JP7513134B1 - 自動車車体設計方法、装置及びプログラム、並びに自動車車体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計する自動車車体設計方法、装置及びプログラム、並びに自動車車体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る自動車車体設計方法は、車体部品を剛性を高める構造に変更し、振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体１００を設計するために、コンピュータが以下の各ステップを実行するものであって、車体部品のうち剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ステップＳ１と、感度解析により車体部品について求めた感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ステップＳ３と、を含むものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計する自動車車体設計方法、装置及びプログラム、並びに自動車車体の製造方法に関する。

近年、制振性に優れた自動車車体の効率的な設計手法の開発が、これまで以上に求められている。これは、電気自動車の普及拡大が大きな要因の一つとして挙げられる。電気自動車は内燃機関による振動及び騒音の発生がないため、その他の振動源による振動や騒音に対する乗員の感度が高まるためである。また、電気自動車は大容量バッテリーを搭載する必要があり、それらの保護構造と相まって車体骨格構造が大きく異なるケースがある。これにより、電気自動車においては振動伝達経路が従来のガソリン車と異なるため、車体設計に際しては、振動や騒音を低減する制振構造に関する従来の経験則が通用しない。

そこで、従来の経験則によらずに、振動や騒音を低減する制振構造の設計指針を得る手段として、コンピュータを用いた最適化技術が提案されている。
例えば特許文献１には、自動車の起振源から振動騒音低減対象パネル部品に到る振動伝達経路にある振動伝達骨格部品を特定し、特定した振動伝達骨格部品を板厚ごとに区分する最適な区分領域と板厚を求める方法が開示されている。
また、特許文献２には、自動車のパネル部品の振動騒音を低減するための該パネル部品に付与するビードの最適な分布を求める方法が開示されている。

また、車体の振動特性を向上させるために、振動に対して感度が高い部位を抽出する「感度解析」は重要である。ここで、感度解析とは、自動車車体の要求性能（車体剛性等）に対し、当該自動車車体を構成する部位（例えば、車体部品）等の形状、寸法又は材料特性等が寄与する度合いを推定する解析手法である。そして、自動車車体のような、金属板で構成された構造体は、その振動特性が板厚構成に依存することは自明であり、板厚最適化を活用した感度解析手法が公開されている。

例えば、特許文献３には、自動車の車体部品の振動性能に対する該車体部品の板厚の感度を解析する方法（板厚最適化を適用した感度解析）が開示されている。板厚最適化を適用した感度解析とは、構造体を構成する部位の板厚を設計変数とし、構造体の重量等に関する制約の下で当該構造体の要求性能を満たす最適な板厚を部位ごとに求める解析手法である。そして、板厚最適化を適用した感度解析では、元の車体部品よりも板厚が厚くなった部位が、構造体の要求性能に対して感度が高い部位であり、板厚が薄くなった部位は要求性能に対する感度が低い部位であると特定する。

また、特許文献４には、トポロジー最適化の密度法を適用し、自動車車体の車体性能に対する車体部品の形状等の感度を求める感度解析方法も開示されている。当該感度解析方法は、密度法を用いたトポロジー最適化により算出されるシェル要素の材料密度（各シェル要素における材料の充填状態を表す仮想的な密度）を感度とするものである。そして、シェル要素の材料特性としてヤング率、比重等を設定し、構造体（自動車車体）が制約条件の下で要求特性（目的条件）を満たす各シェル要素の材料密度を感度として求める。これにより、材料密度の高い部位は構造体が満たすべき要求性能に対して感度が高い部位であり、材料密度の低い部位は要求性能に対する感度が低い部位であると特定できる。

特許第６７６９５３６号公報 特許第６７９８５９５号公報 特開２０２２－１２１９０４号公報 特許第６６１７８１２号公報

特許文献１に開示されている方法によれば、自動車における起振源から伝達した振動に起因するパネル部品の振動騒音を効率的かつ確実に低減することができるとされている。しかしながら、当該方法は、車体骨格部品の板厚を再構成することを前提とするため、例えば車体剛性や衝突性能等といった他の車体性能を低下させずに振動騒音低減対象となるパネル部品の制振性を向上させることが困難な場合があった。

また、特許文献２に開示されている方法によれば、自動車のパネル部品に付与するビードの最適な分布を求めることにより、パネル部品の振動に起因する騒音を低減することが可能である。しかしながら、振動騒音の発生源となるパネル部品自体にビードを付与する必要があるため、例えば、ルーフパネル等の自動車車体の外側に用いられるパネル部品の場合、ビードの凹凸形状により外観が損なわれるため、適用が困難な場合があった。

一方、特許文献３に開示されている板厚最適化を適用した感度解析により、自動車車体の重量を増加させずに振動特性を向上させる板厚構成を求めた場合、元の車体部品よりも板厚が厚くなった部位だけでなく、板厚が薄くなった部位が発生する。そして、元の板厚を基準とした板厚減少率が大きい部位は振動特性に対する感度は低い部位であるため、板厚減少により振動特性に対する影響は十分に小さいと考えられる。しかしながら、板厚を減じた部位では、車体剛性や衝突性能等といった振動特性以外の車体性能が低下する場合があった。

また、特許文献４に開示されているトポロジー最適化を適用した感度解析方法を振動性能に対する車体部品の感度解析に適用した場合、車体部品において立体要素が残存した部位（材料密度の高い部位）が、振動特性に対する感度が高い部位であると特定される。しかしながら、振動特性に対しては残存した立体要素の構造（形状）に起因する剛性と、残存した立体要素の重量のどちらが寄与しているかは不明である。そのため、当該部位に対して重量を増加させずに剛性を高める構造に変更したとしても、振動騒音低減対象部位の制振性が向上するとは限らない問題があった。

さらに、これらの方法は、パネル部品の振動騒音を低減するために対策を施す対象を骨格部品（特許文献１）又はパネル部品自体（特許文献２）に限定するものであった。しかしながら、骨格部品又はパネル部品自体に対策を施すだけではパネル部品の振動を十分に低減できない場合があった。そのため、自動車車体を構成する骨格部品及びパネル部品のいずれをも対象とし、車体剛性や衝突性能等の他の車体性能を低下させずに、振動騒音低減対象部位であるパネル部品の制振性を向上させた自動車車体を設計及び製造する方法が望まれていた。

