KR20230136179A - 차체의 경량화 방법 및 장치 - Google Patents

차체의 경량화 방법 및 장치 Download PDF

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타카노부 사이토
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 차체의 경량화 방법은, 복수의 요소로 모델화한 차체 부품과 접합점(121)을 구비한 차체 모델(100)을 취득하는 스텝(S1)과, 각 차체 부품의 요소마다 차체 성능에 대한 감도를 구하는 스텝(S3)과, 요소마다 구한 감도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 다시 일체화하는 차체 부품을 결정하는 스텝(S5)과, 당해 결정에 기초하여 차체 부품을 분할 및 다시 일체화한 최적화 해석 모델(200)을 생성하는 스텝(S7)과, 차체 질량과 차체 성능에 관한 최적화 해석 조건과 하중·구속 조건을 설정하는 스텝(S9)과, 설정한 하중·구속 조건 및 최적화 해석 조건하에서, 최적화 해석 모델에 있어서의 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 판두께의 최적화 해석을 행하는 스텝(S11)을 포함한다.

Description

차체의 경량화 방법 및 장치
본 발명은, 차체의 경량화(weight reduction) 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 자동차 등의 복수의 차체 부품(automotive part)으로 이루어지고, 미리 차체 부품으로의 분할 위치를 고정한 차체에 대해서, 차체 부품의 분할 위치를 변경하여, 차체 특성을 보존유지(保持)한 채, 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 행할 수 있는 차체의 경량화 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 특히 자동차 산업에 있어서는 환경 문제에 기인한 차체의 경량화가 진행되고 있고, 차체의 설계에 CAE(computer aided engineering) 해석은 없어서는 안 될 기술이 되고 있다. 이 CAE 해석에서는 강성 해석(stiffness analysis), 충돌 해석(crashworthiness analysis) 및 진동 해석(vibration analysis) 등이 실시되어, 차체의 경량화와 차체 성능의 향상에 크게 기여하고 있다.
또한, CAE 해석에서는 단순한 성능 평가 뿐만 아니라, 수리 최적화(mathematical optimization), 치수 최적화, 형상 최적화(shape optimization) 및 토폴로지 최적화(topology optimization) 등의 최적화 기술을 이용함으로써 각종 차체 성능의 향상이나 차체의 경량화를 도모할 수 있는 것이 알려져 있다. 이러한 최적화 기술로서, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 복잡한 구조체(structural body)의 컴퍼넌트의 토폴로지 최적화를 위한 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 최적화 기술을 이용하여 차체 성능에 대한 차체 부품의 감도 해석(sensitivity analysis)을 행하고, 감도 해석의 결과에 기초하여 차체의 경량화와 차체 성능 향상을 위해 대책을 실시해야 할 차체 부품을 명확하게 하는 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 2010-250818호 일본공개특허공보 2020-60820호
특허문헌 2에 개시되어 있는 방법은, 미리 차체 부품으로의 분할 위치를 고정한 차체에 대해서, 차체 부품을 모델화하고, 당해 모델에 이용한 각 요소의 차체 성능에 대한 감도를 감도 해석에 의해 산출하고, 산출한 각 요소의 감도에 기초하여 차체 부품마다의 감도를 구하고, 판두께나 재료 특성(material property)의 변경과 같은 대책을 실시하는 대상이 되는 차체 부품을 명확하게 하는 것이었다.
당해 방법은, 동일한 차체 부품 내에 감도의 분포가 있어도, 차체 부품마다 감도의 대소를 판단하기 때문에, 대책을 실시한다고 판단된 차체 부품의 판두께나 재료 특성을 변경하는 것이었다. 그 때문에, 판두께 등을 변경한다고 판단된 차체 부품이라고 해도, 당해 차체 부품 내에 있어서는 판두께 등을 변경해야 할 것이 아닌 부위가 존재하는 경우도 있고, 분할 위치가 고정되기 때문에 차체 부품의 판두께 등을 변경해도 차체 성능을 효율적으로 또한 충분히 향상할 수 없는 경우가 있었다.
그래서, 차체를 복수의 차체 부품으로 분할하고, 또는, 복수의 차체 부품을 일체화하고, 분할 또는 다시 일체화한 새로운 차체 부품마다 판두께나 재료 특성을 적절히 설정하면, 차체 성능을 보존유지하면서 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 도모할 수 있다고 생각된다.
차체 부품의 분할 또는 일체화를 결정하는 방법으로서, 차체 부품에 가해지는 하중(load)에 의해 발생하고 있는 응력(stress)이나 변형(strain)에 기초하여 행하는 방법이 생각된다. 당해 방법에 있어서는, 차체 부품에 있어서의 응력 등이 큰 부위와 작은 부위의 경계를 분할 위치로 결정하고, 응력 등이 동(同)정도인 차체 부품은 일체화한다고 결정하는 것이 가능해진다.
그러나, 당해 방법에서는, 차체 부품을 분할 또는 일체화하여 응력 등이 큰 차체 부품의 판두께를 늘리고, 응력 등이 작은 차체 부품의 판두께를 줄여도, 차체 성능을 보존유지하면서, 차체를 경량화할 수 있을지 전혀 불분명했다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그의 목적은, 차차체의 성능을 보존유지하면서, 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 도모할 수 있는 차체의 경량화 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 차체의 경량화 방법은, 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하여, 상기 차체 모델의 경량화를 행하는 것으로서, 복수의 요소(element)로 모델화한 상기 복수의 차체 부품과, 당해 복수의 차체 부품을 부품조(parts assembly)로서 접합하는 접합점을 구비하는 상기 차체 모델(automotive body model)을 취득하는 차체 모델 취득 스텝과, 당해 차체 모델의 차체 성능에 관한 목적 조건(objectives) 및 당해 차체 모델의 체적(volume)에 관한 제약 조건(constraints)과, 당해 차체 모델에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 당해 하중·구속 조건(loading and constraint condition) 혹은 하중 조건(loading condition)만 및 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 감도를 구하는 감도 해석 스텝과, 당해 각 요소의 감도에 기초하여, 상기 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 상기 차체 부품을 결정하는 차체 부품 분할 위치·일체화 결정 스텝과, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품 중 상기 분할하는 위치 및/또는 일체화를 결정한 상기 차체 부품을 분할 및/또는 일체화하고, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델을 생성하는 판두께의 최적화 해석 모델 생성 스텝과, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건(optimized analysis condition)으로서, 상기 최적화 해석 모델의 차체 질량(body mass)에 관한 목적 조건과, 상기 최적화 해석 모델의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 상기 최적화 해석 모델에 부여하는 하중·구속 조건을 설정하는 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝과, 상기 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝에 있어서 설정한 상기 하중·구속 조건 및 상기 최적화 해석 조건하에서 상기 판두께의 최적화 해석을 행하여, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 판두께의 최적화 해석 스텝을 포함한다.
