(57)【要約】【課題】圧縮荷重を受けて氷に脆性破壊と亀裂破壊が生じる現象を良好に再現できる氷破壊モデルと、氷の破壊解析シミュレーション方法を提供する。【解決手段】粒子モデルからなる脆性破壊部位モデル110と、有限要素モデルからなる亀裂破壊部位モデル120を備える氷破壊モデル100を設定するステップと、脆性破壊部位モデル110に圧縮荷重を受けて脆性破壊部位モデルについて粒子法に基づき脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形のモデル化を実行するとともに、脆性破壊部位モデル110の膨出変形を受けて亀裂破壊部位モデル120について有限要素法に基づき亀裂破壊のモデル化を実行する氷破壊シミュレーションを行なうステップと、氷破壊シミュレーションの結果を出力するステップを含む構成とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の粒子の集合体である粒子モデルからなり、圧縮荷重を受けることにより脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形をモデル化可能な脆性破壊部位モデルと、
有限要素モデルからなり、脆性破壊部位モデルの膨出変形を受けてその周囲に生じる亀裂破壊をモデル化可能な亀裂破壊部位モデルを備える、
ことを特徴とする氷破壊モデル。
【請求項２】
脆性破壊部位モデルの周囲に亀裂破壊部位モデルが配置されていることを特徴とする、請求項１記載の氷破壊モデル。
【請求項３】
脆性破壊部位モデルの上側に、第１の部品モデルが、脆性破壊部位モデルと接合状態に配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の氷破壊モデル。
【請求項４】
第１の部品モデルの上側に、第２の部品モデルが、第１の部品モデルと接合状態に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の氷破壊モデル。
【請求項５】
脆性破壊モデルの下側に、接地モデルが、脆性破壊部位モデルと接地可能に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の氷破壊モデル。
【請求項６】
複数の粒子の集合体である粒子モデルからなる脆性破壊部位モデルと、有限要素モデルからなる亀裂破壊部位モデルを備える氷破壊モデルを設定するステップと、
氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルが圧縮荷重を受けることにより、脆性破壊部位モデルについて粒子法に基づき脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形のモデル化を実行するとともに、脆性破壊部位モデルの膨出変形を受けて亀裂破壊部位モデルについて有限要素法に基づき亀裂破壊のモデル化を実行する氷破壊シミュレーションを行なうステップと、
氷破壊シミュレーションの結果を出力するステップを含む、
ことを特徴とする氷の破壊解析シミュレーション方法。
【請求項７】
有限要素モデルからなる第１の部品モデルを設定し、第１の部品モデルを、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルの上側に脆性破壊部位モデルと接合するように配置し、
有限要素モデルからなる第２の部品モデルを設定し、第２の部品モデルを、第１の部品モデルの上側に第１の部品モデルと接合するように配置し、
有限要素モデルからなる接地モデルを設定し、接地モデルを、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルの下側に脆性破壊部位モデルと接地するように配置するステップと、
第１の部品モデル、第２の部品モデルおよび氷破壊モデルの全体に運動エネルギーを入力することにより、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルと接地モデルを衝突させて、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルに圧縮荷重が付与されるステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項６記載の氷の破壊解析シミュレーション方法。
【請求項８】
