JP6436576B2 - 動的空気力の取得方法、及び動的空気力の取得システム - Google Patents

Description

本発明は、動的空気力の取得方法、及び動的空気力の取得システムに関する。

自動車の開発に際しては、車体の空力特性を評価・検証するために風洞実験が行われることが一般的である。風が流れる風洞中に例えばクレイモデルとして構築された車体の模型を設置して、各種センサ、計測機器によって特性を取得する。

ところで、近年では、このような風洞実験による空力特性の評価・検証に加えて、例えば路面状態の変化による車体への振動や、風切音等の評価を風洞内で行える技術が提唱されている（下記特許文献１）。

特許文献１に記載された風洞試験方法では、風洞内の車両載置台をアクチュエータによって６自由度のもと加振する。これにより、風洞内を流れる風による空力特性の評価を行うとともに、車両載置台を同時に駆動することによる路面状態の変化による車両への影響も模擬することができるとされている。

特許第３７１６１５８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、車両に作用する空気力に比べて、アクチュエータによる加振力が大きくなってしまう。このため、相対的に小さな空気力の成分のみを検出・測定することに困難を生じる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、試験対象物が運用される状態を精度高く模擬することが可能な動的空気力の取得方法、及び動的空気力の取得システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る動的空気力の取得方法は、送風状態で試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である送風状態変位を取得する工程と、無風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である無風状態変位を取得する工程と、前記試験対象物の加振・変位モデルを作成する工程と、前記無風状態変位と前記加振・変位モデルとを比較することで、前記加振・変位モデルのパラメータを特定する工程と、前記パラメータが特定された前記加振・変位モデルを使用して、前記送風状態変位を再現する試験対象物への加振力を演算する工程と、前記演算した加振力と、前記試験対象物への実際の加振力との差分から動的空気力を取得する工程と、を含む。

この構成によれば、試験対象物を実際に加振して、無風状態変位、及び送風状態変位を取得し、加振・変位モデルのパラメータに反映することから、該加振・変位モデルの挙動の確からしさを高めることができる。
さらに、この加振・変位モデルを用いて送風状態変位を再現する加振力を演算した後、この加振力と実際の加振力との差分を求める。これにより、上記の無風状態変位と送風状態変位とを比較するだけでは特定し得ない微小な動的空気力の値を正確に取得することができる。

本発明の一態様に係る動的空気力の取得方法では、前記加振・変位モデルは、前記試験対象物のＦＥＭモデルであってもよい。

この構成によれば、ＦＥＭ（有限要素法）モデルによって、試験対象物をより精緻に模擬することができる。

本発明の一態様に係る動的空気力の取得方法では、前記試験対象物は、複数のモジュールを有し、前記ＦＥＭモデルは、それぞれの前記モジュールに対応するＦＥＭ分割モデルを有してもよい。

この構成によれば、試験対象物を一体のＦＥＭモデルによって模擬した場合に比べて、より精緻に模擬することができる。

本発明の一態様に係る動的空気力の取得方法では、前記加振・変位モデルは、前記無風状態で前記試験対象物を加振した際の加振入力と、前記無風状態変位との間で成立する伝達関数であってもよい。

この構成によれば、試験対象物の挙動を伝達関数のみによって容易かつ精緻に模擬することができる。これにより、計算資源の運用に要するコスト、時間を削減することができる。

本発明の一態様に係る動的空気力の取得システムは、送風状態、及び無風状態で試験対象物を試験可能な風洞と、前記風洞内で前記試験対象物を加振する加振装置と、前記送風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である送風状態変位、及び前記無風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である無風状態変位を取得する変位計測部と、前記試験対象物の加振・変位モデルを格納するモデル格納部と、前記加振・変位モデルと前記無風状態変位とを比較することで、該加振・変位モデルのパラメータを特定するパラメータ演算部と、前記パラメータが特定された前記加振・変位モデルを使用して、前記送風状態変位を再現する試験対象物への加振力を演算し、前記加振装置を駆動する加振制御部と、を備える。

この構成によれば、試験対象物を加振装置によって実際に加振して、無風状態変位、及び送風状態変位を取得し、加振・変位モデルのパラメータに反映することから、該加振・変位モデルの挙動の確からしさを高めることができる。
さらに、この加振・変位モデルを用いて送風状態変位を再現する加振力を演算した後、この加振力と実際の加振力との差分を求める。これにより、上記の無風状態変位と送風状態変位とを比較するだけでは特定し得ない微小な動的空気力の値を正確に取得することができる。

