JP2011219027A - シミュレーション方法及びシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】個別に形成されるモデルの結合時の要素の整合を図り、精度の良いシミュレーションを可能とする。
【解決手段】周方向の１ピッチ分のケース部モデルとトレッドパターンモデルとが作成され、これらが多点拘束の手法により結合される。更に、１ピッチ分のトレッドパターンモデルの切断面に周期境界条件を設定し、１ピッチ分のトレッドパターンモデルが周方向の全体に亘って作成される場合の空気入りタイヤの温度が算出される。
【選択図】図２

Description

空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを用いたシミュレーション方法及びシミュレーション装置に関する。

空気入りタイヤの開発において、有限要素法などの数値解析手法や計算機環境の発達により、実際に空気入りタイヤを製造し、自動車に装着して走行試験を行わなくても、新たに設計した空気入りタイヤの走行性能や特性といったタイヤ性能の予測・評価が可能になってきた（例えば、特許文献１参照）。タイヤ性能予測方法を用いて、空気入りタイヤの設計・製造・評価といった開発サイクルの一部を数値解析で置き換えることで、空気入りタイヤの開発期間の短縮が実現されている。

近年では、空気入りタイヤの高性能化に伴って、複雑な構造を正確に表すことのできる構造モデルを作成し、この構造モデルを使って、より精度の高い解析を行いたいという要求が高まっている。そこで、従来のタイヤ性能予測方法では、平面に形成された２次元パターンにおいて要素分割を設定し、続いて、高さ方向（すなわち、タイヤ径方向）に細分化することによって３次元モデルを作成することができる。

特開２００６−１６８５０５号公報 第４図

しかし、従来は、次のような問題点があった。すなわち、周方向にトレッドパターンが形成されている空気入りタイヤ（パターン付きタイヤ）について、ケース部とトレッドパターンとが個別にモデル化される場合、ケース部のモデルとトレッドパターンのモデルとの結合の際に、両者の要素の整合が図れない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、個別に形成されるモデルの結合時の要素の整合を図り、精度の良いシミュレーションを可能とするシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は以下の特徴を備える。すなわち、本発明の第１の特徴は、空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを用いたシミュレーション方法であって、前記空気入りタイヤにおける一方のビードから他方のビードまで延在するケース部を有限個の要素に分割したケース部モデルを形成するステップと、前記空気入りタイヤのトレッド部に形成された溝と陸部との基本構造を有限個の要素に分割したトレッドパターンモデルを形成するステップと、前記ケース部モデルと前記トレッドパターンモデルとを多点拘束により結合するステップとを備える。

本発明の第１の特徴によれば、ケース部モデルとトレッドパターンモデルとを結合する際に、多点拘束の手法を用いることにより、ケース部モデルの要素とトレッドパターンモデルの要素との整合を図ることが可能となり、更には、トレッドパターンを考慮した精度の良いシミュレーションが可能となる。

本発明の第２の特徴は、結合された前記ケース部モデル及び前記トレッドパターンモデルを用いて、前記空気入りタイヤの温度を算出するステップを備えることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、前記空気入りタイヤの温度を算出するステップは、前記空気入りタイヤのひずみエネルギーの損失量を算出し、前記空気入りタイヤのひずみエネルギーの損失量に基づいて、前記空気入りタイヤの温度を算出することを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、前記空気入りタイヤの温度を算出するステップは、周方向の所定ピッチ分の前記トレッドパターンモデルの切断面に周期境界条件を設定し、前記周期境界条件に基づいて、前記周方向の所定ピッチ分の前記トレッドパターンモデルがトレッド部の全周に亘って作成された場合の前記空気入りタイヤの温度を算出することを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、シミュレーション装置であって、上述のシミュレーション方法を実行することを要旨とする。

本発明によれば、個別に形成されるモデルの結合時の要素の整合を図り、精度の良いシミュレーションが可能なシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供できる。

図１は、スムースタイヤモデルを表す図である。 図２は、本実施形態に係る温度の算出方法に関わる処理を説明するフローチャートである。 図３は、１ピッチ分のケース部モデルを表す図である。 図４は、１ピッチ分のトレッドパターンモデルを表す図である。 図５は、１ピッチ分のケース部モデルと、１ピッチ分のトレッドパターンモデルとの結合を表す図である。 図６は、本発明の実施形態に係るシミュレーション方法を実行するシミュレーション装置の構成図である。

本発明に係るシミュレーション方法であるタイヤ性能予測方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）タイヤ性能評価方法、（２）タイヤモデルの温度の算出方法、（３）シミュレーション装置、（４）作用・効果、（５）その他の実施形態について説明する。

なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（１）タイヤ性能評価方法
シミュレーション装置は、タイヤ性能予測方法の評価対象の空気入りタイヤを設計する。具体的には、シミュレーション装置は、空気入りタイヤのタイヤサイズ、形状、構造、材料、トレッドパターンなどを定める。