氷破壊シミュレーションにおいて粒子法に基づき脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形のモデル化が実行された脆性破壊部位モデルと、有限要素法に基づき亀裂破壊のモデル化が実行された亀裂破壊部位モデルをアニメーション化されたデータで出力するステップをさらに含む、
ことを特徴とする請求項６または請求項７記載の氷の破壊解析シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重、特に圧縮荷重を受けて破壊を生じる氷の破壊解析をコンピュータ上で行うための氷破壊モデルと、同氷破壊モデルを用いて氷の破壊解析を行うシミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、寒冷地で積雪路や凍結路上を車両が走行すると、タイヤの後方に巻き上がったシャーベット状の雪が車両の下部外装品に付着し、成長して氷の塊となることがある。このような状態で、車両が路面の段差のある箇所（縁石や窪みなど）を通過すると、タイヤの乗り下げにより車両下部の氷が段差の上面に接地し、衝撃により氷は破壊されるが、同時に車両下部の外装部品に衝撃を与えることがある。
【０００３】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、車両１のタイヤ２が段差５を乗り下げることにより、車両下部の外装品３の下面に成長した氷４が段差５の上面に接地し、衝撃により氷４に破壊が生じる様子を示している。図１１（Ａ）に示すように、氷４はタイヤ２に近い位置では厚く成長し、タイヤ２から遠ざかるにつれて次第に薄く成長していることが分かる。
【０００４】
このような形状の氷４が段差５の上面に接地して荷重が入力されると、図１１（Ｃ）の拡大円に示すように、破壊後の構造として、圧縮荷重を直接受けて脆性破壊を生じる部分（以下、脆性破壊部位４Ｚという）と、その周囲に亀裂が伝播して亀裂破壊を生じる部分（以下、亀裂破壊部位４ｋという）があることが分かった。
【０００５】
氷４の破壊現象の違いは、氷（脆性破壊部位）４Ｚが圧縮荷重を受けて、接地面荷重のピーク後にビア樽状に横方向に膨出変形するとともに、横方向への膨出変形を受けて、周囲に亀裂が伝播し、亀裂破壊を生じると考えられる。また、亀裂破壊が上下に達すると、氷４の前端部分のように分割された破壊片（亀裂破壊片４Ｋ１）を生じるものと考えられる。
【０００６】
現在多くのメーカーは、設計の図面段階においてコンピュータ支援ツールであるＣＡＥを駆使し性能予測を行っているが、実際にはまだ、試作車を作り、実車にて最終的な性能確認を行っている。しかし、試験にて性能目標が未達成になると、ボディやパネルの試作、性能評価に多大な工数と費用を要し、性能が十分でない場合、ボディやパネルの設計変更、金型修正、試作、試験の各工程を繰り返し実施しなければならず、開発費用が多大となりまた開発期間も長くなるという問題があった。
【０００７】
これに対して、近年、車両の試験に替えて、コンピュータを用いた数値解析（シミュレーション）によって性能を評価する試みがなされている。特許文献１にその例を示す。また、近年では有限要素モデルを用いた解析方法だけでなく、粒子法に基づく粒子モデルを用いた解析方法も知られている。特許文献２、特許文献３にその例を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−５３８０７号公報
【特許文献２】特開２００８−１５２４２３号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５２７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１のような有限要素モデルでは上に述べたようなビア樽状の変形を伴う氷の破壊現象を再現するには困難である。また、上記特許文献２、特許文献３の例は、粒子モデルを用いたものであるが、解析対象は弾性ゴムの変形挙動や、路面から飛び跳ねる石、水等の飛び跳ね特性を備えた物体の挙動の再現と特性の評価にとどまっている。したがって、氷の破壊現象、特に圧縮荷重を受けて、氷の脆性破壊と亀裂破壊を同時にまたは連続して生じる破壊現象を再現するモデルはこれまで提案されていなかった。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、荷重を受けて氷に破壊が生じる現象を良好に再現できる氷破壊モデル、なかでも圧縮荷重を受けて氷に脆性破壊と亀裂破壊が同時にまたは連続して生じる現象を良好に再現できる氷破壊モデルと、氷の破壊解析シミュレーション方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る氷破壊モデルは、