本発明によれば、試験対象物が運用される状態を精度高く模擬することが可能な動的空気力の取得方法、及び動的空気力の取得システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る動的空気力の取得システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る動的空気力の取得方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る動的空気力の取得システムの変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る加振・変位モデルとしての伝達関数の例を示す図である。

本発明の実施形態について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る動的空気力の取得システム１は、風洞２と、加振装置３と、変位計測部４と、制御演算装置５と、を備えている。

風洞２は、その内部に載置された試験対象物６に対して風を当てることで、該試験対象物６の空力特性を評価するための装置である。本実施形態に係る風洞２は、送風機２１と、消音機２２と、これら送風機２１と消音機２２との間の領域に設けられる測定部２３と、を有する。送風機２１によって測定部２３の上流側から下流側に向かって風を流通させることが可能とされている。さらに、送風機２１の回転数は任意に調整することができる。これにより、測定部２３を流れる風の速度を任意に変化させることができる。

測定部２３には、試験対象物６が載置される。この試験対象物６には、上記送風機２１から送られた風が直接当たる。これにより、試験対象物６の各種特性を評価することが可能とされている。消音機２２は、測定部２３を通過した風による擦過音や、送風機２１の動作音を吸収・減衰させる装置である。

以上のように構成された風洞２の内部（測定部２３）には、試験対象物６を支持しつつ、加振する加振装置３が設けられている。加振装置３は、複数のアクチュエータ３１と、このアクチュエータ３１によって下方から支持される架台３２と、この架台３２上に設けられたムービングベルト３３と、を備えている。アクチュエータ３１として、本実施形態では複数の油圧シリンダを採用している。これら油圧シリンダを複合的に動作させることで、上記の架台３２を６自由度の下で変位させることができる。

架台３２の上面には、ムービングベルト３３が設けられている。このムービングベルト３３は、一対の回転軸３４と、該回転軸３４同士の間に架け渡されたベルト本体３５と、を有している。回転軸３４は不図示の駆動源によって自身の軸線回りに回転駆動される。これにより、ベルト本体３５は一方向に回動する。

さらに、上記ムービングベルト３３上には、試験対象物６としての車両が載置される。本実施形態では、このような車両として４輪の自動車を採用している。すなわち、この自動車の前輪と後輪とが、一対の加振装置３によってそれぞれ支持されている。これにより、ムービングベルト３３上で走行させることで、実際の走行状態を模擬することができる。また、加振装置３によって車両を加振することで、車両が実際に走行する際に路面の凹凸から受ける振動や変位を模擬することができる。

変位計測部４は、上記の風洞２（測定部２３）の壁面上に配置された複数のレーザー変位計４０を有している。特に、本実施形態では、測定部２３の壁面上に少なくとも６つのレーザー変位計４０が設けられている。より具体的には、測定部２３の天井面２４、側面２５、前方面２６にそれぞれ２つずつのレーザー変位計４０が設けられている。

測定部２３の天井面２４上には、車両の前後方向に２つの天井部レーザー変位計４１が配列されている。測定部２３の側面２５（すなわち、車両の幅方向における一方側と対向する面）上には、車両の前後方向に２つの側面部レーザー変位計４２が配列されている。車両の前方側と対向する壁面（前方面２６）上には、車両の幅方向に２つの前部レーザー変位計４３が配列されている。

天井部レーザー変位計４１が測定部２３の天井部上で車両の前後方向に２つ配列されていることから、車両の高さ方向における振動や変位に加えて、ピッチングによる変位をも計測することができる。なお、ここで、ピッチングとは、車両の幅方向に延びる回転軸回りに車両が揺動する動きを表す。

さらに、側面部レーザー変位計４２が測定部２３の側面２５上で車両の前後方向に２つ配列されていることから、車両の幅方向における振動や変位に加えて、ヨーイングによる変位をも計測することができる。なお、ここで、ヨーイングとは、車両の高さ方向に延びる回転軸回りに車両が揺動する動きを表す。

加えて、前部レーザー変位計４３が測定部２３の前方面２６上で車両の幅方向に２つ配列されていることから、車両の前後方向における振動や変位に加えて、ローリングによる変位をも計測することができる。なお、ここで、ローリングとは、車両の前後方向に延びる回転軸回りに車両が揺動する動きを表す。

