(57)【要約】【課題】排気管強度解析において、解析モデル作成時間及び計算時間を大幅に短縮する。【解決手段】車体フレームモデル１０は、ともに中央部が弾性棒モデルで構成され他の部分が剛体棒モデルで構成されたサイドレールモデル２０ｒ，２０ｌと、両サイドレールモデル２０ｒ，２０ｌを連結し、弾性棒モデルで構成された複数のクロスメンバモデル２２を有している。変位入力点及び変位入力方向については、前端部２４ｆｒにおける変位入力点が左右、前後、上下の３方向、中央部２４ｍｒ及び後端部２４ｒｒにおける変位入力点が左右、上下の２方向、前端部２４ｆｌにおける変位入力点が前後、上下の２方向、中央部２４ｍｌ及び後端部２４ｒｌにおける変位入力点が上下の１方向に設定されている。【選択図】　　　　図５
2004053313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度をコンピュータにより解析する方法であって、
前記車体フレームモデルは、
互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、
右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、
を有することを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の排気管強度解析方法であって、
前記変位入力点は、前記右側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部及び前記左側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部に設定され、車体上下方向変位がこれらの変位入力点に入力されることを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排気管強度解析方法であって、
前記解析モデルは、前記車体フレームモデルと前記排気管モデルの両方と連結されたドライブトレーンモデルをさらに含むことを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項４】
請求項３に記載の排気管強度解析方法であって、
前記ドライブトレーンモデルは、エンジン及びトランスミッションのみを考慮したモデルであることを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の排気管強度解析方法であって、
前記車体フレームモデルと前記ドライブトレーンモデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の排気管強度解析方法であって、
前記車体フレームモデルと前記排気管モデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の排気管強度解析方法であって、
前記排気管モデルと他モデルとの連結点に基準静荷重が入力されたときの前記排気管モデルの所定部位における静応力を算出するステップと、
前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルと他モデルとの連結点における時系列入力荷重データを算出するステップと、
前記静応力及び前記時系列入力荷重データに基づいて、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルの所定部位における時系列応力データを算出するステップと、
を含むことを特徴とする排気管強度解析方法。
【請求項８】
変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度を解析する装置であって、
前記車体フレームモデルは、
互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、
右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、
を有することを特徴とする排気管強度解析装置。
【請求項９】
変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度をコンピュータにより解析するプログラムであって、
前記車体フレームモデルは、
互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、
右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、
を有し、
前記排気管モデルと他モデルとの連結点に基準静荷重が入力されたときの前記排気管モデルの所定部位における静応力を算出する処理と、
前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルと他モデルとの連結点における時系列入力荷重データを算出する処理と、
前記静応力及び前記時系列入力荷重データに基づいて、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルの所定部位における時系列応力データを算出する処理と、