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、車体性能を低下させずに振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計する自動車車体設計方法、装置及びプログラム、並びに自動車車体の製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る自動車車体設計方法は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するために、コンピュータが以下の各ステップを実行するものであって、
剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ステップと、
前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ステップと、を含み、
前記感度解析ステップは、
前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成工程と、
前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定工程と、
前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定工程と、
該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析工程と、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、
前記感度解析条件設定工程において、
前記振動入力条件を、前記感度解析車体モデルに対して１又は２以上の部位に所定の振動を入力、とし、
前記目的関数を、前記振動騒音低減対象部位の所定の周波数帯における加速度、イナータンス又は等価放射パワーのいずれかの周波数応答値の最小化、又はこれらを変数とする関数の最小化、とし、
前記制約条件を、前記感度判定要素の体積率を所定の値以下、とし、
前記感度解析工程において、
前記車体部品に配置した感度判定要素についてトポロジー最適化を行い、該トポロジー最適化の解析処理により残存した前記車体部品における感度判定要素を、該車体部品において前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が高い部位として求める、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、
前記高剛性構造決定ステップにおいて、前記車体部品について求めた感度が高い前記感度判定要素に対応する部位に所定の寸法の凹凸形状を付与した構造を、該車体部品の剛性を高めた構造として決定することを特徴とするものである。

（４）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、
前記高剛性構造決定ステップは、
前記車体部品のうち、前記感度解析で求めた感度が高い前記感度判定要素の割合の大きい車体部品を高感度車体部品として選定する高感度車体部品選定工程と、
該選定された高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めるトポグラフィー最適化を実施し、該トポグラフィー最適化により求めた最適な凹凸形状に基づいて、前記高感度車体部品の剛性を高める構造を決定するトポグラフィー最適化解析工程と、を有することを特徴とするものである。

（５）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、
前記高剛性構造決定ステップは、
前記車体部品のうち、前記感度解析で求めた感度が高い前記感度判定要素の割合の大きい車体部品を選定し、該選定した車体部品の表面に沿って設計空間を設定する設計空間設定工程と、
前記設計空間が設定された前記車体部品の最適な形状を求めるトポロジー最適化を実施し、該トポロジー最適化により求めた前記車体部品の最適な形状に基づいて該車体部品の剛性を高める構造を決定するトポロジー最適化解析工程と、を有することを特徴とするものである。

（６）本発明に係る自動車車体設計装置は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するものであって、
剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ユニットと、
前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ユニットと、を備え、
前記感度解析ユニットは、
前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成部と、
前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定部と、
前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定部と、
該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析部と、を有することを特徴とするものである。

（７）本発明に係る自動車車体設計プログラムは、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するものであって、
コンピュータを、
剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ユニットと、
前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ユニットと、して実行させる機能を備え、
前記感度解析ユニットを、
前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成部と、
前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定部と、
前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定部と、
該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析部と、して機能させることを特徴とするものである。

（８）本発明に係る自動車車体の製造方法は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を製造するものであって、
上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の自動車車体設計方法を用いて、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定し、
該決定した剛性を高める構造に基づいて前記車体部品を製造する、ことを特徴とするものである。

本発明においては、自動車車体を構成する骨格部品及びパネル部品のうち剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、重量の影響を考慮せずに振動騒音低減対象部位の振動特性に対する局所的な剛性が寄与する度合いである感度を求める感度解析を行う。そして、感度解析により求めた感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定する。これにより、車体剛性や衝突性能等といった他の車体性能を低下させずに、かつ重量を増加せずに振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計し、さらには製造することができる。

本実施の形態１に係る自動車車体設計装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態１において解析対象とした自動車車体と、自動車車体の振動特性の評価に用いる部位及び振動を入力する部位の一例を示す図である。 本実施の形態１に係る自動車車体設計装置において、振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が高い高感度車体部品について、トポグラフィー最適化又はトポロジー最適化を実施し、剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ユニットの具体的な構成を示す図である（（ａ）トポグラフィー最適化を実施する構成、（ｂ）トポロジー最適化を実施する構成）。 本実施の形態１に係る自動車車体設計方法における処理の流れを示すフロー図である。 本実施の形態１に係る自動車車体設計方法において、トポグラフィー最適化又はトポロジー最適化を実施し、剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ステップの具体的な構成を示す図である（（ａ）トポグラフィー最適化を実施する構成、（ｂ）トポロジー最適化を実施する構成）。 本実施の形態１において、剛性を高める構造に変更可能な車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置して生成した感度解析車体モデルの一例を示す。 本実施の形態１において、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性の一例として求めた、ルーフパネルの等価放射パワーの周波数応答である。 本実施の形態１において、（ａ）トポロジー最適化を適用した感度解析により残存した感度判定要素と、（ｂ）感度の高い感度判定要素の割合が大きい高感度車体部品、を示す図である。 本実施の形態１において、高感度車体部品についてトポグラフィー最適化を行い、高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めた結果を示すコンター図である。 本実施の形態１において、車体部品を剛性を高める構造に変更する前の自動車車体と、ルーフパネルの振動特性に対する感度の高い高感度車体部品にトポグラフィー最適化により求めた最適な凹凸形状を付与して剛性を構造に変更した自動車車体、のそれぞれについて、ルーフパネルの等価放射パワーの周波数応答を求めた結果を示すグラフである。

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車体と、本発明に至った経緯を説明する。なお、本願の図面に示す座標軸において、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、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。

＜自動車車体＞
自動車車体１００は、一例として図２に示すように、車体骨格部品やパネル部品等の車体部品を備えて構成されたものである。
車体骨格部品は、自動車の車体骨格を構成する部品であり、サブフレーム１０１、トンネル１０３等が例示できる。
パネル部品は、薄板構造の部品である外板パネルやパネルであり、ルーフパネル１０５、フロアパネル１０７、ダッシュパネル１０９等が例示できる。

そして、自動車車体１００においては、ルーフパネル１０５等のパネル部品について振動騒音を低減させることが要求される場合がある。

本発明は、後述するように、自動車車体１００の各車体部品について、振動騒音低減対象部位であるパネル部品の振動特性に対する寄与（感度）の高い部位を求める感度解析を行うものである。そのため、自動車車体１００を構成する車体部品は、感度解析を行うためにシェル要素及び／又はソリッド要素でモデル化されているものとする。そして、自動車車体１００を構成する各車体部品の要素情報や材料特性等は、後述する自動車車体モデルファイル６１（図１）に保存されているものとする。

＜発明に至った経緯＞
特許文献３及び特許文献４の感度解析は、前述したように、最適化手法を適用し、振動特性を向上させる板厚構成（特許文献３）、材料密度分布（特許文献４）を求めるものである。しかしながら、発明者は、いずれも、振動特性に影響する重量バランスと剛性バランスの両方に影響する因子を最適化の対象としている点に問題があると考えた。

そこで発明者は、特許文献３及び特許文献４の感度解析の方法に代わり、剛性バランスの最適化を感度解析に用いる手法に思い至った。具体的には、自動車の車体部品の振動性能に対する車体部品の感度解析する方法として、物性値として重量バランスの影響を限りなく小さくし、剛性バランスの影響のみを残した仮想的な要素を感度判定要素として、最適化計算を実施する方法に想い至った。

