KR20190085126A - Shape optimizing method and shape optimizing device for reinforcing member of vehicle body - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 결합하는 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과, 입체 요소로 이루어지고 구조체 모델의 일부와 결합하는 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과, 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과, 보강 부재 모델을 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과, 보강 부재 모델을 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.A method for optimizing the shape of a reinforcing member of a vehicle body related to the present invention is to obtain an optimal shape of a reinforcing member having a different material characteristic from that of a structure to be joined to a part of a structure serving as a vehicle body, A reinforcing member model generating step of generating a reinforcing member model different from a structure made up of a three-dimensional element and combining with a part of the structure model; An optimizing analysis model generating step of combining the reinforcing member model with a part of the structure model to generate an optimization analysis model, and an optimizing analysis of the reinforcing member model as an analysis target, And an optimization analysis step of obtaining the shape of the reference point.

Description

차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치Shape optimizing method and shape optimizing device for reinforcing member of vehicle body

본 발명은, 자동차 차체 구조를 보강하는 보강 부재 (reinforcement) 의 최적의 형상을 구하는 차체 (automotive body) 의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 관한 것으로, 특히 최적화 해석 (optimization analysis) 방법에 의해 보강 부재의 형상을 최적화하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 있어서 형상 최적화 (shape optimization) 란, 미리 소정의 형상, 예를 들어 T 자 형상을 상정하고, 그 소정의 형상을 전제로 하여 최적의 형상을 구하는 것이 아니고, 소정의 형상을 상정하지 않고 해석 조건을 만족시키는 최적의 형상을 구하는 것을 의미한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shape optimizing method and a shape optimizing apparatus for a reinforcing member of an automotive body for obtaining an optimum shape of a reinforcement for reinforcing an automobile body structure, To optimize the shape of the reinforcing member of the vehicle body and to optimize the shape of the reinforcing member of the vehicle body. In the present invention, shape optimization refers to a method in which a predetermined shape, for example, a T shape is assumed in advance, and an optimum shape is obtained on the premise of the predetermined shape, And the optimum shape satisfying the analysis condition is obtained.

최근, 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에서 기인한 차체의 경량화 (weight reduction of automotive body) 가 진행되어 있고, 차체의 설계에 컴퓨터 지원 공학 (computer aided engineering) 에 의한 해석 (이하, 「CAE 해석」이라고 한다) 은 빠뜨릴 수 없는 기술이 되어 있다. 이 CAE 해석에서는 수리 최적화 (mathematical optimization), 판 두께 최적화 (thickness optimization), 형상 최적화 (shape optimization), 및 토폴러지 최적화 (topology optimization) 등의 최적화 기술을 이용함으로써, 차체의 경량화나 강성 (stiffness) 의 향상 등과 같은 차체 성능 (performance of automotive body) 의 향상이 도모되는 것이 알려져 있고, 이들 최적화 기술은 예를 들어 엔진 블록 (engine block) 등의 주물의 구조 최적화 (structural optimization) 에 자주 이용되고 있다.Recently, particularly in the automobile industry, the weight reduction of the automotive body due to the environmental problem is proceeding, and the analysis by computer aided engineering (hereinafter referred to as " CAE analysis " ) Is an indispensable technology. In this CAE analysis, the optimization of the mathematical optimization, the thickness optimization, the shape optimization, and the topology optimization are used to reduce the weight and stiffness of the vehicle body, Improvement of the performance of the automotive body such as improvement of the engine performance, etc. These optimization techniques are frequently used for structural optimization of castings such as engine blocks.

최적화 기술 중에서도, 특히 토폴러지 최적화가 주목되고 있다. 토폴러지 최적화란, 어느 정도의 크기의 설계 공간을 형성하고, 설계 공간에 입체 요소 (three-dimensional element) 를 도입하여, 부여된 조건을 만족시키고, 또한 필요 최소한의 입체 요소의 부분을 남김으로써, 부여된 조건을 만족시키는 최적 형상을 구하는 방법이다. 그 때문에, 토폴러지 최적화에서는, 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속 (constraint) 을 실시하고, 직접 하중 (loading) 을 가한다는 방법이 이용된다. 이와 같은 토폴러지 최적화에 관한 기술로서, 복잡한 구조체의 컴포넌트 (component) 의 토폴러지 최적화를 위한 방법이 특허문헌 1 에 개시되어 있다.Of the optimization techniques, topology optimization is particularly noteworthy. Topology optimization means that a design space of a certain size is formed and a three-dimensional element is introduced into a design space to satisfy a given condition and also to leave a portion of the minimum required three-dimensional element, To obtain the optimal shape satisfying the given condition. Therefore, in the topology optimization, a method is used in which direct constraint is applied to a three-dimensional element constituting a design space, and direct loading is performed. As a technique related to such topological optimization, a method for topological optimization of a component of a complicated structure is disclosed in Patent Document 1.

일본 공개특허공보 2010-250818호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2010-250818

유게, 외 1 명, 「건설 기계의 최적 설계」, 세이케이 대학 공학 연구 보고, Vol.41, No.1, 2004년, p.1-5 Yuge et al., "Optimal Design of Construction Machinery", Seikei Engineering Research Report, Vol.41, No.1, 2004, p.1-5

자동차의 차체 등의 구조체는 주로 박판 (sheet) 을 사용하여 구성되어 있고, 이와 같은 박판으로 구성되는 차체의 일 부위에 대해 최적화 기술에 의해 형상을 최적화하는 경우, 종래에는 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 대상이 되는 차체의 일부를 취출하고, 취출한 부분을 독립시켜 최적화하고 있다. 이 때문에, 그 설계 공간에 대해 차체 전체로부터의 하중이나 구속 상태를 반영시키는 것은 곤란하고, 그 때문에 차체의 일 부위에 최적화 기술을 적용하는 것이 어렵다는 과제가 있었다. 또, 차체의 일 부위를 차체 전체의 최적화 해석으로부터 최적화 형상을 구했다고 해도, 최적화한 부위가 소멸되는 경우도 있어, 그것을 박판 구조에 적절히 반영시키려면 어떻게 해야 할 것인가라는 과제도 있었다.BACKGROUND ART [0002] Structures such as a vehicle body of a vehicle are mainly composed of thin sheets. In the case of optimizing a shape of a vehicle body made of such a thin plate by optimization techniques, As described above, a part of the vehicle body to be the object is taken out, and the taken-out part is optimized independently. Therefore, it is difficult to reflect the load or the constraint state from the entire vehicle body with respect to the design space, so that it is difficult to apply the optimization technique to one part of the vehicle body. Even if the optimized shape is obtained from the optimization analysis of the entire body of the vehicle body in one part of the vehicle body, the optimized part may disappear in some cases, and there is a problem of how to appropriately reflect the optimized shape in the thin plate structure.

특허문헌 1 에 개시되어 있는 기술은, 토폴러지 최적화에 의한 최적화 해석에 관련된 수학 연산 상의 수법 및 물리적 시스템에 관한 것이지, 상기와 같은 박판 구조의 최적화와 같은 과제에 대해서는 전혀 해결 수단을 부여하는 것은 아니다.The technique disclosed in Patent Document 1 relates to a method and a physical system of mathematical operations related to optimization analysis by topology optimization and does not provide a means for solving the problems such as the optimization of the thin plate structure as described above .

또한, 최근, 자동차의 차체를 구성하는 박판에, 박판과 상이한 재료 특성인 수지 (resin) 나 FRP (Fiber-Reinforced Plastics ; 섬유 강화 수지) 로 이루어지는 보강 부재를 첩부하여 보강하고, 차체의 강성이나 강도 (strength) 를 향상시키는 것이 실시되고 있다. 그러나, 이와 같은 보강 부재의 형상이나 보강 부재의 첩부 위치를 최적화의 대상으로 한 종래 기술은 없어, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적화 형상을 구하는 최적화 기술의 개발이 요망되고 있었다.Recently, reinforcing members made of resin or FRP (Fiber Reinforced Plastics), which are different in material properties from thin plates, are stuck to reinforce the thin plates constituting the body of a vehicle, and rigidity and strength thereby improving the strength. However, there is no prior art that optimizes the shape of the reinforcement member or the position of the reinforcement member to which the reinforcement member is attached, and development of an optimization technique for obtaining an optimized shape of the reinforcement member for reinforcing the vehicle body has been desired.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 차체인 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성 (material properties) 의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이 가능한 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치를 제공하는 것에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method of reinforcing a structural body by joining reinforcing members of different material properties to a part of the structure, A shape optimizing method and a shape optimizing apparatus for a reinforcement member of a vehicle body capable of obtaining a shape.

본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 결합 (joining) 하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이고, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 실시하는 것으로, 평면 요소 (two-dimensional element) 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과, 그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과, 상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과, 그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함한다.A method of optimizing the shape of a reinforcing member of a vehicle body according to the present invention is to obtain an optimum shape of a reinforcing member having a different material characteristic from that of a structure joining to a part of a structure serving as a vehicle body and the computer performs each of the following steps A structure model acquisition step of acquiring a structure model obtained by modeling the structure using a two-dimensional element and / or a three-dimensional element; A material property setting step of setting a material property of the reinforcing member model; a step of combining the reinforcing member model with a part of the structure model to generate an optimization analysis model; An optimization analysis model generation step of generating an optimization analysis model, By carrying out optimization analysis to model the reinforcing members as the analysis target of the optimization step includes an optimization analysis to obtain the optimum shape of the reinforcing member model.

또한, 상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률 (Young's modulus), 포아송비 (Poisson's modulus), 및 비중 (specific gravity) 을 설정하는 것이 바람직하다.It is preferable that the material property setting step sets Young's modulus, Poisson's modulus, and specific gravity as material characteristics of the reinforcing member model.