を実行することを特徴とする排気管強度解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気管強度解析方法、排気管強度解析装置及び排気管強度解析プログラムに関し、特に、車体フレームに変位が入力されたときの排気管の耐久強度を解析する方法、装置及びプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を用いた構造物の解析方法の一例として、特開平９−１８９６０１号公報に示すものが知られている。この従来の解析方法においては、結合部に軸受け及び減速機を用いた構造物の振動解析を行う際に、軸受け及び減速機を６自由度を持つばねでモデル化することで、解析精度の向上を図っている。
【０００３】
一方、ＣＡＥを用いた構造物の解析技術は、近年の車両短期開発、試作車削減、質量及びコスト低減に対応するため、車両開発においても定着しつつある。しかし、非定常現象である悪路走行時の排気管の耐久強度を解析する場合においては適切な解析手法が無く、実車評価に頼っているのが実状である。このような悪路走行時の排気管耐久強度の解析手法を報告した事例はないが、通常の方法で計算を行うとすれば、解析に用いる車両モデルが複雑かつ大規模となるため、解析モデルの作成及び計算の実行に多大な時間を要するという課題があった。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、解析モデル作成時間及び計算時間を大幅に削減できる排気管強度解析方法及び排気管強度解析装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、第１の本発明に係る排気管強度解析方法は、変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度をコンピュータにより解析する方法であって、前記車体フレームモデルは、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、を有することを特徴とする。
【０００６】
このように、車体フレームモデルは、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、を有することにより、排気管に発生する応力に関して支配的となる周波数帯域での代表的な車体フレームの振動を再現でき、かつ車体フレームモデルを簡略化することができる。したがって、解析精度を確保しながら解析モデル作成時間及び計算時間を大幅に削減できる。
【０００７】
第２の本発明に係る排気管強度解析方法は、第１の本発明に記載の方法であって、前記変位入力点は、前記右側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部及び前記左側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部に設定され、車体上下方向変位がこれらの変位入力点に入力されることを特徴とする。
【０００８】
このように、右側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部及び左側サイドレールモデルの略前端部と略中央部と略後端部に変位入力点を設定し、これらの変位入力点に車体上下方向変位を入力することにより、排気管に発生する応力に関して支配的となる周波数帯域での代表的な車体フレームの振動をさらに精度よく再現できる。
【０００９】
第３の本発明に係る排気管強度解析方法は、第１または第２の本発明に記載の方法であって、前記解析モデルは、前記車体フレームモデルと前記排気管モデルの両方と連結されたドライブトレーンモデルをさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の本発明に係る排気管強度解析方法は、第３の本発明に記載の方法であって、前記ドライブトレーンモデルは、エンジン及びトランスミッションのみを考慮したモデルであることを特徴とする。
【００１１】
このように、ドライブトレーンモデルは、エンジン及びトランスミッションのみを考慮したモデルであるので、解析モデル作成時間をさらに削減できる。
【００１２】
第５の本発明に係る排気管強度解析方法は、第３または第４の本発明に記載の方法であって、前記車体フレームモデルと前記ドライブトレーンモデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることを特徴とする。
【００１３】
このように、車体フレームモデルとドライブトレーンモデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることにより、ドライブトレーン振動を精度よく再現すると同時に、車体フレームモデルへの変位入力を必要最低限にすることができ、安定した解析結果を得ることができる。
【００１４】
第６の本発明に係る排気管強度解析方法は、第１〜５の本発明のいずれか１に記載の方法であって、前記車体フレームモデルと前記排気管モデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることを特徴とする。
【００１５】
