(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の初期形状データ、及び形状の周辺拘束条件と微小外力と前記物体の材料力学特性とを含むパラメータを入力する入力手段と、
前記初期形状データ及び前記パラメータを用い、所定の構造解析プログラムを用いて前記初期形状に前記微小外力を印加したときの第１変形形状データ及び変形前後の第１排除体積を算出する演算手段と、
前記第１変形形状データ及び前記第１排除体積を記憶する記憶手段と、
を有し、
前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された前記第１変形形状データを新たな初期形状データとして前記微小外力を印加したときの第２変形形状データ及び変形前後の第２排除体積を算出して前記記憶手段に記憶する処理を繰り返し実行するとともに、前記第１排除体積と前記第２排除体積との比を所定のしきい値と大小比較し、比較結果により実質的に変形がなくなったと判定される場合に繰り返し処理を中止して前記第１変形形状データ、あるいは前記第１変形形状が得られる変形前の形状データを最終的な高剛性形状データとして出力する
ことを特徴とする物体形状設計装置。
【請求項２】
物体の初期形状データ、及び形状の周辺拘束条件と微小外力と前記物体の材料力学特性とを含むパラメータを入力する入力手段と、
前記初期形状データ及び前記パラメータを用い、所定の構造解析プログラムを用いて前記初期形状に前記微小外力を印加したときの第１変形形状データ及び変形前後の第１排除体積を算出する演算手段と、
前記第１変形形状データ及び前記第１排除体積を記憶する記憶手段と、
を有し、
前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された前記第１変形形状データを新たな初期形状データとして前記微小外力を印加したときの第２変形形状データ及び変形前後の第２排除体積を算出して前記記憶手段に記憶する処理を繰り返し実行するとともに、前記第１排除体積と前記第２排除体積との比を所定のしきい値と大小比較し、比較結果により実質的に変形がなくなったと判定される場合であって前記初期形状データからの総排除体積が所定の上限値に達した場合に繰り返し処理を中止し、それまでの繰り返し処理において算出された排除体積のうち、最小の排除体積となる処理の変形前の形状データを最終的な高剛性形状データとして出力する
ことを特徴とする物体形状設計装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は外力を受ける構造体（パネルなど）の外力に適した形状の設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両のルーフパネルやフロアパン等のパネルを耐圧剛性の高い形状に設計する方法が知られている。
【０００３】
例えば、特開平５−２４６３５０号公報には、パネルの少なくとも中央部上の全ての点における最大曲率と最小曲率との和が実質的に一定となる曲面でパネルの中央部を形成するとともに、周縁部を中央部の曲面と同じ曲面あるいは周縁部の剛性が高くなるように中央部の曲率と異なる曲率の曲面で形成する技術が記載されている。
【０００４】
これによれば、パネル形状は石鹸膜のような形状となり、一定の内圧負荷に対し最も合理的な形状となって耐圧剛性も高くなると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように設計されたパネルを実際に車両に用いる際には、部品取り付け座や部品の逃がし等で上記のような理想形状に凹凸を付けざるを得ず、本来の性能を十分発揮できない問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、車両に実際に取り付けることを想定して設計者が作成したパネルなどの物体形状をベースとし、簡易かつ確実に耐圧剛性の高い物体形状を得ることができる装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、物体の初期形状データ、及び形状の周辺拘束条件と微小外力と前記物体の材料力学特性とを含むパラメータを入力する入力手段と、前記初期形状データ及び前記パラメータを用い、所定の構造