JP7099562B1 - 車体の軽量化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の車体性能を保持しつつ車体の軽量化を効率的かつ十分に行うことができる車体の軽量化方法及び装置を提供する。【解決手段】本発明に係る車体の軽量化方法は、複数の要素でモデル化した車体部品と接合点１２１とを備えた車体モデル１００を取得するステップ（Ｓ１）と、各車体部品の要素ごとに車体性能に対する感度を求めるステップ（Ｓ３）と、要素ごとに求めた感度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化し直す車体部品を決定するステップ（Ｓ５）と、当該決定に基づいて車体部品を分割及び一体化し直した最適化解析モデル２００を生成するステップ（Ｓ７）と、車体質量と車体性能に関する最適化解析条件と荷重・拘束条件とを設定するステップ（Ｓ９）と、設定した荷重・拘束条件及び最適化解析条件の下で、最適化解析モデルにおける各車体部品の最適な板厚を求める板厚の最適化解析を行うステップ（Ｓ１１）と、を含むものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、車体の軽量化方法及び装置に関し、特に、自動車等の複数の車体部品からなり、予め車体部品への分割位置を固定した車体について、車体部品の分割位置を変更して、車体特性を保持したまま、車体の軽量化を効率的かつ十分に行うことができる車体の軽量化方法及び装置に関する。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体の設計にCAE解析は欠かせない技術となっている。このCAE解析では剛性解析、衝突解析及び振動解析等が実施され、車体の軽量化と車体性能の向上に大きく寄与している。

また、CAE解析では単なる性能評価だけでなく、数理最適化、寸法最適化、形状最適化及びトポロジー最適化等の最適化技術を用いることによって各種車体性能の向上や車体の軽量化を図れることが知られている。このような最適化技術として、例えば、特許文献１には、複雑な構造体のコンポーネントのトポロジー最適化のための方法が開示されている。

さらに、特許文献２には、最適化技術を用いて車体性能に対する車体部品の感度解析を行い、感度解析の結果に基づいて車体の軽量化と車体性能向上のために対策を施すべき車体部品を明確にする方法が開示されている。

特開２０１０－２５０８１８号公報 特開２０２０－６０８２０号公報

特許文献２に開示されている方法は、予め車体部品への分割位置を固定した車体について、車体部品をモデル化し、該モデルに用いた各要素の車体性能に対する感度を感度解析により算出し、算出した各要素の感度に基づいて車体部品ごとの感度を求め、板厚や材料特性の変更といった対策を施す対象となる車体部品を明確にするものであった。

当該方法は、同一の車体部品内に感度の分布があっても、車体部品ごとに感度の大小を判断するため、対策を施すと判断された車体部品の板厚や材料特性を変更するものであった。そのため、板厚等を変更すると判断された車体部品としても、当該車体部品内においては板厚等を変更するべきではない部位が存在することもあり、分割位置が固定されるため車体部品の板厚等を変更しても車体性能を効率的かつ十分に向上することができない場合があった。

そこで、車体を複数の車体部品に分割し、又は、複数の車体部品を一体化し、分割又は一体化し直した新たな車体部品ごとに板厚や材料特性を適切に設定すれば、車体性能を保持しつつ車体の軽量化を効率的かつ十分に図ることができると考えられる。

車体部品の分割又は一体化を決定する方法として、車体部品に加わる荷重により発生している応力やひずみに基づいて行う方法が考えられる。当該方法においては、車体部品における応力等の大きい部位と小さい部位との境界を分割位置と決定し、応力等が同程度の車体部品は一体化すると決定することが可能となる。

しかしながら、当該方法では、車体部品を分割又は一体化して応力等の大きい車体部品の板厚を増やし、応力等の小さい車体部品の板厚を減らしても、車体性能を保持しつつ、車体を軽量化できるか全く不明であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、車体の性能を保持しつつ、車体の軽量化を効率的かつ十分に図ることができる車体の軽量化方法及び装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る車体の軽量化方法は、複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、コンピュータが以下の各ステップを行い、前記車体モデルの軽量化を行うものであって、
複数の要素でモデル化した前記複数の車体部品と、該複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点と、を備えてなる前記車体モデルを取得する車体モデル取得ステップと、
該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみを設定し、該荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみ及び前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析ステップと、
該各要素の感度に基づいて、前記車体部品を分割する位置及び／又は一体化する前記車体部品を決定する車体部品分割位置・一体化決定ステップと、
前記車体モデルにおける前記車体部品のうち前記分割する位置及び／又は一体化を決定した前記車体部品を分割及び／又は一体化し、前記車体モデルにおける前記車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデルを生成する板厚の最適化解析モデル生成ステップと、
前記最適化解析モデルにおける前記車体部品の板厚の最適化解析を行うための最適化解析条件として、前記最適化解析モデルの車体質量に関する目的条件と、前記最適化解析モデルの車体性能に関する制約条件と、を設定し、前記最適化解析モデルに与える荷重・拘束条件を設定する板厚の最適化解析条件設定ステップと、
前記板厚の最適化解析条件設定ステップにおいて設定した前記荷重・拘束条件及び前記最適化解析条件の下で前記板厚の最適化解析を行い、前記最適化解析モデルにおける前記各車体部品の最適な板厚を求める板厚の最適化解析ステップと、を含むことを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、
前記感度解析ステップは、前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、
前記車体モデル取得ステップは、取得した前記車体モデルに対して、前記接合点に加えて前記部品組みを接合可能な全ての追加接合点を設定することを特徴とするものである。

