1

1

自動車ボディにおけるFOA-First Order Analysis-

豊田中央研究所　　尼子龍幸，鶴見康昭，

　　　　　　　　　　　西垣英一，小島芳生

ミシガン大　　　　　　菊地昇

2http://www.tytlabs.co.jp/office/library/review/rev371j.html

3 4

・開発プロセスの変遷・CAEの役割・FOAの概念・FOAのコンポーネント・FOAツールの事例・FOAの活用で期待されること・これからのFOA

目次

5

TOYOTATOYOTA’’ss CAR LISTS (66 cars)CAR LISTS (66 cars)トヨタ自動車ホームページより

6

開発プロセスの変遷- 10 years ago -

企画 設計 試作 実験 生産

設変1,2,3,･･･

検証としてのCAE

2

7

企画 試作 実験 生産設計 CAE

短縮化

開発プロセスの変遷- CAEによる数値実験 -

8

企画 試作 実験 生産

設計/CAE

設計/CAE

設計/CAE

さらなる短縮化

開発プロセスの変遷- Now and Future -

CAEの役割が設計の良否に大きく反映

１．より高度に（複合解析，大規模解析）２．より簡単に(CADに統合されたCAE)

9

数値実験的なＣＡＥ

Courtesy of NHTSA

Cou

rtes

y of

MSC

10

数値実験的であるがゆえに…

企画 試作 実験 生産設計 CAE

設計者はCAEの間，待つしかない。

（数時間か数日か，あるいは数週間か）

解析に必要なノウハウモデルの作成時間…

（専門家の仕事）

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CAEの役割

詳細設計概念設計

企画 設計 実験試作

CAE for engineers

CAE for designers

ユーザにとって効率的に効果的な情報が得られなければならない

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FOAの使用イメージ

簡単な作業

アイディアの創出自分で評価 交渉の道具

FOA

Designer

設計者のためのCAE

日常の設計業務を支援するために

工学的裏付け

3

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FOAの構成

• 手軽で容易に扱える→　グラフィカルなインターフェース

（Microsoft/Excel,VB）

• 想定する設計の妥当性を簡便に検討→　力学的な基礎知識で理解できる手法

（梁要素とパネル要素）

• 新規構造のヒントや補強部材配置に示唆→　梁要素を用いたトポロジー最適化機能

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FOA v.s. Current

FOA Current CAEユーザ 　　設計者 　　　　 CAE 解析者モデル 　　beam,panel shell,solid時間 　2～3時間以内　 一週間以内精度 　　　　　 定性的 　　定量的目的　　　　　　　 概念設計　　　　　　 詳細設計ハード 　　　 （ノート）PC EWS以上

　(personal) (common)

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Modeling： beam

y

z

Node 1

Node 2

Springs (Bushings) to Represent Joint Stiffness

16

11

12

21

31 22

31

0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1

x

y s

xy

ccc

c cc

σστ

= = = =

s N c

11

11 12 12

21 22 21

31 22

31

1 0 0 00 0 1 00 0 0 0 1

x

y s

xy

cc c y y cc c x x c

c cc

σστ

+ = = + = =

s N c

Modeling:Panel • Stress interpolation function is assumed

(1) Normal and shear stress considered

(2) Only shear stress consideredComparison of results obtained by two assumptions provides important design suggestions

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( )

[ ] [ ] [ ] [ ]( )

R

c cd c c

dc d d-1

c cd d dc

c

c

c

c

ω

= =

=

=

−

K K U FK U

K K U 0

K K K K

K U

U F

F

　

Modeling: flexible joint

Gyuan reduction technique is used

18

Analysis: Cross-section• Interactive Analysis and Design• Calculation of Cross-sectional properties

4

19

Analysis:Topology Optimization

(a)

(b)

0.20 m

0.10 m

0.10 mx

y

z

(a)

(b)

20

fu

Panel

Design domain

Beam

Applied forces

Ground Structure Approach

minimize for =1,...,vi

Tj jjl j mρ

= f u

1

np U

vi ii

V AL VρΩ

=

= ≤∑Subject to

Mean Compliance

0 1 for =1,...,vi i nρ≤ ≤

for =1,...,j j j m=Ku f

iLvi Aρ

Analysis:Topology Optimization

21

TOYOTA CRDL, INC.

解析プログラムは、

　 Visual Basic for Application (VBA)が組込まれた 　

　 Microsoft/Excel を用いて開発。

このVBAの機能を用いることで、クリックにより、

　　　 (1) セルデータの読み書き

　　　 (2) 他のシートへの移動

　　　 (3) 数値演算

　　　 (4) 外部ファイルとの入出力

　　　 (5) 外部プログラムの起動

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FOA/Body

Hierarchical Data

Click !Excel Sheets

Body in White

Greenhouse

23

Click !Click !

