JP6686403B2 - ケーブル形状予測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ケーブル形状予測方法及び装置に関する。

従来、ケーブルやワイヤーハーネスの設計に際して、試作品の制作及びその屈曲評価試験を行わずにその屈曲寿命を効率的に予測するための屈曲寿命予測方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された屈曲寿命予測方法は、電線束を構成する電線内の導体線の径、導体線の本数、導体線及び絶縁層の曲げ剛性に基づき、有限要素解析プログラムを用いて電線束の歪み変形量を解析し、この解析結果から電線束の屈曲寿命を予測するというものである。

特許第３８０８８０１号公報

しかし、対象のケーブルが撚られた複数の導体線を含む場合、従来の屈曲寿命予測方法では、ケーブルの両端部をある場所に設置したときのケーブルの形状を精度よく予測することが難しく、正確な寿命予測が困難であった。本発明者らは、ケーブル形状の予測困難性が複数の導体線の撚りによるケーブルの巻き癖に起因するものであると考え、撚られた複数の導体線を含むケーブルの形状予測方法を鋭意研究し、本願発明をなすに至った。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ケーブルを均質な物質からなる均質体のみでモデル化した場合に比較して、配索時のケーブルの形状をより正確に予測することが可能となるケーブル形状予測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、撚られた複数の導体線からなる導体部を含むケーブルの配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラムを用いて予測する方法であって、前記ケーブルの前記導体部以外の部分を模した均質な物質からなる均質体に関するデータ、及び前記導体線を模した螺旋トラスに関するデータを受け付ける工程と、前記均質体及び前記螺旋トラスに関するデータに基づいて前記均質体に複数の前記螺旋トラスを埋め込んだ解析モデルを作成する工程と、前記ケーブルの配索時の前記解析モデルの両端部の位置及び向きの情報を受け付ける工程と、前記位置及び前記向きの情報に基づいて前記解析モデルの三次元形状を前記有限要素法解析プログラムを用いて予測する工程と、を含むケーブル形状予測方法を提供する。

また、本発明は、撚られた複数の導体線からなる導体部を含むケーブルの配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラムを用いて予測する装置であって、前記ケーブルの前記導体部以外の部分を模した均質な物質からなる均質体に関するデータ、及び前記導体線を模した螺旋トラスに関するデータを入力する入力部と、前記均質体及び前記螺旋トラスに関するデータに基づいて前記均質体に複数の前記螺旋トラスを埋め込んだ解析モデルを作成する解析モデル作成部と、前記入力部に入力された前記ケーブルの配索時の前記解析モデルの両端部の位置及び向きの情報に基づいて前記解析モデルの三次元形状を前記有限要素法解析プログラムを用いて予測するケーブル形状予測部と、を備えたケーブル形状予測装置を提供する。

本発明によれば、ケーブルを均質な物質からなる均質体のみでモデル化した場合に比較して、配索時のケーブルの形状をより正確に予測することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るケーブル形状予測装置の概略の構成を示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、ケーブル形状予測装置が解析対象とするケーブルの一例を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係るケーブル形状予測方法を説明するための説明図である。 （ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係るケーブル形状予測方法を説明するための説明図である。 本実施の形態に係るケーブル形状予測方法を説明するための説明図である。 本実施の形態に係るケーブル形状予測方法を説明するための説明図である。 （ａ）はケーブルの面内変形図、（ｂ）はケーブルの面外変形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るケーブル形状予測装置のブロック図である。図２（ａ），（ｂ）は、ケーブル形状予測装置が解析対象とするケーブルの構成例をそれぞれ示す斜視図である。

このケーブル形状予測装置（以下、単に「装置」ともいう。）１は、撚られた複数の導体線からなる導体部を含むケーブルの配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラムを用いて予測するものである。具体的には、装置１は、キーボードやマウス等のポインティングデバイスを有して実現される入力部２と、ディスプレイ、プリンタ等で実現される出力部３と、汎用の有限要素法解析プログラム４１、及び後述する係数の対応関係を示すテーブル４２等を記憶する記憶部４と、配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラム４１を用いて予測するデータ処理部５とを備えている。

（解析対象のケーブル）
本装置１は、例えば、図２（ａ）に示す構成のケーブル１００や、図２（ｂ）に示す構成のケーブル１１０を解析対象とする。図２（ａ）に示すケーブル１００は、撚られた複数（７本）の導体線１０１と、複数の導体線１０１を被覆する絶縁体１０２と、絶縁体１０２の外周に設けられたシールド１０３と、シールド１０３の外周に設けられたシース１０４とを備える単芯ケーブルである。ここで、絶縁体１０２、シールド１０３、シース１０４は、複数の導体線１０１を被覆する被覆部材の一例である。