（４）本発明に係る車体の軽量化装置は、複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、該車体モデルの軽量化を行うものであって、
複数の要素でモデル化した前記複数の車体部品と、該複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点と、を備えてなる前記車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみを設定し、該荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみ及び前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の感度を求める感度解析部と、
該各要素の感度に基づいて、前記車体部品を分割する位置及び／又は一体化する前記車体部品を決定する車体部品分割位置・一体化決定部と、
前記車体モデルにおける前記車体部品のうち前記分割する位置及び／又は一体化を決定した前記車体部品を分割及び／又は一体化し、前記車体モデルにおける前記車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデルを生成する板厚の最適化解析モデル生成部と、
前記最適化解析モデルにおける前記車体部品の板厚の適化解析を行うための最適化解析条件として、前記最適化解析モデルの車体質量に関する目的条件と、前記最適化解析モデルの車体性能に関する制約条件と、を設定し、前記最適化解析モデルに与える荷重・拘束条件を設定する板厚の最適化解析条件設定部と、
前記板厚の最適化解析条件設定部により設定された前記荷重・拘束条件及び前記最適化解析条件の下で前記板厚の最適化解析を行い、前記最適化解析モデルにおける前記各車体部品の最適な板厚を求める板厚の最適化解析部と、を備えたことを特徴とするものである。

（５）上記（４）に記載のものにおいて、
前記感度解析部は、前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とするものである。

（６）上記（４）又は（５）に記載のものにおいて、
前記車体モデル取得部は、取得した前記車体モデルに対して、前記接合点に加えて前記部品組みを接合可能な全ての追加接合点を設定することを特徴とするものである。

本発明においては、車体性能に対する感度を車体部品のモデル化に用いた要素ごとに求め、該求めた車体部品における各要素の感度に基づいて分割及び一体化する車体部品を決定し、該決定により分割又は一体化し直した車体部品を有する最適化解析モデルについて板厚の最適化解析を行うことで、車体を軽量化するために車体部品を分割及び一体化し、各車体部品の最適な板厚を求めることができ、車体性能を保持しつつ車体の軽量化を効率的かつ十分に図ることができる。

本発明の実施の形態に係る車体の軽量化装置のブロック図である。 本発明の実施の形態において、解析対象とする車体モデルを示す図である。 本発明の実施の形態において、解析対象とする車体モデルにおける接合点と接合可能な全ての追加接合点を示す図である（（ａ）接合点、（ｂ）接合点及び接合可能な全ての追加接合点）。 本発明の実施の形態において、車体モデルに与える荷重・拘束条件の一例を示す図である。 本発明の実施の形態において、車体モデルのフロント側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として算出した材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルのフロント側の側面図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）車体部品を分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデルのフロント側の側面図）。 本発明の実施の形態において、車体モデルのリア側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として算出した材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルのリア側の上面図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）車体部品を分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデルのリア側の上面図）。 本発明の実施の形態において、車体モデルの左側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として求めた材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルの左側の斜視図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）車体部品を分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデルの左側の斜視図）。 本発明の実施の形態において、車体部品を分割及び一体化して生成し直した最適化解析モデルの一例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデル、（ｂ）生成し直した最適化解析モデル）。 本発明の実施の形態に係る車体の軽量化方法の処理の流れを示すフロー図である。 本発明の実施の形態の他の態様において、車体モデルのフロント側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として求めた材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルのフロント側の側面図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデルのフロント側の側面図）。 本発明の実施の形態の他の態様において、車体モデルのリア側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として求めた材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルのリア側の上面図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）分割及び一体化して生成し直した最適化解析モデルのリア側の上面図）。 本発明の実施の形態の他の態様において、車体モデルの左側における車体部品の感度解析の結果と、感度解析により感度として求めた材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定した例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデルの左側の斜視図、（ｂ）感度解析により求めた材料密度、（ｃ）分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデルの左側の斜視図）。 本発明の実施の形態の他の態様において、車体部品を分割及び一体化して生成した最適化解析モデルの一例を示す図である（（ａ）予め与えられた元の車体モデル、（ｂ）生成し直した最適化解析モデル）。

本発明の実施の形態について説明するに先立ち、本発明で対象とする車体モデルについて説明する。

＜車体モデル＞
本発明で対象とする車体モデル１００は、図２に一例として示すように、複数の車体部品を備えてなるものであり、車体部品としては、Ａピラーロア１０１、Ａピラーアッパ１０３、リアルーフレールセンタ１０５、リアルーフレールサイド１０７、コンパートメントセンタＡ１０９、コンパートメントサイドＡ１１１、コンパートメントセンタＢ１１３、コンパートメントサイドＢ１１５、サイドシルアウタ１１７、ホイルハウスリンフォース１１９、等の車体骨格部品や、サスペンション部品等の足回り部品（図示なし）、等が挙げられる。そして、これらの車体部品は、複数のシェル要素及び／又はソリッド要素でモデル化されている。

さらに、車体モデル１００においては、図３（ａ）に一例として示すように、複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点１２１が所定の間隔で設定されている。なお、車体モデル１００において接合点１２１の間隔は、25～60mmに設定されている。

なお、車体モデル１００を構成する各車体部品の材料特性や要素情報、さらには、各部品組みにおける接合点１２１（図２（ａ））等に関する情報は、後述する車体モデルファイル２５（図１参照）に格納されている。

