JP4943893B2 - タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラム - Google Patents

Description

本発明は、タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに係り、より詳しくは、有限要素法等によりタイヤの性能を解析するためのタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに関する。

タイヤ開発においては、実際にタイヤを作成するのではなく、タイヤの有限要素モデルを作成し、各種の性能評価をコンピュータ上で行うことにより開発の効率化を図ることが従来から行われている。

ところで、タイヤの中には、トレッドに設けられたリブやブロック等にサイピング（細い切り込み）を形成したものがある。このようなサイピングは、通常は幅が１．０ｍｍ以下に設定されており、タイヤの接地時におけるトレッドの剛性を最適化し、耐摩擦性能等を改善したり、氷雪路においてはエッジ効果を発揮し、路面との間でグリップ力を確保したりする等の重要な役割を果たす。

このようなサイピングは、例えばトレッドパターンが複数のブロックで構成されている場合では、一つのブロック当たり複数本設けられている場合があり、タイヤ一本当たりの総数が非常に多くなる。このため、サイピングを有するトレッドパターンを備えたタイヤについて有限要素法で取り扱うことが可能なタイヤモデルを作成する場合には、トレッドパターンを複数の要素に分割した際の各要素の形状が非常に複雑となり、モデル化するのに多大の労力と時間を要していた。

この問題を解決するため、特許文献１には、トレッドの３次元パターンを基にして、これに１以上の平面からなるサイピング面を設定することにより、このサイピング面を基準としてその両側に所定厚さでサイピングを要素で表現し得るトレッドをモデル化する方法が開示されている。
特許第３４９８０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法では、サイピングの底の部分が鋭利な刃物で切り込みを入れたときのような形状となってしまい、実際のタイヤを忠実にモデル化しているとは言い難い。このため、精度の高いシミュレーションを行うことができず実用性に欠ける、という問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができるタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のタイヤモデル作成方法は、サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成し、前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定し、設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割し、前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成することを特徴とする。

この発明によれば、まず、サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割て２次元モデルを作成する。そして、サイピングの深さに応じて、トレッドの表面からサイピングの底面までの領域の要素分割数を設定し、設定した要素分割数で前記トレッドの表面からサイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割する。これにより、サイピングの底面付近において、他の要素と比較して非常に小さい要素が作成されるのを防ぐことができる。その後、サイピングの底面からトレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することによりトレッドの３次元モデルを作成する。このようにしてタイヤモデルを作成することにより、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができる。

なお、請求項２に記載したように、前記サイピングが、深さの異なる複数の底面を備えている場合、前記トレッドの表面から前記サイピングの最底面までを前記底面毎に分割し、当該分割した領域毎に要素分割するようにしてもよい。これにより、複雑な形状のサイピングを有するタイヤでも効率よくモデル化することができる。

また、請求項３に記載したように、前記サイピングを有さない前記トレッドの側面を前記トレッドの表面とみなして要素分割するようにしてもよい。

請求項４記載のタイヤモデル作成装置は、サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成する第１の要素分割手段と、前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定する設定手段と、設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割する第２の要素分割手段と、前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成する作成手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができる。

請求項５記載のタイヤモデル作成プログラムは、サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成するステップと、前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定するステップと、設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割するステップと、前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成するステップと、を含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

この発明によれば、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができる。

以上説明したように、本発明によれば、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができる、という効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には一例として空気入りタイヤのタイヤモデルの作成や性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略が示されている。このパーソナルコンピュータは、データ等を入力するためのキーボード１０、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの３次元モデルを作成したり性能を予測したりするコンピュータ本体１２、コンピュータ本体１２による演算結果や各種画面等を表示するＣＲＴ１４、及びＣＲＴに表示されたカーソルを所望の位置に移動させたり、カーソル位置のメニュー項目やオブジェクト等を選択したり選択解除したりドラッグしたりする操作を行うためのマウス１６から構成されている。

なお、コンピュータ本体１２には、記録媒体としてのフレキシブルディスク（ＦＤ）が挿抜可能なフレキシブルディスクユニット（ＦＤＵ）を備えている。なお、後述する処理ルーチン等は、例えばＦＤＵを用いてフレキシブルディスクＦＤに対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチンは、予めＦＤに記録しておき、ＦＤＵを介してＦＤに記録された処理プログラムを実行してもよい。また、コンピュータ本体１２に設けられたハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）に処理プログラムを格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクがあり、これらを用いるときには、上記ＦＤＵに代えて、またはさらにＣＤ−ＲＯＭ装置、ＤＶＤ−ＲＯＭ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置等を用いればよい。

