JP4600913B2 - ワイヤー様構造物の配線設計支援方法、その装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、複数の線条材から構成されるワイヤー様構造物の配線設計を支援する方法、その装置及びそのプログラムに関し、特に、ワイヤー様構造物として車両に配線されるワイヤーハーネスの最適な配線設計を支援する方法、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、各端部から分岐点４までを構成するワイヤーハーネス１の各枝線は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各枝線の太さ、長さ、弾性、剛性等も様々である。そして、従来、このようなワイヤーハーネスの配線設計は、設計者の勘と経験によって行われることが多かった。

ここで、本明細書中で引用する文献を以下に示す。
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

ところが、ワイヤーハーネスは、上記のように多種多様であり、それらの各部における曲げやねじりに対する剛性まで正確に予想して設計することは非常に困難なことであった。このため、設計通りの組付けが困難であったり、非現実的な形状になってしまうことも多かった。したがって、最適なワイヤーハーネスの配線形状を得るために、設計及び組付けが試行錯誤繰り返されて、多大な時間を浪費することになっていた。更に、このような方法によると、最適な配線設計を行うためには高度な熟練も求められていた。

よって本発明は、上述した現状に鑑み、ワイヤーハーネス等のワイヤー様構造物の予測形状を逐次算出してその結果を逐次出力することにより、その最適な配線設計を、設計者の熟練度に依存することなく、短期間で、容易かつ正確に行えるようするワイヤーハーネスの配線設計支援方法、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配線設計支援方法は、設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することによるワイヤー様構造物の配線設計支援方法であって、前記設定手段によって、前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定し、前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出し、そして、前記出力手段によって、前記算出手段による算出結果を逐次出力することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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す。そして、有限要素法を利用して、所定条件を満たすワイヤー様構造物の予測形状を出力する。特に、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性及び拘束条件（節点における拘束条件）を満たしつつ、このワイヤー様構造物が初期形状から釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子を、有限要素法を利用して逐次算出してその結果を逐次出力するようにしている。また、ワイヤー様構造物の所定部位に力を加えて変位させた際のワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出してその結果を逐次出力するようにしている。

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配線設計支援方法は、請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法において、前記ワイヤー様構造物を、車両に配線されるワイヤーハーネスとし、前記拘束条件を、前記複数の梁要素の各頂点の座標及び前記各頂点における自由度とし、前記形状特性を、前記ワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、そして、前記材料特性を、前記梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数とすることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、拘束条件をワイヤー様構造物を構成する複数の梁要素の各頂点の座標及び各頂点における自由度とし、形状特性をワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、材料特性を梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数としている。

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配線設計支援装置は、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することにより、ワイヤー様構造物の配線設計を支援する装置であって、前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定する設定手段と、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出する算出手段と、前記算出手段による算出結果に基づき、前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次、更新出力する出力手段と、を含むことを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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す。そして、有限要素法を利用して、所定条件を満たすワイヤー様構造物の予測形状を出力する。特に、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性及び拘束条件（節点における拘束条件）を満たしつつ、このワイヤー様構造物が初期形状から釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子を、有限要素法を利用して逐次算出してその結果を逐次出力するようにしている。また、ワイヤー様構造物の所定部位に力を加えて変位させた際のワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出してその結果を逐次出力するようにしている。

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配線設計支援装置は、請求項３記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置において、手動操作に基づくトリガにより、前記出力手段による出力を一時的に静止させる一時停止制御手段、を更に含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、手動操作に基づくトリガにより、出力手段による出力が一時的に静止される。

上記課題を解決するためになされた請求項５記載のワイヤー様構造物の配線設計支援プログラムは、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することにより、ワイヤー様構造物の配線設計を支援するために、コンピュータを、前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定する設定手段、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出する算出手段、及び、前記算出手段による算出結果に基づき、前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次、更新出力する出力手段として機能させることを特徴とする。なお、この請求項５記載の発明にも、上記請求項３及び４の発明の主旨を付加することが可能である。

請求項５記載の発明によれば、有限要素法を利用して、コンピュータに、所定条件を満たすワイヤー様構造物の予測形状を出力させる。特に、ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性及び拘束条件（節点における拘束条件）を満たしつつ、このワイヤー様構造物が初期形状から釣り合いがとれた最終形状に変位する際のワイヤー様構造物の変形の様子を、有限要素法を利用して逐次算出させてその結果を逐次出力させるようにしている。また、ワイヤー様構造物の所定部位に力を加えて変位させた際のワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出してその結果を逐次出力するようにしている。

