JP2007102537A - 衝撃吸収体のモデル化方法及び衝撃吸収体の解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の筒状体を集合して構成された衝撃吸収体を精度良く解析し得る有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法を得、また該衝撃吸収体のモデル化方法によって作成した有限要素モデルを用いて衝撃吸収体を精度良く解析する衝撃吸収体の解析方法を得る。
【解決手段】互いに平行な軸線を有する筒状に形成された多数のハニカム格子２２の集合体であるアルミハニカム２０の実物２０Ａを有限要素法で解析するための有限要素モデル２０Ｂは、そのハニカム格子２２の仮想寸法ｔｂが実物２０Ａにおけるハニカム格子２２の寸法ｔａよりも大きく設定され、かつ実物２０Ａと同じ圧縮荷重が作用した場合に該実物２０Ａと同じ圧縮応力が生じるように、仮想板厚ｔｂが実物２０Ａの板厚ｔａとは異なっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばハニカム構造を有する車両衝突試験用バリヤ等の有限要素法による解析用の有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法に関する。

自動車の衝突試験を有限要素法による衝突解析にて再現する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この技術では、多数の略正六角形断面の筒状体の集合体として形成されたハニカム構造体について、ソリッド（中実）要素でモデル化して有限要素モデルを作成しており、衝突荷重について比較的良好な解析結果を得ている。
野島耕司、「オフセット衝突におけるＤＢのモデル化と精度」、自動車技術会２００１年シンポジウムテキスト、ｐ３７

しかしながら、上記した従来の各技術では、ハニカム構造体をソリッド要素でモデル化しているため、バリヤ及びバリヤと衝突する衝突体の変形モードの再現性が悪く、この点に改善の余地があった。

本発明は、上記事実を考慮して、複数の筒状体を集合して構成された衝撃吸収体を精度良く解析し得る有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法を得、また該衝撃吸収体のモデル化方法によって作成した有限要素モデルを用いて衝撃吸収体を精度良く解析する衝撃吸収体の解析方法を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、互いに平行な軸線を有する筒状体を集合して構成された衝撃吸収体の、前記筒状体の軸線方向の圧縮荷重を受けた場合における、有限要素法による構造解析用の有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法であって、解析対象の実物における前記筒状体の寸法よりも大きい該筒状体の仮想寸法を設定し、前記仮想寸法の筒状体に所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力が、前記解析対象の実物の筒状体に前記所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力と同等になるように、該仮想寸法の筒状体の仮想材料特性を求め、前記有限要素モデルを、前記仮想材料特性を有し前記仮想寸法とされた前記筒状体の集合体として、シェル要素でモデル化する。

請求項１記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、例えばハニカム構造体のような多数の筒状体の集合体として構成された衝撃吸収体の有限要素モデルを作成するにあって、該有限要素モデルを筒状体の仮想寸法が実物の筒状体の寸法よりも大きくなる設定とした場合に、有限要素モデルの圧縮応力が実物の圧縮応力に略一致するような仮想材料特性を求める。そして、衝撃吸収体を、シェル要素で、上記仮想材料特性を有する上記仮想寸法の筒状体の集合体すなわち筒状体内に中空部を有する構造体としてモデル化する。

この有限要素モデルでは、筒状体の仮想寸法を実物の寸法よりも大きく設定しているため、筒状体を実物と同じ寸法でモデル化したモデルと比較して、衝撃吸収体を構成する筒状体数すなわちモデル要素数を減らすことができる。そして、この有限要素モデルは、圧縮方向（筒状体の主方向）の所定荷重を受けた場合に仮想寸法の筒状体に、実物と同等の圧縮応力を作用させるように求められた仮想材料特性を用いてモデル化されているため、上記の通り要素数を減らしたモデルでありながら、実物の圧縮による応力や変形を精度良く再現することができる。すなわち、本モデル化方法にて作成した有限要素モデルでは、計算機負荷を減じつつ精度良い解析を行うことができる。また、この有限要素モデルは、シェル要素を用いて、衝撃吸収体を筒状体内に中空部を有する構造体としてモデル化しているため、ソリッド要素を用いたモデルと比較して解析精度を向上することができる。

このように、請求項１記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、複数の筒状体を集合して構成された衝撃吸収体を精度良く解析し得る有限要素モデルを作成することができる。なお、モデル化対象の衝撃吸収体は、例えばハニカム構造体のように、隣り合う筒状体が筒壁の一部を共有するものであっても良く、独立した筒状体を含むものであっても良い。