このように、車体フレームモデルと排気管モデルとの連結点付近の変位入力点は、他の変位入力点の少なくとも１つより変位入力の方向が多く設定されていることにより、排気管との連結点付近の車体フレーム振動を精度よく再現すると同時に、車体フレームモデルへの変位入力を必要最低限にすることができ、安定した解析結果を得ることができる。
【００１６】
第７の本発明に係る排気管強度解析方法は、第１〜６の本発明のいずれか１に記載の方法であって、前記排気管モデルと他モデルとの連結点に基準静荷重が入力されたときの前記排気管モデルの所定部位における静応力を算出するステップと、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルと他モデルとの連結点における時系列入力荷重データを算出するステップと、前記静応力及び前記時系列入力荷重データに基づいて、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルの所定部位における時系列応力データを算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１７】
このように、排気管モデルと他モデルとの連結点に基準静荷重が入力されたときの前記排気管モデルの所定部位における静応力をあらかじめ算出しておくことにより、排気管の応力の時系列データを排気管有限要素モデルを用いて時系列変位データの各サンプル時刻ごとに算出する必要がなくなる。したがって、計算時間をさらに大幅に削減できる。
【００１８】
第８の本発明に係る排気管強度解析装置は、変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度を解析する装置であって、前記車体フレームモデルは、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、を有することを特徴とする。
【００１９】
第９の本発明に係る排気管強度解析プログラムは、変位入力点に変位が入力される車体フレームモデルと、該車体フレームモデルと連結された排気管モデルと、を含む解析モデルを用いて車体フレームに変位が入力されたときの排気管の強度をコンピュータにより解析するプログラムであって、前記車体フレームモデルは、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、を有し、前記排気管モデルと他モデルとの連結点に基準静荷重が入力されたときの前記排気管モデルの所定部位における静応力を算出する処理と、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルと他モデルとの連結点における時系列入力荷重データを算出する処理と、前記静応力及び前記時系列入力荷重データに基づいて、前記車体フレームモデルの変位入力点に時系列変位データを入力したときの前記排気管モデルの所定部位における時系列応力データを算出する処理と、を実行することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態における排気管強度解析に用いられる解析モデルの構成を示すブロック図である。本実施形態においては、排気管への入力荷重を算出するための入力荷重算出用モデル２と、排気管の応力を算出するための応力算出用モデル４と、を用いて排気管の応力をコンピュータにより算出する。入力荷重算出用モデル２は、後述する構成の車体フレームモデル１０、ドライブトレーンモデル１２及び排気管簡易モデル１４を有している。一方、応力算出用モデル４は排気管有限要素モデル６によって構成されている。
【００２２】
次に、車体フレームモデル１０の構成について説明する。
【００２３】
排気管に発生する応力波形を調べた結果、３０Ｈｚ以下の成分が支配的であったため、３０Ｈｚ以下での車体フレーム振動を再現できれば精度上問題ないと考えた。そこで、車体フレームの有限要素モデルを用いて固有値解析を行って３０Ｈｚ以下の車体フレームの固有モードを調べた。３０Ｈｚ以下の車体フレームの代表的な固有モードは、図２（Ａ）に示すような右前端部、右後端部、左前端部及び左後端部が腹となる１次の捩れモードと、図２（Ｂ）に示すような右前端部、右中央部、右後端部、左前端部、左中央部及び左後端部が腹となる１次の上下曲げモード（曲げ２節モード）である。したがって、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードを再現できる範囲で車体フレームモデル１０を簡略化することができる。
【００２４】
