JP6898155B2 - 回転体の転動解析方法、回転体の転動解析装置、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、回転体の転動解析方法、回転体の転動解析装置、及びプログラムに関する。

近年、タイヤ等の回転体の転動時における回転体周囲の流体（空気、水など）によるノイズ性能、排水性能などの性能を評価するために、回転体周囲の流体解析シミュレーションが提案されている。シミュレーション方法としては、コンピュータにおいて回転体モデルを路面上で転動させ、回転体モデルの周囲の流体の物理量を計算し、流体の物理量を用いてノイズ、排水性能などの性能を評価する。関連する技術としては、特許文献１、２が開示されている。

別の解析方法として、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タイヤ内部の物理量を算出する構造解析シミュレーションが提案されている。これら回転体の転動解析には、流体モデルを用いる解析及び構造モデルを用いる解析の双方が含まれる。

特開２０１３−２１６２６９号公報 特開２０１２−６５２２号公報

流体解析及び構造解析のいずれのシミュレーションにおいても、転動解析においては回転体を転動させるため、使用するモデルは回転体全周に亘って同程度の大きさの計算格子で表現されている。解析精度を向上させるためには、モデル全体に亘り計算格子を細かくする必要があり、計算格子を細かくすれば、計算コストが増大してしまう。逆に、計算格子を粗くすれば、計算コストが低減するものの、解析精度が悪化してしまう。このように、解析精度と計算コストは相反関係にある。

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、解析精度の確保と計算コストの低減とを両立可能な、回転体の転動解析方法、回転体の転動解析装置、及びプログラムを提供することである。

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。

すなわち、本発明の回転体の転動解析方法は、
コンピュータが実行する方法であって、
回転体を表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、前記回転体の表面形状は最小単位となる表面形状が周方向に複数繰り返し配置された形状であり、前記モデルのうち一部の部位の計算格子が他の部位の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得するステップと、
前記回転体のうち計算格子が細かく設定された部位を接地させ、最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動解析処理を実行するステップと、
前記転動解析処理後の計算格子の物理量を、転動開始時点の対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行するステップと、
を含み、
所定の解析終了条件が成立するまで、前記マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、前記転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する。

このように、計算格子が細かく設定された部位のうち最小単位Ｎ個分接地転動させるので、転動開始時点と転動終了時点の回転体の表面形状が合致する。転動終了時の物理量を転動開始時の計算格子にコピーし、転動解析を実行するので、最小単位Ｎ個分転動させ、物理量を保持したまま、最小単位Ｎ個分戻した状態から再度最小単位Ｎ個分転動させることに等しく、接地する部位は最小単位Ｎ個分となる。よって、従来では、接地転動解析において回転体全周に亘って細かい計算格子が必要であったところ、この方法によれば、最小単位Ｎ個に対応する領域のみに細かい計算格子を設定すればよく、解析精度の確保と、計算コストの低減とを両立させることが可能となる。

本発明の回転体の転動解析装置を示すブロック図。 転動開始時点の回転体の周囲の空間を表す流体モデルを示す図。 図２に示すモデルの説明図。 図２に示す転動開始時点から反時計回りに最小単位１個分転動した転動終了時点のモデルを示す図。 転動開始時点の計算格子の物理量を色で示す図。 転動終了時点の計算格子の物理量を色で示す図。 本発明に係る転動解析方法を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

［回転体の転動解析装置］
本実施形態に係る転動解析装置１は、回転体の転動による解析対象の挙動をシミュレーションする。本実施形態では、回転体であるタイヤの周囲の空間を示す複数の計算格子を有する流体モデルを用いて、空間の物理量を計算格子毎に算出する例を説明する。

図１に示すように、装置１は、モデル取得部１０と、転動解析処理部１１と、マッピング処理部１２と、を有する。本実施形態においては、モデル取得部１０は、流体モデルを取得するように構成されており、空間形状データ取得部１０ａと、計算格子設定部１０ｂと、を有してもよい。これら各部１０〜１４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７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。

