JP2023170246A - 設計支援方法及び設計支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有限要素法を用いた構造解析を利用して、効果的な構造対策を検討しやすくする。【解決手段】断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部とインナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有するフレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、モデル上における剛性指標の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出する剛性指標算出ステップと、算出された剛性指標を複数のレンジに分割する分割ステップと、モデルの横断面を取得したときに、インナー部とアウター部とで剛性指標が異なるレンジになっている部分を、モデルとなったフレーム部材の補強すべき補強部位として特定する補強部位特定ステップと、を含む。【選択図】図８

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 刊行物 令和３年９月１４日に第３１回設計工学・システム部門講演会予稿集にて公開。 発表 令和３年９月１６日に第３１回設計工学・システム部門講演会にて発表。

ここに開示された技術は、設計支援方法及び設計支援装置に関する技術分野に属する。

従来より、種々の荷重に対する車体等の構造の最適化を図るために、ＣＡＥ解析による荷重伝達経路の解析が行われている。

例えば、特許文献１には、解析対象構造物（モデル）に対して、有限要素法を用いた構造解析により、線形弾性変形が支配的な部分の変形を計算して、剛性指標を求めることにより荷重伝達経路を求める方法が開示されている。特許文献１では、剛性指標を複数のレンジに分割し、解析対象構造物における剛性指標が所定のレンジにある領域を、解析対象構造物に重ねて順次表示することで、荷重伝達経路を求めている。

特開２０２０－０１３３５４号公報

本願発明者らが鋭意研究したところ、断面多角形状をなすフレーム部材に対して特許文献１に記載のような構造解析を行うことで、フレーム部材における補強すべき部分である補強部位を予測できることが分かった。具体的には、剛性指標が所定のレンジにある領域の広がり方に基づいて、補強部位を予想できることが分かった。

ここに開示された技術は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、有限要素法を用いた構造解析を利用して、効果的な構造対策を検討しやすくすることにある。

前記課題を解決するために、ここに開示された技術では、演算部を有するコンピュータを用いたフレーム部材の設計支援方法を対象として、前記演算部が、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有する前記フレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、該モデル上における剛性指標の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出する剛性指標算出ステップと、前記演算部が、前記剛性指標算出ステップで算出された前記剛性指標を複数のレンジに分割する分割ステップと、前記モデルの横断面を取得したときに、前記インナー部と前記アウター部とで前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を、前記モデルとなった前記フレーム部材の補強すべき補強部位として特定する補強部位特定ステップと、を含む、という構成とした。

すなわち、剛性指標が異なる部分は、入力荷重に対する剛性が異なっていることを意味し、延いては入力荷重に対する荷重の伝えやすさが異なることを意味する。このため、フレーム部材のモデルの横断面において、インナー部とアウター部とで剛性指標が異なるレンジになっている部分は、フレーム部材の延びる方向の同じ位置において、インナー部とアウター部とで荷重の伝えやすさが異なる部分である。例えば、モデルの横断面において、インナー部の剛性指標の方がアウター部の剛性指標よりも高いレンジに含まれている場合、インナー部の方がアウター部よりも荷重を伝達しやすくなっていることを意味する。

このように、インナー部とアウター部とで荷重の伝えやすさが異なっていると、実際のフレーム部材に荷重が入力されたときには、荷重がインナー部とアウター部とに適切に分散されず、前述の例で言えば、主にインナー部に伝達されるようになる。つまり、インナー部とアウター部とで剛性指標が異なるレンジになっている部分は、荷重をフレーム部材全体で受け難い、強度が低い部分であると言える。

したがって、モデルの横断面において、インナー部とアウター部とで剛性指標が異なるレンジになっている部分を補強部位として特定することで、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。

前記設計支援方法の一実施形態では、前記補強部位特定ステップは、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とにおいて、前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を前記補強部位として特定するステップである。

すなわち、稜線部分は剛性指標が大きくなりやすく、荷重伝達経路になりやすい。このため、インナー部とアウター部との稜線部分同士の剛性指標を比較すれば、荷重伝達経路における荷重の伝えやすさを比較することになる。したがって、比較対象を稜線部分にすることで、補強部位をより容易に特定することができる。

前記一実施形態において、前記補強部位特定ステップは、前記インナー部の稜線部分における所定のレンジの前記剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離と、前記アウター部の稜線部分における前記所定のレンジの前記剛性指標が占める部分と前記荷重入力点との距離とが所定量以上異なる部分を前記補強部位として特定するステップである、という構成でもよい。

すなわち、所定のレンジの剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離が長いということは、入力荷重に対して高い剛性を有することを意味する。言い換えると、当該距離が長い部分は、荷重を伝達しやすい部分であると言える。このため、インナー部とアウター部とで当該距離が比較的大きい部分は、特に荷重が分散されにくい部分であると言える。したがって、前記の構成により、フレーム部材における強度が特に低い部分を適切に特定することができる。

所定のレンジの剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離に基づいて補強部位を特定する設計支援方法において、前記フレーム部材は、複数ありかつ車体を構成するように互いに接続されており、前記モデルは、前記複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しており、前記荷重入力点は、前記各フレーム部材の各モデルにおける前記特定負荷点に近い側の端部にそれぞれ設定されている、という構成でもよい。

この構成によると、所定のレンジの剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離を容易に算出できるようになり、補強部位をより容易に特定することができる。