また、発明者は、他の車体性能を低下させず、かつ重量増加させずに振動騒音低減対象部位の制振性を向上させるため、剛性を高める構造とする車体部品を、剛性バランスに関する感度解析により選定する解析手法についてさらに検討した。当該検討では、従来より、車体部品の表面にビード（凹凸形状）を付与することにより、重量を増加せずに局所的な剛性（面剛性）を向上させることが行われていることに着目した。

発明者は、自動車車体等の構造体にビード形状を付与する代わりに金属板を貼付することによっても面剛性を高くすることができると考えた。ただし、金属板をそのまま貼付すると、剛性だけでなく重量も増加し、重量分布の変更に伴う振動特性への影響も生じてしまう。そこで、重量分布を変更せずに局所的な剛性のみを高めるためには、仮想的に重量が0の仮想的な金属板を貼付することと同義であると着想した。さらに、重量が0の仮想的な金属板を貼付した場合、振動特性以外の他の車体性能が低下するものではないことも重要である。

そして、重量0の金属板を貼付するのに最適な部位を求める最適化解析を行うには、車体部品の表面に沿う二次元空間にシェル要素を配置し、シェル要素の密度を十分に小さくして弾性係数のみを設定してトポロジー最適化を実施すればよいと考えた。その結果、車体性能を低下させず、かつ重量を増加せずに剛性を高める構造に変更する部位を有する車体部品を選定できるという知見が得られた。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その具体的な構成は以下に述べるとおりである。

［実施の形態１］
＜自動車車体設計装置＞
本発明の実施の形態１に係る自動車車体設計装置は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するものである。そして、自動車車体設計装置１は、一例として図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。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、自動車車体設計装置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、自動車車体モデルファイル６１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、自動車車体モデルファイル６１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 Access Memory）等で構成される。

演算処理部１１は、図１に示すように、感度解析ユニット２１と、高剛性構造決定ユニット３１と、を備える。そして、演算処理部１１は、PC等のCPU（中央演算処理装置）によって構成され、上記の各部は、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における上記の各ユニットの機能を以下に説明する。

≪感度解析ユニット≫
感度解析ユニット２１は、自動車車体１００における車体部品のうち剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行うものである。

感度解析ユニット２１は、図１に示すように、感度解析車体モデル生成部２３と、感度判定要素材料特性設定部２５と、感度解析条件設定部２７と、感度解析部２９と、を有する。

（感度解析車体モデル生成部）
感度解析車体モデル生成部２３は、剛性を高める構造に変更可能な車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、配置した感度判定要素を車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成するものである。

感度判定要素の配置は、例えば、車体部品の表面に沿う二次元空間に対してシェル要素を用いて要素分割することにより行うことができる。

また、車体部品の表面に沿って配置した感度判定要素と車体部品との結合は、例えば、感度判定要素の節点と車体部品の節点とを要素（剛体要素、弾性体要素、又は弾塑性体要素）で結合（剛体結合、又は弾性体結合）とすればよい。あるいは、感度判定要素と車体部品の節点を共有させることで、感度判定要素と車体部品を結合してもよい。

（感度判定要素材料特性設定部）
感度判定要素材料特性設定部２５は、感度解析車体モデルにおける感度判定要素の材料特性として、弾性係数と、密度と、を設定するものである。そして、弾性係数は、感度判定要素が配置された車体部品に用いられている金属材料に相当する値を設定し、密度は、感度解析車体モデルにおける振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値を設定する。

感度判定要素に設定する弾性係数は、例えば鋼板の弾性係数（=210GPa）を設定することができる。もっとも、感度解析ユニット２１による感度解析は、車体部品の局所的な剛性に対する感度を求めることが目的である。そのため、感度判定要素に設定する弾性係数は、鋼板の弾性係数そのものの値に限るものではない。

感度判定要素に設定する密度は、感度判定要素であるシェル要素の重量が振動騒音低減対象部位の振動特性に影響しない程度の値を設定する必要がある。そのため、感度判定要素の密度の値として0を設定するとよい。なお、感度判定要素の密度の値は0に限定されるものではなく、振動騒音低減対象部位の振動特性に影響しない程度の値であればよい。

なお、感度判定要素材料特性設定部２５により感度判定要素の板厚を設定する場合においては、車体部品における感度判定要素を重ねて配置する部位と同程度の板厚とすればよい。

（感度解析条件設定部）
感度解析条件設定部２７は振動入力条件と、目的関数と、制約条件と、を感度解析条件として設定するものである。

振動入力条件は、感度解析において感度解析車体モデルに与える振動に関する条件である。
振動入力条件として、振幅（振動の大きさ）、周波数、及び、感度解析車体モデルに振動を与える部位、等を設定すればよく、例えば、自動車の走行時にタイヤを介して自動車車体１００に入力する振動（ロードノイズ）を想定して適宜設定すればよい。この場合、振動を与える部位は、感度解析車体モデルにおいて、サブフレーム１０１とロアアーム（図示なし）との結合部（図２中の△印で示す部位）が例示できる。

目的関数は、振動騒音低減対象部位の振動特性に応じて設定する条件であり、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性を振動強度とすることができる。そして、振動強度としては、振動騒音低減対象部位の所定の周波数帯における加速度、イナータンス又は等価放射パワーのいずれかの周波数応答値とすることができる。

イナータンスは、物体に入力する力と、それによって発生する加速度の比で表される振動特性であり、振動伝達関数とも呼ばれる。
等価放射パワーとは、振動している構造物が発する音のレベルを簡易的に表現する指標であり、構造物の振動速度の面直成分が音響空間にエネルギーを与える、という考えに基づいて表される振動特性である。

なお、目的関数は、振動騒音低減対象部位の所定の周波数帯における加速度、イナータンス又は等価放射パワーを変数とする関数としてもよい。
加速度、イナータンス若しくは等価放射パワーを変数とする関数としては、例えば、制振性向上の対象とする車体部品（例えば、パネル部品等）における複数の位置での加速度等の平均値や最大値を与える関数、が挙げられる。

なお、振動騒音低減対象部位において振動特性を評価する部位は、操作者の指示により適宜設定すればよい。例えば、パネル部品を振動騒音低減対象部位とした場合、振動特性を評価する部位は、パネル部品の全面としてもよいし、パネル部品における所定の部位としてもよい。

制約条件は、感度解析車体モデルにおける感度判定要素に関する制約である。
感度判定要素に関する制約条件としては、例えば、後述する感度解析部２９による感度解析にトポロジー最適化を適用した場合、最適化処理により残存した感度判定要素が所定の体積率以下とする制約を設定することができる。ここで、感度判定要素の体積率とは、感度判定要素を配置するために設定された設計空間の体積に対し、トポロジー最適化の最適化処理により残存した感度判定要素が占める体積の比率とすればよい。

