JP7306510B1 - 自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラム、自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求める。【解決手段】本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析装置は、最適化解析の解析条件の設定において（２１）、最適化解析モデル１２０の車体骨格部品における衝突荷重入力部位１２１と複数の荷重伝達部位１２３とを設定し（２１ａ）、衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下に分配して各荷重伝達部位における伝達荷重を決定し（２１ｂ）、決定した伝達荷重を各荷重伝達部位１２３に対して衝突荷重の反力として設定する荷重条件と、衝突荷重入力部位１２１の変位を拘束する拘束条件と、を設定し（２１ｃ）、最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の荷重伝達部位１２３の変位が等しいとする制約条件と、を設定する（２１ｄ）。【選択図】 図１
Description
本発明は、自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求める自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラムと、自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法に関する。
世界の自動車販売に占める電気自動車の割合は、今後急速に高まることが予想される。従来のエンジン車と大きく異なる電気自動車の車体構造の特徴としては、大容量バッテリーの搭載と、その保護構造が挙げられる。
また、自動車の側面衝突試験は、多くの衝突アセスメントにおいて乗員傷害を評価する項目である。そして、電気自動車の側面衝突試験は、ポールから自動車に入力する衝突荷重が集中荷重であることに加え、ポールが衝突する位置からバッテリーまでの距離が短いことから、バッテリー保護の観点でも特に厳しい衝突試験であると言える。
また、自動車の側面衝突試験は、多くの衝突アセスメントにおいて乗員傷害を評価する項目である。そして、電気自動車の側面衝突試験は、ポールから自動車に入力する衝突荷重が集中荷重であることに加え、ポールが衝突する位置からバッテリーまでの距離が短いことから、バッテリー保護の観点でも特に厳しい衝突試験であると言える。
図８に一例として示すように、バッテリーケースアッパ１０３ａとバッテリーケースロア１０３ｂとを備えてなるバッテリーケース１０３内にバッテリー１０１が設置されている電気自動車の車体１００においては、図９に示すように車体幅方向外側からポール２００が衝突して衝突荷重が入力した際に衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収部品（以降、EA部品ともいう）としての機能を備えた車体骨格部品であるサイドシル１０５と、サイドシル１０５に入力した大きな衝突荷重がバッテリーケース１０３にそのまま入力することを防ぐために変形が許容されない複数の耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７やバッテリーケース固定部品１０９を有する。
これら複数の耐荷重部品はサイドシル１０５に当接するように配設されており、サイドシルに入力した衝突荷重をサイドシルにおける衝突荷重入力部位から耐荷重部品へと分配する荷重伝達経路を形成する。そして、バッテリー１０１に大きな衝突荷重が入力することを防ぐためには、荷重伝達経路中に単数又は複数の荷重伝達構造が配置されていることが要件となる。
この荷重伝達構造は、外部からの衝突エネルギーを十分に吸収できる程度の高強度な構造でなければならない一方で、耐荷重部品へ伝達する荷重（以下、「伝達荷重」という）を各耐荷重部品の耐荷重以下とする必要がある。そして、この条件を満たすためには、荷重伝達構造を備えたサイドシル１０５においては、各耐荷重部品への伝達荷重が適切に配分されることが重要となる。
一方、高性能な自動車の車体構造を効率的に設計する手段として、コンピュータを用いた構造最適化解析により、車体における設計空間上の不要部位を削除して最適な構造を求める手法が用いられることがある(例えば、特許文献１参照)。当該手法においては、最適化の対象となる部品等の設計空間、車体に入力する衝突荷重に関する荷重条件や車体の拘束条件、さらには最適化に関する目的関数と制約条件とを組み合わせた最適化解析条件を適宜設定することにより、車体剛性や重量等の性能が最大となる車体骨格部品等の最適な構造を求めることができる。
特許文献１に開示されている手法によれば、車体モデルの拘束位置や複数の入力荷重とその入力位置を衝突解析条件として設定し、設定した複数の入力荷重に対し、ひずみエネルギー最小、発生応力最小、吸収エネルギー最大等の目的条件のいずれかを達成する車体骨格部品等の最適な形状を求めることができる。
その一方で、特許文献１に示されている制約条件と目的条件の組み合わせでは、車体骨格部品と耐荷重部品とを備えた車体に衝突荷重が入力した時に、車体骨格部品から複数の耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分が保障されていないという課題があった。
特に、前述した図８に示したような電気自動車の車体１００においては、バッテリー１０１を保護するために、EA部品である車体骨格部品から非EA部品である耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮することが特に重要である。しかしながら、特許文献１に記載された方法では、車体骨格部品から耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮して車体骨格部品における最適な荷重伝達構造を求めることはできなかった。
その一方で、特許文献１に示されている制約条件と目的条件の組み合わせでは、車体骨格部品と耐荷重部品とを備えた車体に衝突荷重が入力した時に、車体骨格部品から複数の耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分が保障されていないという課題があった。
特に、前述した図８に示したような電気自動車の車体１００においては、バッテリー１０１を保護するために、EA部品である車体骨格部品から非EA部品である耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮することが特に重要である。しかしながら、特許文献１に記載された方法では、車体骨格部品から耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮して車体骨格部品における最適な荷重伝達構造を求めることはできなかった。
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、自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求める自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラムと、自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法を提供することを目的とする。
発明者らは、複数の耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分を保障しつつ、車体骨格部品に入力した衝突荷重を複数の耐荷重部品へと伝達させる荷重伝達構造の求め方について検討した。
そして、発明者らは、作用・反作用の法則より、衝突荷重が入力した車体骨格部品から各耐荷重部品へと伝達する荷重と、各耐荷重部品から車体骨格部品に作用する衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向の荷重（以下、反力と称す）とは、荷重の作用する方向は逆向きではあっても大きさが同じであり、さらに、各耐荷重部品からの反力の総和は車体骨格部品に入力する衝突荷重と等しくなる点に着目した。
そして、発明者らは、作用・反作用の法則より、衝突荷重が入力した車体骨格部品から各耐荷重部品へと伝達する荷重と、各耐荷重部品から車体骨格部品に作用する衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向の荷重（以下、反力と称す）とは、荷重の作用する方向は逆向きではあっても大きさが同じであり、さらに、各耐荷重部品からの反力の総和は車体骨格部品に入力する衝突荷重と等しくなる点に着目した。
さらに、車体骨格部品に入力した衝突荷重を複数の耐荷重部品に分配して伝達させる荷重伝達構造は、各耐荷重部品から衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向に作用する反力が、衝突荷重の入力した車体骨格部品へと逆向きに伝達する荷重伝達構造でもある点に着目した。
そこで、保障すべき各耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分を、各耐荷重部品の反力の大きさや配分と捉え直し、各耐荷重部品の反力の総和が車体骨格部品に入力する衝突荷重と等しくなるように適切に分配し、適切に分配された反力が各耐荷重部品から衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向に、衝突荷重の入力した車体骨格部品へと伝達する最適な荷重伝達構造を求めることにより、複数の耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分を保証しつつ車体骨格部品に入力した衝突荷重を適切に分配して複数の耐荷重部品へ伝達させることが可能となる荷重伝達構造を求めることができることを見出した。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えてなるものである。
（１）本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を、コンピュータが以下の各ステップを行うことにより求めるものであって、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得工程と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定する設計空間設定工程と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う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工程と、
該生成した最適化ブロックモデルを前記車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理工程と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定工程と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析工程と、を含み、
前記解析条件設定工程は、