＜軽量化装置＞
本発明の実施の形態に係る車体モデルの軽量化を行う軽量化装置の構成について、以下に説明する。

本実施の形態に係る軽量化装置１は、複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、該車体モデルの軽量化を行うものであって、図１に示すように、PC（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。

以下、図２及び図３に示す車体モデル１００を解析対象とし、感度解析の結果に基づいて車体部品を分割及び一体化し、最適な板厚を求める場合について、本実施の形態に係る軽量化装置１の各構成を説明する。

≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。

≪入力装置≫
入力装置５は、車体モデルファイル２５の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。

≪記憶装置≫
記憶装置７は、後述するような、車体モデルに関する各種情報を記録した車体モデルファイル２５といった各種ファイルの格納等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、RAM（Random Access Memory）等で構成される。

≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図１に示すように、車体モデル取得部１３と、感度解析部１５と、車体部品分割位置・一体化決定部１７と、板厚の最適化解析モデル生成部１９と、板厚の最適化解析条件設定部２１と、板厚の最適化解析部２３と、を有し、PC等のCPU（中央演算処理装置）によって構成される。これらの各部は、CPUが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。

（車体モデル取得部）
車体モデル取得部１３は、図２及び図３（ａ）に示すような、複数の要素でモデル化した車体部品（Ａピラーロア１０１等）と、複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点１２１と、を備えてなる車体モデル１００を取得するものである。

本実施の形態において、車体モデル１００を構成する各車体部品は、一例として、シェル要素によりモデル化されているものとし、各車体部品を構成するシェル要素や各車体部品の材料特性（ヤング率、比重、ポアソン比等）に関する情報は、記憶装置７に格納されている車体モデルファイル２５（図１参照）に記録されている。そのため、車体モデル取得部１３は、車体モデルファイル２５を読み込むことにより、車体モデル１００を取得することができる。

（感度解析部）
感度解析部１５は、車体モデル１００の車体性能に関する目的条件及び車体モデル１００の体積に関する制約条件と、車体モデル１００に与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみとを設定し、設定した荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみと制約条件の下で目的条件を満たす各車体部品における各要素の感度を求めるものである。

本実施の形態において、感度解析部１５により設定する車体性能に関する目的条件としては、車体モデル１００におけるひずみエネルギー総和の最小化、変位の最小化、応力の最小化、剛性の最大化等があり、対象とする車体性能に応じてこれらの目的条件を適宜選択すればよい。

また、感度解析部１５により設定する車体モデル１００の体積に関する制約条件としては、車体部品の体積を規定する体積制約率等がある。

感度解析部１５により車体モデル１００に設定する荷重・拘束条件として、例えば、図４に例示する荷重・拘束条件を設定する。
図４に示す荷重・拘束条件は、車体モデル１００の左右のフロントサスペンション取付位置（図中Ｐ）を荷重点とし、一方に鉛直方向上向きの荷重を、他方に鉛直方向下向きの荷重を与え、さらに、車体モデル１００の左右のリアサブフレーム取付位置（図中Ｑ）を拘束したものである。

さらに、本実施の形態において、感度解析部１５は、密度法を適用したトポロジー最適化を用い、各車体部品における各要素の感度として各要素の材料密度を算出するとよい。このとき算出される各要素の材料密度とは、式（１）に示す密度ρに相当するものである。

式（１）中の規格化された密度ρは、各要素における材料の充填状態を表す仮想的な密度であり、0から1までの値をとる。すなわち、要素の材料密度ρが1であれば、要素には材料が完全に充填されている状態、材料密度ρが0であれば要素に材料が充填されておらず完全に空洞の状態を表し、要素の材料密度が0から1の中間値であれば、その要素は材料とも空洞ともつかない中間的な状態を表す。

そして、トポロジー最適化により算出される材料密度は、車体性能に対する寄与が大きい要素では当該要素の材料密度は1に近い値となり、車体性能に対する感度が高いことを示す。これに対し、車体性能に対する寄与が小さい要素においては当該要素の材料密度は0に近い値となり、車体性能に対する感度が低いことを示す。このように、トポロジー最適化により算出した要素の材料密度は、車体性能に対する各要素の感度を表す指標となる。

図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に、感度解析部１５により算出される要素の感度の一例として、目的条件を剛性の最大化、制約条件を体積制約率25%とし、図４に示す荷重・拘束条件（荷重点に与える荷重の絶対値1000N）により車体モデル１００に静ねじりを負荷したときの各車体部品の要素について算出した材料密度の結果の一例を示す。

ここで、図５（ｂ）は、車体モデル１００のフロント側のＡピラーロア１０１及びＡピラーアッパ１０３（図５（ａ））の側面図、図６（ｂ）は、車体モデル１００のリア側（図６（ａ））の上面図、図７（ｂ）は、車体モデル１００の左側のサイドシルアウタ１１７及びホイルハウスリンフォース１１９（図７（ａ））の斜視図である。

図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、同一の車体部品においても静ねじりに対しての感度が高い領域と感度の低い領域が存在するものや（例えば、図７（ｂ）に示すサイドシルアウタ１１７）、異なる車体部品であっても全体として感度が同程度のものがあることが分かる（例えば、図５（ｂ）に示すＡピラーロア１０１とＡピラーアッパ１０３）。

