JP5519366B2 - タイヤモデル作成方法 - Google Patents

Description

空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法、及びタイヤモデル作成装置に関する。

近年、空気入りタイヤの開発において、有限要素法などの数値解析手法や計算機環境の発達により、実際に空気入りタイヤを製造し、自動車に装着して走行試験を行わなくても、新たに設計した空気入りタイヤの走行性能や特性といったタイヤ性能の予測・評価が可能になってきた（例えば、特許文献１参照）。タイヤ性能予測方法を用いて、空気入りタイヤの設計・製造・評価といった開発サイクルの一部を数値解析で置き換えることで、空気入りタイヤの開発期間の短縮が実現されている。

従来のタイヤ性能予測方法では、平面に形成された２次元パターンにおいて要素分割を設定し、続いて、高さ方向（すなわち、タイヤ径方向）に細分化することによって３次元モデルを作成している。

特開２００６−１６８５０５号公報 第４図

しかし、従来のタイヤ性能予測方法では、空気入りタイヤのタイヤ径方向の構造が単純化されたモデルになる。そのため、例えば、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向にも屈曲する細溝、いわゆる３次元サイプのような構造のモデルを正確に作成することは困難であった。

有限要素法では、要素のサイズを細かく定義すれば、複雑な構造のモデルを作成することは可能であるが、要素数が増えるため、演算量が増大する。そのため、実際の使用に堪えない演算時間を要し、タイヤ開発サイクルの一部を数値解析に置き換えることの利点が薄れるという問題があった。

そこで、本発明は、複雑な表面形状を有する空気入りタイヤの精度の高いタイヤモデルを効率的に作成できるタイヤモデル作成方法、及びタイヤモデル作成装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は以下の特徴を備える。すなわち、本発明の第１の特徴は、空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法であって、前記空気入りタイヤの表面の形状を表した表面モデルを設定するステップと、前記表面モデルに対向する位置に基準となる基準平面を設定するステップと、前記基準平面にポリゴンメッシュを設定するステップと、前記基準平面に設定されたポリゴンメッシュを前記表面モデルに投影するステップと、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルの複製体を作成するステップと、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルと前記複製体とを所定の間隔を空けて対向して配置するステップと、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルと前記複製体との間を前記ポリゴンメッシュの一辺と同じ長さの辺を含む要素で埋め合わせることにより基本ブロックモデルを作成するステップと、前記基本ブロックモデルから前記タイヤモデルを作成するステップとを有することを要旨とする。

本発明の第１の特徴によれば、空気入りタイヤの表面の形状を表した表面モデル上に、ポリゴンメッシュを投影することにより、表面モデルに要素を設定し、ポリゴンメッシュが投影された表面モデルの複製体を作成し、ポリゴンメッシュが投影された表面モデルと複製体とを所定の間隔を空けて対向して配置し、ポリゴンメッシュが投影された表面モデルと複製体との間をポリゴンメッシュの一辺と同じ長さの辺を含む要素で埋め合わせることにより、基本ブロックモデルを作成するため、例えば、四角形、三角形などの基本的な図形で表される要素を組み合わせて３次元モデルを作成する従来の方法に比べて、空気入りタイヤを要素に分割する処理が簡潔になる。また、要素の形状をポリゴンメッシュに設定したポリゴン（多角形）に統一できるため、演算の収束性がよくなる。従って、精度の高いタイヤモデルを効率的に作成することができる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記表面モデルは、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向の断面においても屈曲する細溝の壁面のモデルであり、複数の前記基本ブロックモデルから前記空気入りタイヤのトレッド面に形成された陸部ブロックの一つである単位ブロックモデルを作成するステップとを有し、前記単位ブロックモデルから前記タイヤモデルを作成することを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１または第２の特徴に係り、前記基準平面に設定される前記ポリゴンメッシュは、正四角形であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、第１乃至第３の何れか一つの特徴にかかるタイヤモデル作成方法を実行するタイヤモデル作成装置であることを要旨とする。

