強度解析装置及び強度解析プログラム
【課題】材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析すること。
【解決手段】流動解析部２０が、計算モデル作成部１１によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における繊維材料の主配向方向を算出する。強度解析部３０が、計算モデル作成部１１によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する。材料強度分布算出部４０が、流動解析部２０によって算出された各微小要素における繊維材料の主配向方向と強度解析部３０によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における樹脂成形品の強度を算出する。
【解決手段】流動解析部２０が、計算モデル作成部１１によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における繊維材料の主配向方向を算出する。強度解析部３０が、計算モデル作成部１１によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する。材料強度分布算出部４０が、流動解析部２０によって算出された各微小要素における繊維材料の主配向方向と強度解析部３０によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における樹脂成形品の強度を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維材料を含有する樹脂成形品の強度を解析するための強度解析装置及び強度解析プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス繊維材料などの繊維材料を含有する樹脂成形品は、機械物性や寸法安定性に優れることから、自動車，航空機，電気・電子機器，玩具，家電製品などの幅広い分野で使用されている。このような樹脂成形品の機械物性は、成形条件や製品形状に応じて変化する。このため、従来より、コンピュータシミュレーション技術を利用して樹脂成形品の機械物性を解析し、解析結果に基づいて所望の機械物性が得られるように樹脂成形品の成形条件や製品形状を決定することが行われている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７３７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
樹脂成形品内に繊維材料が多量に含有されている場合や樹脂成形品が厚肉部を有する場合、樹脂成形品の材料物性の異方性が強くなる。このため、樹脂成形品の機械物性を精度高く解析するためには、材料物性の異方性を考慮して解析を行う必要がある。しかしながら、従来の解析方法は、樹脂成形品の材料物性が成形品内において一様、すなわち等方性であると仮定して解析を行っている。このため、従来の解析方法によれば、樹脂成形品の機械物性を精度高く解析することができず、結果として、解析結果に基づいて樹脂成形品の成形条件や製品形状を決定しても所望の機械物性が得られないことがあった。より具体的には、従来の解析方法を用いて樹脂成形品の強度を解析する場合、材料物性が等方性であると仮定して解析を行うために、樹脂材料を注入するゲート位置・数や成形条件によって変化する異方性を考慮した強度を解析できなかった。以上のことから、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の機械物性を解析可能な技術の提供が期待されていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析可能な強度解析装置及び強度解析プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る強度解析装置は、繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成部と、前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析部と、前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析部と、前記流動解析部によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出部と、前記強度分布算出部によって算出された強度を出力する出力部と、を備える。
【０００７】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る強度解析プログラムは、繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成処理と、前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析処理と、前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析処理と、前記流動解析処理によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析処理によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出処理と、前記強度分布算出処理によって算出された強度を出力する出力処理と、をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る強度解析装置及び強度解析プログラムによれば、各微小要素における繊維材料の主配向方向と最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における樹脂成形品の強度を算出するので、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である強度解析処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、計算モデルの一例を示す平面図である。
【図５】図５は、樹脂材料の流動挙動の解析結果の一例を示す図である。
【図６】図６は、繊維材料の主配向方向の解析結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、図６に示す基部内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。
【図８】図８は、図６に示す広幅部内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。
【図９】図９は、最大主応力の大きさと方向との解析結果の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、最大主応力の分布状態の解析結果の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、強度の算出方法を説明するための概念図である。
【図１２】図１２は、強度分布の解析結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す基部内における強度分布を示す拡大図である。
【図１４】図１４は、図１２に示す広幅部内における強度分布を示す拡大図である。
【図１５】図１５は、安全率の分布状態の解析結果の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す基部内における安全率の分布状態を示す拡大図である。
【図１７】図１７は、図１５に示す広幅部内における安全率の分布状態を示す拡大図である。
【図１８】図１８は、配向度を説明するための概念図である。
【図１９】図１９は、繊維材料の主配向方向と最大主応力との関係を示す図である。
【図２０】図２０は、要素内の応力分布及び強度分布を示す模式図である。
【図２１】図２１は、要素内の応力分布及び強度分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成及びその動作について説明する。
【００１１】
〔強度解析装置の構成〕
