JP4952485B2 - Deformation simulation method for flexible tube - Google Patents
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Description
本発明は、可撓管の変形シミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a deformation simulation method for a flexible tube.
自動車のエンジンルームには、流体を輸送するためのホース(以下可撓管という)、例えば、空調装置に対する空気の輸送を行う可撓管、あるいは、パワーステアリング装置に対する油圧供給用の可撓管が組み込まれている。
近年、エンジンルームの高密度化が進み、可撓管と他の部品や構造物との間のクリアランスが狭くなる傾向にあることから、可撓管をエンジンルームに組み付けた状態での可撓管の軌跡、すなわち、変形挙動を設計段階で正確に把握することが重要となっている。
そのため、CADソフトを用いることによって可撓管の軌跡をスプライン曲線、直線、円弧などの単純化された幾何学形状の組み合わせに基づいて作図している。
ところが、このような幾何学形状の組み合わせによって再現された可撓管の軌跡は、その再現にあたって可撓管の材料特性などが考慮されていないことから、実際にエンジンルームに組み付けた可撓管の軌跡と異なることが多く、可撓管が他の部材や構造物に干渉してしまうおそれがあった。
そこで、可撓管の軌跡を有限要素法を用いて解析する技術が提案されている(特許文献1、2参照)。
In recent years, the density of the engine room has been increased, and the clearance between the flexible pipe and other parts and structures tends to be narrowed. Therefore, the flexible pipe in a state where the flexible pipe is assembled in the engine room. It is important to accurately grasp the trajectory, that is, the deformation behavior at the design stage.
Therefore, by using CAD software, the trajectory of the flexible tube is drawn based on a combination of simplified geometric shapes such as spline curves, straight lines, and arcs.
However, the trajectory of the flexible tube reproduced by such a combination of geometric shapes does not take into account the material characteristics of the flexible tube in the reproduction, so the flexible tube actually assembled in the engine room is not considered. The trajectory is often different, and the flexible tube may interfere with other members and structures.
Therefore, techniques for analyzing the trajectory of the flexible tube using a finite element method have been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、上述した従来技術では、実際に製造された可撓管を用いてねじり剛性や曲げ剛性の実測データを得るとともに、それら実測データを用いて解析を行うため、予め可撓管の現物が必要となり、設計の効率化や低コスト化を図る上で不利があった。
また、可撓管を中実のソリッド要素、あるいは、梁要素として要素分解して解析しているため、可撓管内部に流体の圧力が作用することで生じる可撓管の伸びや振れを含む変形挙動を解析結果に反映することができず、使用状態における可撓管の変形挙動を正確に得ることができない不利があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、設計効率の向上、設計コストの低減を図りつつ、可撓管の変形挙動を正確に再現する上で有利な可撓管の変形シミュレーション方法を提供することにある。
However, in the above-described prior art, actual torsional rigidity and bending rigidity are obtained using an actually manufactured flexible tube, and analysis is performed using the actual measurement data. Therefore, there is a disadvantage in improving the efficiency of design and reducing the cost.
In addition, since the flexible tube is analyzed as a solid solid element or a beam element, the flexible tube is expanded and shaken due to the fluid pressure acting inside the flexible tube. The deformation behavior cannot be reflected in the analysis result, and there is a disadvantage that the deformation behavior of the flexible tube in the use state cannot be obtained accurately.
The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to improve the design efficiency and reduce the design cost, and is advantageous in accurately reproducing the deformation behavior of the flexible tube. It is to provide a deformation simulation method of a flexible tube.
上記目的を達成するために本発明は、可撓管の両端が構造物に取り付けられた状態における前記可撓管の変形挙動を有限要素法によりコンピュータを用いて解析する可撓管の変形シミュレーション方法であって、前記コンピュータは、操作者による操作入力を受け付ける入力手段と、有限要素法による解析処理を行う解析手段と、データの出力を行う出力手段とを備え、操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の形状を示す形状データを前記解析手段に与える形状データ入力ステップと、前記解析手段が前記形状データに基づいて前記可撓管を要素分割し複数の要素と複数の節点を設定することで構造データを生成する構造データ生成ステップと、操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の材料特性を示す材料特性データを前記解析手段に設定する材料特性設定ステップと、操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の拘束条件を示す拘束条件データを前記解析手段に設定する拘束条件設定ステップと、操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の両端を前記構造物に取り付ける際の前記両端の移動量および位置を定義する境界条件を示す境界条件データを前記解析手段に設定する境界条件設定ステップと、前記解析手段が、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データと前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データと前記境界条件設定ステップで設定された境界条件データとに基づいて有限要素法による計算を行い、前記可撓管の両端が前記構造物に取り付けられた状態で前記可撓管の内周面に前記圧力が作用しない無負荷状態での変形挙動を示す第1のデータを出力する第1のデータ出力ステップと、操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の内周面に作用する圧力を示す圧力データを前記解析手段に設定する圧力設定ステップと、前記解析手段が、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データと前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データと前記境界条件設定ステップで設定された境界条件データと前記圧力設定ステップで設定された圧力に基づいて有限要素法による計算を行い、前記可撓管の両端が前記構造物に取り付けられた状態で前記可撓管の内周面に前記圧力が作用した負荷状態での変形挙動を示す第2のデータを出力する第2のデータ出力ステップとを含むことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a deformation simulation method for a flexible tube, wherein the deformation behavior of the flexible tube in a state where both ends of the flexible tube are attached to a structure is analyzed by a finite element method using a computer. The computer includes an input unit that receives an operation input by an operator, an analysis unit that performs an analysis process using a finite element