(57)【要約】【課題】構造と音響の連成方程式を解くことなく構造音響連成特性を評価する指標の最適化により騒音を低減可能な最適構造を求められるようにして、モデルを用いた構造と音響の解析の効率化を図り、車両開発の効率向上を実現する。【解決手段】計算モデル生成手段２で設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成し、この計算モデルに対して、構造系解析手段３及び音響系解析手段４により構造系の固有値解析、音響系の固有値解析をそれぞれ実行する。また、音評価手段５で計算モデル内の評価点での音のレベルを計算し、この音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性評価指標計算手段７が構造音響連成特性を評価する指標を計算する。そして、この構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を感度計算手段７で計算して、その感度に基づいて、構造最適化手段８が設計対象となる車体の構造を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モデルを用いた構造と音響の解析により騒音を低減可能な最適構造を求めて自動車の車体の構造設計を支援する構造設計支援システムであって、
設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成する計算モデル生成手段と、
前記計算モデルを用いて構造系の固有値解析を実行する構造系解析手段と、
前記計算モデルを用いて音響系の固有値解析を実行する音響系解析手段と、
前記計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルを計算する音評価手段と、
前記評価点での音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性を評価する指標を計算する構造音響連成特性評価指標計算手段と、
前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算する感度計算手段と、
前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度に基づいて、設計対象となる車体の構造を変更する構造最適化手段と、を備えることを特徴とする構造設計支援システム。
【請求項２】
前記構造音響連成特性評価指標計算手段は、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、前記入力点のモード形の値、前記評価点のモード形の値、連成係数、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差、構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差、のうちの少なくとも何れか１つを、構造音響連成特性を評価する指標として計算することを特徴とする請求項１に記載の構造設計支援システム。
【請求項３】
前記構造音響連成特性評価指標計算手段は、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、前記入力点のモード形の値、前記評価点のモード形の値、連成係数、のうちの少なくとも１つを分子とし、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差、または構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差を分母としたものを、構造音響連成特性を評価する指標として計算することを特徴とする請求項２に記載の構造設計支援システム。
【請求項４】
前記構造音響連成特性評価指標計算手段は、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、前記入力点のモード形の値と、前記評価点のモード形の値と、連成係数との積を分子とし、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差、または構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差を分母としたものを、構造音響連成特性を評価する指標として計算することを特徴とする請求項３に記載の構造設計支援システム。
【請求項５】
モデルを用いた構造と音響の解析により騒音を低減可能な最適構造を求めて自動車の車体の構造設計を支援する構造設計支援プログラムであって、
コンピュータに、
設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成する機能と、
前記計算モデルを用いて構造系の固有値解析を実行する機能と、
前記計算モデルを用いて音響系の固有値解析を実行する機能と、
前記計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルを計算する機能と、
前記評価点での音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性を評価する指標を計算する機能と、
前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算する機能と、