シミュレーション装置は、タイヤモデルを作成するための数値解析手法として、有限要素法（ＦＥＭ）を適用する。具体的には、シミュレーション装置は、ゴム、ベルト、プライ、鉄、有機繊維等でできた補強コード、補強コードをシート状に束ねた補強材などの空気入りタイヤの内部構造のみが設定されたスムースタイヤモデルを作成する。更に、シミュレーション装置は、スムースタイヤモデルと、周方向の全体に対応する複数のピッチ分のケース部モデルと、周方向の全体に対応する複数のピッチ分のトレッドパターンモデルとを結合してタイヤモデル（完全タイヤモデル）を作成する。

シミュレーション装置は、タイヤモデルを転動させる転動計算と、変形計算の結果から、タイヤモデルの温度を算出する。ここで、タイヤモデルの転動時における変形に伴い、ひずみエネルギーが生じる。このひずみエネルギーは、熱エネルギーに転化して空気入りタイヤの温度を上昇させる原因となる。

算出された温度に基づいて、ケース部モデルとトレッドパターンモデルとが周方向の全体にわたって作成された、空気入りタイヤ全体に相当する完全タイヤモデルのタイヤ性能を予測することができる。

（２）タイヤモデルの温度の算出方法
本発明の実施形態に係る、タイヤモデルの温度の算出方法について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る、タイヤモデルの温度の算出方法に関わる処理を説明するフローチャートである。

ステップＳ３１では、シミュレーション装置は、周方向の１ピッチ分のケース部のモデルを作成する。ケース部モデルは、空気入りタイヤのうち、一方のビードから他方のビードまで延在し、スムースタイヤモデルとトレッドパターンモデルとに対応する部分以外の部分のモデルである。図３は、１ピッチ分のケース部モデル２２を表す図である。１ピッチ分のケース部モデル２２は、空気入りタイヤのケース部のうち、周方向の１ピッチ分を有限個の要素によって分割したものである。

ステップＳ３２では、シミュレーション装置は、単位ブロックモデルを作成する。単位ブロックモデルは、空気入りタイヤの陸部ブロックのうち１ブロックを有限個の要素によって分割したものである。なお、単位ブロックモデルは、形状の異なるブロック毎に作成される。更に、シミュレーション装置は、周方向の１ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成する。

図４は、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４を表す図である。１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４は、単位ブロックモデルをタイヤトレッド幅方向及び周方向に複数個配列されることによって形成される。

ステップＳ３３において、シミュレーション装置は、スムースタイヤモデル２０に、周方向の全体に対応する数のピッチ分のケース部モデル２２を結合する。更に、シミュレーション装置は、周方向の全体に対応する数のピッチ分のケース部モデル２２に含まれる、１ピッチ分のケース部モデル２２のそれぞれに対して、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４を多点拘束（ＭＰＣ：Multiple Point Constraint）の手法により結合する。図５は、１ピッチ分のケース部モデル２２と、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４との結合を表す図である。

このように、スムースタイヤモデル２０、周方向の全体に対応する数のピッチ分のケース部モデル２２、及び、周方向の全体に対応する数のピッチ分のトレッドパターンモデル２４が結合されることにより、タイヤモデルが作成される。

ステップＳ３４では、シミュレーション装置は、１ピッチ分のトレッドパターンモデルの切断面（図４に表す１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４の切断面２５）に周期境界条件を設定する。周期境界条件が設定されることにより、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４が周方向の全体にわたって形成される場合のシミュレーションが可能となる。

ステップＳ３５では、シミュレーション装置は、空気入りタイヤの温度を算出する。ここでは、シミュレーション装置は、タイヤモデルにひずみが生じた場合の１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４の転動解析と変形計算とを実行し、転動解析と変形計算の結果から、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４のひずみエネルギーの損失量を算出する。更に、シミュレーション装置は、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４の切断面２５に設定された周期境界条件に基づき、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４が周方向の全体にわたって作成された場合の空気入りタイヤ全体のひずみエネルギーの損失量を算出する。

更に、シミュレーション装置は、空気入りタイヤ全体のひずみエネルギーの損失量を、空気入りタイヤの温度上昇をもたらした熱エネルギーとみなして、当該空気入りタイヤの温度を算出する。

（３）シミュレーション装置
図６には、本発明の実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するシミュレーション装置としてのコンピュータ３００の概略が示されている。図６に示すように、コンピュータ３００は、半導体メモリー、ハードディスクなどの記憶部（不図示）、処理部（不図示）などを備えた本体部３１０と、入力部３２０と、表示部３３０とを備える。処理部は、図１を用いて説明した空気入りタイヤの温度の算出に関わる処理を実行する。

コンピュータ３００は、図示しないが着脱可能な記憶媒体と、この記憶媒体に対して書き込み・読み出しを可能にするドライバが備えられていてもよい。図１、３を用いて説明したタイヤ性能予測方法、及び、空気入りタイヤの温度の算出に関わる処理を実行するプログラムを予め記憶媒体に記録しておき、記憶媒体から読み出されたプログラムを実行してもよい。コンピュータ３００の記憶部にプログラムを格納（インストール）して実行してもよい。コンピュータ３００は、図示しないが、例えば、ネットワークに接続可能であってもよい。ネットワークを介して、タイヤ性能予測方法、及び、空気入りタイヤの温度の算出に関わる処理を実行するプログラムを取得してもよい。

