JP2013044718A - シミュレーション方法及びシミュレーション装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プライやベルト等のタイヤの骨格部材又は補強部材部分の層が多い場合であっても、有限要素法(FEM)等の数値解析手法を用いたタイヤの挙動の解析を短時間で高精度に実施する。
【解決手段】本発明に係るシミュレーション方法は、タイヤモデルを生成する際に、タイヤ1の骨格部材又は補強部材を膜要素又はシェル要素として定義する工程Aを有し、工程Aは、複数の骨格部材又は補強部材が重なり合う領域において、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材を1層の膜要素又はシェル要素として定義する工程A1と、1層の膜要素又はシェル要素に対して多重定義を行う工程A2とを有する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係るシミュレーション方法は、タイヤモデルを生成する際に、タイヤ1の骨格部材又は補強部材を膜要素又はシェル要素として定義する工程Aを有し、工程Aは、複数の骨格部材又は補強部材が重なり合う領域において、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材を1層の膜要素又はシェル要素として定義する工程A1と、1層の膜要素又はシェル要素に対して多重定義を行う工程A2とを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、シミュレーション方法及びシミュレーション装置に関する。
従来は、実際に設計・製造したタイヤを計測することや、実際に設計・製造したタイヤを自動車に装着して得た性能試験結果を用いること等を行い、タイヤの挙動についての解析を行っていた。
しかしながら、近年は、計算機(コンピュータ装置)環境の発達に伴って、計算機上でのシミュレーションによって、タイヤの挙動についての解析を実現できるようになってきている。
シミュレーションによってタイヤ挙動を解析する方法としては、主に、有限要素法(FEM:Fenite Element Method)等の数値解析手法が知られている。
FEMは、コンピュータ装置上で、対象構造体を有限個の要素に分割することによって生成されるモデルを用いて対象構造体の挙動を解析する手法であり、対象構造体を有限個の要素に分割すること(すなわち、対象構造体に対してメッシュ分割又は要素分割を行うこと)が必要である。
予測精度の高いタイヤの挙動をシミュレーションするためには、タイヤを有限個の要素に分割することによって生成されるタイヤモデル(数値データから構成されている)を如何に実際のタイヤ形状と同じように生成するかが重要である。
ここで、有限要素法のような数値解析手法で用いてタイヤモデルを生成する際には、プライやベルト等のタイヤの骨格部材や補強部材を、かかる部材の物性値(剛性や異方性)を有する膜要素又はシェル要素として定義する方法が知られている(例えば、参考文献1の第9章)。
なお、膜要素又はシェル要素は、2次元モデル(2Dモデル)では、線で定義され、3次元モデル(3Dモデル)では、平面で定義される。
複合材料工学、林毅編、日科技連出版社、1971年、ISBN4-8171-9008-6
しかしながら、上述のように、プライやベルト等のタイヤの骨格部材又は補強部材部分を膜要素又はシェル要素として定義する場合、かかる骨格部材又は補強部材の層の数が多いと、要素の数を増大させることになり、結果的に、計算コスト高(計算時間がかかる)となってしまうという問題点があった。
特に、3次元モデルでは、1層分の要素が増加した場合であっても、計算時間への影響は甚大である。
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、プライやベルト等のタイヤの骨格部材又は補強部材部分の層が多い場合であっても、有限要素法(FEM)等の数値解析手法を用いたタイヤの挙動の解析を短時間で高精度に実施することを可能とするシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の特徴は、タイヤを有限個の要素に分割することによって生成されたタイヤモデルを用いるシミュレーション方法であって、前記タイヤモデルを生成する際に、前記タイヤの骨格部材又は補強部材を膜要素又はシェル要素として定義する工程Aを有し、前記工程Aは、複数の前記骨格部材又は前記補強部材が重なり合う領域において、少なくとも2層の前記骨格部材又は前記補強部材を1層の膜要素又はシェル要素として定義する工程A1と、前記1層の膜要素又はシェル要素に対して多重定義を行う工程A2とを有することを要旨とする。
本発明の第1の特徴において、前記工程Aにおいて、前記補強部材である前記タイヤの傾斜ベルト層を膜要素又はシェル要素として定義してもよい。
本発明の第1の特徴において、前記工程Aにおいて、前記補強部材である前記タイヤのベルト補強層を膜要素又はシェル要素として定義してもよい。
本発明の第1の特徴において、前記工程Aにおいて、前記骨格部材である前記タイヤのカーカスプライ層を膜要素又はシェル要素として定義してもよい。
本発明の第2の特徴は、上述の本発明の第1の特徴に係るシミュレーション方法を実行するシミュレーション装置であることを要旨とする。
以上説明したように、本発明によれば、プライやベルト等のタイヤの骨格部材又は補強部材部分の層が多い場合であっても、有限要素法(FEM)等の数値解析手法を用いたタイヤの挙動の解析を短時間で高精度に実施することを可能とするシミュレーション方法及びシミュレーション装置を提供することができる。
(本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション方法)
