(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルであって、接地面に形成された溝と、前記溝を形成する溝壁面に包囲される溝空間に配置される溝空間要素と、を有する構造計算モデルであるタイヤ有限要素法モデルを記憶する記憶部と、
所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、前記タイヤ有限要素法モデルを転動させ、路面との接触に起因する前記タイヤ有限要素法モデルの変形を数値演算により算出する構造計算部と、
前記溝壁面を含むタイヤ外表面を構成する全節点と、前記溝空間要素を構成する全節点のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群の変位に関する時系列データを前記タイヤ有限要素法モデルの変形演算結果から取得する時系列データ取得部と、
前記溝壁面を含むタイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、前記時系列データにおける節点群を制御点として前記流体解析モデルの計算格子の位置を変更して前記計算格子を変形するメッシュモーフィングを行いつつ前記計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行する流体計算部と、
を備える、タイヤ周囲の流体解析装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
シミュレーションにおいて、流体が定義される流体領域は、タイヤモデルの接地形状に応じて設定する必要がある。このため、構造計算によりタイヤ変形及び回転によるモデルの節点の変位に関する時系列データを取得し、この時系列データを流体解析モデルの計算格子の変形に用いて流体解析演算を実行している。
【0005】
具体的には、溝をトレッドに有するタイヤ有限要素法モデルを転動させ、路面との接触に起因するモデルの変形を算出する構造計算を行う。構造計算の算出結果から、溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点の座標を単位時間毎に抽出する。各々の単位時間における節点の座標から節点の変位に関する時系列データを算出する。タイヤ外表面を構成する節点の変位には、タイヤの回転による変位及び溝変形による変位の両方が含まれる。次に、タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、時系列データの節点を制御点として計算格子の位置を変更するモーフィング処理を行いつつ計算格子毎の流体の物理量を演算する流体解析演算を実行する。
【0006】
しかしながら、上記のようにタイヤ外表面の節点のみを流体解析時のモーフィング処理の制御点にしている処理において、溝が複雑な変形をした場合には、モーフィング処理における空間補間場が良好に生成できず、計算格子の品質が悪化して、流体計算の精度が悪化すること又は流体計算が成立せずに計算が破綻してしまう場合がある。
【0007】
上記特許文献には、溝変形に起因して、流体解析の計算格子の品質が低下すること、流体解析が破綻することなどについては記載がない。
【0008】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、どのような溝変形に対しても、流体解析モデルの計算格子の品質低下を抑制して、精度悪化及び計算破綻を抑制するタイヤ周囲の流体解析方法、流体解析装置、及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような手段を講じている。
【0010】
すなわち、本発明のタイヤ周囲の流体解析方法は、コンピュータが実行する方法であって、タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルであって、接地面に形成された溝と、前記溝を形成する溝壁面に包囲される溝空間に配置される溝空間要素と、を有するタイヤ有限要素法モデルを記憶部に記憶するステップと、所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、前記タイヤ有限要素法モデルを転動させ、路面との接触に起因するモデルの変形を数値演算により算出するステップと、溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点と、前記溝空間要素を構成する全節点のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群の変位に関する時系列データを前記モデルの変形演算結果から取得するステップと、タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、前記時系列データにおける節点群を制御点として計算格子の位置を変更しつつ計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行するステップと、
を含む。
【0011】