始めに、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本発明の一実施形態である強度解析装置１は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの情報処理装置によって構成され、入力部２，出力部３，ＲＡＭ４，ＲＯＭ５，及びＣＰＵ６を主な構成要素として備えている。入力部２は、キーボード，マウスポインタ，テンキーなどの入力装置によって構成され、オペレータの操作入力情報をＣＰＵ６に入力する。出力部３は、表示装置や印刷装置などの出力装置によって構成され、ＣＰＵ６からの制御信号に従って各種情報を出力する。
【００１３】
ＲＡＭ４は、揮発性の記憶装置によって構成され、ＣＰＵ６が実行する処理に用いられるコンピュータプログラムやデータを一次記憶するＣＰＵ６のワーキングエリアとして機能する。ＲＯＭ５は、不揮発性の記憶装置によって構成され、ＣＰＵ６が実行する処理に用いられるコンピュータプログラムやデータを記憶している。本実施形態では、ＲＯＭ５は、後述する強度解析処理の各処理ステップの実行命令をコンピュータ言語によって記述した強度解析シミュレーションプログラム７を記憶している。
【００１４】
ＣＰＵ６は、コンピュータプログラムを実行可能な演算処理装置によって構成されている。ＣＰＵ６は、ＲＯＭ５内に記憶されたコンピュータプログラムをＲＡＭ４内へとロードし、ＲＡＭ４内にロードされたコンピュータプログラムを実行することによって、強度解析装置１全体の動作を制御する。本実施形態では、ＣＰＵ６は、強度解析シミュレーションプログラム７を実行することによって、図２に示す計算モデル作成部１１，流動解析部２０（樹脂流動解析部２１，繊維配向解析部２２，異方性物性算出部２３），強度解析部３０，材料強度分布算出部４０，及び安全率分布算出部５０として機能する。これら各部の機能については後述する。
【００１５】
なお、ＲＯＭ５内に格納されるコンピュータプログラムやデータは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ，フレキシブルディスク，ＣＤ−Ｒ，ＤＶＤ等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。また、コンピュータプログラムやデータは、インターネットなどの電気通信回線に接続されたコンピュータ上に格納し、電気通信回線経由でダウンロードさせることによって提供するように構成してもよい。また、コンピュータプログラムやデータをインターネットなどの電気通信回線を介して提供又は配布するように構成してもよい。
【００１６】
〔強度解析処理〕
このような構造を有する強度解析装置１は、以下に示す強度解析処理を実行することによって、材料物性の異方性を考慮して繊維材料を含有する樹脂成形品の強度分布を解析する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この強度解析処理を実行する際の強度解析装置１の動作について説明する。
【００１７】
図３は、本発明の一実施形態である強度解析処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、オペレータが入力部２を操作することによって、樹脂材料の物性データ（粘性，比容積，熱伝導率，比熱，繊維材料の含有量など），成形条件データ（射出時間、樹脂材料温度，成形型温度，保圧値，保圧時間，成形型形状など），及び荷重データ（応力など）、拘束条件などの情報を入力し、ＣＰＵ６に対し強度解析処理の実行を指示したタイミングで開始となり、強度解析処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ１の処理では、計算モデル作成部１１が、入力部２から入力された成形型形状、すなわち成形する樹脂成形品の形状をＮ個の微小要素ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）に分割した計算モデルを作成する。計算モデルの作成方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１９】
ステップＳ２の処理では、計算モデル作成部１１が、ステップＳ１の処理によって作成された計算モデルについて樹脂材料を注入するゲート位置を設定する。このステップＳ１及びステップＳ２の処理によって、例えば図４に示すような計算モデルが作成される。図４は、計算モデルの一例を示す平面図である。図４に示す計算モデル１００は、Ｙ方向に延びる柱状の基部１０１と、基部１０１のＹ方向両端部に設けられた広幅部１０２ａ，１０２ｂとを備え、基部１０１の中央部にゲート位置Ａが設定された構成になっている。以下では、この図４に示す計算モデル１００を用いて強度解析処理の一例を説明する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ３の処理では、樹脂流動解析部２１が、ステップＳ２の処理によって設定されたゲート位置から樹脂材料を流入させた際の成形型内における樹脂材料の流動挙動を解析する。流動解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略するが、例えば、東レエンジニアリング株式会社製“３Ｄ ＴＩＭＯＮ”（登録商標）などの流動解析プログラムを利用することによって行うことができる。このステップＳ３の処理によって、例えば図５に示すような樹脂材料の流動挙動を算出することができる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２１】
ステップＳ４の処理では、樹脂流動解析部２１が、入力部２から入力された材料物性データ及び成形条件データとステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果とを用いて保圧冷却解析を行うことによって、計算モデル内の各微小要素ｉの体積収縮率や密度などを算出する。保圧冷却解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ５の処理では、繊維配向解析部２２が、ステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果を用いて、計算モデル内の各微小要素ｉ内における繊維材料の主配向方向を算出する。このステップＳ５の処理によって、例えば図６乃至図８に示すような各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向を算出することができる。図６は、計算モデル１００内における繊維材料の主配向方向の一例を示す図である。図７は、図６に示す基部１０１内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。図８は、図６に示す広幅部１０２ａ内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。図中、線分２０１は繊維材料を示し、線分２０１の傾き（方向）が繊維材料の主配向方向を表している。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ６の処理に進む。
【００２３】
ステップＳ６の処理では、異方性物性算出部２３が、入力部２から入力された材料物性データ及び成形条件データ、ステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果、ステップＳ４の処理によって得られた保圧冷却解析結果、及びステップＳ５の処理によって得られた繊維材料の主配向方向のデータを用いて、計算モデル内の各微小要素ｉにおける材料物性を異方性物性として算出する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ７の処理では、強度解析部３０が、ステップＳ６の処理によって得られた計算モデル内の各微小要素ｉにおける材料物性（繊維材料の主配向方向，線膨張係数，弾性率など）を構造解析用データとして、入力部２から入力された荷重データ・拘束条件を用いて構造解析を実行することによって、計算モデルに要求荷重を加えた際の各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさと方向とを算出する。この処理によって、例えば図９に示すような主応力の大きさと方向とを算出することができる。図９は、広幅部１０２ｂを固定した状態で広幅部１０２ａに引張荷重を加えた際の各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさと方向とを示す図である。
【００２５】
