WO2018154896A1 - Shape optimization method and shape optimization device for automotive body reinforcement - Google Patents
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Abstract
A shape optimization method for an automotive body reinforcement according to the present invention derives an optimal shape of a reinforcement which is joined to a portion of a structure (i.e. automotive body) and which differs from the structure in a material characteristic, said method comprising: a structure model acquisition step of acquiring a structure model in which the structure has been modeled using two-dimensional elements and/or three-dimensional elements; a reinforcement model generation step of generating a reinforcement model which is separate from the structure, is formed from three-dimensional elements, and is joined to a portion of the structure model; a material characteristic setting step of setting a material characteristic of the reinforcement model; an optimization analysis model generation step of joining the reinforcement model to the portion of the structure model and generating an optimization analysis model; and an optimization analysis step of carrying out an optimization analysis with the reinforcement model as an analysis subject, and deriving an optimal shape of the reinforcement model.
Description
本発明は、自動車車体構造を補強する補強部材（reinforcement）の最適な形状を求める車体（automotive body）の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置に関し、特に最適化解析（optimization analysis）方法によって補強部材の形状を最適化する車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置に関する。なお、本発明において形状最適化（shape optimization）とは、予め所定の形状、例えばＴ字形状を想定し、その所定の形状を前提として最適な形状を求めることではなく、所定の形状を想定することなく解析条件を満たす最適な形状を求めることを意味する。
The present invention relates to a shape optimization method and shape optimization device for a reinforcement member of an automotive body that seeks an optimum shape of a reinforcement member that reinforces a vehicle body structure, and in particular, an optimization analysis method. The present invention relates to a shape optimization method and a shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body that optimizes the shape of the reinforcing member. Note that in the present invention, shape optimization is assumed in advance to assume a predetermined shape, for example, a T-shape, and not to obtain an optimal shape on the basis of the predetermined shape, but to assume a predetermined shape. This means that an optimum shape satisfying the analysis condition is obtained without any problem.
近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化（weight reduction of automotive body）が進められており、車体の設計にコンピュータ支援工学（computer aided engineering）による解析（以下、「ＣＡＥ解析」という）は欠かせない技術となっている。このＣＡＥ解析では数理最適化（mathematical optimization）、板厚最適化（thickness optimization）、形状最適化（shape optimization）、及びトポロジー最適化（topology optimization）等の最適化技術を用いることにより、車体の軽量化や剛性（stiffness）の向上等といった車体性能（performance of automotive body）の向上が図られることが知られており、これらの最適化技術は例えばエンジンブロック（engine block）等の鋳物の構造最適化（structural optimization）によく用いられている。
In recent years, especially in the automobile industry, weight reduction of automotive bodies due to environmental problems has been promoted, and analysis by computer-aided engineering (hereinafter referred to as “CAE analysis”) is used for vehicle body design. Is an indispensable technology. In this CAE analysis, by using optimization techniques such as mathematical optimization, thickness optimization, shape optimization, and topology optimization, the weight of the vehicle body is reduced. It is known to improve the performance of the automotive body, such as improving the rigidity and stiffness, and these optimization techniques optimize the structure of castings such as engine blocks. Often used for (structural optimization).
最適化技術の中でも、特にトポロジー最適化が着目されつつある。トポロジー最適化とは、ある程度の大きさの設計空間を設け、設計空間に立体要素（three-dimensional element）を組み込み、与えられた条件を満たし、且つ、必要最小限の立体要素の部分を残すことで、与えられた条件を満たす最適形状を求める方法である。そのため、トポロジー最適化では、設計空間をなす立体要素に直接拘束（constraint）を行い、直接荷重（loading）を加えるという方法が用いられる。このようなトポロジー最適化に関する技術として、複雑な構造体のコンポーネント（component）のトポロジー最適化のための方法が特許文献１に開示されている。
Among the optimization technologies, topology optimization is particularly attracting attention. Topology optimization is to create a design space of a certain size, incorporate a three-dimensional element in the design space, satisfy a given condition, and leave the minimum necessary three-dimensional element part. In this method, an optimum shape that satisfies a given condition is obtained. Therefore, topology optimization uses a method in which constraints are directly applied to the three-dimensional elements forming the design space, and a direct loading is applied. As a technique related to such topology optimization, Patent Document 1 discloses a method for topology optimization of a component of a complex structure.
自動車の車体等の構造体は主に薄板（sheet）を用いて構成されており、このような薄板で構成される車体の一部位について最適化技術により形状を最適化する場合、従来は非特許文献１に記載されているように、対象となる車体の一部を取り出して、取り出した部分を独立させて最適化している。このため、その設計空間に対して車体全体からの荷重や拘束状態を反映させることは困難であり、それ故に車体の一部位に最適化技術を適用することが難しいという課題があった。また、車体の一部位を車体全体の最適化解析から最適化形状を求めたとしても、最適化した部位が消滅する場合もあって、それを薄板構造に適切に反映させるにはいかにするべきかという課題もあった。
Structures such as car bodies are mainly composed of thin sheets, and when optimizing the shape of a part of a car body composed of such thin plates using optimization technology, it is not conventionally patented. As described in Document 1, a part of the target vehicle body is taken out, and the taken-out part is optimized independently. For this reason, it is difficult to reflect the load and restraint state from the entire vehicle body on the design space, and thus there is a problem that it is difficult to apply the optimization technique to one part of the vehicle body. Also, even if an optimized shape is obtained from an optimization analysis of one part of the car body, the optimized part may disappear, and how should this be reflected appropriately in the thin plate structure? There was also a problem.
特許文献１に開示されている技術は、トポロジー最適化による最適化解析に係る数学演算上の手法及び物理的システムに関するものであり、上記のような薄板構造の最適化といった課題に対しては何らの解決手段を与えるものではない。
The technique disclosed in Patent Document 1 relates to a mathematical calculation method and a physical system related to optimization analysis by topology optimization, and does not deal with the problem of optimization of the thin plate structure as described above. It does not give a solution.
さらに、近年、自動車の車体を構成する薄板に、薄板と異なる材料特性である樹脂（resin）やＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastics；繊維強化樹脂）からなる補強部材を貼り付けて補強し、車体の剛性や強度（strength）を向上させることが行われている。しかしながら、このような補強部材の形状や補強部材の貼り付け位置を最適化の対象とした従来技術はなく、車体を補強する補強部材の最適化形状を求める最適化技術の開発が望まれていた。
Furthermore, in recent years, reinforcing members made of resin (resin) or FRP (Fiber-Reinforced Plastics), which have material properties different from those of thin plates, have been applied to the thin plates that make up the body of automobiles to reinforce them. It has been done to improve strength. However, there is no conventional technique for optimizing the shape of the reinforcing member and the position where the reinforcing member is applied, and development of an optimization technique for obtaining the optimized shape of the reinforcing member that reinforces the vehicle body has been desired. .
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、車体である構造体の一部に構造体と異なる材料特性（material properties）の補強部材を結合して構造体を補強するに際し、補強部材の最適な形状を求めることが可能な車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to reinforce the structure by coupling a reinforcing member having a material property different from that of the structure to a part of the structure that is a vehicle body. In doing so, it is an object of the present invention to provide a shape optimization method and a shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body capable of obtaining an optimal shape of the reinforcing member.
本発明に係る車体の補強部材の形状最適化方法は、車体である構造体の一部に結合（joining）する該構造体と材料特性の異なる補強部材の最適な形状を求めるものであり、コンピュータが以下の各ステップを行うものであって、平面要素（two-dimensional element）及び／又は立体要素を用いて前記構造体をモデル化した構造体モデルを取得する構造体モデル取得ステップと、立体要素からなり前記構造体モデルの一部と結合する前記構造体とは別の補強部材モデルを生成する補強部材モデル生成ステップと、該補強部材モデルの材料特性を設定する材料特性設定ステップと、前記補強部材モデルを前記構造体モデルの一部に結合して最適化解析モデルを生成する最適化解析モデル生成ステップと、該生成した最適化解析モデルに解析条件を与え、前記補強部材モデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記補強部材モデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、を含む。
The shape optimization method for a reinforcing member of a vehicle body according to the present invention is to obtain an optimal shape of a reinforcing member having a material characteristic different from that of the structure joined to a part of the structure as a vehicle body. Performs 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; and a three-dimensional element A reinforcing member model generating step for generating a reinforcing member model different from the structure coupled with a part of the structural body model, a material property setting step for setting material properties of the reinforcing member model, and the reinforcement An optimization analysis model generation step for generating an optimization analysis model by combining a member model with a part of the structure model, and providing an analysis condition to the generated optimization analysis model The performed optimization analysis reinforcing member model as an analysis for optimization, including, and optimization analyzing step of determining an optimum shape of the reinforcing member model.
なお、前記材料特性設定ステップは、前記補強部材モデルの材料特性として、ヤング率（Young’s modulus）、ポアソン比（Poisson’s modulus）、及び比重（specific gravity）を設定することが望ましい。
In the material property setting step, it is desirable to set Young's modulus, Poisson's modulus, and specific gravity as material properties of the reinforcing member model.
また、前記材料特性設定ステップは、前記補強部材モデルの材料特性の面内異方性（in-plane anisotropy）を与える主軸（principal axis）角度を与え、該主軸角度に対応する前記材料特性の値を設定し、複数の層からなる場合は、それぞれの主軸角度を持つ層を重ね合わせることが望ましい。
In the material property setting step, a principal axis angle giving in-plane anisotropy of the material property of the reinforcing member model is given, and a value of the material property corresponding to the principal axis angle is given. Is set, and it is desirable to superimpose layers having respective principal axis angles.
また、前記最適化解析ステップは、トポロジー最適化による解析処理を行うことが望ましい。
Further, it is desirable that the optimization analysis step performs an analysis process by topology optimization.