以上のように構成された加振装置３、変位計測部４は、それぞれ制御演算装置５に電気的に接続されており、該制御演算装置５との間で電気信号の授受を行う。

制御演算装置５は、試験対象物６（車両）を模した加振・変位モデル（ＦＥＭモデル：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄモデル）を格納するモデル格納部５１と、このモデルの各種パラメータを演算するパラメータ演算部５２と、モデルの挙動に基づいて加振装置３の動作を演算する加振制御部５３と、を備えている。

モデル格納部５１には、試験対象物６（車両）を模擬したＦＥＭモデルＭが格納されている。このＦＥＭモデルＭは、車両の主要部品（モジュール）にそれぞれ対応する複数のＦＥＭ分割モデルを有している。ＦＥＭ分割モデルの一例として、車両のタイヤ・ホイールのみを表現したＦＥＭ分割モデル、ホワイトボディのみを表現したＦＥＭ分割モデル、エンジンマウント等のゴム部品のみを表現したＦＥＭ分割モデル、及びサスペンションのみを表現したＦＥＭ分割モデル等が考えられる。これらＦＥＭ分割モデルは、個々の体系において、要素試験結果を再現できるように、振動特性パラメータを予め合わせこんでおく。このような複数のＦＥＭ分割モデルを、予め定められた境界条件の下で互いに結合することで、試験対象物６としての車両全体を模擬したＦＥＭモデルＭが構築される。

このＦＥＭモデルＭには、試験対象物６の振動特性（固有振動数等）を模した振動特性パラメータが設定されている。すなわち、この振動特性パラメータを適宜に変更することで、ＦＥＭモデルＭの振動特性（応答特性）を変化させることができる。

パラメータ演算部５２は、この振動特性パラメータをＦＥＭモデルＭ上での演算によって求める。パラメータ演算部５２には、上述した変位計測部４が電気的に接続されている。すなわち、ある加振力Ｆの下で加振された試験対象物６（車両）の変位量Ｑは、変位計測部４によって計測された後、電気信号としてパラメータ演算部５２に送られる。パラメータ演算部５２は、上記の加振力Ｆと変位量Ｑとに基づいて、振動特性パラメータを演算する。このように演算された振動特性パラメータは、モデル格納部５１に送られて、ＦＥＭモデルＭに反映される。すなわち、このＦＥＭモデルＭでは、その振動特性パラメータが最適化された状態となる。このときのＦＥＭモデルＭを、以下の説明では、最適化済みＦＥＭモデルＭと呼ぶ。

加振制御部５３は、上記のＦＥＭモデルＭの振動特性（応答特性）に基づいて、試験対象物６としての車両を加振するための加振力Ｆを演算する。さらに、加振制御部５３は、この加振力Ｆに基づいて加振装置３を駆動する。

すなわち、加振制御部５３は、ある加振力ＦをＦＥＭモデルＭに入力した場合における応答特性を、実際の試験対象物６で再現するために必要となる加振力として演算する。加振装置３は、演算によって求められた加振力の下で、試験対象物６を加振することができる。

以上のように構成された動的空気力の取得システム１の動作、及びこれに基づく動的空気力の取得方法について説明する。図２に示すように、本実施形態に係る動的空気力の取得方法は、送風状態で試験対象物６を加振した際の該試験対象物６の変位である送風状態変位を取得する工程（Ｓ１工程）と、無風状態で試験対象物６を加振した際の該試験対象物６の変位である無風状態変位を取得する工程（Ｓ２工程）と、試験対象物６の加振・変位モデルを作成する工程（Ｓ３工程）と、無風状態変位と前記加振・変位モデルとを比較する（Ｓ４−１工程）ことで、加振・変位モデルのパラメータを特定する工程（Ｓ４−２工程）と、パラメータが特定された加振・変位モデルを使用して、送風状態変位を再現する試験対象物６への加振力を演算する工程（Ｓ５工程）と、演算した加振力及び試験対象物６への実際の加振力との差分から動的空気力を取得する工程（Ｓ６工程）と、を含む。

Ｓ１工程では、ある加振力Ｆ１のもとで試験対象物６を加振した状態で、送風機２１による送風を行うことで、試験対象物６の３次元６方向における各変位量、及び上記したピッチング、ヨーイング、ローリングの各変位量を計測する。この時の変位量のマトリックスを送風状態変位Ｑ１と呼ぶ。この関係を数式によって模式的に表現すれば、下記の式（１）のようになる。
（Ｆ１＋α）×Ａ＝Ｑ１ ・・・（１）
なお、ここでαは送風機２１からの風による加振成分を表すマトリックスであり、Ａは試験対象物６の振動特性パラメータ（形状関数）である。