method, and an output unit that outputs data. A shape data input step for giving shape data indicating the shape of the flexible tube to the analysis means by performing operation input, and the analysis means divides the flexible tube into elements based on the shape data, and a plurality of elements A structure data generation step for generating structure data by setting a plurality of nodes, and the operator can perform the operation by performing an operation input to the input means. A material property setting step for setting material property data indicating a material property of a tube in the analysis unit; and constraint condition data indicating a constraint condition of the flexible tube by an operator performing an operation input on the input unit. A constraint condition setting step set in the analysis means, and an amount of movement and a position of the both ends when the operator attaches both ends of the flexible tube to the structure by performing an operation input to the input means. A boundary condition setting step for setting boundary condition data indicating boundary conditions to be set in the analysis means; and the structure data generated by the analysis means in the structure data generation step and the material characteristic data set in the material characteristic setting step. And the constraint condition data set in the constraint condition setting step and the boundary condition data set in the boundary condition setting step First data showing a deformation behavior in a no-load state in which the pressure does not act on the inner peripheral surface of the flexible tube in a state where both ends of the flexible tube are attached to the structure by performing calculation by an elementary method And a pressure for setting pressure data indicating pressure acting on the inner peripheral surface of the flexible tube when the operator performs an operation input to the input means in the analysis means. A setting step; and the analysis means includes the structure data generated in the structure data generation step, the material property data set in the material property setting step, the constraint condition data set in the constraint condition setting step, and the boundary condition Based on the boundary condition data set in the setting step and the pressure set in the pressure setting step, calculation is performed by a finite element method, and both ends of the flexible tube are attached to the structure. And a second data output step of outputting second data indicating a deformation behavior in a loaded state in which the pressure is applied to the inner peripheral surface of the flexible tube in a cut state.
本発明によれば、可撓管の両端が構造物に取り付けられた状態で可撓管の内周面に圧力が作用しない無負荷状態での変形挙動を示す第1のデータと、可撓管の内周面に圧力が作用した負荷状態での変形挙動を示す第2のデータとを得るようにしたので、可撓管内部に流体の圧力が作用することで生じる可撓管の変形挙動を解析結果に反映することができ、使用状態における可撓管の変形挙動を正確に得ることができる。 According to the present invention, the first data indicating the deformation behavior in the no-load state in which the pressure does not act on the inner peripheral surface of the flexible tube when both ends of the flexible tube are attached to the structure, and the flexible tube Since the second data indicating the deformation behavior in a load state where pressure is applied to the inner peripheral surface of the flexible tube is obtained, the deformation behavior of the flexible tube caused by the fluid pressure acting on the inside of the flexible tube is obtained. This can be reflected in the analysis result, and the deformation behavior of the flexible tube in the use state can be obtained accurately.
次に、本発明の実施の形態による可撓管の変形シミュレーション方法について図面を参照して説明する。
図1は本発明方法を実行するために使用されるコンピュータ10の構成を示すブロック図、図2はコンピュータ10の機能ブロック図である。
まず、本発明方法を実行するコンピュータコンピュータ10について説明する。
図1に示すように、コンピュータ10は、CPU12と、不図示のインターフェース回路およびバスラインを介して接続されたROM14、RAM16、ハードディスク装置18、ディスク装置20、キーボード22、マウス24、ディスプレイ26、プリンタ28などを有している。
ROM14は制御プログラムなどを格納し、RAM16はワーキングエリアを提供するものである。
ハードディスク装置18は本発明に係る可撓管の変形シミュレーション方法を実現するための解析プログラムを格納している。
ディスク装置20はCDやDVDなどの記録媒体に対してデータの記録および/または再生を行うものである。
キーボード22およびマウス24は、操作者による操作入力を受け付けるものであり、入力手段10A(図2)を構成するものである。
ディスプレイ26はデータを表示出力するものであり、プリンタ28はデータを印刷出力するものであり、ディスプレイ26およびプリンタ28によってデータを出力する出力手段10C(図2)が構成されている。
Next, a flexible tube deformation simulation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
First, the
As shown in FIG. 1, a
The
The
The
The
The
図2に示すように、コンピュータ10は、機能的には、入力手段10A、解析手段10B、出力手段10Cを含んで構成されている。
入力手段10Aは、操作者による操作入力を受け付けることにより、可撓管を有限要素法によって解析するにあたって必要なデータを入力するものであり、それらデータについては後述する。
解析手段10Bは、入力手段10Aによって入力されたデータに基づいて有限要素法による解析処理を行うものであり、図1に示すハードディスク装置18に格納されている解析プログラムがRAM16にロードされ、CPU12が解析プログラムに基づいて動作することで実現される。
出力手段10Cは、解析手段10Bによる計算結果から構成されるデータを出力するものである。
As shown in FIG. 2, the
The input unit 10A receives operation input by an operator and inputs data necessary for analyzing the flexible tube by the finite element method, which will be described later.
