JP4989236B2 - 構造物モデル作成装置、構造物モデル作成方法、及び構造物モデル作成プログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物モデル作成装置、構造物モデル作成方法、及び構造物モデル作成プログラムに係り、より詳しくは、有限要素法等によりトロイダル状の構造物の性能を解析するための構造物モデルを作成する構造物モデル作成装置、構造物モデル作成方法、及び構造物モデル作成プログラムに関する。

回転軸に対して回転するトロイダル状の構造物、特に空気入りタイヤ、ソリッドタイヤ、タイヤチューブ等においては、たとえその形状が回転軸に対して軸対称であっても、その使用形態においては非軸対称な力を受ける。このため、上記のようなトロイダル状の構造物の数値解析を行う場合には、３次元モデルを使用することが必須となる。

トロイダル状の構造物の３次元モデルを作成する場合、構造物の３次元構造を直接モデル化する方法と、まず構造物の回転軸を含む平面で構造物を切った場合の断面をモデル化した２次元断面モデルを作成し、これを構造物の周方向に展開することにより３次元モデルを作成する方法とがある。

このようにして作成された３次元モデルを用いて有限要素法や境界要素法、有限体積法等を用いたシミュレーションを行い、変位、速度、応力、力、歪み等の物理量を算出することが従来から行われている。例えば特許文献１乃至特許文献３には、有限要素法によりタイヤの性能をシミュレーションする際のタイヤモデルの作成方法について開示されている。
特許第３３１４０８２号公報 特開２００６−１９９１５５号公報 特開２００６−１３６１号公報

しかしながら、トロイダル状の構造物は、周方向の全てにおいて同じ断面になるとは限らない。例えばタイヤの場合、タイヤ赤道面に対して直交する方向に延びる溝が周方向に間欠的に存在するタイヤをモデル化するためには、例えば溝のないタイヤを３次元モデル化しておき、さらに特定の断面に対していくつかの要素を削除することにより溝を形成する等の修正が必要となる。

従来のように単一の２次元断面モデルしか用いることができない場合には、３次元モデルを作成した後に個別に要素を追加、削除等の編集作業を行う必要があり、モデル化の作業が煩雑であった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、異なる形状の断面を有するトロイダル状の構造物の３次元モデルを容易に作成することができる構造物モデル作成装置、構造物モデル作成方法、及び構造物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記載の発明の構造物モデル作成装置は、トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定する２次元断面モデル設定手段と、複数種類の２次元断面モデルの配置を設定する配置設定手段と、前記複数の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成する作成手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、２次元断面モデル設定手段により、トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定する。この２次元断面モデルは、作成してもよいし、予め作成された２次元断面モデルを記憶手段に記憶しておき、この中から選択するようにしてもよい。また、トロイダル状の構造物とは、所定の回転軸に対して回転するものであればよく、必ずしも円環状に閉じている必要はなく、一部が開いていてもよい。

そして、配置設定手段により複数種類の２次元断面モデルの配置を設定し、作成手段により、複数種類の２次元断面モデルを配置設定手段によって設定された配置に従って構造物の周方向に展開することによりトロイダル状の構造物の３次元モデルを作成する。

このように、複数種類のトロイダル状の構造物の２次元断面モデルを設定し、これらの配置を所望の順序に設定して構造物の周方向に展開することにより３次元モデルを作成するので、様々な形状の構造物の３次元モデルを容易に作成することができる。

なお、請求項２に記載したように、前記２次元断面モデルを編集する編集手段と、前記作成手段は、前記編集手段による編集結果に基づいて、前記３次元モデルを修正する３次元モデル修正手段と、をさらに備えた構成としてもよい。

この場合、請求項３に記載したように、前記編集手段は、前記２次元断面モデルの追加、削除、一部変更、及び前記２次元断面モデルの配置の変更の少なくとも一つを行う構成としてもよい。

また、請求項４に記載したように、前記２次元断面モデル、前記２次元断面モデルの配置、及び前記３次元モデルを表示する表示手段をさらに備えた構成としてもよい。

請求項５記載の発明の構造物モデル作成方法は、コンピュータが、トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定し、複数種類の２次元断面モデルの配置を設定し、前記複数種類の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成することを特徴とする。

この発明によれば、コンピュータが、複数種類のトロイダル状の構造物の２次元断面モデルを設定し、これらの配置を所望の順序に設定して構造物の周方向に展開することにより３次元モデルを作成するので、様々な形状の構造物の３次元モデルを容易に作成することができる。

