樹脂成形品の設計支援装置、支援方法及び支援プログラム
【課題】複雑障害物を有する熱硬化性樹脂成形品の樹脂注入時の充填挙動を、迅速かつ高精度に予測する。
【解決手段】モデル作成部は空間・障害物分離モデル作成部と空間・障害物合成モデル作成部からなり、空間・障害物合成モデル作成部は狭い空間が規則的に設けられた障害物を多孔質体として取り扱う。熱硬化性樹脂流動解析部は空間・障害物分離解析部と空間・障害物合成解析部からなり、いずれも熱硬化性樹脂の粘度算出式を備えている。空間・障害物分離解析部は質量、運動量、エネルギ保存方程式を組合せて解析し、空間・障害物合成解析部は、多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式を組合せて解析し、空間・障害物分離モデルと空間・障害物合成モデルの界面でのデータの授受を行いながら樹脂流動挙動の解析を行う。
【解決手段】モデル作成部は空間・障害物分離モデル作成部と空間・障害物合成モデル作成部からなり、空間・障害物合成モデル作成部は狭い空間が規則的に設けられた障害物を多孔質体として取り扱う。熱硬化性樹脂流動解析部は空間・障害物分離解析部と空間・障害物合成解析部からなり、いずれも熱硬化性樹脂の粘度算出式を備えている。空間・障害物分離解析部は質量、運動量、エネルギ保存方程式を組合せて解析し、空間・障害物合成解析部は、多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式を組合せて解析し、空間・障害物分離モデルと空間・障害物合成モデルの界面でのデータの授受を行いながら樹脂流動挙動の解析を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂はその硬化物が接着性、機械的強度、電気絶縁性、耐薬品性などに優れた性質を有しているため、電気機器の構造絶縁材料や電子、機構部品の封止材料として広く用いられている。この中でモータや発電機、医療診断機器のように金属コイルが巻かれてある部品の固定用としてのニーズが高くなっている。
【０００３】
この工程では液状の樹脂を外部から加熱、加圧して機器やコイルの隙間に充填させ、樹脂を硬化させた後に製品を取り出す方式が一般的である。熱硬化性樹脂は流動中の温度変化により粘度が複雑に変化するため、適切な解析モデルを立てて、数値解析により温度、粘度、流速などの物理量の変化を計算し、ボイドや未充填などの不良を事前に予測し、問題のない構造やプロセスの選定を計算機上で行うシミュレーション技術の適用が重要になってきている。
【０００４】
本発明はコイルのような非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行う装置、方法を対象とする。
【０００５】
特許文献１は反応速度モデルを基にして熱硬化性樹脂の流動挙動と硬化後の残留ひずみまでを一貫して解析する装置、方法である。特許文献２もやはり反応速度モデルを基にして熱硬化性樹脂の流動挙動を解析する装置、方法である。特許文献３は狭い隙間が規則的に並んでいる形状を多孔質体とみなし、従来からの多孔質体の流動計算手法であるダルシー則をベースにして熱硬化性樹脂の含浸挙動を予測する方法に関するものである。特許文献４は発電機、タービンなどの巻き線部を熱硬化性樹脂で含浸する工程でやはりダルシー則をベースにして含浸時間を予測する方法に関するものである。
【特許文献１】特開２００６−２０５７４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２３２２５０号公報
【特許文献３】特開２００６−１６８３００号公報
【特許文献４】特開２００１−５２０３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１と２は熱硬化性樹脂の解析モデルとしてはかなり厳密であるが、コイルのような非常に狭い隙間が多い形状では膨大なメッシュを用いる必要があり、計算時間の増大により現実的な時間内では計算が終わらないという問題がある。特許文献３は樹脂の粘度変化を記述するモデル式は用いておらず、粘度変化の情報が得られないこと、多孔質体とみなせる狭い部分とみなせない広い部分が入り組んだ形状には対応できないという問題がある。特許文献４もやはり、樹脂の粘度変化を記述するモデル式は用いておらず、粘度変化の情報が得られないこと、多孔質体とみなせる狭い部分とみなせない広い部分が入り組んだ形状には対応できないという問題がある。
【０００７】
以上述べたように、コイルのような非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを対象とした、迅速かつ高精度な流動シミュレーション手法がこれまでになく、新製品開発時には試作、評価、仕様の変更を繰り返しによる開発期間の遅延が起きる場合が多かった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は複雑障害物を有する熱硬化性樹脂成形品の樹脂注入時の充填挙動を、迅速かつ高精度に予測することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部から構成される。前記モデル作成部は３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデル作成部とし、それ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデル作成部からなる。前記熱硬化性樹脂流動解析部は前記空間・障害物合成モデル領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデル領域を解析する空間・障害物分離解析部からなる。前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とも熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析部では流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、規則的に狭い隙間が配列されている空間・障害物合成モデル部は多孔質体として解析方法の簡素化を図れるので、計算時間が大幅に短縮できる。一方、この部分では３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定し、３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として運動方程式を表しており、熱硬化性樹脂特有の粘度変化を粘度式により逐次計算することにより３次元方向の正確な流動予測が可能となる。
【００１１】
さらに、空間・障害物合成モデルと空間・障害物分離モデル界面での物理量の情報を引渡すことにより、両モデル間で矛盾が起きないように連立して流動挙動の解を求めることができ、複雑構造体の解析全体が精度よく行える。
【００１２】
本発明によれば非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の実施例１の設計支援装置の概略構成図である。図示するように、本実施例の設計支援装置は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）部１１とモデル作成部１２、熱硬化性樹脂流動解析部１３を有する。モデル作成部１２は、空間・障害物分離モデル作成部１４と空間・障害物合成モデル作成部１５に分かれる。
【００１５】
熱硬化性樹脂流動解析部１３は、空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７に分かれ、お互いに解析データの授受を行いながら、それぞれ、空間・障害物分離モデル作成部１４、空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデルに対応した解析を行う。
【００１６】
ＧＵＩ部１１は、画面表示およびキーボード、マウス等の入力装置を介して、ユーザより各種指示や情報などの入力を受け付けたり、熱硬化性樹脂の３次元流動解析の結果を表示したりする。
【００１７】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介して受け付けたユーザの指示に従い、設計支援の対象とする熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の形状データ（モデルデータ）を作成する。モデル作成部１２は、３Ｄ−ＣＡＤ、ＣＡＭ，ＣＡＥなどを利用することができる。空間・障害物分離モデル作成部１４では、形状データ通りに、空間と障害物を分離できる箇所を選定し、空間をそのまま流路として、所定メッシュに分割する作業を行う。
【００１８】
空間・障害物合成モデル作成部１５では、解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物、すなわち、コイルや繊維状の物体が規則的に設置してある箇所の指定を行うとともに、それぞれの指定箇所において所定メッシュに分割し、３次元方向の形状抵抗値を設定する。すなわち、指定箇所毎に３次元方向に所定の形状抵抗値を有する多孔質体におきかえる。
【００１９】
熱硬化性樹脂流動解析部１３は、解析対象領域を流動中の熱硬化性樹脂の粘度、温度、流速、圧力、流動先端位置などの変化を解析する（３次元流動解析）。空間・障害物分離解析部１６は、空間・障害物分離モデル作成部１４で作成したモデル内での解析を行う。
【００２０】
ここでは熱硬化性樹脂用の粘度計算式１８ならびに流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式とを組合せて、有限差分法あるいは有限要素法により数値解析し、３次元方向の温度、圧力、速度、粘度、流動先端位置などの計算を行う。
【００２１】
空間・障害物合成解析部１７は、空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデル内での解析を行う。ここでは、前記粘度計算式１８と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて有限差分法あるいは有限要素法により数値解析し、３次元方向の温度、圧力、速度、粘度、流動先端位置などの計算を行う。
【００２２】
この空間・障害物合成解析部１７では、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化され、計算時間の大幅な短縮化が図れる。
【００２３】
空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７との間では、それぞれの解析領域である空間・障害物分離モデル作成部１４と空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデル界面での物理量の情報２０の授受が行われ、これを基にして、それぞれの領域での新しい状態の解析を続行する。
【００２４】
上記構成の設計支援装置は、例えば、図２に示すような、ＣＰＵ２１と、メモリ２２と、ＨＤＤ等の外部記憶装置２３と、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の可搬性を有する記憶媒体２４から情報を読み出す読取装置２５と、キーボードやマウスなどの入力装置２６と、ＣＲＴやＬＣＤなどの表示装置２７と、インターネットなどのネットワーク通信を行うための通信装置２８とを備えた一般的なコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ２１がメモリ２２上にロードされた所定のプログラム（モデル作成部１２を実現する３Ｄ−ＣＡＤ、ＣＡＭあるいはＣＡＥプログラム、熱硬化性樹脂流動解析部１３を実現する３次元流動解析プログラム）を実行することで実現できる。
【００２５】
これらのプログラムは、読取装置２５を介して記憶媒体２４から、あるいは、通信装置２８を介してインターネットなどからの通信媒体から、メモリ２２に直接ロードしてもよいし、あるいは、一旦、外部記憶装置２３にダウンロードしてから、メモリ２２にロードしてもよい。
【００２６】
図３は、上記支援装置の処理を説明する実施例１でのフロー図である。
熱硬化性樹脂流動解析部１３では、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析に必要な、熱硬化性樹脂の物性値を受け取る（Ｓ２０１）。本実施例では後述する粘度式中の係数、比熱、密度、熱伝導率などである。
【００２７】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３では、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析のための各種条件（境界条件、解析条件、および初期条件）を受け付ける（Ｓ２０２）。各種条件には、熱硬化性樹脂の初期温度、流入速度、金型温度、注入部の形状データ、ならびに解析終了条件（流動時間、粘度、圧力の上限値など）が含まれる。
【００２８】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析指示を受け着ける。それから指定されたモデルデータを取り込む（Ｓ２０３）。次に、モデル作成部１２は、取り込んだデータが特定する樹脂充填領域を３次元解析領域に設定する。そして、この３次元解析領域を複数の３次元ソリッド要素に分割する際の条件（分割数や要素サイズなど）を、ＧＵＩ部１１を介してユーザより受け取る（Ｓ２０４）。そして、受け付けた分割条件に従い、３次元解析領域を複数の３次元ソリッド領域に分割する（Ｓ２０５）。
【００２９】