The analysis means 10B performs analysis processing by the finite element method based on the data input by the input means 10A. The analysis program stored in the
The output means 10C outputs data composed of the calculation results by the analysis means 10B.
次に、本発明方法によって解析される可撓管について説明する。
図3(A)は可撓管40の正面図、(B)は可撓管40の側面図である。
なお、本実施の形態では、可撓管40が、自動車のエンジンルームに組み付けられ流体を輸送するものである場合について説明する。
図3(A)、(B)に示すように、可撓管40は、可撓性を有する材料によって筒状に構成され、内部に流体を輸送するための内部空間Sが形成されており、本実施の形態では、可撓管40は円筒状を呈している。
可撓管40は長手方向の両端40A、40Bがそれぞれエンジンルーム内の取り付け箇所にそれぞれ取り付けられることでエンジンルームに組み付けられる。
本実施の形態では、図3(A)に示すように、可撓管40は、チューブ層42と、補強部材44と、カバー層46とを備えている。
チューブ層42は内部空間Sに臨んで円筒壁状に形成され、内部空間Sを輸送される流体をチューブ層42の外側に漏らさない材料、例えば、ゴムなどで形成されている。
補強部材44は、チューブ層42の強度を補強するためにチューブ層42に設けられている。本実施の形態では、補強部材44は、図中二点鎖線で示すように、チューブ層42の厚さ方向(半径方向)の内部において可撓管40の長手方向および周方向にわたって円筒状をなすように埋め込まれている。
カバー層46は、チューブ層42の外周面を覆うように円筒壁状に設けられ、チューブ層42を保護している。
言い換えると、可撓管40は、管状に形成されたチューブ層42およびカバー層46からなる母材と、この母材を補強するために該母材に設けられた補強部材44とを含んで構成された複合材料で構成されている。
補強部材44としては、例えば、繊維材料あるいは金属材料が採用可能であり、一層あるいは複数層設けられている。
Next, the flexible tube analyzed by the method of the present invention will be described.
3A is a front view of the
In the present embodiment, the case where the
As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the
The
In the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the
The
The reinforcing
The
In other words, the
As the reinforcing
次に可撓管40の変形シミュレーション方法について図4のフローチャートを参照して説明する。
図5(A)、(B)は可撓管40の取り付け時の動きを模式的に示す説明図である。
可撓管40をエンジンルームに取り付けるに際しては、図5(A)の位置(イ)に示すように、直線状に延在する可撓管40の一端40Aをエンジンルームの取り付け位置gに固定し、次いで、位置(ロ)に示すように、可撓管40の他端40Bを当初の位置eから中間位置e′まで変位させる。
次いで、図4(B)に位置(ハ)で示すように、可撓管40の他端40Bを中間位置e′から取付位置e″まで変位させ、他端40Bを取付位置e″で固定する。
このような可撓管40の動きを有限要素法を用いて解析して再現するにあたって、可撓管40の各部分の位置をエンジンルームを示す図面上の3次元座標を基準として表現すると、図面上の3次元座標の原点や座標軸は可撓管40の動きとは無関係に定義されていることから解析時の計算が複雑になる不都合がある。
そのため、エンジンルームの3次元空間を示す座標を図面上の3次元座標から、解析時の計算が簡素となるように有限要素法解析用の3次元座標に変換する(ステップS10)。
すなわち、図5(A)、(B)を用いて説明すると、有限要素法解析用の3次元座標は、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸上の座標で定義される。
そして、図5(A)に示すように、位置(イ)で示す直線状に延在する可撓管40の一端40Aの位置をX軸およびY軸の原点に定め、他端40BをX軸上の座標eとし、可撓管40がX軸上に延在しているものとする。
このように、可撓管40の両端40A、40Bや取り付け箇所、あるいは、可撓管40の中間箇所がX軸、Y軸、Z軸、XY平面、YZ平面、XZ平面の何れかに位置するように有限要素法解析用の3次元座標への変換を行うことで解析時の計算の単純化を図っている。
なお、このような座標の変換処理は必須ではないが、本実施の形態のように変換処理を行うことで解析時の計算の単純化を図れ、解析時間の短縮を図る上で有利となる。
Next, a deformation simulation method of the
5 (A) and 5 (B) are explanatory views schematically showing the movement when the
When the
4B, the
In analyzing and reproducing the movement of the
Therefore, the coordinates indicating the three-dimensional space of the engine room are converted from the three-dimensional coordinates on the drawing to the three-dimensional coordinates for finite element method analysis so that the calculation at the time of analysis is simplified (step S10).
5A and 5B, three-dimensional coordinates for finite element analysis are defined by coordinates on the X, Y, and Z axes that are orthogonal to each other.