なお、感度解析部１５は、慣性リリーフ法により、車体モデル１００に動的な荷重を負荷したときの慣性力を考慮する荷重条件のみを設定してもよい。
慣性リリーフ法とは、慣性力の座標の基準となる支持点において物体が支持された状態（自由支持状態）で等加速度運動中の物体に作用する力から応力やひずみを求める解析手法であり、運動中の飛行機や船の静解析に使用されている。

また、感度解析部１５により要素の材料密度を算出するにあたっては、トポロジー最適化等の最適化解析を行う解析ソフトを使用することができる。この場合、車体モデル１００を構成する各車体部品を設計空間とし、該設計空間として設定された車体部品を構成する要素に設計変数として材料密度を与え、所定の目的条件及び制約条件と荷重・拘束条件とを設定することで、要素の感度として材料密度が算出される。

もっとも、感度解析部１５において最適化解析を行う場合にあっては、トポロジー最適化以外の他の最適化解析手法を適用するものであってもよい。

（車体部品分割位置・一体化決定部）
車体部品分割位置・一体化決定部１７は、感度解析部１５により求めた車体部品における各要素の感度に基づいて、操作者の指示により、車体部品を分割する位置及び／又は一体化する車体部品を決定するものである。

感度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化する車体部品を決定するにあたっては、感度の差を指標とし、操作者の指示により、同一の車体部品において感度の差の大きい位置を分割位置と決定し、感度の差が小さい隣接する車体部品は一体化すると決定すればよい。

本実施の形態では、車体部品において感度の差が0.7以上である位置を分割位置と決定し、隣接する車体部品の感度の差が0.3以下であれば一体化と決定する。

図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に、感度解析により求められた車体モデル１００のフロント側、リア側及び左側の車体部品の材料密度と、材料密度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化する車体部品を決定した結果の一例を示す。

車体モデル１００のフロント側（図５（ａ））においては、図５（ｂ）に示すように、Ａピラーロア１０１とＡピラーアッパ１０３の感度（材料密度）の差が0.3以下と小さかった（図中の破線楕円）。
そこで、車体部品分割位置・一体化決定部１７は、操作者の指示により、Ａピラーロア１０１とＡピラーアッパ１０３とを一体化すると決定する。

車体モデル１００のリア側（図６（ａ））においては、図６（ｂ）中の破線楕円で示すように、リアルーフレールセンタ１０５とリアルーフレールサイド１０７、コンパートメントセンタＡ１０９とコンパートメントサイドＡ１１１、及び、コンパートメントセンタＢ１１３とコンパートメントサイドＢ１１５については、いずれも、感度の差が0.3以下と小さかった。
そこで、車体部品分割位置・一体化決定部１７は、操作者の指示により、リアルーフレールセンタ１０５とリアルーフレールサイド１０７、コンパートメントセンタＡ１０９とコンパートメントサイドＡ１１１、及び、コンパートメントセンタＢ１１３とコンパートメントサイドＢ１１５とをそれぞれ一体化すると決定する。

車体モデル１００の左側（図７（ａ））においては、図７（ｂ）中の破線楕円で示すように、サイドシルアウタ１１７の略中央よりも前方側と後方側とで感度の差が0.7以上と大きく、サイドシルアウタ１１７の後部とホイルハウスリンフォース１１９との感度の差が0.3以下と小さかった。
そこで、車体部品分割位置・一体化決定部１７は、操作者の指示により、サイドシルアウタ１１７において感度の差が大きい略中央を分割位置と決定する。

なお、本実施の形態では、車体部品において感度の差が0.7以上の位置を分割位置と決定し、感度の差が0.3以下の隣接する車体部品を一体化すると決定したが、分割位置又は一体化を決定する感度の差は適宜選択してもよい。

（板厚の最適化解析モデル生成部）
板厚の最適化解析モデル生成部１９は、図８（ａ）に示すような、車体モデル１００における車体部品のうち車体部品分割位置・一体化決定部１７により分割位置及び／又は一体化を決定した車体部品を分割及び／又は一体化し直して、図８（ｂ）に示すような、車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデル２００を生成するものである。

図５（ｃ）、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に、最適化解析モデル２００のフロント側、リア側及び左側における各車体部品を示す。また、図８（ｂ）に、最適化解析モデル２００の全体図を示す。

車体モデル１００のフロント側においては、図５（ｂ）に示す車体部品の一体化の決定に従い、図５（ｃ）に示すように、Ａピラーロア１０１とＡピラーアッパ１０３とを一体化してＡピラー２０１とする。

車体モデル１００のリア側においては、図６（ｂ）に示す車体部品の一体化の決定に従い、図６（ｃ）に示すように、リアルーフレールセンタ１０５とリアルーフレールサイド１０７とを一体化してリアルーフレール２０３とし、コンパートメントセンタＡ１０９とコンパートメントサイドＡ１１１とを一体化してコンパートメントＡ２０５とし、コンパートメントセンタＢ１１３とコンパートメントサイドＢ１１５とを一体化してコンパートメントＢ２０７とする。

車体モデル１００の左側においては、図７（ｂ）に示す車体部品の分割位置及び一体化の決定に従い、図７（ｃ）に示すように、サイドシルアウタ１１７の前方側をサイドシルアウタフロント２０９に分割し、サイドシルアウタ１１７における分割位置よりも後方側についてはホイルハウスリンフォース１１９と一体化してサイドシルアウタリア２１１とする。
なお、最適化解析モデル２００において、分割した後の車体部品は、分割前の車体部品の板厚のままとし、一体化した車体部品は、一体化する前の車体部品のうち表面積の大きい方の車体部品の板厚とする。

