JP4344204B2 - ワイヤー様構造物の形状予測方法、その装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、有限要素法を利用して形状予測する方法、その装置及びそのプログラムに関し、特に、その配策部位に障害物が存在した際に有効なワイヤー様構造物の形状予測方法、その装置及びそのプログラムに関する。

通常、車両等においては、複数の電装品が搭載されており、これらは、上記線条材として、複数の電線や通信線がインシュロック等の結束部材やテープ等の保護部材によって束ねられた、いわゆる、ワイヤーハーネスとよばれるワイヤー様構造物で接続されている。図１に示すように、ワイヤーハーネス１は、各端部に電装品等と接続されるコネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが取り付けられている。また、その中間部には各種クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが取り付けられ、更に、分岐点４を有している。なお、このようなワイヤーハーネス１は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各線の太さ、長さ、弾性、剛性等も様々である。

従来、このようなワイヤーハーネスを車両内の所定部位に配策することを想定して、形状予測する方法としては、ＣＡＤ（Computer Aided Design）とＣＡＥ（Computer Aided Engineering）等を組み合わせたコンピュータによる支援システムが利用されることが多い。この支援システムの基本的な手法は、ＣＡＤを用いて電線の太さ、長さ、種類等を反映したワイヤーハーネスの詳細形状をモデリングして描画させた後、所定の汎用ＣＡＥに必要データを数値入力して予測形状を計算させ、この計算結果を評価した後、再度、ＣＡＤを用いて予測形状を描画させるようにしていた。そして、このようなサイクルがＣＡＤや汎用ＣＡＥ等の操作に習熟した設計者によって試行錯誤的に繰り返されていた。
Ｂ．ナス著「マトリックス有限要素法」ブレイン図書出版株式会社出版、１９７８年８月１０日、ｐ．７−１５ 大淵竜太郎、"物理モデリング 第５回"、[online]、２００３年５月１６日、[平成１５年７月１４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.kki.yamanashi.ac.jp/~ohbuchi/courses/2003/PBM2003/PBM2003.html＞

ところで、実際的には、図１に示すように、ワイヤーハーネスの配策が想定される部位には、各種電装機器や出張り等のような障害物３０が存在することが多い。そうすると、ワイヤーハーネスの変形にともない障害物３０とワイヤーハーネスとの接触点も変化していくことになる。したがって、逐次変化していく障害物３０とワイヤーハーネスとの接触点を計算したうえで、この接触点を反映させて経路予測することが望ましいが、ワイヤーハーネスは構成線条材の数や種類、各線の太さ、長さ、弾性、剛性等も様々であるため、たとえ障害物がないときでも、正確な経路予測が困難であると考えられており、このような変化していく接触点まで考慮した、ワイヤーハーネスの経路予測方法は提案されていない。

したがって、従来の設計方法では、障害物を無視して経路予測した後に、その予測経路上に障害物が存在するときには、この障害物を迂回するように、再度、経路予測したり、或いは、最初から障害物を迂回するように、ワイヤーハーネス上に適当に固定的な拘束点を設定して、経路予測せざるを得なかった。したがって、この点を改善してより正確に経路予測できる手法が待望されている。