前記最適化解析モデルの前記車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる前記車体骨格部品における部位に荷重伝達部位と、を設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップと、
前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の前記耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各前記荷重伝達部位における前記耐荷重部品への伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定ステップと、
該決定した前記耐荷重部品への伝達荷重を各前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定ステップと、
前記最適化解析工程における前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定ステップと、を有することを特徴とするものである。
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得工程と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定する設計空間設定工程と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う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工程と、
該生成した最適化ブロックモデルを前記車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理工程と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定工程と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析工程と、を含み、
前記解析条件設定工程は、
前記最適化解析モデルの前記車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる前記車体骨格部品における部位に荷重伝達部位と、を設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップと、
前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の前記耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各前記荷重伝達部位における前記耐荷重部品への伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定ステップと、
該決定した前記耐荷重部品への伝達荷重を各前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定ステップと、
前記最適化解析工程における前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定ステップと、を有する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、
前記最適化解析条件設定ステップは、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内の所定の値以下と設定し、
前記最適化解析工程は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とするものである。
前記最適化解析条件設定ステップは、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内の所定の値以下と設定し、
前記最適化解析工程は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、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、
前記車体骨格部品は、前記自動車の側部に配設されて車体前後方向に延在するサイドシルとし、
前記耐荷重部品は、前記自動車の下部に配設されたバッテリーケースを前記サイドシルと接続するバッテリーケース固定部品とフロアクロスメンバとし、
前記解析条件設定工程に先立って、前記車体モデルを対象とし、該車体モデルにおける車体幅方向外側から前記サイドシルにポールが衝突する側面衝突解析を行い、
前記側面衝突解析の結果に基づいて、
前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップは、前記車体モデルの車体骨格部品における前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位を設定し、
前記耐荷重部品伝達荷重決定ステップは、前記車体骨格部品に入力する衝突荷重及び耐荷重部品への伝達荷重を決定することを特徴とするものである。
前記車体骨格部品は、前記自動車の側部に配設されて車体前後方向に延在するサイドシルとし、
前記耐荷重部品は、前記自動車の下部に配設されたバッテリーケースを前記サイドシルと接続するバッテリーケース固定部品とフロアクロスメンバとし、
前記解析条件設定工程に先立って、前記車体モデルを対象とし、該車体モデルにおける車体幅方向外側から前記サイドシルにポールが衝突する側面衝突解析を行い、
前記側面衝突解析の結果に基づいて、
前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップは、前記車体モデルの車体骨格部品における前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位を設定し、
前記耐荷重部品伝達荷重決定ステップは、前記車体骨格部品に入力する衝突荷重及び耐荷重部品への伝達荷重を決定することを特徴とするものである。
（４）本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法を用いて前記車体骨格部品の荷重伝達部材の構造を求め、
該求めた荷重伝達部材の構造に基づいて該荷重伝達部材の形状を決定し、
該決定した形状に従って前記荷重伝達部材を製造することを特徴とするものである。
該求めた荷重伝達部材の構造に基づいて該荷重伝達部材の形状を決定し、
該決定した形状に従って前記荷重伝達部材を製造することを特徴とするものである。
（５）本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析装置は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突試験において前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求めるものであって、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、を備え、
前記解析条件設定部は、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、を有することを特徴とするものである。
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、を備え、
前記解析条件設定部は、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、を有することを特徴とするものである。
（６）上記（５）に記載のものにおいて、
前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とするものである。
前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とするものである。
（７）本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析プログラムは、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突試験において前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求めるものであって、
コンピュータを、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、して実行させる機能を備え、
前記解析条件設定部を、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、して機能させることを特徴とするものである。
コンピュータを、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、して実行させる機能を備え、
前記解析条件設定部を、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、して機能させることを特徴とするものである。
（８）上記（７）に記載のものにおいて、
前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とするものである。
前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とするものである。
本発明においては、車体骨格部品における複数の荷重伝達部位に衝突荷重の反力として各耐荷重部品の耐荷重以下の伝達荷重を入力荷重とする荷重条件と、車体骨格部品における衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、複数の荷重伝達部位の変位を等しくする制約条件と、を解析条件として設定し、最適な荷重伝達構造を求める最適化解析を行うことにより、各耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分を保障しつつ、車体骨格部品から複数の耐荷重部品への伝達荷重を適切に分配することができる荷重伝達構造を求めることができる。
さらに、本発明によれば、上記の最適化解析を用いて最適な荷重伝達構造を求め、求めた最適な荷重伝達構造に基づいて荷重伝達部材の形状を決定し、決定した荷重伝達部材の形状に従って荷重伝達部材を製造することで、車体骨格部品から複数の耐荷重部品への伝達荷重を適切に分配することができる荷重伝達部材を製造することができる。
さらに、本発明によれば、上記の最適化解析を用いて最適な荷重伝達構造を求め、求めた最適な荷重伝達構造に基づいて荷重伝達部材の形状を決定し、決定した荷重伝達部材の形状に従って荷重伝達部材を製造することで、車体骨格部品から複数の耐荷重部品への伝達荷重を適切に分配することができる荷重伝達部材を製造することができる。
本発明の実施の形態１及び実施の形態２について説明するに先立ち、本発明で対象とする自動車の車体について説明する。なお、本願の図面において、X方向、Y方向及びZ方向は、それぞれ、車体前後方向、車体幅方向及び車体上下方向を示す。
本発明は、図９に一例として示すように、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９と、を備えた車体１００を対象とする。
車体骨格部品は、車体骨格を構成する車体部品である。
サイドシル１０５は、車体幅方向の両側において車体前後方向に延在して配設された車体骨格部品であり、図９に示すように、ハット断面形状のサイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとが互いに開口側を向かい合わせて閉断面空間を形成するように上端部同士と下端部同士が接合されている。