次に、ユーザはＧＵＩ部１１を介してモデル作成部１２で設定した複数の３次元ソリッド領域の内、空間をそのまま流路に設定できる箇所を選び、空間・障害物分離モデル設定を行う（Ｓ２０６）。これはそのままモデル作成部１２の空間・障害物分離モデル作成部１４に保存される。一方、モデルデータの中で解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物を有する箇所は、空間・障害物合成モデル作成部１５にて、空間・障害物合成モデル設定を行う（Ｓ２０７）。このモデル設定方法の具体例は後述する。
【００３０】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６の具体例について説明する。空間・障害物分離解析部１６では、時間ｔを初期時間にセットする。それから、熱硬化性樹脂用の粘度計算式１８と温度、時間条件を用いて３次元ソリッド要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ２０８）。
【００３１】
なお、等温粘度式は数１〜数４で示される。
η＝η０（（１＋ｔ／ｔ０）／（１−ｔ／ｔ０））Ｃ・・・・・・数１
η０＝ａ ｅｘｐ（ｂ／Ｔ）・・・・・数２
ｔ０＝ｄ ｅｘｐ（ｄ／Ｔ）・・・・数３
Ｃ＝ｆ／Ｔ−ｇ ・・・・・・・・・数４
【００３２】
ここで、ηは粘度、ｔは時間、Ｔは温度、η０は初期粘度、ｔ０はゲル化時間、Ｃは粘度上昇係数、ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇは材料の固有係数である。図４は、この粘度式の等温特性を示したものである。各温度Ｔにおいて粘度は時間ｔで初期粘度となり、時間の経過とともに反応の進行により粘度が増大し、ゲル化時間において粘度は無限大となる。また、温度が高くなるにしたがって、初期粘度は低くなり、ゲル化時間は短くなる。
【００３３】
熱硬化性樹脂の成形では、樹脂は金型から熱を受けながら流動する非等温状態となる。この状態での粘度変化は以下の手法で予測できる。
数１において
μ＝（η／η０）（１／Ｃ）・・・・数５
τ＝ｔ／ｔ０・・・・・・・・・数６
と置くと次式が得られる。
【００３４】
μ＝（１＋τ）／（１−τ）・・・・・数７
ここで、μは無次元粘度、τは無次元時間である。μ−τ特性曲線を図５の（ａ）に示す。いま、状態１で時間ｔ１、温度Ｔ１とし、ここからそれぞれ微小量のΔｔ、ΔＴ変化し、状態２でｔ２，Ｔ２になったとする。これにより、μ−τ特性曲線上ではτ１からΔτ変化し、μ１がμ２になる。すなわち、時間と温度が同時に変化する現象を一本の曲線上の変化として取り扱うことができる。Δτを微小量とすれば近似的に次式が成立する。
μ２＝μ１＋（ｄμ／ｄτ）μ１Δτ
＝μ１＋２Δτ／（（１−τ１）２）・・・・数８
【００３５】
また、Δτは近似的に次式で求めることができる。
Δτ＝（∂τ／∂ｔ）τ１Δｔ＋（∂τ／∂Ｔ）τ１ΔＴ
＝Δｔ／（ｄ ｅｘｐ（ｅ／Ｔ１））＋ΔＴ ｅ τ１／（Ｔ１２）・・数９
数９を数８に代入すれば既知の値を用いてμ２が求められる。数７により、
τ２＝（μ２−１）／（μ２＋１）・・・・・数１０
となる。数５から、状態２の粘度は次式で求められる。
η２＝η０（Ｔ２）μ２Ｃ（Ｔ２）・・・・・・数１１
【００３６】
以上の手順をτ＝０から１とみなせる無次元時刻まで繰り返せば、図５の（ｂ）に示す初期状態からゲル化に至るまでの実際の粘度変化が計算できる。
【００３７】
次に、質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける温度、速度、圧力、流動先端位置などを算出する（Ｓ２０９）。
なお、質量保存方程式は、数１２で表される。
（∂ρ／∂ｔ）＋ρ（▽・ｖ）＝０・・・・数１２
【００３８】
また、運動量保存方程式は、数１３で示される。
ρ（∂ｖ／∂ｔ＋ｖ・▽ｖ）＝−▽ｐ＋▽・τ＋ρｇ・・・・数１３
【００３９】
また、エネルギ保存方程式は、数１４で示される。
ρＣｐ（∂Ｔ／∂ｔ＋ｖ・▽Ｔ）＝λ▽２Ｔ＋τ：▽ｖ・・・・数１４
【００４０】
ここで、ρは密度、ｔは時間、▽はナブラ演算子、ｖは速度ベクトル、ｐは圧力、τは偏差応力テンソル、ｇは重力ベクトル、Ｃｐは定圧比熱、Ｔは温度、λは熱伝導率である。なお、τはＳ２０８で求めた粘度ηと速度勾配を用いて計算される。数１２〜数１４は３次元の偏微分方程式であり、厳密解は求められないので、有限差分法あるいは有限要素法などの数値解析手法により、温度、速度、圧力、流動先端位置などの近似解が求められる。
【００４１】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ２１０）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ２１１）。ここでは、Ｓ２０９で計算した値とＳ２０２で受け付けた条件で設定した流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物合成部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ２１２）。すなわち、Ｓ２０９で計算した流動先端位置が空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００４２】
ここで、流動先端位置が空間・障害物合成モデル部（Ｓ２０７）に到達していなければ、Ｓ２０８に戻り、Ｓ２１０で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ２１２において流動先端が空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部に達していれば、モデル界面での物理量の情報２０を空間・障害物合成解析部１７に引き渡す（Ｓ２１３）。このとき、空間・障害物合成解析部１７で必要な空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部表面に接触した箇所と粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００４３】
次に、空間・障害物合成モデル設定（Ｓ２０７）の具体例について述べる。ここでは、規則的に障害物が配列された狭い空間を非常にゆっくりと流体が流れる場合の解析手法であるダルシー則を利用する。一般的なダルシー則（１次元方向）は数１５で示される。
ΔＰ＝Ｋ・ｕ・ρ・Ｌ・・・・・数１５
【００４４】
ここで、ΔＰは圧力損失、Ｋは抵抗係数、ｕは速度、ρは密度、Ｌは流動距離である。数１５は、数１３に示した流体の運動量保存方程式を非常に遅い流れに適用し、粘度を密度で除した動粘性係数と断面形状の持つ抵抗値の積をまとめて抵抗係数Ｋとして表示する経験則の式である。これにより、１方向に一様の狭い隙間が設けられている形状ならＫの適切な設定により流動挙動を計算できる。
【００４５】
すなわち、狭い隙間の集合体を厳密にモデル化しなくて済み、計算時間の大幅な短縮化を図れる。水のような粘度が一定とみなせる流体の場合は数１５の形がそのまま適用できるが、熱硬化性樹脂の場合は時間と温度により粘度が大幅に変わるので、粘度を分離することが必要になる。粘度を分離すると数１５は数１６のようになる。
ΔＰ＝β・η・ｕ・Ｌ・・・・・数１６
【００４６】
ここで、βは断面形状固有抵抗値である。数１６に数１〜数１１で示した手法で粘度ηを逐次求めれば、熱硬化性樹脂特有の粘度変化が起きる流体での解析が可能となる。なお、３次元の流動解析を行う場合は、直交座標系ではそれぞれ数１７〜数１９のようになる。
ΔＰｘ＝βｘ・η・ｕｘ・Ｌｘ・・・・・数１７
ΔＰｙ＝βｙ・η・ｕｙ・Ｌｙ・・・・・数１８
ΔＰｚ＝βｚ・η・ｕｚ・Ｌｚ・・・・・数１９
【００４７】
ここで、添え字は、それぞれｘ，ｙ，ｚ方向の値を示す。数１７〜数１９に数１〜数１１で示した粘度変化予測手法で計算される粘度を逐次代入し、数１２の質量保存方程式、数１４のエネルギ保存方程式と連立させて数値解析により解を求めれば、空間・障害物合成モデル作成部１５での熱硬化性樹脂の３次元流動挙動を解析できる。なお、空間・障害物合成モデル作成部１５では、Ｓ２０７の工程において、Ｓ２０５で設定した３次元ソリッド要素の集合体の該当箇所をブロックに分け、それぞれ空間・障害物合成モデルに指定するとともに、ブロック毎に３次元方向の断面形状固有抵抗値を設定する。
【００４８】
次に、空間・障害物合成解析部１７の具体例を説明する。まず、粘度式と温度、時間条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ２１４）。粘度の計算手法は数１〜数１１に記載した方法と同じである。ここでは、樹脂が空間・障害物分離モデル領域を経由せずに流入した場合は、Ｓ２０２の初期条件で設定した温度と初期時間を用いて粘度計算を行う。一方、空間・障害物分離モデル領域を経由して樹脂が到達した場合は、Ｓ２１３のモデル界面の物理量の情報２０の引渡しで引き渡された数１〜数１１中の粘度計算に必要な値を用いて新しい粘度の計算を行う。
【００４９】
次に、多孔質体として簡略化した形状を対象とした質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける３次元方向の速度、圧力、流動先端位置を算出する（Ｓ２１５）。ここでは、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化されるとともに、運動量保存方程式自体は数１７〜数１９のような簡単な形になるので、計算時間の大幅な短縮が図れる。
【００５０】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ２１６）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ２１７）。ここでは、Ｓ２１５で計算した値とＳ２０２で受け付けた条件で設定した流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物分離部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ２１８）。すなわち、Ｓ２１５で計算した流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００５１】
ここで、流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達していなければ、Ｓ２１４に戻り、Ｓ２１６で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ２１８において流動先端が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物分離解析部１６に引き渡す（Ｓ２１９）。このとき、空間・障害物分離解析部１６で必要な空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部表面に接触した箇所と粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００５２】
以上述べた手法により、規則的に障害物が配列された狭い空間を有する流路内での熱硬化性樹脂の流動挙動を迅速、かつ高精度に解析できる。
【００５３】
次に、具体的な解析例を説明する。図６は、モータのステータ部の樹脂封止前の断面図である。内側に一定ピッチで突起物を有した円筒形状であるコア３１の突起物の回りにコイル３２が複数の列と段数で巻かれてある。コア３１の突起物の先端にはティース３３が取り付けられ、これにより、コイルの脱落を防止する。なお、解析においてモータのステータ部の形状は円筒座標系で表すのが便利であり、ここでは、半径方向の座標をｘ、円周方向の座標をθ、軸方向の座標をｚとする。
【００５４】
図７は、図６のモータのステータ部のｒ−θ方向の全周を上から見た図である。コア３１の周りにコイル３２が３０°ピッチで１２箇所巻かれてある。
【００５５】
図８は、図６のモータのステータ部のｚ方向の中央部におけるｒ−θ方向の全周の断面図である。コイル３２は多段、多列にコア３１の周りに巻かれている。
【００５６】
図９は、図７のＡ−Ａ断面図である。この断面ではコイル３２はコア３１の上下にあり、ティース３３によって脱落が防止されている。
【００５７】
図１０は、図７のＢ−Ｂ断面図である。コイル３２はコアの周りに巻かれている。なお、ここではコイル３２の集合体が空間・障害物合成モデル部１４で多孔質体としてモデル化される。
【００５８】
図１１は、コイル３２の集合体のモデル化を示す概略図である。コア３１の一つの突起部の周りにコイル３２が巻かれているが、巻き方向に沿った流動は抵抗が小さく、それと直交する方向では抵抗が大きくなる。したがって、ここでは、コア３１の左右のコイル３２では断面固有形状抵抗値をｚ方向に小さく、θ、ｒ方向に大きく設定し、このブロックを空間・障害物合成モデル(1)３４とした。一方、コア３１上下部のコイル３２では断面形状固有抵抗値をθ方向に小さく、ｒ、ｚ方向には大きく設定し、このブロックを空間・障害物合成モデル(2)３５とした。
【００５９】
図１２は、熱硬化性樹脂の流動解析用に設定したモデル形状のｚ方向中央部におけるｒ−θ方向半周の断面図である。各コア３１の周りに空間・障害物合成モデル(1)３４が置かれてある。モータのステータ部の周りは金型３６に囲まれている。なお、空間・障害物合成モデル(1)３４と空間・障害物合成モデル(2)３５以外の部分はすべて空間・障害物分離作成部１４により作成されており、コア３１、ティース３３、金型３６は固体障害物として登録され、それ以外の空間が、樹脂が流動するキャビティ３７となる。
【００６０】
図１３は、図１２のＣ−Ｃ部でｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が置かれてある。
【００６１】
図１４は、図１２のＤ−Ｄ部でｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下にｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が置かれ、コア３１側面の空間・障害物合成モデル(1)３４とつながっている。