上記目的を達成するために請求項２記載の発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、互いに平行な軸線を有する筒状体を集合して構成された衝撃吸収体の、前記筒状体の軸線方向の圧縮荷重を受けた場合における、有限要素法による構造解析用の有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法であって、解析対象の実物における前記筒状体の数よりも少ない前記筒状体の仮想数を設定し、前記仮想数の筒状体の集合体に所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力が、前記解析対象の実物の筒状体の集合体に前記所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力と同等になるように、該仮想数の筒状体の仮想材料特性を求め、前記有限要素モデルを、前記仮想材料特性を有する前記仮想数の筒状体の集合体として、シェル要素でモデル化する。

請求項２記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、例えばハニカム構造体のような多数の筒状体の集合体として構成された衝撃吸収体の有限要素モデルを作成するにあって、該有限要素モデルを筒状体の仮想数が実物の筒状体の数よりも少なくなる設定とした場合に、有限要素モデルの圧縮応力が実物の圧縮応力に略一致するような仮想材料特性を求める。そして、衝撃吸収体を、シェル要素で、上記仮想材料特性を有する上記仮想数の筒状体の集合体すなわち筒状体内に中空部を有する構造体としてモデル化する。

この有限要素モデルでは、筒状体の仮想数を実物の数よりも少なく設定しているため、実物と同じ数の筒状体を有するモデルと比較して、衝撃吸収体を構成するモデル要素数を減らすことができる。そして、この有限要素モデルは、圧縮方向（筒状体の主方向）の所定荷重を受けた場合に仮想寸法の筒状体に、実物と同等の圧縮応力を作用させるように求められた仮想材料特性を用いてモデル化されているため、上記の通り要素数を減らしたモデルでありながら、実物の応力や変形を精度良く再現することができる。すなわち、本モデル化方法にて作成した有限要素モデルでは、計算機負荷を減じつつ精度良い解析を行うことができる。また、この有限要素モデルは、シェル要素を用いて、衝撃吸収体を筒状体内に中空部を有する構造体としてモデル化しているため、ソリッド要素を用いたモデルと比較して解析精度を向上することができる。

このように、請求項２記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、複数の筒状体を集合して構成された衝撃吸収体を精度良く解析し得る有限要素モデルを作成することができる。なお、モデル化対象の衝撃吸収体は、例えばハニカム構造体のように、隣り合う筒状体が筒壁の一部を共有するものであっても良く、独立した筒状体を含むものであっても良い。

請求項３記載の発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、請求項１又は請求項２記載の衝撃吸収体のモデル化方法において、前記仮想材料特性として、前記筒状体の筒壁の厚みを用いた。

請求項３記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、筒状体の筒壁の厚みを、仮想材料特性として実物の厚みとは異ならせることで、同じ圧縮荷重を受けた場合の有限要素モデルの圧縮応力を実物の圧縮応力と同等している。このため、実物と有限要素モデルとで、所定圧縮荷重を受けた場合の圧縮応力を一致させる仮想材料特性、すなわち筒壁の厚みの設定が容易である。

請求項４記載の発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法において、前記有限要素モデルを構成する前記筒状体における軸線に直交する面に沿った断面形状を、前記解析対象の実物を構成する前記筒状体における軸線に直交する面に沿った断面形状とは異なる形状とした。

請求項４記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、例えば、実物の筒状体の断面形状が正六角形状であるのに対して、有限要素モデルの通状体の断面形状を正方形や一軸方向に伸ばした六角形、円形等としてモデル化する。これにより、有限要素モデルの要素数を一層減らすことが可能になる。

請求項５記載の発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法において、前記仮想材料特性を、前記筒状体の軸線方向の各部で異ならせた。

請求項５記載の衝撃吸収体のモデル化方法では、圧縮荷重の方向に一致する筒状体の軸線方向（主方向）で仮想材料特性が異なる（変化している）ため、圧縮の進行に伴って生じる有限要素モデルと実物との圧縮応力の乖離を補正することができる。これにより、実部に一層近似した解析結果を得ることができる。

請求項６記載の発明に係る衝撃吸収体の解析方法は、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法にて、衝撃吸収体の有限要素モデルを作成し、前記有限要素モデルを用いて有限要素法による前記衝撃吸収体の構造解析を行う。

請求項５記載の衝撃吸収体の解析方法では、実物よりも筒状体数を減らしシェル要素でモデル化された有限要素モデルを作成し、この有限要素モデルを用いて有限要素法による構造解析（強度、剛性、応力、変形、振動等）を行う。このため、実物と同じ寸法で同じ数の筒状体を有する有限要素モデルを用いた場合と比較して、計算機負荷を減らしながら解析精度を確保することができる。また、ソリッド要素でモデル化したモデルを用いた解析と比較して、精度良い解析を行うことができる。

このように、請求項５記載の衝撃吸収体の解析方法では、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法によって作成した有限要素モデルを用いて、衝撃吸収体を精度良く解析することができる。