サイドシル１０５は、車体幅方向の両側において車体前後方向に延在して配設された車体骨格部品であり、図９に示すように、ハット断面形状のサイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとが互いに開口側を向かい合わせて閉断面空間を形成するように上端部同士と下端部同士が接合されている。
耐荷重部品は、車体に入力した衝突荷重がそのまま他の車体部品へ入力することを防ぐために変形が許容されない部品である。車体１００においては、前述した図８について説明したようにバッテリー１０１保護の観点から車体部品であるバッテリーケース１０３に衝突荷重がそのまま入力することを防ぐために、耐荷重部品として、バッテリーケース１０３の上部に配置されてサイドシルインナ１０５ａに当接される車体前後方向に２つのフロアクロスメンバ１０７ａ、１０７ｂと、バッテリーケース１０３の下部（バッテリーケースロア１０３ｂ）とサイドシルインナ１０５ａとを接続してバッテリーケース１０３の固定に用いられるバッテリーケース固定部品１０９と、が設けられている。
なお、サイドシル１０５、フロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９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。
以下、車体１００を解析対象とする場合について、本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラム（以下、それぞれ、「荷重伝達構造最適化解析方法」、「荷重伝達構造最適化解析装置」及び「荷重伝達構造最適化解析プログラム」という）について説明する。
［実施の形態１］
＜荷重伝達構造最適化解析装置＞
本発明の実施の形態１に係る荷重伝達構造最適化解析装置１は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求めるものであって、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と、入力装置５と、記憶装置７と、作業用データメモリ９と、演算処理部１１と、を備えている。
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、本実施の形態に係る荷重伝達構造最適化解析装置１の各構成について説明する。
＜荷重伝達構造最適化解析装置＞
本発明の実施の形態１に係る荷重伝達構造最適化解析装置１は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求めるものであって、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と、入力装置５と、記憶装置７と、作業用データメモリ９と、演算処理部１１と、を備えている。
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、本実施の形態に係る荷重伝達構造最適化解析装置１の各構成について説明する。
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 Accress Memory）等で構成される。
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 Accress Memory）等で構成される。
演算処理部１１は、図１に示すように、車体モデル取得部１３と、設計空間設定部１５と、最適化ブロックモデル生成部１７と、結合処理部１９と、解析条件設定部２１と、最適化解析部２３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。
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。
≪車体モデル取得部≫
車体モデル取得部１３は、車体骨格部品と耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された自動車の全部又は一部の車体モデルを取得するものである。
本実施の形態において、車体モデル取得部１３は、図９に示すように、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９と、が平面要素でモデル化された自動車の一部の車体モデル１１０を取得する。
車体モデル取得部１３は、車体骨格部品と耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された自動車の全部又は一部の車体モデルを取得するものである。
本実施の形態において、車体モデル取得部１３は、図９に示すように、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９と、が平面要素でモデル化された自動車の一部の車体モデル１１０を取得する。
≪設計空間設定部≫
設計空間設定部１５は、車体モデルにおける荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定するものである。
本実施の形態において、設計空間設定部１５は、車体モデル１１０における荷重伝達構造が配設可能な領域として、図９に示すように、サイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間の閉断面空間に設計空間１１１を設定する。
設計空間設定部１５は、車体モデルにおける荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定するものである。
本実施の形態において、設計空間設定部１５は、車体モデル１１０における荷重伝達構造が配設可能な領域として、図９に示すように、サイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間の閉断面空間に設計空間１１１を設定する。
≪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１７は、設計空間設定部１５により設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成するものである。
本実施の形態において、最適化ブロックモデル生成部１７は、図２に示すように、設計空間設定部１５により設定された設計空間１１１に最適化ブロックモデル１１３を生成する。
最適化ブロックモデル生成部１７は、設計空間設定部１５により設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成するものである。
本実施の形態において、最適化ブロックモデル生成部１７は、図２に示すように、設計空間設定部１５により設定された設計空間１１１に最適化ブロックモデル１１３を生成する。
≪結合処理部≫
結合処理部１９は、最適化ブロックモデル生成部１７により生成した最適化ブロックモデルを車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成するものである。
本実施の形態において、結合処理部１９は、図２に示すように、最適化ブロックモデル１１３を車体モデル１１０（図９参照）におけるサイドシル１０５に結合して最適化解析モデル１２０を生成する。なお、図２に示す最適化解析モデル１２０においては、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９の表示は省略している。
結合処理部１９は、最適化ブロックモデル生成部１７により生成した最適化ブロックモデルを車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成するものである。
本実施の形態において、結合処理部１９は、図２に示すように、最適化ブロックモデル１１３を車体モデル１１０（図９参照）におけるサイドシル１０５に結合して最適化解析モデル１２０を生成する。なお、図２に示す最適化解析モデル１２０においては、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９の表示は省略している。
≪解析条件設定部≫
解析条件設定部２１は、最適化の解析処理のための解析条件を設定するものであり、図１に示すように、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａと、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂと、荷重拘束条件設定部２１ｃと、最適化解析条件設定部２１ｄと、を有する。
解析条件設定部２１は、最適化の解析処理のための解析条件を設定するものであり、図１に示すように、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａと、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂと、荷重拘束条件設定部２１ｃと、最適化解析条件設定部２１ｄと、を有する。
（衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部）
衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａは、最適化解析モデルの車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる車体骨格部品における部位に複数の荷重伝達部位と、を設定するものである。ここで、荷重入力部位は１か所、荷重伝達部位は複数箇所とする。
本実施の形態においては、図９に示すようにポール２００がサイドシル１０５の車体幅方向外側に衝突する側面衝突を対象としているため、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａは、図３に示すように、最適化解析モデル１２０のサイドシル１０５における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位１２１と、サイドシル１０５から耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する部位に複数（三か所）の荷重伝達部位１２３（１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃ）と、を設定する。
衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａは、最適化解析モデルの車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる車体骨格部品における部位に複数の荷重伝達部位と、を設定するものである。ここで、荷重入力部位は１か所、荷重伝達部位は複数箇所とする。
本実施の形態においては、図９に示すようにポール２００がサイドシル１０５の車体幅方向外側に衝突する側面衝突を対象としているため、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａは、図３に示すように、最適化解析モデル１２０のサイドシル１０５における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位１２１と、サイドシル１０５から耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する部位に複数（三か所）の荷重伝達部位１２３（１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃ）と、を設定する。