【００６２】
図１５は図１２〜図１４に記載のモデルにおいて樹脂注入部であるゲート３８が設置してあるｒ方向位置においてｚ−θ方向半周部の断面図である。なお、ゲート３８は一箇所に設けてあり、図示していない半周部にも対象形に樹脂が充填される。各コア３１の左右に空間・障害物合成モデル(1)３４が上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が設置されている。キャビティ部３７は空間・障害物合成モデル(1)３４と空間・障害物合成モデル(2)３５を囲む形で金型３６内に設置されている。
【００６３】
次に、図１６〜図２０（１５−（ａ）〜１５−（ｅ））を用いて図１５の断面における樹脂充填状況の解析結果を示す。
【００６４】
図１６の１５−（ａ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後５ｓの状態を示した図である。ゲート３８を通過した樹脂３９はキャビティ３７の中を分岐して流れ、上流側では、空間・障害物合成モデル(2)３５や空間・障害物合成モデル(1)３４にも充填を開始している。
【００６５】
図１７の１５−（ｂ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後１５ｓの状態を示した図である。ゲート３８を通過した樹脂３９はキャビティ３７の中を分岐して流れ、上流側では、空間・障害物合成モデル(1)３５や空間・障害物合成モデル(2)３４への充填がさらに進む。
【００６６】
図１８の１５−（ｃ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後２５ｓの状態を示した図である。この時刻ではキャビティ３７内の樹脂３９の充填は完了している。
【００６７】
図１９の１５−（ｄ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後２７．５ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(2)３５への樹脂３９の充填は完了し、空間・障害物合成モデル(1)３４のみに充填している。
【００６８】
図２０の１５−（ｅ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後３０ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４の充填も完了し、すべての流路を樹脂３９が充填し、解析終了条件に達したため、ここで解析は終了となる。
【００６９】
次に、図２１〜２５（１２−（ａ）〜１２−（ｅ））を用いて図１２の断面のおける樹脂充填状況の解析結果を示す。
【００７０】
図２１の１２−（ａ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後５ｓの状態を示した図である。樹脂３９はゲート３８（図示せず）に近い側のキャビティから充填を開始し、一部は空間・障害物合成モデル(1)３４にも充填を開始している。
【００７１】
図２２の１２−（ｂ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後１５ｓの状態を示した図である。キャビティ３７内の充填が進み、上流側では空間・障害物合成モデル(1)３４への充填がさらに進む。
【００７２】
図２３の１２−（ｃ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後２５ｓの状態を示した図である。この時刻ではキャビティ３７内の樹脂３９の充填は完了している。
【００７３】
図２４の１２−（ｄ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後２７．５ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４のみに充填している。
【００７４】
図２５の１２−（ｅ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後３０ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４の充填も完了し、すべての流路を樹脂３９が充填し、解析終了条件に達したため、ここで解析は終了となる。以上述べたように、本実施例ではコイルのような複雑な障害物を含む金型内で熱硬化性樹脂の詳細な流動解析が可能となる。
【実施例２】
【００７５】
次に、本発明の実施例２について説明する。実施例１では、粘度は温度と時間の関数として表し、ゲル化時刻までの粘度変化を計算している。このような熱硬化性樹脂の物性変化は反応の進行によるものであり、反応率の変化を表す式を基礎にして粘度計算や流動解析を行うのが実施例２である。
【００７６】
図２６に、熱硬化性樹脂の等温状態での物性値の変化を示す。ここでは等温成形の場合の成形時間と物性値の変化を示してある。熱硬化性樹脂は時間の経過とともに反応が進行し、反応率Ａと分子量が増えていく。これにより、等温状態では液体の粘度ηが上昇する。流動が可能なのはまだ粘度が低い領域にあるときである。粘度は指数関数的に増加を続け、反応率がゲル化反応率Ａｇｅｌに達すると粘度は無限大になり、ゲル化が起きる。ゲル化以降は固体とみなすことができ、反応の継続により弾性率Ｅは増加し、反応の終了に近づくと飽和する。このように反応率の変化を計算することにより、ゲル化以降の物性値の変化も含めての解析が可能となる。
【００７７】
図２７に、実施例２の設計支援装置の概略図を示す。実施例２においても設計支援装置の概略は図１と同じである。異なる点は熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７において、反応率の計算と反応による発熱速度の計算を行うための熱反応式１９が加わることである。実施例２において設計支援装置の実現手段も図２と同じである。
【００７８】
図２８は、上記支援装置の処理を説明するフロー図である。熱硬化性樹脂流動解析部１３ではＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析に必要な、熱硬化性樹脂の物性値を受け取る（Ｓ３０１）。本実施形態では後述する熱反応式１９、粘度式中の係数、比熱、密度、熱伝導率などである。
【００７９】
次に熱硬化性樹脂流動解析部１３ではＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析のための各種条件（境界条件、解析条件、および初期条件）を受け取る（Ｓ３０２）。各種条件には、熱硬化性樹脂の初期温度、流入速度、金型温度、注入部の形状データ、ならびに解析終了条件（反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値など）が含まれる。
【００８０】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析指示を受け着ける。それから指定されたモデルデータを、モデル作成部１２から取り込む（Ｓ３０３）。次に、モデル作成部１２は、取り込んだデータが特定する樹脂充填領域を３次元解析領域に設定する。そして、この３次元解析領域を複数の３次元ソリッド要素に分割する際の条件（分割数や要素サイズなど）を、ＧＵＩ部１１を介してユーザより受け取る（Ｓ３０４）。そして、受け付けた分割条件に従い、３次元解析領域を複数の３次元ソリッド領域に分割する（Ｓ３０５）。
【００８１】
次に、ユーザはＧＵＩ部１１を介してモデル作成部１２で設定した複数の３次元ソリッド領域の内、空間をそのまま流路に設定できる箇所を選び、空間・障害物分離モデル設定を行う（Ｓ３０６）。これはそのままモデル作成部１２の空間・障害物分離モデル作成部１４に保存される。一方、モデルデータの中で解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物を有する箇所は、空間・障害物合成モデル作成部１５にて、空間と障害物の境界のない空間・障害物合成モデル設定を行う（Ｓ３０７）。この設定方法は後述する。
【００８２】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６の具体例について説明する。空間・障害物分離解析部１６では、時間ｔを初期時間にセットする。それから、熱硬化性樹脂用の熱反応式２０と温度条件を用いて３次元ソリッド要素毎に時間ｔにおける反応率と発熱速度を算出する（Ｓ３０８）。
熱反応式２０は数２０〜数２４で表される。
【００８３】
∂Ａ／∂ｔ＝（Ｋ１＋Ｋ２ＡＭ）（１−Ａ）Ｎ・・・・数２０
Ｋ１＝Ｋａ ｅｘｐ（−Ｅａ／Ｔ）・・・数２１
Ｋ２＝Ｋｂ ｅｘｐ（−Ｅｂ／Ｔ）・・・数２２
Ａ＝Ｑ／Ｑ０・・・数２３
∂Ｑ／∂ｔ＝Ｑ０（Ｋ１＋Ｋ２ＡＭ）（１−Ａ）Ｎ・・・・数２４
【００８４】
ここで、Ａは反応率、ｔは時間、Ｔは温度、∂Ａ／∂ｔは反応速度、Ｋ１、Ｋ２は温度の関数で表される係数、Ｎ、Ｍ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｅａ、Ｅｂは材料の固有係数、Ｑは時刻ｔまでの発熱量、Ｑ０は反応終了までの総発熱量、∂Ｑ／∂ｔは発熱速度を示している。そのうち、Ｎ、Ｍ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｅａ、Ｅｂ、Ｑ０はステップＳ３０１で受け付けた熱硬化性樹脂の物性値である。また、温度ＴはステップＳ３０２で受け付けた成形条件である。数２０〜数２４に初期状態から微笑時間Δｔ経過毎の温度Ｔを逐次代入していけば反応速度、発熱速度の時間変化が計算でき、反応速度を微小時間経過Δｔ毎に時間方向に近似積分すれば反応率の時間変化が計算できる。
【００８５】
次に、粘度計算式１８と反応率、温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ３０９）。
【００８６】
また、粘度計算式１８は、数２５〜数２７で表される。
η＝η０（（１＋Ａ／Ａｇｅｌ）／（１−Ａ／Ａｇｅｌ））Ｃ・・・・・・数２５
η０＝ａ ｅｘｐ（ｂ／Ｔ）・・・・・数２６
Ｃ＝ｆ／Ｔ−ｇ・・・・・・・・・数２７
【００８７】
ここで、ηは粘度、Ｔは温度、η０は初期粘度、Ａは反応率、Ａｇｅｌはゲル化時の反応率、Ｃは粘度上昇係数であり、ａ，ｂ，ｆ，ｇならびにＡｇｅｌは材料の固有係数である。ａ，ｂ，ｆ，ｇならびにＡｇｅｌはステップＳ３０１で受け付けた熱硬化性樹脂の物性値である。また、温度ＴはステップＳ３０２で受け付けた成形条件である。ａ，ｂ，ｆ，ｇ、Ａｇｅｌの値と温度、ならびにＳ３０８で計算されたＡの値を数２５〜数２７に代入すれば粘度が計算できる。この手法を用い、微小時間Δｔ変化毎に、温度条件とそのときの反応率を逐次代入していけば、等温状態では図４と、非等温状態では図５の（ｂ）と同様の熱硬化性樹脂特有の粘度変化が計算できる。
【００８８】
次に、質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける温度、速度、圧力、流動先端位置などを算出する（Ｓ３１０）。
なお、質量、運動量の保存方程式は、第１の実施例の数１２、数１３と同じになる。
【００８９】
また、エネルギ保存方程式は、数２８で示される。
ρＣｐ（∂Ｔ／∂ｔ＋ｖ・▽Ｔ）＝λ▽２Ｔ＋τ：▽ｖ＋ρ（ｄＱ／ｄｔ）・・・数２８
【００９０】
ここで、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱、Ｔは温度、ｔは時間、ｖは速度ベクトル、▽はナブラ演算子、λは熱伝導率、τは偏差応力テンソル、Ｑは発熱量である。数２９では実施例１の数１４に発熱速度ｄＱ／ｄｔが加わっている。この発熱速度はＳ３０８で計算されており、これを用いて数２８により温度計算を行う。すなわち、実施例２では熱硬化性樹脂の反応発熱を含んだ解析が可能となり、より正確に解析ができる。
【００９１】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ３１１）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ３１２）。ここでは、Ｓ３１０で計算した値とＳ３０２で受け付けた条件で設定した反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物合成部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ３１３）。すなわち、Ｓ３１０で計算した流動先端位置が空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００９２】
ここで、流動先端位置が空間・障害物合成モデル部（Ｓ３０７）に到達していなければ、Ｓ３０８に戻り、Ｓ３１１で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ３１３において流動先端が空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物合成解析部１７に引き渡す（Ｓ３１４）。このとき、空間・障害物合成解析部１７で必要な空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部表面に接触した箇所と反応率、粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００９３】
次に、空間・障害物合成モデル設定（Ｓ３０７）について述べる。ここでは、空間・障害物合成モデル作成部１５において、Ｓ３０５で設定した３次元ソリッド要素の集合体の該当箇所をブロックに分け、それぞれ空間・障害物合成モデルに指定するとともに、ブロック毎に数１７〜数１９に示した３次元方向の断面形状固有抵抗値βｘ、βｙ、βｚを設定する。
【００９４】