（感度解析部）
感度解析部２９は、感度解析条件設定部２７により設定された感度解析条件の下で感度解析を行い、振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度判定要素の感度を求めるものである。

感度解析部２９による感度解析には、例えばトポロジー最適化を適用することができる。
密度法を用いたトポロジー最適化においては、感度判定要素の仮想的な材料密度（各シェル要素における材料の充填状態を表す仮想的な密度）を設計変数とする。そして、トポロジー最適化の解析処理により、振動特性に対する寄与が大きい感度判定要素は材料密度が1に近い値となって残存し、振動特性に対する感度が高いことを示す。これに対し、振動特性に対する寄与が小さい感度判定要素は材料密度が0に近い値となって消去され、振動特性に対する感度が低いことを示す。このように、感度解析部２９は、感度解析にトポロジー最適化を適用することで、各感度判定要素について算出した材料密度を振動特性に対する感度として求めることができる。

≪高剛性構造決定ユニット≫
高剛性構造決定ユニット３１は、感度解析により車体部品について求めた感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定するものである。

高剛性構造決定ユニット３１は、感度解析部２９により車体部品の感度判定要素について求めた感度が高い感度判定要素の位置を、剛性を高める構造に変更する部位とすることで、車体部品の剛性を高める構造を決定することができる。

ここで、車体部品の剛性を高める構造は、例えば、車体部品について求めた感度が高い感度判定要素に対応する部位に所定の寸法の凹凸形状（ビード）を付与した構造と決定することができる。そして、凹凸形状の寸法は、操作者により適宜設定するとよい。
あるいは、感度解析部２９による感度解析により、車体部品について求めた感度が高い感度判定要素に対応する部位の凹凸形状にそのまま変更した構造を、車体部品の剛性を高める構造として決定してもよい。

さらに、高剛性構造決定ユニット３１は、車体部品の形状を変更することで剛性を高める構造を決定するものであってもよい。例えば、車体部品の表面にドアパネル部品のようなキャラクターライン状の表面構造としても良い。

なお、高剛性構造決定ユニット３１は、感度が高い部位に凹凸形状を付与したり部品形状を変更するものに限らず、トポグラフィー最適化又はトポグラフィー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定するものであってもよい。
図３に、（ａ）トポグラフィー最適化を行う高剛性構造決定ユニット４１、及び、（ｂ）トポロジー最適化を行う高剛性構造決定ユニット５１、の具体的な構成を示す。

（ａ）高剛性構造決定ユニット４１
図３（ａ）に示す高剛性構造決定ユニット４１は、トポグラフィー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定するものであり、高感度車体部品選定部４３と、トポグラフィー最適化解析部４５と、を有する。

（高感度車体部品選定部）
高感度車体部品選定部４３は、感度解析部２９により求めた感度が高い感度判定要素の割合の大きい車体部品を高感度車体部品として選定するものである。

（トポグラフィー最適化解析部）
トポグラフィー最適化解析部４５は、高感度車体部品選定部４３により選定された高感度車体部品の表面の全部又は一部に付与する最適な凹凸形状を求めるトポグラフィー最適化を実施するものである。さらに、トポグラフィー最適化解析部４５は、トポグラフィー最適化により求めた最適な凹凸形状に基づいて、高感度車体部品の表面に凹凸形状を付与することにより剛性を高める構造を決定するものである。

トポグラフィー最適化解析部４５によりトポグラフィー最適化の解析処理を行うには、まず、高感度車体部品に付与する凹凸形状（ビード）に関する条件を設定する。凹凸形状に関する条件としては、ビードの最小幅、最大幅、ビード角度、ビード最大高さ、等が例示できる。そして、これらの凹凸形状に関する条件は、ビードを付与する車体部品の周辺に存在する車体部品との干渉や自動車車体の要件によって、操作者が適宜設定することができる。

トポグラフィー最適化の解析処理を行うには、最適化解析条件として、目的関数及び制約条件と、振動入力条件と、を設定する。
ここで、目的関数と振動入力条件は、感度解析条件設定部２７により設定された感度解析条件と同一の振動入力条件及び目的関数を設定するとよい。
また、制約条件は、凹凸形状に関する制約（例えば、ビードの最小幅及び最大幅、ビード角度、ビード最大高さ、等）を設定すればよい。

（ｂ）高剛性構造決定ユニット５１
図３（ｂ）に示す高剛性構造決定ユニット５１は、トポロジー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定するものであり、設計空間設定部５３と、トポロジー最適化解析部５５と、を有する。

（設計空間設定部）
設計空間設定部５３は、感度解析ユニット２１により求めた感度が高い感度判定要素の割合の大きい車体部品について、最適化の解析処理を行うための設計空間を設定するものである。

設計空間設定部５３は、例えば、感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品を取り除き、感度解析車体モデル１１０において車体部品を取り除いた領域に設定することができる。
若しくは、設計空間設定部５３は、感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品の表面に沿って設定してもよい。

さらに、設計空間設定部５３は、感度が高い車体部品ごとに設計空間を設定してもよいし、感度が高い車体部品を含む複数の車体部品についてまとめて設計空間を設定してもよい。

（トポロジー最適化解析部）
トポロジー最適化解析部５５は、設計空間設定部５３により設定された設計空間に対して、車体部品の最適な形状を求めるトポロジー最適化を実施するものである。さらに、トポロジー最適化解析部５５は、トポロジー最適化により求めた車体部品の最適な形状に基づいて剛性を高める構造を決定するものである。

トポロジー最適化解析部５５によるトポロジー最適化を実施するための具体的の処理の一例は、以下のとおりである。

まず、本発明の感度解析部により求められた高感度部位に対して、要素（ソリッド要素又はシェル要素）でモデル化されて最適化の解析処理を行う最適化解析ブロックモデルを生成する。

次に、生成した最適化解析ブロックモデルを感度解析車体モデルに結合し、最適化解析モデルを生成する。なお、最適化解析ブロックモデルの材料特性（ヤング率、比重、密度等）は車体部品の材料特性に相当する値を設定する。

続いて、最適化解析モデルについて、トポロジー最適化の解析処理のための最適化解析条件として、目的関数、制約条件及び振動入力条件を設定する。
目的関数及び振動入力条件は、感度解析条件と同一の振動入力条件及び目的関数を設定すればよい。
制約条件は、トポロジー最適化において最適化解析ブロックモデルに関する制約である。制約条件としては、例えば、最適化ブロックモデルの重量又は体積率を、設計空間設定部５３において設計空間を設定するにあたり、車体部品から取り除いた領域の重量又は体積を超えない範囲に設定すればよい。