상기 감도 해석 스텝은, 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 재료 밀도(element densities)를 산출하고, 당해 산출한 각 요소의 재료 밀도를 당해 각 요소의 감도로 하면 좋다.
상기 차체 모델 취득 스텝은, 취득한 상기 차체 모델에 대하여, 상기 접합점(joining point)에 더하여 상기 부품조(parts assembly)를 접합(joining) 가능한 모든 추가 접합점을 설정하면 좋다.
본 발명에 따른 차체의 경량화 장치는, 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 당해 차체 모델의 경량화를 행하는 것으로서, 복수의 요소로 모델화한 상기 복수의 차체 부품과, 당해 복수의 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점을 구비하는 상기 차체 모델을 취득하는 차체 모델 취득부와, 당해 차체 모델의 차체 성능에 관한 목적 조건 및 당해 차체 모델의 체적에 관한 제약 조건과, 당해 차체 모델에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 당해 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만 및 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 감도를 구하는 감도 해석부와, 당해 각 요소의 감도에 기초하여, 상기 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 상기 차체 부품을 결정하는 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부와, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품 중 상기 분할하는 위치 및/또는 일체화를 결정한 상기 차체 부품을 분할 및/또는 일체화하고, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델을 생성하는 판두께의 최적화 해석 모델 생성부와, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건으로서, 상기 최적화 해석 모델의 차체 질량에 관한 목적 조건과, 상기 최적화 해석 모델의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 상기 최적화 해석 모델에 부여하는 하중·구속 조건을 설정하는 판두께의 최적화 해석 조건 설정부와, 상기 판두께의 최적화 해석 조건 설정부에 의해 설정된 상기 하중·구속 조건 및 상기 최적화 해석 조건하에서 상기 판두께의 최적화 해석을 행하여, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 판두께의 최적화 해석부를 구비한다.
상기 감도 해석부는, 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 재료 밀도를 산출하고, 당해 산출한 각 요소의 재료 밀도를 당해 각 요소의 감도로 하면 좋다.
상기 차체 모델 취득부는, 취득한 상기 차체 모델에 대하여, 상기 접합점에 더하여 상기 부품조를 접합 가능한 모든 추가 접합점을 설정하면 좋다.
본 발명에 의하면, 차체 성능에 대한 감도를 차체 부품의 모델화에 이용한 요소마다 구하고, 당해 구한 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도에 기초하여 분할 및 일체화하는 차체 부품을 결정하고, 당해 결정에 의해 분할 또는 다시 일체화한 차체 부품을 갖는 최적화 해석 모델에 대해서 판두께의 최적화 해석을 행함으로써, 차체를 경량화하기 위해 차체 부품을 분할 및 일체화하고, 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구할 수 있어, 차체 성능을 보존유지하면서 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 도모할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 차체의 경량화 장치의 블록도(block diagram)이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 해석 대상으로 하는 차체 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 해석 대상으로 하는 차체 모델에 있어서의 접합점과 접합 가능한 모든 추가 접합점을 나타내는 도면이다((a) 접합점, (b) 접합점 및 접합 가능한 모든 추가 접합점).
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 차체 모델에 부여하는 하중·구속 조건의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 차체 모델의 프런트측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 산출한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 프런트측의 측면도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 차체 부품을 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 프런트측의 측면도).
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 차체 모델의 리어측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 산출한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 리어측의 상면도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 차체 부품을 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 리어측의 상면도).
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 차체 모델의 좌측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 구한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 좌측의 사시도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 차체 부품을 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 좌측의 사시도).
도 8은, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 차체 부품을 분할 및 일체화하여 다시 생성한 최적화 해석 모델의 일 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델, (b) 다시 생성한 최적화 해석 모델).
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 따른 차체의 경량화 방법의 처리의 흐름을 나타내는 플로우도이다.
도 10은, 본 발명의 실시 형태의 다른 태양에 있어서, 차체 모델의 프런트측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 구한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 프런트측의 측면도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 프런트측의 측면도).
도 11은, 본 발명의 실시 형태의 다른 태양에 있어서, 차체 모델의 리어측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 구한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 리어측의 상면도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 분할 및 일체화하여 다시 생성한 최적화 해석 모델의 리어측의 상면도).
도 12는, 본 발명의 실시 형태의 다른 태양에 있어서, 차체 모델의 좌측에 있어서의 차체 부품의 감도 해석의 결과와, 감도 해석에 의해 감도로서 구한 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정한 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델의 좌측의 사시도, (b) 감도 해석에 의해 구한 재료 밀도, (c) 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 좌측의 사시도).
도 13은, 본 발명의 실시 형태의 다른 태양에 있어서, 차체 부품을 분할 및 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델의 일 예를 나타내는 도면이다((a) 미리 부여된 원래의 차체 모델, (b) 다시 생성한 최적화 해석 모델).
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명의 실시 형태에 대해서 설명하기에 앞서, 본 발명에서 대상으로 하는 차체 모델에 대해서 설명한다.
＜차체 모델＞
본 발명에서 대상으로 하는 차체 모델(100)은, 도 2에 일 예로서 나타내는 바와 같이, 복수의 차체 부품을 구비하는 것이다. 차체 부품으로서는, A 필러(A-pillar) 로우어(101), A 필러 어퍼(103), 리어 루프 레일 센터(105), 리어 루프 레일 사이드(107), 컴파트먼트 센터 A(109), 컴파트먼트 사이드 A(111), 컴파트먼트 센터 B(113), 컴파트먼트 사이드 B(115), 사이드 실 아우터(side sill outer)(117), 휠 하우스 리인포스(119), 등의 차체 골격 부품(body frame parts)이나, 서스펜션 부품 등의 언더캐리지 부품(suspension part)(도시 없음) 등을 들 수 있다. 그리고, 이들 차체 부품은, 복수의 셸 요소(shell element) 및/또는 솔리드 요소(solid element)로 모델화되어 있다.
또한, 차체 모델(100)에 있어서는, 도 3(a)에 일 예로서 나타내는 바와 같이, 복수의 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점(121)이 소정의 간격으로 설정되어 있다. 또한, 차체 모델(100)에 있어서 접합점(121)의 간격은, 25∼60㎜로 설정되어 있다.
또한, 차체 모델(100)을 구성하는 각 차체 부품의 재료 특성이나 요소 정보, 나아가서는, 각 부품조에 있어서의 접합점(121)(도 2(a)) 등에 관한 정보는, 후술하는 차체 모델 파일(25)(도 1 참조)에 격납되어 있다.
＜경량화 장치＞
본 발명의 실시 형태에 따른 차체 모델의 경량화를 행하는 경량화 장치의 구성에 대해서, 이하에 설명한다.