本発明に係る車体の補強部材の形状最適化装置は、車体である構造体の一部に結合する該構造体と材料特性の異なる補強部材の最適な形状を求めるものであって、平面要素及び／又は立体要素を用いて前記構造体をモデル化した構造体モデルを取得する構造体モデル取得部と、立体要素からなり前記構造体モデルの一部と結合する前記構造体とは別の補強部材モデルを生成する補強部材モデル生成部と、該補強部材モデルの材料特性を設定する材料特性設定部と、前記補強部材モデルを前記構造体モデルの一部に結合して最適化解析モデルを生成する最適化解析モデル生成部と、該生成した最適化解析モデルに解析条件を与え、前記補強部材モデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記補強部材モデルの最適な形状を求める最適化解析部と、を備える。
A shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body according to the present invention is for obtaining an optimal shape of a reinforcing member having a material characteristic different from that of a structural body coupled to a part of a structure that is a vehicle body. A structure model acquisition unit that acquires a structure model obtained by modeling the structure using a three-dimensional element, and a reinforcing member that is separate from the structure that is formed of a three-dimensional element and is coupled to a part of the structure model A reinforcing member model generating unit for generating a model, a material property setting unit for setting material properties of the reinforcing member model, and an optimization analysis model are generated by combining the reinforcing member model with a part of the structure model An optimization analysis model generation unit and an analysis condition are given to the generated optimization analysis model, an optimization analysis is performed on the reinforcement member model as an optimization analysis target, and an optimum shape of the reinforcement member model is obtained. And a reduction analyzer.
なお、前記材料特性設定部は、前記補強部材モデルの材料特性として、ヤング率、ポアソン比、及び比重を設定することが望ましい。
In addition, it is desirable that the material property setting unit sets Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity as material properties of the reinforcing member model.
また、前記材料特性設定部は、前記補強部材モデルの材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、該主軸角度に対応する前記材料特性の値を設定し、複数の層からなる場合は、それぞれの主軸角度を持つ層を重ね合わせることが望ましい。
In addition, the material property setting unit provides a principal axis angle that gives in-plane anisotropy of the material property of the reinforcing member model, sets a value of the material property corresponding to the principal axis angle, and includes a plurality of layers It is desirable to superimpose layers having respective principal axis angles.
また、前記最適化解析部は、トポロジー最適化による解析処理を行うことが望ましい。
Further, it is desirable that the optimization analysis unit performs an analysis process by topology optimization.
本発明によれば、構造体を補強する補強部材の最適な形状を精度よく求めることができ、最適な形状の補強部材を構造体に結合することにより、構造体の所定の性能を向上させたり、また、所定の性能に保持しつつ軽量化に資したりすることが可能となる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optimal shape of the reinforcement member which reinforces a structure can be calculated | required accurately, and the predetermined performance of a structure can be improved by couple | bonding the reinforcement member of an optimal shape with a structure. In addition, it is possible to contribute to weight reduction while maintaining a predetermined performance.
本発明の実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置について説明するに先立ち、本発明で対象とする構造体モデルについて説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、形状及び寸法が示されている場合があるが、本発明はこれらの形状及び寸法に限定されるものではない。
Prior to describing a shape optimization method and shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body according to an embodiment of the present invention, a structure model targeted by the present invention will be described. Note that shapes and dimensions may be shown in the drawings attached to this specification, but the present invention is not limited to these shapes and dimensions.
＜構造体モデル＞
構造体モデルは、構造体の一部に構造体と異なる材料特性の補強部材を結合するに際し、平面要素及び／又は立体要素を用いて構造体をモデル化したものであり、本実施の形態では、構造体モデルとして、図２（ａ）に示す車体モデル３１を対象としている。 <Structure model>
The structure model is obtained by modeling a structure using a planar element and / or a three-dimensional element when a reinforcing member having a material characteristic different from that of the structure is coupled to a part of the structure. As a structural body model, avehicle body model 31 shown in FIG.
構造体モデルは、構造体の一部に構造体と異なる材料特性の補強部材を結合するに際し、平面要素及び／又は立体要素を用いて構造体をモデル化したものであり、本実施の形態では、構造体モデルとして、図２（ａ）に示す車体モデル３１を対象としている。 <Structure model>
The structure model is obtained by modeling a structure using a planar element and / or a three-dimensional element when a reinforcing member having a material characteristic different from that of the structure is coupled to a part of the structure. As a structural body model, a
車体モデル３１は、自動車の車体骨格（automotive body frame）部品（part）やシャシー（chasis）部品等といった複数の部品で構成されたものであり、車体モデル３１の各部品は、平面要素及び／又は立体要素によりモデル化されている。また、車体モデル３１を構成する各部品の要素（平面要素及び立体要素）や材料特性（材質（material properties））等に関する情報は、構造体モデルファイル２３（図１参照）に格納されている。
The car body model 31 is composed of a plurality of parts such as an automobile body frame part and a chassis part. Each part of the car body model 31 includes a plane element and / or Modeled by three-dimensional elements. In addition, information on elements (planar elements and three-dimensional elements), material properties (material properties), and the like of each part constituting the vehicle body model 31 is stored in the structure model file 23 (see FIG. 1).
なお、本実施の形態では、車体のルーフ（図２に示す車体モデル３１のルーフ部３３に対応）の下面に、車体と異なる材料特性の補強部材を貼付することにより補強し、積雪（fallen snow）強度を向上する場合を対象とした例を示す。
In this embodiment, the roof of the vehicle body (corresponding to the roof portion 33 of the vehicle body model 31 shown in FIG. 2) is reinforced by sticking a reinforcing member having a material characteristic different from that of the vehicle body, so that the snow fall (fallen snow ) An example for the case of improving the strength is shown.
＜車体の補強部材の形状最適化装置＞
次に、本実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化装置１（以下、単に「形状最適化装置１」という）の構成について、図１～５に基づいて以下に説明する。 <Shape optimization device for vehicle body reinforcement>
Next, the configuration of the vehicle body reinforcing membershape optimizing device 1 according to the present embodiment (hereinafter simply referred to as “shape optimizing device 1”) will be described with reference to FIGS.
次に、本実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化装置１（以下、単に「形状最適化装置１」という）の構成について、図１～５に基づいて以下に説明する。 <Shape optimization device for vehicle body reinforcement>
Next, the configuration of the vehicle body reinforcing member
本実施の形態に係る形状最適化装置１は、車体である構造体の一部に該構造体の一部と異なる材料特性の補強部材を結合して構造体を補強するに際し、補強部材の最適な形状を求めるものであり、図１に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、表示装置（display device）３、入力装置（input device）５、記憶装置（memory device）７、作業用データメモリ（working data memory）９、及び演算処理部（arithmetic processing unit）１１を有している。そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。以下、本実施の形態に係る形状最適化装置１の各構成について説明する。
The shape optimizing device 1 according to the present embodiment optimizes the reinforcing member when the reinforcing member having a material characteristic different from that of the part of the structure is coupled to the part of the structure that is the vehicle body to reinforce the structure. As shown in FIG. 1, it is composed of a PC (personal computer) or the like, and includes a display device 3, an input device 5, a memory device 7, and a work. It has 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 unit 11, and each function is executed by a command from the arithmetic processing unit 11. Hereinafter, each structure of the shape optimization apparatus 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated.
≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。 ≪Display device≫
Thedisplay device 3 is used for displaying analysis results and the like, and includes a liquid crystal monitor or the like.
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。 ≪Display device≫
The
≪入力装置≫
入力装置５は、構造体モデルファイル２３の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。 ≪Input device≫
Theinput device 5 is used for a display instruction of the structure model file 23, an operator's condition input, and the like, and includes a keyboard, a mouse, and the like.
入力装置５は、構造体モデルファイル２３の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。 ≪Input device≫
The
≪記憶装置≫
記憶装置７は、構造体モデルファイル２３等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。 ≪Storage device≫
Thestorage device 7 is used for storing various files such as the structure model file 23 and is configured by a hard disk or the like.
記憶装置７は、構造体モデルファイル２３等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。 ≪Storage device≫
The
≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成される。 ≪Work data memory≫
Thework data memory 9 is used for temporary storage and calculation of data used in the arithmetic processing unit 11, and is composed of a RAM (Random Access Memory) or the like.
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成される。 ≪Work data memory≫
The
≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図１に示すように、構造体モデル取得部１３と、補強部材モデル生成部１５と、材料特性設定部１７と、最適化解析モデル生成部１９と、最適化解析部２１と、を有し、ＰＣ等のＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。 ≪Operation processing part≫
As shown in FIG. 1, thearithmetic processing unit 11 includes a structure model acquisition unit 13, a reinforcing member model generation unit 15, a material property setting unit 17, an optimization analysis model generation unit 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 when the CPU executes a predetermined program. The function of each unit in the arithmetic processing unit 11 will be described below.
演算処理部１１は、図１に示すように、構造体モデル取得部１３と、補強部材モデル生成部１５と、材料特性設定部１７と、最適化解析モデル生成部１９と、最適化解析部２１と、を有し、ＰＣ等のＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。 ≪Operation processing part≫
As shown in FIG. 1, the
（構造体モデル取得部）
構造体モデル取得部１３は、自動車の車体を平面要素及び／又は立体要素を用いてモデル化した車体モデル３１（図２（ａ）参照）を取得するものであり、記憶装置７に記憶された構造体モデルファイル２３から車体モデル３１の要素情報や材料特性情報を読み込むことにより取得することができる。但し、構造体モデル取得部１３は、車体のＣＡＤデータに基づいて、車体を平面要素及び／又は立体要素によりモデル化して車体モデル３１を新たに生成するものであってもよい。 (Structure model acquisition unit)
The structuremodel acquisition unit 13 acquires a vehicle body model 31 (see FIG. 2A) obtained by modeling a car body of a car using plane elements and / or three-dimensional elements, and is stored in the storage device 7. It can be obtained by reading element information and material property information of the vehicle body model 31 from the structure model file 23. However, the structure model acquisition unit 13 may generate a vehicle body model 31 by modeling the vehicle body by plane elements and / or solid elements based on the CAD data of the vehicle body.