前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度に基づいて、設計対象となる車体の構造を変更する機能と、を実現させることを特徴とする構造設計支援プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モデルを用いた構造と音響の解析により騒音を低減可能な最適構造を求めて自動車の車体の構造設計を支援する構造設計支援システム及び構造設計支援プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の車体などの構造物の設計を支援する技術として、コンピュータで作成される設計モデルを解析し最適化することで、最適構造を求めるという技術が知られている。例えば、特許文献１には、構造物の設計領域を複数の所定の節点で分割し、隣接節点同士及び非隣接節点同士を梁要素で結合した設計モデルを作成し、この設計モデルを最適化することで最適構造を求めるようにした構造物の設計方法が開示されている。
【０００３】
この特許文献１にて開示されている設計方法は、複数の梁要素を用いて設計モデルを構成することで、境界条件に合致した合理的な形状を得ることができるようにしているので、構造部分について最適化された構造を求める手法としては有効なものと考えられる。しかしながら、この特許文献１にて開示されている設計方法では、構造部分の振動と音場となる空間の音響によって生じる騒音については考慮されていないため、例えば、自動車のキャビンの内部の騒音を低減するといった観点からは、必ずしも最適な構造を求ることができないという問題がある。
【０００４】
自動車のキャビンの内部の騒音のように、構造系と音響系が連成した騒音の問題については、非特許文献１において、評価点の音圧が零になるための条件、すなわち最適性条件について考察を行い、構造物の特性変化を最適性の観点から表すことが出来る最適性状態図を導入し、これにより評価点音圧に対する構造変更の影響を把握し、得られた知見に基づいた構造最適化手法により最適化構造の探索が可能であるといった報告がなされている。
【特許文献１】特許第３５５１９１０号公報
【非特許文献１】古屋耕平、吉村卓也、須藤晶、成國星哉，「音圧最小化を目的とした振動音響連成問題の最適性条件とそれに基づく構造最適化」，２００６年春季大会学術講演会前刷集Ｎｏ．５−０６，社団法人自動車技術会，Ｐ１−６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１にて報告されているように、評価点の音圧が零になるための条件、すなわち最適性条件を計算するためには、構造の固有値解析、音響の固有値解析の他に、構造と音響の連成方程式を解くことになるため、計算に時間がかかるという問題があった。また、音のレベルが変化しても、何によって音のレベルが変化したのかのメカニズムが分かりづらいという問題があった。なお、構造と音響が連成した騒音の最適化を扱った文献は前記非特許文献１以外にも多数公開されているが、何れの文献で開示される内容も構造と音響の連成方程式を解くことを前提としており、計算に時間がかかるという問題は共通である。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、構造と音響の連成方程式を解くことなく構造音響連成特性を評価する指標の最適化により騒音を低減可能な最適構造を求められるようにして、モデルを用いた構造と音響の解析の効率化を図り、車両開発の効率向上を実現することができる構造設計支援システム及び構造設計支援プログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、モデル内の評価点の音圧を直接最適化するのではなく、構造系と音響系の固有値をそれぞれ一つずつ選んだ組み合わせを考え、構造音響連成特性を評価する指標を設定して、この指標を最適化するといった手法により、少ない計算量で騒音を低減可能な最適構造を求められるようにすることを基本思想とする。
【０００８】
本発明に係る構造設計支援システムは、以上のような本発明の基本思想を反映させて自動車の車体の構造設計を支援するシステムであり、設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成する計算モデル生成手段と、前記計算モデルを用いて構造系の固有値解析を実行する構造系解析手段と、前記計算モデルを用いて音響系の固有値解析を実行する音響系解析手段と、前記計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルを計算する音評価手段と、前記評価点での音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性を評価する指標を計算する構造音響連成特性評価指標計算手段と、前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算する感度計算手段と、前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度に基づいて、設計対象となる車体の構造を変更する構造最適化手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係る構造設計支援プログラムは、上述した本発明の基本思想を反映させて自動車の車体の構造設計を支援するプログラムであり、コンピュータに、設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成する機能と、前記計算モデルを用いて構造系の固有値解析を実行する機能と