본 실시 형태에 따른 경량화 장치(1)는, 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 당해 차체 모델의 경량화를 행하는 것이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 경량화 장치(1)는, PC(퍼스널 컴퓨터) 등에 의해 구성되고, 표시 장치(display device)(3), 입력 장치(input device)(5), 기억 장치(memory storage)(7), 작업용 데이터 메모리(working data memory)(9) 및 연산 처리부(arithmetic processing unit)(11)를 갖고 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, 도 2 및 도 3에 나타내는 차체 모델(100)을 해석 대상으로 하여, 감도 해석의 결과에 기초하여 차체 부품을 분할 및 일체화하여, 최적인 판두께를 구하는 경우에 대해서, 본 실시 형태에 따른 경량화 장치(1)의 각 구성을 설명한다.
≪표시 장치≫
표시 장치(3)는, 해석 결과의 표시 등에 이용되고, 액정 모니터(LCD monitor) 등으로 구성된다.
≪입력 장치≫
입력 장치(5)는, 차체 모델 파일(25)의 표시 지시나 조작자의 조건 입력 등에 이용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.
≪기억 장치≫
기억 장치(7)는, 후술하는 바와 같은, 차체 모델에 관한 각종 정보를 기록한 차체 모델 파일(25)과 같은 각종 파일의 격납 등에 이용되고, 하드 디스크 등으로 구성된다.
≪작업용 데이터 메모리≫
작업용 데이터 메모리(9)는, 연산 처리부(11)에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산에 이용되고, RAM(Random Access Memory) 등으로 구성된다.
≪연산 처리부≫
연산 처리부(11)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 차체 모델 취득부(13)와, 감도 해석부(15)와, 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)와, 판두께의 최적화 해석 모델 생성부(19)와, 판두께의 최적화 해석 조건 설정부(21)와, 판두께의 최적화 해석부(23)를 갖고, PC 등의 CPU(중앙 연산 처리 장치(central processing unit))에 의해 구성된다. 이들 각 부는, CPU가 소정의 프로그램을 실행함으로써 기능한다. 연산 처리부(11)에 있어서의 상기의 각 부의 기능을 이하에 설명한다.
(차체 모델 취득부)
차체 모델 취득부(13)는, 도 2 및 도 3(a)에 나타내는 바와 같은, 복수의 요소로 모델화한 차체 부품(A 필러 로우어(101) 등)과, 복수의 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점(121)을 구비하는 차체 모델(100)을 취득하는 것이다.
본 실시 형태에 있어서, 차체 모델(100)을 구성하는 각 차체 부품은, 일 예로서, 셸 요소에 의해 모델화되어 있는 것으로 하고, 각 차체 부품을 구성하는 셸 요소나 각 차체 부품의 재료 특성(영률(Young's modulus), 비중(specific gravity), 푸아송비(Poisson's ratio) 등)에 관한 정보는, 기억 장치(7)에 격납되어 있는 차체 모델 파일(25)(도 1 참조)에 기록되어 있다. 그 때문에, 차체 모델 취득부(13)는, 차체 모델 파일(25)을 읽어들임으로써, 차체 모델(100)을 취득할 수 있다.
(감도 해석부)
감도 해석부(15)는, 차체 모델(100)의 차체 성능에 관한 목적 조건 및 차체 모델(100)의 체적(volume)에 관한 제약 조건과, 차체 모델(100)에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 설정한 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만과 제약 조건하에서 목적 조건을 충족하는 각 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도를 구하는 것이다.
본 실시 형태에 있어서, 감도 해석부(15)에 의해 설정하는 차체 성능에 관한 목적 조건으로서는, 차체 모델(100)에 있어서의 변형 에너지(strain energy) 총 합의 최소화, 변위(displacement)의 최소화, 응력의 최소화, 강성의 최대화 등이 있고, 대상으로 하는 차체 성능에 따라서 이들 목적 조건을 적절히 선택하면 좋다.
또한, 감도 해석부(15)에 의해 설정하는 차체 모델(100)의 체적에 관한 제약 조건으로서는, 차체 부품의 체적을 규정하는 체적 제약률(volume fraction ratio) 등이 있다.
감도 해석부(15)에 의해 차체 모델(100)에 설정하는 하중·구속 조건으로서, 예를 들면, 도 4에 예시하는 하중·구속 조건을 설정한다. 도 4에 나타내는 하중·구속 조건은, 차체 모델(100)의 좌우의 프런트 서스펜션(front suspension) 부착 위치(도면 중 P)를 하중점으로 하고, 한쪽에 연직 방향 상향의 하중을, 다른 한쪽에 연직 방향 하향의 하중을 부여하고, 또한, 차체 모델(100)의 좌우의 리어 서브프레임(rear subframe) 부착 위치(도면 중 Q)를 구속한 것이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 감도 해석부(15)는, 밀도법(densimetry)을 적용한 토폴로지 최적화를 이용하여, 각 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도로서 각 요소의 재료 밀도를 산출하면 좋다. 이 때 산출되는 각 요소의 재료 밀도란, 식 (1)에 나타내는 밀도(ρ)에 상당하는 것이다.
식 (1) 중의 규격화된 밀도(ρ)는, 각 요소에 있어서의 재료의 충전 상태를 나타내는 가상적인 밀도로서, 0에서 1까지의 값을 취한다. 즉, 요소의 재료 밀도(ρ)가 1이면, 요소에는 재료가 완전하게 충전되어 있는 상태, 재료 밀도(ρ)가 0이면 요소에 재료가 충전되어 있지 않아 완전하게 공동의 상태를 나타내고, 요소의 재료 밀도가 0에서 1의 중간값이면, 그 요소는 재료라고도 공동이라고도 하지 않는 중간적인 상태를 나타낸다.
그리고, 토폴로지 최적화에 의해 산출되는 재료 밀도는, 차체 성능에 대한 기여가 큰 요소에서는 당해 요소의 재료 밀도는 1에 가까운 값이 되고, 차체 성능에 대한 감도가 높은 것을 나타낸다. 이에 대하여, 차체 성능에 대한 기여가 작은 요소에 있어서는 당해 요소의 재료 밀도는 0에 가까운 값이 되고, 차체 성능에 대한 감도가 낮은 것을 나타낸다. 이와 같이, 토폴로지 최적화에 의해 산출한 요소의 재료 밀도는, 차체 성능에 대한 각 요소의 감도를 나타내는 지표가 된다.
도 5(b), 도 6(b) 및 도 7(b)에, 감도 해석부(15)에 의해 산출되는 요소의 감도의 일 예로서, 목적 조건을 강성의 최대화, 제약 조건을 체적 제약률 25％로 하고, 도 4에 나타내는 하중·구속 조건(하중점에 부여하는 하중의 절대값 1000N)에 의해 차체 모델(100)에 정적 비틀림(static torsion)을 부하했을 때의 각 차체 부품의 요소에 대해서 산출한 재료 밀도의 결과의 일 예를 나타낸다.
