(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動が加えられる入力点、応答が評価される評価点、及び、着目点を有する構造体について、前記入力点と前記着目点との間の第１の伝達関数、前記評価点と前記着目点との間の第２の伝達関数、及び、前記着目点と同一着目点との間の第３の伝達関数を取得する伝達関数取得手段と、
前記第３の伝達関数の変動特性を取得する変動特性取得手段と、
前記第１乃至第３の伝達関数、及び、前記第３の伝達関数の変動特性に基づいて、前記第３の伝達関数の変動が前記評価点の応答に与える影響を算出する影響算出手段と、
前記評価点の応答への前記影響を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする振動解析システム。
【請求項２】
前記第３の伝達関数の変動特性が、確率分布で与えられ、
前記評価点の応答への前記影響が、前記評価点の応答の確率分布で表される
ことを特徴とする請求項１に記載の振動解析システム。
【請求項３】
前記第３の伝達関数の変動特性が、前記着目点の特性に応じて設定されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動解析システム。
【請求項４】
前記構造体が、前記着目点を複数有しており、
前記複数の着目点のそれぞれについて、前記第３の伝達関数及びその変動特性が取得され、
前記複数の着目点のそれぞれの第３の伝達関数の変動について、前記評価点の応答への影響が算出される
ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の振動解析システム。
【請求項５】
コンピュータが、
振動が加えられる入力点、応答が評価される評価点、及び、着目点を有する構造体について、前記入力点と前記着目点との間の第１の伝達関数、前記評価点と前記着目点との間の第２の伝達関数、及び、前記着目点と同一着目点との間の第３の伝達関数を取得する処理と、
前記第３の伝達関数の変動特性を取得する処理と、
前記第１乃至第３の伝達関数、及び、前記第３の伝達関数の変動特性に基づいて、前記第３の伝達関数の変動が前記評価点の応答に与える影響を算出する処理と、
前記評価点の応答への前記影響を出力する処理と、
を実行することを特徴とする振動解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の振動を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造体の振動・騒音性能は、設計誤差、製造誤差、外乱などによって影響を受けることが知られている。例えば、同一仕様の製品であっても、製造上のわずかなばらつきにより、一部のロットにのみ問題となる振動・騒音が発現するということが起こり得る。振動・騒音の要因が判明している場合は、それを抑制するための処置を講じることも可能である。しかし通常は、振動・騒音の要因がどこで、どのように、どの程度の規模で発生しているのかを速やかに発見するのは非常に困難である。評価点の振動・騒音に影響を及ぼす振動が構造体中のどの部位からどのように伝播してきているのかを特定するのが難しいからである。特に、自動車のように構造が複雑で部品点数の多い構造体ほど困難となる。
【０００３】
とはいえ、誤差・外乱等による影響を事前に予測する有効な手法はなく、製品や試作品が実際に出来上がった段階ではじめて問題が露見することも多かった。なお、バネ・マス・板といった物理量のばらつきが評価点応答に与える影響をシミュレーションするシステムが実用化されているが（ＣＤＨ社「ＣＤＨ／ＶＡＯ」）、このシステムはシミュレーションモデルでの検討しかできず、実際の構造体には適用できない。また、振動・騒音性能に影響する因子は、バネ・マス・板のような単純な物理モデルで表されるものではなく、部品の形状、寸法、剛性、質量、物性値（材料特性）、部品接触状態などの種々の要因が複雑に絡み合っているものであるが、従来システムはこの種の誤差・外乱要因を考慮できないという問題もある。
【０００４】