（耐荷重部品伝達荷重決定部）
耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂは、最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各荷重伝達部位における耐荷重部品への伝達荷重を決定するものである。
耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂは、最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各荷重伝達部位における耐荷重部品への伝達荷重を決定するものである。
ここで、伝達荷重は、各耐荷重部品の配置と強度によって決めればよい。伝達荷重の決定において重要なのは絶対値ではなくその配分であり、複数の荷重伝達部位に設定する伝達荷重の総和は、車体骨格部品に入力する衝突荷重と等しくなるように分配する。
また、車体骨格部品に入力する衝突荷重は、適宜設定することができるが、例えば、図９に示す側面衝突試験を対象とした衝突解析を行って求めるとよい。
また、車体骨格部品に入力する衝突荷重は、適宜設定することができるが、例えば、図９に示す側面衝突試験を対象とした衝突解析を行って求めるとよい。
本実施の形態において、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂは、図３に示すように、最適化解析モデル１２０に入力する衝突荷重をフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９の耐荷重以下に分配し、２つのフロアクロスメンバ１０７に荷重を伝達させる荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂにおける伝達荷重をいずれも200kNとし、バッテリーケース固定部品１０９の荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重を300kNと決定する。
（荷重拘束条件設定部）
荷重拘束条件設定部２１ｃは、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂにより決定した耐荷重部品への伝達荷重を各荷重伝達部位のそれぞれに対して衝突荷重の反力として設定して最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定するものである。
荷重拘束条件設定部２１ｃは、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂにより決定した耐荷重部品への伝達荷重を各荷重伝達部位のそれぞれに対して衝突荷重の反力として設定して最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定するものである。
本実施の形態において、荷重拘束条件設定部２１ｃは、フロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９への伝達荷重（200kN、200kN及び300kN）を荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃのそれぞれに対して衝突荷重（700kN）の反力として設定して最適化解析モデル１２０への入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位１２１の変位を拘束する拘束条件と、を設定する。
なお、荷重伝達部位に対して衝突荷重の反力として伝達荷重を設定するとは、衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向に伝達荷重が荷重伝達部位に作用するように設定することを意味する。
なお、荷重伝達部位に対して衝突荷重の反力として伝達荷重を設定するとは、衝突荷重の入力方向とは逆向きの方向に伝達荷重が荷重伝達部位に作用するように設定することを意味する。
（最適化解析条件設定部）
最適化解析条件設定部２１ｄは、最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定するものである。
最適化解析条件設定部２１ｄは、最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定するものである。
目的関数は、最適化の目的に応じて設定するものであり、例えば、質量最小、コンプライアンス最小、荷重伝達部位の変位最小、等が挙げられる。本実施の形態では、荷重伝達部位１２３の変位最小を目的関数として設定する。
一方、制約条件は、最適化において何らかの制約を課すものであり、本発明では、前述のとおり、複数の荷重伝達部位の変位が等しいとする。
なお、制約条件は、複数設定可能である。そして、最適化ブロックモデルの体積制約率（設計空間の体積に対する最適化処理により残存する最適化ブロックモデルの体積の比率）を、設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内の所定の値以下とする制約条件をさらに設定することが好ましい。
なお、制約条件は、複数設定可能である。そして、最適化ブロックモデルの体積制約率（設計空間の体積に対する最適化処理により残存する最適化ブロックモデルの体積の比率）を、設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内の所定の値以下とする制約条件をさらに設定することが好ましい。
≪最適化解析部≫
最適化解析部２３は、解析条件設定部２１により設定された解析条件の下で最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う工程である。
最適化解析部２３は、解析条件設定部２１により設定された解析条件の下で最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う工程である。
本実施の形態において、最適化解析部２３は、結合処理部１９により最適化ブロックモデル１１３と車体モデル１１０との結合処理を行って生成した最適化解析モデル１２０に対して解析条件設定部２１により設定された荷重条件及び拘束条件と最適化解析条件（目的関数、制約条件）との下で、最適化ブロックモデル１１３を最適化の解析対象として最適化解析を行い、最適化ブロックモデル１１３の最適な構造を求める。そして、最適化ブロックモデル１１３の最適な構造が、複数の耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造として求められる。
最適化解析部２３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。そして、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、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。なお、ペナルティ係数の値は適宜設定することができる。
本実施の形態において最適化解析部２３にトポロジー最適化を適用して最適化ブロックモデル１１３の最適構造１２５を求めた結果を図４に示す。なお、図４においては、フロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９の表示は省略している。
このように、最適化ブロックモデル１１３の最適構造１２５は、解析条件設定部２１により設定された解析条件（荷重条件、拘束条件、目的関数、制約条件）を満たすように、最適化ブロックモデル１１３を構成する立体要素が残存及び消去することにより求められる。
なお、最適化解析部２３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２３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。
＜荷重伝達構造最適化解析方法＞
本発明の実施の形態に係る構造最適化解析方法は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を、コンピュータが以下の各ステップを行うことにより求めるものであって、図５に示すように、車体モデル取得工程Ｓ１と、設計空間設定工程Ｓ３と、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５と、結合処理工程Ｓ７と、解析条件設定工程Ｓ９と、最適化解析工程Ｓ１１と、を含む。
以下、図９に示す電気自動車の車体１００を対象として、上記の各工程について説明する。
本発明の実施の形態に係る構造最適化解析方法は、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を、コンピュータが以下の各ステップを行うことにより求めるものであって、図５に示すように、車体モデル取得工程Ｓ１と、設計空間設定工程Ｓ３と、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５と、結合処理工程Ｓ７と、解析条件設定工程Ｓ９と、最適化解析工程Ｓ１１と、を含む。
以下、図９に示す電気自動車の車体１００を対象として、上記の各工程について説明する。
≪車体モデル取得工程≫
車体モデル取得工程Ｓ１は、車体骨格部品と耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する工程である。
本実施の形態において、車体モデル取得工程Ｓ１は、荷重伝達構造最適化解析装置１の車体モデル取得部１３が、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９と、が平面要素でモデル化された電気自動車の一部の車体モデル１１０を取得する。
車体モデル取得工程Ｓ１は、車体骨格部品と耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する工程である。
本実施の形態において、車体モデル取得工程Ｓ１は、荷重伝達構造最適化解析装置１の車体モデル取得部１３が、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９と、が平面要素でモデル化された電気自動車の一部の車体モデル１１０を取得する。
≪設計空間設定工程≫
設計空間設定工程Ｓ３は、車体モデルにおける荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定する工程である。
本実施の形態において、設計空間設定工程Ｓ３は、荷重伝達構造最適化解析装置１の設計空間設定部１５が、図２及び図９に示すように、車体モデル１１０における荷重伝達部材が配設可能な領域であるサイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間の閉断面空間を設計空間１１１として設定する。
設計空間設定工程Ｓ３は、車体モデルにおける荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定する工程である。