請求項１、３及び５記載の発明によれば、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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、所定条件を満たすワイヤー様構造物の予測形状が出力される。特に、前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定し、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出し、そして、前記算出手段による算出結果を逐次出力するようにしている。したがって、ワイヤー様構造物が最終形状に変位する迄のワイヤー様構造物の変形の様子を、組み付け作業を行う前に予め知ることができる。この結果、ワイヤー様構造物の最適な配線設計が、設計者の熟練度に依存することなく、短期間で、容易かつ正確に行えるようになる。さらに、ワイヤー様構造物の所定部位に力を加えて変位させた際のワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出してその結果を逐次出力するようにしているので、組付け時に予想される作業者の動き等を正確に反映させたワイヤー様構造物の変形の様子を検討することが可能になる。また、所定部位を任意に引っ張たり、曲げたりした場合のワイヤー様構造物の変形の様子も検討することが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、拘束条件をワイヤー様構造物を構成する複数の梁要素の各頂点の座標及び各頂点における自由度とし、形状特性をワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、材料特性を梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数としており、これらの値はすべて、車両に配線されるワイヤーハーネスから予め取得できるものである。したがって、実際の組み付け作業を想定したワイヤーハーネスの配線シミュレーションが可能になる。

請求項４記載の発明によれば、手動操作に基づくトリガにより、出力手段による出力が一時的に静止される。したがって、本装置のユーザは、変形途中のワイヤー様構造物の出力を任意の時点で静止させて、ワイヤー様構造物と干渉物との位置関係や歪み具合等を検討することが可能になる。

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。後述するが、本実施形態は、ここに示すようなワイヤーハーネスに対して予測形状をシミュレーション出力することにより、設計を支援するものである。

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。ワイヤーハーネス１の各枝線は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各枝線の太さ、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算出に先立ち、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、
Ｆ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θ_zi：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、
Ｆ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θ_zi：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、各節点にクリップが取り付けられるものとして、クリップに加わる力を予め決定しておけば、上記式（４）に基づき、変位ベクトル｛ｘ｝を求めることにより、経路、すなわち、ワイヤーハーネスの形状を算出することができる。逆に、経路を決定しておけば、各節点における力ベクトル｛Ｆ｝を算出できる。このような基本的な考え方に基づき、本実施形態では、ワイヤーハーネスの予測経路及び形状変形を算出する。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。

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、本実施形態において、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、簡単な算出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、上記理論及び基本式を利用して後述する処理手順にしたがってワイヤーハーネスの形状を算出及び出力する、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、通信インターフェース２６及びリードライト装置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はインストールされた配線設計支援プログラム２９ａやこのプログラム２９ａによる処理結果を記憶するハードディスクドライブであり、通信インターフェース２６は外部装置との間で、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。リードライト装置２７は、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体２９に格納される本発明に係る配線設計支援プログラム２９ａ（請求項８に対応する）を読み込んだり、この配線設計支援プログラム２９ａによる計算結果を記録媒体２９に書き込む装置である。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、リードライト装置２７にて読み込まれた配線設計支援プログラム２９ａを記憶装置２５にインストールする。また、電源が投入されると、マイクロコンピュータ２１は、ＲＯＭ２１ｂに記憶されるブートプログラムにしたがって起動され、インストールされている配線設計支援プログラム２９ａを立ちあげる。そして、マイクロコンピュータ２１は、配線設計支援プログラム２９ａにしたがって、本発明の配線設計支援に関する処理をしたり、処理結果を表示装置２３や印字装置２４から出力させたり、処理結果を記憶装置２５や記録媒体２９に保存させたりする。配線設計支援プログラム２９ａは、上記基本構成を有する他のパーソナルコンピュータ等にもインストール可能であり、インストール後は、そのコンピュータを配線設計支援装置（請求項５、６、７に対応する）として機能させる。なお、配線設計支援プログラム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。