図１に示すモデル取得部１０は、図２に示すように、回転体Ｔの周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルを取得する。図２及び図３は回転軸に直交する断面図である。計算格子には、流体又は回転体自体の挙動を計算するために必要となる物性及び物理モデル等の計算条件が設定されている。図３に示すように、この流体モデルの回転体の表面形状は、最小単位Ｍとなる表面形状が周方向ＣＤに沿って複数繰り返し配置された形状である。図２及び図３を照らして示すように、モデルのうち一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かく設定されている。図の例では、回転体Ｔの半周に亘り計算格子が細かい部位Ａｒ１が設定されているが、これに限定されない。回転体Ｔの全周でなければ、これよりも広範囲でもよいし、狭い範囲でもよい。計算格子が細かい部位Ａｒ１を設定する下限としては、最小単位１個に対応する角度分であり、最小単位１個に対応する角度回転体を転動させれば表面形状が合致するからである。下限について、同図の例で説明すると、最小単位１個に一致する範囲Ｐ１でもよいし、隣接する複数の最小単位に跨るものの最小単位１個に対応する範囲Ｐ２でもよい。

本実施形態のモデル取得部１０は、流体モデルデータを生成して取得する。具体的には、空間形状データ取得部１０ａが、回転体Ｔの周囲の空間の形状に関するデータを取得し、計算格子設定部１０ｂが、図２及び図３に示すように、一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かくなるように空間を表す計算格子の大きさを設定する。勿論、モデル取得部１０は、内部又は外部のストレージから流体モデルデータを取得するように構成してもよい。

図１に示す転動解析処理部１１は、回転体Ｔのうち計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１を接地させ、最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動解析処理を実行する。流体モデルの転動解析処理及び構造モデルの転動解析処理は知られているため、詳細な説明を省略する。一般的には最小単位に関係なく、回転体を転動させるが、本願においては、最小単位Ｎ個に対応する角度のみ転動させる。本実施形態では、Ｎ＝１に予め設定されており、図２は転動開始時点のモデルを示し、図４は、図２の状態から反時計回りに最小単位１個分転動した転動終了時点のモデルを示している。Ｎの最大値は、計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１を超えない範囲内で任意に設定可能である。後の処理に使用するため、図２に示す転動開始時点のモデルデータ（計算格子を含む）を別途メモリに保存しておくことが、効率的である。

図１に示すマッピング処理部１２は、転動解析処理後の計算格子の物理量を、転動開始時点の対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行する。これにより、図２及び図５に示す転動開始時点の計算格子の物理量が、図４及び図６に示す転動終了時点の計算格子に記憶され、流体解析であれば空間上の物理量が引き継がれ、構造解析であれば回転体内の物理量が引き継がれる。マッピング処理は計算格子の位置に応じて対応付ければよい。転動開始時点と転動終了時点の計算格子の位置が同一であれば、位置が同じ計算格子同士の物理量をそのままコピーすればよい。転動開始時点と転動終了時点の計算格子が同一でなければ、空間における重なり度合いによって対応関係を決定し、物理量を配分してコピーすればよい。

所定の解析終了条件が成立するまで、マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する。

［転動解析方法］
上記装置１を用いたタイヤ周囲の転動解析方法を、図７を用いて説明する。

まず、ステップＳ１００，Ｓ１０２において、モデル取得部１０は、回転体Ｔを表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体Ｔ周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、回転体Ｔの表面形状は最小単位Ｍとなる表面形状が周方向ＣＤに複数繰り返し配置された形状であり、モデルのうち一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得する。

本実施形態においては、ステップＳ１００において、空間形状データ取得部１０ａが、回転体Ｔ周囲の空間の形状に関するデータを取得する。ステップＳ１０１において、計算格子設定部１０ｂが、一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かくなるように空間を表す計算格子の大きさを設定する。

