JP6614301B1 - 車体の振動特性の適正化解析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車体の振動特性を適正化する車体の振動特性の適正化解析方法及び装置を提供する。【解決手段】本発明に係る車体の振動特性の適正化解析方法は、振動解析を行って車体の一部の最大変位を求める振動解析ステップＳ１と、最大変位と同じ変位を与える荷重を求める最大変位荷重取得ステップＳ３と、求めた荷重を与えて最適化の対象とする部品又は部材を特定する感度解析ステップＳ５と、特定した部品又は部材に対して設計空間を設定する設計空間設定ステップＳ７と、設定した設計空間に最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップＳ９と、最適化ブロックモデルを車体に結合して最適化解析モデルを生成する結合処理ステップＳ１１と、最大変位荷重取得ステップＳ３で求めた荷重を荷重条件とし、振動による慣性力を考慮して最適化解析を行い、最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップＳ１３を備えたものである。【選択図】 図１０

Description

本発明は、自動車の車体の一部の振動特性を適正化し、該車体の一部の動的剛性を向上するとともに軽量化を達成する最適な形状を求める車体の振動特性の適正化解析方法及び装置に関する。
なお、本発明において形状最適化とは、予め所定の形状、例えばＴ字形状を想定し、その所定の形状を前提として最適な形状を求めることではなく、所定の形状を想定することなく、解析条件を満たす最適な形状と配置を求めることを意味する。

構造体の剛性の指標には静的剛性と動的剛性とがある。
構造体の静的剛性は、フックの法則に従い、構造体の質量とは無関係にばね定数が増加すれば向上する。
これに対し、構造体の動的剛性は、加振点からの荷重の入力により構造体の形状が周期的に変化する場合においては、その振動特性が関係するとされている。例えば図２０に示すような１自由度系の振動の場合における動的剛性は、剛性Ｋ（多自由度系の振動の場合は剛性マトリクスに相当）と質量Ｍとを用いてω＝（Ｋ／Ｍ）^0.5で表される振動数により評価され、剛性Ｋを向上することで振動数ωが増加すれば、動的剛性は向上するとされる。

しかしながら、構造体の剛性Ｋが増加しても質量Ｍが増加すれば振動数ωが増加しない場合もあり、このような場合には動的剛性は向上しないことになる。そのため、動的剛性を向上するためは、構造体を軽量化して剛性を向上することが有効であるが、一般的に、質量Ｍが増加すれば剛性Ｋも増加するため、剛性を増加させることと軽量化（質量Ｍの低減）とは相反するので、双方を同時に達成することは非常に難しい。それゆえ、構造体の振動特性を適正化して動的剛性を向上するには試行錯誤的な対応が多かった。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体の設計にコンピュータ支援工学による解析（以下、「ＣＡＥ解析」という）は欠かせない技術となっている。
このＣＡＥ解析では数理最適化、板厚最適化、形状最適化、トポロジー最適化などの最適化技術を用いることによって剛性の向上や軽量化が図られることが知られており、例えばエンジンブロックなどの鋳物の構造最適化によく用いられている。

最適化技術の中で、特にトポロジー最適化が着目されつつある。
トポロジー最適化はある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた条件を満たしかつ必要最小限の立体要素の部分を残すことで当該条件を満たす最適形状とするという方法である。そのため、トポロジー最適化は、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。
このようなトポロジー最適化に関する技術として、複雑な構造体のコンポーネントのトポロジー最適化のための方法が特許文献１に開示されている。

特開２０１０−２５０８１８号公報

自動車の車体の一部（例えば、車体部品）における振動現象は、振動数が約30Hzまでは体感されるため、運転者や搭乗者に不快感を与え、安全運転にも支障をきたす。そこで、これ以上の振動数とするためには、車体の一部の動的剛性を向上する必要がある。そして、加振点に外力を受けて振動している車体の振動数は、前述のとおり、車体の静的な剛性と質量で表され、たとえば、車体の板厚を増やして、車体の静的剛性を向上させても、車体部品の質量が増加するので、振動数が高い領域に遷移しないため、車体部品の動的剛性を向上させることはできない。
さらに、車体部品においては、自動車において振動を発するもの（例えば、エンジン等）の振動と共振しないような振動特性とすることが望まれる場合もある。

これまでに、静的剛性が高くて出来る限り軽量な構造を有する車体を最適化解析により設計する技術が用いられていたが、車体の一部の動的な振動現象は車体が周期的に変化するものであるため、動的な振動現象を考慮して車体の一部の振動特性を適正化することができる解析技術が望まれていた。

