JP4600912B2

JP4600912B2 - ワイヤー様構造物の配線設計支援方法、その装置及びそのプログラム

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Publication number: JP4600912B2
Application number: JP2003308507A
Authority: JP
Inventors: 正義澤井
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2010-12-22
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Description

本発明は、複数の線条材から構成されるワイヤー様構造物の配線設計を支援する方法、その装置及びそのプログラムに関し、特に、ワイヤー様構造物として車両に配線されるワイヤーハーネスの振動を考慮した最適な配線設計を支援する方法、その装置及びそのプログラムに関する。

通常、車両等においては、複数の電装品が搭載されており、これらは、上記線条材として、複数の電線や通信線がインシュロック等の結束部材やテープ等の保護部材によって束ねられた、いわゆる、ワイヤーハーネスで接続されている。図１に示すように、ワイヤーハーネス１は、各端部に電装品等と接続されるコネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが取り付けられている。また、その中間部には各種クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが取り付けられ、更に、分岐点４を有している。なお、各端部から分岐点４までを構成するワイヤーハーネス１の各枝線は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各枝線の太さ、長さ、弾性、剛性等も様々である。そして、従来、このようなワイヤーハーネスの配線設計は、設計者の勘と経験によって行われることが多かった。

ここで、本明細書中で引用する文献を以下に示す。
Ｂ．ナス著「マトリックス有限要素法」ブレイン図書出版株式会社出版、１９７８年８月１０日、ｐ．７−１５安田仁彦著「モード解析と動的設計」株式会社コロナ社発行、１９９３年１１月１０日、ｐ．５４−５６

ところが、ワイヤーハーネスは、上記のように多種多様であり、それらの各部における曲げやねじりに対する剛性まで正確に予想して設計することは非常に困難なことであった。このため、設計通りの組付けが困難であったり、非現実的な形状になってしまうことも多かった。したがって、最適なワイヤーハーネスの配線形状を得るために、設計及び組付けが試行錯誤繰り返されて、多大な時間を浪費することになっていた。更に、このような方法によると、最適な配線設計を行うためには高度な熟練も求められていた。

特に、ワイヤーハーネスが車両に配線される場合には、エンジンによる振動や走行による振動等が多発するので、これらの振動と共振現象を起こさないようにワイヤーハーネスの設計をすることが好ましい。

よって本発明は、上述した現状に鑑み、ワイヤーハーネス等のワイヤー様構造物の予測形状に対しての振動に関する固有値も出力するようにして、ワイヤー様構造物のより的確な配線設計を、設計者の熟練度に依存することなく、容易かつ正確に行えるようにするワイヤーハーネスの配線設計支援方法、その装置及びそのプログラムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法は、設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなして、有限要素法を利用し、前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力するワイヤー様構造物の配線設計支援方法であって、前記設定手段によって、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点が割り当てられて、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報が設定され、前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用し、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状と、前記予測形状に対しての振動に関する固有値と、が算出され、そして、前記出力手段によって、前記予測形状と前記固有値との算出結果が出力されることを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項２記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法は、請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法において、前記予測形状に対しての振動に関する固有値には、固有振動数及び固有振動モードの少なくともいずれかが含まれる、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項３記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法は、請求項１又は２記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法において、前記ワイヤー様構造物を、車両に配線されるワイヤーハーネスとし、前記拘束条件を、前記複数の梁要素の各頂点の座標及び前記各頂点における自由度とし、前記形状特性を、前記ワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、そして、前記材料特性を、前記梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数とする、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項４記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法は、請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法において、前記算出手段によって、前記予測形状に対しての振動に関する固有値が解析されて、前記出力手段によって、前記解析された固有値の解析結果が出力されることを、特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項５記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置は、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、所定条件を満たす前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力することにより、前記ワイヤー様構造物の最適な配線設計を支援する装置であって、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点を割り当て、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報を設定する設定手段と、前記設定手段によって設定された前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状を算出する予測形状算出手段と、前記予測形状算出手段によって算出された予測形状に対する固有振動数を算出する固有振動数算出手段と、前記予測形状及び前記固有振動数を出力する第１出力手段と、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項６記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置は、請求項５記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置において、前記固有振動数算出手段に替えて、前記予測形状算出手段にて算出された予測形状に対する固有振動モードを算出する固有振動モード算出手段と、前記第１出力手段に替えて、前記予測形状及び前記固有振動モードを出力する第２出力手段と、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するためになされた請求項７記載のワイヤー様構造物の配線設計支援プログラムは、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなして、有限要素法を利用して、所定条件を満たす前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力することにより、前記ワイヤー様構造物の最適な配線設計を支援するために、コンピュータを、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点を割り当て、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報を設定する設定手段と、前記設定手段によって設定された前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状を算出する予測形状算出手段と、前記予測形状算出手段によって算出された予測形状に対する固有振動数を算出する固有振動数算出手段と、前記予測形状及び前記固有振動数を出力する出力手段、として機能させる、ことを特徴とする。なお、この請求項７の発明も、上記請求項５の発明の主旨に置換することが可能である。

