構造物の補剛方法

【課題】複雑な構造物の剛性を向上させるために補剛すべき箇所を特定し、また、部材板厚を減じて軽量化しながら剛性を確保するための補剛方法を提供する。
【解決手段】弾性有限要素解析により計算された構造物全体のひずみエネルギからひずみエネルギ勾配を算出し、ひずみエネルギ勾配の大きい箇所について、ひずみエネルギ勾配に沿って構造物を補剛する。ひずみエネルギ勾配の大きい箇所を選択することにより、補剛箇所の特定を迅速に行なうことができるとともに、余分な重量増を伴わずに効果的に補剛することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や電機製品など板状の部材によって構成される構造物において、弾性有限要素解析（以下、剛性解析）により計算された結果を用いて構造物の補剛を行なう方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車や電機製品など板状の部材によって構成される構造物の設計において、剛性解析により構造物に一定荷重あるいは一定変位を作用させた場合に生じる応力、変位、ひずみエネルギ、固有振動数などを計算し、これらの計算結果を参照しながら静剛性あるいは動剛性が高くなるような設計が行なわれている。
【０００３】
この設計は、一般的には次のような手順で行なわれている。先ず、設計または評価対象となる構造物の元形状を準備する。次に、元形状に基づいて剛性解析の形状モデルを作成し、荷重や拘束などの境界条件を付与して計算を実施する。次に、計算結果から、応力や変位、ひずみエネルギの高い部位を抽出し、これらの部位を補強するようにして設計変更を行なう。その後、設計変更後の形状について剛性解析を実施し、再度応力や変位、ひずみエネルギの評価を行なう。
【０００４】
しかしながら、この設計方法では、必ずしも応力や変位、ひずみエネルギの高い部位が補強するべき部位となるわけではなく、設計者の経験や試行錯誤により補強部位を決定していた。
【０００５】
また、非特許文献１、非特許文献２などにおいては、構造各部の補剛、計算を繰り返して、評価すべき応力や変位、固有振動数に対する感度の高い部位を探索する最適化手法などが考案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「計算力学ハンドブック（Ｉ有限要素法構造編）」、日本機械学会、丸善、Ｐ．２５６〜Ｐ．２９２
【非特許文献２】「技術報告シリーズ２２構造最適化技術の検討」、自動車技術会、Ｐ．４３〜Ｐ．７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来は、剛性解析により構造各部のひずみエネルギを計算し、その分布度合いに応じて設計者が経験などを基にしたり試行錯誤したりしながら補剛方法を検討、設計していた。しかし、構造物が大規模、複雑化するにしたがい、剛性解析の結果においても構造内の多数の部位で応力、変位、ひずみエネルギが高位となり、補剛するべき箇所の特定が困難となっている。そのため、上記の最適化手法を適用しても、補剛、計算の繰り返しを数十回から数百、数千回も行なわなければ補剛部位を特定できず、多大な計算コストおよび時間を要する。
【０００８】
また、近年、消費エネルギの軽減や運動性能の向上、コスト削減のため、構造物の軽量化要求が大きく、設計者は部品板厚の低減や部品点数の削減により対応を行なっている。しかし、部品板厚を低減すると一般に剛性は低下するため、軽量化と剛性を確保することは相反することになり、重量増を伴わずに補剛を行なうことは困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は、構造物の剛性を向上させるために補剛すべき箇所を容易に特定し、また、部材板厚を減じて構造物を軽量化しても剛性を確保できるための補剛方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するために、剛性解析の結果と補剛すべき箇所の関係について検討した結果、ひずみエネルギの勾配の大きい箇所を補剛すべきであることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、
（１）構造物の補剛方法であって、構造物全体のひずみエネルギを弾性有限要素解析により計算し、ひずみエネルギからひずみエネルギ勾配を算出し、ひずみエネルギ勾配の大きい箇所について、ひずみエネルギ勾配に沿って構造物を補剛することを特徴とする構造物の補剛方法。