図９中、線分２０２は最大主応力を示すベクトルであり、ベクトル２０２の大きさと方向とが最大主応力の大きさと方向とを表している。そして、強度解析部３０では、図１０に示すような最大主応力の分布状態も算出することができる。なお、構造解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略するが、例えばMSC.Nastran（MSC社製）やABAQUS（DASSAULT SYSTEMS SIMULIA CORP）などの構造解析プログラムを利用することによって行うことができる。また、簡易な形状や条件であれば、コンピュータプログラムを使用しなくても材料力学理論より結果を得ることができる。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ８の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ８の処理では、材料強度分布算出部４０が、ステップＳ５の処理によって得られた各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向とステップＳ７の処理によって算出された最大主応力の分布状態とに基づいて、各微小要素ｉについて最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。具体的には、材料強度分布算出部３０は、図１１（ａ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが０°である時の材料強度をＭＤ強度、図１１（ｃ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが９０°である時の材料強度をＴＤ強度としてそれぞれ設定する。そして、材料強度分布算出部３０は、以下に示す数式（１）に最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θを代入することによって、図１１（ｂ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）であるときの最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。
【００２７】
すなわち、一般に、材料強度は、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とが平行である場合に最大となり、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とが直交する場合には最小となる。そこで、本実施形態では、材料強度分布算出部４０は、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが０°から９０°に増加するのに応じて材料強度が低下するように、以下に示す数式（１）により最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）であるときの最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。このステップＳ８の処理によって、例えば図１２乃至図１４に示すような強度σｓ（ｉ）の分布状態を算出することができる。図１２は、図１０に示す最大主応力の分布状態から算出された強度分布の一例を示す図である。図１３は、図１２に示す基部１０１内における強度分布を示す拡大図である。図１４は、図１２に示す広幅部１０２ａ内における強度分布を示す拡大図である。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ９の処理に進む。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ステップＳ９の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ５の処理によって算出された各微小要素ｉの強度σｓ（ｉ）に基づいて、各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）を算出する。具体的には、安全率分布算出部３０は、以下に示す数式（２）に各微小要素ｉにおける最大主応力σｐ（ｉ）と強度σｓ（ｉ）とを代入することによって、各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）を算出する。このステップＳ９の処理によって、例えば図１５乃至図１７に示すような安全率Ａ（ｉ）の分布状態を算出することができる。図１５は、図１２に示す強度分布から算出された安全率Ａ（ｉ）の分布状態の一例を示す図である。図１６は、図１５に示す基部１０１内における安全率Ａ（ｉ）の分布状態を示す拡大図である。図１７は、図１５に示す広幅部１０２ａ内における安全率Ａ（ｉ）の分布状態を示す拡大図である。この安全率Ａ（ｉ）により、発生応力に対する安全率を保持できていれば構造強度としては問題がなく、逆に発生応力が低くても材料強度が劣れば安全率が低く構造強度に問題がある、といった製品設計における全体的な強度評価が可能となる。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ１０の処理に進む。
【００３０】
【数２】
【００３１】
ステップＳ１０の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ９の処理によって算出された各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）に基づいて、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがあるか否かを判別する。基準値Ａｃは、強度解析シミュレーションプログラム７内で予め設定された値であり、例えば１．０などの値に設定されている。判別の結果、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがない場合、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１３の処理に進める。一方、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがある場合には、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１１の処理に進める。
【００３２】
ステップＳ１１の処理では、安全率分布算出部５０が、安全率Ａ（ｉ）と基準値Ａｃとの差に基づいて、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できるか否かを判別する。判別の結果、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できる場合、安全率分布算出部５０は、ゲート位置を変更するように強度解析処理をステップＳ２の処理に戻す。一方、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できない場合には、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１２の処理に進める。
【００３３】
ステップＳ１２の処理では、安全率分布算出部５０が、成形型（製品）の形状を変更することを促すメッセージを出力部３に出力する。オペレータは、出力部３に出力されたメッセージに従って成形型の形状を変更し、入力部２を介して変更した成形型の形状のデータを入力する。そして、安全率分布算出部５０は、成形型の形状のデータが入力されたタイミングで強度解析処理はステップＳ１の処理に戻す。
【００３４】
ステップＳ１３の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ８の処理によって算出された強度分布のデータやステップＳ９の処理によって算出された安全率Ａ（ｉ）の分布状態のデータと共に、ステップＳ１の処理によって入力された成形型（製品）の形状のデータ及びステップＳ２の処理によって設定されたゲート位置のデータを出力部３に出力する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、一連の強度分布解析処理は終了する。
【００３５】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、材料強度分布算出部４０が、流動解析部２０によって算出された各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向と強度解析部３０によって算出された各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素ｉにおける樹脂成形品の強度を算出するので、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析することができる。