更に、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。

まず、図８に示すステップＳ１において設定された初期値に基づいて、ステップＳ２において初期形状が算出され、ステップＳ３において、図９（Ａ）に示すように、算出された初期形状１ａが出力される。この初期形状１ａを得るための初期値としては、例えば、対象となるワイヤーハーネスの両端（図中、節点１ａ１及び１ａ８の位置に相当する）のコネクタが取り付けられる位置が用いられるが、このコネクタの拘束方向や、このワイヤーハーネスの中間部に取り付けられるクリップの座標及び拘束方向、或いは、このワイヤーハーネスの材料特性に依存する最小曲げ半径やワイヤーハーネスを組み付ける際に作業者が通常の力で曲げることができる曲げ半径等を用いてもよい。いずれにしても、対象となるワイヤーハーネスの組み付け前の形状が反映された初期形状を出力することが好ましい。上記形状算出処理はマイクロコンピュータ２１にて行われ、初期値の設定には入力装置２２が用いられ、初期形状の出力には表示装置２３が用いられる。なお、以降の処理においても、形状算出処理はマイクロコンピュータ２１にて行われ、各値の設定には入力装置２２が用いられ、算出結果の出力には表示装置２３が用いられる。

次に、ステップＳ４においては、上記出力された初期形状１ａに対して、図９（Ｂ）に示すような各節点１ａ１〜１ａ８を割り当てると共に、これら各節点１ａ１〜１ａ８における所定の拘束条件が設定される。拘束条件としては、各節点１ａ１〜１ａ８に対する図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。これらの拘束条件は、変位先に対応するものである。各節点１ａ１〜１ａ８としては、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。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。

これと共に、ステップＳ４においては、被予測ワイヤーハーネスの形状特性及び材料特性も設定される。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算出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。

更に、ステップＳ４においては、図９（Ｂ）に示すように、ワイヤーハーネスの所定部位、例えば、コネクタが取り付けられる位置に相当する節点１ａ８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。このように力ｆを設定することにより、組付け時に予想される作業者の動き等を正確に反映させたワイヤー様構造物の変形の様子を検討することが可能になる。また、所定部位を任意に引っ張たり、曲げたりした場合のワイヤー様構造物の変形の様子も検討することが可能になる。なお、このステップＳ４では、算出処理に係る各種制御値等も設定される。このステップＳ４は、請求項の設定手段及び第２設定手段に相当する。

このような、形状算出に必要な各値の設定が完了した後、算出開始のための所定トリガがあると、ステップＳ５において上記初期形状１ａが表示装置２３から消去された後ステップＳ７以降に進む。ステップＳ７以降では、ワイヤーハーネスの初期形状が上記設定された拘束条件等を満たす釣り合いがとれた最終形状に変位する迄の変形の様子を、逐次、表示装置２３上に更新出力する。この様子は、例えば、上記初期形状から最終形状に至るまでの間に割り当てられた複数の時点ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_iにそれぞれ対応したものとする。説明を加えると、初期形状から最終形状に至るまでを例えば１０秒としておき、１秒ごとの変形の様子を出力するようにする。この処理を以下に説明する。

まず、ステップＳ６において時点ｔ_iを時点ｔ₁に設定した後、ステップＳ７以降に進む。そして、ステップＳ７〜ステップＳ１１の処理ループにおいては、順次、時点ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_iにおけるワイヤーハーネスの形状を有限要素法を利用して算出し、時点ｔ_dに至るまでワイヤーハーネスの変形の様子を更新出力していく。

すなわち、ステップＳ７においては、上記ステップＳ４で設定された形状算出に必要な各値を有限要素法、特に、上記式（３）に適用して、時点ｔ_iにおける予測形状が算出される。次に、ステップＳ８においては、上記ステップＳ７にて算出された時点ｔ_iにおける予測形状（途中形状）を、表示装置２３上に出力させる。そして、ステップＳ９において、時点ｔ_iをカウントアップした後、ステップＳ１１において時点ｔ_iが最終時点ｔ_dに到達したか否かが判定される。なお、上記ステップＳ７は、請求項の算出手段に相当する。

更に、ステップＳ１０において、時点ｔ_iが未だ最終時点ｔ_dに到達していないと判定されると（ステップＳ１０のＮ）、ステップＳ１１において時点ｔ_iの予測形状が消去された後、ステップＳ７に戻って、次の時点ｔ_iにおける予測形状が上記と同様に算出される。すなわち、時点ｔ_iが最終時点ｔ_dに到達するまで、ステップＳ７及びステップＳ８において、途中形状の算出及び出力処理が切り返し行われる。このような処理により、図９（Ｃ）に示すようなワイヤーハーネスの変形の様子が逐次出力される。すなわち、初期形状１ａから、途中形状１ｂ及び１ｃを経て、後述する最終形状１ｄに至る迄の変形の様子が出力される。なお、図中、最終形状１ｄの節点１ｚ１、１ｚ２、１ｚ３、１ｚ４、１ｚ５、１ｚ６、１ｚ７、及び１ｚ８の位置はそれぞれ、上記初期形状１ａにおける節点１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４、１ａ５、１ａ６、１ａ７、及び１ａ８の位置に対応する。また、途中形状１ｂ、１ｃの節点１ｂ８、１ｃ８は、上記初期形状１ａにおける節点１ａ８に対応する。

