JP2020060820A - 車体部品の感度解析方法及び装置、車体部品の材料特性決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車体性能に対する車体部品ごとの感度を算出する車体部品の感度解析方法及び装置、車体部品の材料特性決定方法を提供する。【解決手段】本発明に係る車体部品の感度解析方法は、コンピュータが、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析するものであって、複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデル３１を取得する車体モデル取得ステップＳ１と、車体性能に関する目的条件及び体積に関する制約条件と車体モデル３１に与える荷重条件とを設定し、該制約条件の下で前記目的条件を満たす前記各要素の材料密度を算出し、該算出した前記各要素の材料密度を前記車体性能に対する各要素の感度とする感度解析ステップＳ３と、該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出ステップＳ５と、を備えたことを特徴とするものである。【選択図】 図９

Description

本発明は、車体性能に対する車体部品の感度を解析する車体部品の感度解析方法及び装置、車体部品の材料特性決定方法に関する。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体の設計にＣＡＥ解析は欠かせない技術となっている。このＣＡＥ解析では剛性解析、衝突解析、振動解析等が実施され、車体性能の評価に大きく寄与している。またＣＡＥ解析では単なる車体性能の評価だけでなく、解析結果を用いて数理最適化、板厚最適化、形状最適化、トポロジー最適化等の最適化技術を用いて各種車体性能の向上や車体軽量化を図ることができることが知られている。このような最適化技術として、例えば、特許文献１には、複雑な構造体のコンポーネントのトポロジー最適化のための方法が開示されている。

特開２０１０−２５０８１８号公報

車体性能の向上や軽量化を目的とする最適化技術として、例えばトポロジー最適化を行う場合においては、最適化解析の対象とする車体の部位に設計空間を設定することを要する。そして、設計空間を設定する部位を決定する際には、車体性能に対する寄与が大きい重要な部位を割り出し、該割り出した重要な部位に基づいて設計空間を設定する方法が有効である。例えば、車体に発生している応力の高い部位や大きく変形している部位を対象にする方法や、各車体部品の板厚のみを変更して当該車体部品の車体性能に対する寄与を求める方法などがあった。

しかしながら、車体に発生している応力の高い部位や大きく変形している部位を対象にする方法では、応力が高い部位や変形している部位が分かっているだけで、対策を行って性能が向上する部位とは限らない。変形している部位と対策を行って性能が向上する部位とが一致しない一例として、片持ち梁の先端に荷重を与えたとき、変形は梁の先端で大きいが、変形を抑制するために対策すべき箇所は、梁の根本における拘束されている部位である。このように、変形が大きい部位と性能向上のために対策を行う部位は必ずしも一致しない。
また、各車体部品の板厚を変更して当該車体部品の車体性能に対する寄与を求める方法では、板厚の変更により車体性能が変わる車体部品は判明するものの、板厚を変更した一車体部品の寄与がわかるだけで、同時に複数の車体部品の板厚を変更した場合における各車体部品の寄与を求めることはできないという問題があった。