構造体モデル取得部１３は、自動車の車体を平面要素及び／又は立体要素を用いてモデル化した車体モデル３１（図２（ａ）参照）を取得するものであり、記憶装置７に記憶された構造体モデルファイル２３から車体モデル３１の要素情報や材料特性情報を読み込むことにより取得することができる。但し、構造体モデル取得部１３は、車体のＣＡＤデータに基づいて、車体を平面要素及び／又は立体要素によりモデル化して車体モデル３１を新たに生成するものであってもよい。 (Structure model acquisition unit)
The structure
（補強部材モデル生成部）
補強部材モデル生成部１５は、立体要素からなり車体モデル３１（図２（ａ）参照）の一部と結合する車体モデル３１とは別の補強部材モデル３５（図２（ｂ）参照）を生成するものである。以下、補強する車体の対象部位（portion）として、ルーフ部３３を例として説明する。 (Reinforcement member model generator)
The reinforcing membermodel generation unit 15 generates a reinforcing member model 35 (see FIG. 2B) that is different from the vehicle body model 31 that is composed of three-dimensional elements and is coupled to a part of the vehicle body model 31 (see FIG. 2A). To do. Hereinafter, the roof portion 33 will be described as an example of the target portion (portion) of the vehicle body to be reinforced.
補強部材モデル生成部１５は、立体要素からなり車体モデル３１（図２（ａ）参照）の一部と結合する車体モデル３１とは別の補強部材モデル３５（図２（ｂ）参照）を生成するものである。以下、補強する車体の対象部位（portion）として、ルーフ部３３を例として説明する。 (Reinforcement member model generator)
The reinforcing member
補強部材モデル３５は、例えば図３に示すように、車体モデル３１において補強する対象となる部位であるルーフ部３３の下面から下方に向かって立体要素３５ａを積み重ねるように生成することができる。補強部材モデル生成部１５により生成される補強部材モデル３５は、後述する最適化解析部２１による最適化解析の対象となるものであり、最適化解析の過程において補強に不要な部位に位置する立体要素を消去し、補強に必要となる部位に位置する立体要素を残存させる。
For example, as shown in FIG. 3, the reinforcing member model 35 can be generated so that three-dimensional elements 35 a are stacked downward from the lower surface of the roof portion 33, which is a portion to be reinforced in the vehicle body model 31. The reinforcement member model 35 generated by the reinforcement member model generation unit 15 is a target of optimization analysis by the optimization analysis unit 21 to be described later, and is a three-dimensional object positioned in a portion unnecessary for reinforcement in the process of optimization analysis. The element is deleted, and the three-dimensional element located at the site necessary for reinforcement is left.
なお、補強部材モデル生成部１５は、ルーフ部３３の下面から下方に所定の設計空間を設定し、設計空間を複数の立体要素に要素分割することにより、補強部材モデル３５を生成するものであってもよい。
The reinforcing member model generation unit 15 generates a reinforcing member model 35 by setting a predetermined design space below the lower surface of the roof portion 33 and dividing the design space into a plurality of three-dimensional elements. May be.
（材料特性設定部）
材料特性設定部１７は、補強部材モデル生成部１５が生成した補強部材モデル３５の材料特性を設定するものである。材料特性設定部１７が設定する補強部材モデル３５の材料特性として、ヤング率、ポアソン比、及び比重等が挙げられる。 (Material property setting section)
The materialproperty setting unit 17 sets the material property of the reinforcing member model 35 generated by the reinforcing member model generating unit 15. Examples of material properties of the reinforcing member model 35 set by the material property setting unit 17 include Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity.
材料特性設定部１７は、補強部材モデル生成部１５が生成した補強部材モデル３５の材料特性を設定するものである。材料特性設定部１７が設定する補強部材モデル３５の材料特性として、ヤング率、ポアソン比、及び比重等が挙げられる。 (Material property setting section)
The material
さらに、補強部材モデル３５として、例えばＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastics；繊維強化樹脂）のように、その材料特性（機械的特性（mechanical properties））が面内異方性を有する材料を対象とする場合においては、補強部材モデル３５の材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、主軸角度に対応する材料特性の値を設定することで、補強部材モデル３５の材料特性に面内異方性を設定することができる。また、補強部材が複数の層からなる場合においては、複数の層毎に主軸角度を設定することも可能である。
Furthermore, when the reinforcing member model 35 is a material whose material properties (mechanical properties) have in-plane anisotropy, such as FRP (Fiber-Reinforced Plastics), for example. In the method, the principal axis angle that gives the in-plane anisotropy of the material characteristic of the reinforcing member model 35 is given, and the material characteristic value corresponding to the principal axis angle is set, whereby the material characteristic of the reinforcing member model 35 is anisotropic in the plane. Sex can be set. In addition, when the reinforcing member is composed of a plurality of layers, it is possible to set the main shaft angle for each of the plurality of layers.
なお、材料特性設定部１７は、後述する最適化解析モデル生成部１９により補強部材モデル３５を車体モデル３１の一部に結合して最適化解析モデル４１（図２（ｃ）参照）を生成した後、最適化解析モデル４１における補強部材モデル３５の材料特性を設定するものであってもよい。
The material property setting unit 17 generates an optimization analysis model 41 (see FIG. 2C) by combining the reinforcing member model 35 with a part of the vehicle body model 31 by the optimization analysis model generation unit 19 described later. Thereafter, the material characteristics of the reinforcing member model 35 in the optimization analysis model 41 may be set.
（最適化解析モデル生成部）
最適化解析モデル生成部１９は、図２に示すように、補強部材モデル生成部１５が生成した補強部材モデル３５を車体モデル３１の一部に結合して最適化解析モデル４１を生成するものである。例えば、ルーフ部３３と補強部材モデル３５とを結合する方法としては、ルーフ部３３が平面要素３３ａでモデル化されている場合、例えば図３に示すように、補強部材モデル３５の立体要素３５ａのノード（節点（node））とルーフ部３３の平面要素３３ａのノードとを共有するものがある。 (Optimization analysis model generator)
As shown in FIG. 2, the optimization analysismodel generation unit 19 combines the reinforcement member model 35 generated by the reinforcement member model generation unit 15 with a part of the vehicle body model 31 to generate an optimization analysis model 41. is there. For example, as a method of connecting the roof portion 33 and the reinforcing member model 35, when the roof portion 33 is modeled by a planar element 33a, for example, as shown in FIG. Some nodes share a node (node) and a node of the planar element 33a of the roof portion 33.
最適化解析モデル生成部１９は、図２に示すように、補強部材モデル生成部１５が生成した補強部材モデル３５を車体モデル３１の一部に結合して最適化解析モデル４１を生成するものである。例えば、ルーフ部３３と補強部材モデル３５とを結合する方法としては、ルーフ部３３が平面要素３３ａでモデル化されている場合、例えば図３に示すように、補強部材モデル３５の立体要素３５ａのノード（節点（node））とルーフ部３３の平面要素３３ａのノードとを共有するものがある。 (Optimization analysis model generator)
As shown in FIG. 2, the optimization analysis
もっとも、最適化解析モデル生成部１９は、例えば剛体要素を介して車体モデル３１の一部と補強部材モデル３５のノード同士を連結するものであってもよく、車体モデル３１の一部と補強部材モデル３５との間で荷重が伝達されるものであれば特に限定されず、はり要素（beam elements）、ロッド要素（rod elements）、剛体結合要素（rigid coupling elements）等でもよい。さらに、車体モデル３１において補強部材モデル３５と結合する部位が立体要素でモデル化されている場合においては、上記と同様、最適化解析モデル生成部１９は、結合する部位の立体要素と補強部材モデル３５の立体要素とをノード共有等により結合するものであればよい。
However, the optimization analysis model generation unit 19 may connect, for example, a part of the vehicle body model 31 and the nodes of the reinforcing member model 35 via rigid elements, and a part of the vehicle body model 31 and the reinforcing member. The load is not particularly limited as long as the load is transmitted to and from the model 35, and may be a beam element, a rod element, a rigid coupling element, or the like. Further, in the case where the part coupled to the reinforcing member model 35 in the vehicle body model 31 is modeled with a three-dimensional element, the optimization analysis model generation unit 19 similarly performs the three-dimensional element and the reinforcing member model of the part to be coupled as described above. What is necessary is just to combine 35 solid elements by node sharing or the like.
なお、最適化解析モデル生成部１９により最適化解析モデル４１を生成するに際しては、車体モデル３１から分離した状態にある車体モデル３１の一部に補強部材モデル３５を結合して一体化し、一体化した車体モデル３１の一部と補強部材モデル３５とを車体モデル３１に結合するものであってもよい。
When the optimization analysis model 41 is generated by the optimization analysis model generation unit 19, the reinforcing member model 35 is combined and integrated with a part of the vehicle body model 31 that is separated from the vehicle body model 31. A part of the vehicle body model 31 and the reinforcing member model 35 may be coupled to the vehicle body model 31.