또, 상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성 (in-plane anisotropy) 을 부여하는 주축 (principal axis) 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것이 바람직하다.It is preferable that the material property setting step includes the step of providing a principal axis angle giving an in-plane anisotropy of a material characteristic of the reinforcing member model and determining a value of the material property corresponding to the principal axis angle In the case of a plurality of layers, it is preferable to superimpose the layers having respective main axis angles.

또, 상기 최적화 해석 스텝은, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것이 바람직하다.It is preferable that the optimization analysis step performs analysis processing by topology optimization.

본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치는, 차체인 구조체의 일부에 결합하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득부와, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성부와, 그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와, 상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성부와, 그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부를 구비한다.The shape optimizing apparatus for a reinforcing member of a vehicle body according to the present invention is an apparatus for optimizing a shape of a reinforcing member having a different material characteristic from that of a structure body to be joined to a part of a structure serving as a vehicle body, A reinforcing member model generating unit that generates a reinforcing member model that is different from the structure that is composed of a three-dimensional element and is coupled to a part of the structure model; An optimization analysis model generation unit for combining the reinforcing member model with a part of the structure model to generate an optimization analysis model, and an analysis condition is given to the generated optimization analysis model , The optimization analysis is performed with the reinforcing member model as an analysis target of optimization, And a call optimization analysis to obtain the optimum shape of the model member.

또한, 상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것이 바람직하다.It is preferable that the material property setting unit sets Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity as material characteristics of the reinforcing member model.

또, 상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것이 바람직하다.It is preferable that the material property setting unit sets a main axis angle that gives the in-plane anisotropy of the material characteristic of the reinforcing member model and sets the value of the material characteristic corresponding to the main axis angle, It is preferable to superimpose the layers having respective principal axis angles.

또, 상기 최적화 해석부는, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것이 바람직하다.It is preferable that the optimization analysis unit performs analysis processing by topology optimization.

본 발명에 의하면, 구조체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있고, 최적의 형상의 보강 부재를 구조체에 결합하는 것에 의해, 구조체의 소정의 성능을 향상시키거나, 또, 소정의 성능으로 유지하면서 경량화에 이바지하거나 하는 것이 가능해진다.According to the present invention, the optimum shape of the reinforcing member for reinforcing the structure can be obtained with good precision, and the optimum performance of the structure can be improved by bonding the reinforcing member of the optimum shape to the structure, It is possible to contribute to weight reduction while maintaining the performance.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치의 블록도 (block diagram) 이다.
도 2 는, 실시형태에서 해석 대상으로 하는 차체 모델, 보강 부재 모델, 및 최적화 해석 모델을 설명하는 도면이다.
도 3 은, 실시형태에 있어서, 입체 요소를 사용하여 생성한 보강 부재 모델과, 보강 부재 모델과 차체 모델의 결합 상태 및 방법을 설명하는 도면이다.
도 4 는, 실시형태에 관련된 최적화 해석에 있어서 최적화 해석 모델에 부여하는 하중 구속 조건의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 실시형태에 관련된 최적화 해석에 의해 형상 최적화된 최적 형상 보강 부재 모델의 일례를 나타내는 도면이다 ((a) : 사시도, (b) : 상면도).
도 6 은, 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법의 처리의 흐름을 나타내는 플로 차트이다.
도 7 은, 실시예에 있어서 차체 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 차체 변위 (displacement) 의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 실시예에 있어서 형상 최적화된 최적 형상 보강 부재 모델의 두께 방향의 형상을 설명하는 도면이다 ((a) : A-A 단면, (b) : 상면, (c) : B-B 단면).
도 9 는, 실시예에 있어서 최적화 해석 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 보강 부재 모델에 발생하는 응력 분포 (stress distribution) 를 설명하는 도면이다 ((a) : A-A 단면, (b) : 전체, (c) : B-B 단면).
도 10 은, 실시예에 있어서 최적 형상 보강 부재 모델을 사용하여 차체 모델을 경량화하는 경량화 해석 모델을 설명하는 도면이다 ((a) : 루프 레인포스 (roof reinforcement) 를 갖는 차체 모델, (b) : 루프 레인포스를 제거한 차체 모델, (c) : 최적 형상 보강 부재 모델).
도 11 은, 실시예에 있어서, 차체 모델의 루프부 (roof portion) 의 판 두께와 루프부의 중량의 관계 (a), 및 루프부의 판 두께와 차체 모델의 변화 중량 (weight change) 의 관계 (b) 를 나타내는 그래프이다.
도 12 는, 실시예에 있어서 최적 형상 보강 부재 모델을 결합한 경량화 해석 모델의 루프부의 판 두께와 강성 향상률 (improvement rate of rigidity) 의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13 은, 실시예에 있어서 차체 모델 및 경량화 해석 모델에 하중 구속 조건을 부여했을 때의 루프부에 있어서의 변형 (deformation) 을 설명하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for optimizing shape of a reinforcing member of a vehicle body according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a view for explaining a body model, a reinforcing member model, and an optimization analysis model to be analyzed in the embodiment. Fig.
Fig. 3 is a view for explaining a reinforcing member model generated by using a three-dimensional element and a combining state and a method of a reinforcing member model and a body model in the embodiment. Fig.
4 is a diagram showing an example of load restraint conditions applied to the optimization analysis model in the optimization analysis related to the embodiment.
Fig. 5 is a view showing an example of an optimal shape reinforcing member model that is optimized in shape by the optimization analysis according to the embodiment ((a): perspective view, (b): top view).
Fig. 6 is a flow chart showing the flow of processing in the shape optimizing method of the reinforcing member of the vehicle body according to the embodiment. Fig.
Fig. 7 is a diagram showing the result of analysis of vehicle body displacement when a load restraint condition is given to the vehicle body model in the embodiment. Fig.
Fig. 8 is a view for explaining the shape in the thickness direction of the optimal shape reinforcing member model that has been optimized in shape in the embodiment ((a): AA cross section, (b): upper surface, and (c): BB cross section).
Fig. 9 is a view for explaining a stress distribution occurring in a reinforcing member model when a load restraint condition is given to the optimization analysis model in the embodiment (Fig. 9A) , (c): BB section).
Fig. 10 is a view for explaining a lightweight analysis model for reducing the weight of a vehicle body model using the optimal shape reinforcing member model in the embodiment. Fig. 10 (a) is a body model having a roof reinforcement, (C): Optimum shape reinforcement member model).
Fig. 11 is a graph showing the relationship (a) between the thickness of the roof portion of the body model and the weight of the roof portion and the relationship between the thickness of the roof portion and the weight change of the body model ).
12 is a graph showing the relationship between the plate thickness of the loop portion of the lightweight analysis model and the improvement rate of rigidity of the optimum shape reinforcing member model in the embodiment.
Fig. 13 is a view for explaining deformation in a loop portion when a load restraint condition is given to a vehicle body model and a lightweight analysis model in the embodiment. Fig.

본 발명의 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 대해 설명하기에 앞서, 본 발명에서 대상으로 하는 구조체 모델에 대해 설명한다. 또한, 본 명세서에 첨부하는 도면에 있어서는, 형상 및 치수가 나타나 있는 경우가 있지만, 본 발명은 이들 형상 및 치수에 한정되는 것은 아니다.Before describing the shape optimizing method and the shape optimizing apparatus for a reinforcing member of a vehicle body according to the embodiment of the present invention, a structure model to be subjected in the present invention will be described. In the drawings attached hereto, shapes and dimensions may be shown, but the present invention is not limited to these shapes and dimensions.

＜구조체 모델＞<Structure model>

구조체 모델은, 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하는 데에 있어서, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 것으로, 본 실시형태에서는, 구조체 모델로서, 도 2(a) 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 대상으로 하고 있다.The structural model is a structure modeled by using a planar element and / or a three-dimensional element in joining reinforcing members of different material characteristics to a structural member in a part of the structure. In the present embodiment, as a structural model, the vehicle body model 31 shown in Fig.

차체 모델 (31) 은, 자동차의 차체 골격 (automotive body frame) 부품 (part) 이나 새시 (chasis) 부품 등과 같은 복수의 부품으로 구성된 것이고, 차체 모델 (31) 의 각 부품은, 평면 요소 및/또는 입체 요소에 의해 모델화되어 d있다. 또, 차체 모델 (31) 을 구성하는 각 부품의 요소 (평면 요소 및 입체 요소) 나 재료 특성 (재질 (material properties)) 등에 관한 정보는, 구조체 모델 파일 (23) (도 1 참조) 에 격납되어 있다.The vehicle body model 31 is composed of a plurality of parts such as an automotive body frame part or a chasis part and each part of the vehicle body model 31 is composed of a planar element and / It is modeled by a solid element. Information on elements (planar element and solid element), material properties (material properties), and the like of each component constituting the body model 31 is stored in the structure model file 23 (see FIG. 1) have.

또한, 본 실시형태에서는, 차체의 루프 (도 2 에 나타내는 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 에 대응) 의 하면에, 차체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 첩부하는 것에 의해 보강하고, 적설 (fallen snow) 강도를 향상시키는 경우를 대상으로 한 예를 나타낸다.In the present embodiment, the reinforcing member having a material characteristic different from that of the vehicle body is attached to the lower surface of the loop of the vehicle body (corresponding to the loop portion 33 of the body model 31 shown in Fig. 2) (fallen snow) strength is improved.

＜차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치＞&Lt; Apparatus for optimizing the shape of the reinforcing member of the body &

다음으로, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치 (1) (이하, 간단히 「형상 최적화 장치 (1)」라고 한다) 의 구성에 대해, 도 1 ∼ 5 에 기초하여 이하에 설명한다.Next, the configuration of the shape optimizing apparatus 1 (hereinafter simply referred to as &quot; shape optimizing apparatus 1 &quot;) of the reinforcement member of the vehicle body according to the present embodiment will be described with reference to Figs. 1 to 5 .