特許文献１に開示されている技術は、数学演算上の手法および解析の物理的システムに関するものであり、上記のような課題に対しては何らの解決手段を与えるものではない。そのため、上記課題を解決するための技術の開発が望まれていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、該車体の一部の振動特性を適正化し、該車体の一部の動的剛性の向上と軽量化を達成する車体の振動特性の適正化解析方法及び装置を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る車体の振動特性の適正化解析方法は、車体の一部の振動特性を適正化するために、コンピュータが以下の各ステップを行うものであって、前記車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の振動の最大変位を求める振動解析ステップと、該求めた最大変位と同じ変位を前記車体の一部に与えるのに要する荷重を求める最大変位荷重取得ステップと、前記車体の一部を支持する部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定する設計空間設定ステップと、該設定した設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、該生成した最適化ブロックモデルを前記車体に結合し、最適化解析モデルを生成する結合処理ステップと、前記最大変位荷重取得ステップで求めた荷重を荷重条件として与え、振動により前記車体の一部に生じる慣性力を考慮して前記最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を備えたことを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成ステップは、前記最適化ブロックモデルの質量が最適化の対象とする前記部品又は部材の質量と等しくなるように、該最適化ブロックモデルの比重を設定することを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、最大変位荷重取得ステップで求めた荷重を荷重条件として与えて前記車体の感度解析を行い、前記最適化の対象とする部品又は部材を特定する感度解析ステップを備え、前記設計空間設定ステップは、該感度解析ステップで特定した前記部品又は部材に対して設計空間を設定することを特徴とするものである。

（４）本発明に係る車体の振動特性の適正化解析装置は、車体の一部の振動特性を適正化するものであって、前記車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の最大変位を求める振動解析部と、該求めた最大変位と同じ変位を前記車体の一部に与えるのに要する荷重を求める最大変位荷重取得部と、前記車体の一部を支持する部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定する設計空間設定部と、該設定した設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、該生成した最適化ブロックモデルを前記車体に結合し、最適化解析モデルを生成する結合処理部と、前記最大変位荷重取得部により求められた荷重を荷重条件として与え、該加振により前記車体の一部に生じる慣性力を考慮して前記最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析部と、を備えたことを特徴とするものである。

（５）上記（４）に記載のものにおいて、前記最適化ブロックモデル生成部は、前記最適化ブロックモデルの質量が最適化の対象とする前記部品又は部材の質量と等しくなるように、該最適化ブロックモデルの比重を設定することを特徴とするものである。

（６）上記（４）又は（５）に記載のものにおいて、最大変位荷重取得部により求められた荷重を荷重条件として与えて前記車体の感度解析を行い、前記最適化の対象とする部品又は部材を特定する感度解析部を備え、前記設計空間設定部は、該感度解析部により特定された前記部品又は部材に対して設計空間を設定することを特徴とするものである。

本発明においては、車体の一部の振動特性を適正化するために、コンピュータが以下の各ステップを行うものであって、前記車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の振動の最大変位を求める振動解析ステップと、該求めた最大変位と同じ変位を前記車体の一部に与えるのに要する荷重を求める最大変位荷重取得ステップと、前記車体の一部を支持する部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定する設計空間設定ステップと、該設定した設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、該生成した最適化ブロックモデルを前記車体に結合し、最適化解析モデルを生成する結合処理ステップと、前記最大変位荷重取得ステップで求めた荷重を荷重条件として与え、振動により前記車体の一部に生じる慣性力を考慮して前記最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を備えたことにより、前記車体の一部を支持する部品又は部位の最適な形状を求めることができ、前記車体の一部の振動特性を適正化し、該車体の一部の動的剛性の向上と軽量化に資することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析装置のブロック図である。 本発明の実施の形態において、振動特性の適正化の対象とする車体の一部であるステアリングハンドルと、ステアリングハンドルを支持する部品又は部材を説明する図である。 本発明の実施の形態において、ステアリングハンドルを支持するブラケットの元形状を示す図である。 ステアリングハンドルの周波数応答解析により求められた周波数応答の結果の一例を示すグラフである。 本実施の形態において、振動解析における加振条件と、該振動解析の解析結果に基づいて求めた荷重条件とを説明する図である。 本実施の形態において、感度解析により求めた部品の感度を示す材料密度のコンター図である。 本実施の形態において、最適化の対象とするブラケットの元形状と、該ブラケットについて設定した設計空間の一例を示す図である。 本実施の形態において、最適化の対象とするステイ部と接続部の双方について設計空間を設定した場合の一例を示す図である。 本実施の形態において、最適化解析により求められた最適化ブロックモデルの最適形状と、該ブラケットの最適形状に基づいて設定した最適化形状部品の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析方法のフローチャート図である。 本発明の実施例において、周波数応答解析により求められたステアリングハンドルの最大変位を示す結果である（Ｙ加振）。 本発明の実施例において、周波数応答解析により求められたステアリングハンドルの最大変位を示す結果である（Ｚ加振）。 本発明の実施例において、最適化解析の対象とした接続部と、該接続部について設定した設計空間を示す図である。 本発明の実施例において、接続部を最適化の対象として求めた最適化ブロックモデルの最適形状と、該接続部の最適形状に基づいて設定した最適化形状部品を示す図である。 本発明の実施例において、ステアリングハンドルの周波数応答解析において求められた周波数応答の解析結果を示すグラフである（Ｙ加振）。 本発明の実施例において、ステアリングハンドルの周波数応答解析において求められた周波数応答の解析結果を示すグラフである（Ｚ加振）。 本発明の実施例において、周波数応答解析により求められた周波数応答におけるピーク周波数を示すグラフである（Ｙ加振）。 本発明の実施例において、周波数応答解析により求められた周波数応答におけるピーク周波数を示すグラフである（Ｚ加振）。 本発明の比較対象として、板厚を増加した部品及び部材とその板厚増加量を示す図である。 構造体の静的剛性と動的剛性を説明する図である。

