(57)【要約】【課題】車体の形状モデルの各要素毎に作用する力を、車体の全体形状を考慮して評価し、修正の必要な部位を精度良く確実に解析者に提示して、修正作業等の効率化を図る。【解決手段】車体の形状モデルを読み込み（Ｓ１０１）、車体の形状モデルの表面を要素化して形状モデルＢを生成し、この形状モデルＢを計算空間Ａ内に配設して解析モデルＣを設定する（Ｓ１０２）。解析モデルＣにおける境界条件等の解析条件が入力され（Ｓ１０３）、解析モデルＣを用い、要素化した車体の形状モデルＢの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算する（Ｓ１０４）。そして、各要素の単位面積あたりのヨーイングモーメントＭziを演算し（Ｓ１０５）、この要素化した車体の形状モデルＢにおける各要素のヨーイングモーメントＭziを分布表示する（Ｓ１０６）。【選択図】図２
2007310513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の形状モデルを要素化する要素化手段と、
少なくとも風向きの方向と風の流速とを含む境界条件の下で上記要素化した車体の形状モデルを配設して解析モデルを生成する解析モデル設定手段と、
上記要素化した車体の形状モデルの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算し、各要素の単位面積あたりの力と予め選択する車体の重心軸からの距離とに基づいて各要素に作用するモーメントを演算するモーメント演算手段と、
を備えたことを特徴とする空力特性の解析装置。
【請求項２】
上記モーメント演算手段で演算した各要素に作用するモーメントを描画する表示手段を有することを特徴とする請求項１記載の空力特性の解析装置。
【請求項３】
上記モーメント演算手段で演算した各要素に作用するモーメントの結果に基づいて車体形状の変更を行う形状修正手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空力特性の解析装置。
【請求項４】
上記演算されるモーメントは、車体のヨーイングモーメントとローリングモーメントとピッチングモーメントの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の空力特性の解析装置。
【請求項５】
車体の形状モデルを要素化する要素化ステップと、
少なくとも風向きの方向と風の流速とを含む境界条件の下で上記要素化した車体の形状モデルを配設して解析モデルを生成する解析モデル設定ステップと、
上記要素化した車体の形状モデルの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算し、各要素の単位面積あたりの力と予め選択する車体の重心軸からの距離とに基づいて各要素に作用するモーメントを演算するモーメント演算ステップと、
を備えたことを特徴とする空力特性の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数値流体力学における境界適合座標法（Boundary Fitted Coordinate：ＢＦＣ）により、解析対象とする計算空間内にメッシュを形成し、該計算空間内の流れの中にメッシュ化して要素化した車体の形状モデルを配設して解析モデルを形成し、解析を行う空力特性の解析装置、及び、その解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両においては、流体解析により車体形状によって変化する様々な空力特性（例えば、Ｃｄ（Drag Coefficient）値、ＣL（Lift Coefficient）値）を評価し、空力特性が悪い場合には、車体形状を修正し、改めて、流体解析を実施して予測評価する手順を繰り返して、車体形状を最適化することが行われている。
【０００３】
例えば、特開２００３−１７８０９９号公報には、設計領域内のメッシュの各計算セルの流れ解析を行い、力の空間微分値を演算し、力の空間微分値が、平均値に等しい物体表面の形状は変化させないようにする一方、力の空間微分値が、平均値より大きい物体表面は物体表面に垂直方向に凹ませ、平均値より小さい物体表面は物体表面に垂直方向に突出するようにメッシュを移動させて、物体表面メッシュの修正を行う技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１７８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１に開示されるような従来の空力特性の解析では、車体の形状モデルの各要素毎に作用する圧力や抗力を評価して改善することが可能であるが、車体全体としてみた場合に、その各要素毎に作用する圧力や抗力がどのように影響するかを評価することができず、効率の良い修正を行えない（修正の繰り返し回数が増加する）という問題がある。