なお、構造体の振動を解析する技術としては次のものがある。特許文献１には、車体に対し車体以外の要素を動バネで連結し、車体の運動方程式を周波数解析して車体の応答点の振動レベルを求める手法が開示されている。特許文献２には、防音材をバネ・マスモデルとしてモデル化するＦＥＭ解析手法が開示されている。特許文献３には、解析対象部位を表したＦＥＭモデルの０Ｈｚにおける振動変位から剛性を求める評価手法が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２７２８３７号公報
【特許文献２】特開２００６−６５４６６号公報
【特許文献３】特開２００７−９４５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、構造体の任意の部位の誤差・外乱等が振動・騒音性能に与える影響を簡単かつ精度良く予測可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明に係る振動解析システムは、振動が加えられる入力点、応答が評価される評価点、及び、着目点を有する構造体について、前記入力点と前記着目点との間の第１の伝達関数、前記評価点と前記着目点との間の第２の伝達関数、及び、前記着目点と同一着目点との間の第３の伝達関数を取得する伝達関数取得手段と、前記第３の伝達関数の変動特性を取得する変動特性取得手段と、前記第１乃至第３の伝達関数、及び、前記第３の伝達関数
の変動特性に基づいて、前記第３の伝達関数の変動が前記評価点の応答に与える影響を算出する影響算出手段と、前記評価点の応答への前記影響を出力する出力手段と、を備える。
【０００８】
ここで「着目点」が、誤差・外乱等を付与する点であり、「第３の伝達関数の変動特性」が、着目点に付与する誤差・外乱等を表現するパラメータである。着目点の選択、及び、伝達関数の変動特性の設定によって、構造体中の任意の部位に任意の誤差・外乱等を付与することが可能である。また、従来システムのようにバネ・マス・板のような限定された物理量でなく、伝達関数の変動特性という形式を用いたことにより、当該着目点に生じ得る種々の誤差・外乱要因を包括的かつ直接的に表現することができる。そして、伝達関数の演算により評価点の応答への影響を算出することで、着目点の誤差・外乱等が構造体の振動・騒音性能に与える影響を簡単かつ精度良く予測することができる。なお、「伝達関数」は、実構造体を用いた振動実験の結果から算出してもよいし、シミュレーションにより算出してもよい。
【０００９】
前記第３の伝達関数の変動特性が、確率分布で与えられ、前記評価点の応答への前記影響が、前記評価点の応答の確率分布で表されることが好ましい。確率分布を用いたことにより、着目点にどの程度の誤差・外乱等が発生し得るか、またそれによる評価点応答への影響はどの程度か、というリスク評価が可能になる。
【００１０】
さらに、前記第３の伝達関数の変動特性が、前記着目点の特性に応じて設定されていることが好ましい。着目点の特性に応じて伝達関数の変動特性を異ならせることにより、振動・騒音性能への影響をより精度良く算出可能となる。
【００１１】
前記構造体が、前記着目点を複数有しており、前記複数の着目点のそれぞれについて、前記第３の伝達関数及びその変動特性が取得され、前記複数の着目点のそれぞれの第３の伝達関数の変動について、前記評価点の応答への影響が算出されることが好ましい。ユーザは、各着目点の出力結果から、振動・騒音性能に与える影響の大きさ（つまり、誤差・外乱等の許容限）を客観的に比較でき、振動・騒音対策のための有益な情報を得ることができる。
【００１２】
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する振動解析システムとして捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む振動解析方法、または、かかる方法を実現するためのプログラム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。
【００１３】
たとえば、本発明の一態様としての振動解析方法は、コンピュータが、振動が加えられる入力点、応答が評価される評価点、及び、着目点を有する構造体について、前記入力点と前記着目点との間の第１の伝達関数、前記評価点と前記着目点との間の第２の伝達関数、及び、前記着目点と同一着目点との間の第３の伝達関数を取得する処理と、前記第３の伝達関数の変動特性を取得する処理と、前記第１乃至第３の伝達関数、及び、前記第３の伝達関数の変動特性に基づいて、前記第３の伝達関数の変動が前記評価点の応答に与える影響を算出する処理と、前記評価点の応答への前記影響を出力する処理と、を実行するものである。