【００３６】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、安全率分布算出部５０が、材料強度分布算出部４０によって算出された各微小要素ｉの強度を強度解析部３０によって算出された各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさで除算することによって、各微小要素ｉについて安全率を算出するので、発生応力に対する安全率を保持できていれば構造強度としては問題がなく、逆に発生応力が低くても材料強度が劣れば安全率が低く構造強度に問題がある、といった製品設計における全体的な強度評価を行うことができる。
【００３７】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、安全率分布算出部５０が、算出された安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満である場合、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ以上になるように計算モデルの形状又はゲート位置を修正するので、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ以上となる成形型の形状又はゲート位置を決定できる。
【００３８】
なお、本発明の一実施形態である強度解析処理では、図１８に示す繊維材料の主配向方向２０１のみに基づいて各微小要素ｉの強度を算出した。しかしながら、実際には、微小要素ｉ内には複数の繊維材料が存在し、各繊維材料の配向方向は図１８に矢印２０１ａで示すように必ずしも主配向方向２０１と一致しない。繊維材料がランダムに配向している場合であっても、主配向方向２０１は一意に特定されるので、その主配向方向に基づいてＭＤ強度を設定してしまうと、微小要素ｉの強度が実際より強い強度に算出され、強度を精度高く算出することができなくなる。
【００３９】
そこで、微小要素ｉの強度を算出する際には、繊維材料の主配向方向とその主配向方向に対する繊維材料の配向度（主配向方向に対する繊維材料の配向方向の乱れ具合）を考慮して各微小要素ｉの強度を算出することが望ましい。この場合、始めに、強度解析部３０は、各微小要素ｉについて繊維材料の配向度を示すパラメータγを算出する。パラメータγは、０．５〜１．０の値を示すものであり、その値は流動解析結果に基づいて算出することができる。パラメータγが０．５である時は、繊維材料がランダムに配向している状態を示し、パラメータγが１．０である時は、全ての繊維材料が主配向方向に配向している状態を示す。
【００４０】
次に、強度解析部３０は、繊維材料の主配向方向に直交する方向の強度をσｔ、繊維材料の主配向方向の強度をσｍとして、以下に示す数式（３），（４）にパラメータγの値を代入することによって、各微小要素ｉについて配向度を考慮した繊維材料の主配向方向に直交する方向の強度σｔ’及び繊維材料の主配向方向の強度σｍ’を算出する。そして、材料強度分布算出部４０は、図１９に示すように最大主応力σｐの方向と繊維材料の主配向方向とがなす角度がθであるとき、例えば、以下に示す数式（５）に角度θ，及び強度σｔ’，σｍ’を代入することにより、最大主応力σｐの方向の繊維材料の配向度を考慮した強度σθを算出できる。このような処理によれば、繊維材料の配向度を考慮して各微小要素Ｉｉの強度を精度高く算出できる。
【００４１】
【数３】
【数４】
【数５】
【００４２】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理では、図２０（ａ）に示すように、微小要素ｉ中の最大主応力σｐの方向の強度が構造強度に最も影響を与えると仮定し、図２０（ｂ）に示すように、安全率分布算出部５０は、繊維材料の主配向方向が最大主応力方向から角度θａずれている時の最大主応力方向と同方向の強度σｓを算出し、算出された強度を最大主応力σｐで除算した値を微小要素ｉの安全率として算出した。しかしながら、図２１（ａ）に示すように、最大主応力方向から任意の角度θｂにおける応力σｂとその同方向の強度との関係によっては、最大主応力方向から任意の角度θｂにおける安全率が最大主応力方向の安全率より低くなる場合があり得る。
【００４３】
そこで、安全率分布算出部５０は、微小要素ｉ内における最大主応力方向以外の任意の方向における安全率を１８０°にわたって所定角度（例えば１５°）毎に算出し、算出された安全率の中の最小値を微小要素ｉの安全率としてもよい。具体的には、この場合、安全率分布算出部５０は、以下に示す数式（６），（７）を利用して微小要素ｉ内の最大主応力方向から１８０°にわたる範囲で任意方向の応力σｂに対応する強度σｕを算出し、以下に示す数式（８）を利用して微小要素ｉ内の任意方向における安全率を算出する。そして、安全率分布算出部５０は、算出された安全率の中の最小値を微小要素ｉの安全率とする。
【００４４】
【数６】
【数７】
【数８】
【００４５】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 強度解析装置
２ 入力部
３ 出力部
４ ＲＡＭ（Random Access Memory）
５ ＲＯＭ（Read Only Memory）
６ ＣＰＵ（Central Processing Unit）
７ 強度解析シミュレーションプログラム
１１ 計算モデル作成部
２０ 流動解析部
２１ 樹脂流動解析部
２２ 繊維配向解析部
２３ 異方性物性算出部
３０ 強度解析部
４０ 材料強度分布算出部
５０ 安全率分布算出部
１００ 計算モデル
１０１ 基部
１０２ａ，１０２ｂ 広幅部
Ａ ゲート位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維材料を含有する樹脂成形品の強度を解析するための強度解析装置及び強度解析プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス繊維材料などの繊維材料を含有する樹脂成形品は、機械物性や寸法安定性に優れることから、自動車，航空機，電気・電子機器，玩具，家電製品などの幅広い分野で使用されている。このような樹脂成形品の機械物性は、成形条件や製品形状に応じて変化する。このため、従来より、コンピュータシミュレーション技術を利用して樹脂成形品の機械物性を解析し、解析結果に基づいて所望の機械物性が得られるように樹脂成形品の成形条件や製品形状を決定することが行われている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７３７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
樹脂成形品内に繊維材料が多量に含有されている場合や樹脂成形品が厚肉部を有する場合、樹脂成形品の材料物性の異方性が強くなる。このため、樹脂成形品の機械物性を精度高く解析するためには、材料物性の異方性を考慮して解析を行う必要がある。しかしながら、従来の解析方法は、樹脂成形品の材料物性が成形品内において一様、すなわち等方性であると仮定して解析を行っている。このため、従来の解析方法によれば、樹脂成形品の機械物性を精度高く解析することができず、結果として、解析結果に基づいて樹脂成形品の成形条件や製品形状を決定しても所望の機械物性が得られないことがあった。より具体的には、従来の解析方法を用いて樹脂成形品の強度を解析する場合、材料物性が等方性であると仮定して解析を行うために、樹脂材料を注入するゲート位置・数や成形条件によって変化する異方性を考慮した強度を解析できなかった。以上のことから、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の機械物性を解析可能な技術の提供が期待されていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析可能な強度解析装置及び強度解析プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る強度解析装置は、繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成部と、前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析部と、前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析部と、前記流動解析部によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出部と、前記強度分布算出部によって算出された強度を出力する出力部と、を備える。