（２）形状または寸法の変更を伴う構造物の補剛方法であって、構造物の形状または寸法の変更前後のそれぞれのひずみエネルギを弾性有限要素解析により計算し、ひずみエネルギから、変更前後のひずみエネルギ差分を算出し、ひずみエネルギ差分の大きい箇所において、変更後の構造物におけるひずみエネルギ勾配を算出し、ひずみエネルギ勾配に沿って構造物を補剛することを特徴とする構造物の補剛方法。
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、剛性解析により構造物各部のひずみエネルギを計算し、その計算結果を用いて構造全体のひずみエネルギ勾配を算出し、勾配の大きい箇所を選択することにより、補剛箇所の特定を迅速に行なうことができる。また、ひずみエネルギ勾配の方向に沿ってビードを配置することによって、余分な重量増を伴わずに効果的に補剛することができる。さらには、複数の構成部材の板厚などの寸法が変更された場合でも、変更前後のひずみエネルギの差分の大きい箇所を選択し、ひずみエネルギ勾配に沿ってビードを配置することにより、大規模構造物の補剛箇所を容易に特定し補剛することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施形態にかかる補剛方法の流れを説明するフローチャートである。
【図２】本発明の第二の実施形態にかかる補剛方法の流れを説明するフローチャートである。
【図３】実施例１における構造物の外観を示す斜視図である。
【図４】実施例１におけるひずみエネルギ分布の解析結果を示す図である。
【図５】実施例１におけるひずみエネルギ勾配を示す図である。
【図６】図３の構造物の補剛位置を示す図であり、（ａ）は実施例１による補剛方法、（ｂ）は従来方法による補剛方法である。
【図７】実施例１における補剛前後の剛性変化を示すグラフである。
【図８】実施例２における構造物の外観を示す斜視図である。
【図９】実施例２における板厚変更前の構造物のひずみエネルギ分布の解析結果を示す図である。
【図１０】実施例２における板厚変更後の構造物のひずみエネルギ分布の解析結果を示す図である。
【図１１】実施例２における板厚変更前後の構造物のひずみエネルギ差分を示す図である。
【図１２】実施例２における構造物のひずみエネルギ勾配を示す図である。
【図１３】図８の構造物の補剛位置を示す図であり、（ａ）は実施例２による補剛方法、（ｂ）は従来方法による補剛方法である。
【図１４】実施例２における補剛前後の剛性変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第一の実施形態を示すフローチャートである。図１を参照して、本発明の構造物の補剛方法を説明する。まず、剛性解析入力データとして、対象とする構造物の形状、材料の板厚、ヤング率、ポアソン比、比重、および拘束条件、荷重条件あるいは強制変位条件を設定し、これらの剛性解析入力データを入力し（１０１）、コンピュータの剛性解析プログラムにより剛性解析を行う（１０２）。上記剛性解析入力データに基づいてコンピュータが剛性解析を行うと、剛性解析結果として、構造物の変位、応力分布、ひずみエネルギ分布、固有振動数からなる剛性解析出力データを出力する（１０３）。
【００１６】
次に、剛性解析出力データのひずみエネルギ分布を用いて、コンピュータにより構造物中のひずみエネルギ勾配を計算し（１０４）、ひずみエネルギ勾配出力データを出力する（１０５）。次に、このひずみエネルギ勾配出力データをコンタ図などで可視化して、ひずみエネルギ勾配の大きい部位を選定する（１０６）。そして、ひずみエネルギ勾配の大きい部位に沿って補剛を行ない（１０７）、補剛後の形状を補剛形状出力データとして出力する（１０８）。
【００１７】
図２は、本発明の第二の実施形態を示すフローチャートであり、形状または寸法の変更を伴う構造物の補剛方法を示す。図２を参照して、本発明の構造物の補剛方法を説明する。まず、剛性解析入力データＡとして、板厚を変更する前の構造物の形状、材料の板厚、ヤング率、ポアソン比、比重、および拘束条件、荷重条件あるいは強制変位条件を設定し、これらの剛性解析入力データＡを入力し（２０１）、コンピュータの剛性解析プログラムにより剛性解析を行なう（２０２）。上記剛性解析入力データＡに基づいてコンピュータが剛性解析を行なうと、剛性解析結果として、構造物の変位、応力分布、ひずみエネルギ分布、固有振動数からなる剛性解析出力データＡを出力する（２０３）。さらに、剛性解析入力データＢとして、板厚を変更した後の構造物の形状、材料の板厚、ヤング率、ポアソン比、比重、および拘束条件、荷重条件あるいは強制変位条件を設定し、これらの剛性解析入力データＢを入力し（２０４）、コンピュータの剛性解析プログラムにより剛性解析を行なう（２０５）。上記剛性解析入力データＢに基づいてコンピュータが剛性解析を行なうと、剛性解析結果として、構造物の変位、応力分布、ひずみエネルギ分布、固有振動数からなる剛性解析出力データＢを出力する（２０６）。