Then, as shown in FIG. 5A, the position of one
As described above, both ends 40A and 40B of the
Note that such coordinate conversion processing is not essential, but performing conversion processing as in the present embodiment is advantageous in simplifying calculation during analysis and shortening analysis time.
次に、可撓管40の両端40A、40Bを取り付け箇所に取り付ける際の両端40A、40Bの移動量および位置を定義する境界条件を算出する(ステップS12)。
境界条件は、図5(A)、(B)に示すように、位置(イ)、位置(ロ)、位置(ハ)の順番で可撓管40を動かした際における両端40A、40Bの位置、移動量を示すものである。
図5の例では、可撓管40を位置(イ)から位置(ロ)に動かす際には、まず、可撓管40の他端40BをX軸に対してφ度傾斜させて位置e′に移動させ、次いで可撓管40の角度φを保ちつつ位置e″に移動させている。したがって、図5の例では、境界条件を示す位置や移動量は、上述した角度φや他端40Bの座標の移動量(図中lx、lyで示されている)で表現されることになる。
Next, a boundary condition that defines the amount of movement and the position of both ends 40A and 40B when attaching both ends 40A and 40B of the
As shown in FIGS. 5A and 5B, the boundary conditions are positions of both ends 40A and 40B when the
In the example of FIG. 5, when moving the
次に、操作者が入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより、可撓管40の形状を示す形状データD1(図2)を解析手段10Bに与える(ステップS14:形状データ入力ステップ)。
形状データD1としては、例えば、可撓管40の長さ、外径、内径、および、可撓管40を構成するチューブ層42、補強部材44、カバー層46の形状や構造を含む。より詳細には、補強部材44の層数や補強部材44を構成する繊維部材の配向方向などを含む。
次に、解析手段10Bは形状データD1に基づいて可撓管40を要素分割し複数の要素と複数の節点を設定することで構造データを生成する(ステップS16:構造データ生成ステップ)。
この構造データ生成ステップによる要素分割は、可撓管40の母材であるチューブ層42およびカバー層46をシェル要素またはソリッド要素でモデル化するとともに、補強部材44を補強材要素でモデル化することでなされる。
すなわち、可撓管40のモデル化に際して、シェル要素またはソリッド要素を用いて可撓管40を中空の管体として厳密にモデル化するとともに、補強材要素を用いて補強部材44の特性を厳密に反映してモデル化する。
なお、補強材要素は、市販されている有限要素法解析プログラムにおいて既に使用されており、例えば、ダッソーシステムズ社の有限要素法解析プログラムであるABAQUS(登録商標)では、補強材要素がリバー要素という名称で使用されている。
Next, when the operator inputs an operation to the input unit 10A, the shape data D1 (FIG. 2) indicating the shape of the
The shape data D1 includes, for example, the length, outer diameter, and inner diameter of the
Next, the analysis means 10B generates structure data by dividing the
In the element division by this structural data generation step, the
That is, when modeling the
The reinforcing element is already used in a commercially available finite element method analysis program. For example, in ABAQUS (registered trademark), which is a finite element method analyzing program of Dassault Systèmes, the reinforcing element is called a river element. Used in the name.
次に、操作者は、入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより可撓管40の材料特性を示す材料特性データD2(図2)を解析手段10Bに設定する(ステップS18:材料特性設定ステップ)。
本実施の形態では、チューブ層42、補強部材44、カバー層46の材料特性データD2を設定する。
材料特性としては、例えば、ヤング率、ポアソン比、密度(質量密度)などが挙げられる。
Next, the operator sets the material property data D2 (FIG. 2) indicating the material properties of the
In the present embodiment, the material property data D2 of the
Examples of material properties include Young's modulus, Poisson's ratio, density (mass density), and the like.
次に、操作者は、入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより可撓管40の構造データの各節点を拘束する拘束条件を示す拘束条件データD3(図2)を解析手段10Bに設定する(ステップS20:拘束条件設定ステップ)。
拘束条件は、各節点に対して該節点の持つ各自由度(6自由度)の固定あるいは自由を設定するものであり、従来公知の有限要素法の手法に基づいて設定される。
Next, the operator sets constraint condition data D3 (FIG. 2) indicating constraint conditions for restraining each node of the structure data of the
The constraint condition is to set a fixed or free degree of freedom (6 degrees of freedom) of each node for each node, and is set based on a conventionally known finite element method.
次に、操作者は、入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより、ステップS12で計算された前記境界条件を示す境界条件データD4を解析手段10Bに設定する(ステップS22:境界条件データ設定ステップ)。
すなわち、可撓管40の両端40A、40Bを構造物などに取り付ける際の両端40A、40Bの移動量および位置を定義する境界条件を示す境界条件データD4が解析手段10Bに設定される。
Next, the operator sets the boundary condition data D4 indicating the boundary condition calculated in step S12 in the analysis means 10B by performing an operation input on the input means 10A (step S22: boundary condition data setting). Step).