次に、設定した最適化解析条件の下で、最適化解析ブロックモデルの最適な構造を求めるトポロジー最適化の解析処理を行う。

そして、トポロジー最適化により求めた最適化解析ブロックモデルの最適な構造に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定する。例えば、最適化解析ブロックモデルにおいて要素が残存した部位については、元の車体部品における当該部位に補剛部品を追加し、要素が消去した部位については開口した孔部を設ける、等により剛性を高める構造を決定するとよい。

なお、振動特性以外の性能を担保するため、最適化制約条件に必要な剛性維持の条件を設定してもよい。また、衝突性能の低下が懸念される場合には、使用材料をより高強度な材料に置き換えることで対応が可能である。

＜自動車車体設計方法＞
本実施の形態１に係る自動車車体設計方法は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するために、コンピュータが以下の各ステップを実行するものである。そして、自動車車体設計方法は、図４に示すように、感度解析ステップＳ１と、高剛性構造決定ステップＳ３と、を含む。
なお、本実施の形態１に係る自動車車体設計方法は、コンピュータによって構成された自動車車体設計装置１（図１）を用いて実行するものとする。

≪感度解析ステップ≫
感度解析ステップＳ１は、車体部品のうち剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行うステップである。そして感度解析ステップＳ１は、図４に示すように、感度解析車体モデル生成工程Ｓ１１と、感度判定要素材料特性設定工程Ｓ１３と、感度解析条件設定工程Ｓ１５と、感度解析工程Ｓ１７と、を有する。
本実施の形態１において、感度解析ステップＳ１は、自動車車体設計装置１の感度解析ユニット２１が実行する。

（感度解析車体モデル生成工程）
感度解析車体モデル生成工程Ｓ１１は、車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、配置した感度判定要素を車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する工程である。
本実施の形態１において、感度解析車体モデル生成工程Ｓ１１は、自動車車体設計装置１の感度解析車体モデル生成部２３が実行する。

（感度判定要素材料特性設定工程）
感度判定要素材料特性設定工程Ｓ１３は、感度解析車体モデルにおける感度判定要素の材料特性として、弾性係数と、密度と、を設定する工程である。ここで、弾性係数は、車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数を設定し、密度は、感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値を設定する。
本実施の形態１において、感度判定要素材料特性設定工程Ｓ１３は、自動車車体設計装置１の感度判定要素材料特性設定部２５が実行する。
なお、感度判定要素の密度の値は0に限定されるものではなく、振動騒音低減対象部位の振動特性に影響しない程度の値を適宜設定してもよい。

（感度解析条件設定工程）
感度解析条件設定工程Ｓ１５は、感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、を感度解析条件として設定する工程である。さらに、感度解析条件設定工程Ｓ１５は、感度解析車体モデルにおける振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を感度解析条件として設定する工程である。
本実施の形態１において、感度解析条件設定工程Ｓ１５は、自動車車体設計装置１の感度解析条件設定部２７が実行する。

振動入力条件としては、振幅（振動の大きさ）、周波数、及び、感度解析車体モデルに振動を与える部位、等を設定すればよく、例えば、自動車の走行時にタイヤを介して自動車車体１００に入力する振動（ロードノイズ）を想定して適宜設定すればよい。また、振動入力条件として、感度解析車体モデルに対して１又は２以上の部位に所定の振動を入力するものと設定することができる。

目的関数としては、振動騒音低減対象部位の所定の周波数帯における加速度、イナータンス又は等価放射パワーのいずれかの周波数応答値の最小化、又はこれらを変数とする関数の最小化、とすることができる。

制約条件としては、例えば、後述する感度解析工程Ｓ１７における感度解析にトポロジー最適化を適用した場合、最適化処理により残存した感度判定要素が所定の体積率以下とする制約を設定することができる。

（感度解析工程）
感度解析工程Ｓ１７は、感度解析条件設定工程Ｓ１５において設定された感度解析条件の下で感度解析を行い、振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度判定要素の感度を求めるものである。
本実施の形態１において、感度解析工程Ｓ１７は、自動車車体設計装置１の感度解析部２９が実行する。

感度解析工程Ｓ１７においては、車体部品に配置した感度判定要素についてトポロジー最適化を行うことができる。そして、トポロジー最適化の解析処理により残存した車体部品における感度判定要素を、車体部品において前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が高い部位として求めることができる。

≪高剛性構造決定ステップ≫
高剛性構造決定ステップＳ３は、感度解析ステップＳ１における感度解析により車体部品について求めた感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定するステップである。
本実施の形態１において、高剛性構造決定ステップＳ３は、自動車車体設計装置１の高剛性構造決定ユニット３１が実行する。

高剛性構造決定ステップＳ３においては、感度解析ステップＳ１において車体部品の感度判定要素について求めた感度が高い感度判定要素の位置に対して、剛性を高める構造に決定することができる。

高剛性構造決定ステップＳ３においては、例えば、車体部品について求めた感度が高い感度判定要素に対応する部位に所定の寸法の凹凸形状（ビード）を付与した構造を車体部品の剛性を高める構造として決定することができる。そして、凹凸形状の寸法は適宜設定するとよい。

あるいは、高剛性構造決定ステップＳ３においては、車体部品について求めた感度が高い感度判定要素に対応する部位の形状にそのまま変更した構造を、車体部品の剛性を高める構造として決定してもよい。

なお、高剛性構造決定ステップにおいては、感度が高い部位に凹凸形状を付与したり部品形状を変更するものに限らず、トポグラフィー最適化又はトポグラフィー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定してもよい。
図５に、トポグラフィー最適化を行う高剛性構造決定ステップＳ４、及び、トポロジー最適化を行う高剛性構造決定ステップＳ５、の具体的な構成を示す。

（ａ）高剛性構造決定ステップＳ４
図５（ａ）に示す高剛性構造決定ステップＳ４は、トポグラフィー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定するものであり、高感度車体部品選定工程Ｓ４１と、トポグラフィー最適化解析工程Ｓ４３と、を有する。そして、図５（ａ）に示す高剛性構造決定ステップＳ４は、図３（ａ）に示した高剛性構造決定ユニット４１が実行する。

（高感度車体部品選定工程）
高感度車体部品選定工程Ｓ４１は、車体部品のうち、感度解析工程Ｓ１７において求めた感度が高い感度判定要素の割合の大きい車体部品を高感度車体部品として選定する工程である。
高感度車体部品選定工程Ｓ４１は、自動車車体設計装置１の高感度車体部品選定部４３が実行することができる（図３（ａ））。

