マルチボディ 車両ダイナミクス: Modelon Impactでの効率的なサスペンション設計

本ブログでは、Modelon Impactに統合され利用可能なModelonの車両ダイナミクスライブラリの、サスペンションシステムの効率的なモデリングとシミュレーションの機能を紹介します。Modelon Impactの定常状態ソルバーとマルチ実行機能により、マルチボディビークルダイナミクスの定常解析を高速かつ正確に行うことができます。そして、モデロンのオープンAPIを通じて、サスペンションシミュレーションと解析をWebアプリに展開できます。

このブログシリーズの第2部「シャシ設計と解析」では、Modelon Impactでマルチボディビークルダイナミクスの定常解析を実現する機能に焦点を当てます。 

車両ダイナミクスライブラリが可能にするサスペンション設計

Modelon Impactには、包括的なマルチフィジックスライブラリが組み込まれており、簡単にアクセスすることができます。このプラットフォームでは、ビルド済みのモデルやコンポーネントをキャンバスにドラッグ＆ドロップするだけで、モデロンの車両ダイナミクスライブラリのコンポーネントやモデルを利用することができます。2004年に発表された車両ダイナミクスライブラリは、乗用車からモータースポーツ、大型輸送車両に至るまで、自動車分野で幅広く活用されています。

このライブラリは、サスペンション、ホイール、パワートレイン、ブレーキなど、典型的なマルチボディ車両モデルのすべての主要サブシステムをカバーしています。Modelicaのマルチフィジックス機能をベースに構築されているため、モデロンの電動化ライブラリ、油圧ライブラリ、空気圧ライブラリなどの追加ライブラリからコンポーネントを簡単に追加することができます。

サスペンションのモデリングに関しては、車両ダイナミクスライブラリは、幅広いサスペンションの形式を提供します。これには、伝統的なマクファーソン型やダブルウィッシュボーン型、乗用車用の最新型マルチリンク型が含まれます。また、ツイストビームリアサスペンションのような非独立懸架サスペンションのモデルや、大型トラック用のさまざまなアクスルオプションもあります。

各サスペンションテンプレートには、交換可能なマウントとスイッチパーツが含まれているため、スタビライザー、スプリング、ダンパーなどのサスペンションエレメントの取り付け位置に応じて簡単に再構成できます。

Modelon Impactでのサスペンション設計解析

Modelon Impactの定常状態シミュレーション機能により、車両ダイナミクスライブラリを使用したサスペンションに関する解析の種類を増やすことができるようになりました。サスペンションモデルは、ホイールトラベルとステアリング入力を境界条件とするリグで拘束されます。そして、定常状態（すべての状態微分がゼロであること）を解きます。これにより、ダンパー自体およびサスペンションブッシュの両方における減衰の影響を除外します。ソルバーが硬いブッシュのダイナミクスを扱う必要がないため、通常、ホイールトラベルやステアリングを通じてサスペンションを動的にスイープする代わりに、各ポジションで定常状態を解く方が効率的です。このアプローチでは、動的効果が結果に影響しないため、精度も向上します。

与えられたサスペンションモデルに対して、ホイールトラベル位置のセットを掃引し、各ポイントで定常状態を解き、ハブの位置と向きを導出することができます。以下は、車両ダイナミクスライブラリの4リンクサスペンションの例で、ホイールトラベルを±100mmで並列解析した結果です。

解析ポイントの周辺に複数の解析点を追加し、有限差分を使用することで、バンプステアやキャンバーゲイン（トー角やキャンバー角がホイールトラベルによってどのように変化するかを意味する）などのサスペンション特性を決定するための勾配を導出することもできます。さらに、ステアリングとホイールトラベルに関する計算結果の勾配を使用して、マルチボディビークルダイナミクス用のサスペンションの瞬間仮想キングピン軸と仮想スイングアームを決定することができます。仮想キングピン軸とサスペンションの仮想スイングアームが決まれば、サスペンションの運動学的ロールセンターも計算できます。

Modelon Impactのマルチ実行機能を使用することで、エンジニアはパラメータをスイープし、各パラメータ値に対して解析を繰り返すことで、サスペンション設計諸元の変更がマルチボディビークルダイナミクスの挙動にどのように影響するかを評価することができます。図1は、外側ステアリンクジョイントを左右方向に±50mm調整したときのホイールトラベルに対するトー角を示しています。

Web Appsサスペンション解析のウェブアプリへの展開

Modelon Impactを使用する主な利点の1つは、このような解析を組織内のより多くのユーザーに展開できることです。ウェブアプリケーションのユーザーは、サスペンションモデリングの専門家でなくても、このような解析のアウトプットに興味を持つかもしれません。CADソフトウェアを使用しているサスペンション設計者は、これを使用して、マルチボディビークルダイナミクスのさまざまな設計選択の影響を迅速にチェックすることができます。

図2では、Jupyter NotebookでImpact Python Clientを使用して、ユーザーがサスペンションのハードポイントを変更して解析を実行し、その効果を確認できるGUIを作成しています。

PythonとJupyter Notebooksに詳しい人であれば、必要な分析を実行するための独自のスクリプトやノートブックを作成することも可能です。

結論

モデロンの車両ダイナミクスライブラリは、Modelon Impactで提供される定常状態シミュレーション、マルチ実行機能、Webアプリデプロイメント機能の追加により、さらに強力になりました。マルチボディビークルの解析は、定常ソルバーを使用することで、より迅速かつ正確に行うことができます。また、マルチ実行機能により、より多くの設計パラメータを検討することができ、デプロイメント機能により、より多くのユーザーが必要な答えにアクセスすることができます。