以上説明したように本発明に係る衝撃吸収体のモデル化方法は、複数の筒状体を集合して構成された衝撃吸収体を精度良く解析し得る有限要素モデルを作成することができるという優れた効果を有する。また、本発明に係る衝撃吸収体の解析方法は、上記衝撃吸収体のモデル化方法によって作成した有限要素モデルを用いて衝撃吸収体を精度良く解析することができるという優れた効果を有する。

本発明の一実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法が適用された衝突解析装置１０について、図１乃至図１５に基づいて説明する。先ず、解析、モデル化対象である衝突試験用のムービングバリヤ１２（実物）について説明し、次いで、ムービングバリヤ１２のモデル化方法を詳細に説明し、その後に衝突解析装置１０について説明することとする。なお、図面に適宜示されている矢印ＦＲ、矢印ＵＰ、矢印Ｗは、それぞれムービングバリヤ１２が設けられた走行台車１４の前方向（進行方向）、上方向、及び車幅方向を示している。

図１０には、ムービングバリヤ１２の実物１２Ａが取り付けられた走行台車１４を示す斜視図が示されており、図１１には、ムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂが斜視図にて示されている。これらの図に示される如く、ムービングバリヤ１２は、走行台車１４の前端に取り付けられており、後述する被衝突車両（実車）との衝突部を構成する。

このムービングバリヤ１２は、実車形状を模してバンパ高に相当する位置に位置する下部１６が上部１８よりも前方に突出して形成されている。ムービングバリヤ１２は、図11に示される如く、下部１６、上部１８が共に、図１（Ａ）に示される如きハニカム構造体である衝撃吸収体としてのアルミハニカム２０を主要構成要素としている。

アルミハニカム２０は、それぞれ軸線方向が前後方向（衝突方向）に一致するそれぞれ筒状体としての多数の正六角筒状のハニカム格子２２を並列して集合させた如き構造体であり、各ハニカム格子２２は、各筒壁を隣り合う異なるハニカム格子２２と共有することで、互いに間に隙間がなく各ハニカム格子２２内にのみ空間が形成された中空構造体を構成している。このアルミハニカム２０は、衝突によって変形する構造体であり、ムービングバリヤ１２は、デフォーマブルバリヤとされている。

ムービングバリヤ１２は、下部１６、上部１８を構成する各アルミハニカム２０の後端が走行台車１４の剛体壁２６に固定されると共に、下部１６、上部１８を構成するアルミハニカム２０の前端がそれぞれ被覆パネル２４にて被覆され構成されている。

また、ムービングバリヤ１２の下部１６、上部１８を構成するアルミハニカム２０は、衝突試験前に予圧縮を受けており、前端側の剛性が低く（柔らかく）、後端側の剛性が高い（硬い）特性とされている。すなわち、アルミハニカム２０は、主方向の各部で剛性が異なる構成とされている。

（アルミハニカムのモデル化）
以下、ムービングバリヤ１２を構成するアルミハニカム２０の実物２０Ａの有限要素法による構造解析用の有限要素モデル２０Ｂを作成するためのモデル化方法を説明する。

図２に示すようなアルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂを作成する際には、先ず、全体としての寸法をアルミハニカム２０の全体寸法と一致させながら、図１（Ｂ）に示される如くハニカム格子２２の仮想寸法ｂを、図１（Ａ）に示す実物２０Ａにおけるハニカム格子２２の寸法ａよりも拡大した要素拡大モデル２０Ｃを考える。この要素拡大モデル２０Ｃでは、全体寸法を維持してハニカム格子２２を拡大したことで、ハニカム格子２２の仮想数が実物２０Ａのハニカム格子２２の数よりも少なく設定されている。この実施形態では、実物２０Ａのハニカム格子２２の寸法ａが２０ｍｍであるのに対して、要素拡大モデル２０Ｃにおけるハニカム格子２２の仮想寸法ｂを３５ｍｍとして設定している。

したがって、この要素拡大モデル２０Ｃは、上記の通り要素であるハニカム格子２２の仮想寸法、仮想数が実物の寸法、数とは異なるので、その材料特性が実物２０Ａの材料特性と同じでは、実物２０Ａの衝突形態を再現し得ない。このため、アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂに用いる材料特性を、所定の圧縮荷重を作用させた場合の圧縮応力σが要素拡大モデル２０Ｃと実物２０Ａとで同等になる仮想材料特性を求め、この仮想材料特性を用いて有限要素モデル２０Ｂを作成（構築）する。