前記設計支援方法において、前記補強部位における、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とを連結する補強部を設定する補強ステップを更に含み、前記補強ステップは、前記補強部位を含むように前記フレーム部材の延びる方向に延びる前記補強部を設定するステップである、という構成でもよい。

この構成によると、補強部を設けることによる剛性指標の変化を検討することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。特に、補強部を、インナー部の稜線部分とアウター部の稜線部分とを連結する構成とすることで、荷重伝達経路を補強部で繋いだような状況を想定することができ、特に効果が期待できる構造対策を検討することができる。

前記補強ステップを含む設計支援方法において、前記フレーム部材は、複数ありかつ車体を構成するように互いに接続されており、前記モデルは、前記複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しており、前記補強ステップは、前記補強部位を含むように、互いに接続された前記各フレーム部材の接続部に対応する部分に前記補強部を設定するステップである、という構成でもよい。

すなわち、フレーム部材同士の接続部は、荷重伝達が悪化しやすい部分であり、補強が必要となりやすい部分である。前記の構成によると、接続部に補強部を設けたときの剛性指標の変化を検討することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。また、補強部を接続部に限定することで、補強部を設けることによる重量増加を抑制した状態での剛性指標の変化を検討することができる。

ここに開示された技術の他の態様は、フレーム部材の設計支援装置を対象として、演算部を有し、前記演算部は、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有する前記フレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、該モデル上における剛性指標の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出し、算出された前記剛性指標を複数のレンジに分割し、前記モデルの横断面における、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とで前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を、前記モデルとなった前記フレーム部材の前記補強部位として特定する、という構成とした。

この構成でも、フレーム部材の強度が低い部分を適切に特定することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。

以上説明したように、ここに開示された技術によると、モデルの横断面において、インナー部とアウター部とで剛性指標が異なるレンジになっている部分を補強部位として特定することで、フレーム部材の強度が低い部分を適切に特定することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。

図１は、設計支援装置のハードウェア構成を示す図である。 図２は、設計支援装置のソフトウェア構成を示す図である。 図３は、有限要素法による構造解析によるモデル上の剛性指標の算出方法を説明するための図である。 図４は、剛性指標を算出する手順を示すフローチャートである。 図５は、解析対象物としてのモデルの一例を示す模式図である。 図６は、図５に示すモデルに対して、所定のレンジの剛性指標を重ねて表示した状態を示す模式図である。 図７は、図５に示すモデルにおいて、所定のレンジの剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離が、稜線部分同士で異なる部分を示す側面図である。 図８は、補強部位特定ステップの詳細を示すフローチャートである。 図９Ａは、複数のフレーム部材で構成された車体をモデルとしたときの、モデルの一部の断面図であって、フロントピラー部分の構造を示す。 図９Ｂは、複数のフレーム部材で構成された車体をモデルとしたときの、モデルの一部の断面図であって、サイドシル部分の構造を示す。 図１０Ａは、モデルのフロントピラー部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、インナー部を示す。 図１０Ｂは、モデルのフロントピラー部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、アウター部を示す。 図１０Ｃは、モデルのフロントピラー部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した断面図である。 図１１Ａは、モデルのサイドシル部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、インナー部を示す。 図１１Ｂは、モデルのサイドシル部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、アウター部を示す。 図１１Ｃは、モデルのサイドシル部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した断面図である。 図１２は、モデルのフロントピラー部分に補強部を配置した状態を示す断面図である。 図１３は、モデルの車両側部における補強部の配置の一例を示す側面図である。 図１４Ａは、補強部を配置した状態でのモデルのフロントピラー部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、インナー部を示す。 図１４Ｂは、補強部を配置した状態でのモデルのフロントピラー部分における所定のレンジの剛性指標が占める部分を示した図であり、アウター部を示す。 図１５は、ねじり固有値を、補強部を配置する前と後とで比較したグラフである。 図１６は、車体剛性を、補強部を配置する前と後とで比較したグラフである。

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〈装置構成〉
図１は、本実施形態に係る設計支援装置（厳密には、その設計支援装置を実現するコンピュータシステム１）のハードウェア構成を模式的に示す。このコンピュータシステム１（以下、コンピュータ１という）は、システム全体の制御を司るＣＰＵ３を有する。コンピュータ１は、ブートプログラム等を記憶しているＲＯＭ５と、メインメモリとして機能するＲＡＭ７と、２次記憶装置としてのハードディスク９（以下、ＨＤＤ９という）とを備えている。コンピュータ１は、表示装置としてのディスプレイ１１と、ディスプレイ１１に表示する画像データを蓄積するメモリとして機能するＶＲＡＭ１３とを備えている。また、コンピュータ１は、入力装置としてのキーボード１５及びマウス１７とを備えている。尚、このコンピュータ１は、インターフェース２１を介して外部機器と通信を行うことが可能に構成されている。

ＨＤＤ９には、図２に示すように、そのプログラムメモリに、オペレーティングシステム（ＯＳ）１９、構造解析プログラム２９、補強部位特定プログラム３９、剛性評価プログラム４９、アプリケーションプログラム５９等が格納されている。一方、ＨＤＤ９には、そのデータメモリにモデルデータ６９等が格納されている。このモデルデータ６９には、自動車の車体を模型化して示す情報や、車体の各部分の弾性率に関する情報等が含まれている。モデルデータ６９に格納される情報は、ユーザが任意に変更及び追加することが可能である。また、ＨＤＤ９のデータメモリには、構造解析プラグラム２９の実行によって作成される有限要素法解析の各種計算結果、補強部位特定プログラム３９の実行によって作成される各種計算結果、及び、アプリケーションプログラム５９の実行によって作成される各種計算結果も記憶される。尚、構造解析プログラム２９としては、例えば、MSC Software株式会社製の「NASTRAN」を用いることができる。