解析プログラムを用いて前記初期形状に前記微小外力を印加したときの第１変形形状データ及び変形前後の第１排除体積を算出する演算手段と、前記第１変形形状データ及び前記第１排除体積を記憶する記憶手段とを有し、前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された前記第１変形形状データを新たな初期形状データとして前記微小外力を印加したときの第２変形形状データ及び変形前後の第２排除体積を算出して前記記憶手段に記憶する処理を繰り返し実行するとともに、前記第１排除体積と前記第２排除体積との比を所定のしきい値と大小比較し、比較結果により実質的に変形がなくなったと判定される場合に繰り返し処理を中止して前記第１変形形状データ、あるいは前記第１変形形状が得られる変形前の形状データを最終的な高剛性形状データとして出力する。微小外力を印加して変形させる処理を繰り返すことで、最終的に耐圧に優れ高剛性の形状が得られることになる。
【０００８】
また、本発明は、物体の初期形状データ、及び形状の周辺拘束条件と微小外力と前記物体の材料力学特性とを含むパラメータを入力する入力手段と、前記初期形状データ及び前記パラメータを用い、所定の構造解析プログラムを用いて前記初期形状に前記微小外力を印加したときの第１変形形状データ及び変形前後の第１排除体積を算出する演算手段と、
前記第１変形形状データ及び前記第１排除体積を記憶する記憶手段とを有し、前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された前記第１変形形状データを新たな初期形状データとして前記微小外力を印加したときの第２変形形状データ及び変形前後の第２排除体積を算出して前記記憶手段に記憶する処理を繰り返し実行するとともに、前記第１排除体積と前記第２排除体積との比を所定のしきい値と大小比較し、比較結果により実質的に変形がなくなったと判定される場合であって前記初期形状データからの総排除体積が所定の上限値に達した場合に繰り返し処理を中止する。そして、前記演算手段は、前記繰り返し処理において算出された排除体積のうち、最小の排除体積となる処理の変形前の形状データを最終的な高剛性形状データとして出力する。
【００１２】
本発明の物体としては、例えばパネルであり、微小外力は微小圧力を用いることができる。これにより、耐圧に優れたパネル形状を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の物体としてはフレーム構造体のような立体的な物体も適用可能であり、耐久性に優れた構造体を得ることが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１には、本実施形態の構成ブロック図が示されている。磁気テープ等の形状データ記憶装置１０にはパネルの基本的な形状データが記憶されており、形状データ・パラメータ入力装置１２を介して処理装置１４に形状データとパラメータが供給される。入力装置１２としては、キーボードやタブレッド、マウスなどを用いることができ、入力する形状データの対象は、圧力や振動を受けるパネル全般であり、具体的にはフロアパネル、ボデー内板部品、ヒートインシュレータ、燃料タンク、オイルパンなどがある。形状データは、これらのパネルの設計者が実際に車両に取り付けることを考慮した形状のデータ（つまり、部品取り付け座や部品の逃がし等の凹凸がある）であり、形状データの形式としては、例えばＮＡＳＴＲＡＮなどの汎用構造解析プログラムのデータ形式とすることができる。
【００１６】
処理装置１４は、具体的にはコンピュータやワークステーションで構成され、パラメータ記憶装置、演算装置及び演算記憶装置を有している。パラメータ記憶部は、入力装置１２から入力されたパラメータ（形状データや材料力学特性データなど）を記憶し、演算装置に供給する。演算装置は、入力された形状データ及びパラメータを用いて後述する処理を実行し、演算記憶装置に供給する。演算結果は、具体的にはパネルの形状に微小圧力を印加した場合に得られる変形形状と変形前後の変化度であり、変形形状は再びパラメータ記憶装置に供給されて次の演算に利用される。すなわち、演算装置は、形状データ入力→微小圧力印加→変形形状と変形度の算出という処理を繰り返し実行するのであり、所定の条件が満たされなくなった場合にこの繰り返し演算を中止して変形形状を出力する。