（最適化解析部）
最適化解析部２１は、最適化解析モデル生成部１９が生成した最適化解析モデル４１（図２（ｃ）参照）に解析条件を与え、補強部材モデル３５を最適化の解析処理を行う対象として最適化解析を行い、補強部材モデル３５の最適形状を求めるものである。最適化解析部２１による最適化解析には、例えばトポロジー最適化を適用することができる。トポロジー最適化において密度法（density method）を用いる際に、中間的な密度が多い場合には離散化（discretization）が好ましく、下式であらわされる。離散化によく用いられるペナルティ係数は２以上であり、ペナルティ係数の値は適宜設定することができる。 (Optimization analysis section)
Theoptimization analysis unit 21 gives analysis conditions to the optimization analysis model 41 (see FIG. 2C) generated by the optimization analysis model generation unit 19, and sets the reinforcing member model 35 as an object for performing the analysis processing for optimization. An optimization analysis is performed to obtain the optimum shape of the reinforcing member model 35. For example, topology optimization can be applied to the optimization analysis performed by the optimization analysis unit 21. When using a density method in topology optimization, discretization is preferable when the intermediate density is large, and is expressed by the following equation. The penalty coefficient often used for discretization is 2 or more, and the value of the penalty coefficient can be set as appropriate.
最適化解析部２１は、最適化解析モデル生成部１９が生成した最適化解析モデル４１（図２（ｃ）参照）に解析条件を与え、補強部材モデル３５を最適化の解析処理を行う対象として最適化解析を行い、補強部材モデル３５の最適形状を求めるものである。最適化解析部２１による最適化解析には、例えばトポロジー最適化を適用することができる。トポロジー最適化において密度法（density method）を用いる際に、中間的な密度が多い場合には離散化（discretization）が好ましく、下式であらわされる。離散化によく用いられるペナルティ係数は２以上であり、ペナルティ係数の値は適宜設定することができる。 (Optimization analysis section)
The
Ｋ(ρ)＝ρｐＫ
ただし、
Ｋ：要素の剛性マトリックス（stiffness matrix）にペナルティ（penalty）を課した剛性マトリックス
Ｋ：要素の剛性マトリックス
ρ：規格化（normalization）された密度
ｐ：ペナルティ係数 K (ρ) = ρ p K
However,
K: stiffness matrix that imposes a penalty on the stiffness matrix of the element K: stiffness matrix of the element ρ: normalized density p: penalty coefficient
ただし、
Ｋ：要素の剛性マトリックス（stiffness matrix）にペナルティ（penalty）を課した剛性マトリックス
Ｋ：要素の剛性マトリックス
ρ：規格化（normalization）された密度
ｐ：ペナルティ係数 K (ρ) = ρ p K
However,
K: stiffness matrix that imposes a penalty on the stiffness matrix of the element K: stiffness matrix of the element ρ: normalized density p: penalty coefficient
なお、最適化解析部２１は、トポロジー最適化処理を行うものでもよいし、他の計算方式による最適化処理であってもよい。従って、最適化解析部２１としては、例えば市販されている有限要素（finite element）を用いた解析ソフトを使用することもできる。
Note that the optimization analysis unit 21 may perform a topology optimization process, or may be an optimization process based on another calculation method. Therefore, as the optimization analysis unit 21, for example, commercially available analysis software using a finite element can be used.
最適化解析を行うための解析条件としては、最適化解析モデル４１に荷重を付加する位置や拘束位置を与える荷重拘束条件と、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件と、最適化解析を行う上で課す制約条件とがある。
The analysis conditions for performing the optimization analysis include a load constraint condition for giving a load position and a constraint position to the optimization analysis model 41, a target condition set according to the purpose of the optimization analysis, and an optimization analysis. There are constraints imposed on the
図４に、荷重拘束条件の一例を示す。図４に示す荷重拘束条件は、ルーフ部３３の積雪強度を評価することを想定したものであり、最適化解析モデル４１の下部にある４箇所のジャッキアップ（jack up）設置部を完全拘束とし、ルーフ部３３の上面に車体高さ方向下向きの分布荷重を与えたものである。
Fig. 4 shows an example of load restraint conditions. The load restraint condition shown in FIG. 4 is based on the assumption that the snow cover strength of the roof portion 33 is evaluated, and the four jack up installation portions at the lower part of the optimization analysis model 41 are completely restrained. A distributed load downward in the vehicle body height direction is applied to the upper surface of the roof portion 33.
目的条件としては、例えば最適化解析モデル４１におけるひずみ（strain）エネルギー総和の最小化、変位の最小化、剛性の最大化等がある。さらに、制約条件としては、最適化解析の対象となる補強部材モデル３５の体積制約率（volume function constraints rate）等がある。制約条件は複数設定可能である。
Examples of target conditions include minimizing the total strain energy in the optimization analysis model 41, minimizing displacement, and maximizing rigidity. Furthermore, the constraint condition includes a volume function constraint rate of the reinforcing member model 35 to be optimized. Multiple constraint conditions can be set.
図５に、最適化解析部２１にトポロジー最適化を適用して得られた最適形状補強部材モデル４３の一例を示す。図５においては、最適形状補強部材モデル４３を表示するためにルーフ部３３を非表示にしている。最適形状補強部材モデル４３は、図５に示すように、上記の解析条件（荷重拘束条件、目的条件、制約条件）を満たすように立体要素を残存及び消去することにより求められる。
FIG. 5 shows an example of the optimum shape reinforcing member model 43 obtained by applying the topology optimization to the optimization analysis unit 21. In FIG. 5, the roof portion 33 is not displayed in order to display the optimum shape reinforcing member model 43. As shown in FIG. 5, the optimum shape reinforcing member model 43 is obtained by remaining and eliminating the three-dimensional elements so as to satisfy the above analysis conditions (load constraint conditions, objective conditions, constraint conditions).
＜車体の補強部材の形状最適化方法＞
次に、本実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化方法（以下、単に「形状最適化方法」という）について、以下に説明する。 <Method for optimizing the shape of the reinforcing member of the vehicle body>
Next, the shape optimization method (hereinafter simply referred to as “shape optimization method”) for the reinforcing member of the vehicle body according to the present embodiment will be described below.
次に、本実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化方法（以下、単に「形状最適化方法」という）について、以下に説明する。 <Method for optimizing the shape of the reinforcing member of the vehicle body>
Next, the shape optimization method (hereinafter simply referred to as “shape optimization method”) for the reinforcing member of the vehicle body according to the present embodiment will be described below.
本実施の形態に係る形状最適化方法は、車体である構造体の一部に構造体の一部と異なる材質の補強部材を結合して構造体を補強するに際し、補強部材の最適な形状を求めるものであって、図６に示すように、構造体モデル取得ステップＳ１と、補強部材モデル生成ステップＳ３と、材料特性設定ステップＳ５と、最適化解析モデル生成ステップＳ７と、最適化解析ステップＳ９と、を含むものである。以下、各ステップについて説明する。なお、本実施の形態に係る形状最適化方法は、上記の各ステップをコンピュータによって構成された形状最適化装置１（図１参照）を用いて実行するものである。
In the shape optimization method according to the present embodiment, when a reinforcing member made of a material different from that of a part of the structure is coupled to a part of the structure that is a vehicle body, the optimal shape of the reinforcing member is determined. As shown in FIG. 6, as shown in FIG. 6, the structure model acquisition step S1, the reinforcing member model generation step S3, the material property setting step S5, the optimization analysis model generation step S7, and the optimization analysis step S9. And. Hereinafter, each step will be described. In the shape optimization method according to the present embodiment, the above steps are executed using a shape optimization apparatus 1 (see FIG. 1) configured by a computer.
≪構造体モデル取得ステップ≫
構造体モデル取得ステップＳ１は、平面要素及び／又は立体要素を用いて構造体をモデル化した構造体モデルとして図２（ａ）に示す車体モデル３１を取得するステップであり、形状最適化装置１においては、構造体モデル取得部１３が行う。 ≪Structure model acquisition step≫
The structure model acquisition step S1 is a step of acquiring avehicle body model 31 shown in FIG. 2A as a structure model obtained by modeling a structure using a planar element and / or a three-dimensional element. The structure model acquisition unit 13 performs the process.
構造体モデル取得ステップＳ１は、平面要素及び／又は立体要素を用いて構造体をモデル化した構造体モデルとして図２（ａ）に示す車体モデル３１を取得するステップであり、形状最適化装置１においては、構造体モデル取得部１３が行う。 ≪Structure model acquisition step≫
The structure model acquisition step S1 is a step of acquiring a
≪補強部材モデル生成ステップ≫
補強部材モデル生成ステップＳ３は、立体要素３５ａ（図３参照）からなり、車体モデル３１の一部と結合する車体モデル３１とは別の補強部材モデル３５（図２（ｂ）参照）を生成するステップであり、図１に示す形状最適化装置１においては補強部材モデル生成部１５が行う。 ≪Reinforcement member model generation step≫
The reinforcing member model generation step S3 includes a three-dimensional element 35a (see FIG. 3), and generates a reinforcing member model 35 (see FIG. 2B) that is different from the vehicle body model 31 coupled to a part of the vehicle body model 31. This step is performed by the reinforcing member model generation unit 15 in the shape optimization apparatus 1 shown in FIG.
補強部材モデル生成ステップＳ３は、立体要素３５ａ（図３参照）からなり、車体モデル３１の一部と結合する車体モデル３１とは別の補強部材モデル３５（図２（ｂ）参照）を生成するステップであり、図１に示す形状最適化装置１においては補強部材モデル生成部１５が行う。 ≪Reinforcement member model generation step≫
The reinforcing member model generation step S3 includes a three-
≪材料特性設定ステップ≫
材料特性設定ステップＳ５は、補強部材モデル生成ステップＳ３において生成した補強部材モデル３５の材料特性を設定するステップであり、形状最適化装置１においては材料特性設定部１７が行う。材料特性設定ステップＳ５において補強部材モデル３５に設定する材料特性としては、ヤング率、ポアソン比、及び比重等が挙げられる。 ≪Material property setting step≫
The material property setting step S5 is a step of setting the material property of the reinforcingmember model 35 generated in the reinforcing member model generating step S3, and is performed by the material property setting unit 17 in the shape optimization device 1. Examples of the material properties set in the reinforcing member model 35 in the material property setting step S5 include Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity.