複数の粒子の集合体である粒子モデルからなり、圧縮荷重を受けることにより脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形をモデル化可能な脆性破壊部位モデルと、
有限要素モデルからなり、脆性破壊部位モデルの膨出変形を受けてその周囲に生じる亀裂破壊をモデル化可能な亀裂破壊部位モデルを備える、
ことを主要な特徴とする。
【００１２】
本発明に係る氷破壊モデルは、脆性破壊部位モデルの周囲に亀裂破壊部位モデルが配置されていることを第２の特徴とする。
【００１３】
本発明に係る氷破壊モデルは、脆性破壊部位モデルの上側に、第１の部品モデルが、脆性破壊部位モデルと接合状態に配置されていることを第３の特徴する。
【００１４】
ここで、第１の部品モデルには単体としての部品をモデル化したもの、複数の部品をアッセンブリした部品アッセンブリをモデル化したものを含む。
【００１５】
本発明に係る氷破壊モデルは、第１の部品モデルの上側に、第２の部品モデルが、第１の部品モデルと接合状態に配置されていることを第４の特徴する。
【００１６】
ここで、第２の部品モデルには単体としての部品をモデル化したもの、複数の部品をアッセンブリした部品アッセンブリをモデル化したものを含む。
【００１７】
本発明に係る氷破壊モデルは、脆性破壊モデルの下側に、接地モデルが、脆性破壊部位モデルと接地可能に配置されていることを第５の特徴とする。
【００１８】
本発明に係る氷の破壊解析シミュレーション方法は、
複数の粒子の集合体である粒子モデルからなる脆性破壊部位モデルと、有限要素モデルからなる亀裂破壊部位モデルを備える氷破壊モデルを設定するステップと、
氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルが圧縮荷重を受けることにより、脆性破壊部位モデルについて粒子法に基づき脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形のモデル化を実行するとともに、脆性破壊部位モデルの膨出変形を受けて亀裂破壊部位モデルについて有限要素法に基づき亀裂破壊のモデル化を実行する氷破壊シミュレーションを行なうステップと、
氷破壊シミュレーションの結果を出力するステップを含むことを主要な特徴とする。
【００１９】
本発明に係る氷の破壊解析シミュレーション方法は、
有限要素モデルからなる第１の部品モデルを設定し、第１の部品モデルを、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルの上側に脆性破壊部位モデルと接合するように配置し、
有限要素モデルからなる第２の部品モデルを設定し、第２の部品モデルを、第１の部品モデルの上側に第１の部品モデルと接合するように配置し、
有限要素モデルからなる接地モデルを設定し、接地モデルを、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルの下側に脆性破壊部位モデルと接地するように配置するステップと、
第１の部品モデル、第２の部品モデルおよび氷破壊モデルの全体に運動エネルギーを入力することにより、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルと接地モデルを衝突させて、氷破壊モデルの脆性破壊部位モデルに圧縮荷重を付与するステップをさらに含むことを、第２の特徴とする。
【００２０】
本発明に係る氷の破壊解析シミュレーション方法は、
氷破壊シミュレーションにおいて粒子法に基づき脆性破壊と脆性破壊に伴う膨出変形のモデル化が実行された脆性破壊部位モデルと、有限要素法に基づき亀裂破壊のモデル化が実行された亀裂破壊部位モデルをアニメーション化されたデータで出力するステップをさらに含むことを、第３の特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明に係る氷破壊モデルを用いることにより、圧縮荷重を受けて氷に脆性破壊と亀裂破壊が略同時にまたは連続して生じる現象をコンピュータ上で精度良く再現し、また、そのような氷破壊に伴う解析を効率よく行うことができるという優れた効果を奏する。
【００２２】