（板厚の最適化解析条件設定部）
板厚の最適化解析条件設定部２１は、最適化解析モデル２００における車体部品の板厚の最適化解析を行うための最適化解析条件として、最適化解析モデル２００の車体質量に関する目的条件と、最適化解析モデル２００の車体性能に関する制約条件と、を設定し、最適化解析モデル２００に与える荷重・拘束条件を設定する。

目的条件は、最適化解析の目的に応じて一つだけ設定されるものである。本実施の形態においては、車体質量の最小化を目的条件として設定する。

制約条件は、最適化解析を行う上で課す制約であり、必要に応じて複数設定されるものである。本実施の形態においては、車体性能に関する制約条件と、車体部品の板厚に関する制約条件と、を設定する。

車体性能に関する制約条件としては、最適化解析モデルの剛性が所定の剛性以上とし、所定の剛性としては、例えば、板厚の最適化解析を行う前の元の車体モデル１００の剛性とすればよい。なお、最適化解析モデル２００及び車体モデル１００の剛性は、例えば、荷重点の変位又はひずみを指標にするとよい。

また、車体部品の板厚に関する制約条件としては、板厚は連続的に変化する値ではなく、車体部品の製造に一般的に用いられる鋼板の複数の板厚から選択する制約を設定する。
本実施の形態では、車体部品の製造に一般的に用いられる鋼板の板厚である0.55mm、0.60mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm、0.80mm、0.85mm、0.90mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.3mm、2.6mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、4.0mm、から選択する制約条件を設定する。

荷重・拘束条件は、板厚の最適化解析において最適化解析モデルに与える荷重（位置、大きさ、方向）と拘束位置に関する条件である。
本実施の形態において、荷重・拘束条件は、最適化解析モデル２００の左右のフロントサスペンション取付位置（図４中のＰ）を荷重点とし、一方に鉛直方向上向きの荷重を、他方に鉛直方向下向きの荷重を与え、さらに、最適化解析モデル２００の左右のリアサブフレーム取付位置（図４中のＱ）を拘束するものとした。

（板厚の最適化解析部）
板厚の最適化解析部２３は、板厚の最適化解析条件設定部２１により設定された荷重・拘束条件及び最適化解析条件の下で板厚の最適化解析を行い、最適化解析モデル２００における各車体部品の最適な板厚を求めるものである。

前述のとおり、板厚の最適化解析においては最適化解析モデル２００の板厚を設計変数とし、さらに、板厚に関する制約条件を課している。
そのため、板厚の最適化解析部２３により、制約条件として課した複数の板厚の中から最適な板厚が各車体部品について求められる。

＜車体の軽量化方法＞
本実施の形態に係る車体の軽量化方法は、複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、コンピュータが以下の各ステップを行い、車体モデルの軽量化を行うものであり、図９に示すように、車体モデル取得ステップＳ１と、感度解析ステップＳ３と、車体部品分割位置・一体化決定ステップＳ５と、板厚の最適化解析モデル生成ステップＳ７と、板厚の最適化解析条件設定ステップＳ９と、板厚の最適化解析ステップＳ１１と、を含むものである。本実施の形態において、上記の各ステップはコンピュータによって構成された軽量化装置１（図１参照）が実行するものである。以下、上記の各ステップについて説明する。

≪車体モデル取得ステップ≫
車体モデル取得ステップＳ１は、複数の要素でモデル化した複数の車体部品と、複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点と、を備えてなる車体モデルを取得するステップである。本実施の形態では、軽量化装置１の車体モデル取得部１３が、車体モデルファイル２５（図１参照）を読み込むことにより、図２及び図３（ａ）に一例として示すような、複数のシェル要素でモデル化した複数の車体部品（Ａピラーロア１０１等）と、車体部品を部品組みとして接合する接合点１２１と、を備えてなる車体モデル１００を取得する。

≪感度解析ステップ≫
感度解析ステップＳ３は、車体モデル１００の車体性能に関する目的条件及び車体モデル１００の体積に関する制約条件と、車体モデル１００に与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみを設定し、設定した荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみ及び制約条件の下で目的条件を満たす各車体部品における各要素の感度を求めるステップである。本実施の形態においては、軽量化装置１の感度解析部１５が、目的条件及び制約条件と荷重・拘束条件を設定し、各要素の感度として各要素の材料密度を算出する。

感度解析ステップＳ３においては、トポロジー最適化等の最適化解析を行ってもよい。この場合、車体モデル１００を構成する車体部品を設計空間とし、設計空間とした車体部品を構成する要素に設計変数として材料密度を与えて最適化の解析処理を実行し、設定した制約条件及び荷重・拘束条件の下で目的条件を満たす材料密度を車体部品における要素ごとに算出すればよい。

≪車体部品分割位置・一体化決定ステップ≫
車体部品分割位置・一体化決定ステップＳ５は、感度解析ステップＳ３において求めた車体部品における各要素の感度に基づいて、操作者の指示によりコンピュータが、車体部品を分割する位置及び／又は一体化する車体部品を決定するステップである。本実施の形態においては、軽量化装置１の車体部品分割位置・一体化決定部１７が行う。

≪板厚の最適化解析モデル生成ステップ≫
板厚の最適化解析モデル生成ステップＳ７は、図５～図８に示すように、車体モデル１００における車体部品のうち分割位置及び／又は一体化を決定した車体部品を分割及び／又は一体化し直し、車体モデル１００における車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデル２００を生成するステップである。本実施の形態においては、軽量化装置１の板厚の最適化解析モデル生成部１９が行う。