上記構成において、構造解析プログラム２９、補強部位特定プログラム３９、剛性評価プログラム４９、及び、アプリケーションプログラム５９は、キーボード１５やマウス１７からの入力される特定指令に応じて起動される。その際、構造解析プラグラム２９、補強部位特定プログラム３９、剛性評価プログラム４９、及び、アプリケーションプログラム５９が、ＨＤＤ９からＲＡＭ７にロードされ、ＣＰＵ３によって実行されることによって、このコンピュータ１が設計支援装置として機能することになる。本実施形態では、ＣＰＵ３が、本開示でいう演算部に相当する。

〈剛性指標の算出〉
次に、本実施形態では、剛性指標としてＵ^＊を用いる。剛性指標Ｕ^＊とは、弾性構造体に荷重が入力されたときに、該荷重の入力点（以下、特定負荷点という）と、弾性構造体内の任意の点との結合の強さを示す指標である。

剛性指標Ｕ^＊は、弾性構造体に荷重が入力ときに、弾性構造体内の任意の点を固定しないときの仕事量Ｕと、該任意の点を固定したときの仕事量Ｕ’との比によって定義される。詳しくは、図３に示すような、弾性構造体のモデルＭを定義して、特定負荷点をＡとし、固定点をＢとし、モデルＭ内の任意点をＣとする。モデルＭが弾性体であるため、これらの各点Ａ～Ｃは、それぞれ線形バネで連結されていると仮定することができる。先ず、任意点Ｃが固定されていない状態で、特定負荷点Ａに荷重を入力して特定負荷点Ａを所定量だけ変位させるとする。このときに、特定負荷点Ａを該所定量だけ変位させるのに必要な仕事量がＵである。一方で、任意点Ｃが固定された状態で、特定負荷点Ａに荷重を入力して特定負荷点Ａを上記所定量だけ変位させるとする。このときに、特定負荷点Ａを該所定量だけ変位させるのに必要な仕事量がＵ’である。そして、剛性指標Ｕ^＊は、以下の式で表される。

Ｕ^＊＝１－（Ｕ／Ｕ’）
ここで、任意点Ｃが固定されている場合には、特定負荷点Ａは変位しにくくなる。このため、仕事量Ｕと比較して仕事量Ｕ’は大きくなる。よって、Ｕ／Ｕ’は必ず１以下の値になる。また、任意点Ｃが特定負荷点Ａに位置しているときには、任意点Ｃを固定すると特定負荷点Ａは変位不可能になる。このときには、Ｕ’を無限大とみなすことができるため、剛性指標Ｕ^＊は１となる。一方で、任意点Ｃが固定点Ｂに位置しているときに、任意点Ｃを固定したとしても、任意点Ｃが固定されていないときと同じ状態になる。よって、このときには、剛性指標Ｕ^＊は０となる。これらのことから、剛性指標Ｕ^＊は０～１の値を有する。

モデルＭ全体の剛性指標Ｕ^＊の分布を算出するときには、図３に示すように、モデルＭに対して特定負荷点Ａ、固定点Ｂ及び任意点Ｃを設定する。次に、仕事量Ｕを算出する。次いで仕事量Ｕ’を算出する。続いて、上記式により剛性指標Ｕ^＊を算出する。その後、任意点Ｃの位置を変えて、別の仕事量Ｕ’を算出して、上記式により剛性指標Ｕ^＊を算出する。これを、求めたい任意点Ｃの全点での剛性指標Ｕ^＊が算出されるまで繰り返す。以上により、モデルＭ全体の剛性指標Ｕ^＊の分布を求めることができる。

この剛性指標Ｕ^＊が大きい部分は、特定負荷点Ａとの結合が強い部分であり、荷重が伝達しやすい部分である。よって、例えば、モデルＭに剛性指標Ｕ^＊を等高線で示したときには、その尾根線に相当する部分が荷重伝達経路に相当することになる。

（構造解析）
図４に、本実施形態に係る設計支援装置を用いてフレーム部材の補強部位を特定する手順を示す。コンピュータシステム１のＣＰＵ３は、構造解析プログラム２９及び補強部位特定プログラム３９に従って、解析対象物としてのフレーム部材のモデル上における剛性指標Ｕ^＊の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出する剛性指標算出ステップ（Ｓ１～Ｓ７）と、剛性指標算出ステップで算出された剛性指標Ｕ^＊をｎ個（ｎは２以上の整数）のレンジに分割する分割ステップ（Ｓ８）と、分割ステップで分割された剛性指標Ｕ^＊の各レンジに基づいてモデルとなっているフレーム部材の補強部位を特定する補強部位特定ステップ（Ｓ９）と、補強部位特定ステップで特定された補強部位に補強部を設定する補強ステップ（Ｓ１０）を順に実行する。また、コンピュータシステム１のＣＰＵ３は、補強ステップの後に、補強部を含むフレーム部材のモデルの剛性指標Ｕ^＊を再度算出するステップを実行してもよい。

まず、図４のフローチャート、図５及び図６のモデルを参照しながら、剛性指標算出ステップと分割ステップとを実行する際のコンピュータシステム１の動作について詳細に説明する。尚、本実施形態は、基本的には、モデルとして、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造形成するアウター部とを有するフレーム部材のモデルを対象とするが、以下では、剛性指標算出ステップ及び分割ステップを簡単に説明するために、図５及び図６に示すような矩形状の閉断面のみを有するモデルを解析対象とした場合を説明する。

