JP2007094567A

JP2007094567A - 剛性管理装置、及び、剛性管理方法

Info

Publication number: JP2007094567A
Application number: JP2005280535A
Authority: JP
Inventors: Hideki Enomoto; 秀喜榎本
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く推定することができ、各部の剛性の評価・管理を容易に行え、この推定した剛性を活かして最適な車体設計を可能とする。
【解決手段】解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算し、該解析モデルの剛性を演算する。そして、この剛性を剛性評価基準値と比較して剛性の評価を行い、剛性が不足する場合は、各振動モードのマイナス寄与度を演算し、どの振動モードが剛性に対し不足を招いているかを示し、マイナス寄与度が大きな振動モードの歪分布描画を行い、これを基に歪の集中した部位を対策する。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両の各部における剛性を推定し管理する剛性管理装置、及び、剛性管理方法に関する。

従来より、車両において、各部の剛性を求めて評価・管理し、設計に活かしていくことは、車両の強度、操縦安定性の向上、騒音の低減を図る上で非常に重要である。

例えば、図１２に模式的に示すように、車両のサスペンション１０１がブッシュ１０２を介して車体フレーム１０３を支持しているような、車体フレーム１０３の取り付け部では、ブッシュ１０２の剛性Ｋｂと車体フレーム１０３の取り付け部の剛性Ｋｆの比（Ｋｆ／Ｋｂ）を大きく設定することで、ロードノイズによる車体への振動入力を防ぐことができ、振動遮断効果を大きく設計することができる。

例えば、特開２００１−２９５６１９号公報では、エンジンのオイルパンに対して、オイルパン浅底部と側面部に対して実験モーダル解析を行って、振動ピークを対策する技術が開示されている。
特開２００１−２９５６１９号公報

しかしながら、上述の特許文献１で開示される技術は、あくまでも振動に対する対策、すなわち、卓越した振動ピークを抑制させるものであって、前述の如く、車体フレーム１０３の取り付け部の剛性を評価・管理し、設計に活かしていくものではないため、例えば前述のように車体設計段階において、所望とする、操縦安定性、強度、振動等の基礎となる車体剛性を得るために利用することができないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く推定することができ、各部の剛性の評価・管理を容易に行え、この推定した剛性を活かして最適な車体設計を可能とする剛性管理装置、及び、剛性管理方法を提供することを目的とする。

本発明は、解析対象とする部位を有限要素モデルにて表現する解析モデル形成手段と、上記解析モデル形成手段で表現した解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算する振動変位演算手段と、上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位から該解析モデルの剛性を演算する剛性演算手段と、上記剛性演算手段で演算した剛性を予め設定する基準値と比較して剛性の評価を実行する剛性評価手段と、上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位に占める上記各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位の割合を上記各振動モードのマイナス寄与度として演算するマイナス寄与度演算手段とを備えたことを特徴としている。

本発明による剛性管理装置、及び、剛性管理方法によれば、車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く推定することができ、各部の剛性の評価・管理を容易に行え、この推定した剛性を活かして最適な車体設計が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１乃至図１１は本発明の実施の一形態を示し、図１は剛性管理装置の全体を示す構成図、図２は解析対象とする後部車体フレームの取り付け部の要部断面図、図３は車体に取り付けられるリアサブフレームの説明図、図４は車体フレームの取り付け部の構造を示す断面図、図５は剛性を推定する部分のみを示す断面図、図６は剛性管理プログラムのフローチャート、図７は形成される有限要素モデルの説明図、図８は振動変位の周波数応答波形の一例の説明図、図９は記録されるデータテーブルの説明図、図１０は振動による変形モード描画の一例を示す説明図、図１１は歪の集中した部位の対策の例を示す説明図である。

本実施形態において、剛性管理の処理は、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称）等のコンピュータシステムにおいて後述する処理プログラムが実行されることによって行われる。

図１に示すように、剛性管理装置であるＰＣ１は、中央処理装置（以下、ＣＰＵと略称）と各種データ及びプログラムを記憶する記憶装置とを備えたコンピュータ本体２と、このコンピュータ本体２に接続された、キー入力装置であるキーボード３と、ポインティングデバイスであるマウス４と、表示装置であるモニタ５とを有して主要に構成されている。

このコンピュータ本体２には、解析対象とする部位の図面や描画等の解析対象とするデータが、ＦＤ（flexible disk）、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録メディアや、回線を通じて供給され、コンピュータ本体２に内蔵された、ＨＤ（Hard Disk）等の記録装置に記録され、後述の剛性管理プログラムに従って剛性の解析、評価等の剛性管理処理が実行される。