본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 는, 차체인 구조체의 일부에 그 구조체의 일부와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로, 도 1 에 나타내는 바와 같이, PC (퍼스널 컴퓨터) 등에 의해 구성되고, 표시 장치 (display device) (3), 입력 장치 (input device) (5), 기억 장치 (memory device) (7), 작업용 데이터 메모리 (working data memory) (9), 및 연산 처리부 (arithmetic processing unit) (11) 를 가지고 있다. 그리고, 표시 장치 (3), 입력 장치 (5), 기억 장치 (7), 및 작업용 데이터 메모리 (9) 는, 연산 처리부 (11) 에 접속되고, 연산 처리부 (11) 로부터의 지령에 의해 각각의 기능이 실행된다. 이하, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 의 각 구성에 대해 설명한다.The shape optimizing apparatus 1 according to the present embodiment is characterized in that when optimizing the shape of a reinforcing member in reinforcing a structure by connecting a part of the structure to a part of the structure as a body as a reinforcing member having different material properties As shown in Fig. 1, is constituted by a PC (personal computer) or the like and includes a display device 3, an input device 5, a memory device 7, A working data memory 9, and an arithmetic processing unit 11. The display device 3, the input device 5, the storage device 7 and the work data memory 9 are connected to the arithmetic processing section 11 and are controlled by the instruction from the arithmetic processing section 11, Function is executed. Hereinafter, each configuration of the shape optimizing apparatus 1 according to the present embodiment will be described.

≪표시 장치≫«Display device»

표시 장치 (3) 는, 해석 결과의 표시 등에 사용되고, 액정 모니터 등으로 구성된다.The display device 3 is used for display of analysis results and the like, and is constituted by a liquid crystal monitor or the like.

≪입력 장치≫«Input device»

입력 장치 (5) 는, 구조체 모델 파일 (23) 의 표시 지시나 조작자의 조건 입력 등에 사용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.The input device 5 is used for display instruction of the structure model file 23, condition input of the operator, etc., and is constituted by a keyboard, a mouse, and the like.

≪기억 장치≫«Memory»

기억 장치 (7) 는, 구조체 모델 파일 (23) 등의 각종 파일의 기억 등에 사용되고, 하드 디스크 등으로 구성된다.The storage device 7 is used for storing various files such as the structure model file 23 and the like, and is constituted by a hard disk or the like.

≪작업용 데이터 메모리≫«Work data memory»

작업용 데이터 메모리 (9) 는, 연산 처리부 (11) 에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산에 사용되고, RAM (Random Access Memory) 등으로 구성된다.The work data memory 9 is used for temporary storage or calculation of data used in the arithmetic processing unit 11, and is constituted by a RAM (Random Access Memory) or the like.

≪연산 처리부≫&Lt; Operation processing section &

연산 처리부 (11) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 구조체 모델 취득부 (13) 와, 보강 부재 모델 생성부 (15) 와, 재료 특성 설정부 (17) 와, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 와, 최적화 해석부 (21) 를 갖고, PC 등의 CPU (중앙 연산 처리 장치) 에 의해 구성된다. 이들 각 부는, CPU 가 소정의 프로그램을 실행함으로써 기능한다. 연산 처리부 (11) 에 있어서의 상기의 각 부의 기능을 이하에 설명한다.1, the calculation processing section 11 includes a structure model acquisition section 13, a reinforcing member model generation section 15, a material property setting section 17, an optimization analysis model generation section 19, And an optimization analysis unit 21, and is configured by a CPU (Central Processing Unit) such as a PC. Each of these units functions by the CPU executing a predetermined program. The functions of the respective units in the arithmetic processing unit 11 will be described below.

(구조체 모델 취득부)(Structure model acquisition unit)

구조체 모델 취득부 (13) 는, 자동차의 차체를 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 모델화한 차체 모델 (31) (도 2(a) 참조) 을 취득하는 것이고, 기억 장치 (7) 에 기억된 구조체 모델 파일 (23) 로부터 차체 모델 (31) 의 요소 정보나 재료 특성 정보를 판독 입력하는 것에 의해 취득할 수 있다. 단, 구조체 모델 취득부 (13) 는, 차체의 CAD 데이터에 기초하여, 차체를 평면 요소 및/또는 입체 요소에 의해 모델화하여 차체 모델 (31) 을 새롭게 생성하는 것이어도 된다.The structure model acquisition unit 13 acquires a body model 31 (see FIG. 2A) obtained by modeling a vehicle body of a vehicle using a planar element and / or a solid element, By reading and inputting the element information and the material characteristic information of the body model 31 from the structured model file 23 shown in Fig. However, the structure model acquisition section 13 may generate the vehicle body model 31 by modeling the vehicle body by the plane element and / or the solid element based on the CAD data of the vehicle body.

(보강 부재 모델 생성부)(Reinforcing member model generating unit)

보강 부재 모델 생성부 (15) 는, 입체 요소로 이루어지고 차체 모델 (31) (도 2(a) 참조) 의 일부와 결합하는 차체 모델 (31) 과는 다른 보강 부재 모델 (35) (도 2(b) 참조) 을 생성하는 것이다. 이하, 보강하는 차체의 대상 부위 (portion) 로서, 루프부 (33) 를 예로서 설명한다.The reinforcing-member-model generating unit 15 includes a reinforcing-member model 35 (Fig. 2 (b)) different from the vehicle body model 31 which is composed of three-dimensional elements and is coupled to a part of the vehicle body model 31 (b)). Hereinafter, the loop portion 33 will be described as an example of a target portion of the body to be reinforced.

보강 부재 모델 (35) 은, 예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이, 차체 모델 (31) 에 있어서 보강하는 대상이 되는 부위인 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방을 향하여 입체 요소 (35a) 를 겹쳐 쌓도록 생성할 수 있다. 보강 부재 모델 생성부 (15) 에 의해 생성되는 보강 부재 모델 (35) 은, 후술하는 최적화 해석부 (21) 에 의한 최적화 해석의 대상이 되는 것으로, 최적화 해석의 과정에 있어서 보강에 불필요한 부위에 위치하는 입체 요소를 소거하고, 보강에 필요한 부위에 위치하는 입체 요소를 잔존시킨다.3, the reinforcing member model 35 overlaps the three-dimensional element 35a downwardly from the lower surface of the loop portion 33, which is a portion to be reinforced in the body model 31, for example, Can be generated. The reinforcement member model 35 generated by the reinforcement member model generation unit 15 is an object to be subjected to optimization analysis by the optimization analysis unit 21 to be described later and is located in an area unnecessary for reinforcement in the process of optimization analysis And removes the three-dimensional element located at the site necessary for reinforcement.

또한, 보강 부재 모델 생성부 (15) 는, 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방에 소정의 설계 공간을 설정하고, 설계 공간을 복수의 입체 요소로 요소 분할함으로써, 보강 부재 모델 (35) 을 생성하는 것이어도 된다.The reinforcing-member-model generating unit 15 sets a predetermined design space below the lower surface of the loop unit 33 and divides the design space into a plurality of three-dimensional elements, thereby creating a reinforcing-member model 35 .

(재료 특성 설정부)(Material property setting section)

재료 특성 설정부 (17) 는, 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 생성한 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 것이다. 재료 특성 설정부 (17) 가 설정하는 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중 등을 들 수 있다.The material property setting unit 17 sets the material characteristics of the reinforcing member model 35 generated by the reinforcing member model generating unit 15. The material properties of the reinforcing member model 35 set by the material property setting section 17 include Young's modulus, Poisson's ratio, specific gravity and the like.

또한, 보강 부재 모델 (35) 로서, 예를 들어 FRP (Fiber-Reinforced Plastics ; 섬유 강화 수지) 와 같이, 그 재료 특성 (기계적 특성 (mechanical properties)) 이 면내 이방성을 갖는 재료를 대상으로 하는 경우에 있어서는, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 주축 각도에 대응하는 재료 특성의 값을 설정함으로써, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성에 면내 이방성을 설정할 수 있다. 또, 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에 있어서는, 복수의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.When the material properties (mechanical properties) of the reinforcing member model 35 are intended to be those having in-plane anisotropy such as, for example, FRP (Fiber Reinforced Plastics) Plane anisotropy in the material properties of the reinforcing-member model 35 is set and the value of the material properties corresponding to the main-axis angle is set so that the in-plane anisotropy is set in the material properties of the reinforcing-member model 35 . In the case where the reinforcing member is formed of a plurality of layers, it is also possible to set the main axis angle for each of a plurality of layers.

또한, 재료 특성 설정부 (17) 는, 후술하는 최적화 해석 모델 생성부 (19) 에 의해 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) (도 2(c) 참조) 을 생성한 후, 최적화 해석 모델 (41) 에 있어서의 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 것이어도 된다.The material property setting section 17 also connects the reinforcing member model 35 to a part of the body model 31 by the optimization analysis model generating section 19 to be described later to obtain the optimization analysis model 41 c) may be generated, and then the material characteristics of the reinforcing member model 35 in the optimization analysis model 41 may be set.

(최적화 해석 모델 생성부)(Optimization analysis model generation unit)

최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 생성한 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 것이다. 예를 들어, 루프부 (33) 와 보강 부재 모델 (35) 을 결합하는 방법으로는, 루프부 (33) 가 평면 요소 (33a) 로 모델화되어 있는 경우, 예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이, 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소 (35a) 의 노드 (절점 (node)) 와 루프부 (33) 의 평면 요소 (33a) 의 노드를 공유하는 경우가 있다.2, the optimization analysis model generation unit 19 combines the reinforcing member model 35 generated by the reinforcing member model generation unit 15 with a part of the body model 31 to generate the optimization analysis model 41 ). For example, as a method of combining the loop portion 33 and the reinforcing member model 35, when the loop portion 33 is modeled by the planar element 33a, for example, as shown in Fig. 3, The node of the solid element 35a of the reinforcing member model 35 and the node of the planar element 33a of the loop unit 33 may be shared.