このような課題に対し、設計空間を設定せずに車体全体のシェル要素を対象にしてトポロジー最適化を用いて、該トポロジー最適化により算出されるシェル要素の材料密度を感度として表す手法がある。この手法では、車体性能に係る目的条件を満たすように最適化を用いるため、車体に用いられている材料（例えば、鋼板）の板厚や材料特性の変更により車体性能の向上に寄与するシェル要素が明確になる。また車体全体を最適化の対象としているため、板厚のみを変更する場合とは異なり一つの車体部品の寄与でなく車体全体での寄与を出すことが可能である。しかし、シェル要素１つ１つの感度を求めるものであるため、車体において、感度の高い各シェル要素に対応した微小領域を示す部位を求めることができて、その配置がわかる。
他方、車体は、数百個からなる車体部品を組み立ててなるものであり、該車体部品は数千から数十万のシェル要素に対応するため、個々の車体部品内にも感度の分布を持つ。そのため、シェル要素の感度解析結果から、どの車体部品をターゲットにすべきか、後述する図４や図１３に示すとおり、車体部品ごとに区別して感度の大小を判断することは困難であり、ターゲットとなる車体部品を明確にできない問題があった。
さらに、特許文献１に開示されている技術は、数学演算上の手法および解析の物理的システムに関するものであり、上記のような課題に対しては何らの解決手段を与えるものではない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、車体性能に対する車体部品の感度を解析し、車体性能のために対策を施すべき車体部品を明確にすることができる車体部品の感度解析方法及び装置、車体部品の材料特性決定方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る車体部品の感度解析方法は、コンピュータが、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析するものであって、複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデルを取得する車体モデル取得ステップと、該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析ステップと、該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出ステップと、を備えたことを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記感度解析ステップは、前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記感度解析ステップは、前記算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲として規格化することを特徴とするものである。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記車体モデル取得ステップにおける前記要素はシェル要素とし、
前記車体部品感度算出ステップは、前記各要素の感度を該各要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求め、該要素面積あたりの感度を前記車体部品ごとに積算した値、または、該積算した値を該車体部品に含まれる要素数で除して得られた値を前記車体部品ごとの感度とすることを特徴とするものである。

（５）上記（４）に記載のものにおいて、前記車体モデル取得ステップにおける前記要素は四角形要素とし、前記車体部品感度算出ステップにおける前記要素の面積は、前記各四角形要素の４つの節点のうちの３つの節点を頂点とする２つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とするものである。

（６）上記（４）に記載のものにおいて、前記車体モデル取得ステップにおける前記要素は四角形要素とし、前記車体部品感度算出ステップにおける前記要素の面積は、前記各四角形要素をその重心と２つの隣接する節点を頂点とする４つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とするものである。

（７）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記車体部品感度算出ステップは、前記各車体部品を構成する要素の感度のうち、その最大値を該車体部品の感度とすることを特徴とするものである。

（８）本発明に係る車体部品の材料特性決定方法は、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の車体部品の感度解析方法を用いたものであって、前記車体部品ごとに求めた感度に基づいて該車体部品ごとの材料特性を決定することを特徴とするものである。

（９）本発明に係る車体部品の感度解析装置は、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析するものであって、複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデルを取得する車体モデル取得部と、該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析部と、該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出部と、を備えたことを特徴とするものである。

（１０）上記（９）に記載のものにおいて、前記感度解析部は、前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とするものである。

（１１）上記（９）又は（１０）に記載のものにおいて、前記感度解析部は、前記算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲として規格化することを特徴とするものである。

（１２）上記（９）乃至（１１）のいずれかに記載のものにおいて、前記車体モデル取得部における前記要素はシェル要素とし、前記車体部品感度算出部は、前記各要素の感度を該各要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求め、該要素面積あたりの感度を前記車体部品ごとに積算した値、または、該積算した値を該車体部品に含まれる要素数で除して得られた値を前記車体部品ごとの感度とすることを特徴とするものである。

（１３）上記（１２）に記載のものにおいて、前記車体モデル取得部における前記要素は四角形要素とし、前記車体部品感度算出部における前記要素の面積は、前記各四角形要素の４つの節点のうちの３つの節点を頂点とする２つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とするものである。

（１４）上記（１２）に記載のものにおいて、前記車体モデル取得部における前記要素は四角形要素とし、前記車体部品感度算出部における前記要素の面積は、前記各四角形要素をその重心と２つの隣接する節点を頂点とする４つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とするものである。

（１５）上記（９）乃至（１１）のいずれかに記載のものにおいて、前記車体部品感度算出部は、前記各車体部品を構成する要素の感度のうち、その最大値を該車体部品の感度とすることを特徴とするものである。

