JP5727712B2 - シミュレーション方法及びシミュレーション装置 - 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用いたシミュレーション方法及びシミュレーション装置に関する。

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。

近年では、空気入りタイヤの高性能化に伴って、複雑な構造を正確に表すことのできる構造モデルを作成し、この構造モデルを使って、より精度の高い解析を行いたいという要求が高まっている。そこで、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細溝（いわゆるサイプ）の３次元モデルを作成することができる。

特開２００６−１６８５０５号公報 第４図

しかし、従来は、次のような問題点があった。すなわち、細溝が形成された冬用タイヤについて、当該細溝の変形を考慮して、氷上において水膜をサイプが逃がす効果（排水効果）を見積もることができなかった。

そこで、本発明は、精度の良い排水効果を見積もることが可能なシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供することを目的とする。

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、トレッド部に形成され、前記トレッド部が路面に接地したときに対向する壁面が互いに当接する細溝を有する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用いたシミュレーション方法であって、前記壁面のモデルを形成するステップと、前記壁面のモデルを変形させるステップと、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積を算出するステップとを備えることを要旨とする。

本発明の第１の特徴によれば、トレッド部に形成される細溝の対向する壁面のモデルを変形させ、変形後の対向する壁面のモデルの間の空隙体積が算出される。

細溝の対向する壁面のモデルの間の空隙体積と、細溝が形成されたタイヤの排水効果とは、空隙体積が大きいほど、排水効果が良好であるという関係を有する。従って、細溝の変形後の対向する壁面のモデルの間の空隙体積が算出されることにより、変形後のタイヤの排水効果を精度良く見積もることが可能となる。

本発明の第２の特徴は、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積に基づいて、変形後の前記細溝の排水効果を見積もるステップを更に備えることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積を算出するステップを更に備えることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積と、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積との差分から変形前後の排水効果の変化を見積もるステップを更に備えることを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、前記変形前後の排水効果の変化を見積もるステップは、単位ブロックモデルに存在する複数の前記細溝のそれぞれについての、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積の合計値と、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積の合計値との差分の合計値を算出することを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、シミュレーション装置であって、上述のシミュレーション方法を実行することを要旨とする。

本発明によれば、タイヤ性能を評価する際、排水効果を精度良く見積もることが可能なシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供できる。

図１は、本実施形態にかかる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変形時の細溝（サイプ）の空隙体積取得方法を説明するフローチャートである。 図３は、変形前の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４は、細溝（サイプ）の壁面モデルを表す図である。 図５は、変形後の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６は、変形前及び変形後の細溝（サイプ）の断面形状を表す図である。 図７は、変形前及び変形後の細溝（サイプ）の空隙体積の対比を表す図である。 図８は、本発明の実施形態に係るシミュレーション方法を実行するシミュレーション装置の構成図である。

本発明に係るシミュレーション方法であ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）細溝（サイプ）の壁面モデル間の空隙体積取得方法、（３）シミュレーション装置、（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、タイヤモデルを用い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、シミュレーション装置は、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、シミュレーション装置は、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、シミュレーション装置は、Ｇ解析を実行する。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、シミュレーション装置は、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、シミュレーション装置は、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、シミュレーション装置は、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、シミュレーション装置は、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）細溝（サイプ）の壁面モデル間の空隙体積取得方法
本発明の実施形態に係る、細溝（サイプ）の壁面モデル間の空隙体積取得方法は、ステップＳ３のＬ解析において適用できる。以下、本発明の実施形態に係る、細溝の壁面モデル間の空隙体積取得方法について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態にかかる、細溝の壁面モデル間の空隙体積取得方法を説明するフローチャートである。

ステップＳ３１では、シミュレーション装置は、単位ブロックモデル１４０を作成する。単位ブロックモデル１４０は、空気入りタイヤの陸部ブロックのうち１ブロックを有限個の要素によって分割したものである。