請求項１、２、５、６及び７記載の発明によれば、設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなす。そして、前記設定手段によって、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点が割り当てられて、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報が設定され、前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用し、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状と、前記予測形状に対しての振動に関する固有値と、が算出される。その後、前記出力手段によって、前記予測形状と前記固有値との算出結果が出力されるようにしている。

また、請求項３記載の発明によれば、車両に配線されるワイヤーハーネスに適用され、拘束条件をワイヤー様構造物を構成する複数の梁要素の各頂点の座標及び各頂点における自由度とし、形状特性をワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、材料特性を梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数としている。

また、請求項４記載の発明によれば、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物の配線に関する予測形状を算出することにより、ワイヤー様構造物の最適な配線設計を支援する方法において、前記算出手段によって、予測形状に対しての振動に関する固有値の解析が行われ、前記出力手段によって、その解析結果が出力されるようにしている。

請求項１、２、５、６及び７記載の発明によれば、設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなす。そして、前記設定手段によって、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点が割り当てられて、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報が設定され、前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用し、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状と、前記予測形状に対しての振動に関する固有値と、が算出され、前記出力手段によって、前記予測形状と前記固有値との算出結果が出力される。したがって、このワイヤー様構造物が取り付けられる対象物に振動が発生した際の共振現象等を組み付け作業を行う前に予め知ることができる。この結果、ワイヤー様構造物のより的確な配線設計が、設計者の熟練度に依存することなく、容易かつ正確に行えるようになる。

また、請求項３記載の発明によれば、車両に配線されるワイヤーハーネスに適用され、拘束条件をワイヤー様構造物を構成する複数の梁要素の各頂点の座標及び各頂点における自由度とし、形状特性をワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、材料特性を梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数としているので、非常に現実に則したワイヤーハーネスの設計シミュレーションが可能になる。特に、車両には、エンジンによる振動や走行による振動等が多発するので、これらの振動と共振現象を起こさないようなワイヤーハーネスを設計する上で、本発明は非常に有効となる。

また、請求項４記載の発明によれば、予測形状に対しての振動に関する固有値解析を行い、その解析結果を出力するようにしているので、このワイヤー様構造物が取り付けられる対象物に振動が発生した際の共振現象等を組み付け作業を行う前に予め知ることができる。この結果、ワイヤー様構造物のより的確な配線設計が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２を用いて、設計対象となるワイヤー様構造物としてのワイヤーハーネスの全体形状及び代表的な支持部材について説明する。図１は、本発明の実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネスの全体形状を概略的に示す図である。図２は、ワイヤーハーネスを支持する代表的な支持部材と拘束自由度との関係を示す図である。後述するが、本実施形態は、ここに示すようなワイヤーハーネスに対して予測形状をシミュレーション出力することにより、設計を支援するものである。

本実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネス１は、上述のように両端部に図示しない電装品と接続されるコネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが取り付けられ、その中間部には各種クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが取り付けられ、更に、分岐点４を有している。ワイヤーハーネス１の各枝線は、基本的に、それぞれ構成線条材の数や種類が異なるので、各枝線の太さ、長さ、弾性、剛性等も異なる。

上記各コネクタ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、電装品側の相手方コネクタの固定位置及びその装着方向に応じて所定の位置に着脱可能に固定され、ワイヤーハーネスの端部を完全拘束する。また、上記各クリップ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、ワイヤーハーネスの所定部位を、電装品の筐体やステー等の所定位置に完全拘束又は回転拘束される。