材料特性設定ステップＳ５は、補強部材モデル生成ステップＳ３において生成した補強部材モデル３５の材料特性を設定するステップであり、形状最適化装置１においては材料特性設定部１７が行う。材料特性設定ステップＳ５において補強部材モデル３５に設定する材料特性としては、ヤング率、ポアソン比、及び比重等が挙げられる。 ≪Material property setting step≫
The material property setting step S5 is a step of setting the material property of the reinforcing
さらに、補強部材が、例えばＦＲＰのようにその材料特性が面内異方性を有する場合においては、補強部材モデル３５の材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、主軸角度に対応する材料特性の値を設定することで、補強部材モデル３５の材料特性の面内異方性が設定される。また、補強部材が複数の層からなる場合においては、複数の層毎に主軸角度を設定することも可能である。
Furthermore, when the reinforcing member has an in-plane anisotropy in material characteristics such as FRP, for example, a principal axis angle that gives in-plane anisotropy of the material characteristics of the reinforcing member model 35 is given and corresponds to the principal axis angle. By setting the material property value to be set, the in-plane anisotropy of the material property of the reinforcing member model 35 is set. In addition, when the reinforcing member is composed of a plurality of layers, it is possible to set the main shaft angle for each of the plurality of layers.
≪最適化解析モデル生成ステップ≫
最適化解析モデル生成ステップＳ７は、補強部材モデル生成ステップＳ３において生成した補強部材モデル３５を車体モデル３１の一部に結合して最適化解析モデル４１を生成するものであり、図１に示す形状最適化装置１においては最適化解析モデル生成部１９が行う。 ≪Optimization analysis model generation step≫
The optimization analysis model generation step S7 combines thereinforcement member model 35 generated in the reinforcement member model generation step S3 with a part of the vehicle body model 31 to generate the optimization analysis model 41. The shape shown in FIG. In the optimization apparatus 1, the optimization analysis model generation unit 19 performs this.
最適化解析モデル生成ステップＳ７は、補強部材モデル生成ステップＳ３において生成した補強部材モデル３５を車体モデル３１の一部に結合して最適化解析モデル４１を生成するものであり、図１に示す形状最適化装置１においては最適化解析モデル生成部１９が行う。 ≪Optimization analysis model generation step≫
The optimization analysis model generation step S7 combines the
≪最適化解析ステップ≫
最適化解析ステップＳ９は、最適化解析モデル生成ステップＳ５において生成した最適化解析モデル４１に解析条件を与え、補強部材モデル３５を最適化の解析処理を行う対象として最適化解析を行い、補強部材モデル３５の最適形状を求めるステップであり、図１に示す形状最適化装置１においては最適化解析部２１が行う。 ≪Optimization analysis step≫
In the optimization analysis step S9, an analysis condition is given to theoptimization analysis model 41 generated in the optimization analysis model generation step S5, the optimization analysis is performed with the reinforcing member model 35 as an object to be analyzed, and the reinforcing member This is a step of obtaining the optimum shape of the model 35, and is performed by the optimization analysis unit 21 in the shape optimization device 1 shown in FIG.
最適化解析ステップＳ９は、最適化解析モデル生成ステップＳ５において生成した最適化解析モデル４１に解析条件を与え、補強部材モデル３５を最適化の解析処理を行う対象として最適化解析を行い、補強部材モデル３５の最適形状を求めるステップであり、図１に示す形状最適化装置１においては最適化解析部２１が行う。 ≪Optimization analysis step≫
In the optimization analysis step S9, an analysis condition is given to the
最適化解析モデル４１に与える解析条件としては、最適化解析モデル４１に荷重を付加する位置や拘束位置を与える荷重拘束条件（図４参照）と、最適化解析の目的に応じて設定する目的条件とがある。
The analysis conditions given to the optimization analysis model 41 include a load constraint condition (see FIG. 4) that gives a position to which the load is applied to the optimization analysis model 41 and a constraint position (see FIG. 4), and a target condition set according to the purpose of the optimization analysis. There is.
最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、トポロジー最適化を適用することができる。さらに、トポロジー最適化において密度法を適用する場合、要素のペナルティ係数を３以上に設定して離散化を行うようにすることが好ましい。もっとも、最適化解析ステップＳ９における最適化解析には、他の計算方式により最適化の解析処理を適用することができ、最適化の解析処理を行うものとしては、例えば市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。
Topology optimization can be applied to the optimization analysis in the optimization analysis step S9. Further, when applying the density method in topology optimization, it is preferable to set the penalty coefficient of the element to 3 or more to perform discretization. However, the optimization analysis process in the optimization analysis step S9 can be performed by an optimization analysis process using another calculation method. For example, a commercially available finite element can be used as the optimization analysis process. The analysis software used can be used.
以上、本実施の形態に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置によれば、車体である構造体を補強する補強部材の最適な形状を精度よく求めることができる。さらに、最適な形状の補強部材を用いることで、構造体の軽量化を図ることが可能となる。最適な形状の補強部材を用いた構造体の軽量化については、後述する実施例において具体的に説明する。
As described above, according to the shape optimization method and shape optimization device for the reinforcing member of the vehicle body according to the present embodiment, the optimal shape of the reinforcing member that reinforces the structure that is the vehicle body can be obtained with high accuracy. Furthermore, it is possible to reduce the weight of the structure by using an optimally shaped reinforcing member. The weight reduction of the structure using the optimally shaped reinforcing member will be specifically described in the embodiments described later.
なお、上記においては、車体のルーフを補強する補強部材の形状最適化を対象として説明したが、本発明で形状最適化の対象とする部位はこれに限るものではなく、例えば車体のドアパネル（door outer panel）、トランク（trunk）、フード（hood）、及びフェンダー（fender）等を補強する補強部材の形状最適化するものであってもよい。さらに、上記の説明は、構造体として自動車の車体を対象としたものであるが、本発明は構造体の種類を限定するものではない。また、本発明の適用例として、鋼板（steel sheet）からなる構造体に、樹脂、ＦＲＰ（繊維強化樹脂、ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ等）、アルミニウム板、マグネシウム板、チタン板等を貼付する場合等が相当する。
In the above description, the shape optimization of the reinforcing member that reinforces the roof of the vehicle body has been described as an object. However, the portion to be optimized in the present invention is not limited to this, and for example, a door panel (door door of the vehicle body) The shape of the reinforcing member that reinforces the outer panel, trunk, hood, fender, and the like may be optimized. Furthermore, although the above description is directed to the body of an automobile as a structure, the present invention does not limit the type of structure. Further, as an application example of the present invention, a case where a resin, FRP (fiber reinforced resin, GFRP, CFRP, etc.), an aluminum plate, a magnesium plate, a titanium plate or the like is attached to a structure made of a steel sheet is suitable. To do.
本発明の効果を確認するため、実施例１では、本発明に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置により、自動車の車体のルーフを補強する補強部材の最適な形状を求める実験を行ったので、以下、これについて説明する。
In order to confirm the effect of the present invention, in Example 1, the optimum shape of the reinforcing member that reinforces the roof of the automobile body is obtained by the shape optimizing method and the shape optimizing device for the reinforcing member of the car body according to the present invention. Since an experiment was conducted, this will be described below.
実験においては、まず、図２に示す車体モデル３１を取得した。車体モデル３１は、いずれも平面要素及び／又は立体要素を用いて車体をモデル化したものであり、車体モデル３１の材質は鋼板とし、補強部材モデル３５の材質は樹脂として、その材料特性は以下の表１に示すように設定した。
In the experiment, first, a vehicle body model 31 shown in FIG. 2 was obtained. The vehicle body model 31 is obtained by modeling a vehicle body using plane elements and / or three-dimensional elements. The material of the vehicle body model 31 is a steel plate, the material of the reinforcing member model 35 is resin, and the material characteristics are as follows. Were set as shown in Table 1.
次に、図２（ｂ）に示す補強部材モデル３５を生成し、補強部材モデル３５の材料特性を設定した。補強部材モデル３５は、図３に示すように、ルーフ部３３の下面から下方に向かって立体要素３５ａを積み重ねるように生成した。ここで、補強部材モデル３５の厚みは１０ｍｍに設定した。なお、車体モデル３１のルーフ部３３はシェルモデル（shell model）（平面要素）とした。さらに、補強部材モデル３５の材料は樹脂とし、その材料特性として表１に示すヤング率、ポアソン比、及び比重の値を設定した。
Next, the reinforcing member model 35 shown in FIG. 2B was generated, and the material characteristics of the reinforcing member model 35 were set. As shown in FIG. 3, the reinforcing member model 35 is generated so that the three-dimensional elements 35 a are stacked from the lower surface of the roof portion 33 downward. Here, the thickness of the reinforcing member model 35 was set to 10 mm. The roof portion 33 of the vehicle body model 31 is a shell model (planar element). Further, the material of the reinforcing member model 35 is resin, and the Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity values shown in Table 1 are set as the material characteristics.
そして、材料特性を設定した補強部材モデル３５を図３に示すように車体モデル３１のルーフ部３３の下面に結合し、図２に示す最適化解析モデル４１を生成した。補強部材モデル３５とルーフ部３３との結合は、補強部材モデル３５の立体要素３５ａとルーフ部３３の平面要素３３ａそれぞれのノード（節点）を共有させることにより行った。
Then, the reinforcing member model 35 in which the material characteristics are set is coupled to the lower surface of the roof portion 33 of the vehicle body model 31 as shown in FIG. 3, and the optimization analysis model 41 shown in FIG. 2 is generated. The reinforcing member model 35 and the roof portion 33 are coupled by sharing the nodes (nodes) of the three-dimensional element 35 a of the reinforcing member model 35 and the planar element 33 a of the roof portion 33.