【００１８】
次に、剛性解析出力データＡおよび剛性解析出力データＢを用いて、コンピュータにより両者のひずみエネルギの差分を計算し（２０７）、ひずみエネルギ差分出力データを出力する（２０８）。次に、このひずみエネルギ差分出力データを可視化して、ひずみエネルギ差分値の大きい部位を選定する（２０９）。
【００１９】
ひずみエネルギ差分の大きい部位について、剛性解析出力データＢのひずみエネルギ分布を用いて、コンピュータにより構造物中のひずみエネルギ勾配を計算し（２１０）、ひずみエネルギ勾配出力データを出力する（２１１）。このひずみエネルギ勾配出力データをコンタ図などで可視化して、ひずみエネルギ勾配の大きい部位に沿って補剛を行ない（２１２）、補剛後の形状を補剛形状出力データとして出力する（２１３）。
【００２０】
なお、ひずみエネルギ勾配およびひずみエネルギ差分の大きい箇所を選定する場合、周辺要素よりもひずみエネルギおよびひずみエネルギ差分が大きい部位を選定すればよいが、ひずみエネルギ勾配およびひずみエネルギ差分全体の上位２０％以内、好ましくは上位１０％以内である要素を含むように部位を選択する。
【００２１】
剛性解析については、市販の有限要素解析プログラムや自製のプログラムを用いればよい。剛性解析用のプログラムでは、MSC.Nastran、MSC.Marc、ABAQUS、ANSYS等の市販のソルバがある。また、ひずみエネルギの勾配や差分の計算および可視化にも、市販または自製のプログラムを用いればよい。ひずみエネルギ勾配の可視化、ひずみエネルギ差分の計算および可視化のプログラムでは、animator3、MetaPost等の市販のポスト処理ツールがある。
【００２２】
図１および図２の１０１、２０１、２０４のステップで入力される入力データは、都度外部の入力手段から入力してもよいし、プログラムの中で自動的にデータを取り込んでもよい。１０３、１０５、２０３、２０６、２０８、２１０のステップで出力される出力データは、電子ファイルとして生成し、必要に応じて自製プログラムの計算などで使用する。
【００２３】
ひずみエネルギ勾配に沿って補剛する方法としては、板状の部材であれば凹凸の形状を設けたり、板厚を局部的に増したり、新たな部材を取り付けてもよい。
【００２４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【実施例１】
【００２５】
本発明の第一の実施形態にかかる実施例として、図３に示す構造物１の剛性を高くするための補剛方法を求める。本実施例において、剛性の大小は、１次固有変形モードの固有振動数で判断し（固有振動数が大きいほど剛性が高い）、荷重、拘束なしでの固有振動計算について、有限要素解析により剛性解析を行なった。構造物１の寸法は、長さ３８０ｍｍ、端部断面直径６０ｍｍ、中央部断面幅６０ｍｍ、中央部断面高さ９５ｍｍ、板厚２．３ｍｍである。材料は、普通鋼であり、ヤング率２０６ＧＰａ、ポアソン比０．３、比重７．８６である。
【００２６】
市販の有限要素解析プログラム「MSC.Nastran」を用いて、上記剛性解析条件のデータを入力して剛性解析を実施し、構造物１の固有振動変形モード、固有振動数、ひずみエネルギ分布を算出した。図４は、剛性解析により得られたひずみエネルギ分布を示し、側面の中央部が、ひずみエネルギ値の大きい部位２として濃く表示された。
【００２７】
次に、自製プログラムにより、図４に示すひずみエネルギ分布に基づいて、ひずみエネルギ勾配を計算した。図５は、ひずみエネルギ勾配を示し、側面の二箇所に、ひずみエネルギ勾配の大きい部位３が表示された。
【００２８】
これらの結果を元に、本発明の補剛方法および従来方法により補剛を実施した。図６（ａ）は本発明による補剛であり、図５に示すひずみエネルギ勾配の大きい部位３に沿って、二箇所にビード（板状部材に凹凸を設けたもの）４を設けた。ビード４の寸法は、それぞれ長さ１６８ｍｍ、幅１５ｍｍ、深さ５ｍｍである。また、図６（ｂ）は従来方法による補剛であり、図４に示すひずみエネルギ値の大きい部位２にビード５を設けた。ビード５の寸法は、長さ６７ｍｍ、幅２１ｍｍ、深さ５ｍｍである。
【００２９】