図３は、単位ブロックモデル１４０を説明する斜視図である。ステップＳ３１では、シミュレーション装置は、更に、単位ブロックモデル１４０に、細溝１４１〜１４７の壁面のモデルを形成する。なお、本実施形態では、細溝とは、トレッド部が接地した際に、接地圧により溝の壁面が互い当接する溝幅を有する溝である。溝幅は、例えば、０．３ｍｍ〜３ｍｍ程度である。

図４は、細溝の壁面モデルを表す図である。対向する壁面モデル１５１及び１５２は、細溝１４１〜１４７のうち、浅い細溝である細溝１４１、１４４及び１４７の壁面のモデルである。また、対向する壁面モデル１５３及び１５４は、深い細溝である細溝１４２、１４３、１４５及び１４６の壁面のモデルである。

再び、図２に戻って説明する。ステップＳ３２では、シミュレーション装置は、単位ブロックモデル１４０の変形前における、対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積（以下、変形前空隙体積という。）を算出する。例えば、シミュレーション装置は、対向する壁面モデル１５１及び１５２上の対向する１対の要素同士を連結させた仮想要素（例えば、１対の４節点膜要素の場合、仮想要素は８節点６面体要素になる）を想定し、この仮想要素の体積を算出し、全ての該体積を足し合わせることにより変形前空隙体積を算出することができる。

ステップＳ３３では、シミュレーション装置は、単位ブロックモデル１４０に対して、荷重を与え、更に、せん断させる。これにより、単位ブロックモデル１４０にはすべりが生じ、当該単位ブロックモデル１４０は変形する。

図５は、変形後の単位ブロックモデル１４０を説明する斜視図である。図５は、単位ブロックモデル１４０に対して、Ａの方向から荷重を与え、更に、せん断させることですべりが生じた場合の変形の状態を示している。このように、単位ブロックモデル１４０が変形すると、細溝１４１〜１４７も変形する。更には、対向する壁面モデル１５１及び１５２と、対向する壁面モデル１５３及び１５４も変形する。

再び、図２に戻って説明する。ステップＳ３４では、シミュレーション装置は、単位ブロックモデル１４０の変形後における、対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積（以下、変形後空隙体積という。）を算出する。変形前空隙体積の算出と同様、例えば、シミュレーション装置は、対向する壁面モデル１５１及び１５２上の対向する１対の要素同士を連結させた仮想要素（例えば、１対の４節点膜要素の場合、仮想要素は８節点６面体要素になる）を想定し、この仮想要素の体積を算出し、全ての該体積を足し合わせることにより、変形前空隙体積を算出することができる。

図６（ａ）は、変形前の細溝の断面積を示し、図６（ｂ）は、変形後の細溝の断面積を示す。これら図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、変形の前後で細溝の断面積は変化しており、変形後の断面積は、変形前の断面積よりも小さくなっている。従って、変形後空隙体積は、変形前空隙体積よりも小さくなる。

再び、図２に戻って説明する。ステップＳ３５では、シミュレーション装置は、細溝１４１〜１４７の排水効果を見積もる。図７は、細溝１４１〜１４７の変形前空隙体積と変形後空隙体積との対比を表す図である。

ここでは、シミュレーション装置は、細溝１４１〜１４７のそれぞれについての変形前空隙体積に基づいて、変形前の細溝１４１〜１４７のそれぞれについての排水効果を見積もることができる。また、シミュレーション装置は、細溝１４１〜１４７のそれぞれについての変形後空隙体積に基づいて、変形後の細溝１４１〜１４７のそれぞれについての排水効果を見積もることができる。

また、シミュレーション装置は、細溝１４１〜１４７のそれぞれについて、変形前空隙体積と、変形後空隙体積との差分を算出し、当該差分から変形前と変形後の排水効果の変化を見積もることができる。図７によれば、細溝１４１〜１４７のそれぞれの変形後空隙体積は、変形前空隙体積より小さい。従って、細溝１４１〜１４７のそれぞれは、変形によって排水効果は劣化したと判断できる。