여기에서, 도 5(b)는, 차체 모델(100)의 프런트측의 A 필러 로우어(101) 및 A 필러 어퍼(103)(도 5(a))의 측면도, 도 6(b)는, 차체 모델(100)의 리어측(도 6(a))의 상면도, 도 7(b)는, 차체 모델(100)의 좌측의 사이드 실 아우터(117) 및 휠 하우스 리인포스(119)(도 7(a))의 사시도이다.
도 5(b), 도 6(b) 및 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 동일한 차체 부품에 있어서도 정적 비틀림에 대한 감도가 높은 영역과 감도가 낮은 영역이 존재하는 것이나(예를 들면, 도 7(b)에 나타내는 사이드 실 아우터(117)), 상이한 차체 부품이라도 전체적으로 감도가 동(同)정도인 것이 있는 것을 알 수 있다(예를 들면, 도 5(b)에 나타내는 A 필러 로우어(101)와 A 필러 어퍼(103)).
또한, 감도 해석부(15)는, 관성 릴리프법(inertia relief method)에 의해, 차체 모델(100)에 동적인 하중을 부하했을 때의 관성력(inertia force)을 고려하는 하중 조건만을 설정해도 좋다. 관성 릴리프법이란, 관성력의 좌표의 기준이 되는 지지점에 있어서 물체가 지지된 상태(자유 지지 상태(free support))에서 등가속도 운동(constant acceleration motion) 중의 물체에 작용하는 힘으로부터 응력이나 변형을 구하는 해석 수법으로서, 운동 중의 비행기나 배의 정해석(static analysis)에 사용되고 있다.
또한, 감도 해석부(15)에 의해 요소의 재료 밀도를 산출함에 있어서는, 토폴로지 최적화 등의 최적화 해석을 행하는 해석 소프트를 사용할 수 있다. 이 경우, 차체 모델(100)을 구성하는 각 차체 부품을 설계 공간(design space)으로 하고, 당해 설계 공간으로서 설정된 차체 부품을 구성하는 요소에 설계 변수(design variable)로서 재료 밀도를 부여하고, 소정의 목적 조건 및 제약 조건과 하중·구속 조건을 설정함으로써, 요소의 감도로서 재료 밀도가 산출된다.
다만, 감도 해석부(15)에 있어서 최적화 해석을 행하는 경우에 있어서는, 토폴로지 최적화 이외의 다른 최적화 해석 수법을 적용하는 것이라도 좋다.
(차체 부품 분할 위치·일체화 결정부)
차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)는, 감도 해석부(15)에 의해 구한 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도에 기초하여, 조작자의 지시에 의해, 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 차체 부품을 결정하는 것이다.
감도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화하는 차체 부품을 결정함에 있어서는, 감도의 차를 지표로 하여, 조작자의 지시에 의해, 동일한 차체 부품에 있어서 감도의 차가 큰 위치를 분할 위치로 결정하고, 감도의 차가 작은 인접하는 차체 부품은 일체화한다고 결정하면 좋다.
본 실시 형태에서는, 차체 부품에 있어서 감도의 차가 0.7 이상인 위치를 분할 위치로 결정하고, 인접하는 차체 부품의 감도의 차가 0.3 이하이면 일체화로 결정한다.
도 5(b), 도 6(b) 및 도 7(b)에, 감도 해석에 의해 구해진 차체 모델(100)의 프런트측, 리어측 및 좌측의 차체 부품의 재료 밀도와, 재료 밀도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화하는 차체 부품을 결정한 결과의 일 예를 나타낸다.
차체 모델(100)의 프런트측(도 5(a))에 있어서는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, A 필러 로우어(101)와 A 필러 어퍼(103)의 감도(재료 밀도)의 차가 0.3 이하로 작았다(도면 중의 파선 타원). 그래서, 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)는, 조작자의 지시에 의해, A 필러 로우어(101)와 A 필러 어퍼(103)를 일체화한다고 결정한다.
차체 모델(100)의 리어측(도 6(a))에 있어서는, 도 6(b) 중의 파선 타원으로 나타내는 바와 같이, 리어 루프 레일 센터(105)와 리어 루프 레일 사이드(107), 컴파트먼트 센터 A(109)와 컴파트먼트 사이드 A(111) 및, 컴파트먼트 센터 B(113)와 컴파트먼트 사이드 B(115)에 대해서는, 모두, 감도의 차가 0.3 이하로 작았다. 그래서, 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)는, 조작자의 지시에 의해, 리어 루프 레일 센터(105)와 리어 루프 레일 사이드(107), 컴파트먼트 센터 A(109)와 컴파트먼트 사이드 A(111) 및, 컴파트먼트 센터 B(113)와 컴파트먼트 사이드 B(115)를 각각 일체화한다고 결정한다.
차체 모델(100)의 좌측(도 7(a))에 있어서는, 도 7(b) 중의 파선 타원으로 나타내는 바와 같이, 사이드 실 아우터(117)의 대략 중앙보다도 전방측과 후방측에서 감도의 차가 0.7 이상으로 크고, 사이드 실 아우터(117)의 후부와 휠 하우스 리인포스(119)의 감도의 차가 0.3 이하로 작았다. 그래서, 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)는, 조작자의 지시에 의해, 사이드 실 아우터(117)에 있어서 감도의 차가 큰 대략 중앙을 분할 위치로 결정한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 차체 부품에 있어서 감도의 차가 0.7 이상인 위치를 분할 위치로 결정하고, 감도의 차가 0.3 이하인 인접하는 차체 부품을 일체화한다고 결정했지만, 분할 위치 또는 일체화를 결정하는 감도의 차는 적절히 선택해도 좋다.
(판두께의 최적화 해석 모델 생성부)
판두께의 최적화 해석 모델 생성부(19)는, 도 8(a)에 나타내는 바와 같은, 차체 모델(100)에 있어서의 차체 부품 중 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)에 의해 분할 위치 및/또는 일체화를 결정한 차체 부품을 분할 및/또는 다시 일체화하여, 도 8(b)에 나타내는 바와 같은, 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델(200)을 생성하는 것이다.
도 5(c), 도 6(c) 및 도 7(c)에, 최적화 해석 모델(200)의 프런트측, 리어측 및 좌측에 있어서의 각 차체 부품을 나타낸다. 또한, 도 8(b)에, 최적화 해석 모델(200)의 전체도를 나타낸다.
차체 모델(100)의 프런트측에 있어서는, 도 5(b)에 나타내는 차체 부품의 일체화의 결정에 따라, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, A 필러 로우어(101)와 A 필러 어퍼(103)를 일체화하여 A 필러(201)로 한다.
차체 모델(100)의 리어측에 있어서는, 도 6(b)에 나타내는 차체 부품의 일체화의 결정에 따라, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 리어 루프 레일 센터(105)와 리어 루프 레일 사이드(107)를 일체화하여 리어 루프 레일(203)로 하고, 컴파트먼트 센터 A(109)와 컴파트먼트 사이드 A(111)를 일체화하여 컴파트먼트 A(205)로 하고, 컴파트먼트 센터 B(113)와 컴파트먼트 사이드 B(115)를 일체화하여 컴파트먼트 B(207)로 한다.