そして、この実施形態では、仮想材料特性としてハニカム格子２２の筒壁の仮想板厚ｔｂを採用している。図３（Ａ）に示される如く、アルミハニカム２０の要素拡大モデル２０Ｃの圧縮方向である主方向（有限要素モデル２０Ｂを示すものであるが、図２に示す矢印Ａ参照）の強度Ｓｐは、ハニカム格子２２の板厚ｔにほぼ正比例する。一方、要素拡大モデル２０Ｃの圧縮方向である横方向（図２の矢印Ｂ参照）の強度Ｓｓは、主方向強度Ｓｐと比較して板厚の変化に対し鈍感であり、かつ主方向強度Ｓｐに対し著しく小さい。

このように主方向強度Ｓｐが高く横方向強度Ｓｓが低いアルミハニカム２０は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示される如く、実物２０Ａの板厚ｔａとは異なる仮想板厚ｔｂを採用することで、要素拡大モデル２０Ｃの主方向強度Ｓｐを実物の主方向強度Ｓｐｅ（実験値）に一致させつつ、横方向強度の実物２０Ａの横方向強度Ｓｓｅ（実験値）に対するずれが生じないモデルを作成することができる。

より具体的には、仮想板厚ｔｂが各部において一定であるアルミハニカム２０のテストピース２０Ｄを用いて、図６に示す如く荷重伝達体２８を介して圧縮荷重Ｆを付与してテストピース２０Ｄ各部を一様に圧縮した場合の主方向圧縮応力σ（計算値）を、仮想板厚ｔｂを変化させて各仮想板厚ｔｂ毎に算出しプロットすると、図４が得られる。主方向圧縮応力σは、テストピース２０Ｄの荷重支持面積（荷重伝達体２８の面積）をＡとして、σ＝Ｆ／Ａによて得られる応力である。この図４における各プロットを結ぶ仮想直線（曲線）から板厚ｔと主方向圧縮応力σとの関係を表す近似式を得る。ハニカム格子２２の仮想寸法が３５ｍｍの場合の近似式を式（１）として示す。

σ ＝ ３．１２ｔ ＋ ０．０２３２ （１）

この近似式（１）に、アルミハニカム２０の実物２０Ａでの実験値である主方向圧縮応力σｅを代入することで、要素拡大モデル２０Ｃにおいて実物２０Ａの主方向圧縮応力σｅと同等の主方向圧縮応力σ（≒σｅ）を得る仮想板厚ｔｂが求められる。

また、この実施形態では、上記の通り主方向の各部で剛性が異なるアルミハニカム２０の実物２０Ａに対応して、仮想板厚ｔｂを主方向で異ならせるようになっている。具体的には、実物２０Ａの主方向各部で実測した主方向圧縮応力σを近似式（１）に代入することで、該実測部位に対応する主方向各位置の仮想板厚ｔｂを得る。

そして、この要素拡大モデル２０Ｃにおけるハニカム格子２２の仮想寸法ｂ、仮想板厚ｔｂを用いて、図２に示される如く、シェル要素でハニカム格子２２の集合体をモデル化した有限要素モデル２０Ｂを作成する。すなわち、アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂは、実物２０Ａにおけるハニカム格子２２の寸法ａよりも大きい仮想寸法ｂを有するハニカム格子２２の集合体であるハニカム構造体としてモデル化されている。

また、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）には、ムービングバリヤ１２（下部１６、上部１８）の有限要素モデル１２Ｂを構成する有限要素モデル２０Ｂの仮想板厚ｔｂの概略分布が示されている。これらの図からわかるように、有限要素モデル２０Ｂでは、主方向における圧縮荷重入力側（前側）で仮想板厚ｔｂが小さく、圧縮荷重入力側とは反対側で仮想板厚ｔｂが大きく設定されている。

（アルミハニカムの有限要素モデルの検証例）
図５は、アルミハニカム２０（ムービングバリヤ１２を構成しないテストピースであるが、ムービングバリヤ１２と同様に板厚分布が設定されている点で上記テストピース２０Ｄとは異なるモデル）の有限要素モデル２０Ｂに所定の圧縮荷重をさせた場合の変形状態を示す解析結果である。より具体的には、図５は、図６（Ａ）に示される如く平板状の荷重伝達体２８を介して有限要素モデル２０Ｂの各部に一定の圧縮荷重Ｆを作用させた場合の、該有限要素モデル２０Ｂの図６（Ｂ）に示す変形を、荷重伝達体２８を取り除いて示している。

この図から有限要素モデル２０Ｂでは、荷重入力側の端部（先端）から潰れる実物２０Ａと同様の変形モードが良く再現されていることがわかる。例えば、図１８に示される如くアルミハニカム２０をソリッド要素にてモデル化したソリッドモデル２０Ｓでは、図１８（Ａ）に示す如く荷重伝達体２８を介して圧縮荷重Ｆを作用させた場合に、図１８（Ｂ）に示す如く全体として潰れる変形モードがられるのみであり、アルミハニカム２０の挙動を再現（擬似）することができない。これにより、本衝撃吸収体のモデル化方法によってシェル要素でモデル化された有限要素モデル２０Ｂの有効性が確認された。

