JP2012056393A - タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることが可能なタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムを提供することを目的とする。
【解決手段】タイヤモデル作成方法は、タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割するステップ１１２と、前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割するステップ１１４と、各要素に剛性特性等を定義するステップ１１６と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに係り、より詳しくは、有限要素法によりタイヤの性能を解析するためタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに関する。

従来、タイヤの諸性能を有限要素法等の数値解析により予測することによって試作コストを削減したり深い物理的理解を得る試みがなされており、計算時間を短縮でき且つ精度良くタイヤ性能を数値解析するためのタイヤモデルの作成方法に関して様々な技術が提案されている（例えば特許文献１等参照）。

特開平１１−１５３５２０号公報

しかしながら、上記従来技術では、タイヤの各部を全てソリッド要素で要素分割してタイヤモデルを作成してタイヤ性能をシミュレーションするため、解析時間が増加する、という問題があった。

例えば２ｋＨｚ程度の高い振動周波数の固有値計算を精度良く行うためには、要素分割を細かくする必要があるが、タイヤモデルを細分化するに従って、解析時間が二次曲線的に増加する。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることが可能なタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のタイヤモデル作成方法は、タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割するステップと、前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割するステップと、を含むことを特徴としている。

請求項２記載の発明のタイヤモデル作成装置は、タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割する第１の要素分割手段と、前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割する第２の要素分割手段と、を含むことを特徴としている。

請求項３記載の発明のタイヤモデル作成プログラムは、タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割するステップと、前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割するステップと、を含む処理をコンピュータに実行させるためのものである。

これらの発明によれば、インナーライナーを膜要素で要素分割するので、解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることが可能となる。

本発明によれば、解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることができる、という効果を有する。

タイヤの性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略図である。 コンピュータの概略ブロック図である。 タイヤ性能シミュレーションプログラムのフローチャートである。 タイヤモデル作成のフローチャートである。 タイヤの断面図である。 タイヤモデルの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には一例として空気入りタイヤのタイヤモデルの作成や性能予測を実施するためのタイヤ性能シミュレーション装置としてのパーソナルコンピュータの概略が示されている。このパーソナルコンピュータは、データ等を入力するためのキーボード１０、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの３次元モデルを作成したり性能を予測したりするコンピュータ１２、コンピュータ１２による演算結果や各種画面等を表示するディスプレイ１４、及びディスプレイ１４に表示されたカーソルを所望の位置に移動させたり、カーソル位置のメニュー項目やオブジェクト等を選択したり選択解除したりドラッグしたりする操作を行うためのマウス１６を含んで構成されている。

コンピュータ１２は、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続された構成となっている。

Ｉ／Ｏ１２Ｅには、キーボード１０、ディスプレイ１４、マウス１６、ハードディスク１８、及び記録媒体としてのＣＤ−ＲＯＭ２０が挿抜可能なＣＤ−ＲＯＭドライブ２１が接続されている。

ハードディスク１８には、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラムや、これらの実行に必要な各種パラメータやデータ等が記憶されている。ＣＰＵ１２Ａは、ハードディスク１８に記憶されたタイヤ性能シミュレーションプログラムを読み込んで実行する。

なお、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラム等は、例えばＣＤ−ＲＯＭドライブ２１を用いてＣＤ−ＲＯＭ２０に対して読み書き可能とすることもできるので、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラムは、予めＣＤ−ＲＯＭ２０に記録しておき、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２１を介してＣＤ−ＲＯＭ２０に記録されたタイヤ性能シミュレーションプログラムを読み込んで実行してもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭに限らず、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクがあり、これらを用いるときには、上記ＣＤ−ＲＯＭドライブ２１に代えて、またはさらにＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＤドライブ、ＭＯドライブ等を用いればよい。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ１２で実行されるタイヤ性能シミュレーションプログラムの処理ルーチンについて図３に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップ１００では、挙動解析の対象となるタイヤの設計案（タイヤ形状、構造、材料など）を定める。例えば、ハードディスク１８に、予め複数種類のタイヤのＣＡＤデータ（タイヤ形状、構造、材料等の設計データ）等の設計データを記憶しておき、挙動解析の対象となるタイヤの設計データを選択して読み込むことにより、挙動解析の対象となるタイヤを設定することができる。