次のステップＳ１０２において、転動開始時点のモデル（計算格子）をメモリに保存する。

次に、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５の処理を、解析終了時間（目標時間）に到達するまで（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、繰り返し実行する。

次のステップＳ１０３において、転動解析処理部１１は、回転体のうち計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１を接地させ、最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動解析処理を実行する。

次のステップＳ１０４において、解析終了時間（目標時点）に到達したかを判定し、解析終了時間に到達していると判断すれば処理を終了する。解析終了時間（目標時点）に到達していないと判断すれば、次のステップＳ１０５において、保存した転動開始時点のモデルをコピーし、マッピング処理部１２は、転動解析処理後の計算格子（図２及び図５参照）の物理量を、転動開始時点の対応する計算格子（図４及び図６参照）にコピーするマッピング処理を実行し、ステップＳ１０３の処理に戻る。

すなわち、所定の解析終了条件（目標時点に達成）が成立するまで、マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する。

なお、本実施形態では、流体モデルを用いて流体の物理量を算出しているが、これに限定されない。例えば、回転体を表す複数の計算格子を有する構造モデルを用いて、回転体内部の物理量（応力、歪み、変位状態、速度など）を計算格子毎に算出する構造計算に適用してもよい。

以上のように、本実施形態の回転体の転動解析方法は、
コンピュータが実行する方法であって、
回転体Ｔを表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体Ｔ周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、回転体Ｔの表面形状は最小単位Ｍとなる表面形状が周方向ＣＤに複数繰り返し配置された形状であり、モデルのうち一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得するステップ（Ｓ１００、Ｓ１０１）と、
回転体Ｔのうち計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１を接地させ、最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動解析処理を実行するステップ（Ｓ１０３）と、
転動解析処理後の計算格子の物理量を、転動開始時点の対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行するステップ（Ｓ１０５）と、
を含む。
所定の解析終了条件が成立するまで、マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理（Ｓ１０３）と、転動解析処理後のマッピング処理（Ｓ１０５）と、を繰り返し実行する。

本実施形態の回転体の転動解析装置１は、
回転体Ｔを表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体Ｔ周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、回転体Ｔの表面形状は最小単位Ｍとなる表面形状が周方向ＣＤに複数繰り返し配置された形状であり、モデルのうち一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得するモデル取得部１０と、
回転体Ｔのうち計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１を接地させ、最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動解析処理を実行する転動解析処理部１１と、
転動解析処理後の計算格子の物理量を、転動開始時点の対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行するマッピング処理部１２と、を備える。
所定の解析終了条件が成立するまで、マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する。

このように、計算格子が細かく設定された部位Ａｒ１のうち最小単位Ｎ個分接地転動させるので、転動開始時点と転動終了時点の回転体Ｔの表面形状が合致する。転動終了時の物理量を転動開始時の計算格子にコピーし、転動解析を実行するので、最小単位Ｎ個分転動させ、物理量を保持したまま、最小単位Ｎ個分戻した状態から再度最小単位Ｎ個分転動させることに等しく、接地する部位は最小単位Ｎ個分となる。よって、従来では、接地転動解析において回転体Ｔ全周に亘って細かい計算格子が必要であったところ、この方法によれば、最小単位Ｎ個に対応する領域のみに細かい計算格子を設定すればよく、解析精度の確保と、計算コストの低減とを両立させることが可能となる。

本実施形態の方法において、モデルを取得するステップ（Ｓ１００、Ｓ１０１）は、流体モデルを取得し、回転体Ｔ周囲の空間の形状に関するデータを取得するステップ（Ｓ１００）と、一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かくなるように空間を表す計算格子の大きさを設定するステップ（Ｓ１０１）と、を含む。
本実施形態の装置において、モデル取得部１０は、流体モデルを取得するように構成されており、回転体周囲の空間の形状に関するデータを取得する空間形状データ取得部１０ａと、一部の部位Ａｒ１の計算格子が他の部位Ａｒ２の計算格子よりも細かくなるように、空間を表す計算格子の大きさを設定する計算格子設定部１０ｂと、を有する。