以上の結果から車体フレームモデル１０は、以下に示す構成に簡略化することができる。車体フレームモデル１０は、図３に示すように、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長された右側サイドレールモデル２０ｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌと、車体左右方向に延長され、右側サイドレールモデル２０ｒと左側サイドレールモデル２０ｌを連結する複数のクロスメンバモデル２２を有している。右側サイドレールモデル２０ｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌは、中央部が弾性棒モデルで構成され、他の部分が剛体棒モデルで構成されている。クロスメンバモデル２２は、弾性棒モデルで構成されている。ここでの弾性棒モデルは、曲げ変形及び捩れ変形が可能であり、サイドレールモデル中央部の弾性棒モデルは、車体左右、上下方向の曲げ剛性及び捩り剛性のモデルパラメータを有し、クロスメンバモデル２２の弾性棒モデルは、車体前後、上下方向の曲げ剛性及び捩り剛性のモデルパラメータを有している。一方、サイドレールモデルの剛体棒モデルの各々は、例えば、重心、慣性主軸、主軸廻り慣性モーメント等のモデルパラメータを有する質点モデルによって構成することができる。車体フレームモデル１０をこのようなモデルで構成することで、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードを含む振動を再現でき、かつ車体フレームモデル１０を簡略化することができる。
【００２５】
次に、ドライブトレーンモデル１２の構成について説明する。以下、ＦＲ（フロントエンジンリアドライブ）車あるいは４ＷＤ（４ホイールドライブ）車のようなプロペラシャフトを有する車両の解析を行う場合について説明する。
【００２６】
悪路走行時のように車体変位が大きい場合は、プロペラシャフトがエンジンの動きを拘束または加振することで排気管への入力荷重に影響を与える可能性も考えられる。そこで、プロペラシャフト有無（無は牽引走行により再現）の違いによるエンジン振動加速度の比較を行った。その結果、図４（Ａ）に示すようにプロペラシャフト有無の違いによる振動加速度の比はほぼ１：１であり、図４（Ｂ）に示すようにプロペラシャフト有無の違いによる振動加速度時系列データの差はほとんど差が見られなかったため、本実施形態におけるドライブトレーンモデル１２は、プロペラシャフトを省略し、エンジン及びトランスミッションのみを考慮したモデルとしている。具体的には、ドライブトレーンモデル１２は、エンジン及びトランスミッションのみを考慮した重心、慣性主軸、主軸廻り慣性モーメント等のモデルパラメータを有する質点モデルによって構成されている。
【００２７】
排気管簡易モデル１４は、弾性棒モデルによって構成されており、例えば、排気管有限要素モデル６を用いた固有値解析により得られた固有振動数、固有モード等のモデルパラメータを有するモーダルモデルによって構成することができる。
【００２８】
ドライブトレーンモデル１２は、車体フレームモデル１０とエンジンマウント位置の連結点にて６自由度を持つばね要素及び減衰要素によって連結されている。排気管簡易モデル１４は、車体フレームモデル１０と車体へのマウント位置の連結点にて６自由度を持つばね要素及び減衰要素によって連結されている。さらに、排気管簡易モデル１４は、ドライブトレーンモデル１２とエンジンへの取り付け位置の連結点にて剛結されている。
【００２９】
次に、車体フレームモデル１０の変位入力点及び変位入力方向について説明する。
【００３０】
車体フレームモデル１０の変位入力点については、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードの腹となる位置に強制変位を入力すれば、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードを精度よく再現できる。したがって、変位入力点については、図５に示すように、右側サイドレールモデル２０ｒの前端部２４ｆｒと中央部２４ｍｒと後端部２４ｒｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌの前端部２４ｆｌと中央部２４ｍｌと後端部２４ｒｌに設定している。そして、これらの変位入力点へ上下方向の強制変位を入力することで、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードを含む振動をより精度よく再現できる。
【００３１】
次に、これらの変位入力点への変位入力方向については、測定誤差及び計算の収束性を考慮すると、必要最低限の入力とした方が安定した解析結果が得られると考えられる。そこで、変位入力点となる各位置の振動加速度を悪路走行時に実測して振動加速度同士の相関を調べた。
【００３２】
図６は同時に測定した振動加速度時系列データ同士の相関を示し、横軸は右側サイドフレーム前端部における上下方向加速度、縦軸は左側サイドフレーム後端部における上下方向加速度である。図６に示すように両者の間に相関はほとんどないため、独立の変位入力が必要である。同様の方法で相関を調査した結果、車体上下方向については振動加速度同士の相関が低かったため、図５に示す６点の変位入力点においては、独立の上下方向変位入力が必要である。また、右側サイドフレーム前端部における左右方向加速度と右側サイドフレーム後端部における左右方向加速度との相関も低かったため、同一のサイドフレームの各入力点においても、独立な左右方向変位入力は必要である。
【００３３】