【０００７】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る強度解析プログラムは、繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成処理と、前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析処理と、前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析処理と、前記流動解析処理によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析処理によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出処理と、前記強度分布算出処理によって算出された強度を出力する出力処理と、をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る強度解析装置及び強度解析プログラムによれば、各微小要素における繊維材料の主配向方向と最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における樹脂成形品の強度を算出するので、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である強度解析処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、計算モデルの一例を示す平面図である。
【図５】図５は、樹脂材料の流動挙動の解析結果の一例を示す図である。
【図６】図６は、繊維材料の主配向方向の解析結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、図６に示す基部内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。
【図８】図８は、図６に示す広幅部内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。
【図９】図９は、最大主応力の大きさと方向との解析結果の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、最大主応力の分布状態の解析結果の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、強度の算出方法を説明するための概念図である。
【図１２】図１２は、強度分布の解析結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す基部内における強度分布を示す拡大図である。
【図１４】図１４は、図１２に示す広幅部内における強度分布を示す拡大図である。
【図１５】図１５は、安全率の分布状態の解析結果の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す基部内における安全率の分布状態を示す拡大図である。
【図１７】図１７は、図１５に示す広幅部内における安全率の分布状態を示す拡大図である。
【図１８】図１８は、配向度を説明するための概念図である。
【図１９】図１９は、繊維材料の主配向方向と最大主応力との関係を示す図である。
【図２０】図２０は、要素内の応力分布及び強度分布を示す模式図である。
【図２１】図２１は、要素内の応力分布及び強度分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成及びその動作について説明する。
【００１１】
〔強度解析装置の構成〕
始めに、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態である強度解析装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本発明の一実施形態である強度解析装置１は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの情報処理装置によって構成され、入力部２，出力部３，ＲＡＭ４，ＲＯＭ５，及びＣＰＵ６を主な構成要素として備えている。入力部２は、キーボード，マウスポインタ，テンキーなどの入力装置によって構成され、オペレータの操作入力情報をＣＰＵ６に入力する。出力部３は、表示装置や印刷装置などの出力装置によって構成され、ＣＰＵ６からの制御信号に従って各種情報を出力する。
【００１３】
ＲＡＭ４は、揮発性の記憶装置によって構成され、ＣＰＵ６が実行する処理に用いられるコンピュータプログラムやデータを一次記憶するＣＰＵ６のワーキングエリアとして機能する。ＲＯＭ５は、不揮発性の記憶装置によって構成され、ＣＰＵ６が実行する処理に用いられるコンピュータプログラムやデータを記憶している。本実施形態では、ＲＯＭ５は、後述する強度解析処理の各処理ステップの実行命令をコンピュータ言語によって記述した強度解析シミュレーションプログラム７を記憶している。
【００１４】
ＣＰＵ６は、コンピュータプログラムを実行可能な演算処理装置によって構成されている。ＣＰＵ６は、ＲＯＭ５内に記憶されたコンピュータプログラムをＲＡＭ４内へとロードし、ＲＡＭ４内にロードされたコンピュータプログラムを実行することによって、強度解析装置１全体の動作を制御する。本実施形態では、ＣＰＵ６は、強度解析シミュレーションプログラム７を実行することによって、図２に示す計算モデル作成部１１，流動解析部２０（樹脂流動解析部２１，繊維配向解析部２２，異方性物性算出部２３），強度解析部３０，材料強度分布算出部４０，及び安全率分布算出部５０として機能する。これら各部の機能については後述する。
【００１５】
なお、ＲＯＭ５内に格納されるコンピュータプログラムやデータは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ，フレキシブルディスク，ＣＤ−Ｒ，ＤＶＤ等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。また、コンピュータプログラムやデータは、インターネットなどの電気通信回線に接続されたコンピュータ上に格納し、電気通信回線経由でダウンロードさせることによって提供するように構成してもよい。また、コンピュータプログラムやデータをインターネットなどの電気通信回線を介して提供又は配布するように構成してもよい。
【００１６】
〔強度解析処理〕
このような構造を有する強度解析装置１は、以下に示す強度解析処理を実行することによって、材料物性の異方性を考慮して繊維材料を含有する樹脂成形品の強度分布を解析する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この強度解析処理を実行する際の強度解析装置１の動作について説明する。
【００１７】
図３は、本発明の一実施形態である強度解析処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、オペレータが入力部２を操作することによって、樹脂材料の物性データ（粘性，比容積，熱伝導率，比熱，繊維材料の含有量など），成形条件データ（射出時間、樹脂材料温度，成形型温度，保圧値，保圧時間，成形型形状など），及び荷重データ（応力など）、拘束条件などの情報を入力し、ＣＰＵ６に対し強度解析処理の実行を指示したタイミングで開始となり、強度解析処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ１の処理では、計算モデル作成部１１が、入力部２から入力された成形型形状、すなわち成形する樹脂成形品の形状をＮ個の微小要素ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）に分割した計算モデルを作成する。計算モデルの作成方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１９】