よって本発明は、上述した現状に鑑み、ワイヤーハーネスの変形にともない逐次変化する障害物との接触点も逐次計算可能にし、より正確にワイヤー様構造物の予測形状を求めることができる形状予測方法、その装置及びそのプログラムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載のワイヤー様構造物の形状予測方法は、接触点計算手段と、予測形状計算手段と、を備えたコンピュータを用いて、逐次変形していくワイヤー様構造物の形状を予測する方法であって、前記接触点計算手段によって、前記ワイヤー様構造物の一部が所定量だけ強制変位される毎に、前記ワイヤー様構造物とこのワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物との接触点を求める接触点計算工程と、前記予測形状計算手段によって、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、拘束条件に基づいて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求める予測形状計算工程と、を含み、前記接触点計算工程で求めた接触点を、前記拘束条件のひとつとして、前記予測形状計算工程にフィードバックしつつ、前記予測形状計算工程及び前記接触点計算工程を交互に実行することにより、前記強制変位にともない逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項２記載のワイヤー様構造物の形状予測方法は、設定手段と、モデル作成手段と、接触点計算手段と、予測形状計算手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測する方法であって、前記設定手段によって、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定工程と、前記モデル作成手段によって、前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成工程と、前記接触点換算手段によって、前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算工程と、前記予測形状計算手段によって、前記接触点計算工程で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算工程と、を含み、前記接触点計算工程及び前記予測形状計算工程を交互に実行することにより、移動する前記接触点を計算しつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項３記載のワイヤー様構造物の形状予測装置は、複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測する装置であって、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定手段と、前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成手段と、前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算手段と、前記接触点計算手段で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算手段と、を含み、前記接触点計算手段及び前記予測形状計算手段による計算を交互に実行することにより、移動する前記接触点を計算しつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項４記載のワイヤー様構造物の形状予測プログラムは、複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測するために、コンピュータを、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定手段、前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成手段、前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算手段、前記接触点計算手段で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算手段、として機能させ、前記接触点計算手段及び前記予測形状計算手段による計算を交互に実行させることにより、移動する前記接触点を計算させつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算させる、ことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ワイヤー様構造物の一部が所定量だけ強制変位される毎に、ワイヤー様構造物と障害物との接触点が求められ、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、拘束条件に基づいて、ワイヤー様構造物の予測形状が求められ、これらが交互に繰り返されて、逐次変形していくワイヤー様構造物の予測形状が計算される。

また、請求項２、３及び４記載の発明によれば、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報が設定されると共に、これら形状特性、材料特性、及び拘束条件を参照して、ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、ワイヤー様構造物と障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルが作成される。そして、可動点が所定量だけ強制変位される毎に接触点が、位置情報を参照しつつ、接触点計算モデルを用いて計算され、計算された接触点を拘束条件のひとつに加えて、ワイヤー様構造物の予測形状が、有限要素モデルを用いて計算され、更に、これら計算が交互に実行されて、変形していくワイヤー様構造物の予測形状が計算される。

請求項１の発明によれば、ワイヤー様構造物の一部が所定量だけ強制変位される毎に、ワイヤー様構造物と障害物との接触点が求められ、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、拘束条件に基づいて、ワイヤー様構造物の予測形状が求められ、これらが交互に繰り返されて、逐次変形していくワイヤー様構造物の予測形状が計算される。したがって、従来困難であった障害物も考慮したワイヤー様構造物の予測形状を逐次正確に求めることができる。

請求項２、３及び４記載の発明によれば、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報が設定されると共に、これら形状特性、材料特性、及び拘束条件を参照して、ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、ワイヤー様構造物と障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルが作成される。そして、可動点が所定量だけ強制変位される毎に接触点が、位置情報を参照しつつ、接触点計算モデルを用いて計算され、計算された接触点を拘束条件のひとつに加えて、ワイヤー様構造物の予測形状が、有限要素モデルを用いて計算され、更に、これら計算が交互に実行されて、変形していくワイヤー様構造物の予測形状が計算される。したがって、従来困難であった障害物も考慮した予測形状を、有限要素モデルを利用して逐次正確に求めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２を用いて、設計対象となるワイヤー様構造物としてのワイヤーハーネスの全体形状及び代表的な支持部材について説明する。図１は、本発明の一実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネスの全体形状を概略的に示す図である。図２は、ワイヤーハーネスを支持する代表的な支持部材と拘束自由度との関係を示す図である。

本実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネス１は、上述のように両端部に図示しない電装品と接続されるコネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが取り付けられ、その中間部には各種クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが取り付けられ、更に、分岐点４を有している。分岐したワイヤーハーネス１の各線は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各線の太さ、長さ、弾性、剛性等も異なる。

上記各コネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、電装品側の相手方コネクタの固定位置及びその装着方向に応じて所定の位置に着脱可能に固定され、ワイヤーハーネスの端部を完全拘束する。また、上記各クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、ワイヤーハーネスの所定部位を、電装品の筐体やステー等の所定位置に完全拘束又は回転拘束される。

ここで、クリップについて説明を加える。クリップには、基本的に、長穴クリップ及び丸穴クリップがある。丸穴クリップは、回転クリップともよばれ、ワイヤーハーネスを保持する台座部とステー等に設けられた丸穴形状の取付穴に挿入される支持脚とから構成される。丸穴クリップは、Ｚ軸（取付部位に鉛直方向）廻りに回転可能である。