なお、ステップ１００における設定はタイヤ設計案に限定されるものではなく、現存するタイヤを解析する場合を含む。すなわち、現存するタイヤそのものを対象のモデルとして設定してもよい。

次のステップ１０２では、タイヤ設計案を数値解析上のモデルに落とし込むためのタイヤのタイヤモデルを作成する。このタイヤモデルの作成は、用いる数値解析手法により若干異なる。本実施の形態では数値解析手法として有限要素法（ＦＥＭ）を用いるものとする。

従って、上記ステップ１０２で作成するタイヤモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、例えば、メッシュ分割によって複数の要素に分割され、タイヤを数値的・解析的手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。この要素分割とはタイヤ、及び路面（後述）等の対象物を小さな幾つかの（有限の）小部分、すなわち要素に分割することをいう。この要素ごとに計算を行い全ての要素について計算した後、全部の要素を足し合わせることにより全体の応答を得ることができる。

上記ステップ１０２のタイヤモデルの作成では、図４に示すタイヤモデル作成ルーチンが実行される。

図５には、一例として乗用車用タイヤのタイヤ断面の一例を示した。タイヤ２０は、タイヤの骨格となるカーカス２２を有している。このカーカス２２は、ビード２６により折り返されている。このカーカス２２の内側はインナーライナー２４とされ、インナーライナー２４に延長上にはビードゴム３６が配置している。

また、折り返されたカーカス２２により形成される略三角形状の領域はビードフィラー２８とされている。カーカス２２の上方には、ベルト３０が配置しており、このベルト３０の半径方向外側には溝が形成されたトレッドゴム３２が配置し、カーカス２２のタイヤの軸方向外側にはサイドゴム３４が配置している。なお、ベルト３０は、本実施形態では２枚のベルト３０Ａ、３０Ｂから構成されている。

このようなタイヤの性能解析をするためのタイヤモデルを作成するために、まずステップ１１２では、インナーライナー２４を膜要素で要素分割する。ここで、膜要素とは、面方向にのみ力が作用する要素である。また、膜要素は、例えば三角形や四辺形等で定義することができる。

インナーライナー２４は、剛性が比較的弱いため、曲げ剛性を有さない膜要素で要素分割しても、タイヤ性能のシミュレーション計算の精度に及ぼす影響は比較的小さい。また、膜要素であっても、質量と引っ張り剛性は保持すると共に、応力及び歪みを算出することは可能であり、タイヤ性能のシミュレーション結果の評価には有用である。このため、モデル化を省略することは好ましくない。

従って、本実施形態では、インナーライナー２４を膜要素で要素分割する。これにより、解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることができる。

ステップ１１４では、その他の部分、例えばカーカス２２、ビードフィラー２８、カーカス２２、ベルト３０、トレッドゴム３２、サイドゴム３４、ビードゴム３６等を要素分割する。例えば、ベルト３０やカーカス２２等の補強材を膜要素で定義し、その他のトレッドゴム３２等をソリッド要素で要素分割する。

ここで、ソリッド要素とは、厚みを有する立体で定義された要素であり、四面体や五面体、六面体等で定義することができる。

ステップ１１６では、要素分割した各要素に剛性特性等を定義して本ルーチンを終了する。

このようにして、タイヤ２０のタイヤモデルが作成される。図６には、作成されたタイヤモデルの断面図の一例を示した。

上記のようにして作成したタイヤ２０の有限要素モデル（解析モデル）を含むタイヤモデルを作成した後には、図３のステップ１０４へ進み、路面の設定すなわち路面モデルの作成と共に路面状態の入力がなされる。このステップ１０４では、路面をモデル化し、そのモデル化した路面を実際の路面状態に設定するために入力するものである。路面のモデル化は、路面形状を要素分割してモデル化し、路面の摩擦係数μを選択設定することで路面状態を入力する。例えば、路面状態により乾燥（ＤＲＹ）、濡れ（ＷＥＴ）、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面の摩擦係数μが存在するので、摩擦係数μについて適正な値を選択することで、実際の路面状態を再現させることができる。

