に貼り付けられた防音材として機能し得る内装材の存在を考慮しなければ、特に１００ｋＨｚ以上の高周波領域において精度良い解析が行えないことが分かっている。

通常は鉄板であるボディパネルに貼り付けられた防音材として機能し得る内装材は、主として、多孔質材料から成る防音材部分と、いわゆるカーペットに相当する表皮部分とから構成され、ボディパネルからの振動を減衰させつつ車室内空気へ伝達すると共に、車室内の音を吸音・遮音する機能も持つ。

このような防音材として機能し得る内装材の存在も考慮して特に高周波領域における精度を向上させたＦＥＭを行うために、従来、防音材をＦＥＭモデル化する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法は、ＢＩＯＴ（ビオ）理論と呼ばれ、多孔質材の固体相特性、空気相特性、及び、これらの連成特性を定式化し、防音材の吸音・遮音特性のモデル化を図るものである。
特開２０００−２６１８７９ 特開２００４−９４３３１ Ｎｏｕｒｅｄｉｎｅ Ａｔａｌｌａら、「Ａｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｎｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｗａｖｅｓ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｕｎｄ Ｐａｃｋａｇｅｓ 」（自動車技術者協会（ＳＡＥ）技術文献；文献番号：ＳＡＥ２００１−０１−１４０６）、ＳＡＥ Ｎｏｉｓｅ＆Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ＆Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ、２００１年４月、米国ミシガン州グランドトラバース（Ｇｒａｎｄ Ｔｒａｖｅｒｓｅ）

しかしながら、上記従来のＢＩＯＴ理論を車両の車室内空間のように比較的規模の大きい音場の振動騒音計算に適用することは計算時間の観点から事実上不可能である。

なぜなら、ＢＩＯＴ理論を適用する際には、防音材（内装材）積層構成をそのままソリッド要素としてモデル化する必要があるからである。このモデル化を用いると、防音材の剛性特性、減衰特性、及び質量特性が周波数に応じて決まる周波数依存特性となる。周波数依存特性を持つソリッド要素を含む周波数応答計算の実行には、直接法（直接周波数応答解析）が必要となる。

通常、車両規模の振動騒音計算には、計算時間短縮のためにモード法（モード解析又はモーダル周波数応答解析）が用いられる。直接法は、計算時間の観点から車両の車室内ほどの規模を持つ空間への適用は事実上不可能である。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、例えば車両の車室内空間などの比較的大規模な音場について防音材の存在を考慮したＦＥＭを計算時間上実行可能なものとするＦＥＭモデル化方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第一の態様は、振動し得る構造体と音場との間に吸音又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物において該音場にＦＥＭを適用する際の上記部材のＦＥＭモデル化方法であって、上記部材を上記構造体と上記音場の節点との間に配設された周波数依存のバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化するＦＥＭモデル化方法である。

この第一の態様において、上記バネ・マス・ダンパモデルのバネ定数、マス質量、及びダンパ減衰定数の周波数特性は、例えば、上記部材の表面インピーダンス及び振動伝達率から算出される。

ここで、上記部材の表面インピーダンスとは、上記音場側から見て上記音場内の音が該部材の特に音場側表面によってどの程度吸音・遮音されるかを表す指標であり、インピーダンス＝音圧／粒子速度で求められる。また、上記振動伝達率とは、上記振動し得る構造体の側から見て該構造体の変位加振が上記部材を通って該部材の音場側表面の表面振動となる割合を表す指標である。換言すれば、上記振動し得る構造体の変位加振が上記部材を通じて上記音場に伝達される際に該部材によってどの程度減衰させられるかを表す指標である。

これら表面インピーダンス及び振動伝達率は、各々、実験的に求められてもよく、或いは、上述のＢＩＯＴ理論などを利用してシミュレーションにより求められてもよい。求められた表面インピーダンス及び振動伝達率がバネ・マス・ダンパモデルにより再現されるように、該モデルにおけるバネ定数、マス質量、及びダンパ減衰定数の周波数応答特性が例えば最適化計算により決定される。

この第一の態様によれば、直接法に比して計算時間を短縮することが可能なモード法において周波数依存特性を考慮することができるＦＥＭ要素：バネ、マス、及びダンパを用いて上記吸音又は遮音機能を有する部材をモデル化することができる。したがって、振動し得る構造体と音場との間に吸音又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物において該音場にＦＥＭを適用する際にモード法が使用可能となり、例えば車両の車室内空間などの比較的大規模な音場の解析も比較的短い時間で計算を終えることができるようになる。