先ず、ステップＳ１において、ＣＰＵ３は、データメモリに格納されたモデルデータ６９等をＨＤＤ９から読み込んで計算の初期設定を行う。このステップＳ１では、解析対象物としてのモデルの形状や、剛性指標Ｕ^＊を計算するための計算格子を設定したり、そのような情報が予め記録された設定ファイルを読み込んだりもする。

次のステップＳ２では、ＣＰＵ３は、剛性指標Ｕ^＊を算出するための荷重条件を設定する。このステップＳ２では、ＣＰＵ３は、上記モデルに対して、特定負荷点Ａ、固定点Ｂ及び複数の任意点Ｃを設定する。また、ＣＰＵ３は、特定負荷点Ａを変位させる量を設定する。

次いでステップＳ３において、ＣＰＵ３は、全ての任意点Ｃを固定していない条件のもと、有限要素法による構造解析を実行して、第１仕事量Ｕを算出する。具体的には、全ての任意点Ｃを固定していない状態で、特定負荷点Ａに荷重をかけて、該特定負荷点Ａを設定量（上記ステップＳ２で設定された量）だけ変位させる際の第１仕事量Ｕを算出する。

続くステップＳ４において、ＣＰＵ３は、複数の任意点Ｃのうち剛性指標Ｕ^＊を算出する任意点Ｃを指定する。

次のステップＳ５では、ＣＰＵ３は、上記ステップＳ４で指定した任意点Ｃを固定した条件のもと、有限要素法による構造解析を実行して、第２仕事量Ｕ’を算出する。具体的には、上記任意点Ｃを固定した状態で、特定負荷点Ａに荷重をかけて、該特定負荷点Ａを設定量（上記ステップＳ２で設定された量）だけ変位させる際の第２仕事量Ｕ’を算出する。

次いでステップＳ６において、ＣＰＵ３は、上記ステップＳ３で算出した第１仕事量Ｕ及び上記ステップＳ５で算出した第２仕事量Ｕ’から、指定した任意点Ｃにおける剛性指標Ｕ^＊を算出する。このステップＳ６において、ＣＰＵ３は上記式に基づいて剛性指標Ｕ^＊を算出する。

続くステップＳ７において、ＣＰＵ３は、全ての任意点Ｃについて剛性指標Ｕ^＊の計算が完了したか否かを判定する。全ての任意点Ｃについて剛性指標Ｕ^＊の計算が完了したＹＥＳのときには、ステップＳ８に進む一方、一部の任意点Ｃについてしか剛性指標Ｕ^＊の計算が完了していないＮＯのときには、ステップＳ４に戻り、残りの任意点Ｃについて剛性指標Ｕ^＊の計算を行う。

上記ステップＳ８において、ＣＰＵ３は、剛性指標Ｕ^＊をｎ個（ｎは２以上の整数）のレンジに分割する。上述したように、剛性指標Ｕ^＊は０～１の値を有する。このステップＳ８では、この０～１の値を各レンジの幅が同じになるように均等に分割する。例えば、剛性指標Ｕ^＊を４０個のレンジに分割する場合には、各レンジの幅は０．０２５となる。ここでの分割数は、上記モデルの大きさ等に対応して、ユーザが任意に設定可能であるが、後述する補強部位の特定を行う観点からは、２０個～５０個程度のレンジに分割することが好ましい。

図５は、モデルデータ６９に格納されたモデル６９ａの一例である。ここでは、モデル６９ａとして、車両のサイドフレームのように、断面ハット状の部材と平板状の部材とを組み合わせて閉断面構造を形成したフレーム部材を例示している。より詳しくは、図５で示すモデル６９ａは、２つの独立した断面ハット状の部材の端部同士が重ね合わされて溶接されるとともに、１つの平板状の部材が２つの断面ハット状の部材に跨がって配置されて、各断面ハット状の部材のそれぞれに溶接されたモデルとなっている。

図６は、図５に示すモデルに対して前記ステップＳ１～Ｓ８を実行して算出された剛性指標Ｕ^＊の各レンジうちの１つのレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める領域ＵＳをモデル６９ａに重ねて示したものである。この解析では、モデル６９ａの長手方向の一端（紙面手前側の端部）に特定負荷点Ａを設定し、長手方向の他端（紙面奥側の端部）に固定点Ｂを設定し、モデル６９ａ上に任意点Ｃを設定して、剛性指標Ｕ^＊を算出している。

図６に示すように、領域ＵＳにおいて、モデル６９ａの稜線部分が他の部分と比べて固定点側に延びていて、山部となっていることが分かる。剛性指標Ｕ^＊は特定負荷点に近い程高いため、領域ＵＳが固定点側に延びているということは、山部の部分は、長手方向における同じ位置と比較して剛性指標Ｕ^＊が高くなっていることを意味する。剛性指標Ｕ^＊が高いということは、特定負荷点との結びつきが強いことを意味しており、特定負荷点に荷重を入力した際に荷重が伝達されやすい部分であることを意味する。つまり、フレーム部材の長手方向における同じ位置で剛性指標Ｕ^＊を比較したときに、他の領域よりも剛性指標Ｕ^＊が高い部分は、特定負荷点から固定点までの荷重伝達パスを形成することになる。このモデル６９ａでいえば、図６に示すように、モデル６９ａの稜線部分が長手方向の同じ位置における他の部分よりも剛性指標Ｕ^＊が高いため、稜線部分が荷重伝達パスを形成することになる。