なお、流体モデルを作成して、路面とタイヤモデルの間に設けても良い。流体モデルは、タイヤの一部（または全部）および接地面、タイヤが移動・変形する領域を含む流体領域を分割し、モデル化するものである。

このようにして、路面状態の入力がなされると、次のステップ１０６において、境界条件の設定がなされる。この境界条件とは、タイヤモデルに解析上すなわちタイヤの挙動をシミュレートする上で必要なものであり、タイヤモデルに付与する各種条件である。このステップ１０６の境界条件の設定では、まず、タイヤモデルには内圧を与える。次に、所望の計算条件に応じて、タイヤモデルに回転変位及び直進変位（変位は力、速度でも良い）、予め定めた負荷荷重等を与える。

次に、ステップ１０６までに作成されたり設定されたりした数値モデルをもとに、解析としてのタイヤモデルの変形計算を行う。すなわち、上記ステップ１０６で境界条件の設定が終了すると、ステップ１０８へ進み、タイヤモデルの変形計算を行う。このステップ１０８では、タイヤモデルおよび与えた境界条件より、有限要素法に基づいてタイヤモデルの変形計算を行う。この変形計算では、公知の転動解析手法を用いることができる。

次のステップ１１０では、上述の計算結果を出力する。この計算結果とは、タイヤ変形時の物理量を採用する。具体的には、サイドのたわみ量や接地形状、接地圧分布、タイヤ中心に作用する横力、モーメント、タイヤの上下方向の偏心固有値等である。

なお、計算結果の出力は、タイヤの接地部の形状や接地圧の分布、タイヤ中心に作用する力等の値または分布を可視化することを採用してもよい。これらは計算結果の値や変化量または変化率、力の向き（ベクトル）そして分布から導出することができ、それらをタイヤモデル周辺やパターン周辺と共に線図等で表せば、把握しやすく提示可能な可視化をすることができる。

このように、本実施形態では、インナーライナー２４を膜要素で要素分割する。これにより、解析時間を短縮しつつ、タイヤ性能を精度良くシミュレーションすることができる。

（実施例）

次に、本発明の実施例について説明する。以下の表１には、タイヤの上下方向の偏心固有値の計算を従来方法、すなわちインナーライナーをソリッド要素でモデル化したタイヤモデルで行った場合と、本発明の方法、すなわちインナーライナーを膜要素でモデル化したタイヤモデルで行った場合と、における解析時間及び振動周波数のシミュレーション結果を示した。なお、表中の数値は、従来方法の結果を１００として正規化している。

上記表１に示すように、本発明のようにインナーライナーを膜要素でモデル化したタイヤモデルでシミュレーションした場合、従来方法と比較して解析時間を短縮できることが判った。

１０ キーボード
１２ コンピュータ
１４ ディスプレイ
１６ マウス
１８ ハードディスク
２０ タイヤ
２１ ＣＤ−ＲＯＭドライブ
２２ カーカス
２４ インナーライナー
２６ ビード
２８ ビードフィラー
３０ ベルト
３２ トレッドゴム
３４ サイドゴム
３６ ビードゴム

Claims (3)

1. タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割するステップと、
   前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割するステップと、
   を含むタイヤモデル作成方法。
2. タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割する第１の要素分割手段と、
   前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割する第２の要素分割手段と、
   を含むタイヤモデル作成装置。
3. タイヤを構成するインナーライナー及び補強材を膜要素で要素分割するステップと、
   前記インナーライナー及び前記補強材以外の前記タイヤの構成部材をソリッド要素で要素分割するステップと、
   を含む処理をコンピュータに実行させるためのタイヤモデル作成プログラム。