本発明の実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析方法及び装置について説明するに先立ち、本実施の形態で対象とする車体について説明する。

＜車体＞
本実施の形態に係る車体４１は、図２に示すように、Ａピラー４３、ダッシュボード４５及び車体フロアのトンネル部４７等の車体骨格部品と、振動特性の適正化の対象とする車体４１の一部であるステアリングハンドル４９と、ステアリングハンドル４９を支持する部品又は部材であるステアリングビーム５１、ブラケット５３、接続部５５及びステイ部５７を含んで構成されたものである。

ステアリングハンドル４９は、加振されて振動する部品であり、本実施の形態においては、図２に示すように、ステアリングハンドル４９のステアリング面（ステアリングハンドル４９の回転中心軸に直交する面）における左右方向（図２中のＹ軸方向）と上下方向（図２中のＺ軸方向）に振動するものである。

ステアリングハンドル４９を支持する部品又は部材とは、ステアリングハンドル４９を直接的又は間接的に支持するものであって、ステアリングハンドル４９を加振したときにその振動が伝達される経路にあるものである。

ステアリングビーム５１は、両端が車体４１のＡピラー４３に固定されているものである。
ブラケット５３は、一端側が車体のダッシュボード４５に固定され、他端側がステアリングビーム５１に接続されている（図３参照）。
接続部５５は、ステアリングビーム５１の両端とＡピラー４３とを接続して固定するものである。
ステイ部５７は、下端が車体フロアのトンネル部４７に接続して固定され、上端側がステアリングビーム５１に接続されている。

なお、上記の各部品又は部材は、平面要素及び／立体要素を用いてモデル化されており、モデル化した要素情報等は、後述する車体モデルファイル３１（図１参照）に記憶しておいてもよい。

＜車体の振動特性の適正化解析装置＞
本実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析装置（以下、「振動特性適正化解析装置」という。）の構成について、以下に説明する。

本実施の形態に係る振動特性適正化解析装置１は、図１に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。

以下、図２に示す車体４１を対象とし、車体の一部であって振動特性の適正化の対象とするステアリングハンドル４９と、ステアリングハンドル４９の振動が伝達する経路にある部品であるブラケット５３の形状の最適化を行った場合について、本実施の形態に係る振動特性適正化解析装置１の各構成について説明する。

≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。

≪入力装置≫
入力装置５は、車体モデルファイル３１の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。

≪記憶装置≫
記憶装置７は、車体モデルファイル３１等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図１に示すように、振動解析部１３と、最大変位荷重取得部１５と、感度解析部１７と、設計空間設定部１９と、最適化ブロックモデル生成部２１と、結合処理部２３と、最適化解析部２５と、を有し、ＰＣ等のＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。

（振動解析部）
振動解析部１３は、車体４１におけるステアリングハンドル４９に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、ステアリングハンドル４９の最大変位を求めるものである。

本実施の形態において、振動解析部１３は、振動解析の一手法である周波数応答解析を用いる。周波数応答解析とは、構造体に定常的に正弦波荷重が作用した場合の応答を求めるものである。

本実施の形態における周波数応答解析において、ステアリングハンドル４９に与える加振条件として、複数の正弦波周波数と各正弦波周波数における荷重振幅を与える。本実施の形態では、図２に示すように、ステアリングハンドル４９をＹ方向とＺ方向のそれぞれに振動させるように加振条件（Ｙ加振、及びＺ加振）を与えた。

図４に、周波数応答解析の結果の一例を示す。図４において、横軸は、振動の周波数、縦軸は、各周波数の加速度振幅である。
このように、周波数応答解析の結果から、各周波数の正弦波の変位を足し合せてステアリングハンドル４９の変位の時間応答を求め、該求めた時間応答における最大変位を求めることができる。

（最大変位荷重取得部）
最大変位荷重取得部１５は、振動解析部１３が求めたステアリングハンドル４９の最大変位と同じ変位をステアリングハンドル４９に与えるのに要する荷重を求めるものである。

本実施の形態では、Ｙ加振とＺ加振のそれぞれについて周波数応答解析を行い、Ｙ方向及びＺ方向それぞれの最大変位を取得し、図５に示すように、Ｙ加振とＺ加振それぞれに対する荷重（Ｙ荷重及びＺ荷重）を求める。

最大変位荷重取得部１５は、例えば、ステアリングハンドル４９に与える荷重を変化させて慣性リリーフ法を用いた質量を考慮する静解析を行い、振動解析部１３が求めた最大変位と同じ変位となる荷重を試行錯誤的に求めるものであってもよい。