請求項６記載の発明の構造物モデル作成プログラムは、トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定するステップと、複数種類の２次元断面モデルの配置を設定するステップと、前記複数種類の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成するステップと、を含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

この発明によれば、複数種類のトロイダル状の構造物の２次元断面モデルを設定し、これらの配置を所望の順序に設定して構造物の周方向に展開することにより３次元モデルを作成するので、様々な形状の構造物の３次元モデルを容易に作成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、異なる形状の断面を有するトロイダル状の構造物の３次元モデルを容易に作成することができる、という効果を有する。

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本体１２、コンピュータ本体１２による演算結果や各種設定画面等を表示するＣＲＴ１４、及びＣＲＴ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から構成されている。

なお、コンピュータ本体１２には、記録媒体としてのフレキシブルディスク（ＦＤ）が挿抜可能なフレキシブルディスクユニット（ＦＤＵ）を備えている。なお、後述する処理ルーチン等は、例えばＦＤＵを用いてフレキシブルディスクＦＤに対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチンは、予めＦＤに記録しておき、ＦＤＵを介してＦＤに記録された処理プログラムを実行してもよい。また、コンピュータ本体１２に設けられたハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）に処理プログラムを格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、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ＦＤＵに代えて、またはさらにＣＤ−ＲＯＭ装置、ＤＶＤ−ＲＯＭ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置等を用いればよい。

なお、コンピュータ本体１２のハードディスクには、後述するタイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムや、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。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ本体１２で実行されるタイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムの処理ルーチンについて図２に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップ１００では、タイヤの２次元断面モデルを複数種類作成する。この２次元断面モデルは、タイヤの回転軸を含む面（タイヤの周方向と直交する方向を含む面）でタイヤを切ったときの断面のモデルである。

２次元断面モデルの作成では、まず２次元断面の外形形状を設定する。これは、２次元断面モデル作成用の画面をＣＲＴ１４に表示させ、マウス１６やキーボード１０をユーザーが操作することにより２次元断面の外形形状を指定させるようにしてもよいし、複数種類のタイヤの２次元断面の外形形状のデータをコンピュータ本体１２のハードディスク等に予め記憶しておき、これらの中から２次元断面の外形形状を選択させるようにしてもよい。

また、２次元断面の外形形状の設定の他、タイヤの材料等に関する各種パラメータ（例えばヤング率等）を設定することができる。これはユーザーに直接入力させるようにしてもよいし、複数種類のパラメータの中からユーザーに選択させるようにしてもよいし、予め定めたパラメータを設定するようにしてもよい。

そして、２次元断面の外形形状の設定やタイヤの材料等に関する各種パラメータを設定した後、数値解析上の２次元断面モデルを作成する。このモデルの作成は、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、作成する２次元断面モデルは、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（メッシュ）に分割したときの各要素の節点等に関するデータ等を含む。

この要素分割とは、タイヤを多数の（有限の）要素（小部分）に分割することをいう。要素は、例えば四面体要素や五面体要素、六面体要素等とすることができる。本実施形態では、一例として六面体要素に要素分割する。この要素ごとに数値計算を行い全ての要素について計算した後、全部の要素を組み合わせることにより全体の応答を得ることができる。なお、数値解析手法には有限要素法に限らず、差分法や有限体積法、個別要素法（ＤＥＭ）等の他の公知の数値解析手法を用いても良い。

上記のようにして２次元断面モデルを複数種類作成する。作成した２次元断面モデルの例を図３、４に示した。図３に示すように、２次元断面モデル２０は、複数の要素２０Ａから成るモデルであり、図４に示すように、２次元断面モデル２２は、複数の要素２２Ａから成るモデルである。

作成した２次元断面モデル２０、２２は、例えば図５に示すように、ＣＲＴ１４に表示されるタイヤモデル作成画面２４上のサブウィンドウ２６、２８に各々表示される。

なお、図４に示すように、２次元断面モデル２２は、図３に示す２次元断面モデル２０の上部が一部削られた形状、すなわち溝４２が設けられた形状となっている。この場合、ユーザーは、図５に示すタイヤモデル作成画面２４において、２次元断面モデル２０をコピーし、これの上部を一部削除する指定を行うことにより２次元断面モデル２２を作成することができる。これにより、最初から２次元断面モデル２２を作成する必要がなく、利便性を向上させることができる。

上記では、複数種類の２次元断面モデルを作成する場合について説明したが、予め作成した複数種類の２次元断面モデルをコンピュータ本体１２のハードディスク等に予め記憶しておき、これらの中から所望の複数の２次元断面モデルをユーザーに選択させるようにしてもよい。