次に、空間・障害物合成解析部１７の具体例を説明する。まず、熱反応式１９と温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける反応率を算出する（Ｓ３１５）。この計算手法はＳ３０８に示したものと同じである。
【００９５】
次に粘度計算式１８と反応率、温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ３１６）。粘度の計算式は数２５〜数２７と同じである。ここでは、樹脂が空間・障害物分離モデル領域を経由せずに流入した場合は、Ｓ３０２の初期条件で設定した温度と初期時間を用いて粘度計算を行う。一方、空間・障害物分離モデル領域を経由して樹脂が到達した場合はＳ３１４のモデル界面の物理量の情報２０の引渡しで引き渡された数２６〜数２８中の粘度計算に必要な界面情報２０を用いて新しい粘度の計算を行う。
【００９６】
次に、多孔質体として簡略化した形状を対象とした質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける３次元方向の速度、圧力、流動先端位置を算出する（Ｓ３１７）。ここでは、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化されるとともに、運動量保存方程式自体は数１７〜数１９のような簡単な形になるので、計算時間の大幅な短縮が図れる。
【００９７】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ３１８）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ３１９）。ここでは、Ｓ３１７で計算した値とＳ３０２で受け付けた条件で設定した反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物分離部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ３２０）。すなわち、Ｓ３１７で計算した流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００９８】
ここで、流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部に到達していなければ、Ｓ３１５に戻り、Ｓ３１８で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ３２０において流動先端が空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物分離解析部１６に引き渡す（Ｓ３２１）。このとき、空間・障害物分離解析部１６で必要な空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部表面に接触した箇所と反応率、粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００９９】
以上述べた手法により、規則的に障害物が配列された狭い空間を有する流路内での熱硬化性樹脂の流動挙動を迅速、かつ高精度に解析できる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によれば非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行うことができ、試作前段階での欠陥発生位置の特定と構造、プロセスの最適化を図れるため、産業上の利用可能性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は、本発明の実施例１の設計支援装置の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す設計支援装置のハードウエア構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１の３次元流動解析処理を説明するためのフロー図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１の粘度式の等温粘度変化を示す図である。
【図５】図５の（ａ）（ｂ）は、本発明の実施例１の非等温粘度変化を取り扱う説明図である。
【図６】図６は、モータステータ部の断面図である。
【図７】図７は、モータステータ部の上面図である。
【図８】図８は、モータステータ部の水平方向断面図である。
【図９】図９は、モータステータ部の垂直方向の断面図である。
【図１０】図１０は、モータステータ部の図９とは異なる位置での垂直方向断面図である。
【図１１】図１１は、コイル部モデル化のための説明図である。
【図１２】図１２は、金型内のモータステータ部をモデル化した水平方向断面図である。
【図１３】図１３は、金型内のモータステータ部をモデル化した垂直方向断面図である。
【図１４】図１４は、金型内のモータステータ部をモデル化した図１３とは異なる位置での垂直方向断面図である。
【図１５】図１５は、金型内のモータステータ部をモデル化した円周方向の断面図である。
【図１６】図１６は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ａ）を示す図である。
【図１７】図１７は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｂ）を示す図である。
【図１８】図１８は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｃ）を示す図である。
【図１９】図１９は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｄ）を示す図である。
【図２０】図２０は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｅ）を示す図である。
【図２１】図２１は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ａ）を示す図である。
【図２２】図２２は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｂ）を示す図である。
【図２３】図２３は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｃ）を示す図である。
【図２４】図２４は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｄ）を示す図である。
【図２５】図２５は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｅ）を示す図である。
【図２６】図２６は、熱硬化性樹脂の成形時間に対する反応率Ａ、粘度η、弾性率Ｅの変化を説明する図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施例２の設計支援装置の概略構成図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施例２の３次元流動解析処理を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１１ ＧＵＩ部
１２ モデル作成部
１３ 熱硬化性樹脂流動解析部
１４ 空間・障害物分離モデル作成部
１５ 空間・障害物合成モデル作成部
１６ 空間・障害物分離解析部
１７ 空間・障害物合成解析部
１８ 粘度計算式
１９ 熱反応式
２０ 界面の物理量の情報
２１ ＣＰＵ
２２ メモリ
２３ 外部記憶装置
２４ 記憶媒体
２５ 読取装置
２６ 入力装置
２７ 表示装置
２８ 通信装置
３１ コア
３２ コイル
３３ ティース
３４ 空間・障害物モデル(1)
３５ 空間・障害物モデル(2)
３６ 金型
３７ キャビティ
３８ ゲート
３９ 樹脂
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂はその硬化物が接着性、機械的強度、電気絶縁性、耐薬品性などに優れた性質を有しているため、電気機器の構造絶縁材料や電子、機構部品の封止材料として広く用いられている。この中でモータや発電機、医療診断機器のように金属コイルが巻かれてある部品の固定用としてのニーズが高くなっている。
【０００３】
この工程では液状の樹脂を外部から加熱、加圧して機器やコイルの隙間に充填させ、樹脂を硬化させた後に製品を取り出す方式が一般的である。熱硬化性樹脂は流動中の温度変化により粘度が複雑に変化するため、適切な解析モデルを立てて、数値解析により温度、粘度、流速などの物理量の変化を計算し、ボイドや未充填などの不良を事前に予測し、問題のない構造やプロセスの選定を計算機上で行うシミュレーション技術の適用が重要になってきている。
【０００４】
本発明はコイルのような非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行う装置、方法を対象とする。
【０００５】
特許文献１は反応速度モデルを基にして熱硬化性樹脂の流動挙動と硬化後の残留ひずみまでを一貫して解析する装置、方法である。特許文献２もやはり反応速度モデルを基にして熱硬化性樹脂の流動挙動を解析する装置、方法である。特許文献３は狭い隙間が規則的に並んでいる形状を多孔質体とみなし、従来からの多孔質体の流動計算手法であるダルシー則をベースにして熱硬化性樹脂の含浸挙動を予測する方法に関するものである。特許文献４は発電機、タービンなどの巻き線部を熱硬化性樹脂で含浸する工程でやはりダルシー則をベースにして含浸時間を予測する方法に関するものである。
【特許文献１】特開２００６−２０５７４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２３２２５０号公報
【特許文献３】特開２００６−１６８３００号公報
【特許文献４】特開２００１−５２０３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１と２は熱硬化性樹脂の解析モデルとしてはかなり厳密であるが、コイルのような非常に狭い隙間が多い形状では膨大なメッシュを用いる必要があり、計算時間の増大により現実的な時間内では計算が終わらないという問題がある。特許文献３は樹脂の粘度変化を記述するモデル式は用いておらず、粘度変化の情報が得られないこと、多孔質体とみなせる狭い部分とみなせない広い部分が入り組んだ形状には対応できないという問題がある。特許文献４もやはり、樹脂の粘度変化を記述するモデル式は用いておらず、粘度変化の情報が得られないこと、多孔質体とみなせる狭い部分とみなせない広い部分が入り組んだ形状には対応できないという問題がある。
【０００７】
以上述べたように、コイルのような非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを対象とした、迅速かつ高精度な流動シミュレーション手法がこれまでになく、新製品開発時には試作、評価、仕様の変更を繰り返しによる開発期間の遅延が起きる場合が多かった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は複雑障害物を有する熱硬化性樹脂成形品の樹脂注入時の充填挙動を、迅速かつ高精度に予測することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部から構成される。前記モデル作成部は３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデル作成部とし、それ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデル作成部からなる。前記熱硬化性樹脂流動解析部は前記空間・障害物合成モデル領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデル領域を解析する空間・障害物分離解析部からなる。前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とも熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析部では流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、規則的に狭い隙間が配列されている空間・障害物合成モデル部は多孔質体として解析方法の簡素化を図れるので、計算時間が大幅に短縮できる。一方、この部分では３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定し、３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として運動方程式を表しており、熱硬化性樹脂特有の粘度変化を粘度式により逐次計算することにより３次元方向の正確な流動予測が可能となる。
【００１１】
さらに、空間・障害物合成モデルと空間・障害物分離モデル界面での物理量の情報を引渡すことにより、両モデル間で矛盾が起きないように連立して流動挙動の解を求めることができ、複雑構造体の解析全体が精度よく行える。
【００１２】
本発明によれば非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の実施例１の設計支援装置の概略構成図である。図示するように、本実施例の設計支援装置は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）部１１とモデル作成部１２、熱硬化性樹脂流動解析部１３を有する。モデル作成部１２は、空間・障害物分離モデル作成部１４と空間・障害物合成モデル作成部１５に分かれる。
【００１５】