図２（ｂ）に示すケーブル１１０は、導体線１１１を絶縁体１１２で被覆して撚られた複数（２本）の絶縁電線１１３と、複数の絶縁電線１１３を被覆するシース１１４とを備える多芯ケーブルである。導体線１１１は、例えば銅等の良導電性の金属導体からなる複数の素線を撚り合わせた撚線である。ここで、絶縁体１１２、シース１１４は、複数の導体線１１１を被覆する被覆部材の一例である。なお、本装置１が解析対象とするケーブルは、図２（ａ），（ｂ）のものに限らない。

データ処理部５は、初期状態の三次元の解析モデルを作成する解析モデル作成部５１と、ケーブル１００，１１０の解析モデルの配索時における三次元形状を有限要素法解析プログラム４１を用いて予測するケーブル形状予測部５２とを備える。ここで、「初期状態」とは、例えば、解析モデルが直線状の状態をいう。

（解析モデル作成部）
解析モデル作成部５１は、図２（ａ）又は図２（ｂ）に示すケーブル１００，１１０に対し、ケーブル１００，１１０のうち導体線１０１，１１１以外の部分（被覆部材）を模した均質な物質からな均質体に関するデータ、及び導体線１０１，１１１を模した螺旋トラスに関するデータを入力部２を介して受け付ける。解析モデル作成部５１は、受け付けた均質体に関するデータ及び螺旋トラスに関するデータに基づいて初期状態の三次元形状の解析モデルを作成する。

解析モデル作成部５１が作成する解析モデルは、断面円形で軸状の均質体と、均質体に埋め込まれた複数の螺旋トラスとから構成されている。ここで、螺旋トラスは、軸力のみを受け持つ要素である。均質体に関するデータとしては、例えば、直径、長さ、縦弾性係数等が用いられる。螺旋トラスに関するデータとしては、例えば、導体線１０１，１１１の本数、直径、断面積、螺旋径、螺旋ピッチ、縦弾性係数等が用いられる。ここで、縦弾性係数とは、対象物に荷重が作用した場合の変形しにくさを示す係数であり、物体の長さをＬ、断面積をＡ、作用する荷重をＦ、この荷重による伸びをδとしたとき、縦弾性係数Ｅは、Ｅ＝Ｆ・Ｌ／（Ａ・δ）によって表される。均質体に関する縦弾性係数は、螺旋トラスに関する縦弾性係数よりも小さい。すなわち、解析モデルにおいて、螺旋トラスは、均質体よりも、その長手方向に伸びにくい。

解析モデル作成部５１は、解析モデルを作成すると、解析モデルの作成に使用した均質体及び螺旋トラスに関するデータをケーブル形状予測部５２に送る。

なお、螺旋トラスに関するデータは、例えば、導体線１０１，１１１の本数、直径、断面積、螺旋径、螺旋ピッチに実際の値を用い、縦弾性係数に実測値への合わせ込みのための数値を用いてもよい。また、導体線１０１，１１１の本数、直径、螺旋径、螺旋ピッチに実際の値を用い、断面積及び縦弾性係数に実測値への合わせ込みのための数値を用いてもよい。さらに、導体線１０１，１１１の直径、螺旋径、螺旋ピッチに実際の値を用い、本数、断面積、及び縦弾性係数に実測値への合わせ込みのための数値を用いてもよい。また、螺旋トラスに関するデータのうち、どれに実際の値を用い、どれに実測値への合わせ込みのための数値を用いるかは、上記のものに限られない。

解析モデル作成部５１は、例えば、均質体の縦弾性係数をＥ_１０、螺旋トラスの縦弾性係数をＥ_１１とするとき、形状予測を高精度に行うため、Ｅ_１１／Ｅ_１０の比を２〜３にするのが好ましい。また、螺旋トラスの半径は、計算を円滑に実行できるようにするため、ケーブルの直径に対して１〜２０％とすることが好ましい。また、螺旋トラスの総断面積を導体の総断面積と等しくすることで、螺旋トラスの本数や螺旋径を決定してもよい。

（ケーブル形状予測部）
ケーブル形状予測部５２は、配索時のケーブルの両端部の位置及び向きの情報を入力部２を介して受け付ける。また、ケーブル形状予測部５２は、受け付けた位置及び向きの情報に基づいて、解析モデルのケーブル部（後述する図３（ｂ）及び図４に示すケーブル部１３）の三次元形状を有限要素法解析プログラム４１を用いて予測する。

