JP4266783B2 - 柔軟物の変形解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、柔軟物の特定部位の移動に伴う柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった柔軟物の変形解析装置に関するものである。

工業製品の設計に際して、有限要素法による剛性解析は従来から広く行われており、例えば特許文献１によれば、自動車のタイヤの製造に際して、その試作の回数を減らすために、要素数及び節点数を減少させて能率よく変形解析等の実装状態での総合的なタイヤ性能をシュミレーションするタイヤ解析モデルの作成方法が開示されている。

一方、敢えて有限要素法に依らずに、変形解析の演算負荷を軽減して変形解析の評価を画面上で行うために、特許文献２によれば、三次元的に車両に配線されるワイヤハーネスの三次元設計データのデータ入力工程と、基準配線データの画像を三次元仮想空間に背景画像として表示する画像表示工程と、三次元設計データを背景画像に重ねて表示する三次元設計データ表示工程と、データ入力手段での入力に応じて三次元設計データとしてのワイヤハーネスの形状を変更して表示する三次元データ変形工程とを備え、例えばマウスにより三次元仮想空間で三次元設計データを移動させてポリゴン処理・表示により基準配線データ画像に対応させるワイヤハーネスの三次元仮想組立方法が開示されている。これにより、ワイヤハーネスの試作品が車両に配線される際の寸法不足、無理な取付け角度等の発生をできるだけ回避して、試作を繰返さないで配線状態を設定しようとしている。また、シート状柔軟物については、その複雑な三次元変形の運動を解析するために、特許文献３により、紙等のシート状柔軟物を複数の微小剛体に分割するとともに、各微小剛体間を３種類の弾性体とシート状柔軟物の並進方向に面分を有するシェル要素とによって連結した運動解析モデルを作成して、シート状柔軟物の三次元動的変形を微小剛体の集合についての運動解析により近似したシート状物体の運動解析方法が開示されている。
特開２００２−８２９９８号公報 特開２００２−３７３５３３号公報 特開２００２−３５２１７６号公報

特許文献１或は特許文献２の解析方法を含めて、解析有限要素法に依るか否かに拘らず、剛性解析は特定の入力条件に対して特定の解析結果を求めるのが一般的であり、ワイヤハーネス、パイプ等のような線状体或はバンパカバーのようなプレート状の柔軟物の変形解析についても入力条件に対応する変形形状を一義的に確認している。また、特許文献３による運動解析方法は、紙等のシート状柔軟物の複雑な挙動の解析方法を教示するもので、例えばワイヤハーネスについて、その拘束点間のフリー領域が例えば振動により変位する際に周辺部品に干渉しないか否か等のように、解析対象となる柔軟物の特定部位の移動に対して、柔軟物の変形を視覚的に確認するような解析装置は存在していない。

本発明は、このような点に鑑みて、柔軟物の拘束点間の特定部位を移動させた場合の解析対象の柔軟物全体の変形を有限要素法により高精度に解析して画面上で確認可能にする柔軟物の変形解析装置を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、少なくとも２個所の所定部位で拘束された柔軟物に対する拘束部位間の特定部位の移動に伴う柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった柔軟物の変形解析装置であって、画面上に柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行う画像表示手段と、柔軟物の画面上で指示された特定部位及び移動させられた移動位置を三次元仮想空間の三次元座標値として認識する座標値認識手段と、柔軟物の解析モデルに対して認識された特定部位を節点として設定し、さらこの節点の両側の拘束部位間をそれぞれ互いに等間隔に分割する複数個の節点を設定する節点設定手段と、柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、認識された移動位置及び設定された節点の三次元座標値データに応答して、有限要素法により特定部位の移動に伴って初期状態の解析モデルが変形するのを解析して変形解析モデルを作成する変形解析手段とを備え、画像表示手段が、解析された変形解析モデルに応答して、変形した柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行うことを特徴とする。