ステップＳ２の処理では、計算モデル作成部１１が、ステップＳ１の処理によって作成された計算モデルについて樹脂材料を注入するゲート位置を設定する。このステップＳ１及びステップＳ２の処理によって、例えば図４に示すような計算モデルが作成される。図４は、計算モデルの一例を示す平面図である。図４に示す計算モデル１００は、Ｙ方向に延びる柱状の基部１０１と、基部１０１のＹ方向両端部に設けられた広幅部１０２ａ，１０２ｂとを備え、基部１０１の中央部にゲート位置Ａが設定された構成になっている。以下では、この図４に示す計算モデル１００を用いて強度解析処理の一例を説明する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ３の処理では、樹脂流動解析部２１が、ステップＳ２の処理によって設定されたゲート位置から樹脂材料を流入させた際の成形型内における樹脂材料の流動挙動を解析する。流動解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略するが、例えば、東レエンジニアリング株式会社製“３Ｄ ＴＩＭＯＮ”（登録商標）などの流動解析プログラムを利用することによって行うことができる。このステップＳ３の処理によって、例えば図５に示すような樹脂材料の流動挙動を算出することができる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２１】
ステップＳ４の処理では、樹脂流動解析部２１が、入力部２から入力された材料物性データ及び成形条件データとステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果とを用いて保圧冷却解析を行うことによって、計算モデル内の各微小要素ｉの体積収縮率や密度などを算出する。保圧冷却解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ５の処理では、繊維配向解析部２２が、ステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果を用いて、計算モデル内の各微小要素ｉ内における繊維材料の主配向方向を算出する。このステップＳ５の処理によって、例えば図６乃至図８に示すような各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向を算出することができる。図６は、計算モデル１００内における繊維材料の主配向方向の一例を示す図である。図７は、図６に示す基部１０１内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。図８は、図６に示す広幅部１０２ａ内における繊維材料の主配向方向を示す拡大図である。図中、線分２０１は繊維材料を示し、線分２０１の傾き（方向）が繊維材料の主配向方向を表している。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ６の処理に進む。
【００２３】
ステップＳ６の処理では、異方性物性算出部２３が、入力部２から入力された材料物性データ及び成形条件データ、ステップＳ３の処理によって得られた流動解析結果、ステップＳ４の処理によって得られた保圧冷却解析結果、及びステップＳ５の処理によって得られた繊維材料の主配向方向のデータを用いて、計算モデル内の各微小要素ｉにおける材料物性を異方性物性として算出する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ７の処理では、強度解析部３０が、ステップＳ６の処理によって得られた計算モデル内の各微小要素ｉにおける材料物性（繊維材料の主配向方向，線膨張係数，弾性率など）を構造解析用データとして、入力部２から入力された荷重データ・拘束条件を用いて構造解析を実行することによって、計算モデルに要求荷重を加えた際の各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさと方向とを算出する。この処理によって、例えば図９に示すような主応力の大きさと方向とを算出することができる。図９は、広幅部１０２ｂを固定した状態で広幅部１０２ａに引張荷重を加えた際の各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさと方向とを示す図である。
【００２５】
図９中、線分２０２は最大主応力を示すベクトルであり、ベクトル２０２の大きさと方向とが最大主応力の大きさと方向とを表している。そして、強度解析部３０では、図１０に示すような最大主応力の分布状態も算出することができる。なお、構造解析の方法は、本願発明の出願時点で公知であるので詳細な説明は省略するが、例えばMSC.Nastran（MSC社製）やABAQUS（DASSAULT SYSTEMS SIMULIA CORP）などの構造解析プログラムを利用することによって行うことができる。また、簡易な形状や条件であれば、コンピュータプログラムを使用しなくても材料力学理論より結果を得ることができる。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ８の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ８の処理では、材料強度分布算出部４０が、ステップＳ５の処理によって得られた各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向とステップＳ７の処理によって算出された最大主応力の分布状態とに基づいて、各微小要素ｉについて最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。具体的には、材料強度分布算出部３０は、図１１（ａ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが０°である時の材料強度をＭＤ強度、図１１（ｃ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが９０°である時の材料強度をＴＤ強度としてそれぞれ設定する。そして、材料強度分布算出部３０は、以下に示す数式（１）に最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θを代入することによって、図１１（ｂ）に示すように最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）であるときの最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。
【００２７】
すなわち、一般に、材料強度は、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とが平行である場合に最大となり、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とが直交する場合には最小となる。そこで、本実施形態では、材料強度分布算出部４０は、最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度θが０°から９０°に増加するのに応じて材料強度が低下するように、以下に示す数式（１）により最大主応力方向Ｄ１と繊維材料の主配向方向Ｄ２とがなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）であるときの最大主応力σｐ（ｉ）と同方向の強度σｓ（ｉ）を算出する。このステップＳ８の処理によって、例えば図１２乃至図１４に示すような強度σｓ（ｉ）の分布状態を算出することができる。図１２は、図１０に示す最大主応力の分布状態から算出された強度分布の一例を示す図である。図１３は、図１２に示す基部１０１内における強度分布を示す拡大図である。図１４は、図１２に示す広幅部１０２ａ内における強度分布を示す拡大図である。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ９の処理に進む。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ステップＳ９の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ５の処理によって算出された各微小要素ｉの強度σｓ（ｉ）に基づいて、各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）を算出する。具体的には、安全率分布算出部３０は、以下に示す数式（２）に各微小要素ｉにおける最大主応力σｐ（ｉ）と強度σｓ（ｉ）とを代入することによって、各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）を算出する。このステップＳ９の処理によって、例えば図１５乃至図１７に示すような安全率Ａ（ｉ）の分布状態を算出することができる。図１５は、図１２に示す強度分布から算出された安全率Ａ（ｉ）の分布状態の一例を示す図である。図１６は、図１５に示す基部１０１内における安全率Ａ（ｉ）の分布状態を示す拡大図である。図１７は、図１５に示す広幅部１０２ａ内における安全率Ａ（ｉ）の分布状態を示す拡大図である。この安全率Ａ（ｉ）により、発生応力に対する安全率を保持できていれば構造強度としては問題がなく、逆に発生応力が低くても材料強度が劣れば安全率が低く構造強度に問題がある、といった製品設計における全体的な強度評価が可能となる。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、強度解析処理はステップＳ１０の処理に進む。