【００１４】
また、本発明の一態様としての振動解析プログラムは、コンピュータに、振動が加えられる入力点、応答が評価される評価点、及び、着目点を有する構造体について、前記入力点と前記着目点との間の第１の伝達関数、前記評価点と前記着目点との間の第２の伝達関数、及び、前記着目点と同一着目点との間の第３の伝達関数を取得する処理と、前記第３の伝達関数の変動特性を取得する処理と、前記第１乃至第３の伝達関数、及び、前記第３
の伝達関数の変動特性に基づいて、前記第３の伝達関数の変動が前記評価点の応答に与える影響を算出する処理と、前記評価点の応答への前記影響を出力する処理と、を実行させるための、コンピュータ可読なプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、構造体の任意の部位の誤差・外乱等が振動・騒音性能に与える影響を簡単かつ精度良く予測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、車両の振動解析を例に挙げて、本発明の好適な実施形態を説明する。ただし、本発明の適用範囲は車両の振動解析に限られることはなく、本発明は振動・騒音が問題とされるあらゆる構造体の振動解析に好ましく適用可能である。
【００１７】
（システム概要）
車両開発において、振動及び騒音の低減は非常に重要な課題であり、所定の性能評価点（例えば、運転者の耳位置、ステアリング、シートなど）の振動・騒音レベルが許容値を下回るように様々な対策が採られる。しかし、シミュレーションモデル又は試作車のような理想モデルで目標レベルをクリアできたとしても、すべての実車（実際の製品）が目標レベルを満足するとは限らない。設計誤差、製造誤差、外乱などにより、部品の形状、寸法、剛性、質量、物性値（材料特性）、部品接触状態などがばらつき、それにより車両の振動・騒音性能が変化し、許容値を超える振動・騒音が発現することがあるからである。
【００１８】
このような振動・騒音の発現を未然に防ぐには、該当部品の公差や品質管理を厳しくしたり、設計を変更したり、制振部材を付加したりするなどの対策を講じる必要がある。そして、そのためには、事前に構造体（車両）の中のどの部位がどの程度ばらつくと振動・騒音性能に問題が生じるのかを明らかにし、対策を施すべき部位（対策部位）を絞り込む必要がある。
【００１９】
本実施形態の振動解析システムは、ユーザによる対策部位の特定を支援するためのシステムであり、構造体の任意の部位に発生した誤差・外乱等が性能評価点の振動・騒音レベルに与える影響を予測し出力する機能を提供するものである。
【００２０】
（影響予測手法）
まず、図１を参照して、本システムの影響予測手法の基本的な理論を説明する。図１は、伝達関数合成法の理論モデルを示している。
【００２１】
図１の左辺の第１項は、構造体の初期状態を表している。この構造体は、振動が加えられる入力点ａ、その入力に対する応答（振動・騒音性能）が評価される性能評価点ｂ、及び、誤差の発生が想定される着目点ｃを有している。この初期状態では、構造体は、誤差因子のない理想的な振動系［Ｈｉｊ］であるものとする。Ｈｉｊは、点ｉと点ｊとの間の伝達関数を表している。なお、本実施形態では、伝達関数Ｈｉｊとして、点ｉを加振したときの点ｊの変位であるコンプライアンスを用いるが、伝達関数の形式はこれに限らない。
【００２２】
図１の左辺に示すように、理想的な振動系［Ｈｉｊ］における着目点ｃに誤差因子（Ｆｃ＝Ｑ・Ｘｃなる振動系）が発生し、図１の右辺に示すように、誤差を含む振動系［Ｈｉｊ］＊が形成されたとする。ここで、伝達関数合成法の理論によって、図１の関係式を構築してＱを消去することにより、（式１）が得られる。
【数１】
0004844502.tif 000002
【００２３】
Ｈａｃは入力点ａと着目点ｃとの間の伝達関数、Ｈｂｃは性能評価点ｂと着目点ｃとの間の伝達関数、Ｈｃｃは着目点ｃと同一着目点ｃとの間の伝達関数（着目点ｃの加振点コンプライアンスと呼ばれる）である。また、ΔＨａｂは誤差因子によって受けた性能評価点ｂの応答の変化量（影響）であり、ΔＨｃｃは誤差因子によって生じた着目点ｃの加振点コンプライアンスの変化量である。
【００２４】