（補強部位の特定）
ここで、図７に示すように、モデル６９ａにおいて、同じ稜線部分であったとしても、山部の特定負荷点からの距離が異なることがある。これは、このモデル６９ａでは、接続部６９ｂの位置において荷重の伝達のしやすさが異なるために生じる。すなわち、接続部６９ｂにおいて、下側の稜線部は１つの平板状の部材が配置されている一方で、上側の稜線部分は部分的に溶接されているだけであるため、上側の稜線部分は下側の稜線部分と比較して、接続部６９ｂに荷重伝達が阻害されやすい。このため、上側の稜線部分の山部αと荷重入力点（ここでは、特定負荷点）との距離Ｌ１の方が、下側の稜線部分の山部βと荷重入力点との距離Ｌ２の方よりも短くなる。以下、所定のレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める領域と荷重入力点との距離をレンジ距離ということがある。

このように、荷重伝達のしやすさに差が生じると、実際に荷重が入力されたときには、最も荷重が伝達しやすい部分が主な荷重伝達経路となる。山部間の距離Ｄ（図７参照）が小さければ、荷重伝達のしやすさにあまり差がなく、複数の荷重伝達経路が形成され得るが、距離Ｄが大きいときには、最も荷重伝達がしやすい部分のみが荷重伝達経路となって、その他の部分は荷重伝達経路として機能しなくなってしまう。したがって、フレーム部材のモデルに対して前述のように剛性指標Ｕ^＊を算出して、該モデルの長手方向において剛性指標Ｕ^＊が異なる部分を探ることで、モデルとなったフレーム部材において荷重伝達経路を適切に形成するために補強すべき部位を探ることができる。

本実施形態では、フレーム部材のなかでも、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と、該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造形成するアウター部とを有するフレーム部材に対して前述のような構造解析を行って、算出した剛性指標Ｕ^＊に基づいて、補強部位を特定するようにした。

具体的には、図４のステップＳ９の補強部位特定ステップにおいて、前述のようなフレーム部材のモデルの長手方向において、インナー部とアウター部とで剛性指標Ｕ^＊が異なる部位を探ることで、モデルとなったフレーム部材の補強部位を特定するようにした。

補強部位特定ステップでは、図８に示すように、まず、ステップＳ９１において、ＣＰＵ３は、前記ステップＳ８の分割ステップで分割した剛性指標Ｕ^＊のうち低い方から１番目のレンジの領域ＵＳを表示する。

次に、ステップＳ９２において、ＣＰＵ３は、インナー部の稜線部分の領域ＵＳ内の複数箇所でモデルの横断面を取得する。前述したように、ここで想定しているモデルのインナー部は断面多角形状の閉断面構造を有する。このため、領域ＵＳのうち稜線部分に表示されるのは、基本的には領域ＵＳの山部の部分になる。つまり、このステップＳ９２では、インナー部に表示される領域ＵＳのうち山部の位置で横断面を複数取得することになる。尚、図９Ａ等で示すが山部にはある程度幅がある。山部のどの位置で横断面を取得するかは任意に設定してよいが、少なくとも、最も特定負荷点に近い位置、もっと固定点に近い位置、及びその中間位置の３箇所は取得することが好ましい。

次いで、ステップＳ９３において、ＣＰＵ３は、前記ステップＳ９２で取得した全ての横断面において、アウター部に領域ＵＳが含まれていないか否か、すなわち、フレーム部材のモデルの長手方向において、インナー部とアウター部とで領域ＵＳの位置がずれていないか否かを判定する。ＣＰＵ３は、全ての横断面においてアウター部に領域ＵＳが含まれていないＹＥＳのときにはステップＳ９４に進む。一方で、ＣＰＵ３は、少なくとも１つの横断面においてアウター部に領域ＵＳが含まれているＮＯのときにはステップＳ９７に進む。

前記ステップＳ９４では、ＣＰＵ３は、表示した領域において、インナー部の稜線部分のレンジ距離と、アウター部の稜線部分のレンジ距離との差が所定値以上であるか否かを判定する。インナー部もアウター部も稜線部分は基本的には領域ＵＳの山部の位置になるため、このステップＳ９４の判定は、インナー部の山部と特定負荷点との距離と、アウター部の山部と特定負荷点との距離との差が所定値以上であるか否かという判定に読み替えることができる。ＣＰＵ３は、前記レンジ距離の差が所定値以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ９５に進む。一方で、ＣＰＵ３は、前記レンジ距離の差が所定未満であるＮＯのときには、ステップＳ９７に進む。このとき、レンジが占める領域にはある程度幅がある。このステップＳ９４では、特定負荷点と領域ＵＳの幅方向の中点との間の距離をレンジ距離とする。尚、フレーム部材の長さ等に応じて任意に設定してよいが、概ねレンジの幅程度の長さに設定することができる。

前記ステップＳ９５では、ＣＰＵ３は、モデルとなったフレーム部材の補強部位を特定する。具体的には、フレーム部材のモデルの長手方向における、インナー部の稜線部分に表示された領域ＵＳの範囲と同じ範囲を、該フレーム部材の補強部位とする。