所定部位を拘束された線状もしくはプレート状柔軟物が、その形状を模して画面上の三次元仮想空間に表示されると共に、画面上で特定部位の移動が指示されると、その柔軟物の変形が解析され、柔軟物の三次元形状を模した変形状態が表示される。

解析対象としては、請求項２により、柔軟物が線状体であり、変形解析手段が、特定部位の移動に対応して線状体の中心部に対応する線状の変形解析モデルを作成し、画像表示手段が変形解析モデルに応答して変形した線状体の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うか、或は請求項３により、柔軟物がプレートであり、変形解析手段が、特定部位の移動に対応して面状の変形解析モデルを作成し、画像表示手段が変形解析モデルに応答して変形したプレートの三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行う。干渉に関連した解析を容易にするには、請求項４により、画像表示手段が、変形する柔軟物に干渉する恐れのある対象物の三次元形状を模して三次元仮想空間にグラフィック表示を行う。

請求項１の発明によれば、曲げ弾性或は撓みを伴って変形する柔軟物の特定部位を移動させた場合の解析対象の全体形状の変形が、有限要素法で精度良く解析されると共に、その三次元形状を模して表示され、したがって変形過程も容易に想定でき、柔軟物製の部品を実装する際の周辺部品との干渉、或は実装状態での変動に伴う周辺部品との干渉等の変形に伴う問題点が、画面上で高精度に評価可能となる。つまり、柔軟物製の部品設計に際して剛性、形状或は拘束位置等が、容易、かつ高精度に決定できるようになり、試作品への依存度を軽減もしくは無くすことができる。このため、請求項２又は請求項３に明示したように、線状又は面状の柔軟物の変形がグラフィック表示される。請求項４の発明によれば、関連備品の背景表示により、変形過程での干渉等の周辺に対する問題が一層容易、かつ精度良く評価可能になる。

図１乃至図３を基に本発明の実施の形態の一例による柔軟物の変形解析装置を説明する。この装置はコンピュータを用いるもので、画面１ａに表示を行う画像表示装置１と、キーボード２、マウス３及び記憶媒体の読取り器４を有する入力部１ｂを備えると共に、データ処理装置としてＣＰＵ、メモリ等を内蔵して、プログラムにより作動することにより次の各部を構成している。

即ち、画面１ａの三次元仮想空間の座標軸上に、例えば線状体である柔軟物をその三次元形状を模してグラフィック表示する画像表示手段１０と、三次元仮想空間の三次元座標値で形状を規定された柔軟物に対して画面１ａ上で指示された特定部位及びその移動位置の三次元座標値を認識する座標値認識手段１１と、有限要素法による変形解析のために、認識された特定部位を含めて線状体の拘束部位間を分割する初期状態の解析モデルの要素の節点を設定する節点設定手段１２と、解析対象となる線状体を分割した解析モデルの節点を三次元座標値データとして設定されると共に、柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、特定部位の移動位置の三次元座標値データに応答して、非拘束の途中の節点の三次元座標値を変形解析して線状体の変形解析モデルを作成する変形解析手段１３とを備えている。

画像表示手段１０は、画面１ａの二次元座標系に、見掛け上の三次元座標系の三次元仮想空間を表示するもので、解析対象になる柔軟物の初期状態及び変形した解析モデルに応答して、予め入力されている三次元形状データを基にグラフィック処理を行い、線状体の実際の三次元形状を模したグラフィック表示を行う。また、この画像表示手段は、線状体に付属したり、干渉する可能性がある周辺の部品等の関連部品の三次元形状も表示する。