That is, the boundary condition data D4 indicating the boundary conditions that define the movement amounts and positions of the both ends 40A, 40B when the both ends 40A, 40B of the
次に、解析手段10Bは、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データD2と前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データD3と境界条件データ設定ステップで設定された境界条件データD4とに基づいて有限要素法による計算を行い、可撓管40の両端が構造物に取り付けられた状態で可撓管40の内周面に圧力が作用しない無負荷状態での変形挙動(可撓管40の軌跡)を示す第1のデータD10(図2)を出力手段10Cを介して出力する(ステップS24:第1のデータ出力ステップ)。
本実施の形態では、出力手段10Cから出力されるデータD10は節点の変位量を示す変位量データD10として得られる。
この変位量データD10は、例えば、可撓管40を3次元的に示した画像などによって表現されるが、変位量データD10をどのような形態で出力し、表現するかは任意である。
Next, the analysis means 10B includes the structure data generated in the structure data generation step, the material property data D2 set in the material property setting step, the constraint condition data D3 set in the constraint condition setting step, and the boundary condition. Calculation is performed by the finite element method based on the boundary condition data D4 set in the data setting step, and pressure is applied to the inner peripheral surface of the
In the present embodiment, the data D10 output from the output means 10C is obtained as the displacement amount data D10 indicating the displacement amount of the node.
The displacement amount data D10 is expressed by, for example, an image showing the
図6は第1のデータ出力ステップによって出力される変位量データD10に基づいて描かれた可撓管40の無負荷状態での変形挙動を示す説明図である。なお、図6乃至図8は可撓管40の変形挙動を2次元平面上で示した場合について示す。
すなわち、位置(イ)で示すように一端40Aが固定された状態で直線状に延在する可撓管40を位置(ロ)まで動かし、次いで、可撓管40を位置(ハ)まで動かして他端40Bを取り付け位置にまで動かした状態を示している。
なお、図中、符号(ニ)で示す太実線は、スプライン曲線、直線、円弧などの単純化された幾何学形状の組み合わせに基づいて求められた可撓管40の変形挙動(軌跡)を示すものであり、解析手段10Bで得られた変位量データD10で示される可撓管40の変形挙動(軌跡)に比較して可撓管40の中間部の湾曲が反映されていないことがわかる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the deformation behavior of the
That is, as shown by the position (A), the
In the drawing, a thick solid line indicated by a symbol (d) indicates a deformation behavior (trajectory) of the
そして、得られた解析結果(可撓管40の変形挙動を示すデータ)に基づいて、可撓管40と他の部材や構造物との距離の接近度合い、干渉の有無などを確認することにより、可撓管40の設計評価を行い(ステップS26:評価ステップ)、設計が不適と評価されたならば、設計変更を行い(ステップS34)、ステップS14から処理を繰り返す。
図7は、可撓管40の全長を2種類に変更した場合を示している。
すなわち、可撓管40の全長をL1と、L2(L2>L1)との2種類に変更した場合、可撓管40の全長がL1、L2の場合の変形挙動をそれぞれ位置(ホ)、位置(へ)で示す。
可撓管40の全長がL1の場合に比較して全長がL2と長くなると、可撓管40の中間部の湾曲がより大きくなっていることがわかる。
And based on the obtained analysis result (data indicating the deformation behavior of the flexible tube 40), by confirming the proximity of the distance between the
FIG. 7 shows a case where the total length of the
That is, when the total length of the
It can be seen that the bending of the intermediate portion of the
ステップS26による評価が適当であれば、操作者が入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより可撓管40の内周面に作用する圧力を示す圧力データD5(図2)を解析手段10Bに設定する(ステップS28:圧力データ設定ステップ)。
圧力設定ステップによる圧力データD5の設定は、前記圧力が時間経過によらず一定となるように、言い換えると静的な圧力が作用するものとしてもよいし、あるいは、前記圧力が時間経過とともに変化するように、言い換えると動的な圧力が作用するものとしてもよい。
If the evaluation in step S26 is appropriate, the pressure data D5 (FIG. 2) indicating the pressure acting on the inner peripheral surface of the
The setting of the pressure data D5 by the pressure setting step may be such that a static pressure acts so that the pressure becomes constant regardless of the passage of time, or the pressure changes with the passage of time. In other words, in other words, dynamic pressure may be applied.
次に、解析手段10Bは、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データD2と前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データD3と境界条件データ設定ステップで設定された境界条件データD4と圧力データ設定ステップで設定された圧力データD5とに基づいて有限要素法による計算を行い、可撓管40の両端が構造物に取り付けられた状態で可撓管40の内周面に前記圧力が作用した負荷状態での変形挙動を示す第2のデータD12(図2)を出力手段10Cを介して出力する(ステップS30:第2のデータ出力ステップ)。
本実施の形態では、出力手段10Cから出力される第2のデータD12も節点の変位量を示す変位量データD12として得られる。すなわち、この変位量データD12は可撓管40に圧力が加わることで発生する可撓管40の伸びや振れを反映したものとなる。
変位量データD12も可撓管40を3次元的に示した画像などによって表現されるが、どのような形態で出力し、表現するかは任意である。
Next, the analysis means 10B includes the structure data generated in the structure data generation step, the material property data D2 set in the material property setting step, the constraint condition data D3 set in the constraint condition setting step, and the boundary condition. Based on the boundary condition data D4 set in the data setting step and the pressure data D5 set in the pressure data setting step, calculation is performed by the finite element method, and both ends of the
In the present embodiment, the second data D12 output from the output means 10C is also obtained as the displacement amount data D12 indicating the displacement amount of the node. That is, the displacement amount data D12 reflects the expansion and vibration of the
The displacement amount data D12 is also expressed by an image or the like showing the
そして、得られた解析結果(可撓管40の変形挙動を示すデータ)に基づいて、可撓管40と他の部材や構造物との距離の接近度合い、干渉の有無などを確認することにより、可撓管40の設計評価を行い(ステップS32:評価ステップ)、設計が不適と評価されたならば、設計変更を行い(ステップS34)、ステップS14から処理を繰り返す。
ステップS32によって設計が適当であると評価されたならば、一連の処理を終了する。
And based on the obtained analysis result (data indicating the deformation behavior of the flexible tube 40), by confirming the proximity of the distance between the
If it is determined in step S32 that the design is appropriate, the series of processing ends.