なお、最大変位荷重取得部１５は、周波数応答解析により求めたステアリングハンドル４９の最大変位と、加振方向に荷重を負荷したときのステアリングハンドル４９の変位とを一致させるため、荷重を負荷したときのステアリングハンドル４９の回転自由度を適宜修正してもよい。

なお、荷重としてステアリングハンドル４９に与えるＹ荷重及びＺ荷重は、図５（ｂ）に示すように、どちらも一方向（Ｙ荷重：車体幅方向の右向き、Ｚ荷重：車体上下方向の下向き）としているが、これは、荷重を与える方向を反転させても、後述する最適化解析において求められるひずみエネルギーや応力の絶対値に差異は生じないため、最適化解析の結果にも違いがないためである。

（感度解析部）
感度解析部１７は、最大変位荷重取得部１５が求めた荷重を荷重条件として与えて車体４１の感度解析（例えば、以下の公知の参考文献参照）を行い、最適化の対象とする部品又は部材を特定するものである。
（参考文献）竹澤ら、日本機械学会論文集（Ａ編）、７６巻７６１号（２０１０−１）、ｐ．１〜ｐ．９

感度解析とは、材料特性、幾何学特性、境界条件等のパラメータを変更することにより、解析対象とする構造体（例えば、車体４１）の構造的応答がどのような影響を受けるかを推定するものである。本実施の形態において、感度解析部１７は、後述する最適化解析部２５による最適化解析の設計変数を材料特性に係るパラメータとし、最適化解析における目標関数の感度を構造的応答に対する影響として求めるものとする。

例えば、最適化解析部２５による最適化解析にトポロジー最適化を適用し、該トポロジー最適化において密度法を用いる場合、設計空間を設定せず、車体の部品又は部材をモデル化する要素（平面要素及び／立体要素）の材料密度を設計変数とし、目標関数である車体４１のひずみエネルギー総和の最小化を目的条件としてトポロジー最適化を行うことにより、要素の材料密度が求められる。このようにして求められた材料密度は、車体４１の剛性に対する感度を表す指標となる。

図６に、ステアリングハンドル４９の振動が伝達する経路にある部品又は部材であるステアリングビーム５１、ブラケット５３、接続部５５及びステイ部５７について感度解析を行った結果の一例を示す。図６は、感度解析において剛性に対する感度を表す材料密度の値をコンター表示したものであり、材料密度の値が1.0に近いほど、性能に対する感度が大きく、材料密度の値が0に近いほど、性能に対する感度が小さいことを意味する。これより、ブラケット５３の感度が他の部品又は部材に比べて高いために、ブラケット５３を最適化の対象として特定することができる。

（設計空間設定部）
設計空間設定部１９は、感度解析部１７により特定された部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定するものである。
図７に、感度解析部１７により最適化の対象として特定されたブラケット５３に対して設計空間５９を設定した一例を示す。設計空間５９は、元のブラケット５３の形状や、ブラケット５３の周囲にある他の部品との隙間に基づいて、任意に設定することができる。

なお、設計空間設定部１９は、感度解析部１７により特定された部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定するもの限らず、最適化の対象とする部品又は部材を任意に特定し、設計空間を設定してもよい。

さらに、設計空間設定部１９は、一つの部品又は部材についてのみ設定するものに限るものではない。例えば、接続部５５とステイ部５７（図２参照）のそれぞれについて、図８に示すように、設計空間６３及び設計空間６５を設定してもよい。

（最適化ブロックモデル生成部）
最適化ブロックモデル生成部２１は、設計空間設定部１９により設定した設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成するものである。
図７（ｂ）に、ブラケット５３に対して設定した設計空間５９に、立体要素からなる最適化ブロックモデル６１を生成した例を示す。

最適化ブロックモデル生成部２１が生成する最適化ブロックモデルは、後述する最適化解析部２５による最適化解析の対象となるものであり、最適化解析の過程において剛性向上に対する寄与が低い部位に位置する立体要素が消去され、剛性向上に対する寄与が大きい部位に位置する立体要素が残存する。

なお、最適化ブロックモデル生成部２１が生成する最適化ブロックモデルは、５面体以上８面体以下であって互いに平行な２面を少なくとも一組有する立体要素でモデル化したものであることが好ましい。
また、最適化ブロックモデル生成部２１は、車体４１における設計空間５９の周囲の面と平行になる面が最大面積となるように前記最適化ブロックモデルを生成することが好ましい。

さらに、最適化ブロックモデル生成部２１は、車体を構成する平面要素及び又は立体要素との結合部に節点を配置し、前記周囲の面と平行になる面に沿うように六面体立体要素を積み上げて最適化ブロックモデルを生成するものであってもよい。

（結合処理部）
結合処理部２３は、最適化ブロックモデル生成部２１により生成された最適化ブロックモデルを、車体に結合し、最適化解析モデルを生成するものである。
最適化ブロックモデルと車体との結合は、剛体要素を用いるもの、あるいは、節点共有させるもの、のいずれであってもよい。

