複合材料の強度解析方法
【課題】複合材料を用いた構造体の強度解析において、高圧縮強度積層体の様に、周りの構成情報から強度が変化するような現象を考慮してした、構造体の強度解析方法を提供すること。
【解決手段】複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と強度との関係を示した補正強度データベースから補正強度を算出する補正強度決定工程と、前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する。
【解決手段】複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と強度との関係を示した補正強度データベースから補正強度を算出する補正強度決定工程と、前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料を用いた構造体の強度解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで航空宇宙やスポーツ分野などの限られた分野で適用されていた繊維強化複合材料の産業用途への適用が拡大している。特に、従来金属が主として用いられてきた自動車などの産業分野ではエネルギー効率を高めるため、構造の軽量化が重要視され、金属材料に代わって、軽量でかつ比強度・比剛性に優れた繊維強化複合材料に置換する動きが増加している。特に繊維強化複合材料として、炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維を熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂などをマトリックス材料とした繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略記することもある）が多く用いられている。これら繊維強化複合材料は、繊維方向と繊維直角方向の物性が異なる異方性物性を持つことから、繊維の配向方向を考慮した強度設計が必要になってくる。
【０００３】
一般的に、複合材料を使用した構造物の強度計算には、数値解析シミュレーションが広く用いられている。一般的な数値解析シミュレーションでの強度計算方法として、有限要素法（以下、ＦＥＭと略記することもある）がよく用いられ、構造物のモデル化は、シェル要素やソリッド要素などで行い、構造物に力が掛かる場所に、外力を入力し各要素に発生する応力又はひずみを計算する。解析結果から、各要素に発生する応力又はひずみを各種の破壊則に沿って破壊判定を行い、破壊判定で破壊が予測される要素を特定する。破壊判定で破壊と判定された要素が出てきた場合、構造物の形状変更や材料変更など行い上記手法を繰り返すことで構造物の強度を満足させる条件を設計している。
【０００４】
ここで、破壊判定に用いられる破壊則には、非特許文献１に示すように、最大応力説、最大ひずみ説、Ｔｓａｉ−Ｈｉｌｌ則、Ｔｓａｉ−Ｗｕ則など多く存在するが、一般的に材料物性の強度のデータとしては、繊維方向の引張強度と圧縮強度、繊維直角方向の引張強度と圧縮強度、せん断強度などの少なくとも１つの強度データを用いて上記破壊則に入力し破壊判定を行っている。この場合、原則１材料＝１物性として前記強度データが設定されている。また、繊維強化複合材料では、単位体積当たりの繊維の体積含有率（以下、Ｖｆと略記することもある）が増えると複合材料全体の強度が強化される傾向にあることから、繊維の量毎に強度データを持つこともある。
【０００５】
しかし、非特許文献２に示すように、一方向に繊維を配向させた複合材料を、配向角度を変えながら一定の厚みに積み重ねた積層体に外力を加えた場合、繊維方向の圧縮荷重が掛かる層の圧縮強度は、その層と隣り合う層の積層角度によって変化することが知られている。図３は従来手法での要素プロパティの構成の一例を示している。ここで要素プロパティとは、要素と材料方向や材料物性を関連付けるデータであり、模式図で示すと図３の様に表せる。また、要素がシェル要素の場合は、厚みの情報も要素プロパティに記載されている。従来手法では、上記積層体のような構造物の強度計算を、数値解析シミュレーションで実施する場合、図３の様に積層体の積層毎に１種類の材料が使用されており、材料の種類が同じであれば同じ物性を使用して解析していたため、構造物全体の強度を正しく計算することが出来なかった。
【０００６】
特許文献１には、複合材料の母材と添加物を個別にモデル化した複合材料のミクロモデルについての構造解析方法が開示されている。特許文献１は、母材と添加物の界面強度を再現するため、添加物の周りにある母材の物性を添加物の中心からの距離に応じて傾斜的に変えることで、複合材料をモデル化している。しかし、母材と添加物を別々にモデル化するには膨大な節点・要素数が必要となり、データ量が増大する。一般的には、母材と添加物を分けずに均質化させた物性を用い、繊維の方向などで異方性の物性が現れる場合には繊維方向と繊維直角方向の物性を持たせた要素を用い、構造物全体をモデル化するようなマクロモデルで解析を行っている。また、添加物の方向や材料全体の厚み等を考慮していないため、非特許文献２に示すような現象を計算することが出来ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３７４７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】福田博著、「複合材の力学序説」、株式会社古今書院、１９９３年４月１５日 第２刷発行、ｐ．１９９−２０５
【非特許文献２】北野彰彦、「高圧縮強度積層体」、第３５回ＦＲＰシンポジウム講演論文集、２００６年３月１６日、ｐ．９８−１００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高圧縮強度積層体の様に、周りの構成情報から強度が変化するような現象を含め、複合材料の構造体の強度を正確に予測可能な、複合材料の強度解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、
前記構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程と、
前記構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定工程と、