本実施の形態において、設計空間設定工程Ｓ３は、荷重伝達構造最適化解析装置１の設計空間設定部１５が、図２及び図９に示すように、車体モデル１１０における荷重伝達部材が配設可能な領域であるサイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間の閉断面空間を設計空間１１１として設定する。
≪最適化ブロックモデル生成工程≫
最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５は、設計空間設定工程Ｓ３において設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する工程である。
本実施の形態において、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５は、荷重伝達構造最適化解析装置１の最適化ブロックモデル生成部１７が、図２に示すように、サイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間に設定された設計空間１１１に最適化ブロックモデル１１３を生成する。
最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５は、設計空間設定工程Ｓ３において設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う最適化ブロックモデルを生成する工程である。
本実施の形態において、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５は、荷重伝達構造最適化解析装置１の最適化ブロックモデル生成部１７が、図２に示すように、サイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間に設定された設計空間１１１に最適化ブロックモデル１１３を生成する。
≪結合処理工程≫
結合処理工程Ｓ７は、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５において生成した最適化ブロックモデルを車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成する工程である。
本実施の形態において、結合処理工程Ｓ７は、荷重伝達構造最適化解析装置１の結合処理部１９が、最適化ブロックモデル１１３を車体モデル１１０に結合して最適化解析モデル１２０を生成する。
結合処理工程Ｓ７は、最適化ブロックモデル生成工程Ｓ５において生成した最適化ブロックモデルを車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成する工程である。
本実施の形態において、結合処理工程Ｓ７は、荷重伝達構造最適化解析装置１の結合処理部１９が、最適化ブロックモデル１１３を車体モデル１１０に結合して最適化解析モデル１２０を生成する。
≪解析条件設定工程≫
解析条件設定工程Ｓ９は、最適化の解析処理のための解析条件を設定するものであり、図５に示すように、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップＳ９ａと、耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂと、荷重拘束条件設定ステップＳ９ｃと、最適化解析条件設定ステップＳ９ｄと、を有する。
解析条件設定工程Ｓ９は、最適化の解析処理のための解析条件を設定するものであり、図５に示すように、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップＳ９ａと、耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂと、荷重拘束条件設定ステップＳ９ｃと、最適化解析条件設定ステップＳ９ｄと、を有する。
（衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップ）
衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップＳ９ａは、最適化解析モデルの車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる車体骨格部品における部位に荷重伝達部位と、を設定するものである。
本実施の形態においては、前述した図９に示すようにポール２００がサイドシル１０５の車体幅方向外側に衝突する側面衝突を対象としているため、図３に示すように、最適化解析モデル１２０のサイドシル１０５における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位１２１と、サイドシル１０５から耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する部位に荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃと、を設定する。
衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップＳ９ａは、最適化解析モデルの車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる車体骨格部品における部位に荷重伝達部位と、を設定するものである。
本実施の形態においては、前述した図９に示すようにポール２００がサイドシル１０５の車体幅方向外側に衝突する側面衝突を対象としているため、図３に示すように、最適化解析モデル１２０のサイドシル１０５における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位１２１と、サイドシル１０５から耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する部位に荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃと、を設定する。
なお、サイドシル１０５における衝突荷重入力部位１２１と、フロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９への荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃは、解析条件設定工程Ｓ９に先立って、前述した図９に示すように、車体モデル１１０の車体幅方向外側からポール２００がサイドシル１０５に衝突する側面衝突解析を行い、該側面衝突解析の結果に基づいて設定するとよい。
（耐荷重部品伝達荷重決定ステップ）
耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂは、最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各荷重伝達部位における耐荷重部品への伝達荷重を決定するものである。
耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂは、最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各荷重伝達部位における耐荷重部品への伝達荷重を決定するものである。
ここで、伝達荷重は、各耐荷重部品の配置と強度によって決めればよい。さらに、複数の荷重伝達部位に設定する伝達荷重の総和は、車体骨格部品に入力する衝突荷重と等しくなるように分配する。
本実施の形態において、耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂは、荷重伝達構造最適化解析装置１の耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂが、図３に示すように、最適化解析モデル１２０におけるサイドシル１０５に入力する衝突荷重（700kN）をフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９の耐荷重以下に分配し、フロアクロスメンバ１０７の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂにおける伝達荷重（それぞれ200kN）と、バッテリーケース固定部品１０９の荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重（300kN）と、を決定する。
なお、サイドシル１０５に入力する衝突荷重と、フロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９への伝達荷重は、解析条件設定工程Ｓ９に先立って、前述した図９に示すように車体モデル１１０の側面衝突解析を行い、該側面衝突解析の結果に基づいて決定するとよい。
（荷重拘束条件設定ステップ）
荷重拘束条件設定ステップＳ９ｃは、耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂにおいて決定した耐荷重部品への伝達荷重を各荷重伝達部位のそれぞれに対して衝突荷重の反力として設定して最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定するものである。
荷重拘束条件設定ステップＳ９ｃは、耐荷重部品伝達荷重決定ステップＳ９ｂにおいて決定した耐荷重部品への伝達荷重を各荷重伝達部位のそれぞれに対して衝突荷重の反力として設定して最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定するものである。
本実施の形態において、荷重拘束条件設定ステップＳ９ｃは、荷重伝達構造最適化解析装置１の荷重拘束条件設定部２１ｃが、図３に示すように、フロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９への伝達荷重（200kN、200kN及び300kN）を荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃのそれぞれに対して衝突荷重（700kN）の反力として設定して最適化解析モデル１２０への入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位１２１の変位を拘束する拘束条件と、を設定する。
（最適化解析条件設定ステップ）
最適化解析条件設定ステップＳ９ｄは、最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定するものである。
本実施の形態において、最適化解析条件設定ステップＳ９ｄは、荷重伝達構造最適化解析装置１の最適化解析条件設定部２１ｄが、最適化解析条件として、荷重伝達部位の変位を最小とする目的関数と、複数の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃの変位が等しいとする制約条件と、を設定する。
最適化解析条件設定ステップＳ９ｄは、最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定するものである。
本実施の形態において、最適化解析条件設定ステップＳ９ｄは、荷重伝達構造最適化解析装置１の最適化解析条件設定部２１ｄが、最適化解析条件として、荷重伝達部位の変位を最小とする目的関数と、複数の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃの変位が等しいとする制約条件と、を設定する。