≪板厚の最適化解析条件設定ステップ≫
板厚の最適化解析条件設定ステップＳ９は、最適化解析モデル２００における車体部品の板厚の最適化解析を行うための最適化解析条件として、最適化解析モデル２００の車体質量に関する目的条件と、最適化解析モデル２００の車体性能に関する制約条件と、を設定し、最適化解析モデル２００に与える荷重・拘束条件を設定するステップである。本実施の形態においては、軽量化装置１の板厚の最適化解析条件設定部２１が行う。

≪板厚の最適化解析ステップ≫
板厚の最適化解析ステップＳ１１は、板厚の最適化解析条件設定ステップＳ９において設定された最適化解析条件の下で板厚の最適化解析を行い、最適化解析モデル２００における各車体部品の最適な板厚を求めるステップである。本実施の形態において、軽量化装置１の板厚の最適化解析部２３が行う。

以上、本実施の形態に係る車体の軽量化方法及び装置によれば、車体性能に対する感度を車体部品のモデル化に用いた要素ごとに求め、該求めた車体部品における各要素の感度に基づいて分割及び一体化する車体部品を決定し、該決定により分割又は一体化し直した車体部品を有する最適化解析モデルについて車体性能を制約条件とする板厚の最適化解析を行うことで、車体を軽量化するために車体部品を分割及び一体化し直して、各車体部品の最適な板厚を求めることができ、車体性能を保持しつつ車体の軽量化を効率的かつ十分に図ることができる。

なお、上記の説明では、接合点１２１が設定された車体モデル１００をそのまま用いて感度解析を行い、車体部品の分割位置及び一体化する車体部品を決定しているが、車体モデル１００に設定されている接合点１２１の点数の違いにより、車体性能に対する感度に違いが生じる場合がある。

そこで、本実施の形態の他の態様として、図３（ｂ）に一例として示すように、取得した車体モデル１００に対して、接合点同士の間隔が25～60mmである接合点１２１に加えて部品組みを接合可能な全ての追加接合点１５１を設定して接合点を密にし、複数の車体部品を連続接合するものと模擬した車体モデル１５０を用いて感度解析を行うようにしてもよい。なお、車体モデル１５０は、接合可能な全ての追加接合点１５１を10mm間隔で10932点設定したものである。

図１０（ｂ）、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に、車体モデル１００に接合可能な全ての追加接合点１５１を10932点設定した車体モデル１５０を用いて感度解析を行い、車体部品の分割位置及び一体化する車体部品を決定した場合の結果を示す。
ここで、車体モデル１５０における各車体部品については、図２に示す車体モデル１００における各車体部品と同一の符号を付している。
そして、図１０（ｂ）は、車体モデル１５０におけるフロント側のＡピラーロア１０１及びＡピラーアッパ１０３（図１０（ａ））の側面図、図１１（ｂ）は、車体モデル１５０におけるリア側（図１１（ａ））の上面図、図１２（ｂ）は、車体モデル１５０における左側のサイドシルアウタ１１７及びホイルハウスリンフォース１１９（図１２（ａ））の斜視図である。
また、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示す感度は、前述した本実施の形態と同一の目的条件、制約条件及び荷重・拘束条件（図４参照）を設定したものである。

車体モデル１５０のフロント側（図１０（ａ））においては、図１０（ｂ）に示すように、Ａピラーロア１０１とＡピラーアッパ１０３との境界とは異なる位置において感度の差が0.7以上と大きかった。
そのため、感度の差が大きい位置を分割位置と決定し、図１０（ｃ）に示すように、Ａピラーロア３０１とＡピラーアッパ３０３とに新たに分割する。

車体モデル１５０のリア側（図１１（ａ））においては、図１１（ｂ）に示すように、リアルーフレールセンタ１０５とリアルーフレールサイド１０７、コンパートメントセンタＡ１０９とコンパートメントサイドＡ１１１、及び、コンパートメントセンタＢ１１３とコンパートメントサイドＢ１１５の感度の差が0.3以下と小さかった。

そのため、これらの感度の差が小さい車体部品は一体化すると決定し、図１１（ｃ）に示すように、リアルーフレールセンタ１０５とリアルーフレールサイド１０７とを一体化してリアルーフレール３０５、コンパートメントセンタＡ１０９とコンパートメントサイドＡ１１１とを一体化してコンパートメントＡ３０７、コンパートメントセンタＢ１１３とコンパートメントサイドＢ１１５とを一体化してコンパートメントＢ３０９とする。

車体モデル１５０の左側（図１２（ａ））においては、図１２（ｂ）に示すように、サイドシルアウタ１１７の感度の差は0.3以下と小さく、サイドシルアウタ１１７の後部とホイルハウスリンフォース１１９との感度に差が0.7以上と大きかった。さらに、Ａピラーロア１０１とサイドシルアウタ１１７の前部との感度の差は0.3以下と小さかった。

そのため、サイドシルアウタ１１７は分割せずにＡピラーロア１０１と一体化し、さらに、サイドシルアウタ１１７とホイルハウスリンフォース１１９は一体化しないで分割したままにすると決定し、図１２（ｃ）に示すように、サイドシルアウタ１１７はＡピラーロア１０１と一体化してＡピラーロア３０１とし、ホイルハウスリンフォース１１９はサイドシルアウタ１１７と一体化せずにホイルハウスリンフォース３１１とする。