、前記計算モデルを用いて音響系の固有値解析を実行する機能と、前記計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルを計算する機能と、前記評価点での音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性を評価する指標を計算する機能と、前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算する機能と、前記構造音響連成特性を評価する指標に対する感度に基づいて、設計対象となる車体の構造を変更する機能と、を実現させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、構造と音響の練成方程式を解くことなく騒音を低減可能な最適構造が求められるので、モデルを用いた構造と音響の解析の効率化を図ることができ、車両開発の効率向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
本発明の構造設計支援システムは、自動車の開発段階における車体の構造設計を支援するシステムである。自動車の開発においては、設計、試作、解析、実験という一連の工程を繰り返すことにより、所定の入力に対して、騒音レベルを目標として定めたレベル以下に抑えられる構造の車体を得るという手法が用いられている。しかしながら、現状では、自動車の車体の実験と計算に多大の時間を要し、これらの工程を繰り返し実行して最終的に市販する構造を有する車体を完成させるには膨大な時間が必要とされている。このため、開発効率を向上させて市場のニーズや環境変化などに対応した自動車をタイムリーに提供できるようにすることが強く求められている。本発明の構造設計支援システムは、こうした要請に応えるものであり、解析の部分の効率化を図って、車両開発の効率向上を実現するものである。
【００１３】
本発明を適用した構造設計支援システムの概略構成を図１に示す。この構造設計支援システム１は、計算モデル生成手段２、構造系解析手段３、音響系解析手段４、音評価手段５、構造音響連成特性評価指標計算手段６、感度計算手段７、構造最適化手段８を備えて構成される。
【００１４】
計算モデル生成手段２は、設計対象となる車体の構造の計算モデルを生成する手段であり、構造系解析手段３と音響系解析手段４は、計算モデル生成手段２で生成された計算モデルに対して構造系の固有値解析、音響系の固有値解析をそれぞれ実行する手段である。また、音評価手段５は、計算モデル生成手段２で生成された計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルを計算する手段であり、構造音響連成特性評価指標計算手段６は、音評価手段５で計算された評価点での音のレベルが所望の値以上の場合に、構造音響連成特性を評価する指標を計算する手段である。この構造音響特性を評価する指標の計算は、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせを対象とし、構造系解析手段３及び音響系解析手段４による固有値解析の結果が用いられる。また、感度計算手段７は、構造音響特性を評価する指標に対する感度を計算する手段であり、構造最適化手段８は、この構造音響特性を評価する指標に対する感度に基づいて、設計対象となる車体の構造を変更する手段である。
【００１５】
以上のような本発明を適用した構造設計支援システム１を構成する各手段は、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータに所定の処理プログラムをインストールし、この処理プログラムをコンピュータで実行することによって、コンピュータの一機能として実現することができる。具体的には、例えば、計算モデル生成手段２は汎用の有限要素モデル作成用プリポストプログラムによって実現でき、構造系解析手段３、音響系解析手段４、音評価手段５は、「ＮＡＳＴＲＡＮ」などの汎用の構造解析プログラムにより実現できる。また、構造音響特性評価指標計算手段６は、構造解析プログラムで計算した固有値、固有モード等から構造音響連成特性を評価する指標を計算するプログラムにより実現でき、感度計算手段７は、構造解析プログラムで計算した固有値、固有モード等の感度から、構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算するプログラムにより実現できる。また、構造最適化手段８は、線形計画法、逐次線形計画法、探索的な最適化手法などをまとめた最適化プログラムにより実現できる。
【００１６】
図２は、本発明を適用した構造設計支援システム１による一連の処理の流れを概略的に示すフローチャートである。
【００１７】
本発明を適用した構造設計支援システム１では、まず、ステップＳ１において、計算モデル生成手段２により、設計対象となる車体の構造の計算モデルが生成される。次に、ステップＳ２において、構造系解析手段３により、計算モデル生成手段２で生成された計算モデルに対して構造系の固有値解析が実行され、ステップＳ３において、音響系解析手段４により、計算モデル生成手段２で生成された計算モデルに対して音響系の固有値解析が実行される。そして、ステップＳ４において、音評価手段５により、計算モデル生成手段２で生成された計算モデル内の入力点での加振に対する評価点での音のレベルが計算され、ステップＳ５において、評価点での音のレベルが所望の値以上となっているか否かが判定される。
【００１８】