最適化解析条件設定ステップＳ９ｄにおいて、制約条件は、複数設定可能である。さらに、制約条件として、最適化ブロックモデルの体積制約率（設計空間の体積に対する最適化処理により残存する最適化ブロックモデルの体積の比率）を、設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内で設定することが好ましい。
そこで、本実施の形態では、荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃそれぞれの変位が等しいとする制約条件に加えて、最適化ブロックモデル１１３の体積制約率を設計空間１１１全体の体積の5%とする制約条件を設定する。
そこで、本実施の形態では、荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃそれぞれの変位が等しいとする制約条件に加えて、最適化ブロックモデル１１３の体積制約率を設計空間１１１全体の体積の5%とする制約条件を設定する。
≪最適化解析工程≫
最適化解析工程Ｓ１１は、解析条件設定工程Ｓ９において設定された解析条件の下で最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う工程である。
最適化解析工程Ｓ１１は、解析条件設定工程Ｓ９において設定された解析条件の下で最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う工程である。
本実施の形態において、最適化解析工程Ｓ１１は、荷重伝達構造最適化解析装置１の最適化解析部２３が、最適化解析モデル１２０に対して解析条件設定工程Ｓ９において設定された解析条件（荷重条件及び拘束条件と最適化解析条件（目的関数、制約条件））の下で、最適化ブロックモデル１１３を最適化の解析対象として最適化解析を行い、図４に示すように、最適化ブロックモデル１１３の最適構造１２５を求める。そして、最適化ブロックモデル１１３の最適構造１２５が、複数の耐荷重部品に伝達させるサイドシル１０５における最適な荷重伝達構造として求められる。
最適化解析工程Ｓ１１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。そして、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、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。なお、ペナルティ係数の値は適宜設定することができる。
最適化ブロックモデル１１３の最適構造１２５は、解析条件設定工程Ｓ９において設定した解析条件（荷重条件、拘束条件、目的関数、制約条件）を満たすように最適化ブロックモデルを構成する立体要素が残存及び消去することにより求められる。
なお、最適化解析工程Ｓ１１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、最適化解析工程における最適化解析は、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。
＜荷重伝達構造最適化解析プログラム＞
上記の本実施の形態１についての説明は荷重伝達構造最適化解析装置及び方法についてのものであったが、本実施の形態１は、コンピュータによって構成された荷重伝達構造最適化解析装置１（図１）の演算処理部１１における各部を機能させる荷重伝達構造最適化解析プログラムとして構成することができる。
上記の本実施の形態１についての説明は荷重伝達構造最適化解析装置及び方法についてのものであったが、本実施の形態１は、コンピュータによって構成された荷重伝達構造最適化解析装置１（図１）の演算処理部１１における各部を機能させる荷重伝達構造最適化解析プログラムとして構成することができる。
本発明の実施の形態１に係る荷重伝達構造最適化解析プログラムは、車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求めるものであって、コンピュータを、図１に示す演算処理部１１のように、車体モデル取得部１３と、設計空間設定部１５と、最適化ブロックモデル生成部１７と、結合処理部１９と、解析条件設定部２１と、最適化解析部２３と、して実行させる機能を備え、解析条件設定部２１を、衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部２１ａと、耐荷重部品伝達荷重決定部２１ｂと、荷重拘束条件設定部２１ｃと、最適化解析条件設定部２１ｄと、して機能させるものである。
以上、本実施の形態に係る荷重伝達構造最適化解析装置、方法及びプログラムによれば、車体骨格部品に入力した衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下の伝達荷重に配分、配分した伝達荷重を衝突荷重の反力として車体骨格部品に入力する入力荷重とする荷重条件と、車体骨格部品に衝突荷重が入力した部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定し、荷重伝達構造の最適化処理を行うことにより、複数の耐荷重部品へと伝達する荷重の大きさや配分を保障しつつ、車体骨格部品に入力した衝突荷重を耐荷重部品の耐荷重以下の荷重に配分して伝達させることができる最適な荷重伝達構造を求めることが可能となる。これにより、図８に例示するように、バッテリーケース１０３にバッテリー１０１が収納された車体１００を備えた電気自動車の側面衝突時においてもバッテリーケース１０３の変形を防ぐことができ、バッテリー１０１を保護することができる。
なお、上記の本発明に係る実施の形態は、側面衝突時に車両内部の車室空間及びバッテリー搭載したBEV（Battery Electronic Vehicle）やPHV（Plug-in Hybrid Vehicle）を含む電気自動車のバッテリーケースを保護するためにサイドシルの内部に設ける荷重伝達構造の最適な構造を求める場合を例としたものであった。
もっとも、本発明は、電気自動車の側面衝突時におけるバッテリーケースを保護する場合に限るものではなく、その他の衝突形態や車体骨格部品及び耐荷重部品を対象とするものであってもよい。
具体例として、伝達荷重の分配を考慮した車体構造の設計の対象となる車体骨格部品としては、前面衝突ではフロントサイドメンバ、スモールオーバーラップ衝突ではフロントピラーロアが挙げられる。
前面衝突においてはバンパーレインフォースを介してフロントサイドメンバに衝突荷重が入力し、クラッシュボックス、フロントサイドメンバへと伝わり、その後フロントサイドメンバからダッシュパネルやサイドシルへと荷重が分配される。このとき、ダッシュパネルやサイドシルが変形すると車室空間へと侵入して乗員が損傷する危険がある。そのため、前面衝突時に車室空間を保護するために、ダッシュパネルやサイドシルは変形が許容されない耐荷重部品に該当する。
また、スモールオーバーラップ衝突では、フロントサイドメンバやタイヤを介してフロントピラーロアに入力された衝突荷重は、フロントピラーロアからサイドシルやフロントピラーアッパーへと荷重が分配されて伝達される。このとき、前面衝突と同様、サイドシルやフロントピラーアッパーが変形すると車室空間へと侵入して乗員が損傷する危険がある。そのため、スモールオーバーラップ衝突時に車室空間を保護するためには、サイドシルやフロントピラーアッパーは変形が許容されない耐荷重部品に該当する。
そして、あらゆる衝突形態において、荷重伝達先の耐荷重部品にはそれぞれ越えてはならない耐荷重があるため、車体骨格部品における荷重伝達系路上には、伝達先へ適切に荷重を配分できる荷重伝達構造が必要となる。
なお、本発明は、車体骨格部品を補剛する補剛部材にも適用することができ、車体における耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮して車体骨格部品の補剛部材の構造や形状に関する設計指針を求めることが可能となる。
なお、本発明は、車体骨格部品を補剛する補剛部材にも適用することができ、車体における耐荷重部品への伝達荷重の分配を考慮して車体骨格部品の補剛部材の構造や形状に関する設計指針を求めることが可能となる。
また、上記の説明は、図９に例示するように、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９と、を備えた自動車の一部の車体モデルを解析対象とするものであったが、本発明は、自動車の全部の車体モデルを解析対象とするものであってもよい。
［実施の形態２］
前述した実施の形態１は、自動車の車体骨格部品における最適な荷重伝達構造を求めるものであったが、本発明は、該求めた荷重伝達構造に基づいて車体骨格部品における荷重伝達部材を製造する方法として構成することができる。
すなわち、本発明の実施の形態２に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法は、実施の形態１に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法を用いて前記車体骨格部品の荷重伝達部材の構造を求め、求めた荷重伝達部材の構造に基づいて該荷重伝達部材を製造するものである。
前述した実施の形態１は、自動車の車体骨格部品における最適な荷重伝達構造を求めるものであったが、本発明は、該求めた荷重伝達構造に基づいて車体骨格部品における荷重伝達部材を製造する方法として構成することができる。
すなわち、本発明の実施の形態２に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法は、実施の形態１に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法を用いて前記車体骨格部品の荷重伝達部材の構造を求め、求めた荷重伝達部材の構造に基づいて該荷重伝達部材を製造するものである。
例えば、前述した実施の形態１に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法を用いて、最適な荷重伝達構造として図４に示す最適構造１２５が求められた場合、最適構造１２５に基づいて荷重伝達部材の形状を決定する。
そして、決定した荷重伝達部材の形状に従って、荷重伝達部材を設計・製造する。プレス成形やロールフォーミングなどの金属板の加工によって製造可能な板金部材で荷重伝達部材を実現するにあたっては、求められた最適構造１２５内に見られる柱状の部位（例えば、後述する図４の１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ）に、板金部材の稜線部が沿うような形状に設計すればよく、さらに最適構造１２５内の各柱状の部位の太さに応じて板金部材の稜線部の強度を調整することが望ましい。稜線部の強度の調整は、板金部材の板厚や材料強度を変えることによって行う。また、鋳造部品やアルミ材押出し材等、より形状自由度が高い金属加工方法を扱える場合は、最適構造１２５の形状そのままに荷重伝達部材を製造することで最大の効果が得られる。
そして、決定した荷重伝達部材の形状に従って、荷重伝達部材を設計・製造する。プレス成形やロールフォーミングなどの金属板の加工によって製造可能な板金部材で荷重伝達部材を実現するにあたっては、求められた最適構造１２５内に見られる柱状の部位（例えば、後述する図４の１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ）に、板金部材の稜線部が沿うような形状に設計すればよく、さらに最適構造１２５内の各柱状の部位の太さに応じて板金部材の稜線部の強度を調整することが望ましい。稜線部の強度の調整は、板金部材の板厚や材料強度を変えることによって行う。また、鋳造部品やアルミ材押出し材等、より形状自由度が高い金属加工方法を扱える場合は、最適構造１２５の形状そのままに荷重伝達部材を製造することで最大の効果が得られる。