ここで、クリップについて説明を加える。クリップには、基本的に、長穴クリップ及び丸穴クリップがある。丸穴クリップは、回転クリップともよばれ、ワイヤーハーネスを保持する台座部とステー等に設けられた丸穴形状の取付穴に挿入される支持脚とから構成される。丸穴クリップは、Ｚ軸（取付部位に鉛直方向）廻りに回転可能である。

一方、長穴クリップは、固定クリップともよばれ、ワイヤーハーネスを保持する台座部とステー等に設けられた長穴形状の取付穴に挿入される支持脚とから構成される。この支持脚の断面形状は、取付穴と略同様の長穴形状をしている。長穴クリップは、Ｚ軸廻りに回転不可能である。

更に、長穴クリップ及び丸穴クリップには、Ｘ軸（ワイヤーハーネスの長手方向）廻りに回転可能な、コルゲート長穴クリップ及びコルゲート丸穴クリップがある。このような各クリップの各軸方向及び各軸廻りの拘束自由度は図２に示す通りである。

図２において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、ワイヤーハーネス上の各節点（又はノードともよぶ）における右手ローカル座標系での直行する３軸に相当する。例えば、Ｚ軸をクリップ軸と一致するようにしているが、これらの決定方法は、使用する関数によって適宜変更可能である。なお、図中、参考のために、分岐点の拘束自由度についても示している。また、ここでは図示しないが、上記拘束点以外に任意に設定されたワイヤーハーネス上の節点は、基本的に、完全自由である。このような拘束自由度が、後述するように、予測経路、固有振動数及び固有振動モード算出に先立ち、各節点にそれぞれ、設定される。

次に、図３〜図６を参照しながら、本実施形態において前提となる仮定条件、利用される理論及び基本式の概略について説明する。図３（Ａ）は、ワイヤーハーネスの外観を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを離散化した様子を示す図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを梁要素と節点とで表した図である。図４は、梁要素と節点とで表したワイヤーハーネスにおける自由度を説明するための図である。図５（Ａ）は、ワイヤーハーネスを３つの梁要素で表した図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の３つの梁要素を結合した状態を示す図である。そして、図６（Ａ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図であり、図６（Ｂ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図である。

まず、本実施形態では、ワイヤーハーネスの設計に有限要素法を利用するに際し、以下のような仮定をする。
（１）．ワイヤーハーネスを弾性体と仮定する。
（２）．ワイヤーハーネスを梁要素が結合されたものと仮定する。
（３）．各梁要素に線形性が保たれるものと仮定する。
（４）．ワイヤーハーネスの断面を円形であると仮定する。
本実施形態において、このような仮定をすることにより、従来なされていなかった、ワイヤーハーネスへの有限要素法の適用が可能になる。

本実施形態においては、まず、ワイヤーハーネスを離散化する。すなわち、図３（Ａ）に示すように、複数の電線１１がテープ１２等の保護部材によって束ねられたワイヤーハーネス１は連続体とみなすことができる。次に、図３（Ｂ）に示すように、このようなワイヤーハーネス１を、いくつかの梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…に分割（離散化）する。すなわち、ワイヤーハーネスは１本のロープのようなものなので、有限個の梁要素をつなげたものとみなすことができる。

したがって、図３（Ｃ）に示すように、ワイヤーハーネスは、複数の梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…を複数のノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、…で結合したものとして表すことができる。梁要素に必要な特性値は以下の通りである。
長さｌ（図３（Ｂ）参照）
断面積Ａ（図３（Ｂ）参照）
断面２次モーメントＩ
断面２次極モーメントＪ
密度ρ
縦弾性係数Ｅ
横弾性係数Ｇ
なお、後述するが、本明細書中、長さｌ及び断面積Ａを形状特性とし、断面２次モーメントＩ、断面２次極モーメントＪ、密度ρ、縦弾性係数Ｅ及び横弾性係数Ｇを材料特性としている。

そして、図４に示すように、各梁要素Ｃ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…）はそれぞれ、２つの節点α及び節点βを有する。３次元空間においては、節点αは、３つの並進成分と３つの回転成分を持つため、合計６つの自由度を持つ。また、節点βも同様である。したがって、梁要素Ｃは１２自由度を持つことになる。

なお、図中、
Ｆ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の角変位
αは左側の節点、βは右側の節点
を示す。

ところで、振動してない静的な力による構造物の変位は、弾性範囲内では、以下の式（１）に示すフックの法則が成り立つことが知られている。
Ｋｘ＝Ｆ…（１）
ここで、Ｋ：ばね定数、ｘ：変位、Ｆ：力
を示す。