ここで、評価点での音のレベルが所望の値未満であれば、騒音レベルを抑えた車体構造が得られているので、処理を終了する。一方、評価点での音のレベルが所望の値以上であれば、車体構造の変更が必要であるため、ステップＳ６に進む。そして、ステップＳ６において、構造音響連成特性評価指標計算手段６により、構造音響連成特性を評価する指標が計算される。なお、この構造音響連成特性を評価する指標の具体例については、詳細を後述する。
【００１９】
次に、ステップＳ７において、感度計算手段７により、構造音響連成特性評価指標計算手段６で計算された指標に対する感度が計算される。そして、ステップＳ８において、構造最適化手段８により、感度計算手段７で計算された構造音響連成特性を評価する指標に対する感度に基づいて設計対象となる車体の構造が変更され、ステップＳ１に戻って以降の処理が繰り返される。なお、ステップＳ７の構造音響連成特性を評価する指標に対する感度の計算は、例えば、構造解析プログラムにより構造系と音響系の固有振動数の感度、モード形の感度を計算した後、これら構造系と音響系の固有振動数の感度、モード形の感度から、連成係数の感度を計算するといった手法で実施することができる。
【００２０】
本発明を適用した構造設計支援システム１では、上述した一連の処理を実行することで、最終的に騒音レベルを抑えた最適な車体構造を得られるようにしている。この構造設計支援システム１による処理は、計算モデル内の評価点の音のレベルが所望の値以上の場合に、その音圧を直接最適化するのではなく、構造音響連成特性を評価する指標を設定して、この指標を最適化するという手法を採用したものである。したがって、評価点の音圧を直接最適化する場合のように、構造と音響の連成方程式を解くといった膨大な計算量が必要とされる処理を行うことなく、騒音レベルを抑えた最適な車体構造を得ることができ、車両開発の効率向上を実現できる。
【００２１】
以下、図３に示す単純なモデルを用いたモデル内部の音の最適化解析を例に挙げて、本発明の特徴事項について更に詳しく説明する。図３に示すモデル１０は、音場１１、音場１１の上面に設定した板１２、板１２に設定した正方形断面の梁１３から構成され、振動を加える入力点１４と音圧を評価する評価点１５が設定されている。音を最適化するときの設計変数は、梁１３の質量の合計を一定としたときの各梁１３の断面の辺の長さＨである。
【００２２】
音のレベルは構造と音響の連成系のモードによって決まっており、構造と音響の非連成の固有モードを用いて計算することができる。構造への入力点１４に対して、評価点１５に生じる音圧は、下記式（１）の方程式を解くことで求められる。  
【数１】
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【００２３】
式（１）において、ξｓは構造系のモード振幅、ｍｓは構造系のモード質量、ｂｓは構造系の減衰、ｋｓは構造系のモード剛性、Ｑｓは構造系のモーダルフォースのマトリックスであり、ξｆは音響系のモード振幅、ｍｆは音響系のモード質量、ｂｆは音響系の減衰、ｋｆは音響系のモード剛性である。また、ｃは構造系と音響系の連成項のマトリックスである。前述したように、音の最適化では、式（１）を多数の周波数分だけ計算するため、計算時間がかかる原因となっている。
【００２４】
本発明では、評価点１５の音圧を直接最適化するのではなく、構造系と音響系の固有値をそれぞれ一つずつ選んで作った組合わせを考えて、構造音響連成特性を評価する指標を設定し、この指標を最適化する方法をとる。構造系、音響系をそれぞれ１モードとし、減衰と音響系の荷重が無い系を考えると、評価点１５の音は下記式（２）で計算できる。  
【数２】
2008234589.tif 000004
【００２５】
式（２）をξｆについて解くと、下記式（３）のようになる。  
【数３】
2008234589.tif 000005
【００２６】
ここで、ωｓ２＝ｋｓ／ｍｓ、ωｆ２＝ｋｆ／ｍｆ、ｍｓ＝１、ｍｆ＝１である。構造系に加える荷重をｆ、入力点１４のモード形の値をφｓ０、評価点１５のモード形の値をφｆ０とすると、評価点１５の音圧ｐ０は下記式（４）のようになる。  
【数４】
2008234589.tif 000006
【００２７】
この式（４）より、ｐ０／ｆは分母が０となる２つの連成の固有周波数で振幅が最大となることが分かる。
【００２８】
次に、連成の固有振動数Ωｓ、ΩｆからΔだけ離れた近傍の音圧を計算すると、ｐ０／ｆは下記式（５），（６）のようになる。  
【数５】
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【数６】
2008234589.tif 000008
【００２９】
大雑把にいって、ω＝Ωｓは構造系の共振で、ω＝Ωｆは音響系の共鳴で音のレベルが上がっている固有振動数である。
【００３０】
実際の構造物では、減衰があるため、音の振幅は無限大とはならないが、式（４）に減衰を加えた式を指標にすれば、厳密な音の最適化が可能である。しかし、式（４）は周波数の関数であり、周波数ごとに値が計算されるため、最適化によって起きた音の変化と構造と音響の本質的な特性を表す固有値、固有モード形の変化との相関を把握することができない。また、ある程度の周波数範囲を設定するため、計算時間もかかることになる。
【００３１】
本発明では、式（５）、（６）を構成する項の組み合わせを構造音響連成特性を評価する指標として、音を最適化することを特徴としている。これらの式には、周波数の項がないため、音のレベルを、構造系と音響系の固有振動数、固有モード形、連成係数のみの組み合わせとして捉えることが可能である。