（最適化解析部）
最適化解析部２５は、結合処理部２３が生成した最適化解析モデルに、最大変位荷重取得部１５により求めた荷重を荷重条件として与え、加振により車体の一部に生じる慣性力を考慮して最適化ブロックモデルを最適化の対象として最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求めるものである。

また、最適化解析部２５は、最適化解析における最適化解析条件として、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件と、最適化解析を行う上で課す制約条件とを与える。
目的条件は、例えば、最適化解析モデルにおけるひずみエネルギー総和の最小化、変位の最小化、体積の最小化、質量の最小化などがある。
一方、制約条件は、最適化解析の対象となる最適化ブロックモデルの体積制約率、任意の節点の変位量、応力などがある。制約条件は、複数設定可能である。

さらに、最適化解析部２５は、加振により車体の一部に生じる慣性力を慣性リリーフ法により考慮する。ここでは、慣性リリーフ法とは、慣性力の座標の基準となる支持点において物体が支持された状態（自由支持状態）で等加速度運動中の物体に作用する力から応力やひずみを求める解析手法であり、運動中の飛行機や船の静解析に使用されている。

本実施の形態では、該加振によるステアリングハンドル４９の振動の最大変位と同じ変位を与える荷重を与えて最適化解析において慣性リリーフ法を適用することで、ステアリングハンドル４９を加振したときの慣性力を考慮することができる。

なお、最適化解析部２５による最適化解析には、例えば、トポロジー最適化を適用することができる。トポロジー最適化において密度法を用いる際に中間的な密度が多い場合には、下式で表すように最適化パラメータとしてペナルティ係数を与えて離散化することが好ましい。

離散化によく用いられるペナルティ係数は2以上であり、ペナルティ係数の値は適宜設定することができる。

図９（ａ）に、本実施の形態において最適化解析部２５にトポロジー最適化を適用したブラケット５３の最適化ブロックモデルの最適形状６７の例を示す。

最適化ブロックモデルの最適形状６７は、最大変位荷重取得部１５が求めた荷重を荷重条件としてステアリングハンドル４９に与え、最適化解析条件としては、目的条件にはひずみエネルギー総和最小を与え、制約条件には体積制約率20%以下を与え、トポロジー最適化において残存した最適化ブロックモデルであり、一端側がダッシュボード４５に接続し、他端側がステアリングビーム５１の車体前方側の外周面の半周以上に接触して接続している。

このように、最適化ブロックモデルの最適形状６７は、図９（ａ）に示すように、上記の解析条件（荷重条件、目的条件、制約条件）を満たすように立体要素が残存及び消去することにより求められる。

さらに、図９（ｂ）は、最適化ブロックモデルの最適形状６７を模擬した最適化形状部品６９であり、最適形状６７と同様に、一端側がダッシュボード４５に接続し、他端側がステアリングビーム５１の車体前方側の外周面の半周以上に接触して接続する形状に設定されている。

なお、最適化解析部２５は、上記のとおりトポロジー最適化を行うものでもよいし、他の計算方式による最適化解析であってもよい。また、最適化解析部２５としては、例えば市販されている有限要素法を用いた解析ソフトを使用することもできる。

＜車体の振動特性の適正化解析方法＞
次に、本実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析方法（以下、単に「振動特性適正化解析方法」という。）について、以下に説明する。

本実施の形態に係る振動特性適正化解析方法は、車体の一部の振動特性を適正化するものであって、図１０に示すように、振動解析ステップＳ１と、最大変位荷重取得ステップＳ３と、感度解析ステップＳ５と、設計空間設定ステップＳ７と、最適化ブロックモデル生成ステップＳ９と、結合処理ステップＳ１１と、最適化解析ステップＳ１３と、を備えたものである。以下、上記の各ステップについて説明する。
なお、本実施の形態に係る振動特性適正化解析方法は、上記の各ステップをコンピュータによって構成された振動特性適正化解析装置１（図１参照）を用いて実行するものである。

≪振動解析ステップ≫
振動解析ステップＳ１は、車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の最大変位を求めるステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の振動解析部１３が、車体４１の一部であるステアリングハンドル４９（図２参照）に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、ステアリングハンドル４９の最大変位を求める。

≪最大変位荷重取得ステップ≫
最大変位荷重取得ステップＳ３は、振動解析ステップＳ１において求めた最大変位と同じ変位を車体の一部に与えるのに要する荷重を求めるステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の最大変位荷重取得部１５が、振動解析ステップＳ１において求めたステアリングハンドル４９の最大変位と同じ変位を与えるのに要する荷重を求める。

≪感度解析ステップ≫
感度解析ステップＳ５は、最大変位荷重取得ステップＳ３で求めた荷重を荷重条件として与えて車体の感度解析を行い、最適化の対象とする部品又は部材を特定するステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の感度解析部１７が、最大変位荷重取得部１５により求められた荷重を荷重条件として与えて車体４１の感度解析を行い、図６に示すように、感度の高い部品であるブラケット５３を最適化の対象として特定する。

