JP2020026174A - タイヤの転動シミュレーション方法、システム及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】解析精度の低下を抑制しつつ計算コストを低減させた、タイヤのトレッド全周を路面に接地させるタイヤの転動シミュレーション方法を提供する。【解決手段】ビード部３において最もタイヤ径方向外側ＲＤ１にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得し（ステップＳＴ１）、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのビード部３における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定し（ステップＳＴ２）、拘束条件を含む解析条件のもと、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する。【選択図】図３

Description

本発明は、タイヤの転動シミュレーション方法、システム及びプログラムに関する。

空気入りタイヤの開発において、実際にタイヤを製造し車両に装着して走行試験を実施しなくても、タイヤの性能を有限要素法（ＦＥＭ；Finite Element Method）などの数値解析手法を用いて予測することが可能である。かかる数値解析は、例えば三次元形状のタイヤモデルを路面モデル上を転動させて、タイヤモデルに生じる物理量を算出する転動シミュレーションが知られている。

タイヤのシミュレーション方法として、特許文献１には、タイヤモデルをタイヤ周方向に第１領域及び第２領域に区画し、第１領域の要素の大きさを第２領域の要素の大きさよりも細かくし、第１領域のみを接地させて、接地シミュレーションすることが記載されている。この構成によれば、解析精度の低下を抑制しつつ計算コストを低減させるとの記載がある。

しかし、特許文献１の方法は、タイヤモデルを構成する要素の大きさがタイヤ周方向全体で一定ではなく、一部である第１領域のみを接地させることを想定しているため、タイヤモデルのトレッド全周を路面に接触させる転動シミュレーションに適用することができない。

特開２０１５−３０４１６号公報

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、解析精度の低下を抑制しつつ計算コストを低減させた、タイヤのトレッド全周を路面に接地させるタイヤの転動シミュレーション方法、システム及びプログラムを提供することである。

本発明のタイヤの転動シミュレーション方法は、
１又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得し、
前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルの前記ビード部における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定し、
前記拘束条件を含む解析条件のもと、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する。

ビード部を形成するゴムのヤング率と、鉄又はアルミで形成されるリムのヤング率とは、約１００００倍以上の差がある。このような顕著なヤング率の差により、リムと接触しているタイヤが路面に接触しても、路面とタイヤの接触に起因するビード部の付近の変位が無視できるほど小さいことが判明した。したがって、ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の領域の変位は、無視することができる。
そこで、本発明では、前記要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを用いるので、削除された節点及び要素の数に応じて計算コストを低減することが可能となる。それでいて、変位を無視できる領域の節点及び要素を削除しているので、解析精度の低下を抑制可能となる。
さらに、削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定しているので、転動シミュレーションを実行できる。
したがって、解析精度の低下を抑制しつつ計算コストを低減させた、タイヤのトレッド全周を路面に接地させるタイヤの転動シミュレーションを実現可能となる。

本発明のタイヤの転動シミュレーションシステムを示すブロック図 システムで実行される接地転動シミュレーション処理ルーチンを示すフローチャート 節点及び要素の削除前及び削除後のタイヤＦＥＭモデルのタイヤ子午線断面図 節点及び要素の削除後のタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを示す斜視図 接地変形前及び接地変形後のタイヤ子午線断面図

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

［タイヤの転動シミュレーションシステム］
本実施形態のシステム１は、三次元形状タイヤＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面上に接地させ転動させ、タイヤＦＥＭモデルに生じる物理量（変位、応力、ひずみ）を算出する。図１に示すように、システム１は、初期設定部１０と、モデル取得部１１と、拘束条件設定部１２と、接地転動シミュレーション実行部１３と、を有する。これら各部１０〜１３は、プロセッサ、メモリ、各種インターフェイス等を備えたパソコン等の情報処理装置において予め記憶されている図２に示す接地転動シミュレーション処理ルーチンをプロセッサが実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。

図１に示す初期設定部１０は、キーボードやマウス等の既知の操作部を介してユーザからの操作を受け付け、タイヤの転動シミュレーションに用いる三次元タイヤＦＥＭモデルに関する情報、所定路面、内圧、荷重、回転速度を含む解析条件に関する情報の設定を実行し、これらをメモリに記憶する。三次元タイヤＦＥＭモデルは、タイヤ子午線断面においてタイヤを複数の要素で表現した二次元形状タイヤＦＥＭモデルがタイヤ周方向に展開されている。