また、図７には、アルミハニカム２０の実物２０Ａに荷重伝達体２８を介して圧縮荷重Ｆを作用させた場合の応力ひずみ線図（実験結果）が細線にて示されており、有限要素モデル２０Ｂに荷重伝達体２８を介して圧縮荷重Ｆを作用させた場合の応力ひずみ線図（有限要素法による解析結果）が示されている。図７（Ａ）は、主方向の応力ひずみ線図を示し、図７（Ｂ）は横方向の応力ひずみ線図が示されている。これらの図から、主方向、横方向共に、ひずみに対する応力の解析結果が実験結果に精度良く一致することが確認された。特に、アルミハニカム２０の変形により吸収したエネルギ（各線図の積分値）が解析結果と実験結果とで良く一致しており、有限要素モデル２０Ｂが衝突解析に適したモデルであることが確認された。

（衝突解析装置への適用）
図８には、衝突解析装置１０がブロック図にて示されている。この図に示される如く、衝突解析装置１０は、解析対象物のデータ、境界条件等のデータを入力するための入力装置３０、アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂを作成するためのデータ（実物２０Ａの各部における主方向圧縮応力σの実測値、近似式（１）等）を格納したメモリで構成されたモデル化データ格納装置３２、アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂを作成すると共に、有限要素モデル２０Ｂを用いてアルミハニカム２０の有限要素法による構造解析を行うためのコンピュータで構成された演算装置３４、演算装置３４で演算されたアルミハニカム２０の解析結果（強度、変形、応力等）を蓄積するためのメモリで構成された解析結果蓄積装置３６、作成された有限要素モデル２０Ｂ及び有限要素モデル２０Ｂを用いた有限要素法による解析結果を表示するためのＬＣＤ等で構成された表示装置３８によって構成されている。

次に、コンピュータで構成された演算装置３４により実行されるモデル化・解析ルーチンを、図９に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１０では、入力装置３０から、ムービングバリヤ１２の下部１６、上部１８をそれぞれ構成するアルミハニカム２０の全体寸法、有限要素モデル２０Ｂの作成に用いるハニカム格子２２の仮想寸法ｂ等、解析する衝突形態（フルラップ、オフセット、側面衝突等）、衝突直前の速度が入力される。ステップＳ１２では、ステップＳ１０で入力された仮想寸法ｂに基づいて、有限要素モデル２０Ｂに用いる仮想板厚ｔｂを決定する。仮想板厚ｔｂの決定は、例えば、主方向の各位置毎に、モデル化データ格納装置３２に格納されている実物２０Ａの主方向各部における主方向圧縮応力σｅを参照し、これを主方向圧縮応力σと仮想板厚ｔｂとの関係を表す近似式（仮想寸法ｂが３５ｍｍである本実施形態では、近似式(１)とする）に代入して直接算出することで行う。

ステップＳ１４では、ステップＳ１０で入力された仮想寸法ｂと、ステップＳ１２で求めた主方向各部の仮想板厚ｔｂとを用いて、シェル要素でハニカム構造（アルミハニカム２０）をモデル化した有限要素モデル２０Ｂを作成する。ここでは、図１１に示される如く、ステップＳ１０で入力されたムービングバリヤ１２の実物１２Ａの全体寸法を有すると共に、図１２に示す板厚分布を有するムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂが作成される。

次いでステップＳ１６に進み、ステップＳ１６では、入力されたデータに基づいて被衝突車両４０の実物４０Ａ（衝突後のものであるが、図１５（Ａ）参照）を模した有限要素モデル４０Ｂを作成する。そして、ステップＳ１８に進み、ムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂ（アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂ）を被衝突車両４０の有限要素モデル４０Ｂに衝突させた後のこれらの構造を解析する。

以下、走行台車１４の先端に取り付けたムービングバリヤ１２を被衝突車両４０の側面に衝突させた場合の解析を行った例を説明する。

図１５（Ａ）は、ムービングバリヤ１２の実物１２Ａが被衝突車両４０の実物４０Ａに側面衝突した後の変形状態を示す斜視図であり、図１５（Ｂ）は、該衝突後の被衝突車両４０の実物４０Ａの変形状態を示す斜視図である。

図１５（Ａ）から、ムービングバリヤ１２の実物１２Ａにおける車幅方向中央部には、被衝突車両４０のセンタピラーとの衝突によって車体上下方向に沿う凹状のピラー衝突跡４２が形成されていることがわかる。また、ムービングバリヤ１２の実物１２Ａには、被衝突車両４０のドアインパクトビームとの衝突によって車幅方向に沿う凹状のドアビーム衝突跡４４が形成されていることがわかる。この実車試験では、主に３つのドアビーム衝突跡４４が形成されている。一方、図１５（Ｂ）から、被衝突車両４０の実物４０Ａでは、衝突によってドアパネル４６が大きく凹み、該ドアパネル４６の下部がめくれていることがわかる。