≪設計空間設定ステップ≫
設計空間設定ステップＳ７は、感度解析ステップＳ５において最適化の対象として特定された部品又は部材に対して設計空間を設定するステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の設計空間設定部１９が、図７に示すように、感度解析ステップＳ５で特定されたブラケット５３を最適化の対象として設計空間５９を設定する。

≪最適化ブロックモデル生成ステップ≫
最適化ブロックモデル生成ステップＳ９は、設計空間設定ステップＳ７において設定した設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成するステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の最適化ブロックモデル生成部２１が、図７（ｂ）に示すように、ブラケット５３について設定した設計空間５９に最適化ブロックモデル６１を生成する。

≪結合処理ステップ≫
結合処理ステップＳ１１は、最適化ブロックモデル生成ステップＳ９において生成した最適化ブロックモデルを車体に結合し、最適化解析モデルを生成するステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の結合処理部２３が、最適化ブロックモデル生成ステップＳ９において生成した最適化ブロックモデル６１を車体４１に結合し、最適化解析モデル（図示なし）を生成する。

≪最適化解析ステップ≫
最適化解析ステップＳ１３は、最大変位荷重取得ステップＳ３で求めた荷重を荷重条件として与え、加振により車体の一部に生じる慣性力を考慮して最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求めるステップである。本実施の形態においては、振動特性適正化解析装置１の最適化解析部２５が、最大変位荷重取得ステップＳ３において求めた荷重を荷重条件として与え、加振によりステアリングハンドル４９に生じる慣性力を考慮してブラケット５３の最適化ブロックモデル６１について最適化解析を行い、最適化ブロックモデルの最適形状６７（図９（ａ））を求める。

また、最適化解析ステップＳ１３においては、最適化解析における最適化解析条件として、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件と、最適化解析を行う上で課す制約条件とを与える。

さらに、最適化解析ステップＳ１３においては、該加振によるステアリングハンドル４９の振動の最大変位と同じ変位を与える荷重を与えて最適化解析を行うにあたって、慣性リリーフ法を適用することで、ステアリングハンドル４９を加振したときの慣性力を考慮することができる。

なお、最適化解析ステップＳ１３における最適化解析には、例えば、トポロジー最適化を適用することができる。さらに、トポロジー最適化において密度法を適用する場合、最適化パラメータとして与えるペナルティ係数を2以上に設定して離散化を行うようにすることが好ましい。

もっとも、最適化解析ステップＳ１３における最適化解析には、他の計算方式により最適化の解析処理を適用することができ、最適化の解析処理を行うものとしては、例えば、市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することもできる。

以上、本実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析方法および装置によれば、振動する部品からの振動が伝達する経路にある部品又は部材の最適な形状を求めることにより、車体の一部の振動特性を適正なものにすることができ、車体の一部の動的剛性の向上と軽量化が可能となる。

なお、本実施の形態に係る車体の振動特性の適正化解析方法および装置においては、車体の感度解析を行い、最適化の対象とする部品としてブラケットを特定するものであったが、本発明は、感度解析を行わずに、適宜選択した部品を最適化の対象として最適化解析を行うものであってもよい。

また、本発明は、最適化ブロックモデル生成部２１又は最適化ブロックモデル生成ステップＳ９により生成した最適化ブロックモデルの質量が最適化の対象とする部品又は部材の質量と等しくなるように、該最適化ブロックモデルの比重を設定することが好ましい。これにより、最適化ブロックモデルを解析対象とする最適化解析において、振動する部品の加振による慣性力の影響を精度よく考慮することができる。

さらに、上記の説明は、車体からの振動を受けて振動する部品としてステアリングハンドルと、ステアリングハンドルの振動を伝達する部品としてブラケットを対象とするものであったが、本発明はこれに限るものではなく、振動特性の適正化を図りたい部品と、該部品の振動が伝達する経路にある部品又は部材であれば、特に限定されずに適用することができる。

本発明に係る車体の振動特性の適正化解析方法及び装置の効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

本実施例では、図２に示すような、車体４１と、車体４１の一部であり加振されるステアリングハンドル４９と、ステアリングハンドル４９を支持するステアリングビーム５１、ブラケット５３、接続部５５及びステイ部５７と、を解析対象とし、振動解析、感度解析及び形状の最適化解析を行なった。

まず、ステアリングハンドル４９に所定の加振条件を与えて振動解析を行った。本実施例では、図２に示すように、ステアリングハンドル４９のステアリング面における左右方向の振動（Ｙ加振）と上下方向の振動（Ｚ加振）のそれぞれを加振条件として与えた。

振動解析には周波数応答解析を用い、Ｙ加振とＺ加振のそれぞれについて振動の周波数応答を求めた。そして、求めた周波数応答から、ステアリングハンドル４９のＹ加振及びＺ加振それぞれについて最大変位を求めた。図１１及び図１２に、Ｙ加振及びＺ加振のそれぞれについてのステアリングハンドル４９の最大変位を示す。