一方、長穴クリップは、固定クリップともよばれ、ワイヤーハーネスを保持する台座部とステー等に設けられた長穴形状の取付穴に挿入される支持脚とから構成される。この支持脚の断面形状は、取付穴と略同様の長穴形状をしている。長穴クリップは、Ｚ軸廻りに回転不可能である。

更に、長穴クリップ及び丸穴クリップには、Ｘ軸（ワイヤーハーネスの長手方向）廻りに回転可能な、コルゲート長穴クリップ及びコルゲート丸穴クリップがある。このような各クリップの各軸方向及び各軸廻りの拘束自由度は図２に示す通りである。

図２において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、ワイヤーハーネス上の各節点（又はノードともよぶ）における右手ローカル座標系での直行する３軸に相当する。例えば、Ｚ軸をクリップ軸と一致するようにしているが、これらの決定方法は、使用する関数によって適宜変更可能である。なお、図中、参考のために、分岐点の拘束自由度についても示している。また、ここでは図示しないが、上記拘束点以外に任意に設定されたワイヤーハーネス上の節点は、基本的に、完全自由である。このような拘束自由度が、後述するように、予測経路及び形状変形の計算に先立ち、各節点にそれぞれ、設定される。

次に、図３〜図６を参照しながら、本実施形態において、予測形状を求めるために有限要素法を利用するにあたり、前提となる仮定条件、利用される理論及び基本式の概略について説明する。図３（Ａ）は、ワイヤーハーネスの一部の外観を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを離散化した様子を示す図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを梁要素と節点とで表した図である。図４は、梁要素と節点とで表したワイヤーハーネスにおける自由度を説明するための図である。図５（Ａ）は、ワイヤーハーネスを３つの梁要素で表した図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の３つの梁要素を結合した状態を示す図である。そして、図６（Ａ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図であり、図６（Ｂ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図である。

まず、本実施形態では、ワイヤーハーネスの設計に有限要素法を利用するに際し、以下のような仮定をする。
（１）．ワイヤーハーネスを弾性体と仮定する。
（２）．ワイヤーハーネスを梁要素が結合されたものと仮定する。
（３）．各梁要素に線形性が保たれるものと仮定する。
（４）．ワイヤーハーネスの断面を円形であると仮定する。
本実施形態において、このような仮定をすることにより、従来なされていなかった、ワイヤーハーネスへの有限要素法の適用が可能になる。

本実施形態においては、まず、ワイヤーハーネスを離散化する。すなわち、図３（Ａ）に示すように、複数の電線１１がテープ１２等の保護部材によって束ねられたワイヤーハーネス１は連続体とみなすことができる。次に、図３（Ｂ）に示すように、このようなワイヤーハーネス１を、いくつかの梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…に分割（離散化）する。すなわち、ワイヤーハーネスは１本のロープのようなものなので、有限個の梁要素をつなげたものとみなすことができる。

したがって、図３（Ｃ）に示すように、ワイヤーハーネスは、複数の梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…を複数のノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、…で結合したものとして表すことができる。梁要素に必要な特性値は以下の通りである。

長さｌ（図３（Ｂ）参照）
断面積Ａ（図３（Ｂ）参照）
断面２次モーメントＩ
断面２次極モーメントＪ
密度ρ
縦弾性係数Ｅ
横弾性係数Ｇ
なお、後述するが、本明細書中、長さｌ及び断面積Ａを形状特性とし、断面２次モーメントＩ、断面２次極モーメントＪ、密度ρ、縦弾性係数Ｅ及び横弾性係数Ｇを材料特性としている。

そして、図４に示すように、各梁要素Ｃ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…）はそれぞれ、２つの節点α及び節点βを有する。３次元空間においては、節点αは、３つの並進成分と３つの回転成分を持つため、合計６つの自由度を持つ。また、節点βも同様である。したがって、梁要素Ｃは１２自由度を持つことになる。

なお、図中、
Ｆxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍxi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍyi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍzi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の角変位
αは左側の節点、βは右側の節点
を示す。