【００１７】
図２には、本実施形態の処理フローチャートが示されている。まず、オペレータは耐圧高剛性の観点から最適化しようとするパネル形状のデータＲを入力装置１２から入力する（Ｓ１０１）。パネル形状のデータＲは、当該パネル部品の溶接線や強いビードで囲まれた領域を対象とし、有限要素に分割して入力する。データ形式は、上述したように例えばＮＡＳＴＲＡＮ形式である。処理装置１４では、変数ｎを１に初期化するとともにパネル形状データＲをＳに入力する（Ｓ１０２）。次に、オペレータは、入力したパネル形状の周辺拘束条件Ｂや印加する微小圧力ΔＰの値、パネルの板厚ｔ、パネルの材料力学特性Ｅを入力装置１２から入力する（Ｓ１０３）。
【００１８】
パネルの形状（初期形状）データＲや各種パラメータが入力されると、処理装置１４は公知の構造解析プログラム（ＮＡＳＴＲＡＮなど）を用いてパネル初期形状に微小圧力ΔＰを印加した場合の変形形状Ｔを計算で求め、さらに変形前後で排除した体積Ｖを算出する（Ｓ１０４）。そして、変数ｎが１か否かを判定し（Ｓ１０５）、変数ｎが１、すなわち第１回目の変形である場合には、無条件に変形前後で排除した体積ＶをＷに代入するとともに初期形状ＳをＹに代入し（Ｓ１０８）、変形形状Ｔを新たな初期形状Ｓとして内部応力σを微小圧力ΔＰが印加されていない状態の内部応力σ０に戻し（Ｓ１０９）、変数ｎを１だけインクリメントして（Ｓ１１０）Ｓ１０３及びＳ１０４の処理を繰り返す。
【００１９】
一方、Ｓ１０５にてＮＯ、すなわち２回以上の変形処理を行った場合には、直前の変形処理により得られた排除体積Ｖと１つ前の変形処理に得られた排除体積Ｗ（Ｓ１０８参照）の比Ｖ／Ｗを算出し、この比Ｖ／Ｗが所定のしきい値ｈ（例えば０．９５）以上であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。
【００２０】
ここで、パネルは外力に対して最も少ない内部歪みエネルギＵで外力に対抗できるように変形し、その値は外部仕事に等しい（Ｕ＝１／２・ΔＰ・Ｖ）。そして、変形毎に設計形状近傍での理想形状、つまり最も外圧に強く剛性に優れた形状に近づいていくので変形後の内部エネルギを順次Ｕ１、Ｕ２、・・・Ｕｎ−１、Ｕｎ、排除体積をＶ１、Ｖ２、・・・、Ｖｎ−１、Ｖｎとすると、Ｕ１＞Ｕ２＞・・・＞Ｕｎ−１＞Ｕｎであり、結局Ｖ１＞Ｖ２＞・・・＞Ｖｎ−１＞Ｖｎとなる。すなわち、微小圧力ΔＰを印加させて変形させ、その変形形状を新たな初期形状として再び微小圧力ΔＰ（この微小圧力は前回変形時の微小圧力と同じ一定値である）を印加して変形させる処理を繰り返していくと、変形前後の排除体積は徐々に減少していく（同一微小圧力ΔＰを印加してもあまり変形しなくなる）。そして、仮にＶｎ−１とＶｎがほぼ等しくなり、微小圧力ΔＰを印加しても実質的に変形の改善が見られなくなった場合（この判定は、（直前の変形による排除体積）／（１つ前の変形による排除体積）がしきい値（例えば０．９５）以上となったことで判定できる）には、所定条件であるＶ／Ｗ＜ｈを満たさなくなり、耐圧高剛性の理想的な形状に近づいたとして、繰り返し計算を中止し、第（Ｎ−１）回目の初期形状、つまり第（Ｎ−２）回目の変形により得られた変形形状を最終的な形状Ｑとして出力する（Ｓ１０７）。Ｖ／Ｗがしきい値以上でない場合、すなわち未だ実質的な変形の改善が見られる場合には、Ｓ１０８〜Ｓ１０９の処理を経て変数ｎを１だけインクリメントし、Ｓ１０３の変形処理とＳ１０４の算出処理、並びにＳ１０６の評価処理を繰り返し実行する。
【００２１】
図３には、以上述べた処理が模式的に示されている。パネルの初期形状１００に対し仮想の圧力容器１０２を形成し、圧力容器内から微小圧力ΔＰを印加し、第１の変形形状２００を得る（同図（ａ））。変形前後で排除した体積はＶ１である。変形形状２００を新たな初期形状とみなし、内部応力も微小圧力を印加していない内部応力に戻して再び微小圧力ΔＰを印加し、第２の変形形状３００を得る（同図（ｂ））。変形前後で排除した体積はＶ２である。そして、変形度としてＶ２／Ｖ１を算出し、この変形度Ｖ２／Ｖ１が所定のしきい値（０．９５）以上の場合には１回目の変形の初期形状、すなわち元々の初期形状を最終的な形状として出力し（この場合には、初期形状が偶然耐圧高剛性の観点から最適形状であったことになる）、Ｖ２／Ｖ１がしきい値より小さい場合には、第２の変形形状３００を新たな初期形状とし、内部応力を元に戻して再び変形させて第３の変形形状４００（図示せず）を得、変形度Ｖ３／Ｖ２を評価する。なお、Ｖ３／Ｖ２がしきい値以上となった場合には、第２回目の変形の初期形状である第１の変形形状２００が最終的な出力形状となる。