具体的には、たとえ、ある要素に作用する圧力や抗力が大きいとしても、それが車体の重心軸からの距離が小さければ、モーメントが小さくなり、修正の必要が無い場合がある。逆に、ある要素に作用する圧力や抗力が小さいとしても、それが車体の重心軸からの距離が長ければ、モーメントが大きくなり、修正の必要が生じる場合がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車体の形状モデルの各要素毎に作用する圧力や抗力を、車体の全体形状を考慮して評価し、修正の必要な部位を精度良く確実に解析者に提示して、効率の良い修正作業を行うことを可能とする空力特性の解析装置、及び、その解析方法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】
【０００６】
本発明は、車体の形状モデルを要素化する要素化手段と、少なくとも風向きの方向と風の流速とを含む境界条件の下で上記要素化した車体の形状モデルを配設して解析モデルを生成する解析モデル設定手段と、上記要素化した車体の形状モデルの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算し、各要素の単位面積あたりの力と予め選択する車体の重心軸からの距離とに基づいて各要素に作用するモーメントを演算するモーメント演算手段とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による空力特性の解析装置、及び、その解析方法によれば、車体の形状モデルの各要素毎に作用する圧力や抗力を、車体の全体形状を考慮して評価し、修正の必要な部位を精度良く確実に解析者に提示して、効率の良い修正作業を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。  
図１〜図６は本発明の実施の第１形態を示し、図１は流体解析装置の機能ブロック図、図２は流体解析プログラムのフローチャート、図３は解析モデルの概念を説明する斜視図、図４は図３のＶＩ部拡大図、図５は要素ｉに作用する力Ｆｉと車体の重心軸（Ｚ軸）からの距離Ｌｉの説明図、図６は解析結果の表示の一例を示す説明図である。
【０００９】
図１において、符号１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ及びＣＰＵを有するコンピュータで構成された流体解析装置を示し、この流体解析装置１には、入力側にキーボード、マウス等を含む入力装置２が接続され、出力側にモニタ等の表示装置３が接続されている。
【００１０】
流体解析装置１は、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、メモリ部１３、及び、表示処理部１４を備えて主要に構成されており、各処理部１１，１２，１４の機能を実現するためのプログラムをメモリ部１３にロードして実行することにより解析処理が実行される。
【００１１】
解析モデル設定処理部１１は、図３に示すように、解析者により任意に設定される境界条件の下で、予め空力解析用のメッシュソフトを用いて生成した直方体状の流れ場を有する計算空間Ａと、メッシュソフトを用いて要素化した解析対象とする車体の形状モデルＢとにより解析モデルＣを設定するものであり、要素化手段、及び、解析モデル設定手段として設けられている。
【００１２】
計算空間Ａは、図３、及び、図４に示すように、床面境界層１０１、天上境界層１０２、前面境界層１０３、後面境界層１０４、左側面境界層１０５Ｌ、右側面境界層１０５Ｒの６面で区画された直方体状の流れ場を有し、計算格子（例えば、境界適合格子(BFC)）で構成される（図４参照）。尚、図４には、便宜的に境界面のみの計算格子（計算メッシュ）が示されている。また、この計算メッシュは、図４に示すような、各セルが三角形形状のメッシュに限定するものではなく、他の形状、例えば、各セルが四角形形状のメッシュであっても良い。
【００１３】
要素化した車体の形状モデルＢの基となる形状モデルは、設計者自身が作成し、或いは予め作成されているＣＡＤデータ等であり、入力装置２を介して入力され、或いは、図示しないＬＡＮ等の通信手段を介して読込まれ、メモリ部１３に記憶される。そして、この記憶された形状モデルのデータを基に、表面をメッシュソフトにより、四角形形状や三角形形状のメッシュの各要素に要素化して形状モデルＢが生成される。
【００１４】
また、解析モデル設定処理部１１において、解析者により解析モデルＣに対して設定される境界条件は、図３に示すように、少なくとも、計算空間Ａに対する風の入口と出口、風の速度、風向きであり、風向きに関しては、計算空間Ａに配設する要素化した車体の形状モデルＢの置き方により設定するようにしても良い。ここで、車体の形状モデルＢの置き方は、車体の重心点位置を原点Ｏとし、車体の前後方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とした車体基準の座標系の置き方で設定することができる。そして、例えば、図５に示すように、車体に対する相対的な風向きθは、解析者により、５°、１０°、１５°・・・と任意に選択して解析できるようになっている。