図1乃至図4を参照して、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション方法について説明する。具体的には、本実施形態に係るシミュレーション方法は、有限要素法を用いて、自動車等に使用されるタイヤ(例えば、空気入りタイヤ)の挙動及び性能を解析するものである。
図1乃至図4を参照して、本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション方法について説明する。具体的には、本実施形態に係るシミュレーション方法は、有限要素法を用いて、自動車等に使用されるタイヤ(例えば、空気入りタイヤ)の挙動及び性能を解析するものである。
図1に示すように、ステップS101において、解析対象のタイヤ1の設計情報(例えば、タイヤ形状や構造や材料等)を入力する。ここで、解析対象のタイヤ1は、新たに設計するタイヤ1であっても、現存するタイヤ1であってもよい。
図2に、解析対象のタイヤ1の断面図を示し、図3に、解析対象のタイヤ1の斜視図を示す。
図2に示すように、解析対象のタイヤ1は、2層のカーカスプライ層30A及び30Bと、カーカスプライ層30A及び30Bの外層側に設けられている2層の傾斜ベルト層(交錯層)20A及び20Bと、傾斜ベルト層20A及び20Bの外層側に設けられている2層のベルト補強層(所謂、スパイラルベルト層)10A及び10Bとを具備しているものとする。
ここで、傾斜ベルト層20A及び20Bは、タイヤ赤道面に対して同一の傾斜角度で配置したコードを層間で相互に交差させた2層のベルト層であり、ベルト補強層10A及び10Bは、タイヤ赤道面に対して略0度の角度で配置した周方向の2層のベルト層である。
ステップS102において、解析対象のタイヤ1に対して、有限要素法に対応した要素分割(すなわち、メッシュ分割)を行うことによって、有限個の要素からなるタイヤモデルを生成する。
かかるタイヤモデルは、コンピュータ装置によって取り扱い可能な形式に数値化されたものである。
ここで、上述のタイヤモデルを生成する際(すなわち、メッシュ分割する際)に、解析対象のタイヤ1の骨格部材又は補強部材を膜要素又はシェル要素として定義する。
例えば、図2に示すように、解析対象のタイヤ1の補強部材であるベルト補強層10A及び10Bや傾斜ベルト層20A及び20Bを膜要素又はシェル要素として定義し、解析対象のタイヤ1の骨格部材であるカーカスプライ層30A及び30Bを膜要素又はシェル要素として定義する。
なお、上述のタイヤモデルを生成する際(すなわち、メッシュ分割する際)に、複数の骨格部材又は補強部材が重なり合う領域において、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材を1層の膜要素又はシェル要素として定義する。
例えば、図2に示すように、解析対象のタイヤ1の補強部材であるベルト補強層10A及び10Bが重なり合う領域において、2層のベルト補強層10A及び10Bを1層の膜要素又はシェル要素10Cとして定義してもよい。
或いは、解析対象のタイヤ1の補強部材である傾斜ベルト層20A及び20Bが重なり合う領域において、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを1層の膜要素又はシェル要素20C(図示せず)として定義してもよい。
或いは、解析対象のタイヤ1の骨格部材であるカーカスプライ層30A及び30Bが重なり合う領域において、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを1層の膜要素又はシェル要素30C(図示せず)として定義してもよい。
なお、上述のタイヤモデルを生成する際(すなわち、メッシュ分割する際)に、3層以上のベルト補強層や傾斜ベルト層やカーカスプライ層を1層の膜要素又はシェル要素として定義してもよい。
そして、1層として定義された膜要素又はシェル要素に対して、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材の物性値(剛性や異方性を示す値)の各々を入力する、すなわち、かかる膜要素又はシェル要素に対して「多重定義」を行う。
例えば、2層のベルト補強層10A及び10Bを1層の膜要素又はシェル要素10Cとして定義した場合、かかる1層の膜要素又はシェル要素10Cに対して、ベルト補強層10Aの物性値及びベルト補強層10Bの物性値を入力する。
或いは、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを1層の膜要素又はシェル要素20Cとして定義した場合、かかる1層の膜要素又はシェル要素20Cに対して、傾斜ベルト層20Aの物性値及び傾斜ベルト層20Bの物性値を入力する。
或いは、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを1層の膜要素又はシェル要素30Cとして定義した場合、かかる1層の膜要素又はシェル要素30Cに対して、カーカスプライ層30Aの物性値及びカーカスプライ層30Bの物性値を入力する。
したがって、かかる1層の膜要素又はシェル要素は、見かけ上は、1層の膜要素又はシェル要素であるが、かかる1層の膜要素又はシェル要素には、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材の物性値が定義されていることになる。
ここで、かかる1層の膜要素又はシェル要素に、少なくとも2層の骨格部材又は補強部材の物性値が定義されていたとしても、要素の数としては1層分であるため、計算時間は1層分のコストで済むことになる。
かかる手法で懸念される計算精度の低下は、とても小さいと想定される。これは、解析対象のタイヤ1内で重なり合って配置されている複数の骨格部材又は補強部材の層間の距離が、一般的には0.5〜1.0mm程度ととても小さいため、物性値さえ定義されていれば、タイヤ全体の変形は概ね表現できるためである。後述する比較評価試験でも、計算精度の低下は小さい様子が分かる。