図７は同時に測定した振動加速度時系列データ同士の相関を示し、横軸は右側サイドフレーム前端部における左右方向加速度、縦軸は左側サイドフレーム前端部における左右方向加速度である。図７に示すように両者の間の相関は高いため、いずれか一方の左右方向入力を省略することができる。同様の方法で相関を調査した結果から、中央部及び後端部についても、右側及び左側いずれか一方の左右方向入力を省略することができる。さらに、車体前後方向に関して同様の方法で相関を調査した結果から、同一のサイドフレームの各入力点においては前端部、中央部及び後端部のいずれか１つまで前後方向入力を省略できる。一方、右側サイドフレームと左側サイドフレームとで独立な前後方向変位入力は必要である。
【００３４】
ここで、実際のエンジン振動を精度よく再現できた方が解析精度が向上するので、ドライブトレーンモデル１２と車体フレームモデル１０との連結点付近の変位入力点への入力方向を省略しないで、ドライブトレーンモデル１２と車体フレームモデル１０との連結点から遠い変位入力点への入力方向を省略した方が解析精度が向上する。本実施形態の解析対象車両はフロントエンジン車であるので、前後方向変位入力については、ドライブトレーンモデル１２と車体フレームモデル１０との連結点付近の前端部２４ｆｒ，２４ｆｌにおける変位入力点に設定し、中央部２４ｍｒ，２４ｍｌ及び後端部２４ｒｒ，２４ｒｌにおける変位入力点への入力を省略している。
【００３５】
同様に、実際の排気管と車体との連結点付近のフレーム振動を精度よく再現できた方が解析精度が向上するので、排気管簡易モデル１４と車体フレームモデル１０との連結点付近の変位入力点への入力方向を省略しないで、排気管簡易モデル１４と車体フレームモデル１０との連結点から遠い変位入力点への入力方向を省略した方が解析精度が向上する。図示はしていないが、本実施形態の解析対象車両の排気管は右側サイドフレーム付近にマウントされているので、左右方向変位入力については、右側サイドフレームモデル２０ｒの前端部２４ｆｒ、中央部２４ｍｒ及び後端部２４ｒｒにおける変位入力点に設定し、左側サイドフレームモデル２０ｌの前端部２４ｆｌ、中央部２４ｍｌ及び後端部２４ｒｌにおける変位入力点への入力を省略している。
【００３６】
以上の結果から変位入力点への変位入力方向を以下のように設定している。右側サイドレールモデル２０ｒについては、図５に示すように、前端部２４ｆｒにおける変位入力点が左右、前後、上下の３方向、中央部２４ｍｒ及び後端部２４ｒｒにおける変位入力点が左右、上下の２方向としている。一方、左側サイドレールモデル２０ｌについては、図５に示すように、前端部２４ｆｌにおける変位入力点が前後、上下の２方向、中央部２４ｍｌ及び後端部２４ｒｌにおける変位入力点が上下の１方向としている。このように各変位入力点への変位入力方向を設定することで、エンジン振動及び排気管取り付け位置付近のフレーム振動の再現性を確保すると同時に必要最低限の変位入力とすることができ、安定した解析結果を得ることができる。
【００３７】
次に、本実施形態における解析方法について説明する。
【００３８】
まず排気管簡易モデル１４と車体フレームモデル１０、ドライブトレーンモデル１２との間の各連結点ごとに単位荷重（ここでの荷重は力、モーメントの両方を含む）を加えた場合の排気管の応力評価部位における静的応力を排気管有限要素モデル６を用いてコンピュータによりあらかじめ計算しておく。ここで、１つの連結点に対して６自由度の入力があるため、連結点がｎ点の場合は、６×ｎ回の静的応力計算を実行することで、１つの排気管の応力評価部位に対して、以下の表１に示す６×ｎ個の静的応力の計算結果が得られる。
【００３９】
【表１】
2004053313.tif 000003
【００４０】
以下、この６×ｎ個の応力計算結果を単位荷重応力テーブルと呼ぶことにする。この単位荷重応力テーブルは、排気管の応力評価部位ごとにあらかじめ計算されている。なお、表１における応力σの添え字については、数字は連結点の番号を示し、ｘ，ｙ，ｚはそれぞれ前後、左右、上下方向の並進荷重入力の場合を示し、θｘ，θｙ，θｚはそれぞれ前後、左右、上下軸廻りの回転荷重入力の場合を示す。例えば、σｉｚは、ｉ番の連結点に上下方向の単位荷重が入力された場合の応力を示す。
【００４１】
次に、車体フレームモデル１０の各変位入力点に強制変位を入力したときの排気管簡易モデル１４の各連結点における入力荷重を応力算出用モデル４を用いてコンピュータにより算出する。ここで、車体フレームモデル１０の各変位入力点に入力する変位時系列データについては、悪路走行時の振動加速度を実測して変位に変換したデータを用いる。ただし、排気管応力は３０Ｈｚ以下の成分が支配的であるため、３０Ｈｚ以下の成分を取り出すローパスフィルタを通した変位時系列データを車体フレームモデル１０の各変位入力点に入力する。そして、所定サンプル時間おきの変位データを用いて静解析を個々のサンプル時刻ごとに行うことで、排気管簡易モデル１４の各連結点への入力荷重時系列データが所定サンプル時間おきに算出される。
【００４２】
ここで、あるサンプル時刻でのある連結点への入力荷重をｆｉｘ，ｆｉｙ，ｆｉｚ，ｆｉθｘ，ｆｉθｙ，ｆｉθｚ（添え字のｉは連結点の番号、ｘ，ｙ，ｚは並進荷重入力の場合、θｘ，θｙ，θｚは回転荷重入力の場合を示す）、連結点の数をｎとすると、排気管のある応力評価部位の応力σは以下の（１）式で表される。