【００２２】
このように、本実施形態では、変形前後の排除体積の比Ｖｎ／Ｖｎ−１を評価し、しきい値以上となるまで変形処理と評価処理を繰り返すことで耐圧に優れ高剛性のパネル形状を容易に得ることができる。したがって、パネル板厚（フロアパネルの板厚やオイルパンの板厚、燃料タンクの板厚等）を従来以上に薄くすることも可能となる。
【００２３】
なお、本実施形態では変形度としてＶｎ／Ｖｎ−１を採用しているため、この比が所定値以上となるか否かを繰り返し処理を中止するか否かの判定基準としているが、変形度を変形量の大きさ（変形量が多いほど変形度が増大する）とした場合、変形度が所定値以下となった場合に繰り返し処理を中止すればよいことは言うまでもなく、例えば変形度としてＶｎ−１／Ｖｎをとった場合には、この比が所定値以下となった場合に繰り返し処理を中止することになる。本発明の本質は、変形処理を繰り返し実行する毎に形状の変形量が小さくなっていき、実質的に変形の改善が飽和したと見なせる場合に繰り返し処理を中止する点にあり、その思想の範囲内で任意に変形度を定義し、所定のしきい値と比較することができる。したがって、本実施形態において、変形前後の排除体積自体を変形度と定義して所定のしきい値と比較し、しきい値以下となった場合に繰り返し処理を中止してもよい。
【００２４】
また、本実施形態では、Ｖｎ／Ｖｎ−１がしきい値以上となった場合に、（ｎ−１）回目の変形処理における初期形状、すなわち（ｎ−２）回目の変形処理における変形形状を最終的な形状として出力しているが、これはオペレータが入力した元々の初期形状Ｒにできるだけ近い形状を出力するためであり、ｎ回目の変形処理における初期形状、すなわち（ｎ−１）回目の変形処理における変形形状を最終的な形状として出力することも可能である。この場合、より耐圧に優れ高剛性の形状が得られることになる。例えば、Ｖｎ／Ｖｎ−１がしきい値を大きく（例えば１を）越えてしまった場合には変形形状が悪化している可能性があるため（ｎ−２）回目の変形処理における変形形状を最終形状として出力し、Ｖｎ／Ｖｎ−１がしきい値をそれほど大きくは越えていない（例えば、０．９５≦Ｖｎ／Ｖｎ−１＜１である）場合には（ｎ−１）回目の変形処理における変形形状を最終形状として出力するようにすることも可能である。
【００２５】
また、本実施形態において、初期形状Ｒからの変形量に上限を設け、Ｖｎ／Ｖｎ−１がしきい値以上とならなくてもこの上限値に達した場合には繰り返し処理を中止してｎ回目の変形処理における初期形状、あるいは（ｎ−１）回目の変形処理における初期形状を最終的な形状として出力してもよい。
【００２６】
さらに、本実施形態の方法では耐圧高剛性の形状が得られるが、一般に耐圧高剛性の形状は対振性にも優れると考えられるので、ノイズ対策や振動対策の観点からも優れた形状を得ることができる。パネル振動の低減により、例えば防音シートの低減を図ることも可能となる。
【００２７】
図４には、他の実施形態の処理フローチャートが示されている。このフローチャートでは、変形度Ｖｎ／Ｖｎ−１が所定値を超えた場合でも、上述の実施形態のように繰り返し処理を中止するのではなく、当初の総変形度が許容範囲内であれば、引き続き変形処理を行うことで、耐圧に優れたパネル形状を得ている。すなわち、まずオペレータがパネル形状のデータＲを入力装置１２から入力する。処理装置１４では、変数ｎを１に初期化するとともにパネル形状データＲをＳ１（１は当初のパネル形状であることを示す）に入力する（Ｓ２０１）。次に、オペレータは、入力したパネル形状の周辺拘束条件Ｂや印加する微小圧力ΔＰの値、パネルの板厚ｔ、パネルの材料力学特性Ｅを入力装置１２から入力する。
【００２８】