次のステップＳ９６では、ＣＰＵ３は、分割した全てのレンジについて評価が終了したか否かを判定する。分割した全てのレンジについて評価が完了しているＹＥＳのときには、ＣＰＵ３は、補強部位特定ステップを終了する。一方で、少なくとも一部のレンジについて評価が完了していないＮＯのときには、ステップＳ９７に進む。

前記ステップＳ９７では、評価が完了したレンジの次のレンジ、すなわち、１つ大きいレンジの領域ＵＳを表示する。ステップＳ９７の後はステップＳ９２に戻る。

図９Ａ～図１１Ｃは、複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体をモデルとして、本実施形態に係る構造解析と補強部位の特定とを行った結果を示す。このシミュレーションでは、車両前部のサスタワーの部分を特定負荷点とし、車両後部に固定点を設定している。図９Ａは、モデルの一部である車体のフロントピラー８１の部分を示している。このフロントピラー８１は、断面多角形状の閉断面構造を形成するピラーインナー部８２と、ピラーインナー部８２を車両外側から覆うように配置されかつピラーインナー部８２と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するピラーアウター部８３とを有する。図９Ｂは、モデルの一部である車体のサイドシル８４の部分を示している。サイドシル８４は、断面多角形状の閉断面構造を形成するサイドシルインナー部８５と、サイドシルインナー部８５を車両外側から覆うように配置されかつサイドシルインナー部８５と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するサイドシルアウター部８６とを有する。尚、モデルが車体を模しているときには、各フレーム部材の各モデルにおける特定負荷点に近い側の端部（ここでは車両前側の端部）を荷重入力点とみなして、モデルとなった車体を構成する各フレーム部材の補強部位を特定する。

図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、分割した剛性指標Ｕ^＊のうち１つのレンジが占める領域をモデルのフロンピラー８１に重ねて示したものである。図１０Ａはピラーインナー部８２を示し、図１０Ｂはピラーアウター部８３を示し、図１０Ｃはピラーインナー部８２の稜線部分における領域ＵＳの位置で切断した横断面図である。各図において、黒色で塗りつぶしている部分が領域ＵＳに相当する。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ピラーインナー部８２の稜線部分とピラーアウター部８３の稜線部分とで領域ＵＳの位置が大きくことなることが分かる。具体的には、ピラーインナー部８２の方が、ピラーアウター部８３と比較して領域ＵＳが車両後側の位置、すなわち固定点に近い位置に位置していることがわかる。実際に図１０Ｃに示す横断面図では、ピラーインナー部８２のみに領域ＵＳが含まれており、ピラーアウター部８３には領域ＵＳが含まれていないことが分かる。これは、ピラーインナー部８２の稜線部分の方が、ピラーアウター部８３の稜線部分と比較して荷重を伝達しやすいことを表している。特に、図１０Ａと図１０Ｂとを比較すると、ピラーインナー部８２の稜線部分における領域ＵＳの位置と、ピラーアウター部８３の稜線部分における領域ＵＳの位置とは、明らかに領域ＵＳの幅分以上の距離が開いていることが分かる。すなわち、荷重入力点をフロントピラー８１の前側端部としたときに、ピラーインナー部８２の稜線部分のレンジ距離と、ピラーアウター部８３の稜線部分のレンジ距離との差が所定値以上であるといえる。このため、ピラーアウター部８３は荷重伝達経路として機能せず、ピラーインナー部８２のみが荷重伝達経路として機能するようになる。したがって、ＣＰＵ３は、フロントピラー８１の長手方向における、ピラーインナー部８２の稜線部分に表示された領域ＵＳの範囲と同じ範囲を、モデルとなった車体のフロントピラーの補強部位として特定する。

図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、分割した剛性指標Ｕ^＊のうち１つのレンジが占める領域をモデルのサイドシル８４に重ねて示したものである。図１１Ａはサイドシルインナー部８５を示し、図１１Ｂはサイドシルアウター部８６を示し、図１１Ｃはサイドシルインナー部８５の稜線部分における領域ＵＳの位置で切断した横断面図である。各図において、黒色で塗りつぶしている部分が領域ＵＳに相当する。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、フロントピラー８１と同様に、サイドシルインナー部８５の方が、サイドシルアウター部８６と比較して領域ＵＳが車両後側の位置、すなわち固定点に近い位置に位置していることがわかる。また、図１１Ｃに示す横断面図では、サイドシルインナー部８５のみに領域ＵＳが含まれており、サイドシルアウター部８６には領域ＵＳが含まれていないことが分かる。これは、サイドシルインナー部８５の稜線部分の方が、サイドシルアウター部８６の稜線部分と比較して荷重を伝達しやすいことを表している。特に、図１１Ａと図１１Ｂとを比較すると、サイドシルインナー部８５の稜線部分における領域ＵＳの位置と、サイドシルアウター部８６の稜線部分における領域ＵＳの位置とは、明らかに領域ＵＳの幅分以上の距離が開いていることが分かる。すなわち、荷重入力点をサイドシル８４の前側端部としたときに、サイドシルインナー部８５の稜線部分のレンジ距離と、サイドシルアウター部８６の稜線部分のレンジ距離との差が所定値以上であるといえる。このため、サイドシルアウター部８６は荷重伝達経路として機能せず、サイドシルインナー部８５のみが荷重伝達経路として機能するようになる。したがって、ＣＰＵ３は、サイドシル８４の長手方向における、サイドシルインナー部８５の稜線部分に表示された領域ＵＳの範囲と同じ範囲を、モデルとなった車体のサイドシルの補強部位として特定する。