Ｓ２工程では、同じく加振力Ｆ１のもとで試験対象物６を加振した状態で、送風機２１による送風を行わずに（無風状態で）試験対象物６の３次元６方向における各変位量、及び上記したピッチング、ヨーイング、ローリングの各変位量を計測する。この時の変位量のマトリックスを無風状態変位Ｑ２と呼ぶ。この関係を数式によって表現すれば、下記の式（２）のようになる。
Ｆ１×Ａ＝Ｑ２ ・・・（２）

Ｓ３工程では、上述した試験対象物６のＦＥＭモデルＭ（加振・変位モデル）を作成する。作成当初のＦＥＭモデルＭの、振動特性パラメータ（以下、単にパラメータと呼ぶことがある。）は、ＦＥＭ分割モデルの個々の体系において、要素試験結果を再現できるように振動特性パラメータを予め合わせこんでおくか、又は任意に決定された初期値とされる。

次いで、Ｓ４−１工程では、ＦＥＭモデルＭを上記の加振力Ｆ１のもと制御演算装置５上で仮想的に加振し、その変位量Ｑ３を計測する。このとき、以下の式（３）の関係が成立する。
Ｆ１×Ｂ＝Ｑ３ ・・・（３）
なお、ここでＢは試験対象物６の振動特性パラメータである。

上記の変位量Ｑ３は、パラメータ演算部５２によって上記の無風状態変位Ｑ２と比較される。パラメータ演算部５２は、ＦＥＭモデルＭの応答特性が無風状態変位Ｑ２と同一になるように、ＦＥＭモデルＭのパラメータを演算（特定）し、該ＦＥＭモデルＭに入力・反映する（Ｓ４−２工程）。すなわち、この時のＦＥＭモデルＭは、上述した最適化済みＦＥＭモデルＭとなる。この関係を数式で表現すれば、まず、Ｑ２＝Ｑ３とすることで、上記式（２）と式（３）から、ＦＥＭモデルＭのパラメータＢが求まる（Ｂ＝Ａ）。

さらに、Ｓ５工程では、最適化済みＦＥＭモデルＭを用いて、送風状態変位Ｑ１を再現することが可能な加振力Ｆ２を演算する。このとき、パラメータＢを用いて、以下の式（４）の関係が成立する。
Ｆ２×Ｂ＝Ｑ１ ・・・（４）

ここで、上記のように、送風機２１からの風による加振成分をαとすれば、Ｆ２の値は、下記式（５）のように表現される。
Ｆ２＝Ｆ１＋α ・・・（５）

以上の式（３）、（４）、（５）により、下記式（６）の関係が導かれる。
Ｑ１／Ｂ＝Ｑ３／Ｂ＋α ・・・（６）

上記式（６）から、風による加振成分αは、下記式（７）のように表現される。
α＝（Ｑ１−Ｑ３）／Ｂ ・・・（７）

以上、説明したように、実際の試験対象物６によって計測された送風状態変位Ｑ１と、ＦＥＭモデルＭ（加振・変位モデル）に基づく演算によって求められた変位量Ｑ３とを比較することで、風による加振成分α（動的空気力α）を算出することができる。

ここで、上記式（１）、式（２）のみに基づいて、すなわち、実際の試験対象物６による風洞実験のみに基づいて、動的空気力αを求める方法も考えられる。しかしながら、上記したように、風による加振成分αは、加振力Ｆ１に比べて微小な値であることから、Ｑ１の値は、Ｑ２の値とおおむね同等となる（Ｑ１≒Ｑ２）。このため、式（１）、式（２）のみによっては、有意な値としてαを求めることができない場合がある。

一方で、本実施形態に係る動的空気力の取得方法では、無風状態変位Ｑ２に代えて、ＦＥＭモデルＭに基づく変位量Ｑ３が送風状態変位Ｑ１と比較される。これにより、微小な値である動的空気力αを、有意な値として導くことが可能となる。すなわち、試験対象物６としての車両に働く空気力をより精緻に検出・評価することが可能となる。