【００４３】
【数１】
2004053313.tif 000004
【００４４】
このように、排気管簡易モデル１４の各連結点への入力荷重の時系列データ、表１に示す単位荷重応力テーブル及び（１）式を用いて、例えば図８に示すような応力の時系列データをコンピュータにより算出することができる。このとき、排気管有限要素モデル６を用いて計算する排気管応力については、所定サンプル時刻おきに計算する必要がないので、応力の時系列データの計算時間を大幅に短縮できる。
【００４５】
次に、図８に示す応力の時系列データから図９に示すような応力の累積頻度線図を求める。そして、この応力の累積頻度線図及び図１０に示すＳ−Ｎ線図を用いて排気管の耐久寿命を算出することができる。
【００４６】
本実施形態の車体フレームモデル１０を用いた場合の振動加速度と、車体フレームモデル全体を弾性棒モデルによって構成した場合の振動加速度との比較結果を図１１に示す。ここで、図１１（Ａ）はエンジンマウント位置における振動加速度の比較結果であり、図１１（Ｂ）は排気管を車体にマウントしているサポート位置における振動加速度の比較結果である。図１１（Ａ）、（Ｂ）における実線は本実施形態の車体フレームモデル１０を用いた場合を示し、破線は車体フレームモデル全体を弾性棒モデルによって構成した場合を示す。排気管に発生する応力に関して支配的となる３０Ｈｚ以下において両者がほぼ一致しており、本実施形態の車体フレームモデル１０の妥当性が示されている。
【００４７】
本実施形態による解析結果と実験結果との比較を図１２の応力累積頻度線図によって示す。図１２におけるＡ〜Ｄは応力評価部位を示す。図１２に示すように、各応力評価部位Ａ〜Ｄとも解析結果と実験結果とがほぼ一致しており、本実施形態の解析方法の妥当性が示されている。
【００４８】
さらに、本実施形態では、実験では測定が困難となる排気管を車体にマウントしているサポートの入力寄与度解析を行うことができる。例えば、ｉ番目の連結点の前後方向並進入力の寄与度Ｃｉｘは（２）式で表される。ただし、（２）式におけるσ，ｆｉｘは、全時系列データのＲＭＳ値を用いる。他の自由度、他の連結点についても同様に算出することができる。
【００４９】
【数２】
Ｃｉｘ＝σｉｘ×ｆｉｘ／σ　　　（２）
【００５０】
図１３に（２）式により算出した寄与度解析結果を示す。図１３における▲１▼、▲２▼はエンジンとの結合位置、▲３▼〜▲６▼はサポート位置を示し、Ａ〜Ｅは応力評価部位を示す。この解析結果をコスト及び重量削減を図るためのサポート削減検討に用いることができる。
【００５１】
本実施形態においては、車体フレームモデル１０は、図３に示すように、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が弾性棒モデルで構成され他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル２０ｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌと、車体左右方向に延長され、右側サイドレールモデル２０ｒと左側サイドレールモデル２０ｌを連結し、弾性棒モデルで構成された複数のクロスメンバモデル２２を有している。したがって、排気管に発生する応力に関して支配的となる周波数帯域での代表的な車体フレームの振動を再現でき、かつ車体フレームモデル１０を簡略化することができるので、解析精度を確保しながら解析モデル作成時間及び計算時間を大幅に削減できる。
【００５２】
そして、車体フレームモデル１０の変位入力点については、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す固有モードの腹となる右側サイドレールモデル２０ｒの前端部２４ｆｒと中央部２４ｍｒと後端部２４ｒｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌの前端部２４ｆｌと中央部２４ｍｌと後端部２４ｒｌに設定し、これらの変位入力点へ上下方向の強制変位を入力している。したがって、排気管に発生する応力に関して支配的となる周波数帯域での代表的な車体フレームの振動をより精度よく再現できる。
【００５３】
さらに、変位入力点の前後方向入力については、ドライブトレーンモデル１２と車体フレームモデル１０との連結点付近の前端部２４ｆｒ，２４ｆｌにおける変位入力点に設定し、中央部２４ｍｒ，２４ｍｌ及び後端部２４ｒｒ，２４ｒｌにおける変位入力点への入力を省略している。したがって、ドライブトレーン振動を精度よく再現すると同時に、車体フレームモデル１０への変位入力を必要最低限にすることができるので、安定した解析結果を得ることができ、かつ計算時間をさらに短縮できる。そして、変位入力点の左右方向入力については、排気管簡易モデル１４と車体フレームモデル１０との連結点付近となる右側サイドフレームモデル２０ｒの前端部２４ｆｒ、中央部２４ｍｒ及び後端部２４ｒｒにおける変位入力点に設定し、左側サイドフレームモデル２０ｌの前端部２４ｆｌ、中央部２４ｍｌ及び後端部２４ｒｌにおける変位入力点への入力を省略している。したがって、排気管との連結点付近の車体フレーム振動を精度よく再現すると同時に、車体フレームモデル１０への変位入力を必要最低限にすることができるので、安定した解析結果を得ることができ、かつ計算時間をさらに短縮できる。