また、本発明に係る氷の破壊解析シミュレーション方法を用いることにより、実際の雪の付着や氷の成長に伴う衝撃評価試験の対象となる製品や部品についての衝撃解析や同解析による評価を事前に行うことができ、開発期間の短縮や開発費用の低減を図ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の氷破壊モデルに第１、第２の部品モデル、接地モデルを接地した全体モデルを示す斜視図、
【図２】本発明の氷破壊モデルを示す斜視図、
【図３】図１に示す全体モデルの縦断面を示す図、
【図４】図２に示す氷破壊モデルの水平断面を示す図、
【図５】脆性破壊部位モデルによる膨出変形の挙動の様子を示す図、
【図６】本発明の破壊解析シミュレーション方法を実行するコンピュータを示す図、
【図７】本発明の破壊解析シミュレーション方法の手順を示す図、
【図８】図１に示す全体モデルの個々のモデルを示す斜視図、
【図９】氷の接地面荷重について、本発明の破壊解析シミュレーションによる解析結果と実車の実測結果を示すグラフ、
【図１０】氷の破壊現象について、本発明の破壊解析シミュレーションによる解析結果を示す図、
【図１１】段差の乗り下げにより、車両下部の外装部品に付着した氷に破壊が生じる様子を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実施するための一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１において、符号１００は本発明に係る氷破壊モデル、符号２００は氷破壊モデル１００の上側に配置される第１部品モデル、符号３００は第１部品モデル２００の上側に配置される第２部品モデル、符号４００は氷破壊モデル１００の下側に配置される接地モデルを示している。
【００２５】
まず、氷破壊モデル１００について説明する。本実施形態において、氷破壊モデル１００は、圧縮荷重の入力により、脆性破壊と亀裂破壊を生じる氷の破壊現象を再現するもので、図２に示すように、略中央に位置する脆性破壊部位モデル１１０と、脆性破壊部位モデル１１０に接するようにその周囲に配置される亀裂破壊部位モデル１２０を備えている。亀裂破壊部位モデル１２０には亀裂破壊片モデル１２１が含まれる。
【００２６】
脆性破壊部位モデル１１０は、圧縮荷重を受けて、脆性破壊を生じる部位を再現するモデルであり、図３および図４に示すように、粒子法に基づく粒子Ｒの集合体である粒子モデルからなる。粒子法（ＳＰＨ法：Smoothed Particle Hydrodynamics）は、有限要素法と異なり、メッシュを用いないメッシュレスの構造解析方法で、メッシュの格子に縛られずに自由に移動できるので、上下の圧縮荷重の入力により横方向への比較的大きい膨出変形を伴う破壊の再現に適している。
【００２７】
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、粒子法による解析が可能な解析ソフトを用いて、脆性破壊部位モデル１１０に上下の圧縮荷重を入力した後、時間の経過とともに、粒子Ｒの集合体が全体として横方向にビア樽状に膨出変形している様子を示している。粒子モデルが氷の脆性破壊を再現するモデルとして適していることが分かる。
【００２８】
亀裂破壊部位モデル１２０は、脆性破壊部位モデル１１０の脆性破壊に伴うビア樽状の膨出変形の再現を受けて、図３、図４の境界Ｋ１から亀裂が内部に伝播し、全体または一部に亀裂破壊が生じる部位を再現するモデルであり、図３および図４に示すように、有限要素法に基づく要素テクノロジーのうち、ソリッドモデルからなる。有限要素法（ＦＥＭ）は、メッシュを用いて多数の小領域（有限要素）に分割する構造解析方法で、亀裂破壊を伴う変形にはソリッドモデルが適する。ここでソリッドモデルは、有限要素法により小分割された複数のソリッド要素Ｓ（六面体要素や四面体要素など）の集合体からなる。
【００２９】
亀裂破壊部位モデル１２０には、亀裂の進展により境界Ｋ１に縦割れが生じた亀裂破壊片モデル１２１が含まれる。亀裂破壊片モデル１２１も有限要素法によるソリッドモデルからなる。
【００３０】
第１部品モデル２００は、図１および図３に示すように、所定の板厚をもち、氷破壊モデル１００の上側に氷破壊モデル１００と接合状態に配置されるモデルである。第１部品モデル２００は、有限要素法に基づく要素テクノロジーのうち、シェルモデルからなる。シェルモデルは、有限要素法により小分割された複数のシェル要素（三角形要素や四角形要素など）の集合体からなる。第１部品モデル２００は、例えば車両のボディ本体の下側に装着される外装部品モデルとして想定される。なお、図面では便宜上外形線のみ表示してある。
【００３１】