なお、上記処理によると、各時点における途中形状は、自動的に、逐次更新出力されていくようになっているが、上記ステップＳ１０とステップＳ１１との間に、ステップＳ１１の更新出力を一時停止させる処理を挿入してもよい（請求項の一時停止制御手段に相当）。すなわち、入力装置２２による所定のトリガがあるまでは、現在の形状を表示装置２３上に静止させて出力させるようにしてもよい。こうすることにより、本装置のユーザは、変形途中のワイヤーハーネスの様子を任意の時点で静止させて、ワイヤーハーネスと干渉物との位置関係や歪み具合等を検討することも可能になる。

一方、上記ステップＳ１０において、時点ｔ_iが最終時点ｔ_dに到達したと判定されると（ステップＳ１０のＹ）、ステップＳ１２に進んで図９（Ｄ）に示すような最終時点ｔ_dにおける予測形状、すなわち、最終形状１ｚを表示装置２３上に出力させた上で一連の処理を終了する。この最終形状１ｚは、上記設定された拘束条件等を満たすような力学的に釣り合った安定状態である。この最終形状１ｚは、印字装置２４にも出力するようにしていもよい。なお、上記ステップＳ８及びステップＳ１２は、請求項の出力手段に相当する。

このように、本実施形態によれば、ワイヤーハーネスが最終形状に変位する迄変形の様子を、組み付け作業を行う前に予め知ることができる。この結果、ワイヤーハーネスの最適な配線設計が、設計者の熟練度に依存することなく、短期間で、容易かつ正確に行えるようになる。特に、ワイヤーハーネスを、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すことによって有限要素法の適用を可能にして、より精度の高い形状予測を実現している。

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。

本発明の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）
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 通信インターフェース
２７ リードライト装置
２８ 内部バス
Ｃ１〜Ｃ７ 梁要素
Ｎ１〜Ｎ８ 節点（ノード）

Claims (5)

1. 設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することによるワイヤー様構造物の配線設計支援方法であって、
   前記設定手段によって、前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定し、
   前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出し、そして、
   前記出力手段によって、前記算出手段による算出結果を逐次出力する
   ことを特徴とするワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
2. 前記ワイヤー様構造物を、車両に配線されるワイヤーハーネスとし、
   前記拘束条件を、前記複数の梁要素の各頂点の座標及び前記各頂点における自由度とし、
   前記形状特性を、前記ワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、そして、
   前記材料特性を、前記梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数とすることを特徴とする請求項１に記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
3. 複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することにより、ワイヤー様構造物の配線設計を支援する装置であって、
   前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定する設定手段と、
   前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出する算出手段と、
   前記算出手段による算出結果に基づき、前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次、更新出力する出力手段と、
   を含むことを特徴とするワイヤー様構造物の配線設計支援装置。
4. 手動操作に基づくトリガにより、前記出力手段による出力を一時的に静止させる一時停止制御手段を含むことを特徴とする請求項３に記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置。
5. 複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各支線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成された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て求めた初期形状から前記ワイヤー様構造物の最終形状に変形していく様子を算出して出力することにより、ワイヤー様構造物の配線設計を支援するために、コンピュータを、
   前記初期形状に拘束部材が取り付けられ得る位置に相当する節点を割り当て；前記ワイヤー様構造物の形状特性、及び、材料特性、並びに、前記節点における拘束条件に関する情報を設定し；かつ、前記節点に加える力を設定する設定手段、
   前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して前記初期形状から前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた最終形状に変形していく様子と共に、前記力を加えて変位させた際の前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次算出する算出手段、及び、
   前記算出手段による算出結果に基づき、前記ワイヤー様構造物の変形の様子を逐次、更新出力する出力手段
   として機能させるワイヤー様構造物の配線設計支援プログラム。

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