本発明によれば、複雑な表面形状を有する空気入りタイヤのタイヤモデルを効率的に、かつ精度良く作成できるタイヤモデル作成方法、及びタイヤモデル作成装置を提供できる。

図１は、本実施形態にかかるタイヤモデル作成方法を用いて作成されたタイヤモデルを使ってタイヤ性能を評価する処理を説明するフローチャートである。 図２は、本実施形態にかかるタイヤモデル作成方法を説明するフローチャートである。 図３は、ステップＳ１８を説明するフローチャートである。 図４は、３次元サイプの壁面の形状の一部を表す表面モデル１００を表す図である。 図５は、ポリゴンメッシュが設定された基準平面を表す図である。 図６は、ポリゴンメッシュが投影された表面モデルを表す図である。 図７は、メッシュ表面モデルと複製体とを所定の間隔を空けて対向して配置した状態を説明する図である。 図８は、メッシュ表面モデルと複製体との間を要素で埋め合わせて作成される基本ブロックモデルを表す図である。 図９は、基本ブロックモデルを用いて作成される単位ブロックモデルを表す図である。 図１０は、単位ブロックモデルから形成されるトレッドパターンモデルの一例を表す図である。 図１１は、本発明の実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するタイヤ性能予測装置の構成図である。

本発明に係るタイヤ性能予測方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）タイヤ性能評価方法、（２）タイヤモデル作成方法、（３）タイヤモデル作成装置、（４）作用・効果、（５）その他の実施形態について説明する。

なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（１）タイヤ性能評価方法
図１は、空気入りタイヤの挙動を、本実施形態にかかるタイヤモデル作成方法を用いて作成されたタイヤモデルを使って評価する処理を説明するフローチャートである。タイヤ性能を評価するためのタイヤモデルの解析方法の一例として、大域解析（Ｇｌｏｂａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ：以下、Ｇ解析という）と局所解析（Ｌｏｃａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ：以下、Ｌ解析という）とを組み合わせたＧＬ解析（Ｇｌｏｂａｌ−Ｌｏｃａｌ・Ａｎａｌｙｓｉｓ）について説明する。

本出願人は、タイヤ性能予測方法に関連する技術（特許３１３３７３８号公報）を既に提案している。ＧＬ解析の詳細は、上記公報に開示されているため、以下では、概略について説明する。

ステップＳ１では、タイヤ性能予測方法の評価対象の空気入りタイヤを設計する。具体的には、空気入りタイヤのタイヤのタイヤサイズ、形状、構造、材料、トレッドパターンなどを定める。

ステップＳ２では、Ｇ解析が実行される。タイヤモデルを作成するための数値解析手法として、本実施形態では、有限要素法（ＦＥＭ）を適用する。Ｇ解析では、ゴム、ベルト、プライ、鉄・有機繊維等でできた補強コード、補強コードをシート状に束ねた補強材などの空気入りタイヤの内部構造を有限要素法に従って作成したタイヤモデルと、路面を有限個の要素に分割した路面モデルとが設定される。例えば、路面状態により異なる摩擦係数μを設定することにより、乾燥（ＤＲＹ）、濡れ（ＷＥＴ）、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面状態を再現できる。

Ｇ解析では、トレッドパターンが無く、内部構造のみが設定されたタイヤモデル（スムースタイヤモデル）を路面モデル上において転動させたときの転動解析と変形計算とを実行し、転動解析と変形計算の結果から、基本的な溝と陸部の構造が設定されたトレッドパターンモデルの変形の軌跡を算出する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で算出されたトレッドパターンモデルの変形軌跡に基づいて、Ｌ解析を行う。Ｌ解析では、トレッドパターンモデルの少なくとも一部に詳細な構造が設定されたトレッドパターンモデルの物理量変化などを算出する。

Ｌ解析では、トレッドパターンモデルを構成する陸部ブロックのひとつ（単位ブロックという）に細溝が形成された単位ブロックモデルが設定される。また、単位ブロックモデルが複数集合した部分ブロックモデルが設定される。

部分ブロックモデルと路面モデルとの間の境界条件が、Ｇ解析において計算されたトレッドパターンモデルの変形軌跡に基づいて設定される。境界条件が設定された路面モデル上で部分ブロックモデルを転動させる転動計算と、変形計算の結果から、部分ブロックモデルに生じる物理量が算出される。

算出された物理量に基づいて、部分ブロックモデルがトレッド部の全周に亘って形成された空気入りタイヤ全体に相当する完全タイヤモデルのタイヤ性能を予測することができる。

ステップＳ４では、タイヤ挙動の評価を行う。目標とする性能が満足されないときは、ステップＳ４において否定され、ステップＳ５において、設計案を変更又は修正してＬ解析のみが繰り返される。性能が十分であるときは、ステップＳ４で肯定され、ステップＳ６において、ステップＳ１で設定した設計案のタイヤまたはステップＳ５で修正した設計案を採用し、本ルーチンを終了する。

（２）タイヤモデル作成方法
本発明の実施形態に係るタイヤモデル作成方法は、ステップＳ３のＬ解析で解析する対象である、トレッドパターンモデルの少なくとも一部に詳細な構造が設定されたトレッドパターンモデルの作成に適用できる。