차체 모델(100)의 좌측에 있어서는, 도 7(b)에 나타내는 차체 부품의 분할 위치 및 일체화의 결정에 따라, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 사이드 실 아우터(117)의 전방측을 사이드 실 아우터 프런트(209)로 분할하고, 사이드 실 아우터(117)에 있어서의 분할 위치보다도 후방측에 대해서는 휠 하우스 리인포스(119)와 일체화하여 사이드 실 아우터 리어(211)로 한다. 또한, 최적화 해석 모델(200)에 있어서, 분할한 후의 차체 부품은, 분할 전의 차체 부품의 판두께인 채로 하고, 일체화한 차체 부품은, 일체화하기 전의 차체 부품 중 표면적이 큰 쪽의 차체 부품의 판두께로 한다.
(판두께의 최적화 해석 조건 설정부)
판두께의 최적화 해석 조건 설정부(21)는, 최적화 해석 모델(200)에 있어서의 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건으로서, 최적화 해석 모델(200)의 차체 질량에 관한 목적 조건과, 최적화 해석 모델(200)의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 최적화 해석 모델(200)에 부여하는 하중·구속 조건을 설정한다.
목적 조건은, 최적화 해석의 목적에 따라서 하나만 설정되는 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 차체 질량의 최소화를 목적 조건으로서 설정한다.
제약 조건은, 최적화 해석을 행하는 데에 있어서 부과하는 제약이고, 필요에 따라서 복수 설정되는 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 차체 성능에 관한 제약 조건과, 차체 부품의 판두께에 관한 제약 조건을 설정한다.
차체 성능에 관한 제약 조건으로서는, 최적화 해석 모델의 강성이 소정의 강성 이상으로 하고, 소정의 강성으로서는, 예를 들면, 판두께의 최적화 해석을 행하기 전의 원래의 차체 모델(100)의 강성으로 하면 좋다. 또한, 최적화 해석 모델(200) 및 차체 모델(100)의 강성은, 예를 들면, 하중점의 변위 또는 변형을 지표로 하면 좋다.
또한, 차체 부품의 판두께에 관한 제약 조건으로서는, 판두께는 연속적으로 변화하는 값이 아니라, 차체 부품의 제조에 일반적으로 이용되는 강판의 복수의 판두께로부터 선택하는 제약을 설정한다. 본 실시 형태에서는, 차체 부품의 제조에 일반적으로 이용되는 강판의 판두께인 0.55㎜, 0.60㎜, 0.65㎜, 0.70㎜, 0.75㎜, 0.80㎜, 0.85㎜, 0.90㎜, 1.0㎜, 1.2㎜, 1.4㎜, 1.6㎜, 1.8㎜, 2.0㎜, 2.3㎜, 2.6㎜, 3.2㎜, 3.4㎜, 3.6㎜, 4.0㎜로부터 선택하는 제약 조건을 설정한다.
하중·구속 조건은, 판두께의 최적화 해석에 있어서 최적화 해석 모델에 부여하는 하중(위치, 크기, 방향)과 구속 위치에 관한 조건이다. 본 실시 형태에 있어서, 하중·구속 조건은, 최적화 해석 모델(200)의 좌우의 프런트 서스펜션 부착 위치(도 4 중의 P)를 하중점으로 하고, 한쪽에 연직 방향 상향의 하중을, 다른 한쪽에 연직 방향 하향의 하중을 부여하고, 또한, 최적화 해석 모델(200)의 좌우의 리어 서브프레임 부착 위치(도 4 중의 Q)를 구속하는 것으로 했다.
(판두께의 최적화 해석부)
판두께의 최적화 해석부(23)는, 판두께의 최적화 해석 조건 설정부(21)에 의해 설정된 하중·구속 조건 및 최적화 해석 조건하에서 판두께의 최적화 해석을 행하여, 최적화 해석 모델(200)에 있어서의 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 것이다.
전술과 같이, 판두께의 최적화 해석에 있어서는 최적화 해석 모델(200)의 판두께를 설계 변수로 하고, 또한, 판두께에 관한 제약 조건을 부과하고 있다. 그 때문에, 판두께의 최적화 해석부(23)에 의해, 제약 조건으로서 부과한 복수의 판두께 중으로부터 최적인 판두께가 각 차체 부품에 대해서 구해진다.
＜차체의 경량화 방법＞
본 실시 형태에 따른 차체의 경량화 방법은, 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하여, 차체 모델의 경량화를 행하는 것이다. 이 방법은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 차체 모델 취득 스텝 S1과, 감도 해석 스텝 S3과, 차체 부품 분할 위치·일체화 결정 스텝 S5와, 판두께의 최적화 해석 모델 생성 스텝 S7과, 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝 S9와, 판두께의 최적화 해석 스텝 S11을 포함하는 것이다. 본 실시 형태에 있어서, 상기의 각 스텝은 컴퓨터에 의해 구성된 경량화 장치(1)(도 1 참조)가 실행하는 것이다. 이하, 상기의 각 스텝에 대해서 설명한다.
≪차체 모델 취득 스텝≫
차체 모델 취득 스텝 S1은, 복수의 요소로 모델화한 복수의 차체 부품과, 복수의 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점을 구비하는 차체 모델을 취득하는 스텝이다. 본 실시 형태에서는, 경량화 장치(1)의 차체 모델 취득부(13)가, 차체 모델 파일(25)(도 1 참조)을 읽어들임으로써, 도 2 및 도 3(a)에 일 예로서 나타내는 바와 같은, 복수의 셸 요소로 모델화한 복수의 차체 부품(A 필러 로우어(101) 등)과, 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점(121)을 구비하는 차체 모델(100)을 취득한다.
≪감도 해석 스텝≫
감도 해석 스텝 S3은, 차체 모델(100)의 차체 성능에 관한 목적 조건 및 차체 모델(100)의 체적에 관한 제약 조건과, 차체 모델(100)에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 설정한 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만 및 제약 조건하에서 목적 조건을 충족하는 각 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도를 구하는 스텝이다. 본 실시 형태에 있어서는, 경량화 장치(1)의 감도 해석부(15)가, 목적 조건 및 제약 조건과 하중·구속 조건을 설정하고, 각 요소의 감도로서 각 요소의 재료 밀도를 산출한다.
감도 해석 스텝 S3에 있어서는, 토폴로지 최적화 등의 최적화 해석을 행해도 좋다. 이 경우, 차체 모델(100)을 구성하는 차체 부품을 설계 공간으로 하고, 설계 공간으로 한 차체 부품을 구성하는 요소에 설계 변수로서 재료 밀도를 부여하여 최적화의 해석 처리를 실행하고, 설정한 제약 조건 및 하중·구속 조건하에서 목적 조건을 충족하는 재료 밀도를 차체 부품에 있어서의 요소마다 산출하면 좋다.