（トポグラフィー最適化解析工程）
トポグラフィー最適化解析工程Ｓ４３は、高感度車体部品選定工程Ｓ４１において選定された高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めるトポグラフィー最適化を実施するものである。さらに、トポグラフィー最適化解析工程Ｓ４３は、トポグラフィー最適化により求めた最適な凹凸形状に基づいて、高感度車体部品の表面に凹凸形状を付与することにより剛性を高める構造を決定するものである。
トポグラフィー最適化解析工程Ｓ４３は、自動車車体設計装置１のトポグラフィー最適化解析部４５が実行することができる（図３（ａ））。

（ｂ）高剛性構造決定ステップＳ５
図５（ｂ）に示す高剛性構造決定ステップＳ５は、トポロジー最適化を行い、車体部品の剛性を高める構造を決定するステップの構成を示すものであり、設計空間設定工程Ｓ５１と、トポロジー最適化解析工程Ｓ５３と、を有する。

（設計空間設定工程）
設計空間設定工程Ｓ５１は、車体部品のうち、感度解析ステップＳ１により求めた感度が高い感度判定要素の割合の大きい車体部品について、最適化の解析処理を行うための設計空間を設定するものである。
設計空間設定工程Ｓ５１は、図３（ｂ）に示す高剛性構造決定ユニット５１の設計空間設定部５３により実行することができる。

設計空間設定工程Ｓ５１においては、例えば、感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品を取り除き、感度解析車体モデル１１０において車体部品を取り除いた領域に設定することができる。
若しくは、設計空間設定工程Ｓ５１においては、感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品の表面に沿って設定してもよい。

さらに、設計空間設定工程Ｓ５１においては、感度が高い車体部品ごとに設計空間を設定してもよいし、感度が高い車体部品を含む複数の車体部品についてまとめて設計空間を設定してもよい。

（トポロジー最適化解析工程）
トポロジー最適化解析工程Ｓ５３は、設計空間設定工程Ｓ５１において設定された設計空間に対して、車体部品の最適な形状を求めるトポロジー最適化を実施するものである。さらに、トポロジー最適化解析工程Ｓ５３は、トポロジー最適化により求めた車体部品の最適な形状に基づいて剛性を高める構造を決定するものである。
トポロジー最適化解析工程Ｓ５３は、図３（ｂ）に示す高剛性構造決定ユニット５１のトポロジー最適化解析部５５により実行し、車体部品の剛性を高める構造を決定することができる。

＜本実施の形態１の作用効果＞
次に、本実施の形態１に係る自動車車体設計方法及び装置の作用効果を説明する。
ここでは、図２に示す自動車車体１００の振動騒音低減対象部位としてルーフパネル１０５の制振性を向上させるために車体部品の剛性を高める構造を決定する場合について、本実施の形態１に係る自動車車体設計方法における処理を説明する。なお、以下の説明は、自動車車体設計方法の作用効果に関するものであるが、本実施の形態１に係る自動車車体設計装置１によっても同様の作用効果が得られる。

まず、感度解析ステップＳ１を実行するにあたって、記憶装置７に保存された自動車車体モデルファイル６１から自動車車体１００を構成する各車体部品のメッシュデータ等を取得した。そして、ルーフパネル１０５等の外板パネル以外の車体部品を剛性を高める構造に変更可能な車体部品として選定した。

次に、感度解析車体モデル生成工程Ｓ１１において、図６に示すように、ルーフパネル１０５等の外板パネル以外の車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置した。なお、図６においては、全車体部品について感度判定要素を配置し、特に後述する図８（ａ）と対応する車体部品については１１１、１１３、１１７、１１９の符号を付した。そして、配置した感度判定要素を車体部品に結合して感度解析車体モデル１１０を生成する。ここで、感度判定要素はシェル要素とし、車体部品とは剛体ビーム要素により結合した。

続いて、感度判定要素材料特性設定工程Ｓ１３において、感度解析車体モデル１１０における感度判定要素に材料特性を設定した。ここでは、材料特性として、弾性係数は各車体部品に用いられている鋼板の弾性係数（210GPa）とし、密度は0とした。

さらに、感度解析条件設定工程Ｓ１５において、振動入力条件と、目的関数と、制約条件と、振動入力条件と、を設定した。

振動入力条件は、自動車走行時のロードノイズを想定し、感度解析車体モデル１１０におけるサブフレーム１０１とロアアーム（図示なし）の結合部（図２における△印の部位）に、振幅1N、周波数1～200Hzの振動が入力する条件とした。

また、目的関数は、ルーフパネル１０５の等価放射パワーERPの110Hzから180Hzの周波数帯におけるピーク値の最小化とした。図７に、自動車車体１００に上記の振動入力条件を与えたときのルーフパネル１０５の等価放射パワーの周波数応答値を示す。
さらに、制約条件は、感度判定要素の体積率10%以下を設定した。

次に、感度解析工程Ｓ１７において、上記のように設定した感度解析条件を感度解析車体モデル１１０に与えて、感度解析を行った。

図８（ａ）に、感度解析を行って残存した感度判定要素の結果を示す。サブフレーム１０１、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９に残存している感度判定要素（１１１、１１３、１１７及び１１９）の割合が大きいことが分かる。

続いて、トポグラフィー最適化を行う高剛性構造決定ステップＳ４において、車体部品について剛性を高める構造を決定した。

まず、高感度車体部品選定工程Ｓ４１において、ルーフパネル１０５の振動特性に対する感度が高い車体部品を高感度車体部品として選定した。
ここでは、図８（ａ）に示した感度の結果から、図８（ｂ）に示すように、サブフレーム１０１の一部、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９を高感度車体部品１３１、１３３、１３７、１３９として選定した。

次に、トポグラフィー最適化解析工程Ｓ４３において、高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めるトポグラフィー最適化を実施した。
トポグラフィー最適化においては、凹凸形状に関する制約条件を、最小幅15mm、最大幅30mm、壁角度80°、最大高さ7mm、とした。
さらに、トポグラフィー最適化における最適化解析条件として、感度解析条件と同一の振動入力条件及び目的関数を設定した。

図９に、上記の凹凸形状に関する条件と最適化解析条件との下で、高感度車体部品（１３１、１３３、１３７、１３９）についてトポグラフィー最適化により最適な凹凸形状の分布を求めた結果を示す。

そして、図９に示す結果に基づいて、サブフレーム１０１の一部、高感度車体部品であるトンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９の表面に凹凸形状を付与することで剛性を高める構造を決定した。

さらに、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９に凹凸形状を付与することで剛性を高める構造に変更することにより、ルーフパネル１０５の制振性を評価した。図１０に、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９を剛性を高める構造に変更した自動車車体１００に上記の振動入力条件を与えたときのルーフパネル１０５の等価放射パワーの周波数応答の結果を示す。なお、図１０には、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９の構造を変更する前の自動車車体１００についてルーフパネル１０５の等価放射パワーの周波数応答を求めた結果（図７）も併せて示す。