本実施の形態においては、解析対象として、例えば図２に示すような車両の後部車体フレームの取り付け部１０の剛性を推定して評価・管理するものであり、以下、コンピュータ本体２に入力される後部車体フレームの取り付け部１０の構造について、図２乃至図５を基に説明する。

図３に示すように、車体１１の後部下面には、後輪終減速装置、サスペンション系等を支持するリアサブフレーム１２が複数本（例えば４本）のボルト１３，１３，１３，１３を介して取り付けられている。尚、図２中に示す後部車体フレームの取り付け部１０の要部断面は、車体左側のものであり、図３中の矢印方向（前方斜め下方向）から見た図である。

ボルト１３が挿通されるリアサブフレーム１２の孔の部分は、図４に示すように、リアサブフレーム１２の金属製の外筒１４の内側に、ゴム材で形成されたブッシュ１５が設けられ、このブッシュ１５の内側に、金属製の内筒１６が設けられ構成されている。

そして、内筒１６の内側を挿通されたボルト１３は、車体後部のセパレータ１７に溶接固定された管筒１８の先端内側に螺設された雌ねじ部１８ａに螺合され、リアサブフレーム１２を固定する。尚、符号１９は車体のクロスメンバを示す。

このように構成される後部車体フレームの取り付け部１０に対し、ブッシュ１５を取り除いた車体フレーム側の構成部分（すなわち、図５に示す部分）がどのような剛性をとるかにより、前述の如く、ブッシュ１５の剛性Ｋｂと車体フレームの取り付け部の剛性Ｋｆの比（Ｋｆ／Ｋｂ）の解析が行える。そして、ブッシュ１５の剛性Ｋｂを高くして操縦安定性を確保しながら車体フレームの取り付け部の剛性Ｋｆを高く設計することにより、Ｋｆ／Ｋｂの値を大きく設定し、所望とする高度な操縦安定性、強度、振動遮断性を確保することができるようになっている。この設計段階において、本実施の形態が大いに活用されることになるのである。

次に、ＰＣ１のコンピュータ本体２で実行される剛性管理プログラムを、図６のフローチャートで説明する。尚、本プログラムは、入力される力が前後方向（Ｘ方向）、車幅方向（Ｙ方向）、上下方向（Ｚ方向）のそれぞれの方向の場合毎に実行されるプログラムである。

まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、剛性評価基準値Ｋ０と目標剛性倍率Ｃｋを読み込む。この剛性評価基準値Ｋ０とは、予め設定する基準値であり、本実施の形態では、例えば、ブッシュ１５の剛性Ｋｂを剛性評価基準値Ｋ０として設定する。また、目標剛性倍率Ｃｋとは、これも予め設定する値であり、本実施の形態では、前述したＫｆ／Ｋｂの値に、安全率を考慮した値が設定される。尚、この剛性評価基準値Ｋ０と目標剛性倍率Ｃｋは、入力される力の方向毎に可変される。

次に、Ｓ１０２に進むと、解析モデルの読み込みと、この解析モデルについての有限要素モデルの作成が行われる。本実施の形態では、後部車体フレームの取り付け部１０の車体フレーム側の構成部分の剛性Ｋｆ（以下、単に剛性Ｋと云う）を評価・管理するため、例えば、前述の如く、図２に示す組み立て図が解析モデルとして読み込まれる。

そして、この解析モデルに対し、図７に示すように、周知の有限要素法に基づく要素分割が行われ、有限要素モデルが形成される。すなわち、このプログラム処理部が解析モデル形成手段で実行される処理となっている。

次いで、Ｓ１０３に進むと、実固有値解析を利用した０Ｈｚにおける振動変位（１／Ｋ）を演算する処理が実行される。以下、この処理の概要について説明する。

比例減衰のｎ自由度振動系の運動方程式は、以下の（１）式により得られることが知られている。
[Ｍ]・｛ｄ^２Ｘ／ｄｔ^２｝＋[Ｃ]・｛ｄＸ／ｄｔ｝＋[Ｋ]・｛Ｘ｝＝｛Ｆ｝…（１）
ここで、[Ｍ]は質量マトリクス、[Ｃ]は減衰マトリクス、[Ｋ]は剛性マトリクス、｛Ｆ｝は外力ベクトル、｛Ｘ｝は振動変位を示す。