なお、この第一の態様を一例として車両の車室内音場のＦＥＭ解析に適用する場合、上記構造体が車両ボディパネル（例えば、フロアパネルやルーフパネルなど）に相当し、上記音場が車室内空間に相当し、上記部材が防音材を含んだ内装材（例えば、フロアカーペットなど）に相当することになる。

本発明によれば、例えば車両の車室内空間などの比較的大規模な音場について防音材の存在を考慮したＦＥＭを計算時間上実行可能なものとするＦＥＭモデル化方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。なお、ＦＥＭ及びモード法（モード解析）の基本概念自体については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。

本発明に係るＦＥＭモデル化方法の一実施例を図１〜６を用いて説明する。本実施例では、一例として、ＦＥＭを適用して振動騒音計算を行う比較的規模の大きい音場として上述のような車両の車室内空間を考える。

図１は、本実施例において振動騒音計算の対象とする構造を概略的に示している。本実施例において、構造体１０１は、車両のフロアやルーフ等のボディパネルであり、車両の走行やエンジンの運転により振動し得るものである。また、部材１０２は、吸音・遮音機能を有するフロアカーペット等の内装材であり、多孔質材料から成る防音材部分１０３と、カーペット等である表皮部分１０４とから構成される。

また、本実施例において、音場１０５は、車両乗員が乗車する車室内空間である。当業者には明らかなように、図１は、振動し得る構造体１０１と音場１０５との間に吸音・遮音機能を有する部材１０２が配設されている様子を概略的且つ模式的に示したものであり、形状やサイズは図示した例に限定されるものではない。

既述のように、音場１０５にＦＥＭを適用する際には、１）構造体１０１の振動が部材１０２によってどの程度減衰／伝達され、部材１０２の音場１０５側表面はどの程度振動するのかという点と、２）音場１０５の振動騒音は部材１０２によってどの程度吸収されるのかという点について明らかにされると特に高周波成分の解析において精度が向上する。

そこで、本実施例では、演算の際の計算時間を考慮してモード法が利用できるように、部材１０２をモード法で周波数依存特性が考慮可能なＦＥＭ要素であるバネ、マス、及びダンパから成るバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化する。

この様子を図２に示す。本実施例では、図２に示すように、音場１０５を要素に区切ってＦＥＭを適用する際に、吸音・遮音機能を有する部材１０２を構造体１０１と音場１０５の各節点１０６との間に配置された複数のバネ・マス・ダンパモデル１０７としてモデル化する。

各バネ・マス・ダンパモデル１０７は、図示するように連結されたバネ１０８と、マス（質量）１０９と、ダンパ１１０とから構成される。本実施例では、このように設置されたバネ・マス・ダンパモデル１０７について、バネ１０８のバネ定数Ｋ、マス１０９のマス質量Ｍ、及びダンパ１１０のダンパ減衰定数Ｃをそれぞれ適切に設定することによって、このバネ・マス・ダンパモデル１０７が部材１０２の周波数応答特性を忠実に再現するようにする。

より具体的に述べると、本実施例においては、部材１０２の音場１０５側表面すなわち表皮部分１０４における表面インピーダンスと、部材１０２が構造体１０１の振動を音場１０５に伝達する割合を示す振動伝達率とが、バネ・マス・ダンパモデル１０７によって再現されるように、バネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃが決定される。

上述の部材１０２の表面インピーダンスについて図３を用いて説明する。図３（ａ）に示すように、内装材１０２の表面インピーダンスとは、音場１０５側から見て、音場１０５内の音が部材１０２の特に音場１０５側表面（すなわち、表皮部分１０４）によってどの程度吸音・遮音されるかを表す吸音特性指標であり、インピーダンス＝音圧／粒子速度で求められる。

この表面インピーダンスは、実験的に求められてもよく、或いは、上述のＢＩＯＴ理論などを利用してシミュレーションにより求められてもよい。このような表面インピーダンスの測定又は推定については既に知られており、例えば図３（ｂ）に示すような表面インピーダンスの周波数応答特性が得られる。

上述の部材１０２の振動伝達率について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、内装材１０２の振動伝達率とは、構造体１０１の側から見て、車両の走行やエンジンの運転により生じた構造体１０１の変位加振Ａが内装材１０２を通って内装材１０２の音場１０５側表面（すなわち、表皮部分１０４）の表面振動Ｂとなる割合を表す指標である。換言すれば、構造体１０１の変位加振Ａが内装材１０２を通じて音場１０５に伝達される際に、内装材１０２によってどの程度減衰させられるかを表す指標である。

この振動伝達率は、実験的に求められてもよく、或いは、上述のＢＩＯＴ理論などを利用してシミュレーションにより求められてもよい。このような振動伝達率の測定又は推定については既に知られており、振動伝達率を算出するための表皮振動Ｂについて例えば図４（ｂ）に示すような周波数応答特性が得られる。