このようにすれば、計算格子の位置を変更するメッシュモーフィング処理の制御点として、タイヤ外表面を構成する全節点だけではなく、溝空間要素の節点も制御点として利用されるので、溝壁の節点だけでは計算格子の品質が悪化してしまうような複雑な溝変形であっても、制御点が増えることで空間補間場を良好に生成でき、メッシュモーフィング処理による計算格子の品質悪化を防止できる。よって、流体解析の品質悪化及び計算破綻を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【0014】
[タイヤ周囲の流体解析装置]
本実施形態に係る流体解析装置1は、タイヤ周囲の流体の挙動をシミュレーションする装置である。具体的に、
図1に示すように、流体解析装置1は、記憶部11と、構造計算部12と、時系列データ取得部13と、流体計算部14と、を有する。流体解析装置1は、更に、モデル生成部10を有してもよい。これら各部11〜14は、CPU、メモリ、各種インターフェイス等を備えたパソコン等の情報処理装置においてCPUが予め記憶されている
図8の処理ルーチンを実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。
【0015】
図1に示す記憶部11は、接地転動解析に用いる溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2を記憶する。溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2は、
図2Bに示すように、タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルM2であって、接地面に形成された溝20と、溝20を形成する溝壁面に包囲される溝空間に配置される溝空間要素30と、を有する。溝空間要素30は、溝20の溝壁面に結合して、転動により剥離しないように設定してある。溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2は、
図2Aに示すトレッドパターン(溝20)を有するタイヤ有限要素法モデルM1に、溝空間要素30を設けたモデルである。溝20は、タイヤ周方向に延びる主溝、タイヤ周方向に交差する横溝など複数存在する場合が多い。
図2Bに示す例では、全ての溝に溝空間要素30を設定しているが、全ての溝に設定しなくてもよく、所望の一部の溝のみに溝空間要素30を設定すればよい。例えば、周方向に交差する横溝であって溝幅が一定以下である溝(スリット、サイプ)のみに溝空間要素30を設定することが挙げられる。
【0016】
図3の上部は、タイヤ有限要素法モデルM1の溝断面を示す模式図である。溝20を形成する溝壁面21が複数の節点P1(図中では丸で示す)で表されている。なお、
図3では、タイヤ外表面を構成する節点P1のうち、溝壁面を構成する節点のみを図示している。
図3の下部は、溝空間要素付きのタイヤ有限要素法モデルM2の溝断面を示す模式図である。溝空間要素30が複数の節点P2(図中では三角で示す)で表されている。溝壁面21においては、タイヤ外表面(溝壁面21)を構成する節点P1と共に、溝空間要素30を構成する節点P2が設定されている。
【0017】
本実施形態では、モデル生成部10を設けている。
図2Aに示す一般的なタイヤ有限要素法モデルM1を生成又は外部から取得し、その後、モデル生成部10が、タイヤ有限要素法モデルM1の所定の溝に溝空間要素30を挿入することで溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2を生成する。なお、本実施形態では、モデル生成部10を設けているが、溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2が得られれば、モデル生成部10は省略可能である。
【0018】
溝空間要素30の物性は任意に設定可能であるが、次のように設定するのが好ましい。溝空間要素30のヤング率は、接地面を形成する要素に設定されるヤング率の1/1000以上且つ1/10000以下に設定されると共に、溝空間要素30のポアソン比が0±0.01に設定されている。ヤング率が小さければ溝空間要素が溝の変形を阻害しないので、タイヤの接地及び転動解析に与える影響を低減又は無くすることが可能となる。ヤング率が或る程度小さくなれば、溝変形を阻害しない効果が頭打ちとなる。接地面を形成するトレッド部の要素に対して1/1000以下とすれば、精度に与える影響を無視できる。また、溝空間要素のポアソン比を0±0.01としているのは、ポアソン比が0であれば、溝の変形に伴って単純に体積変化するので、ポアソン比0が一番好ましい。得られる歪みのレベルを考慮すれば、誤差±0.01程度であれば、精度に影響を与えないと考えられる。
【0019】
図1に示す構造計算部12は、予め定められた所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、記憶部11に記憶される溝空間要素付きタイヤ有限要素法モデルM2を
図4上部に示すように転動させ、路面との接触に起因するモデルM2の変形を数値演算により算出する。具体的には、タイヤモデルM2をリム組みして、内圧を付与し、路面に押しつけて回転させる。