3D View of Body in White

Change of Panel Thickness

Cross-sectionDesign & Analysis

Change of Frame Length

FOA/Body24

FOA/Body

Click ! Setting of Boundary Conditions

Click !

Static Analysis

Click !

Eigen-Value Analysis

5

25

TOYOTA CRDL, INC.

トーションビーム式サスへの応用例

トーションビーム

トレーリングアーム

ブッシュ コイルスプリング

ショックアブソーバ

サス特性予測計算

　詳細モデルによる有限要素解析

　弾性を考慮した機構解析設計者には時間的，技術的な負担大　⇒　FOAによる設計ツール化

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TOYOTA CRDL, INC.

FOAツールの初期Excel画面

27

TOYOTA CRDL, INC.

トーションビーム設計のExcel画面

断面形状作成

引伸ばしFEMモデル 自由度

縮退

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断面形状の引伸ばしによる　　　有限要素モデルの自動作成

自由度縮退手法による12×12　剛性マトリックスへの自動変換

縮退剛性マトリックス作成

シェル要素ビーム要素縮退点

[Ｋ]TOYOTA CRDL, INC.

29

-60

-40

-20

0

20

40

60

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0

角度 deg

スト

ロー

ク量

mm

実験結果

計算結果

キャンバ角

トー角

キャンバ角

トー角

左右輪逆相変位時のアライメント変化

検証

TOYOTA CRDL, INC.

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TOYOTA CRDL, INC.

　　　　概念設計段階で設計者が容易に扱える

(1)積み木を積上げる感覚で設計空間である三次元の　　グランドストラクチャアを構築できる機能を開発

梁要素を用いたトポロジー最適化機能の内容

6

31

TOYOTA CRDL, INC.

４頂点を移動立方体→四角形

モデル作成事例

ブロック（４）↓

四角形（４）

４頂点を移動立方体→四角錐

ブロック（１）↓

四角錐（１）

32

TOYOTA CRDL, INC.

Applied Unit Load toward -Y Direction

Four Points are Fixed to Ground

負荷・境界条件　　　　　　　　　　　　最適化結果

33

TOYOTA CRDL, INC.

Applied Unit Load toward -Y Direction

Four Points areFixed to Ground

歪エネルギがほぼ均一分布

考察支援（歪エネルギ分布、変形図）

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TOYOTA CRDL, INC.

Applied Unit Load toward -Y Direction

Four Points areFixed to Ground

変形モード確認

圧縮力を受持つ

引張力を受持つ

考察支援（軸力分布、変形図）

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トポロジー最適化の Ｅｘｃｅｌ シートの例１

36トポロジー最適化を用いた穴の空いた板構造物に対する補強部材の最適配置問題

設計領域と初期形状

負荷・境界条件と最適化結果

7

37

Digital Process 上での技術の伝承

よいDNAをつなげていく役目

FOA

試作CAECAD企画

FOA

試作 実験 生産CAECAD企画

FOA

試作 実験 生産CAECAD企画

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FOA の基本的な考え方

Product Oriented Analysis

工業製品の開発には長年の蓄積のノウハウ

Stereo typeに沿ったモデルを作れば大体OK

それをベースに解析できれば設計者でも操作可能

Stereo type

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今後のFOA

１．対象（製品）に特化したモデル作成機能

　　→Ｅｘｃｅｌからの進化

２．設計者を意識した作業環境

　　→パラメータ設定や簡便な作業手順

３．目的にあった解析法の導入

　　→新しいソルバーの開発，市販ソフトの活用

４．考察支援・設計教育への展開

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モデル作成機能

• 幾何学的なレイアウトの作成と同時に，工学的な属性の定義を可能とするGUI

Drawing a line

Click ! Click !

境界条件設定断面設計

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設計者を意識した作業環境

ﾂﾘｰｱｳﾄﾗｲﾝ

詳細ﾋﾞｭｰ

例：DesignSpace作業画面

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汎用ソルバーの利用

FOAプリ ANSYS FOAポスト

製品に必要な解析から必要な情報を獲得する

例：ＡＮＳＹＳソルバーの利用

8

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詳細設計の中でのFOAdB

Initial Improved

Hz80 100 120 140 160 18010

20304050

8dB

100万節点の情報から

応力や変位だけでなく設計者が欲しい情報を取り出す

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まとめ

新しい概念のCAEである First Order Analysis (FOA) を提唱： CAEに関する現状の問題点とFOAの必要性 使用要素（梁要素とパネル要素）と

　　　静・固有値解析 プログラムのひな形