그렇다고는 해도, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 예를 들어 강체 요소를 개재하여 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 의 노드끼리를 연결하는 것이어도 되고, 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 사이에서 하중이 전달되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 빔 요소 (beam elements), 로드 요소 (rod elements), 강체 결합 요소 (rigid coupling elements) 등이어도 된다. 또한, 차체 모델 (31) 에 있어서 보강 부재 모델 (35) 과 결합하는 부위가 입체 요소로 모델화되어 있는 경우에 있어서는, 상기와 같이, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 는, 결합하는 부위의 입체 요소와 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소를 노드 공유 등에 의해 결합하는 것이면 된다.However, the optimization analysis model generation unit 19 may connect a part of the vehicle body model 31 and the nodes of the reinforcing member model 35 via, for example, a rigid element, and the vehicle body model 31 The reinforcing member model 35 may be a beam element, a rod element, or a rigid coupling element, as long as a load can be transmitted between a part of the reinforcing member model 35 and the reinforcing member model 35. [ In the case where the part of the body model 31 to be coupled with the reinforcing member model 35 is modeled as a three-dimensional element, as described above, the optimization analysis model generating unit 19 generates the three- And the three-dimensional elements of the reinforcing member model 35 by node sharing or the like.

또한, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 에 의해 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 데에 있어서는, 차체 모델 (31) 로부터 분리한 상태에 있는 차체 모델 (31) 의 일부에 보강 부재 모델 (35) 을 결합하여 일체화하고, 일체화한 차체 모델 (31) 의 일부와 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 에 결합하는 것이어도 된다.In order to generate the optimization analysis model 41 by the optimization analysis model generation unit 19, the reinforcing member model 35 is added to a part of the body model 31 separated from the body model 31, And a part of the integrated body model 31 and the reinforcing member model 35 may be combined with the body model 31. [

(최적화 해석부)(Optimization analysis section)

최적화 해석부 (21) 는, 최적화 해석 모델 생성부 (19) 가 생성한 최적화 해석 모델 (41) (도 2(c) 참조) 에 해석 조건을 부여하고, 보강 부재 모델 (35) 을 최적화의 해석 처리를 실시하는 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적 형상을 구하는 것이다. 최적화 해석부 (21) 에 의한 최적화 해석에는, 예를 들어 토폴러지 최적화를 적용할 수 있다. 토폴러지 최적화에 있어서 밀도법 (density method) 을 이용할 때에, 중간적인 밀도가 많은 경우에는 이산화(離散化) (discretization) 가 바람직하고, 하기 식으로 나타낸다. 이산화에 자주 사용되는 패널티 계수는 2 이상이고, 패널티 계수의 값은 적절히 설정할 수 있다.The optimization analysis unit 21 gives an analysis condition to the optimization analysis model 41 (see FIG. 2 (c)) generated by the optimization analysis model generation unit 19 and analyzes the optimization of the stiffener member model 35 The optimum shape of the reinforcing member model 35 is obtained by carrying out an optimization analysis as an object to be subjected to the processing. For optimization analysis by the optimization analysis unit 21, for example, topology optimization can be applied. When using the density method in the topology optimization, discretization is preferable in the case where the intermediate density is large, and is expressed by the following equation. The penalty coefficient frequently used for discretization is 2 or more, and the value of the penalty coefficient can be appropriately set.

K (ρ) = ρpKK (ρ) = ρ p K

단,only,

K : 요소의 강성 매트릭스 (stiffness matrix) 에 패널티 (penalty) 를 부과한 강성 매트릭스K is a stiffness matrix that imposes a penalty on the stiffness matrix of the element

K : 요소의 강성 매트릭스K: Stiffness matrix of the element

ρ : 규격화 (normalization) 된 밀도ρ: normalized density

p : 패널티 계수p: penalty factor

또한, 최적화 해석부 (21) 는, 토폴러지 최적화 처리를 실시하는 것이어도 되고, 다른 계산 방식에 의한 최적화 처리여도 된다. 따라서, 최적화 해석부 (21) 로는, 예를 들어 시판되고 있는 유한 요소 (finite element) 를 사용한 해석 소프트를 사용할 수도 있다.Further, the optimization analysis unit 21 may perform the topology optimization process, or may perform the optimization process by another calculation method. Therefore, as the optimization analysis unit 21, for example, an analysis software using commercially available finite elements may be used.

최적화 해석을 실시하기 위한 해석 조건으로는, 최적화 해석 모델 (41) 에 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중 구속 조건과, 최적화 해석의 목적에 따라 설정하는 목적 조건과, 최적화 해석을 실시하는 데에 있어서 부과하는 제약 조건이 있다.As the analysis conditions for carrying out the optimization analysis, there are the load restraint conditions for giving the loads or restraint positions to the optimization analysis model 41, the target conditions to be set according to the purpose of the optimization analysis, There are constraints imposed on

도 4 에, 하중 구속 조건의 일례를 나타낸다. 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건은, 루프부 (33) 의 적설 강도를 평가하는 것을 상정한 것으로, 최적화 해석 모델 (41) 의 하부에 있는 4 개 지점의 잭 업 (jack up) 설치부를 완전 구속으로 하고, 루프부 (33) 의 상면에 차체 높이 방향 하향의 분포 하중을 부여한 것이다.Fig. 4 shows an example of load restraint conditions. The load restraint conditions shown in Fig. 4 assume that the snow intensity of the loop portion 33 is evaluated. It is assumed that the jack up portions of the four points below the optimization analysis model 41 are completely restrained And a distribution load is applied to the upper surface of the loop portion 33 downward in the vehicle body height direction.

목적 조건으로는, 예를 들어 최적화 해석 모델 (41) 에 있어서의 변형 (strain) 에너지 총합의 최소화, 변위의 최소화, 강성의 최대화 등이 있다. 또한, 제약 조건으로는, 최적화 해석의 대상이 되는 보강 부재 모델 (35) 의 체적 제약률 (volume function constraints rate) 등이 있다. 제약 조건은 복수 설정 가능하다.The target conditions include, for example, minimizing the strain energy sum in the optimization analysis model 41, minimizing the displacement, and maximizing the stiffness. The constraint conditions include a volume function constraint rate of the reinforcing member model 35 that is the object of the optimization analysis. A plurality of constraints can be set.

도 5 에, 최적화 해석부 (21) 에 토폴러지 최적화를 적용하여 얻어진 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 일례를 나타낸다. 도 5 에 있어서는, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 을 표시하기 위해서 루프부 (33) 를 비표시로 하고 있다. 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 상기의 해석 조건 (하중 구속 조건, 목적 조건, 제약 조건) 을 만족시키도록 입체 요소를 잔존 및 소거함으로써 구해진다.Fig. 5 shows an example of the optimal shape reinforcing member model 43 obtained by applying the topology optimization to the optimization analysis section 21. Fig. In Fig. 5, the loop unit 33 is non-displayed in order to display the optimal shape reinforcing member model 43. Fig. As shown in Fig. 5, the optimal shape reinforcing member model 43 is obtained by remaining and erasing the three-dimensional elements so as to satisfy the above-described analysis conditions (load restraint condition, target condition, constraint condition).

＜차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법＞&Lt; Optimization of Shape of Reinforcing Member of Vehicle Body &gt;

다음으로, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 (이하, 간단히 「형상 최적화 방법」이라고 한다) 에 대해, 이하에 설명한다.Next, a shape optimization method (hereinafter simply referred to as &quot; shape optimization method &quot;) of the reinforcing member of the vehicle body according to the present embodiment will be described below.

본 실시형태에 관련된 형상 최적화 방법은, 차체인 구조체의 일부에 구조체의 일부와 상이한 재질의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것으로서, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 구조체 모델 취득 스텝 (S1) 과, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 과, 재료 특성 설정 스텝 (S5) 과, 최적화 해석 모델 생성 스텝 (S7) 과, 최적화 해석 스텝 (S9) 을 포함하는 것이다. 이하, 각 스텝에 대해 설명한다. 또한, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 방법은, 상기의 각 스텝을 컴퓨터에 의해 구성된 형상 최적화 장치 (1) (도 1 참조) 를 사용하여 실행하는 것이다.The shape optimization method according to the present embodiment is a method for obtaining an optimal shape of a reinforcing member in reinforcing a structure by joining a part of the structure and a reinforcing member made of a different material to a part of the structure as a body, As shown in FIG. 5, the structure model acquisition step S1, the reinforcing member model generation step S3, the material characteristic setting step S5, the optimization analysis model generation step S7, and the optimization analysis step S9 will be. Hereinafter, each step will be described. The shape optimization method according to the present embodiment is to execute the above steps using the shape optimizing apparatus 1 (see Fig. 1) configured by a computer.

≪구조체 모델 취득 스텝≫&Quot; Structure model acquisition step &

구조체 모델 취득 스텝 (S1) 은, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 구조체를 모델화한 구조체 모델로서 도 2(a) 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 취득하는 스텝으로, 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는, 구조체 모델 취득부 (13) 가 실시한다.The structure model acquisition step S1 is a step of acquiring the vehicle body model 31 shown in Fig. 2A as a structure model obtained by modeling a structure using planar elements and / or three-dimensional elements, The structure model acquisition unit 13 performs the structure model acquisition.