なお、コンピュータ本体１２のハードディスクには、後述するタイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムや、これらの実行に必要な各種パラメータやデータ等が記憶されている。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ本体１２で実行されるタイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムの処理ルーチンについて図２に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップ１００では、タイヤ本体モデルを作成する。タイヤ本体は、タイヤを構成するカーカスやベルト、サイドウォール、ビード部等のトレッド部以外の部分をいう。タイヤ本体モデルの作成処理では、タイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面の形状（サイズ）、構造、材料等のタイヤ本体モデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、タイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面のモデルを作成し、これをメッシュ分割してタイヤの周方向に展開することにより、タイヤ本体モデルを作成する。

タイヤ本体モデル及び後述するトレッドパターンモデルの作成は、用いる数値解析手法により若干異なる。本実施の形態では数値解析手法として有限要素法（ＦＥＭ）を用いるものとする。従って、本実施形態で作成するタイヤ本体モデル及びトレッドパターンモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、すなわち、メッシュ分割によって複数の要素に分割されたモデルを、数値解析手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。

この要素分割とは、タイヤを多数の（有限の）要素（小部分）に分割することをいう。各要素は、例えば四面体要素や五面体要素、六面体要素等とすることができる。この要素ごとに数値計算を行い全ての要素について計算した後、全部の要素を組み合わせることにより全体の応答を得ることができる。なお、数値解析手法には有限要素法に限らず、差分法や有限体積法、個別要素法（ＤＥＭ）等の他の公知の数値解析手法を用いても良い。

ステップ１０２では、トレッドパターンの表面（上面）をメッシュ分割した２次元モデルを作成する。この２次元モデルの作成では、トレッドパターンを構成する例えばトレッドブロックの形状（サイズ）、高さ、配置、材料、トレッドに設けるサイピングの形状や深さ等、トレッドパターンモデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力（指定）させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、まずトレッド表面をメッシュ分割した２次元モデルを作成する。

図３には、トレッドパターンの一部を構成する一つのトレッドブロック２０の斜視図を示した。トレッドブロック２０は、その表面側に複数のサイピング２２が設けられている。サイピングには、切れ込みがトレッドブロック間の溝に連通したタイプ、すなわちトレッドブロックの両端まで切れ込みが設けられたオープンタイプ、一端が前記溝に連通し、他端がトレッドブロック内で終端したセミオープンタイプ、両端が何れもトレッドブロック内で終端したクローズドタイプ等がある。図３では、オープンタイプのサイピング２２を示した。

なお、サイピングの幅Ｗは、例えば約１．０ｍｍ程度に設定される。また、図３では、サイピング２２は直線形状となっているが、これに限られるものではない。さらに、図３では、トレッドブロック２０にサイピング２２が設けられた場合について示したが、トレッドブロックから成るトレッドパターンに限らず、サイピングを有するものであれば、トレッドブロックの他にもリブやリブラグ、これらを組み合わせたトレッドパターンについて本発明を適用可能である。

図４には、トレッドブロックの表面をメッシュ分割した例を示した。例えば同図（Ａ）に示すように、サイピング２４が設けられたトレッドブロック２６については、同図（Ｂ）に示すように、複数の四角形状の要素２８に分割する。

ステップ１０４では、サイピングの底部までにおけるトレッド表面の法線方向へのトレッドブロックのメッシュ分割数を設定する。サイピングの形状が複雑な場合は、サイピングの底部が複数となる場合がある。例えば図５に示すような単純な形状のサイピング２４の場合には、底部２４Ａ一つであるが、図６に示すようなトレッドブロック３０に設けられた階段状の形状のサイピング３２の場合、底部３２Ａ、３２Ｂの二つとなる。

図５の場合、トレッドブロック２６の表面からサイピング２４の底面２４Ａまでの領域Ｄ_１について、図中矢印Ａ方向（トレッドブロック２６の表面の法線方向）のメッシュ分割数Ｎ_１を設定する。