また、図４で示した梁要素Ｃにも同様にフックの法則が成り立つことが知られている。但し、梁要素Ｃは、上記のように１２自由度をもつため、以下の式（２）で示すように、１２行１２列のマトリクスと１２行のベクトルとで、力と変位との関係を表現することができる。

ここで、適合条件と釣り合い条件について説明する。ここでは、簡単のために、図５（Ａ）に示すように、ワイヤーハーネスを３つの梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３で表すものとする。この場合、梁要素Ｃ１の節点１β及び梁要素Ｃ２の節点２αの変位は等しくなり、これら両節点に加わる力も釣り合うことになる。同様に、梁要素Ｃ２の節点２β及び梁要素Ｃ３の節点３αの変位も等しくなり、これら両節点に加わる力も釣り合うことになる。したがって、これら変位の連続性と力の釣り合いの条件を満たすことで、梁要素Ｃ１及びＣ２、梁要素Ｃ２及びＣ３を、図５（Ｂ）に示すように、結合することができる。

なお、図中、
Ｆ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の力
Ｆ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の力
Ｆ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の力
Ｍ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸周りのモーメント
Ｍ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸周りのモーメント
Ｍ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸周りのモーメント
Ｕ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の変位
Ｕ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の変位
Ｕ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の変位
θ_xi：ｉ番要素のｘｉ軸方向の角変位
θ_yi：ｉ番要素のｙｉ軸方向の角変位
θ_zi：ｉ番要素のｚｉ軸方向の角変位
を示し、
ｉ＝１α、１β、２α、２β、３α、３βである。

そして、図５（Ｂ）に示した梁要素Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３における上記変位の連続性と力の釣り合いを上記式（２）と同様の形式で示すと、以下の式（３）のようになる。

ここで、式（３）中の１２行１２列のマトリクスＭ１、Ｍ２及びＭ３は、上記式（２）で示したものと同様である。但し、マトリクスＭ１、Ｍ２及びＭ３が重なっている部分Ｍ１２及びＭ２３は、各マトリクスの各構成要素が足し合わされたものとなる。

なお、４つ以上の梁要素についても、同様に扱うことができる。このようにして、任意の数の梁要素に分割されるワイヤーハーネスの数式モデルを作成することができる。

ちなみに、上記式（３）を簡単に表すと、
［Ｋ］｛ｘ｝＝｛Ｆ｝…（４）
となる。
したがって、例えば、各節点にクリップが取り付けられるものとして、クリップに加わる力を予め決定しておけば、上記式（４）に基づき、変位ベクトル｛ｘ｝を求めることにより、経路、すなわち、ワイヤーハーネスの形状を算出することができる。逆に、経路を決定しておけば、各節点における力ベクトル｛Ｆ｝を算出できる。このような基本的な考え方に基づき、本実施形態では、ワイヤーハーネスの予測経路、固有振動数及び固有振動モードを算出する。上記変位ベクトル｛ｘ｝及び力ベクトル｛Ｆ｝中の未知数は、公知のNewton−Raphson法や弧長法等を用いてその解を求めることができる。

なお、上記のような一般的なマトリックス有限要素法は、例えば、上記非特許文献１中でも示されている。

ここで、本実施形態において、上記梁要素に必要な各特性値の求め方の一例について以下に示す。まず、長さｌ、断面積Ａ及び密度ρは、対象となるワイヤーハーネスを作成し、ノギス、メジャー、重量計等を用いて計測した後、簡単な算出により求めることができる。

また、縦弾性係数Ｅは、図６（Ａ）に示す測定方法を行う場合、次式（５）で表すことができる。
Ｅ＝ＦＬ³／３ＸＩ…（５）
また、断面２次モーメントＩは、上記のようにワイヤーハーネスを円形断面と仮定したので、次式（６）で表すことができる。
Ｉ＝πＤ⁴／６４…（６）
したがって、
Ｅ＝６４ＦＬ³／３ＸπＤ⁴…（７）
となる。
この測定では、
Ｅ＝（Ｆ／Ｘ）×（６４Ｌ³／３πＤ⁴）
として、Ｆとｘとの関係を測定すればよい。