≪보강 부재 모델 생성 스텝≫&Quot; Stiffener member model generation step &

보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 은, 입체 요소 (35a) (도 3 참조) 로 이루어지고, 차체 모델 (31) 의 일부와 결합하는 차체 모델 (31) 과는 다른 보강 부재 모델 (35) (도 2(b) 참조) 을 생성하는 스텝으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 보강 부재 모델 생성부 (15) 가 실시한다.The reinforcing-member-model generating step S3 includes a reinforcing-member model 35 (also shown in Fig. 3) different from the vehicle body model 31 coupled with a part of the vehicle body model 31 2 (b)). In the shape optimizing apparatus 1 shown in Fig. 1, the reinforcing-member-model generating unit 15 carries out the following steps.

≪재료 특성 설정 스텝≫&Quot; Material characteristic setting step &

재료 특성 설정 스텝 (S5) 은, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 에 있어서 생성한 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하는 스텝으로, 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 재료 특성 설정부 (17) 가 실시한다. 재료 특성 설정 스텝 (S5) 에 있어서 보강 부재 모델 (35) 에 설정하는 재료 특성으로는, 영률, 포아송비, 및 비중 등을 들 수 있다.The material characteristic setting step S5 is a step of setting the material characteristic of the reinforcing member model 35 generated in the reinforcing member model generating step S3 and the material characteristic setting unit 17 ). The material properties set in the reinforcement member model 35 in the material property setting step S5 include Young's modulus, Poisson's ratio, specific gravity and the like.

또한, 보강 부재가, 예를 들어 FRP 와 같이 그 재료 특성이 면내 이방성을 갖는 경우에 있어서는, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 주축 각도에 대응하는 재료 특성의 값을 설정함으로써, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성의 면내 이방성이 설정된다. 또, 보강 부재가 복수의 층으로 이루어지는 경우에 있어서는, 복수의 층마다 주축 각도를 설정하는 것도 가능하다.When the reinforcing member has an in-plane anisotropy in material properties such as, for example, FRP, it is possible to give a principal axis angle giving the in-plane anisotropy of the material properties of the reinforcing member model 35, By setting the value of the material characteristic, the in-plane anisotropy of the material characteristic of the reinforcing member model 35 is set. In the case where the reinforcing member is formed of a plurality of layers, it is also possible to set the main axis angle for each of a plurality of layers.

≪최적화 해석 모델 생성 스텝≫&Quot; Optimization analysis model generation step &

최적화 해석 모델 생성 스텝 (S7) 은, 보강 부재 모델 생성 스텝 (S3) 에 있어서 생성한 보강 부재 모델 (35) 을 차체 모델 (31) 의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하는 것으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 최적화 해석 모델 생성부 (19) 가 실시한다.The optimization analysis model generation step S7 combines the reinforcing member model 35 generated in the reinforcing member model generation step S3 with a part of the body model 31 to generate the optimization analysis model 41, In the shape optimizing apparatus 1 shown in Fig. 1, the optimization analysis model generating unit 19 carries out the optimization.

≪최적화 해석 스텝≫«Optimization analysis step»

최적화 해석 스텝 (S9) 은, 최적화 해석 모델 생성 스텝 (S5) 에 있어서 생성한 최적화 해석 모델 (41) 에 해석 조건을 부여하고, 보강 부재 모델 (35) 을 최적화의 해석 처리를 실시하는 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적 형상을 구하는 스텝으로, 도 1 에 나타내는 형상 최적화 장치 (1) 에 있어서는 최적화 해석부 (21) 가 실시한다.The optimization analysis step S9 gives an analysis condition to the optimization analysis model 41 generated in the optimization analysis model generation step S5 and sets the reinforcing member model 35 as an object for performing optimization analysis processing The optimization analysis unit 21 obtains the optimum shape of the reinforcing member model 35 by performing the optimization analysis in the shape optimizing apparatus 1 shown in Fig.

최적화 해석 모델 (41) 에 부여하는 해석 조건으로는, 최적화 해석 모델 (41) 에 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중 구속 조건 (도 4 참조) 과, 최적화 해석의 목적에 따라 설정하는 목적 조건이 있다.The analysis conditions to be given to the optimization analysis model 41 include load constraint conditions (see FIG. 4) for giving a position or a constraint position to which the load is added to the optimization analysis model 41, There are objective conditions.

최적화 해석 스텝 (S9) 에 있어서의 최적화 해석에는, 토폴러지 최적화를 적용할 수 있다. 또한, 토폴러지 최적화에 있어서 밀도법을 적용하는 경우, 요소의 패널티 계수를 3 이상으로 설정하여 이산화를 실시하도록 하는 것이 바람직하다. 그렇다고는 해도, 최적화 해석 스텝 (S9) 에 있어서의 최적화 해석에는, 다른 계산 방식에 의해 최적화의 해석 처리를 적용할 수 있고, 최적화의 해석 처리를 실시하는 것으로는, 예를 들어 시판되고 있는 유한 요소를 사용한 해석 소프트를 사용할 수 있다.Topology optimization can be applied to the optimization analysis in the optimization analysis step S9. In the case of applying the density method in topology optimization, it is preferable to set the penalty coefficient of the element to 3 or more to perform the discretization. Nevertheless, the optimization analysis can be applied to the optimization analysis in the optimization analysis step S9 by other calculation methods, and the optimization analysis can be performed by, for example, Can be used.

이상, 본 실시형태에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의하면, 차체인 구조체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있다. 또한, 최적의 형상의 보강 부재를 사용함으로써, 구조체의 경량화를 도모하는 것이 가능해진다. 최적의 형상의 보강 부재를 사용한 구조체의 경량화에 대해서는, 후술하는 실시예에 있어서 구체적으로 설명한다.As described above, according to the shape optimizing method and shape optimizing apparatus for the reinforcement member of the vehicle body according to the present embodiment, the optimal shape of the reinforcing member for reinforcing the body structure can be obtained with good precision. Further, by using the reinforcing member of the optimum shape, the weight of the structure can be reduced. The weight reduction of the structure using the reinforcing member of the optimum shape will be described in detail in the following embodiments.

또한, 상기에 있어서는, 차체의 루프를 보강하는 보강 부재의 형상 최적화를 대상으로 하여 설명했지만, 본 발명에서 형상 최적화의 대상으로 하는 부위는 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 차체의 도어 패널 (door outer panel), 트렁크 (trunk), 후드 (hood), 및 펜더 (fender) 등을 보강하는 보강 부재의 형상 최적화하는 것이어도 된다. 또한, 상기의 설명은, 구조체로서 자동차의 차체를 대상으로 한 것이지만, 본 발명은 구조체의 종류를 한정하는 것은 아니다. 또, 본 발명의 적용예로서, 강판 (steel sheet) 으로 이루어지는 구조체에, 수지, FRP (섬유 강화 수지, GFRP, CFRP 등), 알루미늄판, 마그네슘판, 티탄판 등을 첩부하는 경우 등이 상당한다.In the above description, the optimization of the shape of the reinforcing member for reinforcing the roof of the vehicle body has been described. However, the present invention is not limited to the shape optimization. For example, a door outer panel, a trunk, a hood, a fender, and the like. In addition, the above description is directed to a vehicle body of a vehicle as a structure, but the present invention does not limit the kind of the structure. As an application example of the present invention, the case of attaching a resin, FRP (fiber reinforced resin, GFRP, CFRP, etc.), an aluminum plate, a magnesium plate, a titanium plate, etc. to a structure made of a steel sheet .

실시예 1Example 1

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 실시예 1 에서는, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 자동차의 차체의 루프를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 실험을 실시했으므로, 이하, 이것에 대해 설명한다.In order to confirm the effect of the present invention, in the first embodiment, the shape optimization of the shape of the reinforcing member of the vehicle body and the shape optimizing apparatus relating to the present invention are used to determine the optimum shape of the reinforcing member for reinforcing the roof of the vehicle body This will be described below.

실험에 있어서는, 먼저, 도 2 에 나타내는 차체 모델 (31) 을 취득하였다. 차체 모델 (31) 은, 모두 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 차체를 모델화한 것으로, 차체 모델 (31) 의 재질은 강판으로 하고, 보강 부재 모델 (35) 의 재질은 수지로 하여, 그 재료 특성은 이하의 표 1 에 나타내는 바와 같이 설정하였다.In the experiment, first, the body model 31 shown in Fig. 2 was obtained. The vehicle body model 31 is a model of a vehicle body modeled by using a planar element and / or a three-dimensional element. The body model 31 is made of a steel plate, the reinforcing member model 35 is made of resin, Material properties were set as shown in Table 1 below.

Figure pct00001
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다음으로, 도 2(b) 에 나타내는 보강 부재 모델 (35) 을 생성하고, 보강 부재 모델 (35) 의 재료 특성을 설정하였다. 보강 부재 모델 (35) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (33) 의 하면으로부터 하방을 향하여 입체 요소 (35a) 를 겹쳐 쌓도록 생성하였다. 여기서, 보강 부재 모델 (35) 의 두께는 10 ㎜ 로 설정하였다. 또한, 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 는 셸 모델 (shell model) (평면 요소) 로 하였다. 또한, 보강 부재 모델 (35) 의 재료는 수지로 하고, 그 재료 특성으로서 표 1 에 나타내는 영률, 포아송비, 및 비중의 값을 설정하였다.Next, the reinforcing member model 35 shown in Fig. 2 (b) is created and the material characteristics of the reinforcing member model 35 are set. As shown in Fig. 3, the reinforcing member model 35 is formed so as to stack the three-dimensional elements 35a downward from the lower surface of the loop portion 33. As shown in Fig. Here, the thickness of the reinforcing member model 35 was set to 10 mm. The roof portion 33 of the body model 31 is a shell model (plane element). The material of the reinforcing member model 35 was resin, and the Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity values shown in Table 1 were set as the material properties thereof.