図１０に示すように、110Hzから180Hzの周波数帯における等価放射パワーの最大値が1.6dB低下する結果が得られ（構造変更前：67.5dB、高剛性構造に変更後：65.9dB）、ルーフパネル１０５の制振性が向上することが示された。

なお、各車体部品について求めた感度が高い感度判定要素に対応する部位に凹凸形状を付与した構造を車体部品の剛性を高める構造として決定した場合（高剛性構造決定ステップＳ３）についても、ルーフパネル１０５の制振性を評価した。ここでは、図８（ａ）に示したように、サブフレーム１０１の一部、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９における感度が高い感度判定要素に対応する部位に高さ5.0mm程度の凹凸形状を付与した構造を高剛性構造として決定した。

このように決定した高剛性構造に変更した自動車車体１００についてルーフパネル１０５の等価放射パワーの周波数応答を求めた。その結果、110Hzから180Hzの周波数帯における最大値が1.0dB低下（構造変更前：67.5dB、高剛性構造に変更後：66.5dB、図示なし）した。この結果から、感度解析により感度が高い感度判定要素に対応する部位に凹凸形状を付与した場合、トポグラフィー最適化により求めた最適な形状の凹凸形状を付与した場合よりも効果は低かったものの、ルーフパネル１０５の制振性の有意な改善が見られた。

さらに、感度解析に基づいて高感度車体部品を選定し、選定した高感度車体部品についてトポロジー最適化を行って高剛性構造を決定した場合（高剛性構造決定ステップＳ５）についても、ルーフパネル１０５の制振性を評価した。ここでは、前述した図８（ｂ）に示したように、サブフレーム１０１の一部、トンネル１０３、フロアパネル１０７及びダッシュパネル１０９を高感度車体部品１３１、１３３、１３７、１３９として選定した。そして、各高感度車体部品の近傍に３次元ソリッド要素からなる設計空間を設定し、トポロジー最適化により残存形状を求め、残存形状に基づいて高感度車体部品の高剛性構造を決定した。高感度車体部品の残存形状を求めるトポロジー最適化の最適化解析条件は、感度解析条件と同一の振動入力条件及び目的関数とした。

このように決定した高剛性構造に変更した自動車車体１００についてルーフパネル１０５の等価放射パワーの周波数応答を求めた。その結果、110Hzから180Hzの周波数帯における等価放射パワーの最大値が1.8dB低下（構造変更前：67.5dB、高剛性構造に変更後：65.7dB、図示なし）した。この結果から、トポロジー最適化により高感度車体部品の高剛性構造を決定した場合、トポグラフィー最適化により高剛性構造を決定した場合と比べると、わずかであるがルーフパネルの制振性が改善することが示された。

以上、本実施の形態１に係る自動車車体設計方法及び装置においては、自動車車体における車体部品について、重量の影響を考慮せずに振動騒音低減対象部位の振動特性に対する局所的な剛性が寄与する度合い（感度）を求める感度解析を行う。当該感度解析においては、パネル部品等の振動騒音低減対象部位だけでなく、自動車における起振源から振動騒音低減対象部位に至るまでの車体骨格部品や補強部品について、振動騒音低減対象部位の制振性に対する感度を求める。
さらに、感度解析により求めた感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定する。これにより、車体剛性や衝突性能等といった他の車体性能を低下させずに、かつ重量を増加せずに振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計することができる。

＜自動車車体設計プログラム＞
上記の本発明の実施の形態１に係る説明は、自動車車体設計方法及び装置についてのものであった。もっとも、本発明は、コンピュータによって構成された自動車車体設計装置１（図１）の演算処理部１１における各部を機能させる自動車車体設計プログラムとして構成することができる。

本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するものである。そして、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、コンピュータを、図１に示す演算処理部１１のように、感度解析ユニット２１と、高剛性構造決定ユニット３１と、して機能させるものである。

ここで、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、コンピュータを感度解析ユニット２１として機能させるため、感度解析ユニット２１が有する各部を機能させる。感度解析ユニット２１は、前述した図１に示すように、感度解析車体モデル生成部２３と、感度判定要素材料特性設定部２５と、感度解析条件設定部２７と、感度解析部２９と、を有する。

なお、図１に示す高剛性構造決定ユニット３１は、感度解析部２９により求めた感度が高い部位に凹凸形状を付与する等により、車体部品の剛性を高める構造を決定するように機能するものであった。

もっとも、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、コンピュータを、図３（ａ）に示す高剛性構造決定ユニット４１として実行させる機能を備えるものであってもよい。この場合、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、高剛性構造決定ユニット４１（図３（ｂ））を、高感度車体部品選定部４３と、トポグラフィー最適化解析部４５と、して機能させる。

若しくは、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、コンピュータを、図３（ｂ）に示す高剛性構造決定ユニット５１として実行させる機能を備えるものであってもよい。この場合、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムは、高剛性構造決定ユニット５１（図３（ｂ））を、設計空間設定部５３と、トポロジー最適化解析部５５と、して機能させる。

そして、本実施の形態１に係る自動車車体設計プログラムをコンピュータで実行することにより、上記で説明した本実施の形態１に係る自動車車体設計方法及び装置と同様の作用効果が得られる。

なお、上記の説明は、感度解析にトポロジー最適化を適用したものであったが、本発明は、感度解析に板厚最適化を適用するものであってもよい。

板厚最適化を適用した感度解析においても、まず、自動車車体における車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、感度解析車体モデルを生成する。

次に、感度解析車体モデルにおける感度判定要素に、材料特性として、感度判定要素が配置された車体部品に用いられる金属板に相当する弾性係数と、振動騒音低減対象部位の振動特性に影響しない程度に小さな値の密度を設定する。

さらに、トポロジー最適化を適用した感度解析と同様に、感度解析条件を設定する。ここで、感度解析条件として設定する制約条件は、感度判定要素に関する板厚を設定するとよい。

続いて、設定した感度解析条件の下で、感度解析車体モデルにおける感度判定要素の板厚に関する板厚最適化の解析処理を実行することにより、車体部品に配置した感度判定要素ごとに最適な板厚が算出される。

そして、板厚最適化により求めた板厚が元の板厚よりも増加している感度判定要素は、振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が高く、元の板厚よりも減少している感度判定要素は、振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が低いこと示す。
このように、板厚最適化を適用した場合においても、車体部品について、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に関する振動特性に対する寄与の度合い（感度）の高い部位を特定することができる。

また、上記の説明では、感度判定要素ごとに感度を求めていたが、本発明は、車体部品ごとに感度を求めるものであってもよい。この場合においては、感度が高い車体部品の全体について剛性を高める構造を決定すればよい。
あるいは、感度が高い車体部品について、トポグラフィー最適化又はトポロジー最適化を実施し、剛性を高める構造を決定してもよい。