一方、横弾性係数Ｇは、図６（Ｂ）に示す測定方法を行う場合、次式（８）で表すことができる。
Ｇ＝（ＴＬ／θＪ）×２…（８）
断面２次極モーメントＪは、ワイヤーハーネスが円形断面と仮定したので、次式（９）で表すことができる。
Ｊ＝πＤ⁴／３２…（９）
また、ねじる力は、
Ｔ＝ＦＳ…（１０）
となる。
よって、
Ｇ＝（３２ＦＳＬ／θπＤ⁴）×２＝（Ｆ／θ）（３２ＳＬ／πＤ⁴）×２…（１１）
したがって、Ｆとθの関係を測定すればよい。

上記測定方法は一例であり、上記測定例以外の方法によって各値を取得してもよい。また、予め代表的なワイヤーハーネスを測定しておきデータベース化しておき、これを適宜利用するようにしてもよい。

更に、本実施形態では、ワイヤーハーネスの予測形状に対しての振動に関する固有値解析、すなわち、固有振動数及び固有振動モードの算出も行われるため、その際に利用する理論及び基本式についても簡単に説明しておく。

すなわち、上記式（４）に対する運動方程式は、ニュートンの第２法則を適用すると、以下の式（１２）のようになる。
［Ｍ］｛ｘ″｝−［Ｋ］｛ｘ｝＝０…（１２）
ここで、［Ｍ］：慣性マトリックス、｛ｘ″｝：変位ベクトル｛ｘ｝の２階の時間微分
を示す。

いま、
｛ｘ｝＝［Ｘ］ｅ^jω^t…（１３）
とすると、
｛ｘ′｝＝ｊω［Ｘ］ｅ^jω^t…（１４）
｛ｘ″｝＝−ω²［Ｘ］ｅ^jω^t…（１５）
となる。
ここで、｛ｘ′｝：変位ベクトル｛ｘ｝の１階の時間微分
を示す。

上記式（１２）に式（１３）、式（１４）及び式（１５）を代入すると、
［Ｍ］（ω²）（−ω²［Ｘ］ｅ^jω^t）−［Ｋ］（［Ｘ］ｅ^jω^t）＝０
となり、これを更に変形していくと最終的に以下の式（１６）が得られる。
（−ω²［Ｍ］−［Ｋ］）［Ｘ］ｅ^jω^t＝０
（−ω²［Ｍ］−［Ｋ］）［Ｘ］ｅ^jω^t＝０
（−ω²［Ｍ］−［Ｋ］）［Ｘ］＝０
（−ω²［Ｉ］−［Ｍ］^-1［Ｋ］）［Ｘ］＝０…（１６）
ここで、［Ｉ］：単位マトリクス ω：固有振動数［Ｘ］：固有振動モード
を示す。

なお、上記のような一般的な固有値解析は、例えば、上記非特許文献２でも示されている。

したがって、上記のような理論及び基本式を用いて、ワイヤーハーネスの予測形状に対して、固有振動数及び固有振動モードを算出することが可能になる。

次に、上記理論及び基本式を利用して後述する処理手順にしたがってワイヤーハーネスの形状を算出及び出力する、本実施形態に係るハードウエア構成について説明する。図７は、本実施形態に係るハードウエア構成を示すブロック構成図である。

図７に示すように、本実施形態では、マイクロコンピュータ２１、入力装置２２、表示装置２３、印字装置２４、記憶装置２５、通信インターフェース２６及びリードライト装置２７を含んで構成される、例えば、パーソナルコンピュータが用いられる。マイクロコンピュータ２１は、ＣＰＵ２１ａ（中央演算装置）、ブートプログラム等を記憶するＲＯＭ２１ｂ、各種処理結果を一時的に記憶するＲＡＭ２１ｃを含む。入力装置２２は上記各値等を入力するキーボード、マウス等であり、表示装置２３は処理結果を表示するＬＣＤやＣＲＴ等であり、印字装置２４は処理結果を印字するプリンタである。

また、記憶装置２５はインストールされた配線設計支援プログラム２９ａやこのプログラム２９ａによる処理結果を記憶するハードディスクドライブであり、通信インターフェース２６は外部装置との間で、例えば、インターネットやＬＡＮ回線等を用いてデータ通信を行うためのモデムボード等である。リードライト装置２７は、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体２９に格納される本発明に係る配線設計支援プログラム２９ａ（請求項７に対応する）を読み込んだり、この配線設計支援プログラム２９ａによる計算結果を記録媒体２９に書き込む装置である。これらの各構成要素は、内部バス２８を介して接続されている。