図１に示すモデル取得部１１は、図３及び図４に示すタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得する。図３において、リム接触点に設定される節点は、矢印で表される。同図に示すように、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビード部３において最もタイヤ径方向外側ＲＤ１にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素の少なくとも一部が削除されている。節点及び要素を削除することにより、計算コストを低減できるからである。なお、タイヤ厚み方向は、一方のビードコア３０から他方のビードコア３０に至る領域のカーカスプライに直交する方向である。図３に示すように、要素境界線はタイヤ厚み方向に沿っている。接地転動シミュレーションでは公知であるので、詳細な説明を省略するが、タイヤＦＥＭモデルは、節点及び要素によりタイヤを表現するデータである。タイヤを構成する全ての節点のうち、必要な節点に、内圧が付与される内圧付与点、リムと接触するリム接触点、所定の路面モデルと接触する候補となる接触候補点が予め設定されている。図３では、リム接触点のみを矢印で示している。

図５は、リム組したタイヤを接地解析で変形させる前と後の対比図である。図３に示すように、最もタイヤ幅方向外側ＲＤ１にあるリム接触点を通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素が削除可能であるとしているのは、図５に示すように、最もタイヤ幅方向外側ＲＤ１にあるリム接触点を通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向外側ＲＤ１の要素が変形するが、要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の要素が変形しないか又は変形が無視できる程度だからである。
この理由として、ビード部を形成するゴムのヤング率と、鉄又はアルミで形成されるリムのヤング率とは、約１００００倍以上の差がある。例えば、丸善株式会社発行の平成１７年理科年表によれば、ゴムのヤング率は１．５〜５．０×１０^６であり、鉄のヤング率が１５〜２０×１０^１０であり、アルミのヤング率が７×１０^１０であることから、１００００倍以上の差があることを理解できる。このような顕著なヤング率の差により、リムと接触しているタイヤが路面に接触しても、路面とタイヤの接触に起因するビード部の付近の変位が無視できるほど小さいことが判明した。したがって、ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の領域の変位は、無視することができる。
これにより、節点及び要素を削除したとしても、タイヤの転動シミュレーションの解析精度の悪化を抑制することができる。

本実施形態では、図３に示すように、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビードコア３０のタイヤ径方向外側ＲＤ１の節点を通る要素境界線Ｌ２よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素が削除されている。このようにすると、ビードコア３０はゴムに比して固い部材であるので、変位が少なく、節点を拘束するのに適した場所だからである。また、ビードコア３０のタイヤ径方向外側ＲＤ１の節点を通る要素境界線Ｌ２は、タイヤ軸にほぼ平行であり、節点に作用する力の方向を規定する複数軸のうちの一軸がタイヤ径方向に一致しているため、拘束条件が設定しやすい。

本実施形態では、図１に示すモデル取得部１１は、図３の上部に示すタイヤ二次元形状ＦＥＭモデルを取得し、要素境界線Ｌ２よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素を削除し（図３の下部）、内圧を付与して変形させ、変形後のタイヤ二次元形状ＦＥＭモデルをタイヤ周方向に展開してタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを生成又は取得している。もちろん、これに限定されず、モデル取得部１１は、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルから節点及び要素を削除するように構成されていてもよい。また、モデル取得部１１は、外部で生成されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルをストレージ又はネットワーク経由で取得するように構成されていてもよい。

図１に示す拘束条件設定部１２は、図３の下部に示すように、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのビード部３における削除された要素に隣接する節点（図中にて三角印で示す）に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定する。

図１に示す接地転動シミュレーション実行部１３は、拘束条件を含む解析条件のもと、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する。物理量としては、変位、応力、ひずみが挙げられる。転動処理は従来技術であるので、詳細な説明を省略する。ビード部３の節点及び要素を削除しているため、外力の変化の少ないシミュレーションが好ましい。好適な例としては、定常走行が挙げられる。

［タイヤの転動シミュレーション方法］
上記システム１を用いて、タイヤの転動シミュレーション方法について図２を用いて説明する。

まず、ステップＳＴ１において、図１に示すモデル取得部１１は、ビード部３において最もタイヤ径方向外側ＲＤ１にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得する。本実施形態では、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビードコア３０のタイヤ径方向外側ＲＤ１の節点を通る要素境界線Ｌ２よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素を削除されている。

