(57)【要約】【課題】複数の荷重点に独立に荷重が作用する部品の強度解析の信頼性を向上するための技術を提供する。また、部品上の複数の点に作用した荷重を記録した時刻暦波形データの中から、当該部品の強度解析に適切な荷重条件を自動的に選択し、若しくは、ユーザに容易に選択させるための技術を提供する。【解決手段】解析条件決定装置は、時刻暦波形データから各時刻において複数の荷重点に作用した荷重値の組み合わせを取得し、該荷重値の組み合わせに基づき各荷重点の変位量を算出する変位量算出手段と、前記部品上に拘束点を設定し、前記荷重点の変位量を該荷重点から前記拘束点までの距離の２乗で除した値を前記複数の荷重点について合算することにより、前記拘束点における仮想応力値を算出する仮想応力値算出手段と、前記時刻暦波形データに含まれる各時刻の荷重値の組み合わせについて前記仮想応力値を比較して、該仮想応力値の大きい荷重値の組み合わせを前記強度解析に用いる荷重条件の候補に決定する荷重条件決定手段と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品上の複数の荷重点のそれぞれに作用した荷重の変動を所定の時間にわたり記録した時刻暦波形データから、当該部品の強度解析に用いる荷重条件を決定する解析条件決定装置であって、
前記時刻暦波形データを記憶する記憶手段と、
前記時刻暦波形データから、各時刻において前記複数の荷重点に作用した荷重値の組み合わせを取得し、該荷重値の組み合わせに基づき各荷重点の変位量を算出する変位量算出手段と、
前記部品上に拘束点を設定し、前記荷重点の変位量を該荷重点から前記拘束点までの距離の２乗で除した値を前記複数の荷重点について合算することにより、前記拘束点における仮想応力値を算出する仮想応力値算出手段と、
前記時刻暦波形データに含まれる各時刻の荷重値の組み合わせについて前記仮想応力値を比較して、該仮想応力値の大きい荷重値の組み合わせを前記強度解析に用いる荷重条件の候補に決定する荷重条件決定手段と、
を備えることを特徴とする解析条件決定装置。
【請求項２】
前記荷重条件決定手段は、前記時刻暦波形データに含まれる各時刻の荷重値の組み合わせの中から選択した複数の荷重条件の候補を、前記仮想応力値が大きい順に出力することを特徴とする請求項１に記載の解析条件決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の荷重点をもつ部品の強度解析に適用される技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
サスペンション等の車両部品の疲労強度解析においては、通常、規定の悪路を走行した際に部品に作用する荷重を測定器により計測し、そこで得られた荷重の時刻暦波形を強度判定に利用している。図４に示すように、複数のアームが連結されるキャリア部品１００のように、複数の点からの荷重入力を受ける部品の場合は、荷重点１０１ａ〜１０１ｅそれぞれについて時刻暦波形１０２ａ〜１０２ｅが得られる。従来、強度ＦＥＭ（有限要素法）解析にてこの種の部品の強度解析を行う場合には、人が、悪路走行実験で得られた波形１０２ａ〜１０２ｅそれぞれから支配的な入力（例えば最大荷重）を代表値１０３ａ〜１０３ｅとして選び出し、それらの代表値をＦＥＭ解析に利用していた。
【０００３】
しかしこの手法は、厳密には悪路の走行現象を模擬した解析とはいえない。悪路走行では、部品に作用する荷重の大きさ、方向等が時刻ごとに目まぐるしく変化しており、上記代表値１０３ａ〜１０３ｅが同じタイミングで部品１００に作用するケースは殆ど考えられない。それゆえ、各波形から個別に選び出された代表値を部品に負荷する従来の方法では、実際の悪路走行実験よりも厳しめ又は緩めの荷重条件にて強度が評価されることとなり、部品強度を正確に評価することができなかった。
【０００４】
この問題を解決するには、荷重点１０１ａ〜１０１ｅに同一タイミングで入力される全ての荷重を観察して、どの時刻に入力された荷重の組み合わせが部品強度に不利かを見極め、ＦＥＭ解析に用いる条件を決定すればよい。とはいえ、悪路走行実験では、測定器にて５００〜１０００回／秒で荷重測定が行われるため、走行時間を１０分としても、波形の中に３０万ケース以上の荷重の組み合わせが含まれることになる。この膨大なデータの中から部品強度に不利なケースを選び出す作業は、非常に工数のかかる作業であり、人の手で行うのは非現実的であった。測定器の高性能化を考慮すると、将来的にはデータ数のさらなる増加が見込まれ、より工数がかかる作業となる。