ケーブル形状予測部５２は、ケーブル部の三次元形状を予測するとき、両端部（後述する図４に示す両端部１４Ａ、１４Ｂ）を含む平面（平面１５）からのケーブル部の最大の面外変形量Δｕを次の式（１）から求める。
Δｕ＝−ａＥ^２＋ｂＥ ・・・（１）
ただし、ａ及びｂは係数、Ｅは螺旋トラスの縦弾性係数（ヤング率）を表す。

記憶部４に記憶されているテーブル４２は、均質体及び螺旋トラスに関するデータと係数ａ，ｂとの対応関係を示す。ケーブル形状予測部５２は、解析モデル作成部５１から送られた均質体及び螺旋トラスに関するデータに基づいて、記憶部４に記憶されているテーブル４２を参照して対応する係数ａ，ｂを取得し、係数ａ，ｂを式（１）に適用して面外変形量Δｕを算出する。

（ケーブル形状予測方法）
次に、ケーブル形状予測装置１によるケーブル形状予測方法の具体例について、図３〜図６を参照して説明する。図３〜図６は、本実施の形態に係るケーブル形状予測方法を説明するための説明図である。なお、ここでは図２（ａ）に示すケーブル１００を解析対象として説明する。

図３（ａ）は、均質体１１を示す斜視図、図３（ｂ）は、初期状態の解析モデル１０を示す斜視図である。図４は、予測結果の一例を示し、図４（ａ）は、ｘ−ｙ平面におけるケーブルの変形例を示す説明図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ方向矢視図であってｚ−ｘ平面におけるケーブルの変形例を示す説明図である。図５は、実ケーブルの形状の変形量（面外変形量）の測定結果を示す説明図である。

（１）解析モデルの作成
データ処理部５の解析モデル作成部５１は、入力部２から入力された均質体１１に関するデータ、例えば、直径、長さ、縦弾性係数を受け付ける。解析モデル作成部５１は、受け付けたデータに基づいて、図３（ａ）に示す均質体１１を作成する。

次に、解析モデル作成部５１は、入力部２から入力された螺旋トラス１２に関するデータ、例えば、導体線の本数、直径、断面積、螺旋径、螺旋ピッチ、縦弾性係数を受け付ける。解析モデル作成部５１は、受け付けたデータに基づいて、図３（ｂ）に示すように均質体１１に螺旋トラス１２を埋め込むことで、解析モデル１０を作成する。解析モデル１０は、ケーブル部１３と、ケーブル部１３の両端に設けられた端部１４Ａ、１４Ｂ（図４参照）とから構成されている。端部１４Ａ、１４Ｂは、例えばコネクタを表す。

（２）ケーブルの変形形状の予測
ケーブル形状予測部５２は、入力部２から入力されたケーブルの両端部１４Ａ，１４Ｂの位置及び向きの情報を受け付ける。ケーブルの両端部１４Ａ，１４Ｂの位置は、例えば中心位置の３次元直交座標で表される。ケーブルの端部１４Ａ，１４Ｂの向きは、例えば中心位置における３次元極座標で表される。ケーブル形状予測部５２は、受け付けた両端部１４Ａ、１４Ｂの位置及び向きの情報に基づいて、解析モデル作成部５１によって作成された解析モデル１０の変形形状を予測する。

ケーブル形状予測部５２は、均質体１１のケーブル部１３の両端の端部１４Ａ，１４Ｂを、図４（ａ）に示すように、入力部２から受け付けた端部１４Ａ，１４Ｂの位置及び向きの情報に対応した位置及び向きに配置する。図４（ａ）に示す例では、端部１４Ａ、１４Ｂがｘ−ｙ平面（平面１５）上の互いに離れた位置に存在する。

ケーブル形状予測部５２は、三次元の有限要素解析によりケーブル部１３の形状を予測する。このとき、ケーブル形状予測部５２は、均質体１１のケーブル部１３が屈曲したときの最大の面外変形量Δｕを次の式（１）から求める。
Δｕ＝−ａＥ^２＋ｂＥ ・・・（１）
ただし、ａ，ｂは係数、Ｅは螺旋トラスの縦弾性係数（ヤング率）を表す。

このとき、ケーブル形状予測部５２は、均質体１１及び螺旋トラス１２に関するデータに基づいてテーブル４２を参照して対応する係数ａ，ｂを取得し、係数ａ，ｂを式（１）に適用して最大の面外変形量Δｕを算出する。面外変形量Δｕは、平面１５に対して直交する方向（ｚ方向）への最大の変位量である。