そして、図１１及び図１２に示すようなステアリングハンドル４９の最大変位と同じ変位となる荷重を、Ｙ加振及びＺ加振のそれぞれについて求めた（図５参照）。

次に、図７（ａ）に示すように、ブラケット５３について設計空間５９を設定し、また、図１３に示すように、接続部５５について設計空間６３を設定した。なお、図１３（ａ）は、接続部５５の元形状、図１３（ｂ）は、接続部５５について設定した設計空間６３を示したものである。

なお、ブラケット５３及び接続部５５の元形状は、ステアリングビーム５１の車体４１への取り付けに一般的に用いられている形状を模したものであって、ブラケット５３の元形状は、ステアリングビーム５１を上方から吊って支持する形状であり、接続部５５の元形状は、ステアリングビーム５１の端部を軸周りの２方向から挟み込む形状である。

また、本実施例においてブラケット５３と接続部５５を最適化解析の対象とした。

次に、設定した設計空間５９及び設計空間６３のそれぞれについて最適化ブロックモデル６１（図７（ｂ））及び最適化ブロックモデル７１（図１３（ｂ））を生成した。そして、生成した最適化ブロックモデル６１及び最適化ブロックモデル７１をそれぞれ車体４１に結合して、最適化解析モデル（図示なし）を生成した。

続いて、生成した最適化解析モデルに、荷重条件と最適化解析条件を与え、最適化解析を行った。
荷重条件としては、図５（ｂ）に示すように、ステアリングハンドル４９のＹ方向及びＺ方向のそれぞれに荷重（Ｙ荷重及びＺ荷重）を与えた。
最適化解析条件としては、目的条件としてひずみエネルギー総和最小を、制約条件として体積制約率20%以下を与えた。

そして、上記の荷重条件と最適化解析条件を与えた最適化解析モデルについて、トポロジー最適化による最適化解析を行い、最適化ブロックモデルを求めた。
図９に、ブラケット５３について求めた最適化ブロックモデルの最適形状６７を、図１４（ａ）に、接続部５５について求めた最適化ブロックモデルの最適形状７３を示す。

さらに、本実施例では、最適化ブロックモデルの最適形状６７（図９（ａ））及び最適形状７３（図１４（ａ））のそれぞれに対し、図９（ｂ）に示す最適化形状部品６９及び図１４（ｂ）に示す最適化形状部品７５を決定し、該決定した最適化形状部品６９及び最適化形状部品７５を適用した車体４１の振動特性を評価した。

なお、接続部５５についての最適化形状部品７５は、最適化ブロックモデルの最適形状７３を模擬したものであり、最適形状７３と同様に、ステアリングビーム５１の端部を軸周りの３方向から支持するように該端部をＡピラー４３に接続して固定するように設定されたものである。

ここで、振動特性は、車体４１のステアリングハンドル４９に所定の加振条件を与えたときの周波数応答解析を行い、該周波数応答解析により求めた周波数応答において加速度がピークとなる周波数により評価した。

また、周波数応答解析における加振条件は、最大変位を求める周波数応答解析と同一条件とし、ステアリングハンドル４９に対してＹ方向及びＺ方向のそれぞれに与えた。

なお、加振条件は、ステアリングハンドル４９の振動特性の評価において一般的に適用される条件とし、周波数応答解析においては、加振点であるステアリングハンドル４９に与える周波数と、該周波数における荷重振幅を設定した。

本実施例では、発明例として、ブラケット５３の最適化形状部品６９（図９（ｂ））を用いたものを発明例１、ブラケット５３の最適化形状部品６９と車幅左右の接続部５５の最適化形状部品７５（図１４（ｂ））を用いたものを発明例２とした。
また、元形状のブラケット５３と接続部５５を用いたものを基準例とした。

発明例２における周波数応答解析の結果を図１５及び図１６にそれぞれ示す。
図１５は、加振条件としてＹ加振を与えた場合の周波数応答（横軸：周波数、縦軸：加速度）であり、周波数35.1Hzにおいて加速度がピーク値を示している。
また、図１６は、加振条件としてＺ加振を与えた場合の周波数応答（横軸：周波数、縦軸：加速度）であり、周波数30.5Hzにおいて加速度がピーク値を示している。

図１７に、加振条件としてＹ加振を与えた場合にピーク周波数の結果を、図１８に、加振条件としてＺ加振を与えた場合のピーク周波数の結果を示す。

図１７及び図１８より、Ｙ加振及びＺ加振のいずれの場合においても、基準例に比べると、ブラケット５３の形状を最適化した発明例１におけるピーク周波数は増加していることが分かる。さらに、ブラケット５３とともに接続部５５の形状を最適化した発明例２におけるピーク周波数は基準例に比べてさらに増加し、Ｙ加振においては7.4Hz、Ｚ加振の場合においては4.6Hz増加する結果となった。さらに、発明例２においては、元形状に比べて121g軽量化された。

図１７及び図１８に示す発明例１及び発明例２の結果は、人（運転手）が体感する約30Hz以上の振動数にステアリングに振動数を適正化し、動的剛性（しっかり感）が向上したことを示すものである。