【０００５】
なお、車両部品の強度解析に関する技術として、特許文献１〜３に開示されたものが知られている。特許文献１には、予め演算されている車輪に対する入力の強度的な影響情報を元に、実際に車輪に入力された力の車輪に対する強度的な影響を判定することが開示されている。特許文献２には、車両の一部位のＣＡＥデータを変更することで構造変更し、各部位の内部エネルギーの変化量を計算することが開示されている。特許文献３には、走行中の車輪動的特性データ、非走行時の静的特性データ、設計データを比較して車輪状態を解析し結果を出力することが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２１６８１号公報
【特許文献２】特開２００８−３３６８９号公報
【特許文献３】特開２００３−９７９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、複数の荷重点に独立に荷重が作用する部品の強度解析の信頼性を向上するための技術を提供することにある。また本発明の別の目的は、部品上の複数の点に作用した荷重を記録した時刻暦波形データの中から、当該部品の強度解析に適切な荷重条件を自動的に選択し、若しくは、ユーザに容易に選択させるための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を採用する。すなわち、本発明に係る解析条件決定装置は、部品上の複数の荷重点のそれぞれに作用した荷重の変動を所定の時間にわたり記録した時刻暦波形データから、当該部品の強度解析に用いる荷重条件を決定する解析条件決定装置であって、前記時刻暦波形データを記憶する記憶手段と、前記時刻暦波形データから、各時刻において前記複数の荷重点に作用した荷重値の組み合わせを取得し、該荷重値の組み合わせに基づき各荷重点の変位量を算出する変位量算出手段と、前記部品上に拘束点を設定し、前記荷重点の変位量を該荷重点から前記拘束点までの距離の２乗で除した値を前記複数の荷重点について合算することにより、前記拘束点における仮想応力値を算出する仮想応力値算出手段と、前記時刻暦波形データに含まれる各時刻の荷重値の組み合わせについて前記仮想応力値を比較して、該仮想応力値の大きい荷重値の組み合わせを前記強度解析に用いる荷重条件の候補に決定する荷重条件決定手段と、を備える。
【０００８】
ここで、荷重条件の候補として１つの候補（仮想応力値が最大の組み合わせ）のみが選ばれてもよいし、複数の候補（仮想応力値が最大のものから順にＮ個の組み合わせ）が選ばれてもよい。時刻暦波形データにＭ個の組み合わせが含まれている場合、１＜Ｎ≦Ｍ（Ｎ，Ｍ：整数）である。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、時刻暦波形データに含まれる膨大なケース（荷重値の組み合わせ）の中から、部品に対して比較的大きな応力を発生させたケースを、自動で選び出すことができる。よって、人の手で荷重条件を比較検討するのに比べて、工数の大幅な短縮と信頼性の向上を図ることができる。
【００１０】
しかも本発明では、厳密な応力計算を行うのではなく、「前記荷重点の変位量を該荷重点から前記拘束点までの距離の２乗で除した値を前記複数の荷重点について合算する」という単純な近似計算により、応力相当値を算出している。これにより計算時間の短縮を図ることができる。
【００１１】
また、前記荷重条件決定手段が、前記時刻暦波形データに含まれる各時刻の荷重値の組み合わせの中から選択した複数の荷重条件の候補を、前記仮想応力値が大きい順に出力することが好ましい。この出力結果により、部品の強度に対して厳しい荷重条件を容易に把握できるので、強度解析に用いる荷重条件の絞込みが容易になる。
【００１２】
なお、本発明は、上記機能手段が実行する処理の少なくとも一部を含む解析条件決定方法や、その方法を実現するためのプログラムや、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の荷重点に独立に荷重が作用する部品の強度解析の信頼性を向上することができる。また、部品上の複数の点に作用した荷重を記録した時刻暦波形データの中から、当該部品の強度解析に適切な荷重条件を自動的に選択し、若しくは、ユーザに容易に選択させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００１５】