また、シミュレーション装置は、細溝１４１〜１４７のそれぞれについての変形前空隙体積の合計値を算出するとともに、変形後空隙体積の合計値を算出し、更に合計値の差分を算出する。そして、シミュレーション装置は、合計値の差分から変形前と変形後の細溝１４１〜１４７の全体の排水効果の変化を見積もることができる。図７によれば、変形後空隙体積の合計値は、変形前空隙体積の合計値より小さい。従って、細溝１４１〜１４７の全体は、変形によって排水効果は劣化したと判断できる。

（３）シミュレーション装置
図８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シミュレーション装置としてのコンピュータ３００の概略が示されている。図８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を用いて説明した細溝の壁面モデル間の空隙体積取得方法を実行する。

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、２を用いて説明したタイヤ性能予測方法、及び、細溝の壁面モデル間の空隙体積取得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、及び、細溝の壁面モデル間の空隙体積取得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
本実施形態のシミュレーション方法によれば、シミュレーション装置は、単位ブロックモデル１４０の作成時に、細溝１４１、１４４及び１４７の対向する壁面モデル１５１及び１５２と、細溝１４２、１４３、１４５及び１４６の対向する壁面モデル１５３及び１５４とを作成し、更に、変形前の対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積と、変形前の対向する壁面モデル１５３及び１５４の間の空隙体積とを算出する。

その後、シミュレーションにおいて、単位ブロックモデル１４０に対して、荷重が与えられ、更に、せん断を生じさせることによって、単位ブロックモデル１４０にすべりが生じ、当該単位ブロックモデル１４０が変形すると、シミュレーション装置は、変形後の対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積と、変形後の対向する壁面モデル１５３及び１５４の間の空隙体積とを算出する。

シミュレーション装置は、上述した変形前の対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積、及び、変形前の対向する壁面モデル１５３及び１５４の間の空隙体積と、変形後の対向する壁面モデル１５１及び１５２の間の空隙体積、及び、変形後の対向する壁面モデル１５３及び１５４の間の空隙体積とを用いることで、細溝１４１〜１４７の排水効果、具体的には、変形前の細溝１４１〜１４７のそれぞれについての排水効果、変形後の細溝１４１〜１４７のそれぞれについての排水効果、細溝１４１〜１４７のそれぞれについての変形前と変形後の排水効果の変化、変形前と変形後の細溝１４１〜１４７の全体の排水効果の変化を精度良く見積もることができる。

（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。

実施形態では、本発明に係るシミュレーション方法をＧＬ解析におけるＬ解析に適用する場合について説明した。しかし、ＧＬ解析におけるシミュレーションには限定されない。

上述のタイヤモデル作成方法では、細溝１４１〜１４７の配置及び構成は、図３や図４に示すものに限定されない。

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。

１４０…単位ブロックモデル、 １４１〜１４７…細溝、 １５１〜１５４…壁面モデル、３００…コンピュータ、３１０…本体部、３２０…入力部、３３０…表示部

Claims (2)

1. トレッド部に形成され、前記トレッド部が路面に接地したときに対向する壁面が互いに当接する細溝を有する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用いたシミュレーション方法であって、
   前記コンピュータが、前記トレッド部に形成された陸部ブロックのうち１ブロックを有限個の要素によって分割した前記タイヤモデルとしての単位ブロックモデルに、当該細溝の両端が前記単位ブロックモデルの端部に開口する前記細溝の前記壁面のモデルを形成するステップと、
   前記コンピュータが、前記壁面のモデルを変形させるステップと、
   前記コンピュータが、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積を算出するステップと、を備え、
   前記コンピュータが、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積に基づいて、変形後の前記細溝の排水効果を見積もるステップを、更に備え、
   前記コンピュータが、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積を算出するステップを、更に備え、
   前記コンピュータが、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積と、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積との差分から変形前後の排水効果の変化を見積もるステップを、更に備える、シミュレーション方法。
2. 前記変形前後の排水効果の変化を見積もるステップは、単位ブロックモデルに存在する複数の前記細溝のそれぞれについての、変形前の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積の合計値と、変形後の対向する前記壁面のモデルの間の空隙体積の合計値との差分を前記コンピュータが算出し、前記合計値の差分から変形前後の排水効果の変化を前記コンピュータが見積もるステップを更に備える請求項１に記載のシミュレーション方法。

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