【００１５】
モデル解析処理部１２は、解析モデル設定処理部１１で設定された解析モデルＣを用い、入力された境界条件等の解析条件に従って、要素化した車体の形状モデルＢの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算し、各要素の単位面積あたりの力と予め選択する車体の重心軸からの距離とに基づいて各要素に作用するモーメントを演算する。ここで、本実施の第１形態では、図５に示すように、空力計算により得られる要素ｉに作用する力をＦｉ（ベクトル値）とし、この要素ｉの面積をＡｉとし、重心軸（Ｚ軸）からの距離をＬｉとすると、モーメント（ヨーイングモーメント）Ｍziは、以下の（１）式により演算される。すなわち、モデル解析処理部１２は、モーメント演算手段として設けられている。  
Ｍzi＝Ｌｉ・（Ｆｉ／Ａｉ）            …（１）
【００１６】
尚、本実施の第１形態では、ヨーイングモーメントＭziを求めることを例に説明するが、距離の基準とする重心軸をＸ軸とすればローリングモーメントが演算でき、Ｙ軸とすればピッチングモーメントが演算できる。
【００１７】
メモリ部１３は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の読み書き自在な不揮発性記録媒体で構成されており、解析モデル設定処理部１１及びモデル解析処理部１２における処理内容等を記憶する。
【００１８】
表示処理部１４は、解析処理を実行している際の制御画像や作業画像等の表示画像を表示装置３へ出力する。尚、制御画像には、解析モデル設定処理部１１で実行可能な設定機能のメニュー表示部と、モデル解析処理部１２で実行可能な解析機能のメニュー表示部（何れも図示せず）とが含まれる。作業画像には、各メニュー表示部において選択された内容の条件設定画像を作成して表示する。
【００１９】
また、表示処理部１４は、モデル解析処理部１２で実行した流体解析により取得した要素化した車体の形状モデルＢにおける各要素のヨーイングモーメントＭziを、ポスト処理を行って、例えば、図６に示すように、分布表示する。すなわち、表示処理部１４、及び、表示装置３により、表示手段が構成されている。
【００２０】
尚、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、表示処理部１４は、コンピュータによって処理される必要はなく、それぞれ専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
【００２１】
次に、流体解析装置１で実行される流体解析プログラムを、図２に示すフローチャートで説明する。  
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１では、メモリ部１３から、解析対象物、すなわち、設計者自身が作成し、或いは、予め作成されているＣＡＤデータとして記憶されていた車体の形状モデルを読み込む。
【００２２】
次に、Ｓ１０２に進み、Ｓ１０１で読み込んだ車体の形状モデルの表面を、メッシュソフトにより、四角形形状や三角形形状のメッシュの各要素に要素化して形状モデルＢを生成する。そして、この形状モデルＢを、解析者により選択される計算空間Ａ内に配設することにより、解析モデルＣを設定する。
【００２３】
次いで、Ｓ１０３に進み、解析者により、計算空間Ａに対する風の入口と出口、風の速度、風向き等の境界条件、及び、車体の形状モデルＢの角度条件（計算空間Ａに対する車体基準の座標系）が入力される。
【００２４】
次に、Ｓ１０４に進み、モデル解析処理部１２は、解析モデルＣを用い、Ｓ１０３で入力された境界条件等の解析条件に従って、要素化した車体の形状モデルＢの表面における空力計算を行って、各要素に作用する力を計算する。
【００２５】
次いで、Ｓ１０５に進み、モデル解析処理部１２は、前述の（１）式により、各要素ｉの単位面積あたりのヨーイングモーメントＭziを演算する。
【００２６】
そして、Ｓ１０６に進み、表示処理部１４は、Ｓ１０５により取得した要素化した車体の形状モデルＢにおける各要素のヨーイングモーメントＭziを、ポスト処理を行って、例えば、図６に示すように、分布表示して、プログラムを終える。
【００２７】
このように、本発明の実施の第１形態によれば、要素化した車体の形状モデルＢにおける各要素のヨーイングモーメントＭziを分布表示するようになっているので、単に、その要素に作用する力の大小だけではなく、車体の全体形状を考慮した評価が可能となり、修正の必要な部位を精度良く確実に解析者に提示することができる。そして、解析者は、この評価を基に、効率良く、車体形状の変更や、分析を行うことが可能となる。
【００２８】