マイクロコンピュータ２１は、リードライト装置２７にて読み込まれた配線設計支援プログラム２９ａを記憶装置２５にインストールする。また、電源が投入されると、マイクロコンピュータ２１は、ＲＯＭ２１ｂに記憶されるブートプログラムにしたがって起動され、インストールされている配線設計支援プログラム２９ａを立ちあげる。そして、マイクロコンピュータ２１は、配線設計支援プログラム２９ａにしたがって、本発明の配線設計支援に関する処理をしたり、処理結果を表示装置２３や印字装置２４から出力させたり、処理結果を記憶装置２５や記録媒体２９に保存させたりする。配線設計支援プログラム２９ａは、上記基本構成を有する他のパーソナルコンピュータ等にもインストール可能であり、インストール後は、そのコンピュータを配線設計支援装置（請求項５、６に対応する）として機能させる。なお、配線設計支援プログラム２９ａは、記録媒体２９のみならず、インターネットやＬＡＮ等の通信回線を経由して提供されたものであってもよい。

更に、図８及び図９を用いて、本実施形態に係る処理手順について説明する。図８は、図７に示したハードウエア構成を用いて行われる本実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）はそれぞれ、図８に示す各処理の過程における出力結果を例示する図である。

まず、図８に示すステップＳ１において、図９（Ａ）の節点１ａ１、１ａ２及び１ａ３で示されるような、対象となるワイヤーハーネスのコネクタやクリップが取り付けられる部位における拘束条件が設定される。この拘束条件としては、各節点１ａ１、１ａ２及び１ａ３に対する図２で示したような拘束種類（完全拘束、回転拘束、完全自由等）やローカル座標等が設定される。これらの拘束条件は、変位先に対応するものである。各節点１ａ１、１ａ２及び１ａ３としては、コネクタやクリップ等の支持部材が取り付けられる部位等が割り当てられる。なお、拘束種類の設定には、図２で示したように、コネクタ、固定クリップ等の支持部材名を利用してもよい。ここで設定される各値は、上記式（３）中の変位ベクトル｛ｘ｝中の各要素に係わる。

これと共に、ステップＳ１においては、被予測ワイヤーハーネスの形状特性及び材料特性も設定される。形状特性としては上記長さｌ及び断面積Ａが設定され、材料特性としては、断面２次モーメントＩ、断面２次極モーメントＪ、密度ρ、縦弾性係数Ｅ及び横弾性係数Ｇが設定される。これらは、上記のようにして予め計測或いは算出されている値が利用される。ここで設定される値は、上記式（３）中の剛性マトリクス［Ｋ］中の各要素に係わる。なお、上記各値の設定に際しては、上記入力装置２２が用いられる。以降の処理においても、各値の設定には入力装置２２が用いられ、形状算出処理はマイクロコンピュータ２１にて行われ、算出結果の出力には表示装置２３が用いられる。

また、ステップＳ１においては、ワイヤーハーネスの所定部位、例えば、コネクタが取り付けられる位置に相当する節点１ａ３等に加える力ｆを設定するようにしてもよい。この力ｆは、例えば、組付け時に予想される作業者の動き等に基づくようにする。ここで設定される値は、上記式（３）中の力ベクトル［ｆ］中の各要素に係わる。なお、このステップＳ１の前に、予め初期形状を算出しておくようにしてもよい。初期形状を得るための初期値としては、例えば、対象となるワイヤーハーネスの両端のコネクタが取り付けられる位置及び拘束方向、このワイヤーハーネスの材料特性に依存する最小曲げ半径やワイヤーハーネスを組み付ける際に作業者が通常の力で曲げることができる曲げ半径等を用いることができる。なお、このステップＳ１では、算出処理に係る各種制御値等も設定される。このステップＳ１は、請求項の設定手段に相当する。

このような、形状算出に必要な各値の設定が完了した後、算出開始のための所定トリガがあると、ステップＳ２以降において、有限要素法を利用して上記設定された拘束条件等を満たす釣り合いがとれた予測形状が算出されると共に、上記固有値解析が行われて、これらの結果が出力される。そして、所定の終了トリガがあるまで、上記各値の設定変更等により、繰り返し予測形状を出力させることができる。この処理を以下に説明する。