本実施形態の解析条件決定装置は、部品の強度解析に用いる荷重条件（入力条件）を自
動的に決定し、又は、ユーザによる荷重条件の決定を支援するための装置であり、例えば、ＦＥＭ（有限要素法）による強度解析システムの一機能として実装されるものである。対象となる部品は特に限定されないが、本装置は、特に、複数の荷重点をもつ部品（つまり、部品上の複数の点に独立に荷重が作用する部品。多軸入力を受ける部品ともいう。）に好適に適用することができる。ここでは、車両のサスペンションの一構成部品であるキャリア部品（アクスルキャリア）を例に挙げて説明を行う。キャリア部品は車軸を支持するための部品であり、キャリア部品自身は、アッパーアームやロアアーム等の複数のアームを介して車体に取り付けられている。よって、車両走行時には車体と車輪の相対動に応じて、各アームの連結部分（ここが荷重点となる。）においてキャリア部品に荷重が作用することとなる。
【００１６】
（システム構成）
図１は、解析条件決定装置の一構成例を示している。解析条件決定装置は、概略、解析条件決定部１０、記憶部１１、表示部１２を備えている。この装置は、ＣＰＵ、主記憶装置、補助記憶装置、ディスプレイ、入力装置等のハードウエア資源を備えた汎用のコンピュータにより構成可能であり、上述した各機能は、主記憶にロードされたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現されるものである。
【００１７】
記憶部１１は、解析条件決定部１０の処理に利用される各種のデータを格納する記憶手段である。本実施形態では、事前に実施した悪路走行実験等で得られた時刻暦波形データが記憶部１１に格納される。時刻暦波形データとは、キャリア部品上の複数の荷重点（アームの連結部分）のそれぞれに作用した荷重値（単位：Ｎ（ニュートン））の変動を所定の時間にわたり記録したものである。約１０分の走行実験においてキャリア部品に取り付けた測定器で１０００回／秒で荷重測定を行った場合、時刻暦波形データには約６０万ケースのデータ（荷重点に作用した荷重値の組み合わせ）が含まれることとなる。
【００１８】
解析条件決定部１０は、時刻暦波形データに含まれる各々のケースについて、キャリア部品に作用する応力を評価することにより、キャリア部品の強度に対して厳しい荷重条件となるケースを自動で抽出する機能である。アルゴリズムの詳細を次に説明する。
【００１９】
（解析条件の決定処理）
図２及び図３を参照して、解析条件決定処理の詳細を説明する。図２は、解析条件の決定処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本実施形態で用いたキャリア部品の構成を模式的に示す図である。
【００２０】
図３では、キャリア部品３０の輪郭と、５つの荷重点３１ａ〜３１ｅと、拘束点３２が示されている。荷重点３１ａ〜３１ｅはそれぞれアームが取り付けられている点であり、アームからの荷重が作用する点である（以下、荷重点３１ａ、３１ｂ、・・・、３１ｅを、単に、ａ点、ｂ点、・・・、ｅ点ともよぶ。）。また拘束点３２は、キャリア部品３０に作用する応力を評価する点であり、任意の位置に設定可能であるが、図３の例では車軸の中心に配置している。なお、キャリア部品３０のＦＥＭモデル、及び、荷重点と拘束点のデータは、予め記憶部１１に格納されているものとする。
【００２１】
図２のステップＳ２０において、解析条件決定部１０は、まず、ａ点〜ｅ点にそれぞれ単位軸力（１Ｎ）を負荷した場合の、ａ点〜ｅ点それぞれの変位量をＦＥＭ解析により算出する。ここで算出された単位軸力あたりの変位量を単位変位量とよぶ。またｘ点に単位軸力を負荷したときのｙ点の単位変位量を、Ｕｙｘと表記する。
【００２２】
次に、ステップＳ２１において、解析条件決定部１０は、時刻暦波形データから時刻ｔ（ｔ＝０〜Ｔ）においてａ点〜ｅ点に作用した荷重値Ｗａｔ〜Ｗｅｔの組み合わせを取得
する。そして、荷重値Ｗａｔ〜Ｗｅｔの組み合わせと、ステップＳ２０で求めた単位変位量とから、下記式に従って、時刻ｔにおけるａ点〜ｅ点それぞれの変位量Ｄａｔ〜Ｄｅｔを算出する。
【００２３】
Ｄａｔ＝Ｕａａ×Ｗａｔ＋Ｕａｂ×Ｗｂｔ＋Ｕａｃ×Ｗｃｔ
＋Ｕａｄ×Ｗｄｔ＋Ｕａｅ×Ｗｅｔ
Ｄｂｔ＝Ｕｂａ×Ｗａｔ＋Ｕｂｂ×Ｗｂｔ＋Ｕｂｃ×Ｗｃｔ
＋Ｕｂｄ×Ｗｄｔ＋Ｕｂｅ×Ｗｅｔ
Ｄｃｔ＝Ｕｃａ×Ｗａｔ＋Ｕｃｂ×Ｗｂｔ＋Ｕｃｃ×Ｗｃｔ
＋Ｕｃｄ×Ｗｄｔ＋Ｕｃｅ×Ｗｅｔ
Ｄｄｔ＝Ｕｄａ×Ｗａｔ＋Ｕｄｂ×Ｗｂｔ＋Ｕｄｃ×Ｗｃｔ