ところで、振動してない静的な力による構造物の変位は、弾性範囲内では、以下の式（１）に示すフックの法則が成り立つことが知られている。

Ｋｘ＝Ｆ…（１）
ここで、Ｋ：ばね定数、ｘ：変位、Ｆ：力
を示す。

また、図４で示した梁要素Ｃにも同様にフックの法則が成り立つことが知られている。但し、梁要素Ｃは、上記のように１２自由度をもつため、以下の式（２）で示すように、１２行１２列のマトリクスと１２行のベクトルとで、力と変位との関係を表現することができる。

ここで、適合条件と釣り合い条件について説明する。ここでは、簡単のために、図５（Ａ）に示すように、ワイヤーハーネスを３つの梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３で表すものとする。この場合、梁要素Ｃ１の節点１β及び梁要素Ｃ２の節点２αの変位は等しくなり、これら両節点に加わる力も釣り合うことになる。同様に、梁要素Ｃ２の節点２β及び梁要素Ｃ３の節点３αの変位も等しくなり、これら両節点に加わる力も釣り合うことになる。したがって、これら変位の連続性と力の釣り合いの条件を満たすことで、梁要素Ｃ１及びＣ２、梁要素Ｃ２及びＣ３を、図５（Ｂ）に示すように、結合することができる。

なお、図中、
Ｆxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍxi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍyi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍzi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θxi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θyi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θzi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の角変位
を示し、
ｉ＝１α、１β、２α、２β、３α、３βである。

そして、図５（Ｂ）に示した梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３における上記変位の連続性と力の釣り合いを上記式（２）と同様の形式で示すと、以下の式（３）のようになる。

ここで、式（３）中の１２行１２列のマトリクスＭ１、Ｍ２及びＭ３は、上記式（２）で示したものと同様である。但し、マトリクスＭ１、Ｍ２及びＭ３が重なっている部分Ｍ１２及びＭ２３は、各マトリクスの各構成要素が足し合わされたものとなる。

なお、４つ以上の梁要素についても、同様に扱うことができる。このようにして、任意の数の梁要素に分割されるワイヤーハーネスの数式モデルを作成することができる。

ちなみに、上記式（３）を簡単に表すと、
［Ｋ］｛ｘ｝＝｛Ｆ｝…（４）
となる。

したがって、例えば、形状特性及び材料特性として、式（４）の剛性マトリクス［Ｋ］中の各パラメータを設定し、拘束条件として、各節点に取り付けられる支持部材の拘束自由度を、式（４）の変位ベクトル｛ｘ｝に対応させて設定し、場合によっては、各節点に加わる力を、式（４）のベクトル｛Ｆ｝に対応させて設定した後、式（４）の未知数を求めることにより、形状特性及び材料特性、拘束自由度、及び加わる力に依存して、変形し釣り合った状態で安定状態にあるワイヤーハーネスの予測形状を計算することができる。上記変位ベクトル｛ｘ｝及び力ベクトル｛Ｆ｝中の未知数は、公知のNewton−Raphson法や弧長法等を用いてその解を求めることができる。但し、本実施形態では、障害物にともなう接触点の位置情報も加わるので、上記拘束条件のひとつに加わることになり、これについては後述する。

なお、上記のような一般的なマトリックス有限要素法は、例えば、上記非特許文献１中でも示されている。

ここで、本実施形態における、上記梁要素に必要な各特性値の求め方の一例について以下に示す。まず、長さｌ、断面積Ａ及び密度ρは、対象となるワイヤーハーネスを作成し、ノギス、メジャー、重量計等を用いて計測した後、簡単な計算により求めることができる。

また、縦弾性係数Ｅは、図６（Ａ）に示す測定方法を行う場合、次式（５）で表すことができる。

Ｅ＝ＦＬ３／３ＸＩ…（５）

また、断面２次モーメントＩは、上記のようにワイヤーハーネスを円形断面と仮定したので、次式（６）で表すことができる。

Ｉ＝πＤ４／６４…（６）

したがって、
Ｅ＝６４ＦＬ３／３ＸπＤ４…（７）
となる。

この測定では、
Ｅ＝（Ｆ／Ｘ）×（６４Ｌ３／３πＤ４）
として、Ｆとｘとの関係を測定すればよい。

一方、横弾性係数Ｇは、図６（Ｂ）に示す測定方法を行う場合、次式（８）で表すことができる。

Ｇ＝（ＴＬ／θＪ）×２…（８）
断面２次極モーメントＪは、ワイヤーハーネスが円形断面と仮定したので、次式（９）で表すことができる。

Ｊ＝πＤ４／３２…（９）

また、ねじる力は、
Ｔ＝ＦＳ…（１０）
となる。

よって、
Ｇ＝（３２ＦＳＬ／θπＤ４）×２＝（Ｆ／θ）（３２ＳＬ／πＤ４）×２
…（１１）
したがって、Ｆとθの関係を測定すればよい。

上記測定方法は一例であり、上記測定例以外の方法によって各値を取得してもよい。また、予め代表的なワイヤーハーネスを測定しておきデータベース化しておき、これを適宜利用するようにしてもよい。