本発明においては、コンピュータが、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析するものであって、複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデルを取得する車体モデル取得ステップと、該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析ステップと、該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出ステップと、を備えたことにより、車体性能に対する感度を車体部品ごとに算出することができ、車体性能の向上のために対策をとるべき車体部品を的確に選定し、車体性能の向上と軽量化に資することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る車体部品の感度解析装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１において、解析対象とする車体モデルを示す図である。 本発明の実施の形態１において、感度解析部による感度解析において車体モデルに与える荷重条件の一例（荷重・拘束条件）を示す図である。 本発明の実施の形態１において、感度解析部により算出した各要素の材料密度のコンター図である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施の形態１において、車体部品のモデル化に四角形要素を用いた場合に要素の面積の算出における問題を説明する図である。 本発明の実施の形態１において、車体部品のモデル化に用いた四角形要素の面積を算出する方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１において、車体部品ごとに算出した感度のコンター図である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施の形態１において、車体部品ごとに算出した感度の値を規格化したコンター図である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施の形態１に係る車体部品の感度解析方法の処理の流れを示す図である。 本発明の実施例において、車体モデルに静ねじりの荷重条件を与えたときの応力分布の結果である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施例において、慣性リリーフ法を用いて車体モデルに与えるねじりの荷重条件を示す図である。 本発明の実施例において、車体モデルに静ねじりの荷重条件を与えて算出した車体部品ごとの感度のコンター図である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施例において、車体モデルに慣性リリーフ法を用いてねじりの荷重条件を与えて算出した各要素の材料密度のコンター図である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。 本発明の実施例において、車体モデルに慣性リリーフ法を用いてねじりの荷重条件を与えたときの応力分布の結果である（（ａ）斜視図、（ｂ）下面図）。

本発明の実施の形態１及び２について説明するに先立ち、本発明で対象とする車体について説明する。

＜車体＞
本発明で対象とする車体は、複数の車体部品を備えてなるものであり、車体部品としては、ダッシュパネルやメインフロア部品等の車体骨格部品、サスペンション部品等の足回り部品、ステアリングハンドルを直接的又は間接的に支持するステアリング支持部品等が挙げられる。

［実施の形態１］
＜車体部品の感度解析装置＞
本発明の実施の形態１に係る車体部品の感度解析装置（以下、単に「感度解析装置」という。）の構成について、以下に説明する。

本実施の形態１に係る感度解析装置１は、図１に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。

以下、図２に示す車体モデル３１を解析対象とし、車体モデル３１を構成する各車体部品の感度を算出する場合について、本実施の形態に係る感度解析装置１の各構成について説明する。

≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。

≪入力装置≫
入力装置５は、車体モデルファイル２１の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。

≪記憶装置≫
記憶装置７は、後述するような、車体モデルに関する各種情報を記録した車体モデルファイル２１といった各種ファイルの格納等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図１に示すように、車体モデル取得部１３と、感度解析部１５と、車体部品感度算出部１７と、を有し、ＰＣ等のＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。

（車体モデル取得部）
車体モデル取得部１３は、図２に示すような、複数の要素でモデル化した車体部品によって構成された車体モデル３１を取得するものである。

本実施の形態において、車体モデル３１を構成する車体部品はシェル要素によりモデル化されているものとし、各車体部品を構成するシェル要素及び材料特性（ヤング率、比重、ポアソン比等）に関する情報は、記憶装置７に格納されている車体モデルファイル２１（図１参照）に記録されている。そのため、車体モデル取得部１３は、車体モデルファイル２１を読み込むことにより、車体モデル３１を取得することができる。

（感度解析部）
感度解析部１５は、車体モデル３１の車体性能に関する目的条件及び車体モデル３１の体積に関する制約条件と、車体モデル３１に与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす前記各要素の感度を求めるものであり、各要素の感度として各要素の材料密度を算出する。

本実施の形態において、感度解析部１５により設定する目的条件として、例えば、車体モデル３１におけるひずみエネルギー総和の最小化、変位の最小化、応力の最小化、剛性の最大化などがある。また、感度解析部１５により設定する制約条件としては、車体部品の体積を規定する体積制約率などがある。