すなわち、ステップＳ２においては、上記ステップＳ１で設定された形状算出に必要な各値を有限要素法、特に、上記式（３）に適用して、図９（Ｂ）に示すような、力学的に釣り合いがとれた状態である予測形状１ａが算出される。この図９（Ｂ）に示すような予測形状１ａは、後述するように固有振動数及び固有振動モードの算出結果と共に出力するようにしてもよし、予測形状１ａのみを単独で出力できるようにしてもよい。なお、このステップＳ２は、請求項の予測形状算出手段に相当する。

次に、ステップＳ３においては、上記ステップＳ２にて算出された予測形状１ａに対しての固有振動数及び固有振動モードが算出される。この算出処理には、上記式（１６）等が利用される。そして、ステップＳ４においては、図９（Ｃ）に示すように、上記ステップＳ２及びステップＳ３にて算出された予測形状１ａ、固有振動数及び固有振動モードが、表示装置２３上に出力される。固有振動数及び固有振動モードの出力結果としては、図９（Ｃ）の点線１ｂ及び破線１ｃで示すように、算出された固有振動数及び固有振動モードから予測されるワイヤーハーネスの波形、特に、最大振幅値等の情報を盛り込むことが好ましい。このような出力結果により、所定の拘束条件を満たすように配線されたワイヤーハーネスが、振動により各種障害物等と干渉するか否かを直感的に把握することが可能となる。このためには、各種障害物等を予測形状１ａ、固有振動数及び固有振動モードの出力結果と共に、表示装置２３上に出力するようにしておくとよい。また、固有振動数及び固有振動モードを、数値で出力するようにしてもよい。こうすることにより、車両のエンジン等を起因とする振動源からの振動周波数との比較が容易になり、共振現象を効果的に防止することができるようになる。なお、上記ステップＳ３は、請求項の固有振動数算出手段及び固有振動モード算出手段に相当する。また、上記ステップＳ４における固有振動数及び固有振動モードの出力処理はそれぞれ、請求項の第１出力手段及び第２出力手段に相当する。

次に、ステップＳ５においては、所定の終了トリガの有無が判定され、終了トリガない限りステップＳ６に進み（ステップＳ５のＮ）、終了トリガがあれば一連の処理を終了する（ステップＳ５のＹ）。なお、終了トリガは、例えば、入力装置２２のキーボート操作等である。

ステップＳ６においては、振動による各種障害物等との干渉状態や共振現象等が考慮されて、上記ステップＳ１にて設定された各値が変更されて再設定される。すなわち、振動源の影響を受けて共振しないように、拘束条件、形状特性及び材料特性を変更してみる。次に、ステップＳ７において、表示装置２３上の現予測形状１ａが消去された上で、上記ステップＳ２に戻る。そして、ステップＳ５において終了トリガ有りと判定されるまで、ステップＳ２〜ステップＳ４において、設定変更された各値に基づいて、有限要素法を利用した予測形状、固有振動数及び固有振動モードの算出処理、並びにその結果の出力処理が行われる。

なお、ステップＳ５において、終了トリガあると、図９（Ｂ）に示すような、最終的なワイヤーハーネスの予測形状１ａのみを出力させるようにしてもよい。

このように、本実施形態によれば、ワイヤーハーネスの予測形状及び振動による影響を、組み付け作業を行う前に予め知ることができる。特に、車両には、エンジンによる振動や走行による振動等が多発するので、これらの振動と共振現象を起こさないようなワイヤーハーネスを設計する上で、本実施形態は非常に有効となる。この結果、ワイヤーハーネスの最適な配線設計が、設計者の熟練度に依存することなく、短期間で、容易かつ正確に行えるようになる。勿論、ワイヤーハーネスを、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなすことによって有限要素法の適用を可能にして、より精度の高い形状予測を実現していることはいうまでもない。

なお、本発明の方法及び装置は、車両内に配線されるワイヤーハーネスに限定されず、振動の発生する各種装置等に配線されるワイヤーハーネスにも、同様に適用可能である。また、共振現象を防止するためには、上記実施形態で説明した以外に、大きな減衰をかけて振動を押さえ込むようにしてもよい。