＋Ｕｄｄ×Ｗｄｔ＋Ｕｄｅ×Ｗｅｔ
Ｄｅｔ＝Ｕｅａ×Ｗａｔ＋Ｕｅｂ×Ｗｂｔ＋Ｕｅｃ×Ｗｃｔ
＋Ｕｅｄ×Ｗｄｔ＋Ｕｅｅ×Ｗｅｔ
【００２４】
次に、ステップＳ２２において、解析条件決定部１０は、時刻ｔの拘束点３２における仮想応力値ＶＳｔを下記式に従い算出する。ここで、荷重点ｘと拘束点３２の間の距離をＬｘと表記する。
ＶＳｔ＝Ｄａｔ／Ｌａ２＋Ｄｂｔ／Ｌｂ２＋Ｄｃｔ／Ｌｃ２
＋Ｄｄｔ／Ｌｄ２＋Ｄｅｔ／Ｌｅ２
【００２５】
本実施形態では、拘束点３２に発生する応力を厳密に計算するのではなく、「荷重点の変位量を荷重点から拘束点までの距離の２乗で除した値を合算する」という単純な近似計算により、応力相当値としての仮想応力値ＶＳｔを算出している。これにより計算時間の短縮を図ることができる。
【００２６】
仮想応力値ＶＳｔの式の技術的な意味（理論的な根拠）について説明を加える。材料力学の公式より、片持ち梁の端部最大たわみ量ωは、次の式で求まる。ここで、Ｐ：荷重、ｌ：梁の長さ、Ｅ：ヤング率、Ｉｙ：断面二次モーメントである。
ω＝Ｐｌ３／３ＥＩｙ
この式を変形して、
Ｐ＝ω×３ＥＩｙ／ｌ３
この式を、応力σを求める式に代入すると、下記式を得る。ただし、Ｚ：断面係数である。
σ＝Ｐｌ／Ｚ＝ω×３ＥＩｙ／ｌ２Ｚ＝（ω／ｌ２）×（３ＥＩｙ／Ｚ）
【００２７】
（３ＥＩｙ／Ｚ）は材料と断面形状により決まる値なので、応力σの大きさは（ω／ｌ２）の値の大きさで評価できることがわかる。
【００２８】
ここで、キャリア部品を、拘束点が固定端、荷重点が自由端である片持ち梁の集合体とみなし、またそれぞれの梁の構造物特性が同じであると仮定する。そうすると、荷重点の変位量（ω）と、荷重点から拘束点までの距離（ｌ）から、拘束点における応力相当値（ω／ｌ２）を算出できる。これを全ての梁について合算したパラメータが仮想応力値ＶＳｔである。この仮想応力値ＶＳｔにより、各荷重点の変位に起因して拘束点に発生する応力の大きさを簡易的に予測し評価することが可能である。
【００２９】
上記ステップＳ２１及びＳ２２の処理は、時刻暦波形データに含まれる全ケース（時刻ｔ＝０〜Ｔ）のデータについて繰り返し実行され、それぞれのケースの仮想応力値ＶＳｔが算出される。その後、ステップＳ２３において、解析条件決定部１０は、各ケースの仮
想応力値ＶＳｔを比較し、仮想応力値ＶＳｔの大きい順にデータをソート（並べ替え）する。このソート結果は、強度解析に用いる荷重条件（荷重値の組み合わせ）の候補を示すものとして、表示部１２あるいはファイルに出力される。このとき、荷重条件の候補として、仮想応力値が最大のケースのみを出力してもよいし、仮想応力値が最大のものから順に複数のケースを出力してもよいし、全てのケースを出力してもよい。
【００３０】
以上述べた本実施形態の構成によれば、時刻暦波形データに含まれる膨大なケース（荷重値の組み合わせ）の中から、キャリア部品に対して比較的大きな応力を発生させたケースを、自動で選び出すことができる。よって、人の手で荷重条件を比較検討するのに比べて、工数の大幅な短縮と信頼性の向上を図ることができる。そして、このように選び出されたケースでの各アームの荷重値を強度ＦＥＭ解析で用いれば、悪路走行実験を再現した解析が可能となる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、解析条件決定部１０のステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３の機能がそれぞれ本発明の変位量算出手段、仮想応力値算出手段、荷重条件決定手段に対応している。ただし、この構成は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は解析条件決定装置の一構成例を示す図である。
【図２】図２は解析条件の決定処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３はキャリア部品の構成を模式的に示す図である。
【図４】図４は従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  解析条件決定部
１１  記憶部
１２  表示部
３０  キャリア部品
３１ａ〜３１ｅ  荷重点
３２  拘束点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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