第２部品モデル３００は、図１および図３に示すように、所定の板厚をもち、第１部品モデル２００の上側に第１部品モデル２００と接合状態に配置されるモデルである。第２部品モデル３００は、有限要素法に基づく要素テクノロジーのうち、シェルモデルからなる。シェルモデルは、上述した複数のシェル要素の集合体からなる。第２部品モデル３００は、例えば車両のボディ本体を構成する部品モデルとして想定される。なお、図面では便宜上外形線のみ表示してある。
【００３２】
接地モデル４００は、図１および図３に示すように、所定の厚みをもち、氷破壊モデル１００の下面に接地可能に、氷破壊モデル１００の下側に配置されるモデルで、第１の部品モデル２００と第２の部品モデル３００と氷破壊モデル１００の合体モデルに初期の運動エネルギー（初速度）が与えられることにより、氷破壊モデル１００（脆性破壊モデル）と衝突して氷破壊モデル１００が圧縮荷重を受けられるモデルである。
【００３３】
接地モデル４００は、有限要素法に基づく要素テクノロジーのうち、シェルモデルからなる。シェルモデルは、上述した複数のシェル要素の集合体からなる。接地モデル４００は、例えば図１１の路面Ｇとの間で一段高い段差を形成する縁石モデルとして想定される。
【００３４】
上記氷破壊モデル１００、第１部品モデル２００〜接地モデル４００は、図６に示すコンピュータ１０上で作成して設定される。コンピュータ１０には、各モデルを設定し、組み合わせて、破壊解析のシミュレーションを実行するためのＣＰＵ、粒子法（ＳＰＨ法）と有限要素法（ＦＥＭ）による解析が可能な解析ソフト、各種データ、解析結果等が保存されるデータベースが含まれ、各種入出力装置と接続されている。
【００３５】
次に、コンピュータ１０上で上記氷破壊モデル、第１、第２部品モデル、接地モデルを設定し、氷の破壊解析のシミュレーションを実行する手順について図７等を参照しながら説明する。なお、以下に具体的に記述する条件や設定値は、本発明の実施の形態を説明するための一例であって、本発明はこれに限定されない。
【００３６】
（Ｓ１）各モデルを設定するステップ
（Ｓ１−１）氷破壊モデルの設定
まず、破壊対象となる氷の形状データをコンピュータ１０に入力し、氷破壊モデル１００を作成する。具体的には図１１（Ｃ）に示す氷４の脆性破壊部位４Ｚと亀裂破壊部位４ｋを含む立体形状データをコンピュータ１０に入力する。氷４のうち脆性破壊部位４Ｚの形状データは、粒子法により粒子の集合体として粒子モデル化する。一方、亀裂破壊片部位４ｋ１を含む亀裂破壊部位４ｋの形状データは、有限要素法により六面体要素や四面体要素などのソリッド要素にメッシュ分割する。それぞれコンピュータで計算可能な数値データとして設定する。
【００３７】
脆性破壊部位モデル１１０における粒子モデル化は、粒子法における公知の計算手法に従う。具体的には、粒子法による粒子モデル化とその計算が可能な市販の解析ソフトを用いる。
【００３８】
亀裂破壊片モデル１２１を含む亀裂破壊部位モデル１２０におけるソリッドモデル化は、有限要素法における公知の計算手法に従う。具体的には、有限要素法によるソリッドモデル化が可能な市販の解析ソフトを用いる。
【００３９】
次に、脆性破壊部位モデル１１０を中心として、図２に示すように、脆性破壊部位モデル１１０と境界Ｋ１で接合するようにその周囲に亀裂破壊部位モデル１２０と亀裂破壊片モデル１２１を配置する。
【００４０】
次に、氷破壊モデル１００の脆性破壊部位モデル１１０と亀裂破壊部位モデル１２０の境界Ｋ１に結合条件を付与する。具体的には脆性破壊部位モデル１１０の境界Ｋ１に位置する各粒子Ｒと、亀裂破壊部位モデル１２０、亀裂破壊片モデル１２１の境界Ｋ１に位置して各粒子Ｒに対応する各ソリッド要素Ｓの節点を結合する。
【００４１】
これによって、圧縮荷重により脆性破壊部位モデル１１０に生じる横方向への膨出変形（図５参照）を受けて亀裂破壊部位モデル１２０、亀裂破壊片モデル１２１の各境界Ｋ１に力が伝達され、ひいてはソリッド要素Ｓの節点どうしの連結が分断されて、亀裂破壊部位モデル１２０内に亀裂が伝播するように設定される。
【００４２】
（Ｓ１−２）第１部品モデルの設定
次に、第１部品の形状データをコンピュータ１０に入力し、図８に示す第１部品モデル２００を作成する。具体的には、第１部品として図１１に示す車両１の外装部品３の形状データをコンピュータ１０に入力する。外装部品３の形状データは、有限要素法により三角形要素や四角形要素などのシェル要素にメッシュ分割し、コンピュータで計算可能な数値データとして設定する。
【００４３】
（Ｓ１−３）第２部品モデルの設定