図8は、可撓管40の無負荷状態および負荷状態での変形挙動を示す説明図である。
すなわち、可撓管40の無負荷状態での変形挙動を実線(位置(ハ))で、負荷状態での変形挙動を破線(位置(ト))で示す。
可撓管40に圧力による負荷がかかることで、可撓管40に伸びや振れが生じることにより、無負荷状態の可撓管40に比較して可撓管40の中間部の湾曲が若干大きくなっていることがわかる。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing deformation behavior of the
That is, the deformation behavior of the
When a load due to pressure is applied to the
なお、図6乃至図8は可撓管40の変形挙動を2次元平面上で示した場合について示したが、可撓管40の変形挙動を3次元平面上で示すことも可能である。
図9は可撓管40の無負荷状態での変形挙動を3次元的に示す説明図であり、(A)は可撓管40の正面図、(B)は(A)のB矢視図、(C)は(B)のC矢視図である。また、図10は可撓管40の負荷状態での変形挙動を3次元的に示す説明図であり、(A)は可撓管40の正面図、(B)は(A)のB矢視図、(C)は(B)のC矢視図である。
この場合も可撓管40に圧力による負荷がかかることで、無負荷状態の可撓管40に比較して可撓管40の中間部の湾曲度合いが変化(増大)していることがわかる。
6 to 8 show the case where the deformation behavior of the
FIG. 9 is an explanatory view three-dimensionally showing the deformation behavior of the
Also in this case, it is understood that the bending degree of the intermediate portion of the
以上説明したように、本実施の形態によれば、可撓管40の両端が構造物に取り付けられた状態で可撓管40の内周面に圧力が作用しない無負荷状態での変形挙動を示す第1のデータD10と、可撓管40の両端が構造物に取り付けられた状態で可撓管40の内周面に圧力が作用した負荷状態での変形挙動を示す第2のデータD12とを得るようにしたので、可撓管40内部に流体の圧力が作用することで生じる可撓管40の変形挙動を解析結果に反映することができ、使用状態における可撓管40の変形挙動を正確に得ることができる。
また、従来のように、実際に製造された可撓管を用いてねじり剛性や曲げ剛性の実測データを得るとともに、それら実測データを用いて解析を行う必要が無いため、可撓管の現物を用いることなく、可撓管の変形挙動を得ることができる。
したがって、設計効率の向上、設計コストの低減を図りつつ、可撓管の変形挙動を正確に再現する上で有利となる。
As described above, according to the present embodiment, the deformation behavior in the no-load state in which the pressure does not act on the inner peripheral surface of the
In addition, as in the prior art, it is not necessary to obtain actual measurement data of torsional rigidity and bending rigidity using an actually manufactured flexible pipe, and there is no need to perform analysis using these actual measurement data. The deformation behavior of the flexible tube can be obtained without using it.
Therefore, it is advantageous in accurately reproducing the deformation behavior of the flexible tube while improving the design efficiency and reducing the design cost.