さらに、感度解析部１５は、車体モデル３１に与える荷重条件として、例えば、図３に例示する荷重・拘束条件を設定する。
図３に示す荷重・拘束条件は、車体モデル３１のフロントサスペンション取付位置（図中Ａ）の一方に鉛直方向上向きの荷重を、他方に鉛直方向下向きの荷重を与え、車体モデル３１のリアのサブフレーム取付位置（図中Ｂ）を拘束したものである。

感度解析部１５により算出する要素の材料密度とは、トポロジー最適化において密度法を適用した場合、次式（１）に示す密度ρに相当するものである。

式（１）中の規格化した密度ρは、各要素における材料の充填状態を表す仮想的な密度であり、0から1までの値をとる。すなわち、要素の材料密度が1であれば、要素には材料が完全に充填されている状態、0であれば要素に材料がされておらず完全に空洞の状態を表し、要素の材料密度が0から1の中間値であれば、その要素は材料とも空洞ともつかない中間的な状態を表す。

そして、トポロジー最適化解析により算出される材料密度においては、車体性能に対する寄与が大きい要素では当該要素の材料密度は1に近い値となり、車体性能に対する感度が高いことを示す。これに対し、車体性能に対する寄与が小さい要素においては当該要素の材料密度は0に近い値となり、車体性能に対する感度が小さいことを示す。このように、トポロジー最適化解析により算出した要素の材料密度は、車体性能に対する各要素の感度を表す指標となる。

図４に、感度解析部１５により算出される要素の感度の一例として、目的条件を剛性最大、制約条件を体積制約率25%とし、図３に示す荷重・拘束条件により車体モデル３１の静ねじりを負荷したときの要素の材料密度の結果の一例を示す。図４において、フロントサスペンション取付位置の周辺やフロア部、Ｃピラー周辺における要素の材料密度の値が大きく、車体性能に対する感度が高いことがわかる。

また、感度解析部１５は、慣性リリーフ法により車体モデル３１に動的なねじりを負荷したときの慣性力を考慮する荷重条件を設定してもよい。慣性リリーフ法とは、慣性力の座標の基準となる支持点において物体が支持された状態（自由支持状態）で等加速度運動中の物体に作用する力から応力やひずみを求める解析手法であり、運動中の飛行機や船の静解析に使用されている。

感度解析部１５により要素の材料密度を算出するにあたっては、トポロジー最適化等の最適化処理を行う市販の解析ソフトを使用することができる。この場合、車体モデル３１を構成する各車体部品を設計空間とし、該設計空間として設定された車体部品を構成する要素に設計変数として材料密度を与え、所定の目的条件及び制約条件と荷重条件とを設定することで、要素の感度となる材料密度が算出される。

もっとも、感度解析部１５において最適化の解析処理を行う場合にあっては、トポロジー最適化以外の他の計算方式を適用するものであってもよく、感度解析部１５は、最適化の解析処理を行うものとしては、例えば、市販されている有限要素法を解析ソフトを実行するものであってもよい。

（車体部品感度算出部）
車体部品感度算出部１７は、感度解析部１５により算出した各要素の感度に基づいて車体部品ごとの感度を算出するものである。

本実施の形態では、車体部品はシェル要素によりモデル化されているものとし、車体部品ごとの感度は以下の手順により算出した。

まず、感度解析部１５により算出した各シェル要素の感度を、そのシェル要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求める。次に、該要素面積あたりの感度を車体部品ごとに積算する。このようにして積算した値を、各車体部品の感度とすることができる。さらに、要素面積あたりの感度を車体部品ごとに積算した値を各車体部品に含まれる要素の要素数で除して得られた値を算出し、該算出した値を車体部品ごとの感度としてもよい。