【００３０】
【数２】
【００３１】
ステップＳ１０の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ９の処理によって算出された各微小要素ｉの安全率Ａ（ｉ）に基づいて、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがあるか否かを判別する。基準値Ａｃは、強度解析シミュレーションプログラム７内で予め設定された値であり、例えば１．０などの値に設定されている。判別の結果、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがない場合、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１３の処理に進める。一方、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満の微小要素ｉがある場合には、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１１の処理に進める。
【００３２】
ステップＳ１１の処理では、安全率分布算出部５０が、安全率Ａ（ｉ）と基準値Ａｃとの差に基づいて、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できるか否かを判別する。判別の結果、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できる場合、安全率分布算出部５０は、ゲート位置を変更するように強度解析処理をステップＳ２の処理に戻す。一方、ゲート位置を変更することによって安全率Ａ（ｉ）を基準値Ａｃ以上に調整できない場合には、安全率分布算出部５０は、強度解析処理をステップＳ１２の処理に進める。
【００３３】
ステップＳ１２の処理では、安全率分布算出部５０が、成形型（製品）の形状を変更することを促すメッセージを出力部３に出力する。オペレータは、出力部３に出力されたメッセージに従って成形型の形状を変更し、入力部２を介して変更した成形型の形状のデータを入力する。そして、安全率分布算出部５０は、成形型の形状のデータが入力されたタイミングで強度解析処理はステップＳ１の処理に戻す。
【００３４】
ステップＳ１３の処理では、安全率分布算出部５０が、ステップＳ８の処理によって算出された強度分布のデータやステップＳ９の処理によって算出された安全率Ａ（ｉ）の分布状態のデータと共に、ステップＳ１の処理によって入力された成形型（製品）の形状のデータ及びステップＳ２の処理によって設定されたゲート位置のデータを出力部３に出力する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、一連の強度分布解析処理は終了する。
【００３５】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、材料強度分布算出部４０が、流動解析部２０によって算出された各微小要素ｉにおける繊維材料の主配向方向と強度解析部３０によって算出された各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素ｉにおける樹脂成形品の強度を算出するので、材料物性の異方性を考慮して樹脂成形品の強度分布を解析することができる。
【００３６】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、安全率分布算出部５０が、材料強度分布算出部４０によって算出された各微小要素ｉの強度を強度解析部３０によって算出された各微小要素ｉにおける最大主応力の大きさで除算することによって、各微小要素ｉについて安全率を算出するので、発生応力に対する安全率を保持できていれば構造強度としては問題がなく、逆に発生応力が低くても材料強度が劣れば安全率が低く構造強度に問題がある、といった製品設計における全体的な強度評価を行うことができる。
【００３７】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理によれば、安全率分布算出部５０が、算出された安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ未満である場合、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ以上になるように計算モデルの形状又はゲート位置を修正するので、安全率Ａ（ｉ）が基準値Ａｃ以上となる成形型の形状又はゲート位置を決定できる。
【００３８】
なお、本発明の一実施形態である強度解析処理では、図１８に示す繊維材料の主配向方向２０１のみに基づいて各微小要素ｉの強度を算出した。しかしながら、実際には、微小要素ｉ内には複数の繊維材料が存在し、各繊維材料の配向方向は図１８に矢印２０１ａで示すように必ずしも主配向方向２０１と一致しない。繊維材料がランダムに配向している場合であっても、主配向方向２０１は一意に特定されるので、その主配向方向に基づいてＭＤ強度を設定してしまうと、微小要素ｉの強度が実際より強い強度に算出され、強度を精度高く算出することができなくなる。
【００３９】
そこで、微小要素ｉの強度を算出する際には、繊維材料の主配向方向とその主配向方向に対する繊維材料の配向度（主配向方向に対する繊維材料の配向方向の乱れ具合）を考慮して各微小要素ｉの強度を算出することが望ましい。この場合、始めに、強度解析部３０は、各微小要素ｉについて繊維材料の配向度を示すパラメータγを算出する。パラメータγは、０．５〜１．０の値を示すものであり、その値は流動解析結果に基づいて算出することができる。パラメータγが０．５である時は、繊維材料がランダムに配向している状態を示し、パラメータγが１．０である時は、全ての繊維材料が主配向方向に配向している状態を示す。
【００４０】
次に、強度解析部３０は、繊維材料の主配向方向に直交する方向の強度をσｔ、繊維材料の主配向方向の強度をσｍとして、以下に示す数式（３），（４）にパラメータγの値を代入することによって、各微小要素ｉについて配向度を考慮した繊維材料の主配向方向に直交する方向の強度σｔ’及び繊維材料の主配向方向の強度σｍ’を算出する。そして、材料強度分布算出部４０は、図１９に示すように最大主応力σｐの方向と繊維材料の主配向方向とがなす角度がθであるとき、例えば、以下に示す数式（５）に角度θ，及び強度σｔ’，σｍ’を代入することにより、最大主応力σｐの方向の繊維材料の配向度を考慮した強度σθを算出できる。このような処理によれば、繊維材料の配向度を考慮して各微小要素Ｉｉの強度を精度高く算出できる。
【００４１】
【数３】
【数４】
【数５】
【００４２】
また、本発明の一実施形態である強度解析処理では、図２０（ａ）に示すように、微小要素ｉ中の最大主応力σｐの方向の強度が構造強度に最も影響を与えると仮定し、図２０（ｂ）に示すように、安全率分布算出部５０は、繊維材料の主配向方向が最大主応力方向から角度θａずれている時の最大主応力方向と同方向の強度σｓを算出し、算出された強度を最大主応力σｐで除算した値を微小要素ｉの安全率として算出した。しかしながら、図２１（ａ）に示すように、最大主応力方向から任意の角度θｂにおける応力σｂとその同方向の強度との関係によっては、最大主応力方向から任意の角度θｂにおける安全率が最大主応力方向の安全率より低くなる場合があり得る。
【００４３】