座標値認識手段１１は、画面１ａに三次元座標系を表示してマウス３により三次元の特定部位及び移動位置を指示させ、その指示位置の三次元座標値データを出力する。即ち、マウス３で指示した特定部位を原点として三次元座標系を表示し(図３参照)、ＸＹＺ軸のいずれかに沿った一次元の移動、いずれか２軸で規定される二次元面での移動或はさらに残りの軸に沿った移動を加えた三次元の移動した位置の三次元座標値を出力する。その際、例えばＺ軸は２点の拘束点間を結ぶ基準ラインＬ(図２参照)に設定され、Ｘ軸はＺ軸に直交する水平方向のライン、Ｙ軸はＸ軸及びＺ軸に対して直交状態に設定される。また、これらの軸上での画面上の移動量が実際の移動量に所定比で比例するように設定されている。

節点設定手段１２では、線状体の実線の配線状態に対応して、その中心線の解析モデルＭ１について、２点の拘束点の節点ａ_０，ａ_１ （xa_０,ya_０, za_０; xa_１,ya_１,
za_１）及びその間の例えば１０ｍｍ間隔程度の１５個の節点群ｂ１〜ｂ１５（xb,yb, zb）が予め設定されており、特定部位Ｐ１が指示されると、この特定部位に対して両側の節点群ｂ１〜ｂ１５に対してそれぞれの側で互いに等間隔になるように、Ｐ１を含めて１６個の節点を設定する。

変形解析手段１３は、ワイヤハーネス、パイプ等の線状体に対してはその中心線に対応する線状の解析モデルＭ１のその都度設定された複数の節点について、周知の有限要素法により変形解析を行い、線状の変形解析モデルＭ２の三次元座標値データで作成する。

このように構成された柔軟物の変形解析装置の動作を自動車のインストルメンタルパネルの裏側に配線されるワイヤハーネス５について説明する。図３に示すように、この可撓性、曲げ弾性等を有する電線束であるワイヤハーネス５は、途中位置をクランプ６で固定され、先端部にコネクタ７を取付けて座部７ａに着脱自在に拘束されている。

変形解析手段１３には、ワイヤハーネス５の単位電線及びその被覆のヤング率、ポアソン比、密度等の物性、断面形状、本数、全体の断面・長さ等の変形解析に必要な解析条件が入力されている。この変形解析手段、画像表示手段１０及び座標値認識手段１１に対する入力操作は、入力部１ｂのキーボード２、或はＣＡＤデータ等を利用して記憶媒体に保持されている場合には読取り器４を介して行われる。

図３に実線で示すように、画面１ａには、ワイヤハーネス５の配線状態が、コネクタ７の装着状態で変位した際に干渉する恐れのある部品８，９と共に、初期状態の解析モデルＭ１に応答して三次元表示されている。

画面１ａ上でマウス３のカーソルにより、節点ｂ８及びｂ９間に特定部位Ｐ１が指定されると(図２Ａ)、その位置を原点として三次元座標系ＸＹＺが表示される。例えば基準ラインＬに直交するＸ軸に沿ってマウス３のドラッグにより、例えば想定される振動により３０ｍｍに相当する距離だけ移動位置Ｐ２への移動を指示したとすると(図２Ｂ)、座標値認識手段１１によりその移動位置が三次元座標値として認識され、節点設定手段１２は、節点ａ_０，ｂ１〜ｂ８、Ｐ１並びにＰ１、ｂ９〜ｂ１５、ａ_１の間隔をそれぞれの側で等間隔に設定する(図２Ｂ)。変形解析手段１２では、有限要素法により移動位置Ｐ２に対する節点群ｂ１〜ｂ８及びｂ９〜ｂ１５の各変位位置が解析され、変形解析モデルＭ２が作成される。画像表示手段１０は、変形解析モデルＭ２のデータに応答して、変形したワイヤハーネス５の形状データを作成して、図３に示すように、グラフィック表示する。

これにより、ワイヤハーネス５の非拘束領域の振動等に起因する想定した変位に対してワイヤハーネス５のクランプ６及びコネクタ７間の変形形状が容易に評価でき、部品８，９に干渉するか否かもしくは干渉の程度を容易、かつ有限要素法により高精度に評価することができる。したがって、車両製造に際して、ワイヤハーネスの剛性或はその配索、クランプ６或はコネクタ７の位置の設計が、周辺の部品に対する干渉等を考慮して高精度に行われる。従来から車両製造時に寸法不足も含めて干渉等の問題を生じ易かったワイヤハーネスに対して、振動に対する変形解析と併せて行うことにより、試作を繰返さずに済むようになる。