（１）式の振動計が調和振動であり、振動変位を各振動モードの線形結合で表したモード座標系（一般化座標）で表記すると以下の（２）式となる。
｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝）
／（−ω^２・ｍｒ＋ｊ・ω・ｃｒ＋Ｋｒ））
＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝）
／（ｍｒ・（−ω^２＋ωｒ^２＋２・ｊ・ζｒ・ω・ωｒ）））
…（２）
ここで、ｒはモード番号、Ψｒはモードベクトル、ｍｒはモーダル質量、ｃｒはモーダル減衰、Ｋｒはモーダル剛性、ωは角振動数、ωｒは固有角振動数、ζｒはモード減衰比、ｊは虚数単位である。

静剛性の値を求めるには、０Ｈｚでの変位を計算すればよい。つまり、ω＝２・π・ｆ＝０（ｆ：周波数）を上述の（２）式に代入することにより、以下の（３）式が得られる。
｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（１／（ｍｒ・ωｒ^２））・｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝）
…（３）

ここで、構造解析プログラムNASTRAN（商品名）での実固有値解析において、モーダル質量ｍｒ＝１としてモードの正規化を指定することにより以下の（４）式を得ることができる。ちなみに、NASTRANでのモード正規化のデフォルトはｍｒ＝１である。
｛Ｘ｝＝Σ^ｎ _ｒ＝１（（１／ωｒ^２）・｛Ψｒ｝^Ｔ・｛Ｆ｝・｛Ψｒ｝） …（４）

上述の（４）式に単位入力を作用させることで、０Ｈｚでの変位が求まり、その逆数をとることで静剛性値となる。すなわち、実固有値解析により算出した共振周波数、モードベクトルを利用することで計算可能となる。

静剛性をＫとすると、図８に示すように、０Ｈｚでの振動変位は、１／Ｋに相当する。つまり、静剛性を用いて（４）式を表現すると、以下の（５）式が得られる。
（１／Ｋ）＝Σ^ｎ _ｒ＝１（１／Ｋｒ）
＝（１／Ｋ１）＋（１／Ｋ２）＋…＋（１／Ｋｎ） …（５）

すなわち、このＳ１０３のプログラム処理部が振動変位演算手段で実行される処理となっている。

次いで、Ｓ１０４に進み、Ｓ１０３で演算した振動変位（１／Ｋ）の逆数を演算して、剛性Ｋを演算する。このように、Ｓ１０４のプログラム処理部が剛性演算手段で実行される処理となっている。

そして、Ｓ１０５に進み、Ｓ１０４で演算した剛性Ｋを、剛性評価基準値Ｋ０で除した値（Ｋ／Ｋ０）が、目標剛性倍率Ｃｋ以上になっているか否か判定する。

このＳ１０５の判定の結果、Ｋ／Ｋ０≧Ｃｋの場合は、所望の剛性が得られていると判断し、プログラムを抜ける。

逆に、Ｋ／Ｋ０＜Ｃｋの場合は、意図する剛性が得られていないと判断し、Ｓ１０６へと進む。すなわち、このＳ１０５のプログラム処理部が剛性評価手段で実行される処理となっている。

Ｓ１０６に進むと、各振動モードの剛性に対するマイナス寄与度αｒを演算し、出力する。このマイナス寄与度αｒとは、解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位に占める各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位の割合であり、上述の（５）式から以下の（６）式で求める値であって、換言すれば、剛性Ｋｒの逆数の割合であるので弱さの占める割合となっている。
αｒ＝（（１／Ｋｒ）／（１／Ｋ））・１００％ …（６）

このようにして、各振動モードのマイナス寄与度をデータとしてメモリした表を図９（ａ）に示す。この表中、ｒは振動モード、１／Ｋｒは振動変位、αｒはマイナス寄与度をそれぞれ示しており、マイナス寄与度αｒの大きなもの、すなわち、剛性を低下させるのに及ぼす影響が大きいものからソートをかけると図９（ｂ）に示すようになる。図９（ｂ）の例をみると、振動モード３及び振動モード７の２つのモードにより、約５０％の剛性低下を生じさせていることが判る。すなわち、このＳ１０６のプログラム処理部がマイナス寄与度演算手段で実行される処理となっている。

次に、Ｓ１０７に進み、マイナス寄与度αｒが大きな振動モードと歪分布を描画する。例えば、図９（ｂ）の振動モード３及び振動モード７等を描画して、図１０に示すような画像をモニタ５上に描画し、オペレータに対して、設計対策に必要な処理を示唆する。

そして、Ｓ１０８に進み、Ｓ１０７で表示された描画を基に、オペレータは歪の集中した部位に対策処理して、再び、この対策処理した解析モデルでＳ１０２からの処理を繰り返す。この対策処理は、例えば、図１１に示すように、内筒１６のクロスメンバ１９側端部にパッチ２１を挿入し、加えて、管筒１８を、管径をより太くした管筒２２に変更する。尚、このＳ１０８の処理は、オペレータが手動にて行う処理となっているが、その変形状態から自動的に板厚の変更、補強部品の追加、材質の変更等が行えるようにプログラミングすることも可能である。