なお、タイヤの骨格部材又は補強部材の層数が途中から減る箇所(2層から1層に層数が減るような箇所)では、減った層数分(1層分)の物性値を定義してやればよい。
このようなタイヤモデルの生成により、タイヤ1の骨格部材又は補強部材の部分の解析を、計算時間の増大を伴うことなく、短時間で高精度に実施することが可能となる。
これに対して、上述の特許文献1乃至3におけるシミュレーション方法では、2層のベルト層を1層の膜要素又はシェル要素として定義した場合には、かかる1層の膜要素又はシェル要素に対して、1つの物性値を入力している。
ここで、上述の特許文献1乃至3のように、2層のベルト層を1層の膜要素又はシェル要素として定義し、かかる1層の膜要素又はシェル要素に対して、1つの物性値を入力する場合、2層のベルト層の引張剛性及び圧縮剛性を、一軸方向の剛性として定義している。
このシミュレーション方法では、例えば、タイヤのベルト層のように、傾斜して交錯する2層特有の変形である「周方向に伸びる際に幅方向に収縮する変形(パンタグラフ変形)」について表現できない。
これに対して、本発明に係るシミュレーション方法であれば、傾斜した2層のベルト層における異方性としての物性値や剛性そのものを1層に多重定義しているため、上述の変形を表現することが可能であり、高い計算精度の結果が得られるのである。
図2に示すように、2次元モデルとして生成したタイヤモデルを、円環状に360度展開して、図3に示すような3次元モデルのタイヤモデルとする。
ステップS103において、路面を設定する、すなわち、路面モデルを生成して、路面状態を入力する。
例えば、路面状態として、例えば、乾燥(DRY)や濡れ(WET)や氷上や雪上や非舗装等に対応する摩擦係数を入力する。
ステップS104において、境界条件を設定する。かかる境界条件とは、タイヤモデルを解析する際に必要なものであり、タイヤモデルに付与する各種条件である。
例えば、境界条件として、タイヤモデルに対して与えるべき内圧や垂直荷重や回転変位(速度や力等)や直進変位(速度や力等)等を設定する。
ステップS105において、上述のステップS101乃至104において設定された数値モデルを用いて所定計算を行い、解析対象のタイヤ1の挙動や性能を解析する。
なお、図4に示すように、本実施形態に係るシミュレーション方法を実行するシミュレーション装置は、コンピュータ装置によって実現されてもよいし、かかるコンピュータ装置のプロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールによって実施されてもよいし、両者の組み合わせによって実施されてもよい。
ソフトウェアモジュールは、RAM(Random Access Memory)や、フラッシュメモリや、ROM(Read Only Memory)や、EPROM(Erasable Programmable ROM)や、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable ROM)や、レジスタや、ハードディスクや、リムーバブルディスクや、CD-ROMといった任意形式の記憶媒体内に設けられていてもよい。
本発明の第1の実施形態に係るシミュレーション方法によれば、解析対象のタイヤ1の骨格部材や補強部材について、より少ない層数でモデル化を行うことによって、計算精度に影響を与えることなく、計算時間の短縮を実現することができる。
(比較評価試験)
次に、本発明の効果を更に明確にするために、従来例に係るシミュレーション方法及び実施例1乃至3に係るシミュレーション方法を用いて行った比較評価試験について説明する。なお、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
次に、本発明の効果を更に明確にするために、従来例に係るシミュレーション方法及び実施例1乃至3に係るシミュレーション方法を用いて行った比較評価試験について説明する。なお、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
本試験では、タイヤサイズ「195/65R15」の乗用車用タイヤに対して、内圧210kPaを付与し、キャンバー角0度及びスリップアングル0度で垂直荷重4kNを負荷し、路面との摩擦係数を「1.0」とし、速度50km/hの擬似転動回転解析を行った状態でのタイヤ接地面での接地圧力分布について、実際のタイヤにおける測定結果と、従来例及び実施例1乃至3に係るシミュレーション方法を用いた計算結果とを比較した。
かかる計算結果は、図5及び図6に示すように、実際のタイヤにおいて測定された接地圧と従来例及び実施例1乃至3に係るシミュレーション方法を用いて計算された接地圧との各接地位置における乖離代(ずれ分)を「ΔPi」とし、「ΔPi2」を全接地領域で積算したものを「ΣΔPi2」と定義した。
ここで、「ΣΔPi2」は、実際のタイヤにおいて測定された接地圧との差分を示す指標(実際のタイヤにおいて測定された接地圧とのずれを示す指標)であり、値が小さいほど計算精度が良いものである。なお、後述する(表1)では、従来例に係るシミュレーション方法における「ΣΔPi2」を「100」として比較を行った。
なお、全てのシミュレーション方法において、解析対象のタイヤ1は、図2に示すように、2層のカーカスプライ層30A及び30Bと、カーカスプライ層30A及び30Bの外層側に設けられている2層の傾斜ベルト層20A及び20Bと、傾斜ベルト層20A及び20Bの外層側に設けられている2層のベルト補強層(所謂、スパイラルベルト層)10A及び10Bとを具備しているものとする。
また、全てのシミュレーション方法において、タイヤモデルとして、3次元モデルを用いるものとする。
ここで、従来例に係るシミュレーション方法では、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層のベルト補強層10A及び10Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義している。