（補強ステップ）
次に、補強部位特定ステップで特定された補強部位に補強部を設定する補強ステップ（図３のステップＳ１０）について図１２及び図１３を参照しながら説明する。

補強ステップでは補強部位特定ステップにおいて特定された補強部位を含むように、補強部を設定する。図１２は、モデルのフロントピラー８１の部分に補強部Ｒを配置した状態を示す。補強部Ｒは、車体の重量を出来る限り増加させないような部材、例えば発泡樹脂材が用いられるため、ここでは発泡樹脂材を想定している。補強部Ｒは、ピラーインナー部８２の稜線部分とピラーアウター部８３の稜線部分とを接続するように配置される。また、補強ステップにおいて、図１３に示すように、補強部Ｒは、補強部位を含むように、互いに接続された各フレーム部材の接続部に対応する部分を含むように設定される。フロントピラー８１の部分を例にすると、補強部Ｒは、フロントピラー８１とヒンジピラー１３０１との接続部分、フロントピラー８１とルーフサイドレール１３０２との接続部分、及びフロントピラー８１とセンターピラー１３０３との接続部分を含むように設定される。また、図１３に示すように、補強ステップにおいて、補強部Ｒの形状は、フレーム部材の延びる方向に延びる形状に設定される。尚、図１３では、補強部Ｒは、フロントピラー８１の全体に亘って延びているが、フロントピラー８１の中間部分が補強部位に含まれないときには、当該中間部分には補強部Ｒは設定されない。また、補強部Ｒの部材は、必ずしも発泡樹脂材である必要はなく、フレーム部材を構成する金属よりも密度が低い物質であれば他の樹脂材や金属製の部材を想定してもよい。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、補強部Ｒを配置した状態の車体をモデルとして再度構造解析を行った結果である。図１４Ａはピラーインナー部８２を示し、図１４Ｂはピラーアウター部８３を示す。ここで示す領域ＵＳは、図１０Ａ及び図１０Ｂで示した剛性指標Ｕ^＊のレンジと同じレンジが占める領域である。

図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、補強部Ｒを配置したときには、ピラーインナー部８２とピラーアウター部８３とで、領域ＵＳが長手方向の略同じ位置に広がっていることが分かる。これは、補強部Ｒを配置したことにより、補強部Ｒが無いときと比較して、ピラーインナー部８２とピラーアウター部８３とがより一体的になって、ピラーインナー部８２とピラーアウター部８３との両方が荷重伝達経路として機能し得るようになったことを意味する。したがって、この解析結果から、剛性指標Ｕ^＊に基づいて特定された補強部位に補強部を適切に配置することで、フロントピラーの剛性が向上して、ピラーインナー部とピラーアウター部とで荷重を適切に分散して伝達させることができるようになることが分かる。

図１５及び図１６は、モデルとなった車体について、ねじり固有値及び車体剛性を補強部Ｒの有無で比較した結果である。図１５及び図１６では、補強部Ｒが無い状態を１００として、補強部Ｒを設けた場合のねじり固有値及び車体剛性を表している。ねじり固有値はねじり剛性の高さを表す指標であり、ねじり固有値が高いほどねじり剛性が高い。

図１５及び図１６に示すように、補強部Ｒを設けることで、ねじり固有値及び車体剛性のいずれも向上することが分かる。すなわち、補強部Ｒを適切に配置することにより、外部からの荷重に対する車体の剛性を向上させることができる。したがって、本実施形態に係る設計支援方法により、フレーム部材の補強すべき部位を特定することで、効果的な補強部の配置など、該フレーム部材の剛性を向上させる効果的な構造対策を検討することができる。

（まとめ）
したがって、本実施形態では、ＣＰＵ３が、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有するフレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、該モデル上における剛性指標Ｕ^＊の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出する剛性指標算出ステップ（ステップＳ１～Ｓ７）と、ＣＰＵ３が、剛性指標算出ステップで算出された剛性指標Ｕ^＊を複数のレンジに分割する分割ステップ（ステップＳ８）と、モデルの横断面を取得したときに、インナー部とアウター部とで剛性指標Ｕ^＊が異なるレンジになっている部分を、モデルとなったフレーム部材の補強すべき補強部位として特定する補強部位特定ステップ（ステップＳ９）と、を含む。

特に、本実施形態では、補強部位特定ステップは、インナー部の稜線部分とアウター部の稜線部分とにおいて、剛性指標Ｕ^＊が異なるレンジになっている部分を補強部位として特定するステップである。

これにより、インナー部とアウター部とで荷重の伝えやすさが異なる部分を明らかにすることができ、モデルとなったフレーム材において補強が必要な補強部位を明らかにすることができる。この結果、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。

また、本実施形態では、補強部位特定ステップは、インナー部の稜線部分における所定のレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める部分と荷重入力点との距離と、アウター部の稜線部分における所定のレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める部分と荷重入力点との距離とが所定量以上異なる部分を補強部位として特定するステップである。これにより、モデルとなったフレーム部材において、特に荷重が分散されにくい部分を適切に特定することができる。この結果、フレーム部材の強度を向上させる構造対策がより検討しやすくなる。

また、本実施形態では、解析対象とするモデルは、複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しており、荷重入力点は、各フレーム部材の各モデルにおける特定負荷点に近い側の端部にそれぞれ設定されている。これにより、所定のレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める部分と荷重入力点との距離を容易に算出できるようになり、補強部位をより容易に特定することができる。