Ｘ軸の移動に限らず、Ｙ軸或はＺ軸に沿って移動させる場合も１回のクリックで移動位置を設定することができる。ＸＹ軸面上で移動位置を設定する場合も１回のクリックで済む。ＸＹ軸面又はＹ軸上の移動に加えて、Ｚ軸方向の移動も加える場合には、原点からＺ軸に沿った移動位置の設定も加えて２回のクリックで移動位置Ｐ２を設定することができる。

尚、特定部位の移動経路の指示は、マウス３に依らない別の指示手段も可能であり、例えば画面をタッチパネルで構成して、前述のようにＸＹＺ軸の三次元座標系を表示して座標値認識手段に指で指示された移動位置を認識させるように構成することも可能である。

別の実施の形態として、周囲を拘束されたプレート状柔軟物の面状の変形を解析することもでき、節点設定手段はメッシュ状の要素に分解した解析モデルの初期状態の節点に対して特定部位の指示に応じてメッシュ及び節点を再設定し、変形解析手段はプレート状柔軟物の物性、形状、厚み等の変形解析に必要な解析条件が、設定された節点情報と共に入力されて面変形を解析し、画像表示手段に面状の変形を表示させる。

本発明の実施の形態による柔軟物の変形解析装置の構成を示す図である。 同装置の動作を説明する図である。 同装置の画面表示状態を説明する図である。

符号の説明

１ａ 画面
３ マウス
５ ワイヤハーネス
６ クランプ
７ コネクタ
８，９ 部品
Ｍ１ 解析モデル
Ｍ２ 変形解析モデル

Claims (4)

1. 少なくとも２個所の所定部位で拘束された柔軟物に対する拘束部位間の特定部位の移動に伴う前記柔軟物の変形過程を解析して、画像表示装置の画面に表示するようになった前記柔軟物の変形解析装置であって、
   前記画面上に前記柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行う画像表示手段と、前記柔軟物の前記画面上で指示された前記特定部位及び移動させられた移動位置を三次元仮想空間の三次元座標値として認識する座標値認識手段と、前記柔軟物の解析モデルに対して認識された前記特定部位を節点として設定し、さらにこの節点の両側の前記拘束部位間をそれぞれ互いに等間隔に分割する複数個の節点を設定する節点設定手段と、前記柔軟物の物性データ、形状データ及び拘束条件を入力条件として、認識された前記移動位置及び設定された前記節点の三次元座標値データに応答して、有限要素法により前記特定部位の移動に伴って初期状態の前記解析モデルが変形するのを解析して変形解析モデルを作成する変形解析手段とを備え、
   前記画像表示手段が、解析された前記変形解析モデルに応答して、変形した前記柔軟物の三次元形状を模したグラフィック表示を行うことを特徴とする柔軟物の変形解析装置。
2. 柔軟物が線状体であり、変形解析手段が、特定部位の移動に対応して前記線状体の中心部に対応する線状の変形解析モデルを作成し、画像表示手段が前記変形解析モデルに応答して変形した前記線状体の三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする請求項１記載の柔軟物の変形解析装置。
3. 柔軟物がプレートであり、変形解析手段が、特定部位の移動に対応して面状の変形解析モデルを作成し、画像表示手段が前記変形解析モデルに応答して変形した前記プレートの三次元形状を模したグラフィック表示を逐次行うことを特徴とする請求項１記載の柔軟物の変形解析装置。
4. 画像表示手段が、変形する柔軟物に干渉する恐れのある対象物の三次元形状を模して三次元仮想空間にグラフィック表示を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の柔軟物の変形解析装置。

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