そして、パネルの形状データＲや各種パラメータが入力されると、処理装置は公知の構造解析プログラム（ＮＡＳＴＲＡＮなど）を用いてパネル初期形状に微小圧力ΔＰを印加した場合の変形形状Ｔｎを計算で求め、さらに変形前後で排除した体積Ｖｎ、並びにＳ１（すなわちＲ）とＴｎ間の総変形度Ｄｎを算出する（Ｓ２０２）。総変形度Ｄｎは、Ｓ１とＴｎ間の変形による排除体積で計算することができる。
【００２９】
Ｔｎ、Ｖｎ、Ｄｎを算出した後、変数ｎが１か否かを判定し（Ｓ２０３）、変数ｎが１、すなわち第１回目の変形である場合には、さらに総変形量Ｄｎが所定の許容値δを超えているか否かを判定する（Ｓ２０７）。超えている場合には、現在の条件では最適解が得られないことを意味するので、周辺拘束条件ＢやΔＰ、ｔなどのパラメータを再度設定し直す（Ｓ２１０）。一方、総変形度Ｄｎが所定の許容値δ以下である場合には、変形形状Ｔｎを新たな初期形状Ｓｎ＋１とし、パネル内部応力σを微小圧力ΔＰが印加されていない状態の内部応力に戻して（Ｓ２０８）、変数ｎを１だけインクリメントし変形処理を繰り返す。
【００３０】
一方、変数ｎが２以上である場合には、直前の変形処理で得られた排除体積Ｖｎと１つ前の変形処理で得られた排除体積Ｖｎ−１の比Ｖｎ／Ｖｎ−１を変形度として算出し、この変形度が所定のしきい値ｈを超えているか否かを判定する（Ｓ２０４）。所定値ｈ以下である場合には、排除体積が順次減少していることを意味するから、まだ改善の余地があるとして変形形状を新たな初期形状とし、変形処理及び評価処理を繰り返す（Ｓ２０８、Ｓ２０９）。Ｖｎ−１とＶｎがほぼ等しくなり、変形度が所定値ｈを超える場合には、上述の実施形態のように処理を終了するのではなく、総変形度Ｄｎと所定の許容値δとを比較する（Ｓ２０５）。そして、総変形度Ｄｎが許容値δを超えていない場合には、再びＳ２０８に移行して変形処理及び評価処理を繰り返し、総変形度Ｄｎが許容値δを超えた時点で繰り返しを終了し、繰り返し計算の中で得られた複数の排除体積Ｖｎの中で最も小さい値ＭＩＮ［Ｖｎ］を選択し、この変形前の形状を最適形状として出力する（Ｓ２０６）。これにより、Ｖの改善が一旦鈍りあるいは悪化しても、更に計算を続行すると再び改善が見られる、すなわちＶが振動しながら減少する場合にも対応することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について、パネル形状を例にとり説明したが、本発明はパネル形状に限定されず、外力を受ける構造体一般に適用することが可能である。すなわち、本実施形態における圧力を一般的な外力、排除体積を一般的な変形に置き換えることで、所望の外力適応形状を求めることができる。
【００３２】
図５には、このような他の例が示されている。支点２０に梁２４が固着され、支点２２に棒２６が固着されて、梁２４及び棒２６が接続点２８が接続されている。このように梁２４及び棒２６からなる構造体の接続点２８に図中矢印方向の外力が印加される場合を想定すると、矢印方向に微小外力ΔＰを印加した場合の変形を計算し、実質的に変形が生じなくなったと判定される形状を初期形状とすることで、外力に強い構造体を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば車両に実際に取り付けることを想定して設計者が作成したパネルやフレーム構造体などの物体形状をベースとし、簡易かつ確実に外力に対して剛性の高い物体形状を得ることができる。そして、設計者が作成した物体形状から出発するので、例えばパネルなどの設計に適用した場合、石鹸膜から出発する設計方法に比べ、より実際に即した耐圧剛性の形状を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の処理フローチャートである。
【図３】図２の処理の模式的説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態の処理フローチャートである。
【図５】本発明の更に他の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
１０  形状データ記憶装置、１２  入力装置、１４  処理装置。
【図１】
0003610833.tif 000002
【図２】
0003610833.tif 000003
【図３】
0003610833.tif 000004
【図４】
0003610833.tif 000005
【図５】
0003610833.tif 000006