（式１）より、構造体の初期の伝達関数Ｈａｃ，Ｈｂｃ，Ｈｃｃと、誤差因子による着目点ｃの加振点コンプライアンスの変化量ΔＨｃｃ（伝達関数Ｈｃｃの変化量）とが与えられれば、着目点ｃに生じた誤差が構造体の振動・騒音性能に与える影響ΔＨａｂを算出可能であることが分かる。
【００２５】
構造体の伝達関数Ｈａｃ，Ｈｂｃ，Ｈｃｃについては、（１）シミュレーションにより算出してもよいし、（２）実構造体を用いた振動実験の結果から算出してもよい。（１）の場合は、構造体のＦＥＭモデルによる振動・騒音シミュレーションを実施し、伝達関数行列を計算する。（２）の場合は、振動・騒音伝達の計測装置（騒音計、加速度計、信号発生器、加振器からなる構成）を構造体に取り付けて振動実験を行い、その測定結果をＦＦＴアナライザで解析することで、構造体の伝達関数行列を得る。なお、初期状態の伝達関数は誤差因子を含まない理想値であることが望ましいので、複数回の測定結果の平均をとるか、可能であれば複数の実構造体による測定結果の平均をとることが好ましい。
【００２６】
図２は、４つの実構造体について、ある着目点における加振点イナータンスの測定結果を示している。図２の上段は、加振点イナータンスの位相を示し、下段は、加振点イナータンスのレベル（絶対値）を示している。なお、加振点イナータンスとは、着目点を加振したときの同一着目点の加速度であり、加振点コンプライアンスＨｃｃの二階微分に相当する。
【００２７】
図２に示すように、周波数ごとに加振点イナータンスには誤差がある。誤差の原因はひとつに限らず、その着目点における部品の形状、寸法、剛性、質量、物性値（材料特性）、部品接触状態など様々である。加振点イナータンスの測定結果は、これら分離困難な様々な要因が複合した結果を反映したものである。すなわち、このような測定結果から把握されるＨｃｃの変動特性ΔＨｃｃは、当該着目点に生じ得る種々の誤差・外乱要因を包括的かつ直接的に表現したものといえる。
【００２８】
加振点コンプライアンスの変動特性ΔＨｃｃは確率分布で表すことができる。ただし、その変動幅（標準偏差）や、確率分布形態（正規分布、カイ二乗分布など）は、着目点における部品の特性に応じて異なる。例えば、部品の材料に関していえば、金属＜樹脂＜ゴムの順に製造誤差が大きくなるため、Ｈｃｃの変動幅も大きくなる。また、構造体のオプション装備などに応じて、取り付けられる部品の形状等にバリエーションがある場合がある。このようなバリエーション部品による変動も、誤差・外乱要因の一つとして捉えてもよい。このような部品特性に応じた変動特性ΔＨｃｃについては、図２のような実験結果、シミュレーション、あるいは経験値などに基づいて決定することが可能である。
【００２９】
（システム構成）
では次に、本実施形態の振動解析システムの具体的な構成を説明する。
【００３０】
図３は、振動解析システムの構成を示すブロック図である。振動解析システム１は、主な機能として、伝達関数行列取得部１０、変動特性取得部１１、影響算出部１２、出力部１３を備えている。このシステムは、ハードウエア的には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、記憶装置、表示装置、入力装置などを備えた汎用のコンピュータシステムで構成可能であり、上述した各機能は記憶装置に格納されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現されるものである。
【００３１】
伝達関数行列取得部１０は、解析対象となる構造体の伝達関数行列データを取得する機能である。ここでは、図４に示すように、入力点Ａ、性能評価点Ｂ、複数の着目点Ｃ１〜Ｃ５を含む構造体を想定する。ただし着目点の数は解析目的や解析周波数などに応じて自由に設定可能である。また入力点や性能評価点についても複数設定してもよい。この構造体の伝達関数行列については、上述のようにシミュレーションまたは実験により予め求められているものとする。
【００３２】
変動特性取得部１１は、着目点Ｃ１〜Ｃ５それぞれの加振点コンプライアンスの変動特性ΔＨｃｃを取得する機能である。上述のように、変動特性ΔＨｃｃについては、それぞれの着目点の特性に応じて予め適当な確率分布で定義されている。
【００３３】
影響算出部１２は、（式１）を用い、各着目点Ｃ１〜Ｃ５について、加振点コンプライアンスの変動ΔＨｃｃが性能評価点Ｂの応答（振動・騒音レベル）に与える影響ΔＨａｂを算出する。その算出結果は出力部１３により表示装置又は印刷装置に出力される。