さらに、上記の構成、及び方法によれば、試験対象物６を加振装置３によって実際に加振して、無風状態変位、及び送風状態変位を取得し、加振・変位モデルのパラメータに反映することから、該加振・変位モデルの挙動の確からしさを高めることができる。これにより、試験対象物が運用される状態を精度高く模擬することが可能となる。

そして、この加振・変位モデルを用いて送風状態変位を再現する加振力を演算した後、この加振力と実際の加振力との差分を求める。これにより、上記の無風状態変位と送風状態変位とを比較するだけでは特定し得ない微小な動的空気力の値を正確に取得することができる。

以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。なお、上記の構成は一例に過ぎず、これに種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では試験対象物６として４輪の自動車（車両）を用いた例について説明した。しかしながら、試験対象物６の態様はこれに限定されず、２輪自動車や、鉄道用の車両、さらには船舶等を試験対象物６として採用することも可能である。

さらに、上記実施形態では、加振・変位モデルとして、ＦＥＭモデルＭを用いた例について説明した。しかしながら、ＦＥＭモデルＭに代えて、伝達関数モデルを用いることも可能である（図３参照）。伝達関数モデルは、上記のＦＥＭモデルＭにおける振動特性パラメータ（Ａ、Ｂ等）と同様に、ある系への入力（加振入力）を出力（変位）に変換する関数である。例えば、入力点をｎ個、出力点（応答点）をｍ個有する線形な振動系を考えた場合、その伝達関数マトリックスＨを変位マトリックスＸと外力マトリックスＦによるコンプライアンスの形で表すことができる（式（８））。

以上のような伝達関数モデルを用いて、上述の無風状態変位を再現するように、伝達関数モデルの各成分を同定する。このときの伝達関数のイメージを図４に示す。続いて、上記のように各成分が同定された伝達関数モデルを用いて、送風状態変位を再現するように、加振力Ｆをイタレーションによって求める。

以上のように伝達関数モデルを用いた方法によっても、動的空気力を精緻に求めることができる。

１…動的空気力の取得システム
２…風洞
３…加振装置
４…変位計測部
５…制御演算装置
６…試験対象物
２１…送風機
２２…消音機
２３…測定部
２４…天井面
２５…側面
２６…前方面
３１…アクチュエータ
３２…架台
３３…ムービングベルト
３４…回転軸
３５…ベルト本体
４０…レーザー変位計
４１…天井部レーザー変位計
４２…側面部レーザー変位計
４３…前部レーザー変位計
Ｍ…ＦＥＭモデル
５１…モデル格納部
５２…パラメータ演算部
５３…加振制御部

Claims (5)

1. 送風状態で試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である送風状態変位を取得する工程と、
   無風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である無風状態変位を取得する工程と、
   前記試験対象物の加振・変位モデルを作成する工程と、
   前記無風状態変位と前記加振・変位モデルとを比較することで、前記加振・変位モデルのパラメータを特定する工程と、
   前記パラメータが特定された前記加振・変位モデルを使用して、前記送風状態変位を再現する試験対象物への加振力を演算する工程と、
   前記演算した加振力と、前記試験対象物への実際の加振力との差分から動的空気力を取得する工程と、
   を含む動的空気力の取得方法。
2. 前記加振・変位モデルは、前記試験対象物のＦＥＭモデルである請求項１に記載の動的空気力の取得方法。
3. 前記試験対象物は、複数のモジュールを有し、
   前記ＦＥＭモデルは、それぞれの前記モジュールに対応するＦＥＭ分割モデルを有する請求項２に記載の動的空気力の取得方法。
4. 前記加振・変位モデルは、前記無風状態で前記試験対象物を加振した際の加振入力と、前記無風状態変位との間で成立する伝達関数である請求項１に記載の動的空気力の取得方法。
5. 送風状態、及び無風状態で試験対象物を試験可能な風洞と、
   前記風洞内で前記試験対象物を加振する加振装置と、
   前記送風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である送風状態変位、及び前記無風状態で前記試験対象物を加振した際の該試験対象物の変位である無風状態変位を取得する変位計測部と、
   前記試験対象物の加振・変位モデルを格納するモデル格納部と、
   前記加振・変位モデルと前記無風状態変位とを比較することで、該加振・変位モデルのパラメータを特定するパラメータ演算部と、
   前記パラメータが特定された前記加振・変位モデルを使用して、前記送風状態変位を再現する試験対象物への加振力を演算し、前記加振装置を駆動する加振制御部と、
   を備える動的空気力の取得システム。

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