このようにして部材１０２の表面インピーダンス及び振動伝達率が求められると、これら求められた表面インピーダンス及び振動伝達率が一連のバネ・マス・ダンパモデル１０７により再現されるように、該モデルにおけるバネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃの周波数応答特性が例えば最適化計算により決定される。決定されたバネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃの周波数応答特性の一例を図５に示す。

このようにしてバネ・マス・ダンパモデル１０７のバネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃが決定されると、これらの要素の周波数特性はモード法で扱うことができるため、部材１０２の存在を考慮した音場１０５のＦＥＭ解析をモード法を用いて実行することができる。

図６は、本実施例に係るバネ・マス・ダンパモデル１０７を車両のフロアカーペットのモデル化に利用した様子を示す。当業者には明らかなように、図６では便宜上一部の音場及び一部のバネ・マス・ダンパモデルのみが示されているが、実際には、音場は車室内空間全域に広がっており、バネ・マス・ダンパモデルはフロアカーペット等の内装材が敷かれたフロアパネル上全域に広がっている。

このように本実施例によれば、直接法に比して計算時間を短縮することが可能なモード法において周波数依存特性を考慮することができるＦＥＭ要素：バネ１０８、マス１０９、及びダンパ１１０を用いて防音材１０３を含んだ車両内装材１０２をモデル化することができるため、ボディパネル１０１と車室内空間１０５との間に内装材１０２が配設された車両において車室内空間１０５にＦＥＭを適用する際にモード法を使用することが可能となる。

なお、上記一実施例においては、一例として、内装材１０２が防音材１０３と表皮１０４との二層から成るものとしたが、本発明に係るＦＥＭモデル化方法は、対象となる吸音・遮音機能を有する部材が二層構造の場合に限られず、層数や層厚によらずあらゆる積層構造のものに対して適用可能である。上述の表面インピーダンス及び振動伝達率は吸音・遮音機能を有する部材の実際の積層構造にかかわらず測定又は推定することができるため、どのような積層構造の部材であっても本発明に係るバネ・マス・ダンパモデルによりモデル化されたときのバネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃを決定することができるからである。

本発明に係るモデル化手法は、上記一実施例において一具体例として挙げた車両の車室内空間にＦＥＭを適用する場合に限られず、振動し得る構造（体）との間に防音材が設けられたあらゆる音場に対するＦＥＭ解析において利用することができる。

上記一実施例のように、本発明に係るモデル化手法が車両の車室内空間にＦＥＭを適用する際に用いられる場合、対象となる車両の外観、重量、サイズ、走行性能等は不問である。

本発明の一実施例において振動騒音計算の対象とする構造を概略的に示す図である。 本発明の一実施例において吸音・遮音機能を有する部材をバネ・マス・ダンパモデルでモデル化した様子を示す図である。 （ａ）表面インピーダンスを説明するための図である。（ｂ）表面インピーダンスの周波数応答特性の一例を示すグラフである。 （ａ）振動伝達率を説明するための図である。（ｂ）表皮振動の周波数応答特性の一例を示すグラフである。 本発明の一実施例に係るバネ・マス・ダンパモデルにおけるバネ定数Ｋ、マス質量Ｍ、及びダンパ減衰定数Ｃの周波数応答特性の一例を示す図である。 本発明の一実施例に係るバネ・マス・ダンパモデルを車両の車室内空間の振動騒音計算に適用した様子を示す図である。

符号の説明

１０１ ボディパネル
１０２ 内装材
１０３ 防音材
１０４ 表皮
１０５ 音場
１０６ 節点
１０７ バネ・マス・ダンパモデル
１０８ バネ
１０９ マス
１１０ ダンパ

Claims (3)

1. 振動し得る構造体と音場との間に吸音又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物において該音場にＦＥＭを適用する際の前記部材のＦＥＭモデル化方法であって、
   前記部材を前記構造体と前記音場の節点との間に配設された周波数依存のバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化する、ことを特徴とするＦＥＭモデル化方法。
2. 請求項１記載のＦＥＭモデル化方法であって、
   前記バネ・マス・ダンパモデルのバネ定数、マス質量、及びダンパ減衰定数の周波数特性は、前記部材の表面インピーダンス及び振動伝達率から算出される、ことを特徴とするＦＥＭモデル化方法。
3. 請求項１又は２記載のＦＥＭモデル化方法であって、
   前記構造体は車両ボディパネルであり、
   前記音場は車室内空間であり、
   前記部材は防音材を含んだ内装材である、ことを特徴とするＦＥＭモデル化方法。

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