熱硬化性樹脂流動解析部１３は、空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７に分かれ、お互いに解析データの授受を行いながら、それぞれ、空間・障害物分離モデル作成部１４、空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデルに対応した解析を行う。
【００１６】
ＧＵＩ部１１は、画面表示およびキーボード、マウス等の入力装置を介して、ユーザより各種指示や情報などの入力を受け付けたり、熱硬化性樹脂の３次元流動解析の結果を表示したりする。
【００１７】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介して受け付けたユーザの指示に従い、設計支援の対象とする熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の形状データ（モデルデータ）を作成する。モデル作成部１２は、３Ｄ−ＣＡＤ、ＣＡＭ，ＣＡＥなどを利用することができる。空間・障害物分離モデル作成部１４では、形状データ通りに、空間と障害物を分離できる箇所を選定し、空間をそのまま流路として、所定メッシュに分割する作業を行う。
【００１８】
空間・障害物合成モデル作成部１５では、解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物、すなわち、コイルや繊維状の物体が規則的に設置してある箇所の指定を行うとともに、それぞれの指定箇所において所定メッシュに分割し、３次元方向の形状抵抗値を設定する。すなわち、指定箇所毎に３次元方向に所定の形状抵抗値を有する多孔質体におきかえる。
【００１９】
熱硬化性樹脂流動解析部１３は、解析対象領域を流動中の熱硬化性樹脂の粘度、温度、流速、圧力、流動先端位置などの変化を解析する（３次元流動解析）。空間・障害物分離解析部１６は、空間・障害物分離モデル作成部１４で作成したモデル内での解析を行う。
【００２０】
ここでは熱硬化性樹脂用の粘度計算式１８ならびに流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式とを組合せて、有限差分法あるいは有限要素法により数値解析し、３次元方向の温度、圧力、速度、粘度、流動先端位置などの計算を行う。
【００２１】
空間・障害物合成解析部１７は、空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデル内での解析を行う。ここでは、前記粘度計算式１８と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて有限差分法あるいは有限要素法により数値解析し、３次元方向の温度、圧力、速度、粘度、流動先端位置などの計算を行う。
【００２２】
この空間・障害物合成解析部１７では、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化され、計算時間の大幅な短縮化が図れる。
【００２３】
空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７との間では、それぞれの解析領域である空間・障害物分離モデル作成部１４と空間・障害物合成モデル作成部１５で作成したモデル界面での物理量の情報２０の授受が行われ、これを基にして、それぞれの領域での新しい状態の解析を続行する。
【００２４】
上記構成の設計支援装置は、例えば、図２に示すような、ＣＰＵ２１と、メモリ２２と、ＨＤＤ等の外部記憶装置２３と、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の可搬性を有する記憶媒体２４から情報を読み出す読取装置２５と、キーボードやマウスなどの入力装置２６と、ＣＲＴやＬＣＤなどの表示装置２７と、インターネットなどのネットワーク通信を行うための通信装置２８とを備えた一般的なコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ２１がメモリ２２上にロードされた所定のプログラム（モデル作成部１２を実現する３Ｄ−ＣＡＤ、ＣＡＭあるいはＣＡＥプログラム、熱硬化性樹脂流動解析部１３を実現する３次元流動解析プログラム）を実行することで実現できる。
【００２５】
これらのプログラムは、読取装置２５を介して記憶媒体２４から、あるいは、通信装置２８を介してインターネットなどからの通信媒体から、メモリ２２に直接ロードしてもよいし、あるいは、一旦、外部記憶装置２３にダウンロードしてから、メモリ２２にロードしてもよい。
【００２６】
図３は、上記支援装置の処理を説明する実施例１でのフロー図である。
熱硬化性樹脂流動解析部１３では、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析に必要な、熱硬化性樹脂の物性値を受け取る（Ｓ２０１）。本実施例では後述する粘度式中の係数、比熱、密度、熱伝導率などである。
【００２７】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３では、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析のための各種条件（境界条件、解析条件、および初期条件）を受け付ける（Ｓ２０２）。各種条件には、熱硬化性樹脂の初期温度、流入速度、金型温度、注入部の形状データ、ならびに解析終了条件（流動時間、粘度、圧力の上限値など）が含まれる。
【００２８】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析指示を受け着ける。それから指定されたモデルデータを取り込む（Ｓ２０３）。次に、モデル作成部１２は、取り込んだデータが特定する樹脂充填領域を３次元解析領域に設定する。そして、この３次元解析領域を複数の３次元ソリッド要素に分割する際の条件（分割数や要素サイズなど）を、ＧＵＩ部１１を介してユーザより受け取る（Ｓ２０４）。そして、受け付けた分割条件に従い、３次元解析領域を複数の３次元ソリッド領域に分割する（Ｓ２０５）。
【００２９】
次に、ユーザはＧＵＩ部１１を介してモデル作成部１２で設定した複数の３次元ソリッド領域の内、空間をそのまま流路に設定できる箇所を選び、空間・障害物分離モデル設定を行う（Ｓ２０６）。これはそのままモデル作成部１２の空間・障害物分離モデル作成部１４に保存される。一方、モデルデータの中で解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物を有する箇所は、空間・障害物合成モデル作成部１５にて、空間・障害物合成モデル設定を行う（Ｓ２０７）。このモデル設定方法の具体例は後述する。
【００３０】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６の具体例について説明する。空間・障害物分離解析部１６では、時間ｔを初期時間にセットする。それから、熱硬化性樹脂用の粘度計算式１８と温度、時間条件を用いて３次元ソリッド要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ２０８）。
【００３１】
なお、等温粘度式は数１〜数４で示される。
η＝η０（（１＋ｔ／ｔ０）／（１−ｔ／ｔ０））Ｃ・・・・・・数１
η０＝ａ ｅｘｐ（ｂ／Ｔ）・・・・・数２
ｔ０＝ｄ ｅｘｐ（ｄ／Ｔ）・・・・数３
Ｃ＝ｆ／Ｔ−ｇ ・・・・・・・・・数４
【００３２】
ここで、ηは粘度、ｔは時間、Ｔは温度、η０は初期粘度、ｔ０はゲル化時間、Ｃは粘度上昇係数、ａ，ｂ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇは材料の固有係数である。図４は、この粘度式の等温特性を示したものである。各温度Ｔにおいて粘度は時間ｔで初期粘度となり、時間の経過とともに反応の進行により粘度が増大し、ゲル化時間において粘度は無限大となる。また、温度が高くなるにしたがって、初期粘度は低くなり、ゲル化時間は短くなる。
【００３３】
熱硬化性樹脂の成形では、樹脂は金型から熱を受けながら流動する非等温状態となる。この状態での粘度変化は以下の手法で予測できる。
数１において
μ＝（η／η０）（１／Ｃ）・・・・数５
τ＝ｔ／ｔ０・・・・・・・・・数６
と置くと次式が得られる。
【００３４】
μ＝（１＋τ）／（１−τ）・・・・・数７
ここで、μは無次元粘度、τは無次元時間である。μ−τ特性曲線を図５の（ａ）に示す。いま、状態１で時間ｔ１、温度Ｔ１とし、ここからそれぞれ微小量のΔｔ、ΔＴ変化し、状態２でｔ２，Ｔ２になったとする。これにより、μ−τ特性曲線上ではτ１からΔτ変化し、μ１がμ２になる。すなわち、時間と温度が同時に変化する現象を一本の曲線上の変化として取り扱うことができる。Δτを微小量とすれば近似的に次式が成立する。
μ２＝μ１＋（ｄμ／ｄτ）μ１Δτ
＝μ１＋２Δτ／（（１−τ１）２）・・・・数８
【００３５】
また、Δτは近似的に次式で求めることができる。
Δτ＝（∂τ／∂ｔ）τ１Δｔ＋（∂τ／∂Ｔ）τ１ΔＴ
＝Δｔ／（ｄ ｅｘｐ（ｅ／Ｔ１））＋ΔＴ ｅ τ１／（Ｔ１２）・・数９
数９を数８に代入すれば既知の値を用いてμ２が求められる。数７により、
τ２＝（μ２−１）／（μ２＋１）・・・・・数１０
となる。数５から、状態２の粘度は次式で求められる。
η２＝η０（Ｔ２）μ２Ｃ（Ｔ２）・・・・・・数１１
【００３６】
以上の手順をτ＝０から１とみなせる無次元時刻まで繰り返せば、図５の（ｂ）に示す初期状態からゲル化に至るまでの実際の粘度変化が計算できる。
【００３７】
次に、質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける温度、速度、圧力、流動先端位置などを算出する（Ｓ２０９）。
なお、質量保存方程式は、数１２で表される。
（∂ρ／∂ｔ）＋ρ（▽・ｖ）＝０・・・・数１２
【００３８】
また、運動量保存方程式は、数１３で示される。
ρ（∂ｖ／∂ｔ＋ｖ・▽ｖ）＝−▽ｐ＋▽・τ＋ρｇ・・・・数１３
【００３９】
また、エネルギ保存方程式は、数１４で示される。
ρＣｐ（∂Ｔ／∂ｔ＋ｖ・▽Ｔ）＝λ▽２Ｔ＋τ：▽ｖ・・・・数１４
【００４０】
ここで、ρは密度、ｔは時間、▽はナブラ演算子、ｖは速度ベクトル、ｐは圧力、τは偏差応力テンソル、ｇは重力ベクトル、Ｃｐは定圧比熱、Ｔは温度、λは熱伝導率である。なお、τはＳ２０８で求めた粘度ηと速度勾配を用いて計算される。数１２〜数１４は３次元の偏微分方程式であり、厳密解は求められないので、有限差分法あるいは有限要素法などの数値解析手法により、温度、速度、圧力、流動先端位置などの近似解が求められる。
【００４１】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ２１０）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ２１１）。ここでは、Ｓ２０９で計算した値とＳ２０２で受け付けた条件で設定した流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物合成部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ２１２）。すなわち、Ｓ２０９で計算した流動先端位置が空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００４２】
ここで、流動先端位置が空間・障害物合成モデル部（Ｓ２０７）に到達していなければ、Ｓ２０８に戻り、Ｓ２１０で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ２１２において流動先端が空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部に達していれば、モデル界面での物理量の情報２０を空間・障害物合成解析部１７に引き渡す（Ｓ２１３）。このとき、空間・障害物合成解析部１７で必要な空間・障害物合成モデル（Ｓ２０７）部表面に接触した箇所と粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００４３】
次に、空間・障害物合成モデル設定（Ｓ２０７）の具体例について述べる。ここでは、規則的に障害物が配列された狭い空間を非常にゆっくりと流体が流れる場合の解析手法であるダルシー則を利用する。一般的なダルシー則（１次元方向）は数１５で示される。
ΔＰ＝Ｋ・ｕ・ρ・Ｌ・・・・・数１５
【００４４】
ここで、ΔＰは圧力損失、Ｋは抵抗係数、ｕは速度、ρは密度、Ｌは流動距離である。数１５は、数１３に示した流体の運動量保存方程式を非常に遅い流れに適用し、粘度を密度で除した動粘性係数と断面形状の持つ抵抗値の積をまとめて抵抗係数Ｋとして表示する経験則の式である。これにより、１方向に一様の狭い隙間が設けられている形状ならＫの適切な設定により流動挙動を計算できる。
【００４５】
すなわち、狭い隙間の集合体を厳密にモデル化しなくて済み、計算時間の大幅な短縮化を図れる。水のような粘度が一定とみなせる流体の場合は数１５の形がそのまま適用できるが、熱硬化性樹脂の場合は時間と温度により粘度が大幅に変わるので、粘度を分離することが必要になる。粘度を分離すると数１５は数１６のようになる。
ΔＰ＝β・η・ｕ・Ｌ・・・・・数１６
【００４６】
ここで、βは断面形状固有抵抗値である。数１６に数１〜数１１で示した手法で粘度ηを逐次求めれば、熱硬化性樹脂特有の粘度変化が起きる流体での解析が可能となる。なお、３次元の流動解析を行う場合は、直交座標系ではそれぞれ数１７〜数１９のようになる。
ΔＰｘ＝βｘ・η・ｕｘ・Ｌｘ・・・・・数１７
ΔＰｙ＝βｙ・η・ｕｙ・Ｌｙ・・・・・数１８
ΔＰｚ＝βｚ・η・ｕｚ・Ｌｚ・・・・・数１９
【００４７】
ここで、添え字は、それぞれｘ，ｙ，ｚ方向の値を示す。数１７〜数１９に数１〜数１１で示した粘度変化予測手法で計算される粘度を逐次代入し、数１２の質量保存方程式、数１４のエネルギ保存方程式と連立させて数値解析により解を求めれば、空間・障害物合成モデル作成部１５での熱硬化性樹脂の３次元流動挙動を解析できる。なお、空間・障害物合成モデル作成部１５では、Ｓ２０７の工程において、Ｓ２０５で設定した３次元ソリッド要素の集合体の該当箇所をブロックに分け、それぞれ空間・障害物合成モデルに指定するとともに、ブロック毎に３次元方向の断面形状固有抵抗値を設定する。