車体部品ごとの感度を比較する際には、各車体部品の面積の相違だけでなくシェル要素の大きさの影響もあるので、要素面積あたりの感度をさらに要素数で除して標準化することで、車体部品ごとの感度が比較可能となる。

各シェル要素の要素面積は、節点座標を用いて算出することができる。
シェル要素として三角形要素を用いた場合においては、当該三角形要素の３つの節点それぞれの座標から外積等を計算することにより三角形要素の要素面積を算出することができる。

シェル要素として四角形要素を用いた場合においても、当該四角形要素の４つの節点座標から要素面積を算出することができる。
例えば、図５（ａ）に示す四角形要素４１のように、４つの節点Ｎ_１〜Ｎ_４が同一平面（図５（ａ）におけるｘｙ平面）上にある場合は、２つの対角線Ｌ_１及びＬ_２の交点Ｐの位置を求め、交点Ｐと四角形要素の隣接する２つの節点とからなる４つの三角形（ＰＮ_１Ｎ_２、ＰＮ_２Ｎ_３、ＰＮ_３Ｎ_４及びＰＮ_４Ｎ_１）に分割することで、四角形要素の要素面積を算出することができる。

ただし、図５（ｂ）に示すように、四角形要素４３がねじれて４つの節点Ｎ_１’〜Ｎ_４’が同一平面（図５（ｂ）中のｘｙ平面）上に存在しない場合、２の対角線Ｌ１’とＬ２’とが交わらないため、前述の四角形要素４１のように対角線の交点を求めることができず、四角形要素４３の面積を算出することはできない。

そこで、本実施の形態では、シェル要素に四角形要素（４節点）を用いた場合においては、以下の（ａ）又は（ｂ）の手順により要素面積を算出する。

（ａ）図６（ａ）に示すように、四角形要素の４つの節点のうち３つの節点を頂点とする三角形（Ｎ_１ ^’Ｎ_２ ^’Ｎ_３ ^’）と、残りの１つの節点を含む三角形（Ｎ_４ ^’Ｎ_１ ^’Ｎ_３ ^’）との２つの三角形に分割する。そして、分割した各三角形の面積を算出し、その和を四角形要素の要素面積とする。

（ｂ）図６（ｂ）に示すように、四角形要素４３の重心Ｇの位置を求め、該重心Ｇと隣接する２つの節点とを頂点とする４つの三角形（ＧＮ_１ ^’Ｎ_２ ^’、ＧＮ_２ ^’Ｎ_３ ^’、ＧＮ_３ ^’Ｎ_４ ^’及びＧＮ_４ ^’Ｎ_１ ^’）に分割する。そして、分割した各三角形の面積を算出し、これらの面積の和を四角形要素の面積とする。

このように、上記の手順（ａ）又は（ｂ）により、四角形要素４３にねじれが生じている場合であっても面積を算出することができる。

図７に、上記（ａ）の手順により算出した四角形要素の面積を用いて要素面積あたりの感度を算出した場合の車体部品ごとの感度の一例を示す。

このように、車体部品感度算出部１７は、車体部品ごとの感度を算出することができる。なお、車体部品感度算出部１７は、車体部品ごとの感度を車体モデル３１上にコンター表示化するために、図８に示すように、算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲となるように規格化するものであってもよい。

＜車体部品の感度解析方法＞
次に、本実施の形態に係る車体部品の感度解析方法（以下、単に「感度解析方法」という。）について、以下に説明する。

本実施の形態に係る感度解析方法は、コンピュータが、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する車体部品の感度を解析するものであって、図９に示すように、車体モデル取得ステップＳ１と、感度解析ステップＳ３と、車体部品感度算出ステップＳ５と、を備えたものであり、各ステップをコンピュータによって構成された感度解析装置１（図１参照）が実行するものである。以下、上記の各ステップについて説明する。