最後に、生成した最適化解析モデル４１に解析条件を与えてトポロジー最適化解析（topology optimization analysis）を実行し、補強部材モデル３５の最適な形状を求めた。解析条件としては、図４に示す荷重拘束条件を与え、目的条件をひずみエネルギー総和の最小化、制約条件を体積制約率２０％以下とした。図４に示す荷重拘束条件は、車体モデル３１の４箇所のジャッキアップ設置部（図４中の△印）を完全拘束とし、ルーフ部３３の上面の節点に対して車体高さ方向下向きに５００Ｎの分布荷重を与えるものである。ここで、分布荷重を与えたルーフ部３３の節点数は２４２４８個とした。
Finally, an analysis condition was given to the generated optimization analysis model 41 and a topology optimization analysis (topology optimization analysis) was performed to obtain an optimal shape of the reinforcing member model 35. As the analysis conditions, the load constraint condition shown in FIG. 4 was given, the objective condition was minimized the total strain energy, and the constraint condition was 20% or less of the volume constraint rate. The load restraint condition shown in FIG. 4 is that the four jack-up installation portions (Δ marks in FIG. 4) of the vehicle body model 31 are completely restrained, and 500 N downward from the node on the upper surface of the roof portion 33 in the vehicle body height direction. The distributed load is given. Here, the number of nodes of the roof portion 33 to which the distributed load was applied was 24248.
最適化解析により得られた最適形状補強部材モデル４３の結果を図５に、図４に示す荷重拘束条件を車体モデル３１に与えたときの車体高さ方向の車体変位の解析結果を図７に示す。
FIG. 5 shows the result of the optimum shape reinforcing member model 43 obtained by the optimization analysis, and FIG. 7 shows the analysis result of the vehicle body displacement in the vehicle body height direction when the load restraint condition shown in FIG. Show.
図７より、ルーフ部３３の中央部（図７中の破線楕円で囲った部位）に比べて、ルーフ部３３の前端部８１及び後端部８３における変位が大きいことがわかる。図５及び図７の結果から、最適化解析の過程において、車体変位が少ない部位には立体要素３５ａは残存せず、車体変位が大きい部位を支持するように立体要素３５ａが残存し、その結果、最適形状補強部材モデル４３は、図５（ｂ）中に破線で示すように、車体の前端部及び後端部において車体幅方向に延在して車体左右のサイドレール部（side rail）３７をつなぐブリッジ（bridge）形状と、ブリッジ形状とサイドレール部３７とをつなぐＬ字形状を有するものになった。
7 that the displacement at the front end portion 81 and the rear end portion 83 of the roof portion 33 is larger than the central portion of the roof portion 33 (the portion surrounded by the dashed ellipse in FIG. 7). From the results of FIGS. 5 and 7, in the process of optimization analysis, the three-dimensional element 35a does not remain in the part where the vehicle body displacement is small, and the solid element 35a remains so as to support the part where the vehicle body displacement is large. The optimum shape reinforcing member model 43 extends in the vehicle body width direction at the front end portion and the rear end portion of the vehicle body as shown by broken lines in FIG. A bridge shape connecting the bridge shape and an L shape connecting the bridge shape and the side rail portion 37 are provided.
図８に、最適形状補強部材モデル４３の前部（図８（ｂ）中のＡ－Ａ断面）及び中央部（図８（ｂ）中のＢ－Ｂ断面）における断面形状を示す。
FIG. 8 shows a cross-sectional shape at the front part (AA cross section in FIG. 8B) and the central part (BB cross section in FIG. 8B) of the optimum shape reinforcing member model 43.
最適形状補強部材モデル４３は、その前部では、図８（ａ）に示すように厚み方向において室外側の立体要素が残存した形状であるのに対し、中央部では、図８（ｃ）に示すように厚み方向において室外側の立体要素が消去され、室内側の立体要素が残存した形状となっている。
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. As shown, the outdoor three-dimensional element is erased in the thickness direction, and the indoor solid element remains.
最適形状補強部材モデル４３の前部と中央部とで、その厚み方向の形状が異なった理由としては、ルーフ部３３は車体モデル３１のサイドレール部３７とつながっており、ルーフ部３３の拘束状態がピラー３９（図８（ｂ）参照）の位置によって変わるため、最適化解析において補強部材モデル３５の厚み方向に発生する応力分布の差異に起因することが考えられる。
The reason why the shape in the thickness direction is different between the front portion and the center portion of the optimum shape reinforcing member model 43 is that the roof portion 33 is connected to the side rail portion 37 of the vehicle body model 31 and the roof portion 33 is restrained. Since this varies depending on the position of the pillar 39 (see FIG. 8B), it may be caused by a difference in stress distribution generated in the thickness direction of the reinforcing member model 35 in the optimization analysis.
図９に、最適化解析を行う前の最適化解析モデル４１に図４に示す荷重拘束条件を与えたときの補強部材モデル３５の応力分布の解析結果を示す。
FIG. 9 shows the analysis result of the stress distribution of the reinforcing member model 35 when the load constraint condition shown in FIG. 4 is given to the optimization analysis model 41 before performing the optimization analysis.
補強部材モデル３５の中央部は、ピラー（pillar）３９（図８（ｂ）参照）の近傍であるため、図９（ｄ－２）に示すような固定端の梁モードに近い応力分布となるのに対し、補強部材モデル３５の前部は、ピラー３９から離れた位置であるため、図９（ｄ－１）に示すような応力分布となる。そして、このような厚み方向における応力分布の違いにより、最適化解析において立体要素が残存する部位に差異が生じたと考えられる。
Since the central portion of the reinforcing member model 35 is in the vicinity of the pillar 39 (see FIG. 8B), the stress distribution is close to the beam mode of the fixed end as shown in FIG. 9D-2. On the other hand, since the front part of the reinforcing member model 35 is located away from the pillar 39, the stress distribution as shown in FIG. And it is thought that the difference generate | occur | produced in the site | part in which a solid element remains in optimization analysis by the difference in the stress distribution in the thickness direction.
以上より、本発明に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置により、車体を補強する補強部材の最適な形状を精度よく求めることができることが示された。
From the above, it has been shown that the optimum shape of the reinforcing member for reinforcing the vehicle body can be obtained with high accuracy by the shape optimization method and the shape optimizing device for the reinforcing member of the vehicle body according to the present invention.
実施例２では、本発明により形状最適化した補強部材を用いて車体の軽量化を検討する実験を行ったので、以下、これについて説明する。
In Example 2, 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. This will be described below.
実験では、本発明に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置により求めた最適形状補強部材モデルを用い、図１０に示すような、車体左右のサイドレール部５７をつなぐルーフリンフォース５５をルーフ部５３の下面に配設した車体モデル５１を対象として、車体の軽量化を検討した。
In the experiment, the roofline connecting the left and right side rail parts 57 as shown in FIG. 10 using the optimum shape reinforcing member model obtained by the shape optimizing method and the shape optimizing device for the reinforcing member of the car body according to the present invention. The weight reduction of the vehicle body was examined for the vehicle body model 51 in which the force 55 is disposed on the lower surface of the roof portion 53.
まず、車体モデル５１からルーフリンフォース５５を除去した車体モデル６１を対象とし、本実施の形態に係る形状最適化装置１又は形状最適化方法により、図１０（ｃ）に示す最適形状補強部材モデル６５を求め、最適形状補強部材モデル６５を車体モデル６１のルーフ部６３に結合して軽量化解析モデル（図５（ａ）に示す最適化解析を実行した後の最適化解析モデル４１に相当）を生成する。ここで、最適形状補強部材モデル６５は、前述の実施例１で用いた最適化解析と同一の解析条件を与えて求めたものであり、その重量は５．３ｋｇであった。
First, an optimal shape reinforcing member model shown in FIG. 10 (c) is targeted for the vehicle body model 61 from which the roof reinforcement 55 is removed from the vehicle body model 51, using the shape optimization device 1 or the shape optimization method according to the present embodiment. 65, and the optimum shape reinforcing member model 65 is coupled to the roof portion 63 of the vehicle body model 61 to reduce the weight analysis model (corresponding to the optimization analysis model 41 after performing the optimization analysis shown in FIG. 5A). Is generated. Here, the optimum shape reinforcing member model 65 was obtained by giving the same analysis conditions as the optimization analysis used in Example 1 described above, and its weight was 5.3 kg.
次に、ルーフリンフォース５５を有する車体モデル５１（図１０（ａ）参照）に、図４に示す荷重拘束条件を与えて構造解析（structural analysis）を行い、性能維持の目標となる車体特性の目標値を取得した。本実施例では、車体特性としてはルーフ部５３における車体高さ方向の最大変位を用いた。
Next, the vehicle body model 51 having the roof reinforcement 55 (see FIG. 10A) is subjected to the structural analysis by giving the load constraint condition shown in FIG. The target value was acquired. In this embodiment, the maximum displacement in the vehicle body height direction at the roof 53 is used as the vehicle body characteristic.
同様に、最適形状補強部材モデル６５を結合した軽量化解析モデルについても、図４に示す荷重拘束条件を与えて構造解析を行い、軽量化解析モデルに係る車体特性の解析値として、ルーフ部６３（図１０（ｂ）参照）における車体高さ方向の最大変位を取得した。
Similarly, with respect to the weight reduction analysis model combined with the optimum shape reinforcing member model 65, the structural analysis is performed by giving the load constraint condition shown in FIG. The maximum displacement in the vehicle body height direction in (see FIG. 10B) was obtained.