図１３（ｂ）に、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示す感度に基づいて車体部品の分割位置及び一体化を決定し、該決定に基づいて車体部品を分割及び一体化し直して生成した最適化解析モデル３００の全体図を示す。

なお、本実施の形態として述べた接合点１２１が設定された車体モデル１００をそのまま用いた場合と、本実施の形態の他の態様として述べた接合可能な全ての追加接合点１５１がさらに設定された車体モデル１５０を用いた場合と、の作用効果の相違については、後述する実施例において説明する。

また、本実施の形態における感度解析部１５及び感度解析ステップＳ３は、各要素の感度として要素ごとの材料密度を算出するものであった。もっとも、本発明は、車体部品を複数のシェル要素でモデル化した場合においては、所定の目的条件及び制約条件と荷重・拘束条件を満たす各シェル要素の板厚を算出し、該算出したシェル要素の板厚を各要素の感度としてもよい。

このように、感度解析において求めた各シェル要素の板厚を感度した場合、板厚が大きい要素は車体性能に対する感度が高いことを示し、板厚が小さいシェル要素は車体性能に対する感度が小さいことを示す。これにより、感度解析において算出した要素の板厚は、車体性能に対する各要素の感度を表す指標となり得る。

さらに、本実施の形態において、感度解析部１５及び感度解析ステップＳ３は、静的荷重を与える荷重・拘束条件を設定して感度解析を行うものであったが、本発明は、車体を振動させる動的荷重に相当する荷重・拘束条件を設定してもよい。

具体的には、感度解析に先立って車体モデルについて周波数応答解析等を行い、該周波数応答解析等により求めた車体モデルの振動モードにおける変形形態に対応した車体モデルに与える荷重を負荷する位置、方向及び大きさを決定する。そして、決定した荷重を負荷する位置、方向及び大きさを荷重・拘束条件として設定し、感度解析を行えばよい。

本発明に係る車体の軽量化方法及び装置の効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

本実施例では、発明例として、前述の実施の形態で述べたように、車体性能に対する感度解析により各車体部品の要素ごとに求めた感度に基づいて車体部品を分割及び一体化して生成し直した最適化解析モデル２００（図８（ｂ））及び最適化解析モデル３００（図１２（ｂ））について板厚の最適化解析を行い、車体部品を分割及び一体化する前の車体モデル１００に対す車体軽量化の効果を検証した。

板厚の最適化解析において、荷重・拘束条件としては、図４に示すように、最適化解析モデル２００及び最適化解析モデル３００の左右のフロントサスペンション取付位置（図中Ｐ）を荷重点とし、一方に鉛直方向上向きの荷重（1000N）を、他方に鉛直方向下向きの荷重（1000N）を与え、さらに、車体モデル１００の左右のリアサブフレーム取付位置（図中Ｑ）を拘束した。

さらに、最適化解析条件として、車体質量の最小化とする目的条件と、予め与えられた元の車体モデル１００の剛性以上、及び、車体部品に用いる鋼板の板厚を0.55mm、0.60mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm、0.80mm、0.85mm、0.90mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.3mm、2.6mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、4.0mmから選択する制約条件を設定した。

また、本実施例では、比較対象として、予め与えられた元の車体モデル１００についても、発明例と同様に板厚の最適化解析を行った。
表１に、車体モデル１００、最適化解析モデル２００及び最適化解析モデル３００の板厚の最適化解析による軽量化効果を示す。

表１において、比較例は車体モデル１００、発明例１は最適化解析モデル２００、発明例２は最適化解析モデル３００について板厚の最適化解析を行ったものであり、それぞれについて、板厚の最適化前の車体質量、板厚の最適化解析後の車体質量及び板厚の最適化解析による車体質量の軽量化量を示す。
さらに、発明例１及び発明例２については、車体部品の分割及び一体化による軽量化量を示す。ここで、車体部品の分割及び一体化による軽量化量は、以下の式により算出した。
（車体部品の分割及び一体化による軽量化量）＝（発明例１又は発明例２における車体質量の軽量化量）－（比較例における車体質量の軽量化量）

表１に示すように、比較例、発明例１及び発明例２のいずれにおいても、板厚の最適化解析により車体質量が大幅に減少し、発明例１及び発明例２においては、車体部品の分割及び一体化することで、比較例に比べて車体質量の軽量化量が4.85kg及び5.56kgとなる結果となった。このことから、車体性能に対する要素の感度に基づいて車体部品の分割及び一体化し直すことで、車体性能を維持したまま車体の軽量化効果がさらに得られることが示された。

さらに、接合可能な全ての追加接合点１５１（図３（ｂ））を設定して車体部品の分割及び一体化し直した最適化解析モデル３００を用いた発明例２の方が、接合可能な全ての追加接合点１５１を設定せずに車体部品の分割及び一体化し直した最適化解析モデル２００を用いた発明例１に比べて、軽量化量は13%大きい結果となった。
したがって、本発明においては、車体モデル１００に接合可能な全ての追加接合点１５１を密に設定して感度解析を行い、車体部品の分割位置及び一体化する車体部品を決定し、該決定に従って車体部品を分割及び一体化して板厚の最適化解析を行うことが好ましいことが示された。