それぞれの方法で補剛を実施した構造物１の形状を新たな剛性解析条件として剛性解析を実施し、補剛による剛性向上の効果を確認した。図７は、補剛前、従来方法による補剛、本発明による補剛における１次固有モード固有振動数を示し、補剛前は９３１Ｈｚ、従来方法により補剛したものは９６２Ｈｚ、本発明により補剛したものは９８５Ｈｚとなった。したがって、本発明による補剛方法が、従来方法による補剛よりも効果が大きいことがわかった。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第二の実施形態にかかる実施例として、図８に示す構造物１１の剛性を高くするための補剛方法を求める。本実施例においては、剛性の大小は、部材中央部のたわみ量で判断する（たわみ量が小さいほど剛性が高い）。図８に示すように、構造物１１の両端を単純支持し、構造物１１の中央部に５ｋＮの荷重を作用させた状態について、有限要素解析により剛性解析を行なった。対象構造物１１は、ハット型部材１２と平板１３をスポット溶接により接合したものであり、ハット型部材１２の寸法は、長さ１０００ｍｍ、断面幅８０ｍｍ、断面高さ８０ｍｍ、フランジ幅２０ｍｍ、板厚１．６ｍｍである。平板１３の寸法は、長さ１０００ｍｍ、幅１２０ｍｍである。両部材とも材料は普通鋼であり、ヤング率２０６ＧＰａ、ポアソン比０．３、比重７．８６である。また、軽量化を図るため、ハット型部材１２の中央部分４００ｍｍ長さ範囲の中央部１４の板厚を１．２ｍｍに減じた。
【００３１】
市販の有限要素解析プログラム「MSC.Nastran」を用いて、上記剛性解析条件のデータを入力して、構造物１１のハット型部材中央部１４の板厚変更前後それぞれについて、剛性解析を実施し、構造物１１の変位、応力分布、ひずみエネルギ分布を算出した。図９は、板厚変更前のひずみエネルギ分布を示し、図１０は、板厚変更後のひずみエネルギ分布を示す。
【００３２】
自製プログラムにより、剛性解析で得られた図９、図１０に示すひずみエネルギ分布に基づいて、ひずみエネルギ差分を計算した。ひずみエネルギ差分の計算結果を図１１に示す。図１１より、ハット型部材中央部１４のひずみエネルギ差分が大きいので、ハット型部材中央部１４を、ひずみエネルギ勾配計算、補剛対象部位として選定した。
【００３３】
自製プログラムにより、剛性解析により得られた図１０に示すひずみエネルギ分布に基づいて、ひずみエネルギ勾配を計算した。その結果を図１２に示す。
【００３４】
本発明の補剛方法および従来方法により、構造物１１の補剛を実施した。図１３（ａ）は本発明による補剛であり、図１２に示されたひずみエネルギ勾配の大きい部位に沿って、二箇所にビード１５を設けた。ビード１５の寸法は、それぞれ長さ３９０ｍｍ、幅１５ｍｍ、深さ５ｍｍである。また、図１３（ｂ）は従来方法による補剛であり、図１０に示されたひずみエネルギ値の大きい部位にビード１６を設けた。ビード１６の寸法は、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、深さ５ｍｍである。
【００３５】
補剛を実施した構造物１１の形状を新たな剛性解析条件として剛性解析を実施し、補剛による剛性向上の効果を確認した。図１４は、補剛前、従来方法による補剛、本発明による補剛における部材中央部のたわみ量を示し、板厚変更前は０．７０１２ｍｍ、板厚変更後は０．７８６８ｍｍ、従来方法による補剛は０．８４６５ｍｍ、本発明による補剛は０．７８２４ｍｍであった。したがって、本発明による補剛が従来方法による補剛よりも効果が大きいことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、板状の部材によって構成される構造物の補剛方法として適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１、１１構造物
２ひずみエネルギ値の大きい部位
３ひずみエネルギ勾配の大きい部位
４、５ビード
１２ハット型部材
１３平板
１４ハット型部材中央部
１５、１６ビード

【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の補剛方法であって、
構造物全体のひずみエネルギを弾性有限要素解析により計算し、ひずみエネルギからひずみエネルギ勾配を算出し、ひずみエネルギ勾配の大きい箇所について、ひずみエネルギ勾配に沿って構造物を補剛することを特徴とする構造物の補剛方法。
【請求項２】
形状または寸法の変更を伴う構造物の補剛方法であって、
構造物の形状または寸法の変更前後のそれぞれのひずみエネルギを弾性有限要素解析により計算し、ひずみエネルギから、変更前後のひずみエネルギ差分を算出し、ひずみエネルギ差分の大きい箇所において、変更後の構造物におけるひずみエネルギ勾配を算出し、ひずみエネルギ勾配に沿って構造物を補剛することを特徴とする構造物の補剛方法。

【図１】