次に、本実施形態において、ワイヤーハーネスと障害物との接触点を求めるための接触点計算モデルについて説明する。接触点計算モデルとしては、例えば、上記非特許文献２に示されるような、周知のマス−スプリングモデルが利用可能である。ここでは、体に掛けられた布の剛性や弾性等の性質を、マス（質点）群とそれらを繋ぐスプリングで構成されるマス−スプリングモデルで表現し、布が体からずれ落ちる際の、刻々と変化する体と布の接触点を検出して、布の変形具合を求めるようにしている。このような布をワイヤーハーネスと見立て、体を障害物と見立てることにより、このマス−スプリングモデルを、本形状予測方法における接触点計算モデルとして利用可能となる。

本実施形態では、このような接触点計算モデルを用いて、ワイヤーハーネスと障害物との接触点を求め、この接触点を上記式（４）中の拘束条件のひとつに加えて有限要素モデルを用いて、障害物と接触した後のワイヤーハーネスの予測形状を求める。このような考え方に基づく具体的な処理手順については、図８を用いて後述する。

次に、図７を用いて、上記理論及び基本式を利用してワイヤーハーネスの予測形状を計算及び出力するための、本実施形態に係るハードウエア構成について説明する。図７は、本発明の一実施形態に係るハードウエア構成を示すブロック構成図である。

図７に示すように、本実施形態では、マイクロコンピュータ２１、入力装置２２、表示装置２３、印字装置２４、記憶装置２５、読込装置２６及び通信インターフェース２７を含んで構成される、例えば、パーソナルコンピュータが用いられる。マイクロコンピュータ２１は、ＣＰＵ２１ａ（中央演算装置）、ブートプログラム等を記憶するＲＯＭ２１ｂ、各種処理結果を一時的に記憶するＲＡＭ２１ｃを含む。入力装置２２は上記各値等を入力するキーボード、マウス等であり、表示装置２３は処理結果を表示するＬＣＤやＣＲＴ等であり、印字装置２４は処理結果を印字するプリンタである。また、記憶装置２５は処理結果を記憶するハードディスクドライブである。読込装置２６は、ＣＤやＤＶＤ等の記録媒体２９に格納される、図８に処理手順を示す形状予測プログラム２９ａを読み込むための装置である。通信インターフェース２７は外部装置と、例えば、インターネットやＬＡＮ回線等を用いてデータ通信を行うためのモデムボード等である。これらの各構成要素は、内部バス２８を介して接続されている。

マイクロコンピュータ２１は、読込装置２６にて読み込まれた形状予測プログラム２９ａを記憶装置２５に転送する、すなわち、インストールする。また、電源投入後、マイクロコンピュータ２１は、記録媒体２１に記憶されるブートプログラムにしたがって起動され、形状予測プログラム２９ａを立ちあげる。そして、入力装置２２にて、ワイヤーハーネスの形状特性、材料特性、拘束条件、障害物の位置情報等が入力及び設定された後、マイクロコンピュータ２１は、形状予測プログラム２９ａにしたがって、ワイヤーハーネスの予測形状を求めたり、表示装置２３や印字装置２４から出力させたり、その結果を記憶装置２５に保存したりする。

なお、記録媒体２９に格納される形状予測プログラム２９ａは請求項４の形状予測プログラムに対応し、この形状予測プログラム２９ａがインストールされたパーソナルコンピュータ等の処理装置は請求項３の形状予測装置に対応する。形状予測プログラム２９ａは、記録媒体２９のみならず、インターネットやＬＡＮ等の通信回線を経由して提供されたものであってもよい。