【００５４】
また、ドライブトレーンモデル１２は、エンジン及びトランスミッションのみを考慮したモデルパラメータを有する質点モデルによって構成されているので、解析モデル作成時間をさらに削減できる。
【００５５】
そして、応力計算の際には、まず排気管モデルと他モデルとの各連結点に単位静荷重が入力されたときの排気管の応力評価部位における静応力を単位荷重応力テーブルとしてあらかじめ算出し、次に車体フレームモデル１０の各変位入力点に強制変位の時系列データを入力したときの各連結点への入力荷重の時系列データを算出している。そして、単位荷重応力テーブル及び各連結点への入力荷重の時系列データを用いて排気管の応力の時系列データを算出することにより、排気管の応力の時系列データを排気管有限要素モデル６を用いて時系列変位データの各サンプル時刻ごとに算出する必要がなくなる。したがって、計算時間をさらに大幅に削減できる。
【００５６】
本実施形態における右側サイドレールモデル２０ｒ及び左側サイドレールモデル２０ｌの弾性棒モデルの位置については、略中央部であるならば本発明を適用可能である。そして、車体フレームモデル１０の各変位入力点の位置については、略前端部、略中央部及び略後端部であるならば本発明を適用可能である。また、本発明の解析手法が適用可能な車両はＦＲ車や４ＷＤ車のようなプロペラシャフトを有する車両に限るものではない。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、車体フレームモデルは、互いに車体左右方向に関して所定間隔離され、ともに車体前後方向に延長され、ともに略中央部が上下曲げ変形可能な弾性棒モデルで構成されその他の部分が剛体棒モデルで構成された右側サイドレールモデル及び左側サイドレールモデルと、右側サイドレールモデルと左側サイドレールモデルを連結し、捩れ変形可能な弾性棒モデルを含むクロスメンバモデルと、を有することにより、解析精度を確保しながら解析モデル作成時間及び計算時間を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る排気管強度解析に用いられる解析モデルの構成を示すブロック図である。
【図２】排気管応力に関して支配的となる周波数帯域での代表的な車体フレームの固有モードを示す図である。
【図３】本発明の実施形態における車体フレームモデルの構成を示す図である。
【図４】プロペラシャフト有無の違いによるエンジン振動加速度を比較した図である。
【図５】本発明の実施形態における車体フレームモデルの変位入力点及び変位入力方向を示す図である。
【図６】同時に測定した振動加速度時系列データ同士の相関を示す図である。
【図７】同時に測定した振動加速度時系列データ同士の相関を示す図である。
【図８】本発明の実施形態の排気管強度解析方法による応力時系列データの一例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態の排気管強度解析方法による応力の累積頻度線図の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態の排気管強度解析方法に用いられるＳ−Ｎ線図の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態における車体フレームモデルを用いた解析結果と全体が弾性棒モデルで構成された車体フレームモデルを用いた解析結果との比較を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態による解析結果と実験結果との比較を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態の排気管強度解析方法による入力寄与度解析結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
２　入力荷重算出用モデル、４　応力算出用モデル、６　排気管有限要素モデル、１０　車体フレームモデル、１２　ドライブトレーンモデル、１４　排気管簡易モデル、２０ｌ　左側サイドレールモデル、２０ｒ　右側サイドレールモデル、２２　クロスメンバモデル。
【図１】
2004053313.tif 000005
【図２】
2004053313.tif 000006
【図３】
2004053313.tif 000007
【図４】
2004053313.tif 000008
【図５】
2004053313.tif 000009
【図６】
2004053313.tif 000010
【図７】
2004053313.tif 000011
【図８】
2004053313.tif 000012
【図９】
2004053313.tif 000013
【図１０】
2004053313.tif 000014
【図１１】
2004053313.tif 000015
【図１２】
2004053313.tif 000016
【図１３】
2004053313.tif 000017