図６の場合、サイピング３２が、深さの異なる複数の底部３２Ａ、３２Ｂを備えているので、トレッドブロック３０の表面からサイピング３２の底部３２Ａまでの領域Ｄ_１１については、図中矢印Ａ方向のメッシュ分割数Ｎ_１１、底部３２Ａから底部３２Ｂまでの領域Ｄ_１２については、図中矢印Ａ方向のメッシュ分割数Ｎ_１２を設定する。メッシュ分割数は、各領域の矢印Ａ方向の長さ（底部までの深さ）に応じて、例えば等分割に設定する。これにより、サイピングの底部付近に小さい要素ができてしまうのを防ぐことができる。

ステップ１０６では、設定したメッシュ分割数でトレッドブロック表面の法線方向へメッシュ分割する。例えば図５の場合、トレッドブロック２６の表面からサイピング２４の底面２４Ａまでの領域Ｄ_１について、図中矢印Ａ方向にメッシュ分割数Ｎ_１でメッシュ分割する。また、図６の場合、トレッドブロック３０の表面からサイピング３２の底部３２Ａまでの領域Ｄ_１１について、図中矢印Ａ方向にメッシュ分割数Ｎ_１１でメッシュ分割する。これにより、領域Ｄ_１や領域Ｄ_１１について、３次元要素にメッシュ分割される。なお、本実施形態では、各要素が長方形状、すなわち６面体となるようにメッシュ分割しているが、これに限らず、四面体、五面体等になるようにメッシュ分割してもよい。

ステップ１０８では、サイピングの最底部までメッシュ分割したか否かを判断し、サイピングの最深部までメッシュ分割した場合にはステップ１１０へ移行し、そうでない場合にはステップ１０６へ戻って、次の底部までの領域についてメッシュ分割する。

例えば図５の場合は、サイピングの底部は一つなので、ステップ１１０へ移行する。一方、図６の場合は、サイピングの底部が二つあり、底部３２Ａから底部３２Ｂまでの領域Ｄ_１２についてメッシュ分割する必要があることから、ステップ１０６へ戻って上記と同様に領域Ｄ_１２についてメッシュ分割する。

ステップ１１０では、サイピングの最底部からトレッドブロックの底部までの領域Ｄ_２についてトレッドブロック表面の法線方向へメッシュ分割数Ｎ_２でメッシュ分割する。これにより、トレッドブロックを６面体要素にメッシュ分割した３次元モデルが作成される。なお、各要素には、その要素を構成するゴムの弾性係数、複素弾性率、損失正接ｔａｎδ等の材料定数、剛性等の数値解析に必要なパラメータが設定される。

なお、上記では１種類のトレッドブロックについてメッシュ分割した例を示したが、トレッドパターンに複数種類のトレッドブロックが含まれる場合には、それぞれについて上記と同様の処理（ステップ１０２〜１１０）を行えばよい。

ステップ１１２では、トレッドパターン全体のモデルを作成する。例えば、作成したトレッドブロックの３次元モデルを複数含む１ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成する。これは、例えば複数のトレッドブロックの配置をユーザーに指定させることにより作成することができる。そして、作成した１ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルをタイヤの周方向に展開することにより、トレッドパターン全体の３次元モデルであるトレッドパターンモデルを作成する。なお、複数ピッチ分のトレッドパターンを作成してからタイヤの周方向に展開することによりトレッドパターンモデルを作成するようにしてもよい。

ステップ１１４では、タイヤ本体モデルとトレッドパターンモデルとを合成し、タイヤモデルを作成する。すなわち、トレッドパターンモデルをタイヤ本体モデルの外周側に貼り合わせることによりタイヤモデルを作成する。

上記のようにしてタイヤモデルの作成が終了すると、ステップ１１６へ進み、路面モデルの作成と共に路面状態の入力がなされる。このステップ１１６は、路面をモデル化し、そのモデル化した路面を実際の路面状態に設定するために入力するものであって、路面形状を要素分割して路面をモデル化し、路面の摩擦係数μを選択して入力することで路面状態を入力する。すなわち、路面状態により乾燥状態、濡れた状態、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面の摩擦係数μが存在するので、摩擦係数μについて適正な値を選択することで、実際の路面状態を再現させることができる。

このようにして、路面状態の入力がなされると、次のステップ１１８において、境界条件の設定がなされる。境界条件の設定は、タイヤモデルに内圧、荷重、変位、回転速度、トルク等を負荷させることや直進速度または路面速度を負荷させることである。