次に、図８及び図９を用いて、本実施形態に係る処理手順について説明する。図８は、図７に示したハードウエア構成を用いて行われる本発明の一実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。図９（Ａ）〜図９（Ｇ）はそれぞれ、図８に示す処理手順による処理経過を例示する図である。なお、ここでは、枝線が省略されたワイヤーハーネスを用いて説明する。

まず、図８に示すステップＳ１においては、図９（Ａ）に示すように、真っ直ぐにのばされた状態のワイヤーハーネス１の初期形状が表示装置２３上に表示される。このワイヤーハーネスには、少なくともひとつの固定点ｆｘ及び可動点ｍｘ１が存在するものとする。可動点ｍｘ１は、力ｆが加えられて、通過点ｍｘ２、ｍｘ３を経由して、最終目標点ｍｘ４まで強制変位されるものとする。このような強制変位は例えば実際の配策作業を想定して定められる。また、このワイヤーハーネスの可動範囲には障害物３０が存在するものとする。

次に、ステップＳ２において、このワイヤーハーネスの形状特性、材料特性、固定点ｆｘ及び可動点ｍｘ１を含む拘束条件、並びに、障害物３０の位置情報が設定される。詳しくは、拘束条件としては、各節点の座標を割り当てると共に、これら各節点における各拘束条件が設定される。拘束条件としては、図２で示したような拘束種類（完全拘束、回転拘束、完全自由等）やローカル座標等が設定される。各節点としては、例えばコネクタやクリップ等の支持部材が取り付けられる部位等が割り当てられる。なお、拘束種類の設定には、図２で示したように、コネクタ、固定クリップ等の支持部材名を利用してもよい。但し、ここでは、固定点ｆｘ及び可動点ｍｘ１以外の節点における拘束条件は、完全自由であるものとする。ここで設定される各値は、上記式（３）中の変位ベクトル｛ｘ｝中の各要素に係わる。

また、形状特性としては上記長さｌ及び断面積Ａが設定され、材料特性としては、断面２次モーメントＩ、断面２次極モーメントＪ、密度ρ、縦弾性係数Ｅ及び横弾性係数Ｇが設定される。これらは、上記のようにして予め計測或いは計算されている値が利用される。ここで設定される値は、上記式（３）中の剛性マトリクス［Ｋ］中の各要素に係わる。また、障害物３０の位置情報としては、この障害物３０の大きさを含む座標が設定される。更に、可動点ｍｘ１に加える力ｆを設定するようにしてもよい。この力ｆは、例えば、組付け時に予想される作業者の動き等に基づくようにする。ここで設定される値は、上記式（３）中の力ベクトル［ｆ］中の各要素に係わる。このステップＳ２は、請求項中の設定工程及び設定手段に相当する。

次に、ステップＳ３において、図９（Ｂ）に示すように、有限要素モデル１ａが作成される。この有限要素モデル１ａには、ステップＳ２で設定された形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む各節点における拘束条件が盛り込まれている。ステップＳ２で設定された各節点は、図９（Ｂ）ではｎ１〜ｎ８として示され、このうち、節点ｎ１は可動点ｍｘ１、節点ｎ８は固定点ｆｘとなっている。また、図９（Ｂ）に示すように、障害物３０の存在範囲もモデル化される。

また、ステップＳ４においては、図９（Ｃ）に示すように、マス−スプリングモデルを利用した接触点計算モデル１ｂが作成される。この接触点計算モデル１ｂには、有限要素モデル１ａの各節点ｎ１〜ｎ８に対応する節点がｐ１〜ｐ８として示され、このうち、節点ｐ１は可動点ｍｘ１、節点ｐ８は固定点ｆｘとなっている。また、図９（Ｃ）に示すように、障害物３０の存在範囲もモデル化される。なお、接触点計算モデル１ｂの節点ｐ１〜ｐ８と有限要素モデル１ａの節点ｐ１〜ｐ８とは、位置的に必ずしも一致するとは限らない。例えば、接触点計算モデル１ｂと有限要素モデル１ａとでは、節点数が異なる場合もあり得る。但し、ここでは、接触点計算モデル１ｂと有限要素モデル１ａとでは、節点数が同一であるものとしている。ステップＳ３及びステップＳ４は、請求項中のモデル作成工程及びモデル作成手段に対応する。

次に、ステップＳ５において、可動点ｍｘ１が所定量だけ強制変位される。この強制変位は、入力装置２２を用いて逐次設定するようにしてもよいし、可動点ｍｘ１の始点、通過点、最終目標点を設定しておき、自動的に変位させるようにしてもよい。