次に、第２部品の形状データをコンピュータ１０に入力し、図８に示す第２部品モデル３００を作成する。具体的には、第２部品として図１１に示す車両１のボディ下部部品の形状データをコンピュータ１０に入力する。車両１のボディ下部部品の形状データは、有限要素法により三角形要素や四角形要素などのシェル要素にメッシュ分割し、コンピュータで計算可能な数値データとして設定する。
【００４４】
（Ｓ１−４）第１部品モデルと第２部品モデルのアッセンブリ
次に、コンピュータ１０上で、作成した第１部品モデル２００と第２部品モデル３００をアッセンブリする。具体的には、第１部品モデル２００の上面に第２部品モデル３００を配置し、これらのモデルに結合条件を付与して一体化する。結合条件として、第１部品モデル２００と第２部品モデル３００の境界Ｋ３に位置する結合対象となるシェル要素の節点どうし、すなわち、実車で結合してある場所を同様に結合する。
【００４５】
さらに、コンピュータ１０上で、氷破壊モデル１００に対し、上記アッセンブリした第１部品モデル２００と第２部品モデル３００を位置合わせし、氷破壊モデル１００と結合する。
【００４６】
（Ｓ１−５）接地モデルの設定
次に、接地対象品の上部形状データをコンピュータ１０に入力し、図８に示す接地モデル４００を作成する。具体的には、接地対象品として図１１に示す路面Ｇの段差（縁石）５の上部形状データをコンピュータ１０に入力する。路面Ｇの段差５の上部形状データは、有限要素法により三角形要素や四角形要素などのシェル要素にメッシュ分割し、コンピュータで計算可能な数値データとして設定する。
【００４７】
さらに、コンピュータ１０上で、氷破壊モデル１００に対し、上記接地モデル４００を位置合わせする。このようにして、図１に示す全体モデルが完成する。
【００４８】
（Ｓ２）破壊条件を設定するステップ
次に破壊条件を設定する。破壊条件として、材料特性、接触条件、入力条件の３つを設定する。これらの条件は、実際は粒子法（ＳＰＨ法）と有限要素法（ＦＥＭ）による解析が可能な市販の解析ソフト（以下、「解析ソフト」という）上で入力する。
【００４９】
（Ｓ２−１）材料特性の設定
氷、第１、第２部品、接地対象品の各材料特性を設定する。これらの材料特性は、氷破壊モデル１００、第１部品モデル２００〜接地モデル４００の各属性として各モデルに付与される。
【００５０】
（Ｓ２−１−１）脆性破壊部位モデル
脆性破壊部位モデル１１０は、図１１に示す実際の氷の脆性破壊部位４Ｚが、上下の圧縮荷重により脆性破壊に伴ってビア樽状に横方向に膨出変形する現象を考慮し、氷の脆性破壊に関し、氷の質量密度、せん断係数、降伏応力、降伏後の塑性硬化係数、体積弾性係数、破壊圧力等を設定する。これらの数値は、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに対し入力設定する。入力された数値は脆性破壊部位モデル１１０の属性として付与される。
【００５１】
（Ｓ２−１−２）亀裂破壊部位モデル
亀裂破壊部位モデル１２０は、図１１に示す実際の氷４の周囲の亀裂破壊部位４ｋが、中央の脆性破壊部位４Ｚのビア樽状の膨出変形により境界から内部に亀裂伝播を受けて、亀裂破壊する現象を考慮し、氷の亀裂破壊に関し、氷の質量密度、ヤング率、ポアソン比、降伏応力、降伏後の塑性硬化係数、破壊応力、亀裂伝播速度等を設定する。これらの数値は、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに対し入力設定する。入力された数値は亀裂破壊部位モデル１２０の属性として付与される。
【００５２】
（Ｓ２−１−３）第１部品モデル
第１部品モデル２００は、図１１に示す外装部品３の材料特性を測定し、ヤング率、応力−歪線図等を設定する。これらの物性値は、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに対し入力する。外装部品が特定の樹脂材料であれば、当該樹脂材料の物性値を入力する。入力された数値は第１部品モデル２００の属性として付与される。第１部品モデル２００の板厚も属性として付与される。
【００５３】
（Ｓ２−１−４）第２部品モデル
第２部品モデル３００は、図１１に示す車両１の車体ボディ下部部品の材料特性を測定し、ヤング率、応力−歪線図等を設定する。これらの物性値は、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに対し入力する。下部部品が特定の金属材料であれば、当該金属材料の物性値を入力する。入力された数値は第２部品モデル３００の属性として付与される。第２部品モデル３００の板厚も属性として付与される。