例えば、図６に示すように、風向きが右前方から車体に向かってくる場合、この風により、最も抗力が大きくなる部分は車体の前面となるが、この抗力とＺ軸からの距離とを乗算して得られるヨーイングモーメントは小さな値となるため、車体全体としてみれば、そのヨーイングモーメントに及ぼす影響が小さくなる。これに対し、車体の左側側面では、左側側面を左側に移動させようとする力が作用しており、この力は小さいものの、Ｚ軸からの距離が長くなっているため、車体全体としてみれば、そのヨーイングモーメントに及ぼす影響が大きくなっている。
【００２９】
こうして、車体の全体形状を考慮したヨーイングモーメントの評価結果を、視覚的に解析者に提示することにより、解析者による、その後の車体形状の変更や分析（例えば、旋回時における風の影響や、車両がトンネルを出た際に受ける風が車両に及ぼす影響等の分析）を容易にできるようにするのである。
【００３０】
次に、図７は本発明の実施の第２形態による、流体解析プログラムのフローチャートである。尚、本実施の第２形態は、演算された各要素ｉの単位面積あたりのヨーイングモーメントＭziを用いて設計変更を行えるようにしたことが、前記第１形態と異なり、他の構成、作用は前記第１形態と同様である。
【００３１】
すなわち、図７のフローチャートにおいて、Ｓ１０５で、モデル解析処理部１２が、前述の（１）式により、各要素ｉの単位面積あたりのヨーイングモーメントＭziを演算した後は、Ｓ２０１に進み、各要素ｉの単位面積あたりのヨーイングモーメントＭziの積分評価値ＳＭ（全てのＭziの合計値）を演算する。
【００３２】
そして、Ｓ２０２に進み、積分評価値ＳＭと予め設定しておいた閾値ＣＭ（Ｓ１０３で任意に解析者が設定するものであっても良い）とを比較して、ＳＭ≦ＣＭであれば、車体形状は風の影響を受けにくい適切な形状であると判定して、Ｓ２０３に進み、その結果（適正な形状であるとの結果）を表示し、プログラムを終える。
【００３３】
逆に、ＳＭ＞ＣＭであれば、車体形状は風の影響を受けやすく、改善の余地のある形状であると判定して、Ｓ２０４に進み、形状修正モードに移行し、解析者による表示装置３を見ながらの入力装置２からの入力により、車体の形状モデルＢを修正させる。そして、Ｓ１０２からの処理を再び繰り返し、解析処理を行う。
【００３４】
すなわち、本実施の第２形態では、Ｓ２０１〜Ｓ２０４が形状修正手段により実行される処理となっている。
【００３５】
このように、本実施の第２形態によれば、要素化した車体の形状モデルＢにおける各要素のヨーイングモーメントＭziを基に、車体全体形状を考慮した形状の変更が容易に行える。
【００３６】
尚、上述の第１、第２形態では、ヨーイングモーメントＭziを例に説明しているが、ローリングモーメント、ピッチングモーメントについても、その基準とする重心軸を変更して解析できることは云うまでもない。そして、これらヨーイングモーメント、ローリングモーメント、ピッチングモーメントの全てについて解析し、車体形状の適正化を行うことにより、外乱の影響に対して適切な解析が行える。
【００３７】
また、上述の第１、第２形態では、解析により得られたヨーイングモーメントＭziを表示、或いは、形状変更に応用した例を説明しているが、解析プログラムを車載して、センサのように用いることもできる。例えば、インフラストラクチュア（Infrastructure）から得られる風の強さ、向きの情報と自車速とからヨーイングモーメントＭziを推定し、ナビゲーション装置による地図上のトンネル出口での車両挙動を予測して、予めサスペンションの硬さを可変する等の制御に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の第１形態による、流体解析装置の機能ブロック図
【図２】同上、流体解析プログラムのフローチャート
【図３】同上、解析モデルの概念を説明する斜視図
【図４】同上、図３のＶＩ部拡大図
【図５】同上、要素ｉに作用する力Ｆｉと車体の重心軸（Ｚ軸）からの距離Ｌｉの説明図
【図６】同上、解析結果の表示の一例を示す説明図
【図７】本発明の実施の第２形態による、流体解析プログラムのフローチャート
【符号の説明】
【００３９】
１    流体解析装置
２    入力装置
３    表示装置（表示手段）
１１    解析モデル設定処理部（要素化手段、解析モデル設定手段）
１２    モデル解析処理部（モーメント演算手段）
１３    メモリ部
１４    表示処理部（表示手段）
【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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【図６】
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【図７】
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