次に、ステップＳ６において、上記接触点計算モデル１ｂを用いて、所定量だけ強制変位したときのワイヤーハーネス１と障害物３０との接触点が検索され、ステップＳ７において、接触点の有無が判定される。ステップＳ７において、接触点ありと判定されるとステップＳ８に進み（ステップＳ７のＹ）、さもなければ直接ステップＳ９に進む（ステップＳ７のＮ）。例えば、図９（Ｄ）に示すように、可動点ｍｘ１が通過点ｍｘ２にあるときに接触点計算モデル１ｂが障害物３０に接触する場合には、ステップＳ８において、このときの接触点である節点ｐ５の現座標が取得される。なお、接触点ありと判定されたときに、接触点計算モデルは力学的に釣り合った安定状態にある必要はない。重要なことは、接触点の位置情報、すなわち、現座標を取得することである。ステップＳ６及びステップＳ７は、請求項中の接触点計算工程及び接触点計算手段に対応する。

次に、ステップＳ９において、節点ｐ５の現座標が有限要素モデル１ａの拘束条件のひとつに加えられて、このモデル１ａを用いて予測形状（途中形状）が計算される。すなわち、図９（Ｅ）に示すように、上記節点ｐ５の座標が、これに対応する有限要素モデル１ａの節点ｎ５の座標として新たに設定されたうえで有限要素法が適用され、各設定条件を満たして力学的に釣り合った状態で安定した予測形状が計算される。ステップＳ９は、請求項中の予測形状計算工程及び予測形状計算手段に対応する。

次に、ステップＳ１０において、可動点ｍｘ１が最終目標点ｍｘ４に到達したか否かが判定され、到達したと判定されるまで上記ステップＳ５〜ステップＳ９の処理が繰り返される（ステップＳ１０のＮ）。但し、ステップＳ５に戻る前に、ステップＳ１１において、図９（Ｅ）に示したような有限要素モデル１ａによる予測形状を接触点計算モデルに適用する処理が施され、このような接触点計算モデルを用いて、ステップＳ６において、可動点ｍｘ１が更に所定量だけ強制変位されたときの新たな接触点の検索が再度行われる。そして、再度、ステップＳ７、（ステップＳ８、）ステップＳ９と進み、このような処理が、可動点ｍｘ１が最終目標点ｍｘ４に到達するまで繰り返される。

図９（Ｄ）に示すように、可動点ｍｘ１が経過点ｍｘ２にあるときの節点Ｐ５と、図９（Ｆ）に示すように、可動点ｍｘ１が経過点ｍｘ３にあるときの節点Ｐ４とを比較すれば明らかなように、上記繰り返し処理により、スライドしつつ変位する接触点を計算しつつ、これにともない変形していく予測形状を正確に求めることができる。

そして、ステップＳ１０において、可動点ｍｘ１が最終目標点ｍｘ４に到達したと判定されると（ステップＳ１０のＹ）、ステップＳ１２において、図９（Ｇ）に示すような有限要素モデル１ａによる予測形状が最終形状として表示装置２３上に表示される。この最終形状は、印字装置２４にて紙上に印字させるようにしてもよいし、記憶装置２５に保存させるようにしてもよい。なお、ステップＳ９とステップＳ１０の間に、途中形状を出力するために、ステップＳ１２と同様の出力処理を加えてもよい。これにより、可動点ｍｘ１の動きにともなって変形していく、現実に即した予測形状を、逐次、モニタすることも可能となる。

このように、本実施形態によれば、接触点計算モデルを用いて、ワイヤーハーネスと障害物との接触点を求め、この接触点を参照しつつ、有限要素モデルを用いて、障害物と接触した後のワイヤーハーネスの予測形状を求めることにより、障害物に接触しつつ変形するワイヤーハーネスの予測形状を正確に求めることができる。したがって、本実施形態によれば、より現実に即したワイヤーハーネスの予測形状を求めることができる。

なお、本発明の方法及び装置は、車両内に配線されるワイヤーハーネスに限定されず、屋内に配線されるワイヤー様構造物にも、同様に適用可能である。また、接触点計算モデルとしてマス−スプリングモデル以外を利用することも可能である。