ステップ１０２では、ステップ１００で作成した２次元断面モデルの配置、すなわちタイヤの周方向における２次元断面モデル配置順序を設定する。例えば、ユーザーは、図５に示すタイヤモデル作成画面２４上のサブウィンドウ３０において、２次元断面モデル２０（２次元断面モデルＡ）と２次元断面モデル２２（２次元断面モデルＢ）の配置（タイヤの周方向における順序）を指定することができる。なお、図５では、２次元断面モデルＡ、Ｂを交互に配置するよう設定した例を示した。

ステップ１０４では、ステップ１０２で設定した配置に従って複数種類の２次元断面モデルをタイヤの周方向に展開し、タイヤの３次元モデルを作成する。このようにして作成した３次元モデルの一例を図６に示した。図６に示した３次元モデル３２は、図３、４に示した２次元断面モデル２０、２２を交互に配置するように設定して３次元モデルを作成したものである。作成した３次元モデル３２は、図５に示すタイヤモデル作成画面２４上のサブウィンドウ３４に表示される。なお、各サブウィンドウは、必要に応じて表示位置やウィンドウの大きさの変更、ウィンドウの削除や呼び出し等を行うことが可能である。

従来においては、例えば図３に示したような１種類の２次元断面モデル２０をタイヤの周方向に展開して図７に示すような３次元モデル３６を作成することができるだけであったが、本実施形態では、複数種類の２次元断面モデルを作成することができると共に、これらのタイヤの周方向における配置を自由に設定することができるので、様々なパターンの溝を有するタイヤの３次元モデルを容易に作成することができる。従って、特に初期段階におけるタイヤ設計の検討を容易に行うことができ、設計効率の向上を図ることができる。

ステップ１０６では、タイヤモデル作成画面２４上で、作成したタイヤの３次元モデルの編集を指示したか否かを判断し、ユーザーが編集を指示した場合には、ステップ１０８へ移行し、そうでない場合はステップ１１０へ移行する。

ステップ１０８では、ユーザーが指示した編集処理を実行する。ここで、編集とは、例えば２次元断面モデルの一部変更（修正）、追加、削除、配置の変更、３次元モデルの一部変更等をいう。

２次元断面モデルの一部変更では、例えば２次元断面モデル２０を一部変更して図８に示すような２次元断面モデル３８を作成することができる。図８に示す２次元断面モデル３８では、溝４０が２個設けられている。この場合、ユーザーは、図５に示すタイヤモデル作成画面２４のサブウィンドウ２６上において、溝４０に相当する部分の要素の削除を指定することにより、図３に示す２次元断面モデル２０を図８に示す２次元断面モデル３８に修正することができる。この場合は、２次元断面モデル２０を表わすデータから溝４０に相当する部分の要素のデータを削除することにより、２次元断面モデル３８を表わすデータを作成することができる。なお、要素の削除ではなく、図４に示す２次元断面モデル２２の溝４２の中央部分に要素を追加することにより図８に示す２次元断面モデル３８を作成することも可能である。

上記のようにして２次元断面モデル２２を図８に示すような２次元断面モデル３８に修正して、２次元断面モデル２０と交互に配置すると、図９に示すような３次元モデル４４を作成することができる。

また、２次元断面モデルの一部変更では、要素の追加や削除だけでなく、要素の節点の位置を変更すること等により、要素の形状を変更することも可能である。

また、２次元断面モデルの追加では、ステップ１００と同様の処理により新たに２次元断面モデルを作成したり、予めコンピュータ本体１２のハードディスク等に記憶された２次元断面モデルを選択したりする等して２次元断面モデルを追加することができる。例えば図１０に示すような２次元断面モデル４６を追加し、２次元断面モデル２０、３８、２０、４６の順に配置するよう設定した場合には、図１１に示すような３次元モデル４８を作成することができる。

２次元断面モデルの削除では、例えば図５に示すタイヤモデル作成画面２４のサブウィンドウ３０において削除したい２次元断面モデルを指定することにより２次元断面モデルを削除することができる。

２次元断面モデルを編集した後は、ステップ１０２と同様の処理により２次元断面モデルの配置を設定し、ステップ１０４と同様の処理により２次元断面モデルをタイヤの周方向に展開する。これにより、２次元断面モデルを修正するだけで自動的に３次元モデルを修正することができ、３次元モデルの修正を容易に行うことができる。

なお、２次元断面モデルを修正するのではなく、３次元モデルに対して要素の削除や追加、要素形状の変更等を行うことにより、３次元モデルを直接修正するようにしてもよい。この場合、ユーザーは、図５に示すタイヤモデル作成画面２４のサブウィンドウ３４上において、要素の削除や追加、要素形状の変更等を指定する。これにより、３次元モデルを直接修正することができる。