以下、本発明の実施形態に係るタイヤモデル作成方法について、図面を参照して詳細に説明する。図２，図３は、本実施形態にかかるタイヤモデル作成方法を説明するフローチャートである。図４〜図１０は、タイヤモデル作成方法の各ステップにおいて設定されるモデルを説明する模式図である。

ステップＳ１１では、空気入りタイヤの表面の形状の少なくとも一部を表す表面モデルが設定される。空気入りタイヤの表面の形状の少なくとも一部とは、トレッドパターンモデルの表面形状であり、本実施形態では、溝や細溝（サイプ）と路面との接地面の形状だけでなく、溝や細溝（サイプ）の壁面の形状も含む。特に、本実施形態では、表面モデルは、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向の断面においても屈曲する、いわゆる３次元サイプの壁面の形状である。図４は、３次元サイプの壁面の形状の一部を表す表面モデル１００を表す図である。

ステップＳ１２では、３次元サイプの壁面の表面モデル１００に対向する位置に、基準となる基準平面１１０が設定される。基準平面１１０は、表面モデル１００の投影面であり、矩形状である。

ステップＳ１３では、基準平面１１０に格子状のポリゴンメッシュが設定される。図５は、ポリゴンメッシュが設定された基準平面１１０を表す図である。本実施形態では、基準平面１１０に設定されるポリゴンメッシュの格子は、正四角形であることが好ましい。

ステップＳ１４では、基準平面１１０に設定されたポリゴンメッシュを表面モデル１００に投影する。図６は、ポリゴンメッシュが投影されたメッシュ表面モデル１２０を表す。

ステップＳ１５では、ポリゴンメッシュが投影されたメッシュ表面モデル１２０の複製体１２０Ｃを作成する。

ステップＳ１６では、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとを所定の間隔を空けて対向して配置する（図７参照）。

ステップＳ１７では、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとの間を要素（有限要素法におけるソリッド要素）ｅ１，ｅ２，…，ｅｋ，ｅｎで埋め合わせる。図８は、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとの間を要素ｅ１，ｅ２，…，ｅｋ，ｅｎで埋め合わせたモデルを表す。要素ｅ１，ｅ２，…，ｅｋ，ｅｎは、立方体、若しくは、立方体に近い直方体であることが好ましい。

ステップＳ１７では、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとの間を要素で埋め合わされることにより、基本ブロックモデル１３０が作成される。

以上のステップにより、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向にも変化する形状のモデルが作成される。

ステップＳ１８では、上記ステップにおいて作成された表面形状を有する基本構造のモデルである基本ブロックモデル１３０からタイヤモデルを作成する。

図３は、ステップＳ１８を具体的に説明するフローチャートである。図９は、基本ブロックモデル１３０を用いて作成される単位ブロックモデル１４０を表す図である。単位ブロックモデル１４０は、トレッドパターンを構成する陸部ブロックのひとつに該当し、単位ブロックモデル１４０には、細溝１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７が形成されている。基本ブロックモデル１３０の表面は、細溝１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７の壁面に相当する。図１０は、単位ブロックモデル１４０から形成されるトレッドパターンモデルの一例を説明する図である。

ステップＳ２１では、基本ブロックモデル１３０から単位ブロックモデル１４０が作成される。具体的には、例えば、図２に示したフローチャートに基づいて作成された、各細溝の壁面を有する基本ブロックモデル１３０が組み合わされることによって、単位ブロックモデル１４０が作成される。

ステップＳ２２では、単位ブロックモデル１４０からトレッドパターンモデルの少なくとも一部であるトレッドパターンモデル１５０が作成される。

（３）タイヤ性能予測装置
図１１には、本発明の実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するタイヤ性能予測装置としてのコンピュータ３００の概略が示されている。図１１に示すように、コンピュータ３００は、半導体メモリー、ハードディスクなどの記憶部（不図示）、処理部（不図示）などを備えた本体部３１０と、入力部３２０と、表示部３３０とを備える。処理部は、図１を用いて説明したタイヤ性能予測方法、及び図２，３を用いて説明したタイヤモデル作成方法を実行する。

コンピュータ３００は、図示しないが着脱可能な記憶媒体と、この記憶媒体に対して書き込み・読み出しを可能にするドライバが備えられていてもよい。図１乃至図３を用いて説明したタイヤ性能予測方法、タイヤモデル作成方法を実行するプログラムを予め記憶媒体に記録しておき、記憶媒体から読み出されたプログラムを実行してもよい。コンピュータ３００の記憶部にプログラムを格納（インストール）して実行してもよい。コンピュータ３００は、図示しないが、例えば、ネットワークに接続可能であってもよい。ネットワークを介して、タイヤ性能予測方法、タイヤモデル作成方法を実行するプログラムを取得してもよい。