【００５４】
（Ｓ２−１−５）接地モデル
接地モデル４００は、図１１に示す路面Ｇの段差５である縁石の材料特性を測定し、ヤング率、応力−歪線図等を設定する。これらの物性値は、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに対し入力する。路面Ｇの縁石が特定のコンクリート材料であれば、当該コンクリート材料の物性値が入力される。入力された数値は接地モデル４００の属性として付与される。接地モデル４００の板厚も属性として付与される。
【００５５】
（Ｓ２−２）接触条件の設定
次に、各モデル間に接触条件を設定する。
【００５６】
（Ｓ２−２−１）氷破壊モデルと第１部品モデル間
まず、氷破壊モデル１００と、第１部品モデル２００の境界Ｋ２に接触条件を付与する。具体的には、氷破壊モデル１００の境界Ｋ２に位置する各粒子Ｒ、各ソリッド要素Ｓの節点または要素と、第１部品モデル２００の境界Ｋ２で前記粒子Ｒ、ソリッド要素Ｓの節点または要素に対応するシェル要素の節点または要素を関連付ける。これにより、氷破壊モデル１００の上面と第１部品モデル２００の下面が全面的に接触した状態に結合される。
【００５７】
（Ｓ２−２−２）第１部品モデルと第２部品モデル間
次に、第１部品モデル２００と第２部品モデル３００の境界Ｋ３に接触条件を付与する。具体的には、第１部品モデル２００の境界Ｋ３に位置する各シェル要素の節点または要素と、第２部品モデル３００の境界Ｋ３で前記シェル要素の節点または要素に対応するシェル要素の節点または要素を関連付ける。これにより、第１部品モデル２００の上面と第２部品モデル３００の下面が全面的に接触した状態に結合される。
【００５８】
（Ｓ２−２−３）氷破壊モデルと接地モデル間
次に、氷破壊モデル１００と、接地モデル４００の境界Ｋ４に接触条件を付与する。具体的には、氷破壊モデル１００の境界Ｋ４に位置する各粒子Ｒ、各ソリッド要素Ｓの節点または要素と、接地モデル４００の境界Ｋ４で前記粒子Ｒ、ソリッド要素Ｓの節点または要素に対応するシェル要素の節点または要素を関連付ける。これにより、氷破壊モデル１００の下面と接地モデル４００の上面が全面的に接触した状態に関連付けられる。
【００５９】
（Ｓ２−３）入力条件の設定
次に、氷破壊モデル１００に圧縮荷重が入力されるための入力条件を設定する。圧縮荷重が入力される条件は車両重量、速度、重力加速度である。速度は実験値を用いる。図１１に示す車両１の実車試験を行い、路面Ｇの段差５の高さをＨ、段差５の上面と氷４の下面との隙間の距離をｈとし、車両重量Ｗの車両１を所定の速度（低速）Ｖ１で通過させ、タイヤ２が段差５を乗り下げて氷４が段差５の上面に初速度Ｖ２で落下衝突させる。このとき、氷４と路面Ｇとの間に生じる時間毎の接地面荷重（実車）を荷重計で測定し、接地面荷重の実測値とする。
【００６０】
上記実車試験で得られる車両重量Ｗ、速度（初速度）Ｖ２、重力加速度ｇの数値を、第１の部品モデル２００、第２の部品モデル３００、氷破壊モデル１００の合体モデルに初期の運動エネルギーを付与する条件として、オペレータがコンピュータ１０から解析ソフトに入力する。
【００６１】
接地モデル４００の上面に初速度Ｖ２で落下衝突した合体モデル（第１の部品モデル２００、第２の部品モデル３００、氷破壊モデル１００）における、氷破壊モデル１００と接地モデル４００間の接地面荷重は、各要素毎に、公知の接触計算方法であるペナルティ法やコンストレイント法を用いて算出される。各要素毎に算出された接触力の合計が接地面荷重となる。
【００６２】
なお、車両重量Ｗは実車試験と相関性のあるベンチ試験で用いられる重量の値を用いてよい。得られた荷重値は氷破壊モデル１００の脆性破壊部位モデル１１０の属性として付与される。
【００６３】
（Ｓ３）氷破壊シミュレーションを実行するステップ
次に、コンピュータ１０上で、粒子法（ＳＰＨ法）と有限要素法（ＦＥＭ）による解析が可能な上記解析ソフトを用いて、氷破壊モデル１００に脆性破壊と亀裂破壊を生じさせる氷破壊シミュレーションを実行する。
【００６４】
すなわち、上記ステップ（Ｓ１）（Ｓ２）で設定した条件の下、解析ソフト上で氷破壊シミュレーションを実行すると、脆性破壊部位モデル１１０に圧縮の入力が入り、時間の経過とともに、氷破壊モデル１００に対する破壊の解析が行われる。
【００６５】