次に、動的剛性の向上効果を得るために、最適化の対象とする部品又は部材に用いられる鋼板の板厚を増加させた場合を比較例とし、発明例と比較検討した。

比較例においては、図１９に示すように、ステアリングハンドル４９の振動を伝達する経路にあるステアリングビーム５１、ブラケット５３及び接続部５５の一部又は全部について、それぞれ図１９中に示されている数値だけ各部品又は部材の元形状よりも板厚を増加させた。

そして、比較例についても発明例と同様に周波数応答解析を行い、周波数応答において加速度がピークとなるピーク周波数を求めた。その結果、比較例においては、Ｙ加振については5.5Hz、Ｚ加振については4.7Hzのピーク周波数の上昇が得られ、発明例と同程度に動的剛性が向上する結果となった。しかしながら、比較例においては、板厚を増加したことにより3.3kgの重量増加となり、動的剛性を向上するための重量効率が発明例に比べて非常に悪い結果となった。

以上より、本発明に係る車体の振動特性の適正化解析方法及び装置により、車体の一部の振動が伝達する経路にある部品又は部材の最適な形状を求めることにより、前記車体の一部の振動特性を適正化し、該車体の一部の動的剛性を向上し軽量化を達成できることが示された。

１ 振動特性適正化解析装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 振動解析部
１５ 最大変位荷重取得部
１７ 感度解析部
１９ 設計空間設定部
２１ 最適化ブロックモデル生成部
２３ 結合処理部
２５ 最適化解析部
３１ 車体モデルファイル
４１ 車体
４３ Ａピラー
４５ ダッシュボード
４７ トンネル部
４９ ステアリングハンドル
５１ ステアリングビーム
５３ ブラケット
５５ 接続部
５７ ステイ部
５９ 設計空間（ブラケット）
６１ 最適化ブロックモデル（ブラケット）
６３ 設計空間（接続部）
６５ 設計空間（ステイ部）
６７ 最適形状（ブラケット）
６９ 最適化形状部品（ブラケット）
７１ 最適化ブロックモデル（接続部）
７３ 最適形状（接続部）
７５ 最適化形状部品（接続部）

Claims (6)

1. 車体の一部の振動特性を適正化するために、コンピュータが以下の各ステップを行う車体の振動特性の適正化解析方法であって、
   前記車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の振動の最大変位を求める振動解析ステップと、
   該求めた最大変位と同じ変位を前記車体の一部に与えるのに要する荷重を求める最大変位荷重取得ステップと、
   前記車体の一部を支持する部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定する設計空間設定ステップと、
   設定した前記設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成ステップと、
   生成した前記最適化ブロックモデルを前記車体に結合し、最適化解析モデルを生成する結合処理ステップと、
   前記最大変位荷重取得ステップで求めた荷重を荷重条件として与え、加振により前記車体の一部に生じる慣性力を考慮して前記最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を備えたことを特徴とする車体の振動特性の適正化解析方法。
2. 前記最適化ブロックモデル生成ステップは、前記最適化ブロックモデルの質量が最適化の対象とする前記部品又は部材の質量と等しくなるように、該最適化ブロックモデルの比重を設定することを特徴とする請求項１記載の車体の振動特性の適正化解析方法。
3. 前記最大変位荷重取得ステップで求めた荷重を荷重条件として与えて前記車体の感度解析を行い、前記最適化の対象とする部品又は部材を特定する感度解析ステップを備え、
   前記設計空間設定ステップは、該感度解析ステップで特定した前記部品又は部材に対して設計空間を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の車体の振動特性の適正化解析方法。
4. 車体の一部の振動特性を適正化する車体の振動特性の適正化解析装置であって、
   前記車体の一部に所定の加振条件を与えて振動解析を行い、該車体の一部の最大変位を求める振動解析部と、
   該求めた最大変位と同じ変位を前記車体の一部に与えるのに要する荷重を求める最大変位荷重取得部と、
   前記車体の一部を支持する部品又は部材を最適化の対象として設計空間を設定する設計空間設定部と、
   設定した前記設計空間に、立体要素からなる最適化ブロックモデルを生成する最適化ブロックモデル生成部と、
   生成した前記最適化ブロックモデルを前記車体に結合し、最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
   前記最大変位荷重取得部により求められた荷重を荷重条件として与え、加振により前記車体の一部に生じる慣性力を考慮して前記最適化ブロックモデルについて最適化解析を行い、該最適化ブロックモデルの最適な形状を求める最適化解析部と、を備えたことを特徴とする車体の振動特性の適正化解析装置。
5. 前記最適化ブロックモデル生成部は、前記最適化ブロックモデルの質量が最適化の対象とする前記部品又は部材の質量と等しくなるように、該最適化ブロックモデルの比重を設定することを特徴とする請求項４記載の車体の振動特性の適正化解析装置。
6. 前記最大変位荷重取得部により求められた荷重を荷重条件として与えて前記車体の感度解析を行い、前記最適化の対象とする部品又は部材を特定する感度解析部を備え、
   前記設計空間設定部は、該感度解析部により特定された前記部品又は部材に対して設計空間を設定することを特徴とする請求項４又は５記載の車体の振動特性の適正化解析装置。