さらに、軽量化解析モデルのルーフ部６３における最大変位（解析値）と、車体モデル５１のルーフ部５３における最大変位（目標値）とを比較し、軽量化最適化モデルの最大変位が車体モデル５１の最大変位よりも小さい場合、軽量化解析モデルのルーフ部６３の板厚をさらに減少して構造解析を行い、ルーフ部６３の最大変位を車体特性の解析値として再び取得した。
Further, the maximum displacement (analytical value) in the roof portion 63 of the light weight analysis model is compared with the maximum displacement (target value) in the roof portion 53 of the vehicle body model 51, and the maximum displacement of the light weight optimization model is the vehicle body model 51. When the displacement is smaller than the maximum displacement, the structural analysis is performed by further reducing the plate thickness of the roof portion 63 of the weight reduction analysis model, and the maximum displacement of the roof portion 63 is obtained again as the analysis value of the vehicle body characteristics.
このように、軽量化解析モデルの最大変位が車体モデル５１の最大変位と等しく（等価剛性（equivalent stiffness））なるまで、軽量化解析モデルのルーフ部６３の板厚を減少してルーフ部６３の最大変位を取得した。
As described above, the thickness of the roof portion 63 of the light weight analysis model is reduced until the maximum displacement of the light weight analysis model becomes equal to the maximum displacement of the vehicle body model 51 (equivalent stiffness). The maximum displacement was obtained.
図１１に、ルーフ部６３の板厚とその重量との関係と、ルーフ部６３の板厚と車体の変化重量との関係を示す。
FIG. 11 shows the relationship between the plate thickness of the roof portion 63 and its weight, and the relationship between the plate thickness of the roof portion 63 and the weight change of the vehicle body.
図１１（ｂ）に示す車体の変化重量は、ルーフリンフォース５５が設けられ、且つ、ルーフ部５３の板厚が１．２ｍｍである車体モデル５１の重量を基準とし、ルーフ部６３の板厚が変化したときの軽量化解析モデルの変化重量であり、最適形状補強部材モデル６５の重量からルーフリンフォース５５の重量とルーフ部６３の板厚減少によって変化した重量とを減じたものである。
The change weight of the vehicle body shown in FIG. 11B is based on the weight of the vehicle body model 51 in which the roof reinforcement 55 is provided and the roof portion 53 has a plate thickness of 1.2 mm. Is a change weight of the weight reduction analysis model when the change is made, and is obtained by subtracting the weight of the roof reinforcement 55 from the weight of the optimum shape reinforcing member model 65 and the weight changed by the reduction in the plate thickness of the roof portion 63.
例えば、ルーフ部６３が初期板厚１．２ｍｍの場合における車体の変化重量は、ルーフ部６３の板厚減少によって変化する重量が０ｋｇであるため、最適形状補強部材モデル６５の重量（＝５．３ｋｇ）からルーフリンフォース５５の重量（＝１．７ｋｇ）を減じた値（５．３ｋｇ－１．７ｋｇ＝＋３．６ｋｇ）となる。
For example, when the roof portion 63 has an initial plate thickness of 1.2 mm, the weight change of the vehicle body due to the reduction in the plate thickness of the roof portion 63 is 0 kg, so the weight of the optimum shape reinforcing member model 65 (= 5. 3 kg) is obtained by subtracting the weight of the roof reinforcement 55 (= 1.7 kg) (5.3 kg−1.7 kg = + 3.6 kg).
実施例２で対象とした軽量化解析モデルのルーフ部６３は、初期の板厚が１．２ｍｍ、重量が１５．６ｋｇであり、図１１（ａ）に示すように、ルーフ部６３の重量は、その板厚との相関係数（correlation coefficient）ＲがＲ２＝１となることから、その板厚の減少と共に直線的に減少する。
The roof portion 63 of the weight reduction analysis model targeted in Example 2 has an initial plate thickness of 1.2 mm and a weight of 15.6 kg. As shown in FIG. Since the correlation coefficient R with the plate thickness is R 2 = 1, it decreases linearly as the plate thickness decreases.
そして、図１１（ｂ）に示すように、ルーフ部６３の板厚減少に伴って車体の変化重量は減少し、ルーフ部６３の板厚が０．９３ｍｍのとき、車体の変化重量は０ｋｇとなる。すなわち、ルーフ部６３の板厚を０．９３ｍｍ以下に減少することにより、軽量化解析モデルは車体モデル５１よりも軽量化できることがわかる。
As shown in FIG. 11 (b), the weight change of the vehicle body decreases as the plate thickness of the roof portion 63 decreases, and when the plate thickness of the roof portion 63 is 0.93 mm, the weight change of the vehicle body is 0 kg. Become. That is, it can be seen that the weight reduction analysis model can be made lighter than the vehicle body model 51 by reducing the thickness of the roof portion 63 to 0.93 mm or less.
図１２に、ルーフ部６３の板厚を変更したときの軽量化解析モデルの剛性向上率を示す。ここで、剛性向上率は、ルーフリンフォース５５が設けられている車体モデル５１の剛性と、最適形状補強部材モデル６５を結合した軽量化解析モデルの剛性との比であり、車体モデル５１及び軽量化解析モデルの剛性は、ルーフ部５３及びルーフ部６３それぞれに与えられた荷重の総和を最大変位で除した値である。
FIG. 12 shows the rigidity improvement rate of the weight reduction analysis model when the thickness of the roof portion 63 is changed. Here, the rigidity improvement rate is a ratio between the rigidity of the vehicle body model 51 provided with the roof reinforcement 55 and the rigidity of the light weight analysis model combined with the optimum shape reinforcing member model 65. The rigidity of the chemical analysis model is a value obtained by dividing the total load applied to the roof portion 53 and the roof portion 63 by the maximum displacement.
図１２より、ルーフ部６３が初期板厚１．２ｍｍであるとき、軽量化解析モデルの剛性は、車体モデル５１に比べて約３３％高い値である。そして、ルーフ部６３の板厚を減少させると、軽量化解析モデルの剛性向上率は減少し、板厚０．５３ｍｍのときに剛性向上率はほぼ０％、すなわち、ルーフリンフォース５５を有する車体モデル５１の剛性とほぼ等しくなる（等価剛性）。
12, when the roof portion 63 has an initial plate thickness of 1.2 mm, the rigidity of the weight reduction analysis model is about 33% higher than that of the vehicle body model 51. When the plate thickness of the roof portion 63 is reduced, the rigidity improvement rate of the weight reduction analysis model is reduced. When the plate thickness is 0.53 mm, the rigidity improvement rate is almost 0%, that is, the vehicle body having the roof reinforcement 55. It becomes almost equal to the rigidity of the model 51 (equivalent rigidity).
図１３に、車体モデル５１（最適形状補強部材モデル６５（図１０（ｃ）参照）なし）と、ルーフ部６３に最適形状補強部材モデル６５を結合した軽量化解析モデル７１（ルーフ部６３の板厚１．２ｍｍ及び０．５３ｍｍ）とにおける車体変位の解析結果を示す。
FIG. 13 shows a vehicle body model 51 (without an optimum shape reinforcing member model 65 (see FIG. 10C)) and a weight reduction analysis model 71 (the plate of the roof portion 63) in which the optimum shape reinforcing member model 65 is coupled to the roof portion 63. Analysis results of vehicle body displacement at thicknesses of 1.2 mm and 0.53 mm) are shown.
軽量化解析モデル７１のルーフ部６３の板厚が１．２ｍｍの場合（図１３（ｂ）参照）、軽量化解析モデル７１の車体変位は、車体モデル５１の車体変位に比べて全体的に小さく、ルーフ部６３における最大変位（－０．２１ｍｍ）は、車体モデル５１のルーフ部５３における最大変位（－０．２８ｍｍ）よりも小さい値である。
When the plate thickness of the roof portion 63 of the lightening analysis model 71 is 1.2 mm (see FIG. 13B), the vehicle body displacement of the lightening analysis model 71 is generally smaller than the vehicle body displacement of the vehicle body model 51. The maximum displacement (−0.21 mm) in the roof portion 63 is a value smaller than the maximum displacement (−0.28 mm) in the roof portion 53 of the vehicle body model 51.
一方、軽量化解析モデル７１のルーフ部６３の板厚が０．５３ｍｍの場合（図１３（ｃ）参照）、ルーフ部６３における最大変位（－０．２８ｍｍ）を示す部位は、車体モデル５１のルーフ部５３における最大変位（－０．２８ｍｍ）を示す部位と異なっているものの、両者の最大変位は等しい値である。
On the other hand, when the plate thickness of the roof portion 63 of the weight reduction analysis model 71 is 0.53 mm (see FIG. 13C), the portion showing the maximum displacement (−0.28 mm) in the roof portion 63 is the body model 51. Although different from the portion showing the maximum displacement (−0.28 mm) in the roof portion 53, the maximum displacement of both is equal.
よって、図１１～図１３の結果から、ルーフリンフォース５５の替わりに最適形状補強部材モデル６５を用いた場合、ルーフ部６３の板厚を１．２ｍｍから０．５３ｍｍに減少することで、図１１（ｂ）の点線矢印から、ルーフ部６３の板厚０．５３ｍｍは車体の変化重量－５．２ｋｇに対応することから、ルーフリンフォース５５が設けられている車体モデル５１と同等の剛性を保ったまま、ルーフリンフォース５５の削減とルーフ部６３の板厚減少によって車体重量を５．２ｋｇ軽量化できることが示された。
Therefore, from the results of FIGS. 11 to 13, when the optimum shape reinforcing member model 65 is used instead of the roof reinforcement 55, the thickness of the roof portion 63 is reduced from 1.2 mm to 0.53 mm. 11 (b) indicates that the thickness of the roof portion 63 of 0.53 mm corresponds to the change weight of the vehicle body of -5.2 kg. Therefore, the rigidity equivalent to that of the vehicle body model 51 provided with the roof reinforcement 55 is obtained. It was shown that the weight of the vehicle body can be reduced by 5.2 kg by reducing the roof reinforcement 55 and reducing the plate thickness of the roof portion 63 while keeping the same.