本発明の一実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネスの全体形状を概略的に示す図である。 ワイヤーハーネスを支持する代表的な支持部材と拘束自由度との関係を示す図である。 図３（Ａ）は、ワイヤーハーネスの一部の外観を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを離散化した様子を示す図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを梁要素と節点とで表した図である。 梁要素と節点とで表したワイヤーハーネスにおける自由度を説明するための図である。 図５（Ａ）は、ワイヤーハーネスを３つの梁要素で表した図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の３つの梁要素を結合した状態を示す図である。 図６（Ａ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図であり、図６（Ｂ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係るハードウエア構成の一例を示すブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。 図９（Ａ）〜図９（Ｄ）はそれぞれ、図８に示す各処理の過程における出力結果を例示する図である。

符号の説明

１ ワイヤーハーネス（ワイヤー様構造物）
１Ａ、１ａ 有限要素モデル
１Ｂ、１ｂ 接触点計算モデル
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ コネクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ クリップ
４ 分岐点
２１ マイクロコンピュータ
２２ 入力装置
２３ 出力装置
２４ 印字装置
２５ 記憶装置
２６ 読込装置
２７ 通信インターフェース
２８ 内部バス
２９ 記録媒体
２９ａ 形状予測プログラム
３０ 障害物
Ｃ１〜Ｃ７ 梁要素
Ｎ１〜Ｎ８ 節点（ノード）

Claims (4)

1. 接触点計算手段と、予測形状計算手段と、を備えたコンピュータを用いて、逐次変形していくワイヤー様構造物の形状を予測する方法であって、
   前記接触点計算手段によって、前記ワイヤー様構造物の一部が所定量だけ強制変位される毎に、前記ワイヤー様構造物とこのワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物との接触点を求める接触点計算工程と、
   前記予測形状計算手段によって、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、拘束条件に基づいて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求める予測形状計算工程と、を含み、
   前記接触点計算工程で求めた接触点を、前記拘束条件のひとつとして、前記予測形状計算工程にフィードバックしつつ、前記予測形状計算工程及び前記接触点計算工程を交互に実行することにより、前記強制変位にともない逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、
   ことを特徴とするワイヤー様構造物の形状予測方法。
2. 設定手段と、モデル作成手段と、接触点計算手段と、予測形状計算手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測する方法であって、
   前記設定手段によって、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定工程と、
   前記モデル作成手段によって、前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成工程と、
   前記接触点換算手段によって、前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算工程と、
   前記予測形状計算手段によって、前記接触点計算工程で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算工程と、を含み、
   前記接触点計算工程及び前記予測形状計算工程を交互に実行することにより、移動する前記接触点を計算しつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、
   ことを特徴とするワイヤー様構造物の形状予測方法。
3. 複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測する装置であって、
   前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定手段と、
   前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成手段と、
   前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算手段と、
   前記接触点計算手段で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算手段と、を含み、
   前記接触点計算手段及び前記予測形状計算手段による計算を交互に実行することにより、移動する前記接触点を計算しつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算する、
   ことを特徴とするワイヤー様構造物の形状予測装置。
4. 複数本の線条材から構成されるワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、逐次変形していく前記ワイヤー様構造物の形状を予測するために、コンピュータを、
   前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、固定点及び可動点を含む拘束条件、並びに、前記ワイヤー様構造物の可動範囲に存在する障害物の位置情報を設定する設定手段、
   前記形状特性、前記材料特性、及び前記拘束条件を参照して、前記ワイヤー様構造物の予測形状を求めるための有限要素モデル及び、前記ワイヤー様構造物と前記障害物と接触点を求めるための接触点計算モデルを作成するモデル作成手段、
   前記可動点が所定量だけ強制変位される毎に前記接触点を、位置情報を参照しつつ、前記接触点計算モデルを用いて計算する接触点計算手段、
   前記接触点計算手段で計算された前記接触点を前記拘束条件のひとつに加えて、前記ワイヤー様構造物の予測形状を、前記有限要素モデルを用いて計算する予測形状計算手段、として機能させ、
   前記接触点計算手段及び前記予測形状計算手段による計算を交互に実行させることにより、移動する前記接触点を計算させつつ、変形していく前記ワイヤー様構造物の予測形状を計算させる、
   ことを特徴とするワイヤー様構造物の形状予測プログラム。

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