≪차체 부품 분할 위치·일체화 결정 스텝≫
차체 부품 분할 위치·일체화 결정 스텝 S5는, 감도 해석 스텝 S3에 있어서 구한 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도에 기초하여, 조작자의 지시에 의해 컴퓨터가, 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 차체 부품을 결정하는 스텝이다. 본 실시 형태에 있어서는, 경량화 장치(1)의 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부(17)가 행한다.
≪판두께의 최적화 해석 모델 생성 스텝≫
판두께의 최적화 해석 모델 생성 스텝 S7은, 도 5∼도 8에 나타내는 바와 같이, 차체 모델(100)에 있어서의 차체 부품 중 분할 위치 및/또는 일체화를 결정한 차체 부품을 분할 및/또는 다시 일체화하고, 차체 모델(100)에 있어서의 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델(200)을 생성하는 스텝이다. 본 실시 형태에 있어서는, 경량화 장치(1)의 판두께의 최적화 해석 모델 생성부(19)가 행한다.
≪판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝≫
판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝 S9는, 최적화 해석 모델(200)에 있어서의 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건으로서, 최적화 해석 모델(200)의 차체 질량에 관한 목적 조건과, 최적화 해석 모델(200)의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 최적화 해석 모델(200)에 부여하는 하중·구속 조건을 설정하는 스텝이다. 본 실시 형태에 있어서는, 경량화 장치(1)의 판두께의 최적화 해석 조건 설정부(21)가 행한다.
≪판두께의 최적화 해석 스텝≫
판두께의 최적화 해석 스텝 S11은, 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝 S9에 있어서 설정된 최적화 해석 조건하에서 판두께의 최적화 해석을 행하여, 최적화 해석 모델(200)에 있어서의 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 스텝이다. 본 실시 형태에 있어서, 경량화 장치(1)의 판두께의 최적화 해석부(23)가 행한다.
이상, 본 실시 형태에 따른 차체의 경량화 방법 및 장치에 의하면, 차체 성능에 대한 감도를 차체 부품의 모델화에 이용한 요소마다 구하고, 당해 구한 차체 부품에 있어서의 각 요소의 감도에 기초하여 분할 및 일체화하는 차체 부품을 결정하고, 당해 결정에 의해 분할 또는 다시 일체화한 차체 부품을 갖는 최적화 해석 모델에 대해서 차체 성능을 제약 조건으로 하는 판두께의 최적화 해석을 행한다. 이에 따라, 차체를 경량화하기 위해 차체 부품을 분할 및 다시 일체화하여, 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구할 수 있고, 차체 성능을 보존유지하면서 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 도모할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는, 접합점(121)이 설정된 차체 모델(100)을 그대로 이용하여 감도 해석을 행하여, 차체 부품의 분할 위치 및 일체화하는 차체 부품을 결정하고 있지만, 차체 모델(100)에 설정되어 있는 접합점(121)의 점수의 차이에 따라, 차체 성능에 대한 감도에 차이가 생기는 경우가 있다.
그래서, 본 실시 형태의 다른 태양으로서, 도 3(b)에 일 예로서 나타내는 바와 같이, 취득한 차체 모델(100)에 대하여, 접합점끼리의 간격이 25∼60㎜인 접합점(121)에 더하여 부품조를 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)을 설정하여 접합점을 조밀하게 하고, 복수의 차체 부품을 연속 접합하는 것으로 모의한 차체 모델(150)을 이용하여 감도 해석을 행하도록 해도 좋다. 또한, 차체 모델(150)은, 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)을 10㎜ 간격으로 10932점 설정한 것이다.
도 10(b), 도 11(b) 및 도 12(b)에, 차체 모델(100)에 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)을 10932점 설정한 차체 모델(150)을 이용하여 감도 해석을 행하여, 차체 부품의 분할 위치 및 일체화하는 차체 부품을 결정한 경우의 결과를 나타낸다. 여기에서, 차체 모델(150)에 있어서의 각 차체 부품에 대해서는, 도 2에 나타내는 차체 모델(100)에 있어서의 각 차체 부품과 동일한 부호를 붙이고 있다. 그리고, 도 10(b)는, 차체 모델(150)에 있어서의 프런트측의 A 필러 로우어(101) 및 A 필러 어퍼(103)(도 10(a))의 측면도, 도 11(b)는, 차체 모델(150)에 있어서의 리어측(도 11(a))의 상면도, 도 12(b)는, 차체 모델(150)에 있어서의 좌측의 사이드 실 아우터(117) 및 휠 하우스 리인포스(119)(도 12(a))의 사시도이다. 또한, 도 10(b), 도 11(b) 및 도 12(b)에 나타내는 감도는, 전술한 본 실시 형태와 동일한 목적 조건, 제약 조건 및 하중·구속 조건(도 4 참조)을 설정한 것이다.
차체 모델(150)의 프런트측(도 10(a))에 있어서는, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, A 필러 로우어(101)와 A 필러 어퍼(103)의 경계와는 상이한 위치에 있어서 감도의 차가 0.7 이상으로 컸다. 그 때문에, 감도의 차가 큰 위치를 분할 위치로 결정하고, 도 10(c)에 나타내는 바와 같이, A 필러 로우어(301)와 A 필러 어퍼(303)로 새롭게 분할한다.
차체 모델(150)의 리어측(도 11(a))에 있어서는, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 리어 루프 레일 센터(105)와 리어 루프 레일 사이드(107), 컴파트먼트 센터 A(109)와 컴파트먼트 사이드 A(111) 및, 컴파트먼트 센터 B(113)와 컴파트먼트 사이드 B(115)의 감도의 차가 0.3 이하로 작았다.
그 때문에, 이들 감도의 차가 작은 차체 부품은 일체화한다고 결정하고, 도 11(c)에 나타내는 바와 같이, 리어 루프 레일 센터(105)와 리어 루프 레일 사이드(107)를 일체화하여 리어 루프 레일(305), 컴파트먼트 센터 A(109)와 컴파트먼트 사이드 A(111)를 일체화하여 컴파트먼트 A(307), 컴파트먼트 센터 B(113)와 컴파트먼트 사이드 B(115)를 일체화하여 컴파트먼트 B(309)로 한다.
차체 모델(150)의 좌측(도 12(a))에 있어서는, 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, 사이드 실 아우터(117)의 감도의 차는 0.3 이하로 작고, 사이드 실 아우터(117)의 후부와 휠 하우스 리인포스(119)의 감도에 차가 0.7 이상으로 컸다. 또한, A 필러 로우어(101)와 사이드 실 아우터(117)의 전부의 감도의 차는 0.3 이하로 작았다.