그리고, 재료 특성을 설정한 보강 부재 모델 (35) 을 도 3 에 나타내는 바와 같이 차체 모델 (31) 의 루프부 (33) 의 하면에 결합하고, 도 2 에 나타내는 최적화 해석 모델 (41) 을 생성하였다. 보강 부재 모델 (35) 과 루프부 (33) 의 결합은, 보강 부재 모델 (35) 의 입체 요소 (35a) 와 루프부 (33) 의 평면 요소 (33a) 각각의 노드 (절점) 를 공유시킴으로써 실시하였다.The reinforcing member model 35 in which the material characteristics are set is coupled to the lower face of the loop portion 33 of the body model 31 as shown in Fig. 3 to generate the optimization analysis model 41 shown in Fig. 2 . The coupling of the reinforcing member model 35 and the loop portion 33 is carried out by sharing the nodes (nodes) of the three-dimensional element 35a of the reinforcing member model 35 and the plane elements 33a of the loop portion 33 Respectively.

마지막으로, 생성한 최적화 해석 모델 (41) 에 해석 조건을 부여하여 토폴러지 최적화 해석 (topology optimization analysis) 을 실행하여, 보강 부재 모델 (35) 의 최적의 형상을 구하였다. 해석 조건으로는, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하고, 목적 조건을 변형 에너지 총합의 최소화, 제약 조건을 체적 제약률 20 ％ 이하로 하였다. 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건은, 차체 모델 (31) 의 4 개 지점의 잭 업 설치부 (도 4 중의 △ 표시) 를 완전 구속으로 하고, 루프부 (33) 의 상면의 절점에 대해 차체 높이 방향 하향에 500 N 의 분포 하중을 부여하는 것이다. 여기서, 분포 하중을 부여한 루프부 (33) 의 절점수는 24248 개로 하였다.Finally, the optimum shape of the reinforcing member model 35 is obtained by applying the analysis condition to the generated optimization analysis model 41 and executing a topology optimization analysis. As the analysis condition, the load constraint condition shown in Fig. 4 is given, and the target condition is set to minimize the total strain energy, and the constraint condition is set to 20% or less of volume constraint. The load restraint conditions shown in Fig. 4 are obtained by restricting the jack-up mounting portions (indicated by? In Fig. 4) of the four points of the body model 31 to complete restraint, And a distribution load of 500 N is applied downward. Here, the loop section 33 to which the distribution load is applied has a score of 24248.

최적화 해석에 의해 얻어진 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 결과를 도 5 에, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 차체 모델 (31) 에 부여했을 때의 차체 높이 방향의 차체 변위의 해석 결과를 도 7 에 나타낸다.Fig. 5 shows the results of the optimum shape reinforcement member model 43 obtained by the optimization analysis, and Fig. 7 shows results of analysis of the body displacement in the vehicle body height direction when the load restraint conditions shown in Fig. 4 are given to the body model 31. Fig. Respectively.

도 7 로부터, 루프부 (33) 의 중앙부 (도 7 중의 파선 타원으로 둘러싼 부위) 에 비해, 루프부 (33) 의 전단부 (81) 및 후단부 (83) 에 있어서의 변위가 큰 것을 알 수 있다. 도 5 및 도 7 의 결과로부터, 최적화 해석의 과정에 있어서, 차체 변위가 적은 부위에는 입체 요소 (35a) 는 잔존하지 않고, 차체 변위가 큰 부위를 지지하도록 입체 요소 (35a) 가 잔존하고, 그 결과, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 도 5(b) 중에 파선으로 나타내는 바와 같이, 차체의 전단부 및 후단부에 있어서 차체 폭 방향으로 연장되어 차체 좌우의 사이드 레일부 (side rail) (37) 를 잇는 브릿지 (bridge) 형상과, 브릿지 형상과 사이드 레일부 (37) 를 잇는 L 자 형상을 갖는 것이 되었다.7 shows that the displacement at the front end portion 81 and the rear end portion 83 of the loop portion 33 is larger than the center portion (the portion surrounded by the broken-line oval in Fig. 7) of the loop portion 33 have. 5 and 7, it can be understood from the results of the optimization analysis that the three-dimensional element 35a does not remain in the region where the vehicle body displacement is small and the three-dimensional element 35a remains to support the portion where the vehicle body displacement is large, As a result, as shown by the broken line in FIG. 5 (b), the optimal shape reinforcing member model 43 is formed so as to extend in the vehicle width direction at the front end portion and the rear end portion of the vehicle body, 37, and an L-shape connecting the bridge shape and the side rail portion 37. [0064]

도 8 에, 최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 전부 (前部) (도 8(b) 중의 A-A 단면) 및 중앙부 (도 8(b) 중의 B-B 단면) 에 있어서의 단면 형상을 나타낸다.8 shows the cross-sectional shape at the front portion (the A-A cross section in Fig. 8 (b)) and the central portion (the B-B cross section in Fig. 8 (b)) of the optimal shape reinforcing member model 43. Fig.

최적 형상 보강 부재 모델 (43) 은, 그 전부에서는, 도 8(a) 에 나타내는 바와 같이 두께 방향에 있어서 실외측의 입체 요소가 잔존한 형상인 데에 반해, 중앙부에서는, 도 8(c) 에 나타내는 바와 같이 두께 방향에 있어서 실외측의 입체 요소가 소거되어, 실내측의 입체 요소가 잔존한 형상으로 되어 있다.8 (a), the optimum shape reinforcing member model 43 has a shape in which the three-dimensional elements on the outdoor side remain in the thickness direction as shown in Fig. 8 (a) As shown, the three-dimensional elements on the outdoor side in the thickness direction are erased, and the three-dimensional elements on the indoor side remain.

최적 형상 보강 부재 모델 (43) 의 전부와 중앙부에서, 그 두께 방향의 형상이 상이했던 이유로는, 루프부 (33) 는 차체 모델 (31) 의 사이드 레일부 (37) 와 이어져 있고, 루프부 (33) 의 구속 상태가 필러 (39) (도 8(b) 참조) 의 위치에 따라 바뀌기 때문에, 최적화 해석에 있어서 보강 부재 모델 (35) 의 두께 방향으로 발생하는 응력 분포의 차이에서 기인되는 것을 생각할 수 있다.The loop portion 33 is connected to the side rail portion 37 of the vehicle body model 31 and the roof portion 33 is connected to the loop portion 33. [ 33) varies depending on the position of the filler 39 (refer to FIG. 8 (b)), it is conceivable that this is caused by the difference in the stress distribution occurring in the thickness direction of the reinforcing member model 35 in the optimization analysis .

도 9 에, 최적화 해석을 실시하기 전의 최적화 해석 모델 (41) 에 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여했을 때의 보강 부재 모델 (35) 의 응력 분포의 해석 결과를 나타낸다.Fig. 9 shows the result of analysis of the stress distribution of the reinforcing member model 35 when the load restraint conditions shown in Fig. 4 are given to the optimization analysis model 41 before the optimization analysis is performed.

보강 부재 모델 (35) 의 중앙부는, 필러 (pillar) (39) (도 8(b) 참조) 의 근방이기 때문에, 도 9 의 (d-2) 에 나타내는 바와 같은 고정단의 빔 모드에 가까운 응력 분포가 되는 데에 반해, 보강 부재 모델 (35) 의 전부는, 필러 (39) 로부터 떨어진 위치이기 때문에, 도 9 의 (d-1) 에 나타내는 바와 같은 응력 분포가 된다. 그리고, 이와 같은 두께 방향에 있어서의 응력 분포의 차이에 의해, 최적화 해석에 있어서 입체 요소가 잔존하는 부위에 차이가 생긴 것으로 생각된다.Since the central portion of the reinforcing member model 35 is in the vicinity of the pillar 39 (see Fig. 8 (b)), stress near the beam mode of the fixed end as shown in Fig. 9 (d- All of the reinforcing member model 35 is at a position away from the pillar 39, so that the stress distribution is as shown in Fig. 9 (d-1). It is considered that the difference in the stress distribution in the thickness direction causes a difference in the site where the three-dimensional element remains in the optimization analysis.

이상으로부터, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 양호한 정밀도로 구할 수 있는 것이 나타났다.From the above, it can be seen that the optimum shape of the reinforcing member for reinforcing the vehicle body can be obtained with good accuracy by the method of optimizing the shape of the reinforcing member of the vehicle body according to the present invention and the shape optimizing apparatus.

실시예 2Example 2

실시예 2 에서는, 본 발명에 의해 형상 최적화한 보강 부재를 사용하여 차체의 경량화를 검토하는 실험을 실시했으므로, 이하, 이것에 대해 설명한다.In the second embodiment, an experiment was conducted to examine the weight reduction of the vehicle body using the reinforcing member optimized in shape according to the present invention.

실험에서는, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해 구한 최적 형상 보강 부재 모델을 사용하고, 도 10 에 나타내는 바와 같은, 차체 좌우의 사이드 레일부 (57) 를 잇는 루프 레인포스 (55) 를 루프부 (53) 의 하면에 배치 형성한 차체 모델 (51) 을 대상으로 하여, 차체의 경량화를 검토하였다.In the experiment, the optimum shape reinforcing member model obtained by the shape optimizing method and the shape optimizing apparatus of the reinforcing member of the vehicle body according to the present invention is used, and a loop connecting the left and right side side rails 57 The vehicle body model 51 in which the rain force 55 is disposed on the lower surface of the loop portion 53 was studied to reduce the weight of the vehicle body.