そして、図１３（Ａ）には、被衝突車両４０の有限要素モデル４０Ｂへの衝突後のムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂが示されている。この図から、有限要素モデル１２Ｂでは、ピラー衝突跡４２が形成され、センタピラーとの衝突によって実物１２Ａに近い変形をしていることがわかる。同様に、有限要素モデル１２Ｂでは、実物１２Ａと対応する３箇所にドアビーム衝突跡４４が形成され、各ドアインパクトビームとの衝突によって実物１２Ａに近い変形をしていることがわかる。

図１３（Ｂ）には、比較例として、ムービングバリヤ１２のソリッドモデル１２Ｓを用いた有限要素法による解析結果を示す。このソリッドモデル１２Ｓを用いた解析では、ピラー衝突跡４２、ドアビーム衝突跡４４が共に実物１２Ａのピラー衝突跡４２、ドアビーム衝突跡４４よりも小さく、ムービングバリヤ１２の変形挙動が模擬できない。

一方、図１４（Ａ）には、ムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂが衝突した後の被衝突車両４０の有限要素モデル４０Ｂが示されている。この図から、有限要素モデル１２Ｂが衝突した有限要素モデル４０Ｂでは、ドアパネル４６の凹みが良く再現され、特にドアパネル４６の下部のめくれが良好に再現されていることがわかる。さらに、図１５（Ｂ）との比較でわかるように、車体の下部骨格を構成するロッカ４８の車体内方への変形も良く再現されている。

図１４（Ｂ）には、比較例として、ソリッドモデル１２Ｓが衝突した後の被衝突車両４０の有限要素モデル４０Ｂが示されている。この比較例では、有限要素モデル４０Ｂのドアパネル４６の凹みはある程度再現されるものの、ドアパネル４６の下部のめくれ等については再現されておらず、解析精度が低いことがわかる。また、この比較例では、ロッカ４８の変形についても再現されない。

（本実施形態の作用効果）
ここで、本実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法では、アルミハニカム２０の有限要素モデル２０Ｂを、実物２０Ａの寸法ａよりも大きな仮想寸法ｂを有するハニカム格子２２の集合体として、シェル要素でモデル化しているため、ハニカム構造を採りながら有限要素モデル２０Ｂの要素数を減らすことができる。このため、実物２０Ａにおけるハニカム格子２２の寸法ａ、板厚ｔａをそのまま用いた有限要素モデルを作成する場合と比較して、ハニカム格子２２の数が減るので、有限要素法による解析を行う際の演算装置３４の負荷を著しく低減することができる。また、上記しステップＳ１４でのモデル化（要素分割）の際の演算装置３４の負荷を低減することができる。

そして、本実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法では、実物２０Ａよりも大きなハニカム格子２２を有する有限要素モデル２０Ｂは、実物２０Ａと同じ圧縮荷重を受けた場合に同じ主方向圧縮応力が生じる仮想板厚ｔｂを用いてモデル化されているため、有限要素法によって解析した場合の解析精度がハニカム格子２２の大型化によって損なわれることが防止されている。したがって、本モデル化方法で作成された有限要素モデル２０Ｂは、実物１２Ａにおけるハニカム格子２２の寸法ａ、板厚ｔａをそのまま用いた有限要素モデルを作成する場合と比較して、同等の解析精度を得ることができる。

また、この実施形態では、仮想板厚ｔｂによって有限要素モデル２０Ｂの主方向圧縮応力σを実物の主方向圧縮応力に略一致させるため、上記した近似式（１）の如き簡単な近似式を用いて解析精度を維持する設定を得ることができる。特に、有限要素モデル２０Ｂを仮想板厚ｔｂが主方向の各部で異なるモデルとしているため、換言すれば、実物２０Ａの主方向各部の圧縮応力を再現し得る設定とされているため、実物２０Ａの変形を一層精度良く再現するができ、有限要素モデルの要素数を増すことなく解析精度を向上することが実現された。

さらに、本実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法で作成された有限要素モデル２０Ｂすなわちムービングバリヤ１２の有限要素モデル１２Ｂを用いて行う該ムービングバリヤ１２、及びムービングバリヤ１２と衝突する被衝突車両４０の有限要素法による解析では、図１３乃至図１５を参照しつつ上記した如く、実際の車両衝突試験を精度良く再現することができる。