【００３２】
具体的に説明すると、本発明では、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、入力点１４のモード形の値（φｓ０）、評価点１５のモード形の値（φｆ０）、連成係数（ｃ）、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差（−Ωｓ２＋Ωｆ２，−Ωｆ２＋Ωｓ２）、構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差、のうちの少なくとも何れか１つを、構造音響連成特性を評価する指標として設定し、この構造音響連成特性を評価する指標に対する感度を計算して、最適化された車体構造を得るようにしている。なお、式（５）、（６）の分母は、厳密にいえば連成の固有振動数の２乗の差であるが、実際の自動車では、非連成の固有振動数の２乗の差で代用しても大きな差異は生じないため、連成の固有振動数の２乗の差に代えて、非連成の固有振動数の２乗の差を構造音響連成特性を評価する指標の１つとして用いることが可能である。
【００３３】
また、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、入力点１４のモード形の値（φｓ０）、評価点１５のモード形の値（φｆ０）、連成係数（ｃ）、のうちの少なくとも何れか１つを分子とし、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差（−Ωｓ２＋Ωｆ２，−Ωｆ２＋Ωｓ２）、または構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差を分母としたものを、構造音響連成特性を評価する指標として設定するようにすれば、より厳密な最適化を行うことができる。
【００３４】
また、さらに厳密な最適化を行う場合には、構造系と音響系それぞれ一つずつの固有値による任意の組み合わせについて、入力点１４のモード形の値（φｓ０）と、評価点１５のモード形の値（φｆ０）と、連成係数（ｃ）との積を分子とし、構造系と音響系それぞれの連成の固有振動数の２乗の差（−Ωｓ２＋Ωｆ２，−Ωｆ２＋Ωｓ２）、または構造系と音響系それぞれの非連成の固有振動数の２乗の差を分母としたものを、構造音響連成特性を評価する指標として設定することが有効である。
【００３５】
ただし、計算時間の短縮を優先する場合には、できるだけ少ない項で構成される指標を用いることが望ましい。ここで、音響系のモードは音場となる空気の形状によって決まるため、自動車の開発においては変更できる可能性が殆どない。したがって、自動車の開発においては評価点のモード形の値（φｆ０）の項は重要性が低く、例えば、φｓ０・ｃ／−Ωｓ２＋Ωｆ２を構造音響連成特性を評価する指標として用いれば、十分に精度のよい最適化を短時間で行うことができる。
【００３６】
図３に示したモデル１０において、梁１３の質量の合計を一定としたときの各梁１３の断面の辺の長さＨを設計変数として、本発明の手法により最適化を行った結果を図４に示す。ここでは、構造音響連成特性を評価する指標としてφｓ０・ｃ／−Ωｓ２＋Ωｆ２を用い、図中の２つの音のピークを同時に最適化している。また、比較例として、上記式（１）を用いて厳密に音のレベルを計算しながら最適化を行った結果を図５に示す。これら図４及び図５から分かるように、本発明の手法により最適化を行うことにより、厳密な最適化を行った場合と同様に騒音の低減を図ることが可能となる。また、本発明の手法では音のレベルを直接計算することなく騒音低減が図れるので、計算時間を大幅に短縮させて解析の効率化を図ることができ、車両開発の効率向上を実現することができる。
【００３７】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本発明を適用した構造設計支援システムによれば、構造音響連成特性を評価する指標を用いて最適化を行うことで、騒音レベルを低減させた最適な車体構造を極めて短時間で得ることができ、車両開発の効率向上を実現することができる。なお、以上は本発明の一実施形態を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を適用した構造設計支援システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した構造設計支援システムによる一連の処理の流れを概略的に示すフローチャートである。
【図３】音場と、音場上面の板と、板に設定した正方形断面の梁とから構成される単純なモデルを示す図である。
【図４】図３に示したモデルにおいて梁の断面の辺の長さを設計変数として、本発明の手法により最適化を行った結果を示す図である。
【図５】図３に示したモデルにおいて梁の断面の辺の長さを設計変数として、従来の一般的な手法により最適化を行った場合の結果を比較例として示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  構造設計支援システム
２  計算モデル生成手段
３  構造系解析手段
４  音響系解析手段
５  音評価手段
６  構造音響連成特性評価指標計算手段
７  感度計算手段
８  構造最適化手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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