図4下部は溝空間要素30のみを表示した図である。モデルM2の変形には、溝壁を含むタイヤ外表面だけでなく、溝空間要素30の変形も含まれる。この転動解析によって、路面との接触により生じる接地圧力が算出され、その圧力値によるタイヤ(溝20及び溝空間要素30)の変形が時間軸に沿って算出される。この転動解析は、周知なので詳細な説明を省略する。
【0020】
図1に示す時系列データ取得部13は、流体解析演算で用いる流体解析モデルを変形するための時系列データをモデルM2の変形演算結果から取得する。データは、溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点P1と、溝空間要素30を構成する全節点P2のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群の変位に関するデータであり、シミュレーション上の単位時間の経過による各節点の変位に関するデータである。タイヤ外表面を構成する全節点P1の変位には、タイヤ側面、タイヤ接地面、及び溝壁面を含むタイヤ全ての外表面の接地による変形と、回転による位置の移動と、が含まれる。いいかえれば、時系列データは、溝20を含むタイヤ表面がどのように動いていくかを表すデータである。本実施形態では、溝空間要素30を構成する全節点P2(溝空間要素30の表面節点及び内部節点)の変位に関するデータを取得している。勿論、溝空間要素30を構成する全節点P2のうち少なくとも一部の節点の変位情報を取得対象とすれば、節点数が増えるので効果がある。
【0021】
本実施形態では、時系列データ取得部13は、節点座標取得部13aと、変位ベクトル算出部13bと、を有する。節点座標取得部13aは、モデルM2の変形演算結果から、前記節点群の座標を単位時間毎に取得する。変位ベクトル算出部13bは、座標履歴を抽出した全節点について、単位時間前後の座標に基づき変位ベクトルを単位時間毎に算出する。変位ベクトルは、次の式(1)で表される。
【数1】
ここで、Vはベクトルを示し、tは単位時間を表すタイムステップ番号であり、coodは座標を示し、x、y、zはそれぞれ方向成分を示す。
なお、本実施形態では、節点の変位に関する時系列データが上記の変位ベクトルであるとしているが、変位に関するデータであれば、これに限定されず、表現方法は種々変更可能である。
【0022】
図1に示す流体計算部14は、流体解析モデルと前記時系列データを用いて流体解析演算を実行する。具体的には、流体計算部14は、流体解析モデルを用い、前記時系列データにおける節点群を制御点として計算格子の位置を変更しつつ計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行する。言い換えれば、溝とタイヤ表面がどのように動いていくかを表す時系列データを用いて、流体の挙動を計算するための計算格子を変形させながら計算を実行し、流体の物理量を算出する。
図5及び
図6に示すように、タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用いる。流体解析モデルのタイヤ表面形状は、構造計算モデルであるタイヤ有限要素法モデルM1又はM2に基づいて作成する。本実施形態では、計算手法としては重合格子法を用いているが、それ以外の方法を採用してもよい。計算格子の変形、すなわちメッシュモーフィングは、
図7にて模式的に説明するように、計算格子P3の変形を制御するための制御点P4を設け、制御点P4が形成する補間場(図中にて点線で囲まれた領域)が計算格子P3を囲むように配置し、制御点P4の変位をもって補間場にある計算格子P3を比例計算によって変形させる。
【0023】
本発明の効果について説明する。
図9は、変形前の流体解析モデルにおける溝空間の計算格子を示す図である。
図10は、溝空間要素30を使用しない例であり、溝壁面を含むタイヤ外表面を構成する全節点の変位ベクトルを用いて、流体モデルを変形した例である。壁面同士が隣接する箇所で計算格子が潰れ、計算格子の品質が悪化していることが見て理解できる。
図11は、溝空間要素30を使用した例であり、溝壁面を含むタイヤ外表面を構成する全節点だけでなく、溝空間要素30の全節点を含む要素群の変位ベクトルを用いて、流体モデルを変形した例である。制御点が増えたこと、溝空間要素30の特性の双方により、計算格子の品質が保たれていることが見て理解できる。
【0024】
[流体解析方法]
上記装置1を用いたタイヤ周囲の流体解析方法を、
図8を用いて説明する。
【0025】
まず、ステップS100において、記憶部11は、タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルM2であって、接地面に形成された溝20と、溝20を形成する溝壁面に包囲される溝空間に配置される溝空間要素30と、を有するタイヤ有限要素法モデルM2を記憶する。
【0026】
次のステップS101において、構造計算部12は、所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、タイヤ有限要素法モデルM2を転動させ、路面との接触に起因するモデルの変形を数値演算により算出する。
【0027】