これにより、自動車の衝突時に車体骨格部品に入力した衝突荷重を複数の耐荷重部品の耐荷重以下の荷重に分配して伝達させることができ、自動車の衝突時に車体部品（バッテリー等）や車室空間を保護することができる。
本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラム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、前述した実施の形態１と同様に、図８に示すような、バッテリーケース１０３にバッテリー１０１が収納された電気自動車の車体１００の側面にポール２００が衝突した際にバッテリーケース１０３を保護するため、図９に示すサイドシル１０５とフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９とを備えた車体モデル１１０を解析対象とし、サイドシル１０５に入力した衝突荷重を分配してフロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９に伝達する最適な荷重伝達構造を求めた（発明例）。
そして、最適化解析を行うに先立って、本実施例では、まず、図９に示す側面衝突解析を行い、図３に示すように、サイドシル１０５における衝突荷重入力部位及び衝突荷重を求めた。側面衝突解析においては、サイドシル１０５の側面かつ２本のフロアクロスメンバ１０７の中間位置に直径250mmのポールが衝突するものとした。
続いて、車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析の解析対象とする車体モデル１１０を取得した。車体モデル１１０は、図２に示すように、車体骨格部品であるサイドシル１０５と、耐荷重部品であるフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９と、が平面要素でモデル化されたものである。
次に、車体モデル１１０における荷重伝達構造が配設可能な領域として、サイドシルインナ１０５ａとサイドシルアウタ１０５ｂとの間の閉断面空間に設計空間１１１を設定した。
次に、設計空間１１１に、最適化の解析処理の対象とする最適化ブロックモデル１１３を生成し、最適化ブロックモデル１１３を車体モデル１１０と結合して最適化解析モデル１２０を生成した。
次に、生成した最適化解析モデル１２０に対して、最適化の解析処理を行うための解析条件を設定した。
最適化の解析処理の解析条件の設定において、まず、側面衝突解析の結果に基づいて、図３に示すように、サイドシル１０５における衝突荷重入力部位１２１と、複数の荷重伝達部位１２３と、を設定した。
ここで、衝突荷重入力部位１２１は、側面衝突解析においてポール２００がサイドシル１０５に接触する部位とした。
さらに、荷重伝達部位１２３は、図３に示すようにサイドシル１０５とフロアクロスメンバ１０７とが接続している部位（１２３ａ及び１２３ｂ）と、サイドシル１０５とバッテリーケース固定部品１０９とが接続している部位（１２３ｃ）とした。
最適化の解析処理の解析条件の設定において、まず、側面衝突解析の結果に基づいて、図３に示すように、サイドシル１０５における衝突荷重入力部位１２１と、複数の荷重伝達部位１２３と、を設定した。
ここで、衝突荷重入力部位１２１は、側面衝突解析においてポール２００がサイドシル１０５に接触する部位とした。
さらに、荷重伝達部位１２３は、図３に示すようにサイドシル１０５とフロアクロスメンバ１０７とが接続している部位（１２３ａ及び１２３ｂ）と、サイドシル１０５とバッテリーケース固定部品１０９とが接続している部位（１２３ｃ）とした。
次に、サイドシル１０５からフロアクロスメンバ１０７とバッテリーケース固定部品１０９へと伝達する伝達荷重を決定した。
本実施例では、図９に示す車体モデル１１０の側面衝突解析の結果に基づいて、フロアクロスメンバ１０７へと荷重が伝達する荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂにおける伝達荷重を200kN、バッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重を300kNと決定した。
本実施例では、図９に示す車体モデル１１０の側面衝突解析の結果に基づいて、フロアクロスメンバ１０７へと荷重が伝達する荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂにおける伝達荷重を200kN、バッテリーケース固定部品１０９へと荷重が伝達する荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重を300kNと決定した。
次に、図３に示すように、フロアクロスメンバ１０７及びバッテリーケース固定部品１０９への伝達荷重（200kN、200kN及び300kN）を荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃのそれぞれに対して衝突荷重（700kN）の反力として設定して最適化解析モデル１２０への入力荷重とする荷重条件と、衝突荷重入力部位１２１の変位を拘束する拘束条件と、を設定した。
次に、最適化解析条件として、荷重伝達部位１２３（１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃ）における変位を最小とする目的関数と、３か所の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃにおける変位が等しいとする制約条件を設定した。さらに、制約条件として、最適化ブロックモデルの体積制約率を設計空間全体の体積の5%以下を設定した。
そして、解析条件として設定した荷重条件、拘束条件及び最適化解析条件の下で、最適化ブロックモデルの最適化処理を行い、最適な荷重伝達構造として、最適化ブロックモデルの最適構造を求めた。
なお、本実施例では、比較対象として、図６に示すように、衝突荷重入力部位１２１に衝突荷重（=700kN）が入力する荷重条件と、荷重伝達部位１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ）の変位を拘束する拘束条件と、を設定し、発明例と同様に最適化処理を行い、最適化ブロックモデル１１３の最適構造を求めた（比較例）。比較例における最適化解析条件については、衝突荷重入力部位１２１の変位を最小とする目的関数と、最適化ブロックモデルの体積制約率を設計空間全体の体積の5%以下とする制約条件と、を設定した。
図４に、発明例として求めた最適化ブロックモデルの最適構造１２５を示す。さらに、図７に、比較例として求めた最適化ブロックモデルの最適構造１２７を示す。
発明例における最適化ブロックモデルの最適構造１２５は、サイドシルアウタ１０５ｂの上部からフロアクロスメンバ１０７への荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂへと延在する部位１２５ａと、サイドシルアウタ１０５ｂの下部からバッテリーケース固定部品１０９への荷重伝達部位１２３ｃへと延在する部位１２５ｂと、に加え、部位１２５ａと部位１２５ｂとを連結する部位１２５ｃと、を有する構造となった。
一方、比較例における最適化ブロックモデルの最適構造１２７は、サイドシルアウタ１０５ｂの上部からフロアクロスメンバ１０７への荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂへと延在する部位１２７ａと、サイドシルアウタ１０５ｂの下部からバッテリーケース固定部品１０９への荷重伝達部位１２３ｃへと延在する部位１２７ｂと、を有する構造となったものの、発明例の最適構造１２５で見られた、部位１２７ａと部位１２７ｂとを接続する部位は得られなかった。このことから、発明例の最適構造１２５における部位１２５ｃは、３か所の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３ｃにおける変位が等しく最小とするために機能する部位と考えられる。
次に、最適化解析により求めた最適構造の効果を検証するために、図６に示すサイドシル１０５を用いて、荷重伝達試験を実施した。荷重伝達試験においては、サイドシル１０５の内側に最適化ブロックモデルの最適構造１２５（発明例）又は最適構造１２７（比較例）を配設し、衝突荷重入力部位１２１に700kNの荷重を付与し、２本のフロアクロスメンバ１０７への荷重伝達部位１２３ａ及び１２３ｂとバッテリーケース固定部品１０９への荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重を求めた。
表１に、発明例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２５又は比較例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２７が配設されたサイドシル１０５の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３における伝達荷重の解析結果を示す。
表１に、発明例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２５又は比較例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２７が配設されたサイドシル１０５の荷重伝達部位１２３ａ、１２３ｂ及び１２３における伝達荷重の解析結果を示す。
表１において、フロアクロスメンバNo.1及びフロアクロスメンバNo.2は荷重伝達部位１２３ａ及び荷重伝達部位１２３ｂそれぞれにおける伝達荷重、バッテリーケース固定部品への伝達荷重は荷重伝達部位１２３ｃにおける伝達荷重である。
表１に示すように、発明例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２５の場合、各荷重伝達部位１２３における伝達荷重はほぼ目標通りの荷重分配を実現できた。
これに対し、比較例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２７の場合、荷重伝達部位１２３における伝達荷重を調整することはできないため、クロスメンバへの伝達荷重は目標よりも50kN小さく、バッテリーケース固定部品への伝達荷重は100kN大きい結果となり、目標と大きく異なる結果となった。
これに対し、比較例に係る最適化ブロックモデルの最適構造１２７の場合、荷重伝達部位１２３における伝達荷重を調整することはできないため、クロスメンバへの伝達荷重は目標よりも50kN小さく、バッテリーケース固定部品への伝達荷重は100kN大きい結果となり、目標と大きく異なる結果となった。
以上、本発明に係る自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法、装置及びプログラムによれば、車体骨格部品に入力した衝突荷重を適切に配分して耐荷重部品の耐荷重以下の荷重で伝達させることができる最適な荷重伝達構造を求めることが可能であることが示された。
１ 荷重伝達構造最適化解析装置
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 車体モデル取得部