１ 軽量化装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 車体モデル取得部
１５ 感度解析部
１７ 車体部品分割位置・一体化決定部
１９ 板厚の最適化解析モデル生成部
２１ 板厚の最適化解析条件設定部
２３ 板厚の最適化解析部
２５ 車体モデルファイル
１００ 車体モデル
１０１ Ａピラーロア
１０３ Ａピラーアッパ
１０５ リアルーフレールセンタ
１０７ リアルーフレールサイド
１０９ コンパートメントセンタＡ
１１１ コンパートメントサイドＡ
１１３ コンパートメントセンタＢ
１１５ コンパートメントサイドＢ
１１７ サイドシルアウタ
１１９ ホイルハウスリンフォース
１２１ 接合点
１５０ 車体モデル
１５１ 接合可能な全ての追加接合点
２００ 最適化解析モデル
２０１ Ａピラー
２０３ リアルーフレール
２０５ コンパートメントＡ
２０７ コンパートメントＢ
２０９ サイドシルアウタフロント
２１１ サイドシルアウタリア
３００ 最適化解析モデル
３０１ Ａピラーロア
３０３ Ａピラーアッパ
３０５ リアルーフレール
３０７ コンパートメントＡ
３０９ コンパートメントＢ
３１１ ホイルハウスリンフォース

Claims (4)

1. 複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、コンピュータが以下の各ステップを行い、車体性能に対する前記車体部品の感度の解析に基づいて、前記車体モデルの軽量化を行う車体の軽量化方法であって、
   複数の要素でモデル化した前記複数の車体部品と、該複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点と、を備え、前記車体性能に対する前記車体部品の感度の解析のために、前記接合点に加えて前記部品組みを接合可能な全ての追加接合点を設定し、連続接合するものと模擬した前記車体モデルを取得する車体モデル取得ステップと、
   該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と、該車体モデルに与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみを設定し、該荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみ及び前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の車体性能に対する感度を求める感度解析ステップと、
   該各要素の車体性能に対する感度の差に基づいて、前記車体部品を分割する位置及び／又は一体化する前記車体部品を決定し、車体を軽量化するために車体部品を分割及び一体化し直しをする車体部品分割位置・一体化決定ステップと、
   前記車体モデルにおける前記車体部品のうち前記分割する位置及び／又は一体化を決定した前記車体部品を分割及び／又は一体化し、前記車体モデルにおける前記車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデルを生成する板厚の最適化解析モデル生成ステップと、
   前記最適化解析モデルにおける前記車体部品の板厚の最適化解析を行うための最適化解析条件として、前記最適化解析モデルの車体質量に関する目的条件と、前記最適化解析モデルの車体性能に関する制約条件と、を設定し、前記最適化解析モデルに与える荷重・拘束条件を設定する板厚の最適化解析条件設定ステップと、
   前記板厚の最適化解析条件設定ステップにおいて設定した前記荷重・拘束条件及び前記最適化解析条件の下で前記板厚の最適化解析を行い、前記最適化解析モデルにおける前記各車体部品の最適な板厚を求め、車体性能を保持しつつ車体の軽量化を図る板厚の最適化解析ステップと、
   を含むことを特徴とする車体の軽量化方法。
2. 前記感度解析ステップは、前記制約条件の下で前記目的条件を満たす前記各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とする請求項１記載の車体の軽量化方法。
3. 複数の車体部品を備えてなる車体モデルについて、車体性能に対する前記車体部品の感度の解析に基づいて、前記車体モデルの軽量化を行う車体の軽量化装置であって、
   複数の要素でモデル化した前記複数の車体部品と、該複数の車体部品を部品組みとして接合する接合点と、を備え、前記車体性能に対する前記車体部品の感度の解析のために、前記接合点に加えて前記部品組みを接合可能な全ての追加接合点を設定し、連続接合するものと模擬した前記車体モデルを取得する車体モデル取得部と、
   該車体モデルの車体性能に関する目的条件及び該車体モデルの体積に関する制約条件と該車体モデルに与える荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみを設定し、該荷重・拘束条件もしくは荷重条件のみ及び前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の車体性能に対する感度を求める感度解析部と、
   該各要素の車体性能に対する感度の差に基づいて、前記車体部品を分割する位置及び／又は一体化する前記車体部品を決定し、車体を軽量化するために車体部品を分割及び一体化し直しをする車体部品分割位置・一体化決定部と、
   前記車体モデルにおける前記車体部品のうち前記分割する位置及び／又は一体化を決定した前記車体部品を分割及び／又は一体化し、前記車体モデルにおける前記車体部品の板厚を設計変数とする最適化解析モデルを生成する板厚の最適化解析モデル生成部と、
   前記最適化解析モデルにおける前記車体部品の板厚の最適化解析を行うための最適化解析条件として、前記最適化解析モデルの車体質量に関する目的条件と、前記最適化解析モデルの車体性能に関する制約条件と、を設定し、前記最適化解析モデルに与える荷重・拘束条件を設定する板厚の最適化解析条件設定部と、
   前記板厚の最適化解析条件設定部により設定された前記荷重・拘束条件及び前記最適化解析条件の下で前記板厚の最適化解析を行い、前記最適化解析モデルにおける前記各車体部品の最適な板厚を求め、車体性能を保持しつつ車体の軽量化を図る板厚の最適化解析部と、
   を備えたことを特徴とする車体の軽量化装置。
4. 前記感度解析部は、前記制約条件の下で前記目的条件を満たす各要素の材料密度を算出し、該算出した各要素の材料密度を該各要素の感度とすることを特徴とする請求項３記載の車体の軽量化装置。

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