≪車体モデル取得ステップ≫
車体モデル取得ステップＳ１は、複数の要素でモデル化した車体部品によって構成された車体モデル３１（図２参照）を取得するステップである。本実施の形態では、感度解析装置１の車体モデル取得部１３が、車体モデルファイル２１（図１参照）を読み込むことにより、複数のシェル要素でモデル化した車体部品によって構成された車体モデル３１を取得する。

≪感度解析ステップ≫
感度解析ステップＳ３は、車体モデル３１の車体性能に関する目的条件及び車体モデル３１の体積に関する制約条件と、車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求めるステップである。本実施の形態においては、感度解析装置１の感度解析部１５が、目的条件及び制約条件と荷重条件を設定し、各要素の感度として各要素の材料密度を算出する。

感度解析ステップＳ３においては、トポロジー最適化等の最適化の解析処理を行ってもよい。この場合、車体モデル３１を構成するいずれかの車体部品を設計空間とし、該設計空間とした車体部品を構成する要素に設計変数として材料密度を与えて最適化の解析処理を実行し、設定した制約条件と荷重条件の下で目的条件を満たす材料密度を要素ごとに算出すればよい。

≪車体部品感度算出ステップ≫
車体部品感度算出ステップＳ５は、感度解析ステップＳ３において求めた各要素の感度に基づいて車体部品ごとの感度を求めるステップである。本実施の形態においては、感度解析装置１の車体部品感度算出部１７が、感度解析部１５により算出した各要素の材料密度を、その要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求め、該要素面積あたりの感度を車体部品ごとに積算した値を算出し、車体部品ごとの感度を求める。さらに、該算出した車体部品ごとに積算した値は、該車体部品に含まれる要素数で割った値を、車体部品ごとの感度として求めてもよい。

なお、車体部品感度算出ステップＳ５においては、車体部品ごとの感度を車体モデル３１上にコンター表示化するために、図８に示すように、算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲となるように規格化してもよい。

以上、本実施の形態に係る車体部品の感度解析方法及び装置によれば、車体性能に対する感度を車体部品ごとに算出することができ、車体性能の向上のために対策をとるべき車体部品を的確に選定することができる。

さらに、本実施の形態に係る車体部品の感度解析方法及び装置により、車体性能に対する感度が高い車体部品を選定することで、当該車体部品を対象としたトポロジー最適化等の形状最適化解析を効率的に行うことができ、車体性能のさらなる向上と車体の軽量化に資することが可能となる。

なお、上記の説明では、車体性能として車体の剛性向上を対象としたものであるが、車体性能として衝突特性や疲労特性の向上を対象とする場合においては、感度解析部又は感度解析ステップにおいて、衝突特性や疲労特性に関する目的条件を設定すればよい。

また、上記の説明における感度解析部及び感度解析ステップは、各要素の感度として要素ごとの材料密度を算出する場合についてのものであったが、本発明は、車体部品を複数のシェル要素でモデル化した場合においては、所定の目的条件及び制約条件と荷重条件を満たす各シェル要素の板厚を算出し、該算出したシェル要素の板厚を各要素の感度としてもよい。

感度解析において各シェル要素の板厚を算出した場合においては、板厚が大きい要素は車体性能に対する感度が高いことを示し、板厚が小さい要素は車体性能に対する感度が小さいことを示す。これにより、感度解析において算出した要素の板厚は、車体性能に対する各要素の感度を表す指標となり得る。

なお、上記の説明では、車体モデルを構成する車体部品は、複数のシェル要素でモデル化されたものとしているが、本発明は、シェル要素でモデル化された車体部品に限らず、複数のソリッド要素、あるいは、複数のシェル要素及びソリッド要素でモデル化された車体部品を対象とするものであってもよい。

ソリッド要素でモデル化された車体部品の場合、車体部品ごとの感度を算出する際には、前述の要素面積の代わりに、各ソリッド要素について求められた感度を当該ソリッド要素の要素体積で除した要素体積あたりの感度を用いてもよい。