（４）作用・効果
本実施形態のシミュレーション方法によれば、シミュレーション装置は、周方向の１ピッチ分のケース部モデル２２と周方向の１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４とを作成し、これらを多点拘束の手法により結合する。更に、シミュレーション装置は、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４の切断面２５に周期境界条件を設定し、１ピッチ分のトレッドパターンモデル２４が周方向の全体にわたって形成される場合の空気入りタイヤの温度を算出する。

このように、周方向の１ピッチ分のケース部モデル２２とトレッドパターンモデル２４との結合に、多点拘束の手法が用いられることにより、個別に形成される２つのモデルであるケース部モデルとトレッドパターンモデルとの結合時の要素の整合を図ることが可能となり、更には、精度の良いシミュレーションが可能となる。また、

また、空気入りタイヤ全体のひずみエネルギーの損失量を、空気入りタイヤの温度上昇をもたらした熱エネルギーとみなして、当該空気入りタイヤの温度を算出することで、温度算出を精度良く行うことができる。

（５）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が明らかとなる。例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。

計算時間短縮の観点から、タイヤモデルの転動解析は、タイヤ性能を評価するためのタイやモデルの解析手法であるＧＬ解析（Ｇｌｏｂａｌ−Ｌｏｃａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ）において採用することができる。ＧＬ解析は、大域解析（Ｇｌｏｂａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ：以下、Ｇ解析という）と局所解析（Ｌｏｃａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ：以下、Ｌ解析という）とを組み合わせた解析手法である。

本出願人は、タイヤ性能予測方法に関連する技術（特許３１３３７３８号公報）を既に提案している。ＧＬ解析の詳細は、上記公報に開示されているため、以下では、概略について説明する。

シミュレーション装置は、タイヤ性能予測方法の評価対象の空気入りタイヤを設計する。次に、シミュレーション装置は、タイヤモデルを作成するための数値解析手法として、有限要素法を用いた上でＧ解析を実行する。Ｇ解析では、ゴム、ベルト、プライ、鉄、有機繊維等でできた補強コード、補強コードをシート状に束ねた補強材などの空気入りタイヤの内部構造のみが設定され、有限要素法に従って作成したスムースタイヤモデルと、路面を有限個の要素に分割した路面モデルとが設定される。例えば、路面状態により異なる摩擦係数μを設定することにより、乾燥（ＤＲＹ）、濡れ（ＷＥＴ）、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面状態を再現できる。

Ｇ解析では、シミュレーション装置は、トレッドパターンが無く、内部構造のみが設定されたタイヤモデル（スムースタイヤモデル）を作成し、当該スムースタイヤモデルを路面モデル上において転動させたときの転動解析と変形計算とを実行し、転動解析と変形計算の結果から、基本的な溝と陸部の構造が設定されたトレッドパターンモデルの変形の軌跡を算出する。なお、スムースタイヤモデルに代えて、リブタイヤモデルが用いられてもよい。

シミュレーション装置は、トレッドパターンモデルの変形軌跡に基づいて、Ｌ解析を行う。Ｌ解析では、シミュレーション装置は、ケース部モデルを作成する。また、シミュレーション装置は、トレッドパターンモデルを作成する。

シミュレーション装置は、タイヤ挙動の評価を行う。目標とする性能が満足されないときは否定され、設計案を変更又は修正してＬ解析のみが繰り返される。性能が十分であるときは肯定され、シミュレーション装置は、設定した設計案のタイヤまたは修正した設計案を採用する。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

２０…スムースタイヤモデル、２２…ケース部モデル、２４…トレッドパターンモデル、２５…切断面、３００…コンピュータ、３１０…本体部、３２０…入力部、３３０…表示部

Claims (5)

1. 空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを用いたシミュレーション方法であって、
   前記空気入りタイヤにおける一方のビードから他方のビードまで延在するケース部を有限個の要素に分割したケース部モデルを形成するステップと、
   前記空気入りタイヤのトレッド部に形成された溝と陸部との基本構造を有限個の要素に分割したトレッドパターンモデルを形成するステップと、
   前記ケース部モデルと前記トレッドパターンモデルとを多点拘束により結合するステップと
   を備えるシミュレーション方法。
2. 結合された前記ケース部モデル及び前記トレッドパターンモデルを用いて、前記空気入りタイヤの温度を算出するステップを備える請求項１に記載のシミュレーション方法。
3. 前記空気入りタイヤの温度を算出するステップは、前記空気入りタイヤのひずみエネルギーの損失量を算出し、前記空気入りタイヤのひずみエネルギーの損失量に基づいて、前記空気入りタイヤの温度を算出する請求項２に記載のシミュレーション方法。
4. 前記空気入りタイヤの温度を算出するステップは、周方向の所定ピッチ分の前記トレッドパターンモデルの切断面に周期境界条件を設定し、前記周期境界条件に基づいて、前記周方向の所定ピッチ分の前記トレッドパターンモデルがトレッド部の全周に亘って作成された場合の前記空気入りタイヤの温度を算出する請求項２又は３に記載のシミュレーション方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のシミュレーション方法を実行するシミュレーション装置。

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