本発明の実施形態にて設計対象となるワイヤーハーネスの全体形状を概略的に示す図である。ワイヤーハーネスを支持する代表的な支持部材と拘束自由度との関係を示す図である。図３（Ａ）は、ワイヤーハーネスの外観を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを離散化した様子を示す図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のワイヤーハーネスを梁要素と節点とで表した図である。梁要素と節点とで表したワイヤーハーネスにおける自由度を説明するための図である。図５（Ａ）は、ワイヤーハーネスを３つの梁要素で表した図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の３つの梁要素を結合した状態を示す図である。図６（Ａ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図であり、図６（Ｂ）は、断面２次モーメント及び縦弾性係数を測定する様子を示す図である。本実施形態に係るハードウエア構成の一例を示すブロック構成図である。本実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）はそれぞれ、図８に示す各処理の過程における出力結果を例示する図である。

符号の説明

１ワイヤーハーネス（ワイヤー様構造物）
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄコネクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄクリップ
４分岐点
２１マイクロコンピュータ
２２入力装置
２３表示装置
２４印字装置
２５記憶装置
２６通信インターフェース
２７リードライト装置
２８内部バス
Ｃ１〜Ｃ７梁要素
Ｎ１〜Ｎ８節点（ノード）

Claims

設定手段と、算出手段と、出力手段と、を備えたコンピュータを用いて、複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなして、有限要素法を利用し、前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力するワイヤー様構造物の配線設計支援方法であって、
前記設定手段によって、予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点が割り当てられて、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報が設定され、
前記算出手段によって、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用し、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状と、前記予測形状に対しての振動に関する固有値と、が算出され、そして、前記出力手段によって、前記予測形状と前記固有値との算出結果が出力される
ことを特徴とするワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
前記予測形状に対しての振動に関する固有値には、固有振動数及び固有振動モードの少なくともいずれかが含まれていることを特徴とする請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
前記ワイヤー様構造物を、車両に配線されるワイヤーハーネスとし、
前記拘束条件を、前記複数の梁要素の各頂点の座標及び前記各頂点における自由度とし、
前記形状特性を、前記ワイヤー様構造物の梁要素の断面積及び長さとし、そして、
前記材料特性を、前記梁要素の断面２次モーメント、断面２次極モーメント、密度、縦弾性係数及び横弾性係数とする
ことを特徴とする請求項１又は２記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
前記算出手段によって、前記予測形状に対しての振動に関する固有値が解析されて、前記出力手段によって、前記解析された固有値の解析結果が出力される
ことを特徴とする請求項１記載のワイヤー様構造物の配線設計支援方法。
複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなし、有限要素法を利用して、所定条件を満たす前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力することにより、前記ワイヤー様構造物の最適な配線設計を支援する配線設計装置であって、
予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点を割り当て、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報を設定する設定手段と、
前記設定手段によって設定された前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状を算出する予測形状算出手段と、
前記予測形状算出手段によって算出された予測形状に対する固有振動数を算出する固有振動数算出手段と、前記予測形状及び前記固有振動数を出力する第１出力手段と、を含むことを特徴とするワイヤー様構造物の配線設計支援装置。
前記固有振動数算出手段に替えて、前記予測形状算出手段によって算出された予測形状に対する固有振動モードを算出する固有振動モード算出手段と、
前記第１出力手段に替えて、前記予測形状及び前記固有振動モードを出力する第２出力手段と、
を含むことを特徴とする請求項５記載のワイヤー様構造物の配線設計支援装置。
複数本の線条材に存在する分岐点を中心に前記分岐点から前記各線条材の端部までの各枝線が、太さ、長さ、弾性、及び、剛性が互いに異なり得るもので構成されたワイヤー様構造物を、円形断面で線形性が保たれた複数の梁要素が結合された弾性体とみなして、有限要素法を利用し、所定条件を満たす前記ワイヤー様構造物の予測形状を算出して出力することにより、前記ワイヤー様構造物の最適な配線設計を支援するために、コンピュータを、
予想対象となるワイヤー様構造物に支持部材が取り付けられる位置に相当する節点を割り当て、前記ワイヤー様構造物の形状特性、材料特性、及び、前記節点における拘束条件に関する情報を設定する設定手段と、
前記設定手段によって設定された前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件に関する情報を有限要素法に適用して、前記形状特性、材料特性、及び、拘束条件を満たすような釣り合いがとれた予測形状を算出する予測形状算出手段と、
前記予測形状算出手段によって算出された予測形状に対する固有振動数を算出する固有振動数算出手段と、
前記予測形状及び前記固有振動数を出力する出力手段、として機能させるためのワイヤー様構造物の配線設計支援プログラム。