以上、本発明に係る車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置により、車体を補強する補強部材の最適な形状を求め、最適形状の補強部材を車体に結合することで、車体の性能を維持したまま車体を軽量化できることが実証された。
As described above, the optimal shape of the reinforcing member that reinforces the vehicle body is obtained by the shape optimization method and the shape optimization device of the reinforcing member of the vehicle body according to the present invention, and the optimally shaped reinforcing member is coupled to the vehicle body. It was proved that the weight of the car body can be reduced while maintaining the performance.
本発明によれば、車体である構造体の一部に構造体と異なる材料特性の補強部材を結合して構造体を補強するに際し、補強部材の最適な形状を求めることが可能な車体の補強部材の形状最適化方法及び形状最適化装置を提供することができる。
According to the present invention, when a reinforcing member having a material characteristic different from that of a structural body is coupled to a part of the structural body that is a vehicle body to reinforce the structural body, it is possible to obtain the optimal shape of the reinforcing member. A member shape optimization method and a shape optimization device can be provided.
１ 形状最適化装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 構造体モデル取得部
１５ 補強部材モデル生成部
１７ 材料特性設定部
１９ 最適化解析モデル生成部
２１ 最適化解析部
２３ 構造体モデルファイル
３１ 車体モデル
３３ ルーフ部
３３ａ 平面要素
３５ 補強部材モデル
３５ａ 立体要素
３７ サイドレール部
３９ ピラー
４１ 最適化解析モデル
４３ 最適形状補強部材モデル
５１ 車体モデル
５３ ルーフ部
５５ ルーフリンフォース
５７ サイドレール部
６１ 車体モデル
６３ ルーフ部
６５ 最適形状補強部材モデル
７１ 軽量化解析モデル
８１ 前端部
８３ 後端部 DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 Shape optimization apparatus 3 Display apparatus 5 Input apparatus 7 Memory | storage device 9 Work data memory 11 Arithmetic processing part 13 Structure model acquisition part 15 Reinforcement member model generation part 17 Material characteristic setting part 19 Optimization analysis model generation part 21 Optimization Analysis unit 23 Structure model file 31 Car body model 33 Roof part 33a Plane element 35 Reinforcement member model 35a Solid element 37 Side rail part 39 Pillar 41 Optimization analysis model 43 Optimal shape reinforcement member model 51 Car body model 53 Roof part 55 Roof reinforcement 57 Side rail part 61 Car body model 63 Roof part 65 Optimal shape reinforcing member model 71 Lightweight analysis model 81 Front end part 83 Rear end part
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 構造体モデル取得部
１５ 補強部材モデル生成部
１７ 材料特性設定部
１９ 最適化解析モデル生成部
２１ 最適化解析部
２３ 構造体モデルファイル
３１ 車体モデル
３３ ルーフ部
３３ａ 平面要素
３５ 補強部材モデル
３５ａ 立体要素
３７ サイドレール部
３９ ピラー
４１ 最適化解析モデル
４３ 最適形状補強部材モデル
５１ 車体モデル
５３ ルーフ部
５５ ルーフリンフォース
５７ サイドレール部
６１ 車体モデル
６３ ルーフ部
６５ 最適形状補強部材モデル
７１ 軽量化解析モデル
８１ 前端部
８３ 後端部 DESCRIPTION OF
Claims (8)
- 車体である構造体の一部に結合する該構造体と材料特性の異なる補強部材の最適な形状を求める車体の補強部材の形状最適化方法であり、コンピュータが以下の各ステップを行うものであって、
平面要素及び／又は立体要素を用いて前記構造体をモデル化した構造体モデルを取得する構造体モデル取得ステップと、
立体要素からなり前記構造体モデルの一部と結合する前記構造体とは別の補強部材モデルを生成する補強部材モデル生成ステップと、
該補強部材モデルの材料特性を設定する材料特性設定ステップと、
前記補強部材モデルを前記構造体モデルの一部に結合して最適化解析モデルを生成する最適化解析モデル生成ステップと、
該生成した最適化解析モデルに解析条件を与え、前記補強部材モデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記補強部材モデルの最適な形状を求める最適化解析ステップと、
を含むことを特徴とする車体の補強部材の形状最適化方法。 This is a method for optimizing the shape of a reinforcing member of a vehicle body that obtains the optimal shape of the reinforcing member having different material characteristics from that of the structural body that is coupled to a part of the structure that is a vehicle body. The computer performs the following steps. And
A structure model acquisition step of acquiring a structure model obtained by modeling the structure using a planar element and / or a three-dimensional element;
A reinforcing member model generating step for generating a reinforcing member model different from the structure that is composed of a three-dimensional element and is coupled to a part of the structure model;
A material property setting step for setting material properties of the reinforcing member model;
An optimization analysis model generation step of generating an optimization analysis model by combining the reinforcing member model with a part of the structure model;
An analysis condition is given to the generated optimization analysis model, an optimization analysis is performed with the reinforcing member model as an optimization analysis target, and an optimal analysis step for obtaining an optimal shape of the reinforcing member model;
A method for optimizing the shape of a reinforcing member for a vehicle body, comprising: - 前記材料特性設定ステップは、前記補強部材モデルの材料特性として、ヤング率、ポアソン比、及び比重を設定することを特徴とする請求項１に記載の車体の補強部材の形状最適化方法。 The method for optimizing the shape of a reinforcing member for a vehicle body according to claim 1, wherein the material property setting step sets Young's modulus, Poisson's ratio, and specific gravity as material properties of the reinforcing member model.
- 前記材料特性設定ステップは、前記補強部材モデルの材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、該主軸角度に対応する前記材料特性の値を設定し、複数の層からなる場合は、それぞれの主軸角度を持つ層を重ね合わせることを特徴とする請求項１又は２に記載の車体の補強部材の形状最適化方法。 The material property setting step gives a principal axis angle that gives in-plane anisotropy of the material property of the reinforcing member model, sets a value of the material property corresponding to the principal axis angle, and consists of a plurality of layers. The method for optimizing the shape of a reinforcing member for a vehicle body according to claim 1 or 2, wherein layers having respective principal axis angles are overlapped.
- 前記最適化解析ステップは、トポロジー最適化による解析処理を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車体の補強部材の形状最適化方法。 4. The method for optimizing a shape of a reinforcing member for a vehicle body according to claim 1, wherein the optimization analysis step performs an analysis process by topology optimization.
- 車体である構造体の一部に結合する該構造体と材料特性の異なる補強部材の最適な形状を求める車体の補強部材の形状最適化装置であって、
平面要素及び／又は立体要素を用いて前記構造体をモデル化した構造体モデルを取得する構造体モデル取得部と、
立体要素からなり前記構造体モデルの一部と結合する前記構造体とは別の補強部材モデルを生成する補強部材モデル生成部と、
該補強部材モデルの材料特性を設定する材料特性設定部と、
前記補強部材モデルを前記構造体モデルの一部に結合して最適化解析モデルを生成する最適化解析モデル生成部と、
該生成した最適化解析モデルに解析条件を与え、前記補強部材モデルを最適化の解析対象として最適化解析を行い、前記補強部材モデルの最適な形状を求める最適化解析部と、
を備えることを特徴とする車体の補強部材の形状最適化装置。 A shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body for obtaining an optimal shape of a reinforcing member having a material characteristic different from that of the structure coupled to a part of the structure that is a vehicle body,
A structure model acquisition unit that acquires a structure model obtained by modeling the structure using a planar element and / or a three-dimensional element;
A reinforcing member model generating unit that generates a reinforcing member model different from the structure that is composed of a three-dimensional element and is coupled to a part of the structure model;
A material property setting unit for setting material properties of the reinforcing member model;
An optimization analysis model generation unit that generates an optimization analysis model by combining the reinforcing member model with a part of the structure model;
An analysis condition is given to the generated optimization analysis model, an optimization analysis is performed with the reinforcing member model as an optimization analysis target, and an optimal analysis unit for obtaining an optimal shape of the reinforcing member model;
An apparatus for optimizing the shape of a reinforcing member for a vehicle body, comprising: - 前記材料特性設定部は、前記補強部材モデルの材料特性として、ヤング率、ポアソン比、及び比重を設定することを特徴とする請求項５に記載の車体の補強部材の形状最適化装置。 6. The shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body according to claim 5, wherein the material property setting unit sets Young's modulus, Poisson's ratio and specific gravity as material properties of the reinforcing member model.
- 前記材料特性設定部は、前記補強部材モデルの材料特性の面内異方性を与える主軸角度を与え、該主軸角度に対応する前記材料特性の値を設定し、複数の層からなる場合は、それぞれの主軸角度を持つ層を重ね合わせることを特徴とする請求項５又は６に記載の車体の補強部材の形状最適化装置。 The material property setting unit provides a principal axis angle that gives in-plane anisotropy of the material property of the reinforcing member model, sets a value of the material property corresponding to the principal axis angle, and includes a plurality of layers. The shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body according to claim 5 or 6, wherein layers having respective principal axis angles are overlapped.
- 前記最適化解析部は、トポロジー最適化による解析処理を行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の車体の補強部材の形状最適化装置。 The shape optimization device for a reinforcing member of a vehicle body according to any one of claims 5 to 7, wherein the optimization analysis unit performs analysis processing by topology optimization.
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