さらに、本発明は、車体部品感度算出部又は車体部品感度算出ステップにおいて、各車体部品を構成する要素の感度のうち、その最大値を該車体部品の感度とするものであってもよい。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る車体部品の材料特性決定方法は、前述の実施の形態１に係る車体部品の感度解析方法を用いたものであって、車体部品ごとに求めた感度に基づいて、車体部品ごとの材料特性を決定するものである。

ここで、車体部品ごとの材料特性としては、ヤング率、比重及びポアソン比等がある。そして、例えば、感度が高いと判定された車体部品はヤング率の高い材料とする、感度が低いと判定された車体部品はヤング率の低い軽量化材料とする等、車体部品ごとの材料特性を決定することができる。これにより、車体性能を効率的に向上することが可能となる。

本発明に係る車体部品の感度解析方法及び装置の効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

本実施例では、まず、図２に示す車体モデル３１を取得した。車体モデル３１は、複数のシェル要素（四角形要素）でモデル化した車体部品によって構成されたものである。
次いで、車体性能に関する目的条件及び車体モデルの体積に制約条件と、車体モデルに与える荷重条件を与えて感度解析を行い、荷重条件と制約条件の下で目的条件を満たす要素の感度として各要素の材料密度を算出した。なお、本実施例では当該車体部品の要素面積あたりの感度を積算し、該車体部品に含まれる要素数で割った値を車体部品の感度とした。
そして、算出した各要素の材料密度に基づいて車体部品ごとの感度を算出した。さらに、車体部品ごとの感度は、車体モデル３１の全体にわたって0から1の値となるように規格化した。

前述の図８に、本発明に係る車体部品の感度解析方法により算出した車体部品ごとの感度を車体モデル３１にコンター表示した結果を示す。また、比較対象として、前述の図４に、感度解析により算出した各要素の材料密度を車体モデル３１にコンター表示した結果を示す。

図４に示す要素ごとの材料密度においては、同一車体部品内でも材料密度の値に高低があり、どの車体部品の感度が車体全体の車体性能に対する感度に比べて高いのか低いのかを判断することができない。これに対し、図８に示す車体部品ごとの感度の結果では、車体性能に対する感度の高い車体部品が明確に表され、本実施例の条件では、フロントサスペンション取付位置周辺の感度が最も高く、また、ダッシュパネルやメインフロア部品の感度も高いことが分かる。

図１０に、車体モデル３１に与える荷重条件として、図３に示す荷重・拘束条件を与えたときの車体モデル３１における応力分布を示す。図１０より、フロントサスペンション取付位置周辺の応力値は高いものの、図８に示す車体部品ごとの感度と比較すると、車体モデル３１における応力の高い部位と感度が高い車体部品の位置とが必ずしも一致していないことが分かる。これより、応力の結果から、車体性能に対する感度が高い車体部品を選定することが困難であることが分かる。

さらに本実施例では、図１１に示すように、慣性リリーフ法により車体の慣性力を考慮した荷重条件を与えた場合についても、車体部品の感度を算出した。

図１２に、本発明に係る車体部品の感度解析方法により車体部品ごとに算出した感度をコンター表示した結果を示す。
また、比較対象として、図１１に示す荷重条件を車体モデル３１に与えて算出した要素の材料密度の結果を図１３に、又、車体モデル３１における応力分布の結果を図１４に示す。

図１３に示す各要素の材料密度のコンター表示と、図１４に示す各要素の応力分布の結果から、車体モデル３１の前方部における車体性能に対する感度が高いことが示唆されるが、どの車体部品の感度が大きいかは判別することができない。これに対し、図１２に示す車体部品ごとの感度の結果によれば、車体性能に対する感度の重要度が高い車体部品の順位が表れる結果が得られた。

以上の結果から、本発明に係る車体部品の感度解析方法及び装置によれば、車体性能の向上のために対策を施すべき車体部品を明確に選定できることが示された。

１ 感度解析装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 車体モデル取得部
１５ 感度解析部
１７ 車体部品感度算出部
２１ 車体モデルファイル
３１ 車体モデル
４１ 四角形要素
４３ 四角形要素