１５ 設計空間設定部
１７ 最適化ブロックモデル生成部
１９ 結合処理部
２１ 解析条件設定部
２１ａ 衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部
２１ｂ 耐荷重部品伝達荷重決定部
２１ｃ 荷重拘束条件設定部
２１ｄ 最適化解析条件設定部
２３ 最適化解析部
３１ 車体モデルファイル
１００ 車体
１０１ バッテリー
１０３ バッテリーケース
１０３ａ バッテリーケースアッパ
１０３ｂ バッテリーケースロア
１０５ サイドシル
１０５ａ サイドシルインナ
１０５ｂ サイドシルアウタ
１０７ フロアクロスメンバ
１０７ａ フロアクロスメンバ
１０７ｂ フロアクロスメンバ
１０９ バッテリーケース固定部品
１１０ 車体モデル
１１１ 設計空間
１１３ 最適化ブロックモデル
１２０ 最適化解析モデル
１２１ 衝突荷重入力部位
１２３ 荷重伝達部位
１２３ａ 荷重伝達部位
１２３ｂ 荷重伝達部位
１２３ｃ 荷重伝達部位
１２５ 最適構造
１２５ａ 部位
１２５ｂ 部位
１２５ｃ 部位
１２７ 最適構造
１２７ａ 部位
１２７ｂ 部位
２００ ポール
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 車体モデル取得部
１５ 設計空間設定部
１７ 最適化ブロックモデル生成部
１９ 結合処理部
２１ 解析条件設定部
２１ａ 衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部
２１ｂ 耐荷重部品伝達荷重決定部
２１ｃ 荷重拘束条件設定部
２１ｄ 最適化解析条件設定部
２３ 最適化解析部
３１ 車体モデルファイル
１００ 車体
１０１ バッテリー
１０３ バッテリーケース
１０３ａ バッテリーケースアッパ
１０３ｂ バッテリーケースロア
１０５ サイドシル
１０５ａ サイドシルインナ
１０５ｂ サイドシルアウタ
１０７ フロアクロスメンバ
１０７ａ フロアクロスメンバ
１０７ｂ フロアクロスメンバ
１０９ バッテリーケース固定部品
１１０ 車体モデル
１１１ 設計空間
１１３ 最適化ブロックモデル
１２０ 最適化解析モデル
１２１ 衝突荷重入力部位
１２３ 荷重伝達部位
１２３ａ 荷重伝達部位
１２３ｂ 荷重伝達部位
１２３ｃ 荷重伝達部位
１２５ 最適構造
１２５ａ 部位
１２５ｂ 部位
１２５ｃ 部位
１２７ 最適構造
１２７ａ 部位
１２７ｂ 部位
２００ ポール
Claims (8)
- 車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突時に前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を、コンピュータが以下の各ステップを行うことにより求める自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法であって、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得工程と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設可能な領域を設計空間として設定する設計空間設定工程と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて最適化の解析処理を行う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工程と、
該生成した最適化ブロックモデルを前記車体モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理工程と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定工程と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析工程と、を含み、
前記解析条件設定工程は、
前記最適化解析モデルの前記車体骨格部品における衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる前記車体骨格部品における部位に荷重伝達部位と、を設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップと、
前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を複数の前記耐荷重部品の耐荷重以下に分配し、各前記荷重伝達部位における前記耐荷重部品への伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定ステップと、
該決定した前記耐荷重部品への伝達荷重を各前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定ステップと、
前記最適化解析工程における前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定ステップと、を有することを特徴とする自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法。 - 前記最適化解析条件設定ステップは、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の体積の3%以上7%以下の範囲内の所定の値以下と設定し、
前記最適化解析工程は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とする請求項１記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法。 - 前記車体骨格部品は、前記自動車の側部に配設されて車体前後方向に延在するサイドシルとし、
前記耐荷重部品は、前記自動車の下部に配設されたバッテリーケースを前記サイドシルと接続するバッテリーケース固定部品とフロアクロスメンバとし、
前記解析条件設定工程に先立って、前記車体モデルを対象とし、該車体モデルにおける車体幅方向外側から前記サイドシルにポールが衝突する側面衝突解析を行い、
前記側面衝突解析の結果に基づいて、
前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定ステップは、前記車体モデルの車体骨格部品における前記衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位を設定し、
前記耐荷重部品伝達荷重決定ステップは、前記車体骨格部品に入力する衝突荷重及び耐荷重部品への伝達荷重を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析方法を用いて前記車体骨格部品の荷重伝達部材の構造を求め、
該求めた荷重伝達部材の構造に基づいて該荷重伝達部材の形状を決定し、
該決定した形状に従って前記荷重伝達部材を製造することを特徴とする自動車の車体骨格部品における荷重伝達部材の製造方法。 - 車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突試験において前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求める自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析装置であって、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、を備え、
前記解析条件設定部は、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、を有することを特徴とする自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析装置。 - 前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とする請求項５記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析装置。 - 車体骨格部品と複数の耐荷重部品とを備えてなる自動車の衝突試験において前記車体骨格部品に入力した衝突荷重を分配して複数の前記耐荷重部品に伝達させる最適な荷重伝達構造を求める自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析プログラムであって、
コンピュータを、
前記車体骨格部品と前記耐荷重部品とが平面要素及び／又は立体要素でモデル化された前記自動車の全部又は一部の車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
前記車体モデルにおける前記荷重伝達構造が配設される領域に設計空間を設定する設計空間設定部と、
該設定された設計空間に立体要素でモデル化されて前記荷重伝達構造の最適化の解析処理を行う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モデルに結合して最適化解析モデルを生成する結合処理部と、
前記最適化の解析処理を行うための解析条件を設定する解析条件設定部と、
該設定した解析条件の下で前記最適化ブロックモデルの最適な構造を求める最適化解析を行う最適化解析部と、して実行させる機能を備え、
前記解析条件設定部を、
前記最適化解析モデルにおける衝突荷重が入力する部位に衝突荷重入力部位と、複数の前記耐荷重部品のそれぞれに荷重を伝達させる部位に荷重伝達部位と、を前記最適化解析モデルに設定する衝突荷重入力部位及び荷重伝達部位設定部と、
複数の前記耐荷重部品それぞれの耐荷重以下となるように前記最適化解析モデルに入力する衝突荷重を配分して各前記耐荷重部品の荷重伝達部位における伝達荷重を決定する耐荷重部品伝達荷重決定部と、
複数の前記荷重伝達部位のそれぞれに対して前記衝突荷重の反力として各前記耐荷重部品への伝達荷重を設定して前記最適化解析モデルへの入力荷重とする荷重条件と、前記衝突荷重入力部位の変位を拘束する拘束条件と、を設定する荷重拘束条件設定部と、
前記最適化解析部において行う前記最適化解析の最適化解析条件として、所定の目的関数と、複数の前記荷重伝達部位の変位が等しいとする制約条件と、を設定する最適化解析条件設定部と、して機能させることを特徴とする自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析プログラム。 - 前記最適化解析条件設定部は、前記制約条件として、さらに前記最適化ブロックモデルの体積制約率を前記設計空間全体の3%以上7%以下の範囲内で設定し、
前記最適化解析部は、トポロジー最適化の密度法を用いた最適化解析を行う、ことを特徴とする請求項７記載の自動車の車体骨格部品における荷重伝達構造の最適化解析プログラム。
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| CN110059418A (zh) | 2019-04-23 | 2019-07-26 | 北斗航天汽车（北京）有限公司 | 一种基于cae的新能源汽车整车正面结构抗撞性的模拟测试方法 |
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-
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