먼저, 차체 모델 (51) 로부터 루프 레인포스 (55) 를 제거한 차체 모델 (61) 을 대상으로 하여, 본 실시형태에 관련된 형상 최적화 장치 (1) 또는 형상 최적화 방법에 의해, 도 10(c) 에 나타내는 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 구하고, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 차체 모델 (61) 의 루프부 (63) 에 결합하여 경량화 해석 모델 (도 5(a) 에 나타내는 최적화 해석을 실행한 후의 최적화 해석 모델 (41) 에 상당) 을 생성한다. 여기서, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 은, 전술한 실시예 1 에서 사용한 최적화 해석과 동일한 해석 조건을 부여하여 구한 것으로, 그 중량은 5.3 ㎏ 이었다.First, the vehicle body model 61 in which the roof reinforcement 55 is removed from the vehicle body model 51 is subjected to the shape optimizing apparatus 1 or the shape optimizing method according to the present embodiment, And the optimal shape reinforcing member model 65 is connected to the loop portion 63 of the body model 61 to obtain a lightening analysis model (Corresponding to the optimization analysis model 41 after the optimization). Here, the optimum shape reinforcing member model 65 was obtained by applying the same analysis conditions as the optimization analysis used in the first embodiment described above, and its weight was 5.3 kg.

다음으로, 루프 레인포스 (55) 를 갖는 차체 모델 (51) (도 10(a) 참조) 에, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하여 구조 해석 (structural analysis) 을 실시하여, 성능 유지의 목표가 되는 차체 특성의 목표치를 취득하였다. 본 실시예에서는, 차체 특성으로는 루프부 (53) 에 있어서의 차체 높이 방향의 최대 변위를 사용하였다.Next, a structural analysis is performed by applying the load restraint conditions shown in Fig. 4 to the vehicle body model 51 (see Fig. 10 (a)) having the loop reinforcement 55, The target values of the body characteristics are obtained. In the present embodiment, the maximum displacement in the height direction of the vehicle body in the loop portion 53 is used as the body characteristic.

마찬가지로, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델에 대해서도, 도 4 에 나타내는 하중 구속 조건을 부여하여 구조 해석을 실시하여, 경량화 해석 모델에 관련된 차체 특성의 해석치로서, 루프부 (63) (도 10(b) 참조) 에 있어서의 차체 높이 방향의 최대 변위를 취득하였다.Similarly, the weighted analysis model in which the optimal shape reinforcing member model 65 is combined is subjected to structural analysis by applying the load restraint conditions shown in FIG. 4 to obtain the loop shape of the loop portion 63 as an analysis value of the body characteristics related to the light- (See Fig. 10 (b)).

또한, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (해석치) 와, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (목표치) 를 비교하여, 경량화 최적화 모델의 최대 변위가 차체 모델 (51) 의 최대 변위보다 작은 경우, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 의 판 두께를 더욱 감소시켜 구조 해석을 실시하여, 루프부 (63) 의 최대 변위를 차체 특성의 해석치로서 다시 취득하였다.The maximum displacement (analytical value) in the loop section 63 of the lightweight analysis model is compared with the maximum displacement (target value) in the loop section 53 of the body model 51 to determine the maximum displacement The structural analysis is performed by further reducing the plate thickness of the loop portion 63 of the lightweight analysis model to determine the maximum displacement of the loop portion 63 as the analysis value of the body characteristic Respectively.

이와 같이, 경량화 해석 모델의 최대 변위가 차체 모델 (51) 의 최대 변위와 동등 (등가 강성 (equivalent stiffness)) 해질 때까지, 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 의 판 두께를 감소시켜 루프부 (63) 의 최대 변위를 취득하였다.As described above, the thickness of the loop portion 63 of the lightweight analysis model is reduced until the maximum displacement of the lightweight analysis model becomes equal to the maximum displacement of the body model 51 (equivalent stiffness) 63) was obtained.

도 11 에, 루프부 (63) 의 판 두께와 그 중량의 관계와, 루프부 (63) 의 판 두께와 차체의 변화 중량의 관계를 나타낸다.Fig. 11 shows the relationship between the plate thickness of the loop portion 63 and its weight, and the relationship between the plate thickness of the loop portion 63 and the change weight of the body.

도 11(b) 에 나타내는 차체의 변화 중량은, 루프 레인포스 (55) 가 형성되고, 또한, 루프부 (53) 의 판 두께가 1.2 ㎜ 인 차체 모델 (51) 의 중량을 기준으로 하여, 루프부 (63) 의 판 두께가 변화했을 때의 경량화 해석 모델의 변화 중량이고, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 의 중량으로부터 루프 레인포스 (55) 의 중량과 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 변화한 중량을 뺀 것이다.The change weight of the vehicle body shown in Fig. 11 (b) is a weight of the vehicle body model 51 in which the roof reinforcement 55 is formed and the thickness of the roof part 53 is 1.2 mm, The weight of the loop reinforcement 55 and the thickness of the loop portion 63 are reduced from the weight of the optimum shape reinforcing member model 65 Minus the changed weight.

예를 들어, 루프부 (63) 가 초기 판 두께 1.2 ㎜ 인 경우에 있어서의 차체의 변화 중량은, 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 변화하는 중량이 0 ㎏ 이기 때문에, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 의 중량 (= 5.3 ㎏) 으로부터 루프 레인포스 (55) 의 중량 (= 1.7 ㎏) 을 뺀 값 (5.3 ㎏ ― 1.7 ㎏ = ＋3.6 ㎏) 이 된다.For example, when the initial thickness of the roof portion 63 is 1.2 mm, the change weight of the vehicle body is 0 kg due to the reduction in thickness of the roof portion 63, (5.3 kg - 1.7 kg = +3.6 kg) obtained by subtracting the weight (= 1.7 kg) of the loop reinforcement 55 from the weight (= 5.3 kg) of the model 65.

실시예 2 에서 대상으로 한 경량화 해석 모델의 루프부 (63) 는, 초기의 판 두께가 1.2 ㎜, 중량이 15.6 ㎏ 이고, 도 11(a) 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (63) 의 중량은, 그 판 두께와의 상관 계수 (correlation coefficient) R 이 R2 = 1 이 되는 점에서, 그 판 두께의 감소와 함께 직선적으로 감소한다.The weight of the loop portion 63 of the weighted analysis model of the second embodiment is 1.2 mm and the weight of the loop portion 63 is 15.6 kg, and as shown in Fig. 11 (a) And the correlation coefficient R with the thickness of the plate becomes R 2 = 1, the thickness decreases linearly with the decrease of the plate thickness.

그리고, 도 11(b) 에 나타내는 바와 같이, 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 수반하여 차체의 변화 중량은 감소하고, 루프부 (63) 의 판 두께가 0.93 ㎜ 일 때, 차체의 변화 중량은 0 ㎏ 이 된다. 즉, 루프부 (63) 의 판 두께를 0.93 ㎜ 이하로 감소시킴으로써, 경량화 해석 모델은 차체 모델 (51) 보다 경량화할 수 있는 것을 알 수 있다.11 (b), the change weight of the vehicle body decreases with the reduction of the thickness of the roof portion 63, and when the thickness of the roof portion 63 is 0.93 mm, Is 0 kg. That is, by reducing the plate thickness of the loop portion 63 to 0.93 mm or less, it can be seen that the lightweight analysis model can be made lighter than the vehicle body model 51.

도 12 에, 루프부 (63) 의 판 두께를 변경했을 때의 경량화 해석 모델의 강성 향상률을 나타낸다. 여기서, 강성 향상률은, 루프 레인포스 (55) 가 형성되어 있는 차체 모델 (51) 의 강성과, 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델의 강성의 비이고, 차체 모델 (51) 및 경량화 해석 모델의 강성은, 루프부 (53) 및 루프부 (63) 각각에 부여된 하중의 총합을 최대 변위로 나눈 값이다.12 shows the stiffness improvement rate of the lightweight analysis model when the plate thickness of the loop portion 63 is changed. Here, the stiffness improvement ratio is a ratio of the stiffness of the vehicle body model 51 in which the loop reinforcement 55 is formed to the stiffness of the lightweight analysis model in which the optimal shape stiffener member model 65 is combined, The rigidity of the lightweight analysis model is a value obtained by dividing the total sum of the loads imparted to the loop portion 53 and the loop portion 63 by the maximum displacement.

도 12 로부터, 루프부 (63) 가 초기 판 두께 1.2 ㎜ 일 때, 경량화 해석 모델의 강성은, 차체 모델 (51) 에 비해 약 33 ％ 높은 값이다. 그리고, 루프부 (63) 의 판 두께를 감소시키면, 경량화 해석 모델의 강성 향상률은 감소하고, 판 두께 0.53 ㎜ 일 때에 강성 향상률은 거의 0 ％, 즉, 루프 레인포스 (55) 를 갖는 차체 모델 (51) 의 강성과 거의 동등해진다 (등가 강성).12 that the rigidity of the lightweight analysis model is about 33% higher than that of the body model 51 when the roof portion 63 has an initial plate thickness of 1.2 mm. When the plate thickness of the loop portion 63 is reduced, the stiffness improvement rate of the lightweight analysis model decreases. When the plate thickness is 0.53 mm, the stiffness improvement rate is substantially 0%, that is, 51) (equivalent stiffness).

도 13 에, 차체 모델 (51) (최적 형상 보강 부재 모델 (65) (도 10(c) 참조) 없음) 과, 루프부 (63) 에 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 결합한 경량화 해석 모델 (71) (루프부 (63) 의 판 두께 1.2 ㎜ 및 0.53 ㎜) 에 있어서의 차체 변위의 해석 결과를 나타낸다.Fig. 13 shows a lightweight analysis model (Fig. 13) in which the body model 51 (without the optimal shape reinforcing member model 65 (see Fig. 10 (c)) and the optimum shape reinforcing member model 65 with the loop portion 63 71 (plate thickness of 1.2 mm and 0.53 mm of the loop portion 63).