次のステップS102において、時系列データ取得部13は、溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点P1と、溝空間要素30を構成する全節点P2のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群(P1、P2)の変位に関する時系列データをモデルの変形演算結果から取得する。
【0028】
次のステップS103において、流体計算部14は、タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、時系列データにおける節点群(P1、P2)を制御点として計算格子の位置を変更しつつ計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行する。
【0029】
以上のように、本実施形態のタイヤ周囲の流体解析方法は、
コンピュータが実行する方法であって、
タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルM2であって、接地面に形成された溝20と、溝20を形成する溝壁面21に包囲される溝空間に配置される溝空間要素30と、を有するタイヤ有限要素法モデルM2を記憶部11に記憶するステップ(ST100)と、
所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、タイヤ有限要素法モデルM2を転動させ、路面との接触に起因するモデルの変形を数値演算により算出するステップ(ST101)と、
溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点P1と、溝空間要素30を構成する全節点P2のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群(P1,P2)の変位に関する時系列データをモデルの変形演算結果から取得するステップ(ST102)と、
タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、時系列データにおける節点群(P1,P2)を制御点として計算格子の位置を変更しつつ計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行するステップ(ST203)と、を含む。
【0030】
本実施形態のタイヤ周囲の流体解析装置1は、
タイヤを複数の要素及び節点で表現したタイヤ有限要素法モデルM2であって、接地面に形成された溝20と、溝20を形成する溝壁面21に包囲される溝空間に配置される溝空間要素30と、を有するタイヤ有限要素法モデルM2を記憶する記憶部11と、
所定荷重、所定内圧及び所定回転速度を含む解析条件のもとで、タイヤ有限要素法モデルM2を転動させ、路面との接触に起因するモデルの変形を数値演算により算出する構造計算部12と、
溝を含むタイヤ外表面を構成する全節点P1と、溝空間要素30を構成する全節点P2のうちの少なくとも一部の節点と、を含む節点群(P1,P2)の変位に関する時系列データをモデルの変形演算結果から取得する時系列データ取得部13と、
タイヤ外表面と路面とを含むタイヤ周囲空間を複数の計算格子で表した流体解析モデルを用い、時系列データにおける節点群(P1,P2)を制御点として計算格子の位置を変更しつつ計算格子毎に流体の物理量を演算する流体解析演算を実行する流体計算部14と、を備える。
【0031】
このようにすれば、計算格子の位置を変更するメッシュモーフィング処理の制御点として、タイヤ外表面を構成する全節点P1だけではなく、溝空間要素30の節点P2も制御点として利用されるので、溝壁の節点P1だけでは計算格子の品質が悪化してしまうような複雑な溝変形であっても、制御点が増えることで空間補間場を良好に生成でき、メッシュモーフィング処理による計算格子の品質悪化を防止できる。よって、流体解析の品質悪化及び計算破綻を抑制することが可能となる。
【0032】
本実施形態では、節点群には、溝空間要素30を構成する全節点P2が含まれる。
【0033】
このようにすれば、溝空間に存在する全ての節点P2が制御点として用いられるので、制御点が増えることで空間補間場をより良好に生成でき、メッシュモーフィング処理による計算格子の品質悪化を防止できる。よって、流体解析の品質悪化及び計算破綻をより抑制することが可能となる。
【0034】
本実施形態では、溝空間要素30のヤング率は、接地面を形成する要素に設定されるヤング率の1/1000以上且つ1/10000以下に設定されると共に、溝空間要素30のポアソン比が0±0.01に設定されている。
【0035】
このように、溝空間要素30が設定されれば、路面との接触により溝が複雑に変形したとしても、溝変形を阻害せず且つ溝変形に追従して溝空間要素30を変形させることができ、タイヤの変形を精度よく算出できる。
【0036】
本実施形態に係るプログラムは、上記方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
これらプログラムを実行することによっても、上記方法の奏する作用効果を得ることが可能となる。
【0037】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【0038】
上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。