回転体Ｔの構造モデルでは時間発展させて転動解析を実行する意味が薄いが、流体解析においては時間発展させなければ意味のある物理量を得ることができないので、流体モデルにおいて本方法を実行することが有用である。

本実施形態において、回転体は、タイヤ周方向に交差する溝を有するタイヤである。

このようにすれば、タイヤ周囲の流体の物理量又はタイヤに生じる物理量を得ることが可能となる。

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。

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。

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。

１０…モデル取得部
１１…転動解析処理部
１２…マッピング処理部
Ｔ…回転体（タイヤ）
Ｍ…表面形状の最小単位
Ａｒ１…計算格子が細かい部位
Ａｒ２…計算格子が粗い部位

Claims (7)

1. コンピュータが実行する方法であって、
   回転体を表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、前記回転体の表面形状は最小単位となる表面形状が周方向に複数繰り返し配置された形状であり、前記モデルの周方向に複数繰り返し配置された前記最小単位のうちの一部の前記最小単位である第１部位の計算格子が、前記モデルの周方向の他の部位である第２部位の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得するステップと、
   前記回転体が接地している全領域が前記第１部位に含まれている転動開始時点の前記モデルから、前記第１部位を超えない範囲内の角度で且つ最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動終了時点のモデルを得る転動解析処理を実行するステップと、
   前記転動解析処理後の前記転動終了時点のモデルの計算格子の物理量を、転動開始時点のモデルの計算格子のうち前記転動終了時点のモデルの計算格子と位置が対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行するステップと、
   を含み、
   所定の解析終了条件が成立するまで、前記マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、前記転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する、回転体の転動解析方法。
2. 前記モデルを取得するステップは、前記流体モデルを取得し、
   前記回転体周囲の空間の形状に関するデータを取得するステップと、
   前記第１部位の計算格子が前記第２部位の計算格子よりも細かくなるように空間を表す計算格子の大きさを設定するステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記回転体は、タイヤ周方向に交差する溝を有するタイヤである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 回転体を表す複数の計算格子を有する構造モデル又は回転体周囲の空間を表す複数の計算格子を有する流体モデルであって、前記回転体の表面形状は最小単位となる表面形状が周方向に複数繰り返し配置された形状であり、前記モデルの周方向に複数繰り返し配置された前記最小単位のうち一部の前記最小単位である第１部位の計算格子が、前記モデルの周方向の他の部位である第２部位の計算格子よりも細かく設定されたモデルを取得するモデル取得部と、
   前記回転体が接地している全領域が前記第１部位に含まれている転動開始時点の前記モデルから、前記第１部位を超えない範囲内の角度で且つ最小単位Ｎ個（Ｎは１以上の自然数）に対応する角度、転動させた転動終了時点のモデルを得る転動解析処理を実行する転動解析処理部と、
   前記転動解析処理後の前記転動終了時点のモデルの計算格子の物理量を、転動開始時点のモデルの計算格子のうち前記転動終了時点のモデルの計算格子と位置が対応する計算格子にコピーするマッピング処理を実行するマッピング処理部と、を備え、
   所定の解析終了条件が成立するまで、前記マッピング処理後の計算格子を用いた転動解析処理と、前記転動解析処理後のマッピング処理と、を繰り返し実行する、回転体の転動解析装置。
5. 前記モデル取得部は、前記流体モデルを取得するように構成されており、
   前記回転体周囲の空間の形状に関するデータを取得する空間形状データ取得部と、
   前記第１部位の計算格子が前記第２部位の計算格子よりも細かくなるように、空間を表す計算格子の大きさを設定する計算格子設定部と、を有する、請求項４に記載の装置。
6. 前記回転体は、タイヤ周方向に交差する溝を有するタイヤである、請求項４又は５に記載の装置。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるプログラム。

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