また、本実施形態では、補強部位における、インナー部の稜線部分とアウター部の稜線部分とを連結する補強部を設定する補強ステップ（ステップＳ１０）を更に含み、補強ステップは、補強部位を含むようにフレーム部材の延びる方向に延びる補強部を設定するステップである。これにより、補強部を設けることによる剛性指標の変化を検討することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。特に、補強部を、インナー部の稜線部分とアウター部の稜線部分とを連結する構成とすることで、荷重伝達経路を補強部で繋いだような状況を想定することができ、特に効果が期待できる構造対策を検討することができる。

特に、解析対象とするモデルが、複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しているときには、補強ステップは、補強部位を含むように、互いに接続された各フレーム部材の接続部に対応する部分に補強部を設定するステップである。これにより、荷重伝達が特に悪化しやすい部分であるフレーム部材同士の接続部に補強部を設けたときの剛性指標の変化を検討することができ、フレーム部材の強度を向上させる構造対策が検討しやすくなる。また、補強部を接続部に限定することで、補強部を設けることによる重量増加を抑制した状態での剛性指標の変化を検討することができる。

（その他の実施形態）
ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、前述の実施形態では、インナー部の稜線部分とアウター部の稜線部分とにおいて、剛性指標Ｕ^＊が異なるレンジになっている部分に注目した。これに限らず、１つのレンジの剛性指標Ｕ^＊が占める領域ＵＳにおいて、前述した山部となっている部分を含むように横断面を取得するのであれば、必ずしも稜線部分に注目する必要はない。

また、前述の実施形態では、複数のフレーム部材で構成された車体を模したモデルに対して解析を行っていた。しかし、モデルとなるフレーム部材がインナー部とアウター部とで構成されてさえいれば、モデルは必ずしも車体を模している必要はなく、例えば複数のフレーム部材で構成された建物を模したモデルを解析の対象としてもよい。

また、前述の実施形態では、補強ステップ（ステップＳ１０）が含まれていたが、補強ステップは必ずしも含まれている必要はなく、補強部位特定ステップ（ステップＳ９）により補強部位を特定するまでに留めてもよい。

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

ここに開示された技術は、フレーム部材の強度を向上させる構造対策を検討するための設計支援方法として有用である。

１ コンピュータシステム（コンピュータ）
３ ＣＰＵ（演算部）
６９ モデルデータ
Ｓ１～Ｓ７ 剛性指標算出ステップ
Ｓ８ 分割ステップ
Ｓ９ 補強部位特定ステップ
Ｓ１０ 補強ステップ
ＵＳ 領域（１つのレンジの剛性指標が占める領域）

Claims (7)

1. 演算部を有するコンピュータを用いたフレーム部材の設計支援方法であって、
   前記演算部が、断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有する前記フレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、該モデル上における剛性指標の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出する剛性指標算出ステップと、
   前記演算部が、前記剛性指標算出ステップで算出された前記剛性指標を複数のレンジに分割する分割ステップと、
   前記モデルの横断面を取得したときに、前記インナー部と前記アウター部とで前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を、前記モデルとなった前記フレーム部材の補強すべき補強部位として特定する補強部位特定ステップと、を含むことを特徴とする設計支援方法。
2. 請求項１に記載の設計支援方法において、
   前記補強部位特定ステップは、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とにおいて、前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を前記補強部位として特定するステップであることを特徴とする設計支援方法。
3. 請求項２に記載の設計支援方法において、
   前記補強部位特定ステップは、前記インナー部の稜線部分における所定のレンジの前記剛性指標が占める部分と荷重入力点との距離と、前記アウター部の稜線部分における前記所定のレンジの前記剛性指標が占める部分と前記荷重入力点との距離とが所定量以上異なる部分を前記補強部位として特定するステップであることを特徴とする設計支援方法。
4. 請求項３に記載の設計支援方法において、
   前記フレーム部材は、複数ありかつ車体を構成するように互いに接続されており、
   前記モデルは、前記複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しており、
   前記荷重入力点は、前記各フレーム部材の各モデルにおける前記特定負荷点に近い側の端部にそれぞれ設定されていることを特徴とする設計支援方法。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の設計支援方法において、
   前記補強部位における、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とを連結する補強部を設定する補強ステップを更に含み、
   前記補強ステップは、前記補強部位を含むように前記フレーム部材の延びる方向に延びる前記補強部を設定するステップであることを特徴とする設計支援方法。
6. 請求項５に記載の設計支援方法において、
   前記フレーム部材は、複数ありかつ車体を構成するように互いに接続されており、
   前記モデルは、前記複数のフレーム部材が互いに接続されて構成された車体を模しており、
   前記補強ステップは、前記補強部位を含むように、互いに接続された前記各フレーム部材の接続部に対応する部分に前記補強部を設定するステップであることを特徴とする設計支援方法。
7. フレーム部材の設計支援装置であって、
   演算部を有し、
   前記演算部は、
   断面多角形状の閉断面構造を有するインナー部と該インナー部と協働して断面多角形状の閉断面構造を形成するアウター部とを有する前記フレーム部材のモデルに対して、特定負荷点に荷重をかけた際の、該モデル上における剛性指標の分布を、有限要素法による構造解析を行うことで算出し、
   算出された前記剛性指標を複数のレンジに分割し、
   前記モデルの横断面における、前記インナー部の稜線部分と前記アウター部の稜線部分とで前記剛性指標が異なるレンジになっている部分を、前記モデルとなった前記フレーム部材の前記補強部位として特定することを特徴とする設計支援装置。