これに対して、実施例1に係るシミュレーション方法では、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層のベルト補強層10A及び10Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義している。
また、実施例2に係るシミュレーション方法では、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを2層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層のベルト補強層10A及び10Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義している。
さらに、実施例3に係るシミュレーション方法では、2層のカーカスプライ層30A及び30Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層の傾斜ベルト層20A及び20Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義し、2層のベルト補強層10A及び10Bを1層の膜要素(シェル要素)として定義している。
ただし、実施例3に係るシミュレーション方法において、タイヤのサイド部のカーカスプライ層の折り返し部で、カーカスプライ層が1層になる箇所は、1層分のカーカスプライ層の物性値を入力している。
以下、(表1)に、従来例及び実施例1乃至3に係るシミュレーション方法における計算精度を示す「ΣΔPi2」(指標)及び計算時間(指数)を示す。
従来例に係るシミュレーション方法では、タイヤの骨格部材又は補強部材を全て膜要素(シェル要素)として定義しているため、大きな計算時間が要している。
これに対して、本発明のシミュレーション方法に対応する実施例1乃至3に係るシミュレーション方法では、わずかに計算精度は低下するものの、大幅に計算時間を短縮できる結果が得られている。
かかる計算精度の低下は、例えば、2次元断面FEMモデルを円環状に360度展開して3次元モデル化する際の周方向の分割のメッシュ粗さが解析精度に及ぼす影響が、一般的に10%以上あることを考えると、1〜2%程度の精度悪化は極微小な影響と判断できる。
つまり、本発明に係るシミュレーション方法を用いることにより、計算精度にはほとんど影響を及ぼさずに、計算時間の短縮を達成できていると言える。
以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。
1…タイヤ、10A、10B、10C…傾斜ベルト層、20A、20B…ベルト補強層、30A、30B…カーカスプライ層
Claims (5)
- タイヤを有限個の要素に分割することによって生成されたタイヤモデルを用いるシミュレーション方法であって、
前記タイヤモデルを生成する際に、前記タイヤの骨格部材又は補強部材を膜要素又はシェル要素として定義する工程Aを有し、
前記工程Aは、
複数の前記骨格部材又は前記補強部材が重なり合う領域において、少なくとも2層の前記骨格部材又は前記補強部材を1層の膜要素又はシェル要素として定義する工程A1と、
前記1層の膜要素又はシェル要素に対して多重定義を行う工程A2とを有することを特徴とするシミュレーション方法。 - 前記工程Aにおいて、前記補強部材である前記タイヤの傾斜ベルト層を膜要素又はシェル要素として定義することを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション方法。
- 前記工程Aにおいて、前記補強部材である前記タイヤのベルト補強層を膜要素又はシェル要素として定義することを特徴とする請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。
- 前記工程Aにおいて、前記骨格部材である前記タイヤのカーカスプライ層を膜要素又はシェル要素として定義することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシミュレーション方法。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシミュレーション方法を実行することを特徴とするシミュレーション装置。
Priority Applications (1)
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JP2011184897A JP2013044718A (ja) | 2011-08-26 | 2011-08-26 | シミュレーション方法及びシミュレーション装置 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2020095320A (ja) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | Toyo Tire株式会社 | Femモデルデータの生成方法、システム及びプログラム |
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2011
- 2011-08-26 JP JP2011184897A patent/JP2013044718A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
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JP2020095320A (ja) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | Toyo Tire株式会社 | Femモデルデータの生成方法、システム及びプログラム |
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