したがって、この実施形態に係るモデル化方法でアルミハニカム２０をモデル化することで、アルミハニカム２０の実物２０Ａをそのままモデル化した場合と比較して演算装置３４の負荷を軽減して実用的な計算速度、計算コストで、かつソリッドモデル１２Ｓ、２０Ｓを用いて解析を行った場合と比較して著しく良好な解析精度で、車両衝突試験を再現することができる。

（仮想材料特性の別例）
上記実施形態では、仮想材料特性として、仮想板厚ｔｂを用いたが、他の材料特性を用いて、アルミハニカム２０の実物２０Ａと有限要素モデル２０Ｂとの主方向圧縮降伏応力を一致させることができるので、その一例を説明する。

図１６（Ａ）には、アルミハニカム２０の構成材質であるアルミニウム合金の応力ひずみ線図が示されている。この図において、実線にて示す１．０倍の線図が、実験により得た応力ひずみ線図であり、他の線図は、実験値の応力ひずみ線図に所定の応力倍率ｎを乗じたものである。

そして、この応力倍率ｎを乗じて与えられる仮想材料特性を有し各部の板厚ｔが一定のテストピース２０Ｄを用いて、図６に示す如く荷重伝達体２８を介して圧縮荷重を付与して各部を一様に圧縮してテストピース２０Ｄが降伏したときの主方向圧縮応力σ（計算値）を、各応力倍率ｎについてプロットすると、図１６（Ｂ）が得られる。このプロットを滑らかに結ぶ曲線から仮想材料特性である応力倍率ｎと主方向圧縮応力σ（降伏応力）との関係を表す相関式を得る。ハニカム格子２２の板厚ｔを０．１ｍｍとした場合相関式を式（２）として示す。

σ ＝ −０．０７３６ｎ² ＋ ０．３３４９ｎ （２）

この相関式（２）に、アルミハニカム２０の実物２０Ａでの実験値である主方向圧縮応力σｅを代入することで、要素拡大モデル２０Ｃにおいて実物２０Ａと同等の主方向圧縮応力σｅを得る仮想材料特性である応力倍率ｎが求められる。したがって、上記実施形態と同様に、主方向各部における実物２０Ａの主方向圧縮応力を代入して得たである応力倍率ｎを、該主方向の対応する位置における仮想材料特性としてモデル化に用いることで、主方向に図１２に示される如き材料特性（剛性）の分布を有する有限要素モデル２０Ｂを作成することができる。

このように、仮想板厚ｔｂに代えて、応力倍率ｎを仮想材料特性として用いても、上記実施形態と同様に、有限要素モデル２０Ｂにおけるハニカム格子２２の仮想寸法ｂを実物２０Ａの寸法ａと異ならせて分割要素数を減じながら、実物２０Ａと同等の主方向圧縮応力を設定して衝突試験を精度良く再現することができる。

（ハニカム格子の形状の変形例）
上記実施形態では、有限要素モデル２０Ｂ（要素拡大モデル２０Ｃ）に正面視（主方向に直角な断面視）が実物２０Ａのハニカム格子２２と相似形状のハニカム格子２２を有してモデル化された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図１７（Ａ）に示される如く、実物２０Ａの正六角形状のハニカム格子２２を一方向にのみ伸ばすか、又は直交する２方向で拡大率を異ならせるかして長六角形状に形成された扁平ハニカム格子５０を用いて、有限要素モデル２０Ｂを作成しても良く、図１７（Ｂ）に示される如く、実物２０Ａのハニカム格子２２とは形状が異なる矩形格子５２を用いて有限要素モデル２０Ｂを作成しても良い。特に、後者の場合は、有限要素モデル２０Ｂの作成が一層容易になる。（演算装置３４のモデル化プログラムが簡素化）される。なお、格子モデルとして、５角形状、７角形状、８角形状等、他の形状を採ることも可能である。

なお、上記実施形態及び変形例では、実物２０Ａに対応して、有限要素モデル２０Ｂの仮想材料特性（仮想板厚ｔｂ、応力倍率ｎ）を主方向各部で異ならせる例を示したが、本発明はこれに限定されず、解析対象の形状や解析用途に応じて、適宜、主方向の各部で仮想材料特性が一定として有限要素モデルを作成するようにしても良い。