なお、本実施の形態では、可撓管40のモデル化に際して、シェル要素またはソリッド要素を用いて可撓管40を中空の管体として厳密にモデル化した。
したがって、従来のように可撓管40を中実のソリッド要素あるいは梁要素でモデル化する場合に比較して、可撓管40の変形挙動を正確に再現する上でより有利となる。
また、本実施の形態では、補強材要素を用いて補強部材44の特性を厳密に反映してモデル化した。
したがって、可撓管40が補強部材44を有したものである場合において可撓管40の変形挙動を正確に再現する上でより一層有利となる。
また、このような補強材要素を用いる代わりに、材料特性設定ステップによって設定される可撓管40の材料特性データに、補強部材44の材料特性を示す材料特性データを含ませるようにすることで補強部材44の特性を反映して可撓管40をモデル化してもよく、この場合にも、可撓管40が補強部材44を有したものである場合において可撓管40の変形挙動を正確に再現する上で有利となる。
なお、補強部材44が強度について異方性を有している場合、補強部材44の材料特性データとして補強部材44の異方性を示す材料特性データが含まれていれば、補強部材44の異方性を反映して可撓管40をモデル化でき、可撓管40の変形挙動を正確に再現する上でより有利となる。
In the present embodiment, when modeling the
Therefore, it is more advantageous in accurately reproducing the deformation behavior of the
Further, in the present embodiment, modeling is performed by strictly reflecting the characteristics of the reinforcing
Therefore, in the case where the
Further, instead of using such a reinforcing material element, the material property data indicating the material property of the reinforcing
In the case where the reinforcing
また、本実施の形態では、可撓管40の内部を通る流体の質量を考慮していない場合について説明したが、流体が液体のように質量を考慮する必要がある場合には、操作者が入力手段10Aに対して操作入力を行うことにより可撓管40の内部を通る流体の質量密度を示す流体密度データを解析手段10Bに設定する流体密度設定ステップを更に付加し、解析手段10Bによる第1、第2のデータD10、D12の出力ステップS24、S30を、流体密度設定ステップで設定された流体密度データから求められる可撓管40内部の流体の質量が可撓管40に作用する荷重を反映して行うようにしてもよい。
この場合には、可撓管40内部の流体の質量が反映されるため、可撓管40の変形挙動を正確に再現する上でより一層有利となる。
In the present embodiment, the case where the mass of the fluid passing through the inside of the
In this case, since the mass of the fluid in the
また、本実施の形態では、1台のコンピュータ10を使用して本発明方法を実行する場合について説明したが、図11に示すように、コンピュータ10にネットワーク32を介してデータ通信を行うための通信デバイス30を設けるとともに、2台以上のコンピュータ10を、LANあるいはインターネットなどのネットワーク32を介してデータ通信可能に接続した通信システムを構成し、このような通信システムを用いて本発明方法を実行してもよい。
すなわち、入力手段10Aおよび出力手段10Cを構成する第1のコンピュータと、解析手段10Bを構成する第2のコンピュータとを別々のコンピュータ10で構成し、各手段の間でのデータのやり取りをネットワーク32経由で行うことで本発明方法を実現してもよい。
また、解析手段10Bで得られた解析結果を格納する第3のコンピュータをネットワーク32に接続して設け、第3のコンピュータに格納されている解析結果をネットワーク32経由で第3のコンピュータ以外のコンピュータから読み出すようにするなど任意である。
In the present embodiment, the case where the method of the present invention is executed using one
That is, the first computer that constitutes the input means 10A and the output means 10C and the second computer that constitutes the analysis means 10B are constituted by
Further, a third computer for storing the analysis result obtained by the analyzing means 10B is provided connected to the
なお、本実施の形態では、可撓管が自動車のエンジンルームに組み付けられ流体を輸送するものである場合について説明したが、本発明方法によって解析対象とされる可撓管はこれに限定されるものではなく、例えば、重機を駆動するための油圧を供給するための可撓管、あるいは、石油や食品を輸送するための可撓管、あるいは、化学工場などにおいて種々の液体あるいは気体(ガス)を輸送するための可撓管など従来公知のさまざまな可撓管が含まれる。 In the present embodiment, the case where the flexible tube is assembled in the engine room of the automobile and transports the fluid has been described. However, the flexible tube to be analyzed by the method of the present invention is limited to this. For example, a flexible tube for supplying hydraulic pressure for driving heavy machinery, a flexible tube for transporting oil or food, or various liquids or gases (gas) in a chemical factory, etc. Various types of conventionally known flexible tubes such as a flexible tube for transporting the liquid are included.
10……コンピュータ、10A……入力手段、10B……解析手段、10C……出力手段、40……可撓管、D1……形状データ、D2……材料特性データ、D3……拘束条件データ、D4……境界条件データ、D5……圧力データ、D10……第1のデータ、D12……第2のデータ。 10: Computer, 10A: Input means, 10B: Analysis means, 10C: Output means, 40: Flexible tube, D1: Shape data, D2: Material property data, D3: Restriction condition data, D4: Boundary condition data, D5: Pressure data, D10: First data, D12: Second data.