【００３４】
図５及び図６は、算出結果の出力の一例を示している。図５は、ある着目点の加振点コンプライアンスが変動した場合の、性能評価点の振動・騒音レベルの変動を示している。横軸は周波数［Ｈｚ］であり、縦軸は振動・騒音のレベル［ｄＢ］である。振動・騒音のレベルは初期状態のレベルを平均値とする確率分布で表されており、確率の値に応じて色分けされた等高線表示となっている。また図６は、ある周波数における確率分布を示している。横軸は度数を規格化した値であり、縦軸は振動・騒音のレベル［リニア値］である。図５のグラフ上で周波数を１点選択すると、その選択された周波数における確率分布が図６のグラフに詳細表示される仕組みである。なお、各着目点Ｃ１〜Ｃ５のグラフは、切り替えて表示したり、並べて表示したりすることができる。
【００３５】
以上述べた本システムは、次のような利点を有する。
【００３６】
従来システムのようにバネ・マス・板のような限定された物理量でなく、伝達関数（加振点コンプライアンス）の変動特性ΔＨｃｃという形式を用いたことにより、当該着目点に生じ得る種々の誤差・外乱要因を包括的かつ直接的に表現することができる。そして、（式１）のように伝達関数の演算により評価点の応答への影響ΔＨａｂを算出することで、着目点の誤差・外乱等が構造体の振動・騒音性能に与える影響を簡単かつ精度良く予測することができる。しかも、着目点の特性に応じて変動特性ΔＨｃｃを異ならせることにより、振動・騒音性能への影響をより精度良く算出可能となる。
【００３７】
また、着目点に生じる誤差・外乱を確率分布で定義するとともに、評価点応答が受ける影響を確率分布で表したことにより、着目点にどの程度の誤差・外乱等が発生し得るか、またそれによる評価点応答への影響はどの程度か、というリスク評価が可能になる。
【００３８】
また、ユーザは、各着目点の出力結果を比較することで、振動・騒音性能に与える影響
の大きさ（つまり、誤差・外乱等の許容限）を客観的に比較でき、振動・騒音対策のための有益な情報を得ることができる。例えば、誤差・外乱等の許容限が小さい部位については、品質管理や公差を厳しくしたり、部品の形状や材料あるいは接触状態などを変更したり、といった対策をとることで、振動・騒音性能のばらつきを小さくすることが可能となる。
【００３９】
また、本システムは、伝達関数を基にした演算だけで各着目点の影響を予測できるため、数秒〜数分程度という短時間での結果出力が可能である、という利点もある。
【００４０】
なお、上記実施形態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。例えば、上記実施形態では伝達関数としてコンプライアンスを用いたが、イナータンスなど他の形式の伝達関数を用いてもよい。また、ΔＨｃｃやΔＨａｂを確率分布でなく、単純な値域で表現してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、伝達関数合成法の理論モデルを示す図である。
【図２】図２は、加振点イナータンスのばらつきの一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る振動解析システムの構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、構造体の一例を示す図である。
【図５】図５は、ある着目点の加振点コンプライアンスが変動した場合の、性能評価点の振動・騒音レベルの変動ΔＨａｂを示す図である。
【図６】図６は、ある周波数における確率分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  振動解析システム
１０  伝達関数行列取得部
１１  変動特性取得部
１２  影響算出部
１３  出力部
ａ、Ａ  入力点
ｂ、Ｂ  性能評価点
ｃ、Ｃ１〜Ｃ５  着目点
【図１】
0004844502.tif 000003
【図２】
0004844502.tif 000004
【図３】
0004844502.tif 000005
【図４】
0004844502.tif 000006
【図５】
0004844502.tif 000007
【図６】
0004844502.tif 000008