그 때문에, 사이드 실 아우터(117)는 분할하지 않고 A 필러 로우어(101)와 일체화하고, 또한, 사이드 실 아우터(117)와 휠 하우스 리인포스(119)는 일체화하지 않고 분할한 채로 한다고 결정하고, 도 12(c)에 나타내는 바와 같이, 사이드 실 아우터(117)는 A 필러 로우어(101)와 일체화하여 A 필러 로우어(301)로 하고, 휠 하우스 리인포스(119)는 사이드 실 아우터(117)와 일체화하지 않고 휠 하우스 리인포스(311)로 한다.
도 13(b)에, 도 10(b), 도 11(b) 및 도 12(b)에 나타내는 감도에 기초하여 차체 부품의 분할 위치 및 일체화를 결정하고, 당해 결정에 기초하여 차체 부품을 분할 및 다시 일체화하여 생성한 최적화 해석 모델(300)의 전체도를 나타낸다.
또한, 본 실시 형태로서 서술한 접합점(121)이 설정된 차체 모델(100)을 그대로 이용한 경우와, 본 실시 형태의 다른 태양으로서 서술한 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)이 추가로 설정된 차체 모델(150)을 이용한 경우의 작용 효과의 상위에 대해서는, 후술하는 실시예에 있어서 설명한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 감도 해석부(15) 및 감도 해석 스텝 S3은, 각 요소의 감도로서 요소마다의 재료 밀도를 산출하는 것이었다. 다만, 본 발명은, 차체 부품을 복수의 셸 요소로 모델화한 경우에 있어서는, 소정의 목적 조건 및 제약 조건과 하중·구속 조건을 충족하는 각 셸 요소의 판두께를 산출하고, 당해 산출한 셸 요소의 판두께를 각 요소의 감도로 해도 좋다.
이와 같이, 감도 해석에 있어서 구한 각 셸 요소의 판두께를 감도로 한 경우, 판두께가 큰 요소는 차체 성능에 대한 감도가 높은 것을 나타내고, 판두께가 작은 셸 요소는 차체 성능에 대한 감도가 작은 것을 나타낸다. 이에 따라, 감도 해석에 있어서 산출한 요소의 판두께는, 차체 성능에 대한 각 요소의 감도를 나타내는 지표가 될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 감도 해석부(15) 및 감도 해석 스텝 S3은, 정적 하중(static load)을 부여하는 하중·구속 조건을 설정하여 감도 해석을 행하는 것이었지만, 본 발명은, 차체를 진동시키는 동적 하중(dynamic load)에 상당하는 하중·구속 조건을 설정해도 좋다.
구체적으로는, 감도 해석에 앞서 차체 모델에 대해서 주파수 응답 해석(frequency response analysis) 등을 행하고, 당해 주파수 응답 해석 등에 의해 구한 차체 모델의 진동 모드(vibration mode)에 있어서의 변형 형태(deformation state)에 대응한 차체 모델에 부여하는 하중을 부하하는 위치, 방향 및 크기를 결정한다. 그리고, 결정한 하중을 부하하는 위치, 방향 및 크기를 하중·구속 조건으로서 설정하고, 감도 해석을 행하면 좋다.
(실시예)
본 발명에 따른 차체의 경량화 방법 및 장치의 효과를 검증하는 실험을 행했기 때문에, 이하, 이에 대해서 설명한다.
본 실시예에서는, 발명예로서, 전술의 실시 형태에서 서술한 바와 같이, 차체 성능에 대한 감도 해석에 의해 각 차체 부품의 요소마다 구한 감도에 기초하여 차체 부품을 분할 및 일체화하여 다시 생성한 최적화 해석 모델(200)(도 8(b)) 및 최적화 해석 모델(300)(도 12(b))에 대해서 판두께의 최적화 해석을 행하여, 차체 부품을 분할 및 일체화하기 전의 차체 모델(100)에 대한 차체 경량화의 효과를 검증했다.
판두께의 최적화 해석에 있어서, 하중·구속 조건으로서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 최적화 해석 모델(200) 및 최적화 해석 모델(300)의 좌우의 프런트 서스펜션 부착 위치(도면 중 P)를 하중점으로 하고, 한쪽에 연직 방향 상향의 하중(1000N)을, 다른 한쪽에 연직 방향 하향의 하중(1000N)을 부여하고, 또한, 차체 모델(100)의 좌우의 리어 서브프레임 부착 위치(도면 중 Q)를 구속했다.
또한, 최적화 해석 조건으로서, 차체 질량의 최소화로 하는 목적 조건과, 미리 부여된 원래의 차체 모델(100)의 강성 이상 및, 차체 부품에 이용하는 강판의 판두께를 0.55㎜, 0.60㎜, 0.65㎜, 0.70㎜, 0.75㎜, 0.80㎜, 0.85㎜, 0.90㎜, 1.0㎜, 1.2㎜, 1.4㎜, 1.6㎜, 1.8㎜, 2.0㎜, 2.3㎜, 2.6㎜, 3.2㎜, 3.4㎜, 3.6㎜, 4.0㎜로부터 선택하는 제약 조건을 설정했다.
또한, 본 실시예에서는, 비교 대상으로서, 미리 부여된 원래의 차체 모델(100)에 대해서도, 발명예와 마찬가지로 판두께의 최적화 해석을 행했다. 표 1에, 차체 모델(100), 최적화 해석 모델(200) 및 최적화 해석 모델(300)의 판두께의 최적화 해석에 의한 경량화 효과를 나타낸다.
표 1에 있어서, 비교예는 차체 모델(100), 발명예 1은 최적화 해석 모델(200), 발명예 2는 최적화 해석 모델(300)에 대해서 판두께의 최적화 해석을 행한 것이고, 각각에 대해서, 판두께의 최적화 전의 차체 질량, 판두께의 최적화 해석 후의 차체 질량 및 판두께의 최적화 해석에 의한 차체 질량의 경량화량을 나타낸다. 또한, 발명예 1 및 발명예 2에 대해서는, 차체 부품의 분할 및 일체화에 의한 경량화량을 나타낸다. 여기에서, 차체 부품의 분할 및 일체화에 의한 경량화량은, 이하의 식에 의해 산출했다.
(차체 부품의 분할 및 일체화에 의한 경량화량)＝(발명예 1 또는 발명예 2에 있어서의 차체 질량의 경량화량)－(비교예에 있어서의 차체 질량의 경량화량)
표 1에 나타내는 바와 같이, 비교예, 발명예 1 및 발명예 2의 어느 것에 있어도, 판두께의 최적화 해석에 의해 차체 질량이 대폭으로 감소하고, 발명예 1 및 발명예 2에 있어서는, 차체 부품의 분할 및 일체화함으로써, 비교예에 비해 차체 질량의 경량화량이 4.85㎏ 및 5.56㎏이 되는 결과가 되었다. 이 점에서, 차체 성능에 대한 요소의 감도에 기초하여 차체 부품의 분할 및 다시 일체화함으로써, 차체 성능을 유지한 채 차체의 경량화 효과가 추가로 얻어지는 것이 나타났다.