また、上記実施形態では、車両衝突試験用のムービングバリヤ１２をモデル化対象、解析対象とした例を示したが、本発明はこれに限定されず、多数の筒状体の集合体として構成され該筒状体の軸線方向に圧縮を受ける各種構造の衝撃吸収体、例えば航空機や高速鉄道の構成部品等のモデル化、有限要素法による解析に本発明を適用することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によるモデル化対象の実物を示す正面図、（Ｂ）本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成される有限要素モデルの仮想寸法を表すための正面図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成された有限要素モデルを示す図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によるモデル化対象であるアルミハニカムの板厚と強度との関係を示す線図であって、（Ａ）は主方向強度を示し、（Ｂ）は横方向強度を示す。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によるモデル化対象であるアルミハニカムの板厚と主方向圧縮応力との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成された有限要素モデルの変形後の形状を示す図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成された有限要素モデルを示す図であって、（Ａ）は圧縮前の形状を示す図、（Ｂ）は圧縮後の形状を示す図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成された有限要素モデルの主方向の応力ひずみ線図、（Ｂ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法により作成された有限要素モデルの横方向の応力ひずみ線図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法が適用された衝撃解析装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法が適用された衝撃解析装置の演算装置により実行されるモデル化・解析ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法が適用された衝撃解析装置による解析対象のムービングバリヤを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によりモデル化されたムービングバリヤの有限要素モデルを示す図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によりモデル化されたムービングバリヤの仮想板厚の分布を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によりモデル化された有限要素モデルを用いて有限要素法により解析したムービングバリヤの変形状態を示す図、（Ｂ）は比較例であるソリッドモデルの解析結果を示す図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法によりモデル化されたムービングバリヤの衝突対称である被衝突車両の有限要素法により解析した変形状態を示す図、（Ｂ）は比較例であるソリッドモデルが衝突した被衝突車両の解析結果を示す図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法が適用された衝撃解析装置による解析対象のムービングバリヤ実物の衝突試験後の形状を示す斜視図、（Ｂ）はムービングバリヤ実物が衝突した被衝突車両実物の斜視図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法に用いる仮想材料特性の別例を示す応力ひずみ線図、（Ｂ）は別例に係る仮想材料特性と主方向圧縮応力との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る衝撃吸収体のモデル化方法に用いるハニカム格子の形状の変形例を示す図であって、（Ａ）は第１変形例の正面図、（Ｂ）は第２変形例の正面図である。 本発明の実施形態に係る有限要素モデルとの比較例であるソリッドモデルを示す図であって、（Ａ）は圧縮前の形状を示す図、（Ｂ）は圧縮後の形状を示す図である。

符号の説明

１２ ムービングバリヤ（衝撃吸収体）
１２Ａ 実物
１２Ｂ 有限要素モデル
２０ アルミハニカム（衝撃吸収体）
２０Ａ 実物
２０Ｂ 有限要素モデル
２２ ハニカム格子（筒状体）
ｂ 仮想寸法
ｔｂ 仮想板厚

Claims (6)

1. 互いに平行な軸線を有する筒状体を集合して構成された衝撃吸収体の、前記筒状体の軸線方向の圧縮荷重を受けた場合における、有限要素法による構造解析用の有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法であって、
   解析対象の実物における前記筒状体の寸法よりも大きい該筒状体の仮想寸法を設定し、
   前記仮想寸法の筒状体又は該筒状体の集合体に所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力が、前記解析対象の実物の筒状体又は該筒状体の集合体に前記所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力と同等になるように、該仮想寸法の筒状体の仮想材料特性を求め、
   前記有限要素モデルを、前記仮想材料特性を有し前記仮想寸法とされた前記筒状体の集合体として、シェル要素でモデル化する衝撃吸収体のモデル化方法。
2. 互いに平行な軸線を有する筒状体を集合して構成された衝撃吸収体の、前記筒状体の軸線方向の圧縮荷重を受けた場合における、有限要素法による構造解析用の有限要素モデルを作成するための衝撃吸収体のモデル化方法であって、
   解析対象の実物における前記筒状体の数よりも少ない前記筒状体の仮想数を設定し、
   前記仮想数の筒状体の集合体に所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力が、前記解析対象の実物の筒状体の集合体に前記所定の軸線方向の圧縮荷重を付加した場合における圧縮応力と同等になるように、該仮想数の筒状体の仮想材料特性を求め、
   前記有限要素モデルを、前記仮想材料特性を有する前記仮想数の筒状体の集合体として、シェル要素でモデル化する衝撃吸収体のモデル化方法。
3. 前記仮想材料特性として、前記筒状体の筒壁の厚みを用いた請求項１又は請求項２記載の衝撃吸収体のモデル化方法。
4. 前記有限要素モデルを構成する前記筒状体における軸線に直交する面に沿った断面形状を、前記解析対象の実物を構成する前記筒状体における軸線に直交する面に沿った断面形状とは異なる形状とした請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法。
5. 前記仮想材料特性を、前記筒状体の軸線方向の各部で異ならせた請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の衝撃吸収体のモデル化方法にて、衝撃吸収体の有限要素モデルを作成し、
   前記有限要素モデルを用いて有限要素法による前記衝撃吸収体の構造解析を行う衝撃吸収体の解析方法。

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