（４）作用・効果
本発明の実施形態に係るタイヤモデル作成方法によれば、細溝１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７の壁面を表した表面モデル１００上に、ポリゴンメッシュを投影することによりメッシュ表面モデル１２０を作成し、メッシュ表面モデル１２０の複製体１２０Ｃを作成し、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとを所定の間隔を空けて対向して配置し、メッシュ表面モデル１２０と複製体１２０Ｃとの間を要素ｅ１，ｅ２，…，ｅｋ，ｅｎで埋め合わせることにより、基本ブロックモデル１３０を作成するため、例えば、四角形、三角形などの基本的な図形で表される要素を組み合わせて３次元モデルを作成する従来の方法に比べて、空気入りタイヤを要素に分割する処理が簡潔になる。

また、要素の形状をポリゴンメッシュに設定したポリゴンを、本実施形態では、四角形要素に統一できるため、演算の収束性がよくなる。従って、精度の高いタイヤモデルを効率的に作成することができる。

要素ｅ１，ｅ２，…，ｅｋ，ｅｎは、立方体、若しくは、立方体に近い直方体に近いほど、収束性が高くなる。

（５）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が明らかとなる。例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。

実施形態に係るタイヤモデル作成方法では、細溝の形状のモデルを作成する場合について説明した。しかし、細溝に限らず、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向にも変化する形状のモデルの作成に適用可能である。例えば、サイドウォール部に形成される突起、タイヤ表面に形成されるその他の構造体などが挙げられる。

実施形態では、本発明に係るタイヤモデル作成方法をＧＬ解析におけるＬ解析で使用するモデルの作成に適用する場合について説明した。しかし、ＧＬ解析におけるタイヤモデルの作成に限定されない。例えば、ブロック単体の解析、又はパターン付きタイヤの解析にも適用可能である。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

表１に、実施形態のタイヤモデル作成方法によって細溝の形状のモデルを作成するのに要する計算期間と、四角形、三角形などの基本的な図形で表される要素を組み合わせて３次元モデルを作成する従来のタイヤモデル作成方法によって細溝の形状のモデルを作成するのに要する計算期間とを示す。

表１に示すように、実施形態のタイヤモデル作成方法では、従来の方法に比べて計算期間が短くなった。すなわち、実施形態のタイヤモデル作成方法によれば、空気入りタイヤを要素に分割する処理が簡潔になることが分かった。

１００…表面モデル、 １１０…基準平面、 １２０…メッシュ表面モデル、 １２０Ｃ…複製体、 １３０…基本ブロックモデル、 １４０…単位ブロックモデル、 １４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４７…細溝、 １５０…トレッドパターンモデル、 ３００…コンピュータ、 ３１０…本体部、 ３２０…入力部、 ３３０…表示部

Claims (2)

1. 空気入りタイヤを有限個の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法であって、
   コンピュータが、タイヤ径方向、トレッド幅方向、タイヤ周方向の何れの方向の断面においても屈曲する細溝の壁面を、前記空気入りタイヤの表面の形状の少なくとも一部を表す表面モデルとして設定するステップと、
   前記コンピュータが、前記表面モデルに対向する位置に基準となる基準平面を設定するステップと、
   前記コンピュータが、前記基準平面にポリゴンメッシュを設定するステップと、
   前記コンピュータが、前記基準平面に設定したポリゴンメッシュを前記表面モデルに投影するステップと、
   前記コンピュータが、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルの複製体を作成するステップと、
   前記コンピュータが、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルと前記複製体とを所定の間隔を空けて対向して配置するステップと、
   前記コンピュータが、前記ポリゴンメッシュが投影された前記表面モデルと前記複製体との間を前記ポリゴンメッシュの一辺と同じ長さの辺を含む要素で埋め合わせることにより基本ブロックモデルを作成するステップと、
   前記コンピュータが、複数の前記基本ブロックモデルに基づいて、前記空気入りタイヤのトレッド面に形成された陸部ブロックの一つである単位ブロックモデルを作成するステップと、
   前記コンピュータが、前記単位ブロックモデルから前記タイヤモデルを作成するステップと、を有するタイヤモデル作成方法。
2. 前記基準平面に設定される前記ポリゴンメッシュは、正四角形である請求項１に記載のタイヤモデル作成方法。

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