[実施の形態２]
本発明の実施の形態２に係る自動車車体の製造方法は、自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を製造するものである。

本実施の形態２に係る自動車車体の製造方法においては、まず、前述した実施の形態１に係る自動車車体設計方法を用いて、振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度に基づいて、車体部品の剛性を高める構造を決定する。

剛性を高める構造しては、例えば、感度解析により求めて感度が高い部位に凹凸形状を付与した構造や、感度が高い部位の形状を変更した構造とすればよい。

また、感度解析により求めた感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品を高感度車体部品として選定し、トポグラフィー最適化により高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めることにより、剛性を高める構造を決定してもよい。

さらに、感度解析により求めた感度が高い感度判定要素の割合が大きい車体部品に設計空間を設定し、トポロジー最適化により車体部品の剛性を高める構造を決定してもよい。

そして、このように決定した剛性を高める構造の車体部品を製造する。
車体部品は、例えば、凹凸形状を付与した構造の場合は、当該車体部品をプレス成形で製造する過程において凹凸形状を同時に付与することにより、製造することができる。

このように、本実施の形態２に係る自動車車体の製造方法によれば、車体剛性や衝突性能等の車体性能を低下させず、かつ重量を増加させずに、振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を製造することができる。

１ 自動車車体設計装置
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
２１ 感度解析ユニット
２３ 感度解析車体モデル生成部
２５ 感度判定要素材料特性設定部
２７ 感度解析条件設定部
２９ 感度解析部
３１ 高剛性構造決定ユニット
４１ 高剛性構造決定ユニット
４３ 高感度車体部品選定部
４５ トポグラフィー最適化解析部
５１ 高剛性構造決定ユニット
５３ 設計空間設定部
５５ トポロジー最適化解析部
６１ 自動車車体モデルファイル
１００ 自動車車体
１０１ サブフレーム
１０３ トンネル
１０５ ルーフパネル
１０７ フロアパネル
１０９ ダッシュパネル
１１０ 感度解析車体モデル
１１１、１１３、１１５、１１７ 感度判定要素
１２１、１２３、１２５、１２７ トポロジー最適化により残存した感度判定要素
１３１、１３３、１３７、１３９ 高感度車体部品

Claims (8)

1. 自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計するために、コンピュータが以下の各ステップを実行する自動車車体設計方法であって、
   剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ステップと、
   前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ステップと、を含み、
   前記感度解析ステップは、
   前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成工程と、
   前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定工程と、
   前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定工程と、
   該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析工程と、を有することを特徴とする自動車車体設計方法。
2. 前記感度解析条件設定工程において、
   前記振動入力条件を、前記感度解析車体モデルに対して１又は２以上の部位に所定の振動を入力、とし、
   前記目的関数を、前記振動騒音低減対象部位の所定の周波数帯における加速度、イナータンス又は等価放射パワーのいずれかの周波数応答値の最小化、又はこれらを変数とする関数の最小化、とし、
   前記制約条件を、前記感度判定要素の体積率を所定の値以下、とし、
   前記感度解析工程において、
   前記車体部品に配置した感度判定要素についてトポロジー最適化を行い、該トポロジー最適化の解析処理により残存した前記車体部品における感度判定要素を、該車体部品において前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する感度が高い部位として求める、ことを特徴とする請求項１に記載の自動車車体設計方法。
3. 前記高剛性構造決定ステップにおいて、前記車体部品について求めた感度が高い前記感度判定要素に対応する部位に所定の寸法の凹凸形状を付与した構造を、該車体部品の剛性を高めた構造として決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車車体設計方法。
4. 前記高剛性構造決定ステップは、
   前記車体部品のうち、前記感度解析で求めた感度が高い前記感度判定要素の割合の大きい車体部品を高感度車体部品として選定する高感度車体部品選定工程と、
   該選定された高感度車体部品の表面に付与する最適な凹凸形状を求めるトポグラフィー最適化を実施し、該トポグラフィー最適化により求めた最適な凹凸形状に基づいて、前記高感度車体部品の剛性を高める構造を決定するトポグラフィー最適化解析工程と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車車体設計方法。
5. 前記高剛性構造決定ステップは、
   前記車体部品のうち、前記感度解析で求めた感度が高い前記感度判定要素の割合の大きい車体部品を選定し、該選定した車体部品の表面に沿って設計空間を設定する設計空間設定工程と、
   前記設計空間が設定された前記車体部品の最適な形状を求めるトポロジー最適化を実施し、該トポロジー最適化により求めた前記車体部品の最適な形状に基づいて該車体部品の剛性を高める構造を決定するトポロジー最適化解析工程と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車車体設計方法。
6. 自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計する自動車車体設計装置であって、
   剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ユニットと、
   前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ユニットと、を備え、
   前記感度解析ユニットは、
   前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成部と、
   前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定部と、
   前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定部と、
   該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析部と、を有することを特徴とする自動車車体設計装置。
7. 自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を設計する自動車車体設計プログラムであって、
   コンピュータを、
   剛性を高める構造に変更可能な車体部品について、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度を求める感度解析を行う感度解析ユニットと、
   前記感度解析により前記車体部品について求めた感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定する高剛性構造決定ユニットと、して実行させる機能を備え、
   前記感度解析ユニットを、
   前記車体部品の表面に沿う二次元空間に感度判定要素を配置し、該配置した感度判定要素を前記車体部品に結合して感度解析車体モデルを生成する感度解析車体モデル生成部と、
   前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素の材料特性として、前記車体部品に用いられている金属材料に相当する弾性係数と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に影響が生じない程度に小さい値の密度と、を設定する感度判定要素材料特性設定部と、
   前記感度解析における感度解析条件として、前記感度解析車体モデルに与える振動に関する振動入力条件と、前記感度解析車体モデルにおける前記振動騒音低減対象部位の振動特性に関する目的関数と、前記感度解析車体モデルにおける前記感度判定要素に関する制約条件と、を設定する感度解析条件設定部と、
   該設定された感度解析条件の下で前記感度解析を行い、前記振動騒音低減対象部位の振動特性に対する前記感度判定要素の感度を求める感度解析部と、して機能させることを特徴とする自動車車体設計プログラム。
8. 自動車車体を構成する車体部品を剛性を高める構造に変更し、前記自動車車体における振動騒音低減対象部位の制振性を向上させた自動車車体を製造する自動車車体の製造方法であって、
   請求項１又は２に記載の自動車車体設計方法を用いて、前記振動騒音低減対象部位の制振性の評価に用いる振動特性に対する感度に基づいて、前記車体部品の剛性を高める構造を決定し、
   該決定した剛性を高める構造に基づいて前記車体部品を製造する、ことを特徴とする自動車車体の製造方法。

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