또한, 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)(도 3(b))을 설정하여 차체 부품의 분할 및 다시 일체화한 최적화 해석 모델(300)을 이용한 발명예 2의 쪽이, 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)을 설정하지 않고 차체 부품의 분할 및 다시 일체화한 최적화 해석 모델(200)을 이용한 발명예 1에 비해, 경량화량은 13％ 큰 결과가 되었다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 차체 모델(100)에 접합 가능한 모든 추가 접합점(151)을 조밀하게 설정하여 감도 해석을 행하여, 차체 부품의 분할 위치 및 일체화하는 차체 부품을 결정하고, 당해 결정에 따라서 차체 부품을 분할 및 일체화하여 판두께의 최적화 해석을 행하는 것이 바람직한 것이 나타났다.
본 발명에 의하면, 차체의 성능을 보존유지하면서, 차체의 경량화를 효율적으로 또한 충분히 도모할 수 있는 차체의 경량화 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
1 : 경량화 장치
3 : 표시 장치
5 : 입력 장치
7 : 기억 장치
9 : 작업용 데이터 메모리
11 : 연산 처리부
13 : 차체 모델 취득부
15 : 감도 해석부
17 : 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부
19 : 판두께의 최적화 해석 모델 생성부
21 : 판두께의 최적화 해석 조건 설정부
23 : 판두께의 최적화 해석부
25 : 차체 모델 파일
100 : 차체 모델
101 : A 필러 로우어
103 : A 필러 어퍼
105 : 리어 루프 레일 센터
107 : 리어 루프 레일 사이드
109 : 컴파트먼트 센터 A
111 : 컴파트먼트 사이드 A
113 : 컴파트먼트 센터 B
115 : 컴파트먼트 사이드 B
117 : 사이드 실 아우터
119 : 휠 하우스 리인포스
121 : 접합점
150 : 차체 모델
151 : 접합 가능한 모든 추가 접합점
200 : 최적화 해석 모델
201 : A 필러
203 : 리어 루프 레일
205 : 컴파트먼트 A
207 : 컴파트먼트 B
209 : 사이드 실 아우터 프런트
211 : 사이드 실 아우터 리어
300 : 최적화 해석 모델
301 : A 필러 로우어
303 : A 필러 어퍼
305 : 리어 루프 레일
307 : 컴파트먼트 A
309 : 컴파트먼트 B
311 : 휠 하우스 리인포스

Claims (6)

  1. 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 컴퓨터가 이하의 각 스텝을 행하여, 상기 차체 모델의 경량화를 행하는 차체의 경량화 방법으로서,
    복수의 요소로 모델화한 상기 복수의 차체 부품과, 당해 복수의 차체 부품을 부품조(parts assembly)로서 접합하는 접합점을 구비하는 상기 차체 모델을 취득하는 차체 모델 취득 스텝과,
    당해 차체 모델의 차체 성능에 관한 목적 조건 및 당해 차체 모델의 체적에 관한 제약 조건과, 당해 차체 모델에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 당해 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만 및 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 감도를 구하는 감도 해석 스텝과,
    당해 각 요소의 감도에 기초하여, 상기 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 상기 차체 부품을 결정하는 차체 부품 분할 위치·일체화 결정 스텝과,
    상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품 중 상기 분할하는 위치 및/또는 일체화를 결정한 상기 차체 부품을 분할 및/또는 일체화하고, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델을 생성하는 판두께의 최적화 해석 모델 생성 스텝과,
    상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건으로서, 상기 최적화 해석 모델의 차체 질량에 관한 목적 조건과, 상기 최적화 해석 모델의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 상기 최적화 해석 모델에 부여하는 하중·구속 조건을 설정하는 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝과,
    상기 판두께의 최적화 해석 조건 설정 스텝에 있어서 설정한 상기 하중·구속 조건 및 상기 최적화 해석 조건하에서 상기 판두께의 최적화 해석을 행하여, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 각 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 판두께의 최적화 해석 스텝
    을 포함하는, 차체의 경량화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감도 해석 스텝은, 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 재료 밀도를 산출하고, 당해 산출한 각 요소의 재료 밀도를 당해 각 요소의 감도로 하는, 차체의 경량화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차체 모델 취득 스텝은, 취득한 상기 차체 모델에 대하여, 상기 접합점에 더하여 상기 부품조를 접합 가능한 모든 추가 접합점을 설정하는, 차체의 경량화 방법.
  4. 복수의 차체 부품을 구비하는 차체 모델에 대해서, 당해 차체 모델의 경량화를 행하는 차체의 경량화 장치로서,
    복수의 요소로 모델화한 상기 복수의 차체 부품과, 당해 복수의 차체 부품을 부품조로서 접합하는 접합점을 구비하는 상기 차체 모델을 취득하는 차체 모델 취득부와,
    당해 차체 모델의 차체 성능에 관한 목적 조건 및 당해 차체 모델의 체적에 관한 제약 조건과 당해 차체 모델에 부여하는 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만을 설정하고, 당해 하중·구속 조건 혹은 하중 조건만 및 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 감도를 구하는 감도 해석부와,
    당해 각 요소의 감도에 기초하여, 상기 차체 부품을 분할하는 위치 및/또는 일체화하는 상기 차체 부품을 결정하는 차체 부품 분할 위치·일체화 결정부와,
    상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품 중 상기 분할하는 위치 및/또는 일체화를 결정한 상기 차체 부품을 분할 및/또는 일체화하고, 상기 차체 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석 모델을 생성하는 판두께의 최적화 해석 모델 생성부와,
    상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 판두께의 최적화 해석을 행하기 위한 최적화 해석 조건으로서, 상기 최적화 해석 모델의 차체 질량에 관한 목적 조건과, 상기 최적화 해석 모델의 차체 성능에 관한 제약 조건을 설정하고, 상기 최적화 해석 모델에 부여하는 하중·구속 조건을 설정하는 판두께의 최적화 해석 조건 설정부와,
    상기 판두께의 최적화 해석 조건 설정부에 의해 설정된 상기 하중·구속 조건 및 상기 최적화 해석 조건하에서 상기 판두께의 최적화 해석을 행하여, 상기 최적화 해석 모델에 있어서의 상기 차체 부품의 최적인 판두께를 구하는 판두께의 최적화 해석부
    를 구비하는, 차체의 경량화 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 감도 해석부는, 상기 제약 조건하에서 상기 목적 조건을 충족하는 각 요소의 재료 밀도를 산출하고, 당해 산출한 각 요소의 재료 밀도를 당해 각 요소의 감도로 하는, 차체의 경량화 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 차체 모델 취득부는, 취득한 상기 차체 모델에 대하여, 상기 접합점에 더하여 상기 부품조를 접합 가능한 모든 추가 접합점을 설정하는, 차체의 경량화 장치.
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