次のステップＳＴ２において、図１に示す拘束条件設定部１２は、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのビード部３における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定する。

次のステップＳＴ３において、図１に示す接地転動シミュレーション実行部１３は、拘束条件を含む解析条件のもと、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量（変位、応力、ひずみ）を算出する転動処理を実行する。

以上のように、本実施形態のタイヤの転動シミュレーション方法は、１又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
ビード部３において最もタイヤ径方向外側ＲＤ１にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線Ｌ１よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得し（ステップＳＴ１）、
タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのビード部３における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定し（ステップＳＴ２）、
拘束条件を含む解析条件のもと、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する（ステップＳＴ３）。

本実施形態のタイヤの転動シミュレーションシステムは、
ビード部３において最もタイヤ径方向外側ＲＤ１にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線Ｌ２よりもタイヤ径方向内側ＲＤ２の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得するモデル取得部１１と、
タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのビード部３における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定する拘束条件設定部１２と、
拘束条件を含む解析条件のもと、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する接地転動シミュレーション実行部１３と、
を備える。

ビード部を形成するゴムのヤング率と、鉄又はアルミで形成されるリムのヤング率とは、約１００００倍以上の差がある。このような顕著なヤング率の差により、リムと接触しているタイヤが路面に接触しても、路面とタイヤの接触に起因するビード部の付近の変位が無視できるほど小さいことが判明した。したがって、ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の領域の変位は、無視することができる。
そこで、本発明では、前記要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを用いるので、削除された節点及び要素の数に応じて計算コストを低減することが可能となる。それでいて、変位を無視できる領域の節点及び要素を削除しているので、解析精度の低下を抑制可能となる。
さらに、削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定しているので、転動シミュレーションを実行できる。
したがって、解析精度の低下を抑制しつつ計算コストを低減させた、タイヤのトレッド全周を路面に接地させるタイヤの転動シミュレーションを実現可能となる。

本実施形態では、タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビードコア３０のタイヤ径方向外側ＲＤ１の節点を通る要素境界線Ｌ２よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素を削除されている。

この構成によれば、ビードコアは金属で形成されており、ゴムに対して固い部材であるので、変位が少なく、節点を拘束するのに適している。

本実施形態に係るプログラムは、上記方法を１又は複数のプロセッサに実行させるプログラムである。このプログラムを実行することによっても、上記方法の奏する作用効果を得ることが可能となる。言い換えると、上記方法を使用しているとも言える。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現できる。特許請求の範囲、明細書、および図面中のフローに関して、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実行することが必須であることを意味するものではない。

例えば、図１に示す各部１０〜１３は、所定プログラムをコンピュータのＣＰＵで実行することで実現しているが、各部を専用回路で構成してもよい。本実施形態では１つのコンピュータにおけるプロセッサが各部１０〜１３を実装しているが、少なくとも１又は複数のプロセッサに分散して実装してもよい。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１１ モデル取得部
１２ 拘束条件設定部
１３ 接地転動シミュレーション実行部
３ ビード部
３０ ビードコア
Ｌ１ 要素境界線
Ｌ２ 要素境界線

Claims (5)

1. １又は複数のプロセッサが実行する方法であって、
   ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得し、
   前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルの前記ビード部における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定し、
   前記拘束条件を含む解析条件のもと、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する、タイヤの転動シミュレーション方法。
2. 前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビードコアのタイヤ径方向外側の節点を通る要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素を削除されている、請求項１に記載の方法。
3. ビード部において最もタイヤ径方向外側にあるリム接触点をタイヤ厚み方向に沿って通過する要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素の少なくとも一部が削除されたタイヤ三次元形状ＦＥＭモデルを取得するモデル取得部と、
   前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルの前記ビード部における削除された要素に隣接する節点に対し、タイヤ径方向の変位を禁止する拘束条件を設定する拘束条件設定部と、
   前記拘束条件を含む解析条件のもと、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルのトレッド全周を所定路面に接触させ、前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルに生じる物理量を算出する転動処理を実行する接地転動シミュレーション実行部と、
   を備える、タイヤの転動シミュレーションシステム。
4. 前記タイヤ三次元形状ＦＥＭモデルは、ビードコアのタイヤ径方向外側の節点を通る要素境界線よりもタイヤ径方向内側の節点及び要素を削除されている、請求項３に記載のシステム。
5. 請求項１又は２に記載の方法を１又は複数のプロセッサに実行させるプログラム。