破壊の解析処理は、上記解析ソフトが設定した微小時間毎に時間ステップを刻みながら、逐次計算することで行われ、設定した所定の出力時間間隔毎に出力して記憶し、設定した所定の計算終了時間に達したら計算を終了する。
【００６６】
（Ｓ４）氷破壊シミュレーションの結果を出力するステップ
解析ソフト上で氷破壊シミュレーションを実行した結果は、コンピュータ１０の出力装置の画面上で表示される。
【００６７】
図９のグラフは、本発明のシミュレーション方法により得られる氷の接地面荷重の解析結果と、実車の評価試験における実測結果を示している。図９で横軸は圧縮荷重が入力された時点を起点（０秒）とする経過時間（秒）を、縦軸は接地面荷重（Ｎ）を示し、実車の評価試験の実測値を実線で、本発明の解析結果の解析値を点線で示している。同図によると、実車の評価試験では接地面荷重の実測値が時間の経過と共に急上昇し、ピークを越えて急下降し、その後漸次低下して殆どゼロとなるが、本発明で得られる解析値でも実車の評価試験の結果と良く一致していることが分かる。
【００６８】
図１０は、本発明のシミュレーション方法により得られる氷破壊状況の解析結果を示している。圧縮荷重を受けると、接地面圧力の増大によって脆性破壊部位モデル１１０の各粒子Ｒに変形挙動の変化はないが（図１０（Ａ）参照）、接地面圧力のピーク時から脆性破壊部位モデル１１０の各粒子Ｒに横方向への変形挙動が徐々に始まり（図１０（Ｂ）参照）、ピーク直後を過ぎたピーク後に横方向への膨出変形が大きくなって、亀裂破壊部位モデル１２０には亀裂破壊が、亀裂破壊片モデル１２１には縦に割れる挙動が生じた（図１０（Ｃ）（Ｄ）参照）。かかる氷破壊の解析結果は、図１１に示す実車試験における氷破壊現象の結果と良く一致していることが分かった。
【００６９】
上記の各ステップ（Ｓ１）〜（Ｓ４）の手順を含むシミュレーション方法を実施することで車体１の下部に装着する外装部品その他の衝撃評価試験の結果を精度良く再現し、予測することができる。
【００７０】
以上のことから、本発明の氷破壊モデルを用いた氷の破壊解析シミュレーション方法によれば、圧縮荷重を受けて氷に脆性破壊と亀裂破壊が連続してあるいは略同時に生じる現象をコンピュータ上で精度良く再現し、また、そのような氷破壊に伴う解析を効率よく行うことができる。さらに、実際の雪の付着や氷の成長に伴う衝撃評価試験の対象となる製品や部品についての衝撃解析や同解析による評価を事前に行うことができ、開発期間の短縮や開発費用の低減を図ることができる。
【００７１】
以上の実施形態では、ステップ（Ｓ１）において、接地モデル４００を氷破壊モデル１００の下面に最初から接地するように設定したが、初期は氷破壊モデル１００の下面と離間し、その後接近して接地するように設定してもよい。この場合、氷破壊モデル１００の下面と接地モデル４００の上面の接近距離が所定の範囲内に入ったら、前記接触条件が付与されるように設定すればよい。
【００７２】
本発明の氷破壊モデルを用いた氷の破壊解析シミュレーション方法を実行することにより、第１の部品モデル、第２の部品モデルへの衝撃状況、ひいてはそれらの破壊状況を再現することができる。
【００７３】
以上の実施形態では、フロントタイヤ後方の外装部品に付着する氷を解析対象としたが、本発明の適用対象はこれに限らない。例えば、外装部品としてバンパーやフェンダー、アンダーカバーなどに付着する氷を解析対象とすることができる。車両に限らず、航空機、船舶、鉄道等にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、圧縮荷重を受けて氷に脆性破壊と亀裂破壊が生じる現象を再現する氷破壊モデルとして、また同氷破壊モデルを用いる氷の破壊解析シミュレーション方法として、利用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１  車両
２  タイヤ
３  外装部品
４  氷
４Ｚ  脆性破壊部位
４ｋ  亀裂破壊部位
５  段差
１０  コンピュータ
１００  氷破壊モデル
１１０  脆性破壊部位モデル
１２０  亀裂破壊部位モデル
１２１  亀裂破壊片モデル
２００  第１部品モデル
３００  第２部品モデル
４００  接地モデル
G  路面
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４  境界
Ｒ  粒子
Ｓ  ソリッド要素
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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