【００４８】
次に、空間・障害物合成解析部１７の具体例を説明する。まず、粘度式と温度、時間条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ２１４）。粘度の計算手法は数１〜数１１に記載した方法と同じである。ここでは、樹脂が空間・障害物分離モデル領域を経由せずに流入した場合は、Ｓ２０２の初期条件で設定した温度と初期時間を用いて粘度計算を行う。一方、空間・障害物分離モデル領域を経由して樹脂が到達した場合は、Ｓ２１３のモデル界面の物理量の情報２０の引渡しで引き渡された数１〜数１１中の粘度計算に必要な値を用いて新しい粘度の計算を行う。
【００４９】
次に、多孔質体として簡略化した形状を対象とした質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける３次元方向の速度、圧力、流動先端位置を算出する（Ｓ２１５）。ここでは、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化されるとともに、運動量保存方程式自体は数１７〜数１９のような簡単な形になるので、計算時間の大幅な短縮が図れる。
【００５０】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ２１６）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ２１７）。ここでは、Ｓ２１５で計算した値とＳ２０２で受け付けた条件で設定した流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物分離部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ２１８）。すなわち、Ｓ２１５で計算した流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００５１】
ここで、流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達していなければ、Ｓ２１４に戻り、Ｓ２１６で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ２１８において流動先端が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物分離解析部１６に引き渡す（Ｓ２１９）。このとき、空間・障害物分離解析部１６で必要な空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部表面に接触した箇所と粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００５２】
以上述べた手法により、規則的に障害物が配列された狭い空間を有する流路内での熱硬化性樹脂の流動挙動を迅速、かつ高精度に解析できる。
【００５３】
次に、具体的な解析例を説明する。図６は、モータのステータ部の樹脂封止前の断面図である。内側に一定ピッチで突起物を有した円筒形状であるコア３１の突起物の回りにコイル３２が複数の列と段数で巻かれてある。コア３１の突起物の先端にはティース３３が取り付けられ、これにより、コイルの脱落を防止する。なお、解析においてモータのステータ部の形状は円筒座標系で表すのが便利であり、ここでは、半径方向の座標をｘ、円周方向の座標をθ、軸方向の座標をｚとする。
【００５４】
図７は、図６のモータのステータ部のｒ−θ方向の全周を上から見た図である。コア３１の周りにコイル３２が３０°ピッチで１２箇所巻かれてある。
【００５５】
図８は、図６のモータのステータ部のｚ方向の中央部におけるｒ−θ方向の全周の断面図である。コイル３２は多段、多列にコア３１の周りに巻かれている。
【００５６】
図９は、図７のＡ−Ａ断面図である。この断面ではコイル３２はコア３１の上下にあり、ティース３３によって脱落が防止されている。
【００５７】
図１０は、図７のＢ−Ｂ断面図である。コイル３２はコアの周りに巻かれている。なお、ここではコイル３２の集合体が空間・障害物合成モデル部１４で多孔質体としてモデル化される。
【００５８】
図１１は、コイル３２の集合体のモデル化を示す概略図である。コア３１の一つの突起部の周りにコイル３２が巻かれているが、巻き方向に沿った流動は抵抗が小さく、それと直交する方向では抵抗が大きくなる。したがって、ここでは、コア３１の左右のコイル３２では断面固有形状抵抗値をｚ方向に小さく、θ、ｒ方向に大きく設定し、このブロックを空間・障害物合成モデル(1)３４とした。一方、コア３１上下部のコイル３２では断面形状固有抵抗値をθ方向に小さく、ｒ、ｚ方向には大きく設定し、このブロックを空間・障害物合成モデル(2)３５とした。
【００５９】
図１２は、熱硬化性樹脂の流動解析用に設定したモデル形状のｚ方向中央部におけるｒ−θ方向半周の断面図である。各コア３１の周りに空間・障害物合成モデル(1)３４が置かれてある。モータのステータ部の周りは金型３６に囲まれている。なお、空間・障害物合成モデル(1)３４と空間・障害物合成モデル(2)３５以外の部分はすべて空間・障害物分離作成部１４により作成されており、コア３１、ティース３３、金型３６は固体障害物として登録され、それ以外の空間が、樹脂が流動するキャビティ３７となる。
【００６０】
図１３は、図１２のＣ−Ｃ部でｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が置かれてある。
【００６１】
図１４は、図１２のＤ−Ｄ部でｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下にｒ−ｚ方向全域の断面図である。この断面ではコア３１の上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が置かれ、コア３１側面の空間・障害物合成モデル(1)３４とつながっている。
【００６２】
図１５は図１２〜図１４に記載のモデルにおいて樹脂注入部であるゲート３８が設置してあるｒ方向位置においてｚ−θ方向半周部の断面図である。なお、ゲート３８は一箇所に設けてあり、図示していない半周部にも対象形に樹脂が充填される。各コア３１の左右に空間・障害物合成モデル(1)３４が上下に空間・障害物合成モデル(2)３５が設置されている。キャビティ部３７は空間・障害物合成モデル(1)３４と空間・障害物合成モデル(2)３５を囲む形で金型３６内に設置されている。
【００６３】
次に、図１６〜図２０（１５−（ａ）〜１５−（ｅ））を用いて図１５の断面における樹脂充填状況の解析結果を示す。
【００６４】
図１６の１５−（ａ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後５ｓの状態を示した図である。ゲート３８を通過した樹脂３９はキャビティ３７の中を分岐して流れ、上流側では、空間・障害物合成モデル(2)３５や空間・障害物合成モデル(1)３４にも充填を開始している。
【００６５】
図１７の１５−（ｂ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後１５ｓの状態を示した図である。ゲート３８を通過した樹脂３９はキャビティ３７の中を分岐して流れ、上流側では、空間・障害物合成モデル(1)３５や空間・障害物合成モデル(2)３４への充填がさらに進む。
【００６６】
図１８の１５−（ｃ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後２５ｓの状態を示した図である。この時刻ではキャビティ３７内の樹脂３９の充填は完了している。
【００６７】
図１９の１５−（ｄ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後２７．５ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(2)３５への樹脂３９の充填は完了し、空間・障害物合成モデル(1)３４のみに充填している。
【００６８】
図２０の１５−（ｅ）は、図１５の断面の樹脂注入開始後３０ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４の充填も完了し、すべての流路を樹脂３９が充填し、解析終了条件に達したため、ここで解析は終了となる。
【００６９】
次に、図２１〜２５（１２−（ａ）〜１２−（ｅ））を用いて図１２の断面のおける樹脂充填状況の解析結果を示す。
【００７０】
図２１の１２−（ａ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後５ｓの状態を示した図である。樹脂３９はゲート３８（図示せず）に近い側のキャビティから充填を開始し、一部は空間・障害物合成モデル(1)３４にも充填を開始している。
【００７１】
図２２の１２−（ｂ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後１５ｓの状態を示した図である。キャビティ３７内の充填が進み、上流側では空間・障害物合成モデル(1)３４への充填がさらに進む。
【００７２】
図２３の１２−（ｃ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後２５ｓの状態を示した図である。この時刻ではキャビティ３７内の樹脂３９の充填は完了している。
【００７３】
図２４の１２−（ｄ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後２７．５ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４のみに充填している。
【００７４】
図２５の１２−（ｅ）は、図１２の断面の樹脂注入開始後３０ｓの状態を示した図である。この時刻では空間・障害物合成モデル(1)３４の充填も完了し、すべての流路を樹脂３９が充填し、解析終了条件に達したため、ここで解析は終了となる。以上述べたように、本実施例ではコイルのような複雑な障害物を含む金型内で熱硬化性樹脂の詳細な流動解析が可能となる。
【実施例２】
【００７５】
次に、本発明の実施例２について説明する。実施例１では、粘度は温度と時間の関数として表し、ゲル化時刻までの粘度変化を計算している。このような熱硬化性樹脂の物性変化は反応の進行によるものであり、反応率の変化を表す式を基礎にして粘度計算や流動解析を行うのが実施例２である。
【００７６】
図２６に、熱硬化性樹脂の等温状態での物性値の変化を示す。ここでは等温成形の場合の成形時間と物性値の変化を示してある。熱硬化性樹脂は時間の経過とともに反応が進行し、反応率Ａと分子量が増えていく。これにより、等温状態では液体の粘度ηが上昇する。流動が可能なのはまだ粘度が低い領域にあるときである。粘度は指数関数的に増加を続け、反応率がゲル化反応率Ａｇｅｌに達すると粘度は無限大になり、ゲル化が起きる。ゲル化以降は固体とみなすことができ、反応の継続により弾性率Ｅは増加し、反応の終了に近づくと飽和する。このように反応率の変化を計算することにより、ゲル化以降の物性値の変化も含めての解析が可能となる。
【００７７】
図２７に、実施例２の設計支援装置の概略図を示す。実施例２においても設計支援装置の概略は図１と同じである。異なる点は熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６と空間・障害物合成解析部１７において、反応率の計算と反応による発熱速度の計算を行うための熱反応式１９が加わることである。実施例２において設計支援装置の実現手段も図２と同じである。
【００７８】
図２８は、上記支援装置の処理を説明するフロー図である。熱硬化性樹脂流動解析部１３ではＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析に必要な、熱硬化性樹脂の物性値を受け取る（Ｓ３０１）。本実施形態では後述する熱反応式１９、粘度式中の係数、比熱、密度、熱伝導率などである。
【００７９】
次に熱硬化性樹脂流動解析部１３ではＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析のための各種条件（境界条件、解析条件、および初期条件）を受け取る（Ｓ３０２）。各種条件には、熱硬化性樹脂の初期温度、流入速度、金型温度、注入部の形状データ、ならびに解析終了条件（反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値など）が含まれる。
【００８０】
モデル作成部１２は、ＧＵＩ部１１を介してユーザより３次元流動解析指示を受け着ける。それから指定されたモデルデータを、モデル作成部１２から取り込む（Ｓ３０３）。次に、モデル作成部１２は、取り込んだデータが特定する樹脂充填領域を３次元解析領域に設定する。そして、この３次元解析領域を複数の３次元ソリッド要素に分割する際の条件（分割数や要素サイズなど）を、ＧＵＩ部１１を介してユーザより受け取る（Ｓ３０４）。そして、受け付けた分割条件に従い、３次元解析領域を複数の３次元ソリッド領域に分割する（Ｓ３０５）。
【００８１】
次に、ユーザはＧＵＩ部１１を介してモデル作成部１２で設定した複数の３次元ソリッド領域の内、空間をそのまま流路に設定できる箇所を選び、空間・障害物分離モデル設定を行う（Ｓ３０６）。これはそのままモデル作成部１２の空間・障害物分離モデル作成部１４に保存される。一方、モデルデータの中で解析対象領域内に規則的に配置され狭い流動空間を有する障害物を有する箇所は、空間・障害物合成モデル作成部１５にて、空間と障害物の境界のない空間・障害物合成モデル設定を行う（Ｓ３０７）。この設定方法は後述する。