ステップ１１０では、ユーザーにより、作成した３次元モデルの性能解析を実行するよう指示があったか否かを判断し、指示があった場合はステップ１１２へ移行し、指示がなかった場合にはステップ１２０へ移行する。

ステップ１１２では、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１１２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って、路面形状を要素分割して路面をモデル化し、路面の摩擦係数μを選択して入力することで路面状態を入力する。すなわち、路面状態により乾燥状態、濡れた状態、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。

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１１４において、境界条件の設定がなされる。境界条件の設定は、タイヤモデルに内圧、荷重、変位、回転速度、トルク等を負荷させることや直進速度または路面速度を負荷させることである。

そして、ステップ１１６では、ステップ１１４で設定された境界条件のもとで有限要素法によりタイヤの変形計算を行い、タイヤの歪み等をシミュレーションする。

ステップ１１８では、ステップ１１６のタイヤの変形計算に基づくシミュレーション結果、例えばタイヤの形状等をＣＲＴ１４に表示する。

ステップ１２０では、ユーザーによりタイヤモデルの再作成が指示されたか否かを判断し、再作成が指示された場合には、ステップ１００へ戻って上記と同様の処理を繰り返す。一方、再作成が指示されていない場合には、ステップ１２２へ移行する。

ステップ１２２では、ユーザーによりタイヤモデルの作成及び解析を終了するよう指示があったか否かを判断し、終了指示がない場合にはステップ１０６へ戻って上記と同様の処理を繰り返し、終了指示があった場合には本ルーチンを終了する。

このように、本実施形態では、複数種類のタイヤの２次元断面モデルを作成し、これらの配置を所望の順序に設定してタイヤの周方向に展開することによりタイヤの３次元モデルを作成するので、様々なパターンの溝を有するタイヤの３次元モデルを容易に作成することができる。従って、特にタイヤの設計の初期段階において、様々な形状のタイヤモデルを作成して解析する作業を効率よく行うことができる。

なお、本実施形態では、空気入りタイヤの３次元モデルを作成する場合について説明したが、これに限らず、回転軸に対して回転するトロイダル状の構造物、例えばソリッドタイヤ、タイヤチューブ等についても本発明を適用可能である。

タイヤモデルの作成や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。 タイヤモデル作成及びタイヤ性能解析プログラムのフローチャートである。 タイヤの２次元断面モデルの一例を示す断面図である。 タイヤの２次元断面モデルの一例を示す断面図である。 タイヤモデル作成画面の一例を示す図である。 タイヤの３次元モデルの一例を示す斜視図である。 タイヤの３次元モデルの一例を示す斜視図である。 タイヤの２次元断面モデルの一例を示す断面図である。 タイヤの３次元モデルの一例を示す斜視図である。 タイヤの２次元断面モデルの一例を示す断面図である。 タイヤの３次元モデルの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ キーボード
１２ コンピュータ本体
１４ ＣＲＴ
１６ マウス

Claims (6)

1. トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定する２次元断面モデル設定手段と、
   複数種類の２次元断面モデルの配置を設定する配置設定手段と、
   前記複数種類の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成する作成手段と、
   を備えたことを特徴とする構造物モデル作成装置。
2. 前記２次元断面モデルを編集する編集手段と、
   前記作成手段は、前記編集手段による編集結果に基づいて、前記３次元モデルを修正する３次元モデル修正手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の構造物モデル作成装置。
3. 前記編集手段は、前記２次元断面モデルの追加、削除、一部変更、及び前記２次元断面モデルの配置の変更の少なくとも一つを行うことを特徴とする請求項２記載の構造物モデル作成装置。
4. 前記２次元断面モデル、前記２次元断面モデルの配置、及び前記３次元モデルの少なくとも一つを表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の構造物モデル作成装置。
5. コンピュータが、
   トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定し、
   複数種類の２次元断面モデルの配置を設定し、
   前記複数種類の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成する
   構造物モデル作成方法。
6. トロイダル状の構造物の回転軸を含む面における前記構造物の断面を有限個の複数の要素に分割した２次元断面モデルを複数種類設定するステップと、
   複数種類の２次元断面モデルの配置を設定するステップと、
   前記複数種類の２次元断面モデルを前記配置設定手段によって設定された配置に従って前記構造物の周方向に展開することにより前記構造物の３次元モデルを作成するステップと、
   を含む処理をコンピュータに実行させるための構造物モデル作成プログラム。

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