（２）解析モデルの妥当性の検証
次に、図５に示すように、実際のケーブル１００の両端部１０５Ａ，１０５Ｂ間の形状の面外変形量を測定する。ケーブル形状予測部５２は、予測した形状の面外変形量と実測した面外変形量との差を求め、その差が一定値を超えているときは、解析モデル１０又はテーブル４２を修正する。なお、この工程は精度が安定していれば省いてもよい。

（３）ケーブルの変形形状を予測する。
次に、ケーブル１３の一方又は両方の端部が移動する場合には、その移動する一方又は両方の端部１４Ａ，１４Ｂを移動させたときのケーブルの形状、例えば面外変形量を予測する。図６は、端部１４Ｂが移動する場合を示している。

図７（ａ）は、ケーブルの面内変形図、図７（ｂ）は、ケーブルの面外変形図である。図７（ａ）及び（ｂ）では、ケーブルの形状をその中心線で示している。

解析対象とした実施例のケーブルは単芯ケーブルであり、直径８ｍｍ、長さ２００ｍｍの導体断面積５ｓｑ（５ｍｍ^２）のケーブルとした。実施例のケーブルの構造は、複数の導体線と、導体線の周囲に、例えばフッ素樹脂（ＥＴＦＥ）からなる絶縁体、銅箔糸編組シールド、補強編組、及びシースの順に設けられた構造を有する。

本実施例の場合、係数ａが０．０５０２、係数ｂが０．６５５となり、面外変形量Δｕは、前記式（１）より、
Δｕ＝−０．０５０２Ｅ^２＋０．６５５Ｅ
となる。

この実施例の解析モデル１０は、図７（ａ）の太線で示すように、ｘ−ｙ面内に湾曲するとともに、図７（ｂ）の太線で示すように、ｘ−ｚ面内でも湾曲している。実施例の解析モデル１０のｘ−z面における最大の面外変位量Δｕは、ケーブルの直径の２．５倍の距離になった。これに対し、均質体の内部に螺旋トラスを有していない比較例の解析モデルは、図７（ｂ）の破線で示すように、ｘ−ｚ面内では屈曲せずに直線状のままになっている。また、実ケーブルの実測結果は、図７（ｂ）の細線で示すように、実施例の解析モデル１０に近い形状になっている。実施例の解析モデル１０と実測との最大の面外変位量Δｕの差（解析誤差）は、ケーブルの直径の１倍以下になった。

（実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態によれば、均質体に導体線を模した螺旋トラスを配置することにより、螺旋トラスを付加しない均質体のみの解析モデルによる方法では誤差がケーブルの直径の２．５倍であったのに対し、解析誤差をケーブルの直径の１倍以下にすることが可能になる。すなわち、ケーブルを均質な物質からなる均質体のみでモデル化した場合に比較して、配索時のケーブルの形状をより正確に予測することができる。また、予測したケーブルの配索形状に基づいて、周辺機器とのクリアランス寸法の予測や周辺機器との干渉の有無、あるいは屈曲耐久性（寿命）を正確に予測することが可能になる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］撚られた複数の導体線（１０１，１１１）を含むケーブル（１００，１１０）の配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラム（４１）を用いて予測する方法であって、前記ケーブル（１００，１１０）の前記複数の導体線（１０１，１１１）以外の部分を模した均質な物質からなる均質体（１１）に関するデータ、及び前記導体線（１０１，１１１）を模した螺旋トラス（１２）に関するデータを受け付ける工程と、前記均質体（１１）及び前記螺旋トラス（１２）に関するデータに基づいて前記均質体（１１）に複数の前記螺旋トラス（１２）を埋め込んだ解析モデル（１０）を作成する工程と、前記ケーブル（１００，１１０）の配索時の前記解析モデル（１０）の両端部（１４Ａ，１４Ｂ）の位置及び向きの情報を受け付ける工程と、前記位置及び前記向きの情報に基づいて前記解析モデル（１０）の三次元形状を前記有限要素法解析プログラム（４１）を用いて予測する工程と、を含むケーブル形状予測方法。

［２］前記三次元形状を予測する工程は、前記解析モデル（１０）の最大の面外変形量Δｕを、次の式（１）から求めるものである、前記［１］に記載のケーブル形状予測方法。
Δｕ＝−ａＥ^２＋ｂＥ ・・・（１）
ただし、ａ及びｂは係数、Ｅは前記螺旋トラスの縦弾性係数を表す。