Claims (15)

1. コンピュータが、複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析する車体部品の感度解析方法であって、
   複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデルを取得する車体モデル取得ステップと、
   該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析ステップと、
   該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出ステップと、を備えたことを特徴とする車体部品の感度解析方法。
2. 前記感度解析ステップは、前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とする請求項１記載の車体部品の感度解析方法。
3. 前記感度解析ステップは、前記算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲として規格化することを特徴とする請求項１又は２に記載の車体部品の感度解析方法。
4. 前記車体モデル取得ステップにおける前記要素はシェル要素とし、
   前記車体部品感度算出ステップは、前記各要素の感度を該各要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求め、該要素面積あたりの感度を前記車体部品ごとに積算した値、または、該積算した値を該車体部品に含まれる要素数で除して得られた値を前記車体部品ごとの感度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車体部品の感度解析方法。
5. 前記車体モデル取得ステップにおける前記要素は四角形要素とし、
   前記車体部品感度算出ステップにおける前記要素の面積は、前記各四角形要素の４つの節点のうちの３つの節点を頂点とする２つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とする請求項４記載の車体部品の感度解析方法。
6. 前記車体モデル取得ステップにおける前記要素は四角形要素とし、
   前記車体部品感度算出ステップにおける前記要素の面積は、前記各四角形要素をその重心と２つの隣接する節点を頂点とする４つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とする請求項４記載の車体部品の感度解析方法。
7. 前記車体部品感度算出ステップは、前記各車体部品を構成する要素の感度のうち、その最大値を該車体部品の感度とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車体部品の感度解析方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の車体部品の感度解析方法を用いた車体部品の材料特性決定方法であって、
   前記車体部品ごとに求めた感度に基づいて該車体部品ごとの材料特性を決定することを特徴とする車体部品の材料特性決定方法。
9. 複数の車体部品を備えてなる車体の車体性能に対する前記車体部品の感度を解析する車体部品の感度解析装置であって、
   複数の要素でモデル化した前記車体部品によって構成された車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
   該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重条件とを設定し、該荷重条件と前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析部と、
   該各要素の感度に基づいて前記車体部品ごとの感度を算出する車体部品感度算出部と、を備えたことを特徴とする車体部品の感度解析装置。
10. 前記感度解析部は、前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とする請求項９記載の車体部品の感度解析装置。
11. 前記感度解析部は、前記算出した車体部品ごとの感度の値を0〜1の範囲として規格化することを特徴とする請求項９又は１０に記載の車体部品の感度解析装置。
12. 前記車体モデル取得部における前記要素はシェル要素とし、
    前記車体部品感度算出部は、前記各要素の感度を該各要素の面積で除した要素面積あたりの感度を求め、該要素面積あたりの感度を前記車体部品ごとに積算した値、または、該積算した値を該車体部品に含まれる要素数で除して得られた値を前記車体部品ごとの感度とすることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の車体部品の感度解析装置。
13. 前記車体モデル取得部における前記要素は四角形要素とし、
    前記車体部品感度算出部における前記要素の面積は、前記各四角形要素の４つの節点のうちの３つの節点を頂点とする２つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とする請求項１２記載の車体部品の感度解析装置。
14. 前記車体モデル取得部における前記要素は四角形要素とし、
    前記車体部品感度算出部における前記要素の面積は、前記各四角形要素をその重心と２つの隣接する節点を頂点とする４つの三角形に分割し、該分割した各三角形の面積を算出し、該算出した各三角形の面積の和とすることを特徴とする請求項１２記載の車体部品の感度解析装置。
15. 前記車体部品感度算出部は、前記各車体部品を構成する要素の感度のうち、その最大値を該車体部品の感度とすることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の車体部品の感度解析装置。