경량화 해석 모델 (71) 의 루프부 (63) 의 판 두께가 1.2 ㎜ 인 경우 (도 13(b) 참조), 경량화 해석 모델 (71) 의 차체 변위는, 차체 모델 (51) 의 차체 변위에 비해 전체적으로 작아, 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (―0.21 ㎜) 는, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 보다 작은 값이다.The vehicle body displacement of the lightening analysis model 71 is smaller than the vehicle body displacement of the vehicle body model 51 when the thickness of the roof portion 63 of the lightening analysis model 71 is 1.2 mm (see Fig. 13 (b) The maximum displacement (-0.21 mm) in the loop portion 63 is smaller than the maximum displacement (-0.28 mm) in the loop portion 53 of the body model 51. Therefore,

한편, 경량화 해석 모델 (71) 의 루프부 (63) 의 판 두께가 0.53 ㎜ 인 경우 (도 13(c) 참조), 루프부 (63) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 를 나타내는 부위는, 차체 모델 (51) 의 루프부 (53) 에 있어서의 최대 변위 (―0.28 ㎜) 를 나타내는 부위와 상이하지만, 양자의 최대 변위는 동등한 값이다.On the other hand, in the case where the thickness of the loop portion 63 of the lightening analysis model 71 is 0.53 mm (see Fig. 13 (c)), the portion showing the maximum displacement (-0.28 mm) And the maximum displacement (-0.28 mm) in the loop portion 53 of the vehicle body model 51, the maximum displacement of both is equivalent.

따라서, 도 11 ∼ 도 13 의 결과로부터, 루프 레인포스 (55) 대신에 최적 형상 보강 부재 모델 (65) 을 사용한 경우, 루프부 (63) 의 판 두께를 1.2 ㎜ 에서 0.53 ㎜ 로 감소시킴으로써, 도 11(b) 의 점선 화살표로부터, 루프부 (63) 의 판 두께 0.53 ㎜ 는 차체의 변화 중량 ―5.2 ㎏ 에 대응하기 때문에, 루프 레인포스 (55) 가 형성되어 있는 차체 모델 (51) 과 동등한 강성을 유지한 채로, 루프 레인포스 (55) 의 삭감과 루프부 (63) 의 판 두께 감소에 의해 차체 중량을 5.2 ㎏ 경량화할 수 있는 것이 나타났다.11 to 13, when the optimum shape reinforcing member model 65 is used instead of the loop reinforcement 55, by reducing the plate thickness of the loop portion 63 from 1.2 mm to 0.53 mm, Since the plate thickness of 0.53 mm of the loop portion 63 corresponds to the change weight of -5.2 kg of the vehicle body from the dotted arrow of 11 (b), the rigidity equivalent to that of the vehicle body model 51 in which the loop reinforcement 55 is formed The weight of the vehicle body can be reduced to 5.2 kg by reducing the loop reinforce force 55 and reducing the thickness of the loop portion 63. [

이상, 본 발명에 관련된 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치에 의해, 차체를 보강하는 보강 부재의 최적의 형상을 구하고, 최적 형상의 보강 부재를 차체에 결합함으로써, 차체의 성능을 유지한 채로 차체를 경량화할 수 있는 것이 실증되었다.As described above, by optimizing the shape of the reinforcing member for reinforcing the vehicle body and obtaining the shape of the reinforcing member of the optimum shape by the method of optimizing the shape of the reinforcing member of the vehicle body and the shape optimizing apparatus of the present invention, It has been demonstrated that the vehicle body can be made lighter.

산업상 이용 가능성Industrial availability

본 발명에 의하면, 차체인 구조체의 일부에 구조체와 상이한 재료 특성의 보강 부재를 결합하여 구조체를 보강하는 데에 있어서, 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 것이 가능한 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법 및 형상 최적화 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided a method for optimizing the shape of a reinforcing member of a vehicle body, which can obtain an optimal shape of a reinforcing member in reinforcing a structure by joining reinforcing members of different material characteristics to a part of the structure, An optimization device can be provided.

1 : 형상 최적화 장치
3 : 표시 장치
5 : 입력 장치
7 : 기억 장치
9 : 작업용 데이터 메모리
11 : 연산 처리부
13 : 구조체 모델 취득부
15 : 보강 부재 모델 생성부
17 : 재료 특성 설정부
19 : 최적화 해석 모델 생성부
21 : 최적화 해석부
23 : 구조체 모델 파일
31 : 차체 모델
33 : 루프부
33a : 평면 요소
35 : 보강 부재 모델
35a : 입체 요소
37 : 사이드 레일부
39 : 필러
41 : 최적화 해석 모델
43 : 최적 형상 보강 부재 모델
51 : 차체 모델
53 : 루프부
55 : 루프 레인포스
57 : 사이드 레일부
61 : 차체 모델
63 : 루프부
65 : 최적 형상 보강 부재 모델
71 : 경량화 해석 모델
81 : 전단부
83 : 후단부1: Shape optimizer
3: Display device
5: Input device
7: Memory
9: Data memory for work
11:
13: Structure model acquisition unit
15: Reinforcement member model generation unit
17: Material property setting section
19: Optimization analysis model generation unit
21: Optimization analysis section
23: Structure Model File
31: Body model
33: loop portion
33a: Planar element
35: reinforcement member model
35a: three-dimensional element
37: Side railings
39: filler
41: Optimization Analysis Model
43: Optimal shape reinforcement member model
51: Body model
53:
55: Loop Rainforest
57: Side railway
61: Body model
63:
65: Optimum shape reinforcement member model
71: Lightweight analysis model
81:
83: rear end

Claims (8)

차체인 구조체의 일부에 결합하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법으로, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 실시하는 것으로서,
평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득 스텝과,
입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성 스텝과,
그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정 스텝과,
상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성 스텝과,
그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.A method of optimizing a shape of a reinforcing member of a vehicle body that obtains an optimum shape of a reinforcing member having a different material characteristic from that of a structure that is joined to a part of a vehicle body structure,
A structure model acquiring step of acquiring a structure model obtained by modeling the structure using a planar element and / or a three-
A reinforcing member model generating step of generating a reinforcing member model made of a three-dimensional element and different from the structure that is combined with a part of the structure model,
A material property setting step of setting a material property of the reinforcing member model,
An optimization analysis model generation step of combining the reinforcing member model with a part of the structure model to generate an optimization analysis model;
And an optimizing analysis step of giving an analysis condition to the generated optimization analysis model and performing optimization analysis with the reinforcing member model as an object of optimization analysis to obtain an optimum shape of the reinforcing member model A method of optimizing a shape of a reinforcing member of a vehicle body. 제 1 항에 있어서,
상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the material property setting step sets the Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity as material characteristics of the reinforcing member model. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 재료 특성 설정 스텝은, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the material characteristic setting step includes the steps of providing a main axis angle giving the in-plane anisotropy of the material properties of the reinforcing member model and setting the values of the material characteristics corresponding to the principal axis angles, Wherein the layer having the principal axis angle of the reinforcing member is superimposed. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최적화 해석 스텝은, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 방법.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the optimization analysis step performs an analysis process by topology optimization. 차체인 구조체의 일부에 결합하는 그 구조체와 재료 특성이 상이한 보강 부재의 최적의 형상을 구하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치로서,
평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 상기 구조체를 모델화한 구조체 모델을 취득하는 구조체 모델 취득부와,
입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델의 일부와 결합하는 상기 구조체와는 다른 보강 부재 모델을 생성하는 보강 부재 모델 생성부와,
그 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 재료 특성 설정부와,
상기 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델의 일부에 결합하여 최적화 해석 모델을 생성하는 최적화 해석 모델 생성부와,
그 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 최적화의 해석 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 상기 보강 부재 모델의 최적의 형상을 구하는 최적화 해석부를 구비하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.An apparatus for optimizing a shape of a reinforcing member of a vehicle body that obtains an optimum shape of a reinforcing member having a material characteristic different from that of a structure that is joined to a part of a body structure,
A structure model acquisition unit for acquiring a structure model obtained by modeling the structure using a planar element and / or a solid element,
A reinforcing member model generating unit for generating a reinforcing member model made of a three-dimensional element and different from the structure that is coupled to a part of the structure model,
A material property setting unit for setting a material property of the reinforcing member model,
An optimization analysis model generation unit for combining the reinforcing member model with a part of the structure model to generate an optimization analysis model;
And an optimization analysis unit for giving an analysis condition to the generated optimization analysis model and performing optimization analysis with the reinforcing member model as an analysis target of optimization so as to obtain an optimum shape of the reinforcing member model. The shape of the reinforcing member of the reinforcing member. 제 5 항에 있어서,
상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성으로서, 영률, 포아송비, 및 비중을 설정하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the material property setting section sets the Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity as material characteristics of the reinforcing member model. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 재료 특성 설정부는, 상기 보강 부재 모델의 재료 특성의 면내 이방성을 부여하는 주축 각도를 부여하고, 그 주축 각도에 대응하는 상기 재료 특성의 값을 설정하고, 복수의 층으로 이루어지는 경우에는, 각각의 주축 각도를 갖는 층을 중첩하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.The method according to claim 5 or 6,
Wherein the material property setting unit sets a main axis angle giving an in-plane anisotropy of a material characteristic of the reinforcing member model and sets a value of the material characteristic corresponding to the main axis angle, Wherein a layer having a principal axis angle is superimposed on the surface of the reinforcing member. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최적화 해석부는, 토폴러지 최적화에 의한 해석 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 차체의 보강 부재의 형상 최적화 장치.8. The method according to any one of claims 5 to 7,
Wherein the optimization analysis unit performs an analysis process by topology optimization.
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