［３］撚られた複数の導体線（１０１，１１１）を含むケーブル（１００，１１０）の配索時の三次元形状を有限要素法解析プログラム（４１）を用いて予測する装置（ケーブル形状予測装置１）であって、前記ケーブル（１００，１１０）の前記複数の導体線（１０１，１１１）以外の部分を模した均質な物質からなる均質体（１１）に関するデータ、及び前記導体線（１０１，１１１）を模した螺旋トラス（１２）に関するデータを入力する入力部（２）と、前記均質体（１１）及び前記螺旋トラス（１２）に関するデータに基づいて前記均質体（１１）に複数の前記螺旋トラス（１２）を埋め込んだ解析モデル（１０）を作成する解析モデル作成部（５１）と、前記入力部（２）に入力された前記ケーブル（１００，１１０）の配索時の前記解析モデル（１０）の両端部（１４Ａ，１４Ｂ）の位置及び向きの情報に基づいて前記解析モデル（１０）の三次元形状を前記有限要素法解析プログラム（４１）を用いて予測するケーブル形状予測部（５２）と、を備えたケーブル形状予測装置（１）。

［４］前記ケーブル形状予測部（５２）は、前記解析モデル（１０）の最大の面外変形量Δｕを、次の式（１）から求めるものである、前記［３］に記載のケーブル形状予測装置（１）。
Δｕ＝−ａＥ^２＋ｂＥ ・・・（１）
ただし、ａ及びｂは係数、Ｅは前記螺旋トラスの縦弾性係数を表す。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、ケーブル形状予測装置において、上記のケーブル形状予測方法によって予測したケーブルの配索時の三次元形状に基づいて、さらにケーブルの屈曲耐久性を評価してもよい。

１…ケーブル形状予測装置
２…入力部
１０…解析モデル
１００，１１０…ケーブル
１０１，１１１…導体線
１１…均質体
１２…螺旋トラス
１４Ａ，１４Ｂ…端部
４１…有限要素法解析プログラム
５２…ケーブル形状予測部

Claims (4)

1. ケーブル形状予測装置が、撚られた複数の導体線を含むケーブルの配索時の三次元形状を予測する方法であって、
   前記ケーブル形状予測装置の入力部が、前記ケーブルの前記複数の導体線以外の部分を模した均質な物質からなる均質体に関するデータ、及び前記導体線を模した螺旋トラスに関するデータを受け付ける工程と、
   前記ケーブル形状予測装置の解析モデル作成部が、前記均質体及び前記螺旋トラスに関するデータに基づいて前記均質体に複数の前記螺旋トラスを埋め込んだ解析モデルを作成する工程と、
   前記ケーブル形状予測装置の入力部が、前記ケーブルの配索時の前記解析モデルの両端部の位置及び向きの情報を受け付ける工程と、
   前記ケーブル形状予測装置のケーブル形状予測部が、有限要素法解析プログラムを実行することにより、前記位置及び前記向きの情報に基づいて前記解析モデルの三次元形状を予測する工程と、
   を含むケーブル形状予測方法。
2. 前記三次元形状を予測する工程は、前記解析モデルの最大の面外変形量Δｕを、次の式（１）から求めるものである、
   請求項１に記載のケーブル形状予測方法。
   Δｕ＝−ａＥ²＋ｂＥ ・・・（１）
   ただし、ａ及びｂは係数、Ｅは前記螺旋トラスの縦弾性係数を表す。
3. 撚られた複数の導体線を含むケーブルの配索時の三次元形状を予測するケーブル形状予測装置であって、
   前記ケーブルの前記複数の導体線以外の部分を模した均質な物質からなる均質体に関するデータ、及び前記導体線を模した螺旋トラスに関するデータを入力する入力部と、
   前記均質体及び前記螺旋トラスに関するデータに基づいて前記均質体に複数の前記螺旋トラスを埋め込んだ解析モデルを作成する解析モデル作成部と、
   有限要素法解析プログラムを実行することにより、前記入力部に入力された前記ケーブルの配索時の前記解析モデルの両端部の位置及び向きの情報に基づいて前記解析モデルの三次元形状を予測するケーブル形状予測部と、
   を備えたケーブル形状予測装置。
4. 前記ケーブル形状予測部は、前記解析モデルの最大の面外変形量Δｕを、次の式（１）から求めるものである、
   請求項３に記載のケーブル形状予測装置。
   Δｕ＝−ａＥ²＋ｂＥ ・・・（１）
   ただし、ａ及びｂは係数、Ｅは前記螺旋トラスの縦弾性係数を表す。

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