そこで、安全率分布算出部５０は、微小要素ｉ内における最大主応力方向以外の任意の方向における安全率を１８０°にわたって所定角度（例えば１５°）毎に算出し、算出された安全率の中の最小値を微小要素ｉの安全率としてもよい。具体的には、この場合、安全率分布算出部５０は、以下に示す数式（６），（７）を利用して微小要素ｉ内の最大主応力方向から１８０°にわたる範囲で任意方向の応力σｂに対応する強度σｕを算出し、以下に示す数式（８）を利用して微小要素ｉ内の任意方向における安全率を算出する。そして、安全率分布算出部５０は、算出された安全率の中の最小値を微小要素ｉの安全率とする。
【００４４】
【数６】
【数７】
【数８】
【００４５】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 強度解析装置
２ 入力部
３ 出力部
４ ＲＡＭ（Random Access Memory）
５ ＲＯＭ（Read Only Memory）
６ ＣＰＵ（Central Processing Unit）
７ 強度解析シミュレーションプログラム
１１ 計算モデル作成部
２０ 流動解析部
２１ 樹脂流動解析部
２２ 繊維配向解析部
２３ 異方性物性算出部
３０ 強度解析部
４０ 材料強度分布算出部
５０ 安全率分布算出部
１００ 計算モデル
１０１ 基部
１０２ａ，１０２ｂ 広幅部
Ａ ゲート位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成部と、
前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析部と、
前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析部と、
前記流動解析部によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出部と、
前記強度分布算出部によって算出された強度を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする強度解析装置。
【請求項２】
前記強度分布算出部によって算出された各微小要素の強度を前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさで除算することによって、各微小要素について安全率を算出する安全率分布算出部を備え、前記出力部は、前記安全率分布算出部によって算出された安全率を出力することを特徴とする請求項１に記載の強度解析装置。
【請求項３】
前記強度分布算出部によって算出された任意方向における各微小要素の強度を各微小要素における前記強度を算出した方向と同方向の応力の大きさで除算することによって、任意方向における各微小要素の安全率を算出する処理を微小要素内複数の方向について実行し、微小要素内複数の方向における各微小要素の安全率の最小値を各微小要素の安全率とする安全率分布算出部を備え、前記出力部は、前記安全率分布算出部によって算出された安全率を出力することを特徴とする請求項１に記載の強度解析装置。
【請求項４】
前記安全率分布算出部は、算出された安全率が所定値未満である場合、前記計算モデルの形状又は前記ゲート位置を修正することを特徴とする請求項２又は３に記載の強度解析装置。
【請求項５】
前記強度解析部は、前記流動解析部によって算出された主配向方向に対する前記繊維材料の配向度を算出し、算出された配向度に基づいて各微小要素における前記樹脂成形品の強度の大きさを補正することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の強度解析装置。
【請求項６】
繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成処理と、
前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析処理と、
前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析処理と、
前記流動解析処理によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析処理によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出処理と、
前記強度分布算出処理によって算出された強度を出力する出力処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする強度解析プログラム。
【請求項１】
繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成部と、
前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析部と、
前記計算モデル作成部によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析部と、
前記流動解析部によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出部と、
前記強度分布算出部によって算出された強度を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする強度解析装置。
【請求項２】
前記強度分布算出部によって算出された各微小要素の強度を前記強度解析部によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさで除算することによって、各微小要素について安全率を算出する安全率分布算出部を備え、前記出力部は、前記安全率分布算出部によって算出された安全率を出力することを特徴とする請求項１に記載の強度解析装置。
【請求項３】
前記強度分布算出部によって算出された任意方向における各微小要素の強度を各微小要素における前記強度を算出した方向と同方向の応力の大きさで除算することによって、任意方向における各微小要素の安全率を算出する処理を微小要素内複数の方向について実行し、微小要素内複数の方向における各微小要素の安全率の最小値を各微小要素の安全率とする安全率分布算出部を備え、前記出力部は、前記安全率分布算出部によって算出された安全率を出力することを特徴とする請求項１に記載の強度解析装置。
【請求項４】
前記安全率分布算出部は、算出された安全率が所定値未満である場合、前記計算モデルの形状又は前記ゲート位置を修正することを特徴とする請求項２又は３に記載の強度解析装置。
【請求項５】
前記強度解析部は、前記流動解析部によって算出された主配向方向に対する前記繊維材料の配向度を算出し、算出された配向度に基づいて各微小要素における前記樹脂成形品の強度の大きさを補正することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の強度解析装置。
【請求項６】
繊維材料を含有する樹脂成形品の形状を複数の微小要素に分割すると共に、樹脂材料を注入するゲート位置を設定することによって、該樹脂成形品の計算モデルを作成する計算モデル作成処理と、
前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて流動解析を実行することによって、各微小要素内における前記繊維材料の主配向方向を算出する流動解析処理と、
前記計算モデル作成処理によって作成された計算モデルを用いて強度解析を実行することによって、前記樹脂成形品に要求荷重を加えた際に発生する最大主応力の大きさ及び方向を各微小要素について算出する強度解析処理と、
前記流動解析処理によって算出された各微小要素における前記繊維材料の主配向方向と前記強度解析処理によって算出された各微小要素における最大主応力の大きさ及び方向とを用いて、各微小要素における前記樹脂成形品の強度を算出する強度分布算出処理と、
前記強度分布算出処理によって算出された強度を出力する出力処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする強度解析プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図５】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図５】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１３１２２０（Ｐ２０１２−１３１２２０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６６８４（Ｐ２０１１−２５６６８４）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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