【００８２】
次に、熱硬化性樹脂流動解析部１３の空間・障害物分離解析部１６の具体例について説明する。空間・障害物分離解析部１６では、時間ｔを初期時間にセットする。それから、熱硬化性樹脂用の熱反応式２０と温度条件を用いて３次元ソリッド要素毎に時間ｔにおける反応率と発熱速度を算出する（Ｓ３０８）。
熱反応式２０は数２０〜数２４で表される。
【００８３】
∂Ａ／∂ｔ＝（Ｋ１＋Ｋ２ＡＭ）（１−Ａ）Ｎ・・・・数２０
Ｋ１＝Ｋａ ｅｘｐ（−Ｅａ／Ｔ）・・・数２１
Ｋ２＝Ｋｂ ｅｘｐ（−Ｅｂ／Ｔ）・・・数２２
Ａ＝Ｑ／Ｑ０・・・数２３
∂Ｑ／∂ｔ＝Ｑ０（Ｋ１＋Ｋ２ＡＭ）（１−Ａ）Ｎ・・・・数２４
【００８４】
ここで、Ａは反応率、ｔは時間、Ｔは温度、∂Ａ／∂ｔは反応速度、Ｋ１、Ｋ２は温度の関数で表される係数、Ｎ、Ｍ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｅａ、Ｅｂは材料の固有係数、Ｑは時刻ｔまでの発熱量、Ｑ０は反応終了までの総発熱量、∂Ｑ／∂ｔは発熱速度を示している。そのうち、Ｎ、Ｍ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｅａ、Ｅｂ、Ｑ０はステップＳ３０１で受け付けた熱硬化性樹脂の物性値である。また、温度ＴはステップＳ３０２で受け付けた成形条件である。数２０〜数２４に初期状態から微笑時間Δｔ経過毎の温度Ｔを逐次代入していけば反応速度、発熱速度の時間変化が計算でき、反応速度を微小時間経過Δｔ毎に時間方向に近似積分すれば反応率の時間変化が計算できる。
【００８５】
次に、粘度計算式１８と反応率、温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ３０９）。
【００８６】
また、粘度計算式１８は、数２５〜数２７で表される。
η＝η０（（１＋Ａ／Ａｇｅｌ）／（１−Ａ／Ａｇｅｌ））Ｃ・・・・・・数２５
η０＝ａ ｅｘｐ（ｂ／Ｔ）・・・・・数２６
Ｃ＝ｆ／Ｔ−ｇ・・・・・・・・・数２７
【００８７】
ここで、ηは粘度、Ｔは温度、η０は初期粘度、Ａは反応率、Ａｇｅｌはゲル化時の反応率、Ｃは粘度上昇係数であり、ａ，ｂ，ｆ，ｇならびにＡｇｅｌは材料の固有係数である。ａ，ｂ，ｆ，ｇならびにＡｇｅｌはステップＳ３０１で受け付けた熱硬化性樹脂の物性値である。また、温度ＴはステップＳ３０２で受け付けた成形条件である。ａ，ｂ，ｆ，ｇ、Ａｇｅｌの値と温度、ならびにＳ３０８で計算されたＡの値を数２５〜数２７に代入すれば粘度が計算できる。この手法を用い、微小時間Δｔ変化毎に、温度条件とそのときの反応率を逐次代入していけば、等温状態では図４と、非等温状態では図５の（ｂ）と同様の熱硬化性樹脂特有の粘度変化が計算できる。
【００８８】
次に、質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける温度、速度、圧力、流動先端位置などを算出する（Ｓ３１０）。
なお、質量、運動量の保存方程式は、第１の実施例の数１２、数１３と同じになる。
【００８９】
また、エネルギ保存方程式は、数２８で示される。
ρＣｐ（∂Ｔ／∂ｔ＋ｖ・▽Ｔ）＝λ▽２Ｔ＋τ：▽ｖ＋ρ（ｄＱ／ｄｔ）・・・数２８
【００９０】
ここで、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱、Ｔは温度、ｔは時間、ｖは速度ベクトル、▽はナブラ演算子、λは熱伝導率、τは偏差応力テンソル、Ｑは発熱量である。数２９では実施例１の数１４に発熱速度ｄＱ／ｄｔが加わっている。この発熱速度はＳ３０８で計算されており、これを用いて数２８により温度計算を行う。すなわち、実施例２では熱硬化性樹脂の反応発熱を含んだ解析が可能となり、より正確に解析ができる。
【００９１】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ３１１）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ３１２）。ここでは、Ｓ３１０で計算した値とＳ３０２で受け付けた条件で設定した反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物合成部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ３１３）。すなわち、Ｓ３１０で計算した流動先端位置が空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００９２】
ここで、流動先端位置が空間・障害物合成モデル部（Ｓ３０７）に到達していなければ、Ｓ３０８に戻り、Ｓ３１１で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ３１３において流動先端が空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物合成解析部１７に引き渡す（Ｓ３１４）。このとき、空間・障害物合成解析部１７で必要な空間・障害物合成モデル（Ｓ３０７）部表面に接触した箇所と反応率、粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００９３】
次に、空間・障害物合成モデル設定（Ｓ３０７）について述べる。ここでは、空間・障害物合成モデル作成部１５において、Ｓ３０５で設定した３次元ソリッド要素の集合体の該当箇所をブロックに分け、それぞれ空間・障害物合成モデルに指定するとともに、ブロック毎に数１７〜数１９に示した３次元方向の断面形状固有抵抗値βｘ、βｙ、βｚを設定する。
【００９４】
次に、空間・障害物合成解析部１７の具体例を説明する。まず、熱反応式１９と温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける反応率を算出する（Ｓ３１５）。この計算手法はＳ３０８に示したものと同じである。
【００９５】
次に粘度計算式１８と反応率、温度条件を用いて要素毎に時間ｔにおける粘度を算出する（Ｓ３１６）。粘度の計算式は数２５〜数２７と同じである。ここでは、樹脂が空間・障害物分離モデル領域を経由せずに流入した場合は、Ｓ３０２の初期条件で設定した温度と初期時間を用いて粘度計算を行う。一方、空間・障害物分離モデル領域を経由して樹脂が到達した場合はＳ３１４のモデル界面の物理量の情報２０の引渡しで引き渡された数２６〜数２８中の粘度計算に必要な界面情報２０を用いて新しい粘度の計算を行う。
【００９６】
次に、多孔質体として簡略化した形状を対象とした質量、運動量、エネルギ保存方程式を用いて、要素毎に、時間ｔにおける３次元方向の速度、圧力、流動先端位置を算出する（Ｓ３１７）。ここでは、多孔質体として３次元方向にそれぞれ規則的に同じ断面形状の孔が設けられた流路形状を対象とするので保存方程式の境界条件が非常に簡略化されるとともに、運動量保存方程式自体は数１７〜数１９のような簡単な形になるので、計算時間の大幅な短縮が図れる。
【００９７】
次に、時間ｔをタイムステップΔｔ進める（Ｓ３１８）。これにより次の時刻の解析の準備を行う。次に、解析終了条件の判定を行う（Ｓ３１９）。ここでは、Ｓ３１７で計算した値とＳ３０２で受け付けた条件で設定した反応率、流動時間、粘度、圧力の上限値などとの比較を行ない、解析終了条件に達したら計算は終了となる。解析終了条件に達していない場合は空間・障害物分離部を流動しているかどうかの判定を行う（Ｓ３２０）。すなわち、Ｓ３１７で計算した流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ２０６）部に到達したかどうかの判定を行う。
【００９８】
ここで、流動先端位置が空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部に到達していなければ、Ｓ３１５に戻り、Ｓ３１８で設定した新しい時刻での計算が繰り返される。Ｓ３２０において流動先端が空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部に達していれば、モデル界面の物理量の情報２０を空間・障害物分離解析部１６に引き渡す（Ｓ３２１）。このとき、空間・障害物分離解析部１６で必要な空間・障害物分離モデル（Ｓ３０６）部表面に接触した箇所と反応率、粘度、圧力、温度などの物理量が引き渡される。
【００９９】
以上述べた手法により、規則的に障害物が配列された狭い空間を有する流路内での熱硬化性樹脂の流動挙動を迅速、かつ高精度に解析できる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によれば非常に狭い隙間を多く持つ障害物が規則的に並んでいる箇所と広い流路が同時に存在している製品を熱硬化性樹脂で封止するプロセスを、迅速かつ高精度で流動シミュレーションを行うことができ、試作前段階での欠陥発生位置の特定と構造、プロセスの最適化を図れるため、産業上の利用可能性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は、本発明の実施例１の設計支援装置の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す設計支援装置のハードウエア構成例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１の３次元流動解析処理を説明するためのフロー図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１の粘度式の等温粘度変化を示す図である。
【図５】図５の（ａ）（ｂ）は、本発明の実施例１の非等温粘度変化を取り扱う説明図である。
【図６】図６は、モータステータ部の断面図である。
【図７】図７は、モータステータ部の上面図である。
【図８】図８は、モータステータ部の水平方向断面図である。
【図９】図９は、モータステータ部の垂直方向の断面図である。
【図１０】図１０は、モータステータ部の図９とは異なる位置での垂直方向断面図である。
【図１１】図１１は、コイル部モデル化のための説明図である。
【図１２】図１２は、金型内のモータステータ部をモデル化した水平方向断面図である。
【図１３】図１３は、金型内のモータステータ部をモデル化した垂直方向断面図である。
【図１４】図１４は、金型内のモータステータ部をモデル化した図１３とは異なる位置での垂直方向断面図である。
【図１５】図１５は、金型内のモータステータ部をモデル化した円周方向の断面図である。
【図１６】図１６は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ａ）を示す図である。
【図１７】図１７は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｂ）を示す図である。
【図１８】図１８は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｃ）を示す図である。
【図１９】図１９は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｄ）を示す図である。
【図２０】図２０は、図１５の断面での樹脂充填解析結果１５−（ｅ）を示す図である。
【図２１】図２１は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ａ）を示す図である。
【図２２】図２２は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｂ）を示す図である。
【図２３】図２３は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｃ）を示す図である。
【図２４】図２４は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｄ）を示す図である。
【図２５】図２５は、図１２の断面での樹脂充填解析結果１２−（ｅ）を示す図である。
【図２６】図２６は、熱硬化性樹脂の成形時間に対する反応率Ａ、粘度η、弾性率Ｅの変化を説明する図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施例２の設計支援装置の概略構成図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施例２の３次元流動解析処理を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１１ ＧＵＩ部
１２ モデル作成部
１３ 熱硬化性樹脂流動解析部
１４ 空間・障害物分離モデル作成部
１５ 空間・障害物合成モデル作成部
１６ 空間・障害物分離解析部
１７ 空間・障害物合成解析部
１８ 粘度計算式
１９ 熱反応式
２０ 界面の物理量の情報
２１ ＣＰＵ
２２ メモリ
２３ 外部記憶装置
２４ 記憶媒体
２５ 読取装置
２６ 入力装置
２７ 表示装置
２８ 通信装置
３１ コア
３２ コイル
３３ ティース
３４ 空間・障害物モデル(1)
３５ 空間・障害物モデル(2)
３６ 金型
３７ キャビティ
３８ ゲート