このように、本実施の形態によれば、解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算し、該解析モデルの剛性を演算して、この剛性を剛性評価基準値と比較して剛性の評価を実行するので、車体の各部の剛性を容易、且つ、精度良く推定することができ、各部の剛性の評価・管理を容易に行え、この推定した剛性を活かして最適な車体設計が可能となる。

また、剛性の評価の結果、剛性が不足する場合は、各振動モードのマイナス寄与度を演算し、どの振動モードが剛性に対し不足を招いているか示すようになっているので、設計変更・改善が行い易く、利便性に優れている。更に、この剛性の不足を招いている部分はモニタ上にも描画されるので、オペレータが適切且つ容易に設計変更・改善が行い易い。

尚、本実施の形態では、解析対象として後部車体フレームの取り付け部１０を例に説明しているが、剛性を推定する部位はこの部位に限るものではない。

本発明の実施の一形態による、剛性管理装置の全体を示す構成図同上、解析対象とする後部車体フレームの取り付け部の要部断面図同上、車体に取り付けられるリアサブフレームの説明図同上、車体フレームの取り付け部の構造を示す断面図同上、剛性を推定する部分のみを示す断面図同上、剛性管理プログラムのフローチャート同上、形成される有限要素モデルの説明図同上、振動変位の周波数応答波形の一例の説明図同上、記録されるデータテーブルの説明図同上、振動による変形モード描画の一例を示す説明図同上、歪の集中した部位の対策の例を示す説明図従来から一般的な、車両のサスペンションとブッシュと車体フレームの剛性の説明図

符号の説明

１パーソナルコンピュータ
２コンピュータ本体
３キーボード
４マウス
５モニタ
１０後部車体フレームの取り付け部

Claims

解析対象とする部位を有限要素モデルにて表現する解析モデル形成手段と、
上記解析モデル形成手段で表現した解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算する振動変位演算手段と、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位から該解析モデルの剛性を演算する剛性演算手段と、
上記剛性演算手段で演算した剛性を予め設定する基準値と比較して剛性の評価を実行する剛性評価手段と、
を備えたことを特徴とする剛性管理装置。
解析対象とする部位を有限要素モデルにて表現する解析モデル形成手段と、
上記解析モデル形成手段で表現した解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算する振動変位演算手段と、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位から該解析モデルの剛性を演算する剛性演算手段と、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位に占める上記各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位の割合を上記各振動モードのマイナス寄与度として演算するマイナス寄与度演算手段と、
を備えたことを特徴とする剛性管理装置。
解析対象とする部位を有限要素モデルにて表現する解析モデル形成手段と、
上記解析モデル形成手段で表現した解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算する振動変位演算手段と、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位から該解析モデルの剛性を演算する剛性演算手段と、
上記剛性演算手段で演算した剛性を予め設定する基準値と比較して剛性の評価を実行する剛性評価手段と、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位に占める上記各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位の割合を上記各振動モードのマイナス寄与度として演算するマイナス寄与度演算手段と、
を備えたことを特徴とする剛性管理装置。
上記剛性評価手段は、上記剛性演算手段で演算した剛性を上記予め設定する基準値で除した値が予め設定する目標剛性倍率より低いと判定した場合は、剛性が不足していると判定することを特徴とする請求項１又は請求項３記載の剛性管理装置。
解析対象とする部位を有限要素モデルにて表現する解析モデル形成ステップと、
上記解析モデル形成ステップで表現した解析モデルに対して、実固有値解析を利用し、各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位を求め、これら振動変位から上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位を演算する振動変位演算ステップと、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位から該解析モデルの剛性を演算する剛性演算ステップと、
上記剛性演算ステップで演算した剛性を予め設定する基準値と比較して剛性の評価を実行する剛性評価ステップと、
上記解析モデルの０Ｈｚにおける振動変位に占める上記各振動モードにおける０Ｈｚでの振動変位の割合を上記各振動モードのマイナス寄与度として演算するマイナス寄与度演算ステップと、
を備えたことを特徴とする剛性管理方法。
上記剛性評価ステップは、上記剛性演算ステップで演算した剛性を上記予め設定する基準値で除した値が予め設定する目標剛性倍率より低いと判定した場合は、剛性が不足していると判定することを特徴とする請求項５記載の剛性管理方法。