そして、ステップ１２０では、ステップ１１８で設定された境界条件のもとで有限要素法によりタイヤの変形計算を行い、タイヤの歪み等をシミュレーションする。

ステップ１２２では、ステップ１２０のタイヤの変形計算に基づくシミュレーション結果、例えばタイヤの形状等をＣＲＴ１４に表示する。

このように、本実施形態では、まずトレッド表面をメッシュ分割して２次元モデルを作成し、サイピングの底部までの領域についてトレッド表面の法線方向へメッシュ分割する。そして、サイピングの底部からトレッドの底部までの領域をメッシュ分割する。これにより、サイピングの底部において他の要素と比較して極端に小さい要素ができてしまうのを防ぐことができ、サイピングを有するタイヤを精度良く且つ効率良くモデル化することができる。

なお、本実施形態では、サイピングを有するトレッドブロックをメッシュ分割する場合について説明したが、まずサイピングのないトレッドブロックをメッシュ分割し、サイピングに相当する部分の要素を削除することによりトレッドブロックの３次元モデルを作成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、トレッドブロックの表面（上面）からその表面の法線方向にメッシュ分割する場合について説明したが、例えばサイピングを有さないトレッドブロックの一方の側面からその側面の法線方向にメッシュ分割するようにしてもよい。この場合、トレッドブロックの一方の側面を表面、他方の側面をトレッドブロックの底面とみなすと共に、サイピングの壁面を底面とみなし、上記と同様の処理を行えばよい。

次に、本発明の実施例について説明する。

スタッドレスタイヤのトレッドブロック一つを有限要素法で解析可能なモデルに前記特許文献１に係る方法でモデル化したものと、本発明に係る方法でモデル化したものについて、平均接地圧３ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件でせん断入力を１ｍｍ与え、トレッドブロックのせん断力をシミュレーションした。特許文献１に係る方法でモデル化したものの一例を図７（Ａ）、（Ｂ）に示す。なお、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の一部拡大図である。また、本発明に係る方法でモデル化したものの一例を図８（Ａ）、（Ｂ）に示す。なお、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の一部拡大図である。シミュレーション結果を以下に示す。

上記表１では、実測を「１００」とした場合の指数を示している。表１から明らかなように、本発明に係る方法は実測と同じ結果を示していることが判り、本発明に係る方法によりモデル化することにより、精度良くモデル化できると共に、精度良く性能解析できることが判った。

タイヤモデルの作成やタイヤの性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略図である。 タイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムのフローチャートである。 トレッドブロックの一例を示す斜視図である。 トレッドブロックの平面図である。 トレッドブロックの３次元モデルの斜視図である。 トレッドブロックの３次元モデルの側面図である。 従来例に係るトレッドブロックの３次元モデルの斜視図である。 本発明に係るトレッドブロックの３次元モデルの斜視図である。

符号の説明

１０ キーボード
１２ コンピュータ本体
１４ ＣＲＴ
１６ マウス

Claims (5)

1. サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成し、
   前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定し、
   設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割し、
   前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成する
   ことを特徴とするタイヤモデル作成方法。
2. 前記サイピングが、深さの異なる複数の底面を備えている場合、前記トレッドの表面から前記サイピングの最底面までを前記底面毎に分割し、当該分割した領域毎に要素分割することを特徴とする請求項１記載のタイヤモデル作成方法。
3. 前記サイピングを有さない前記トレッドの側面を前記トレッドの表面とみなして要素分割することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のタイヤモデル作成方法。
4. サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成する第１の要素分割手段と、
   前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定する設定手段と、
   設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割する第２の要素分割手段と、
   前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成する作成手段と、
   を備えたタイヤモデル作成装置。
5. サイピングを有するトレッドの表面を有限個の複数の平面要素に要素分割して２次元モデルを作成するステップと、
   前記サイピングの深さに応じて、前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域の要素分割数を設定するステップと、
   設定した要素分割数で前記トレッドの表面から前記サイピングの底面までの領域を前記トレッドの表面の法線方向に有限個の複数の３次元要素に要素分割するステップと、
   前記サイピングの底面から前記トレッドの底面までの領域を前記法線方向に３次元要素に要素分割することにより前記トレッドの３次元モデルを作成するステップと、
   を含む処理をコンピュータに実行させるためのタイヤモデル作成プログラム。

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