３９ 樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計支援装置であって、前記設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部とからなり、前記モデル作成部は、３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成する空間・障害物合成モデル作成部と前記空間・障害物合成モデル以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルとする空間・障害物分離モデル作成部とからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析部は、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析部とからなり、前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とは、熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析部では、流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では、前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記空間・障害物合成モデル作成部で作成した前記空間・障害物合成モデルは３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定でき、前記空間・障害物合成解析部では３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として前記運動量の保存方程式を表すことを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項３】
請求項１に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記粘度算出式は温度と時間の関数となる式を用いることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項４】
熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計支援装置であって、前記設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部とからなり、前記モデル作成部は、３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成する空間・障害物合成モデル作成部と前記空間・障害物合成モデル以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成する空間・障害物分離モデル作成部とからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析部は、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析部とからなり、前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とも、熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度計算式とを備え、前記空間・障害物分離解析部では、流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では、前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項５】
請求項４に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記空間・障害物合成モデル作成部で作成した前記空間・障害物合成モデルは、３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定でき、前記空間・障害物合成解析部では、３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として前記運動量の保存方程式を表すことを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項６】
請求項４に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記粘度算出式は温度と反応率の関数となる式を用いることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項７】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する方法であって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成ステップとそれ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援する方法。
【請求項８】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する方法であって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成するステップとそれ以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援する方法。
【請求項９】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援するプログラムであって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成ステップとそれ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援するプログラム。
【請求項１０】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援するプログラムであって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成するステップとそれ以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援するプログラム。
【請求項１】
熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計支援装置であって、前記設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部とからなり、前記モデル作成部は、３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成する空間・障害物合成モデル作成部と前記空間・障害物合成モデル以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルとする空間・障害物分離モデル作成部とからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析部は、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析部とからなり、前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とは、熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析部では、流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では、前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記空間・障害物合成モデル作成部で作成した前記空間・障害物合成モデルは３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定でき、前記空間・障害物合成解析部では３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として前記運動量の保存方程式を表すことを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項３】
請求項１に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記粘度算出式は温度と時間の関数となる式を用いることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項４】
熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計支援装置であって、前記設計支援装置は、モデル作成部と熱硬化性樹樹脂流動解析部とからなり、前記モデル作成部は、３次元ソリッド要素からなり、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成する空間・障害物合成モデル作成部と前記空間・障害物合成モデル以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成する空間・障害物分離モデル作成部とからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析部は、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析部とからなり、前記空間・障害物合成解析部と前記空間・障害物分離解析部とも、熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度計算式とを備え、前記空間・障害物分離解析部では、流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成解析部では、前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項５】
請求項４に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記空間・障害物合成モデル作成部で作成した前記空間・障害物合成モデルは、３次元方向に断面固有抵抗値を独立に設定でき、前記空間・障害物合成解析部では、３次元方向の圧力損失を前記断面固有抵抗値と粘度、速度、流動距離の積として前記運動量の保存方程式を表すことを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項６】
請求項４に記載の樹脂成形品の設計支援装置において、前記粘度算出式は温度と反応率の関数となる式を用いることを特徴とする樹脂成形品の設計支援装置。
【請求項７】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する方法であって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成ステップとそれ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援する方法。
【請求項８】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援する方法であって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成するステップとそれ以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援する方法。
【請求項９】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援するプログラムであって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分は多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成ステップとそれ以外の部分は樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の粘度計算式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援するプログラム。
【請求項１０】
コンピュータにより熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の設計を支援するプログラムであって、モデル作成ステップと熱硬化性樹樹脂流動解析ステップとからなり、前記モデル作成ステップは、３次元ソリッド要素を作成し、成形品の一部に規則的に狭い隙間が配列されている部分を多孔質体とみなす空間・障害物合成モデルを作成するステップとそれ以外の部分を樹脂流動空間と障害物を分離する空間・障害物分離モデルを作成するステップとからなり、前記熱硬化性樹脂流動解析ステップは、前記空間・障害物合成モデルの領域を解析する空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離モデルの領域を解析する空間・障害物分離解析ステップとからなり、前記空間・障害物合成解析ステップと前記空間・障害物分離解析ステップとも共通の熱硬化性樹脂用の熱反応式と粘度式を備え、前記空間・障害物分離解析ステップでは流体と熱の移動を記述する質量・運動量・エネルギの保存方程式と組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算するとともに、前記空間・障害物合成ステップでは前記粘度計算式と多孔質体として簡略化した形状を対象とした保存方程式とを組合せて熱硬化性樹脂の充填挙動を計算し、前記空間・障害物合成モデルと前記空間・障害物分離モデルとの界面での物理量の情報を引き渡しながら有限差分法、あるいは有限要素法を用いて数値解析をすることを特徴とする樹脂成形品の設計を支援するプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００８−２３００８９（Ｐ２００８−２３００８９Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７４１０８（Ｐ２００７−７４１０８）
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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