Claims (8)
前記コンピュータは、操作者による操作入力を受け付ける入力手段と、有限要素法による解析処理を行う解析手段と、データの出力を行う出力手段とを備え、
操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の形状を示す形状データを前記解析手段に与える形状データ入力ステップと、
前記解析手段が前記形状データに基づいて前記可撓管を要素分割し複数の要素と複数の節点を設定することで構造データを生成する構造データ生成ステップと、
操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の材料特性を示す材料特性データを前記解析手段に設定する材料特性設定ステップと、
操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の拘束条件を示す拘束条件データを前記解析手段に設定する拘束条件設定ステップと、
操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の両端を前記構造物に取り付ける際の前記両端の移動量および位置を定義する境界条件を示す境界条件データを前記解析手段に設定する境界条件設定ステップと、
前記解析手段が、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データと前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データと前記境界条件設定ステップで設定された境界条件データとに基づいて有限要素法による計算を行い、前記可撓管の両端が前記構造物に取り付けられた状態で前記可撓管の内周面に前記圧力が作用しない無負荷状態での変形挙動を示す第1のデータを出力する第1のデータ出力ステップと、
操作者が前記入力手段に対して操作入力を行うことにより前記可撓管の内周面に作用する圧力を示す圧力データを前記解析手段に設定する圧力設定ステップと、
前記解析手段が、前記構造データ生成ステップで生成された構造データと前記材料特性設定ステップで設定された材料特性データと前記拘束条件設定ステップで設定された拘束条件データと前記境界条件設定ステップで設定された境界条件データと前記圧力設定ステップで設定された圧力に基づいて有限要素法による計算を行い、前記可撓管の両端が前記構造物に取り付けられた状態で前記可撓管の内周面に前記圧力が作用した負荷状態での変形挙動を示す第2のデータを出力する第2のデータ出力ステップとを含む、
ことを特徴とする可撓管の変形シミュレーション方法。 A deformation simulation method for a flexible tube, wherein the deformation behavior of the flexible tube in a state where both ends of the flexible tube are attached to a structure is analyzed using a computer by a finite element method,
The computer includes input means for receiving an operation input by an operator, analysis means for performing analysis processing by a finite element method, and output means for outputting data,
A shape data input step of giving shape data indicating the shape of the flexible tube to the analysis means by an operator performing an operation input on the input means;
A structure data generating step for generating structure data by dividing the flexible tube into elements based on the shape data and setting a plurality of elements and a plurality of nodes;
A material property setting step of setting material property data indicating the material property of the flexible tube in the analysis unit by performing an operation input to the input unit by an operator;
A constraint condition setting step of setting constraint condition data indicating a constraint condition of the flexible tube in the analysis unit by an operator performing an operation input on the input unit;
Boundary condition data indicating boundary conditions defining the amount and position of movement of both ends of the flexible tube when the operator attaches both ends of the flexible tube to the structure by performing an operation input to the input means. A boundary condition setting step to be set to
The analysis unit sets the structure data generated in the structure data generation step, the material property data set in the material property setting step, the constraint condition data set in the constraint condition setting step, and the boundary condition setting step. A non-load state in which the pressure does not act on the inner peripheral surface of the flexible tube in a state where both ends of the flexible tube are attached to the structure based on the boundary condition data A first data output step of outputting first data indicating the deformation behavior at
A pressure setting step for setting pressure data indicating pressure acting on the inner peripheral surface of the flexible tube by the operator performing an operation input on the input means in the analysis means;
The analysis unit sets the structure data generated in the structure data generation step, the material property data set in the material property setting step, the constraint condition data set in the constraint condition setting step, and the boundary condition setting step. Finite element method based on the set boundary condition data and the pressure set in the pressure setting step, the inner peripheral surface of the flexible tube with both ends of the flexible tube attached to the structure A second data output step of outputting second data indicating deformation behavior in a load state where the pressure is applied to
A method for simulating deformation of a flexible tube.
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 The element division by the structure data generation step is performed by modeling the flexible tube with a shell element or a solid element.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
前記構造データ生成ステップによる要素分割は、前記母材をシェル要素またはソリッド要素でモデル化するとともに、前記補強部材を補強材要素でモデル化することでなされる、
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 The flexible tube includes a base material formed in a tubular shape and a reinforcing member provided on the base material to reinforce the base material.
The element division by the structural data generation step is performed by modeling the base material with a shell element or a solid element and modeling the reinforcing member with a reinforcing element.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
前記構造データ生成ステップによる要素分割は、前記可撓管をシェル要素またはソリッド要素でモデル化することでなされ、
前記材料特性設定ステップによって設定される前記可撓管の材料特性データは、前記補強部材の材料特性を示す材料特性データを含む、
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 The flexible tube includes a base material formed in a tubular shape and a reinforcing member provided on the base material to reinforce the base material.
The element division by the structure data generation step is performed by modeling the flexible tube with a shell element or a solid element,
The material property data of the flexible tube set by the material property setting step includes material property data indicating the material property of the reinforcing member,
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
前記補強部材の材料特性を示す材料特性データは、前記補強部材の異方性を示す材料特性データを含む、
ことを特徴とする請求項4記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 The reinforcing member has anisotropy in strength,
The material property data indicating the material property of the reinforcing member includes material property data indicating the anisotropy of the reinforcing member.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 4, wherein:
前記解析手段による前記計算は、前記流体密度設定ステップで設定された前記流体密度データから求められる前記可撓管内部の流体の質量が前記可撓管に作用する荷重を反映してなされる、
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 A fluid density setting step of setting fluid density data indicating mass density of fluid passing through the inside of the flexible tube by the operator performing an operation input to the input means in the analysis means;
The calculation by the analyzing means reflects a load acting on the flexible tube due to the mass of the fluid inside the flexible tube obtained from the fluid density data set in the fluid density setting step.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 Data indicating the deformation behavior of the flexible tube output by the output step is indicated by displacement amounts of the plurality of nodes.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の可撓管の変形シミュレーション方法。 The setting of the pressure data in the pressure setting step is such that the pressure becomes constant regardless of the passage of time, or the pressure changes with the passage of time.
The deformation simulation method for a flexible tube according to claim 1.
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