前記構成差異抽出工程と前記補正強度決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する。
【００１１】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
要素が積層シェル要素の場合に、同じ要素内の各積層間の構成の差異を調べる請求項１に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みを調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１４】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１５】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と厚みと強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と厚みの差異が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１６】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および４のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１７】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と積層厚みと弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および５のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１８】
また、本発明の好ましい形態によれば、複合材料を用いた構造体の強度解析装置であって、
構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定手段と、
前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定手段から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更手段を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析装置が提供される。
【００１９】
また、本発明の好ましい形態によれば、請求項１〜８のいずれかに記載の強度解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
【００２０】
また、本発明の好ましい形態によれば、請求項１０に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
【００２１】
本発明において、「構成の差異」は、例えば、材料方向の差や割合、積層厚みの差や割合、弾性マトリクスなどで表される場合もあり、個別の構成の差異を組み合わせて表す場合もある。また、構成の差異を数式で表現する場合やグラフや表で表す場合もある。
【００２２】
本発明において、「補正強度データベース」とは、構成の差異と材料強度もしくは材料強度の補正係数を表したデータベースをいう。
【００２３】
また、前記構成の差異と材料強度もしくは材料強度の補正係数との関係は、実験により求めたものでもよいし、文献から引用したものでもよい。
【００２４】
本発明において、「弾性マトリクス」とは、有限要素法で、応力とひずみの関係を結ぶマトリクスのことをいう。一般的に一方向に繊維を配向させた直交異方性薄板の繊維方向の２次元の弾性マトリクスは式５のように表され、式（１）の中のＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２２、Ｑ６６は式２〜５で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
【数２】
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】
【数５】
【００３０】
ここで、式（１）のＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２２、Ｑ６６は弾性係数と呼ばれており、ＥＬは繊維方向の弾性率、ＥＴは繊維直角方向の弾性率、νＬＴは繊維方向に引張ったときの繊維直角方向の縮みを示すポアソン比である。νＴＬは繊維直角方向に引張ったときの繊維方向の縮みを示すポアソン比である。Ｇ１２はせん断弾性率である。また、応力とひずみの関係を式（５）の弾性マトリクスを使ってあらわすと式（６）のようになる。
【００３１】
【数６】
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、高圧縮強度積層体の様に、周りの構成情報から強度が変化するような現象を考慮して強度予測ができるため、複合材料の構造体の強度を予測するための強度解析の精度向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の手順の一例を示すブロック図である。
【図３】従来の要素プロパティの構成の一例を示すブロック図である。
【図４】複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの比と圧縮強度の関係の一例を示すグラフである。
【図５】一方方向に長繊維で補強された樹脂のシートを積み重ねた積層板の一例を示す図である。
【図６】積層板５００の解析用シェルモデルの一例を示す図である。
【図７】複合材料の中間層の弾性係数Ｑ１２と全層の弾性係数Ｑ１２の比と圧縮強度の関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の最良の実施形態の例について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施形態の一例の構成を示すブロック図である。本実施形態において、図１に示すとおり、（１００）はコンピュータやワークステーションなどの計算機、（１０１）はディスプレイ、（１０２）はキーボード、（１０３）はマウス、（１０４）は補助記憶装置である。（１０４）の補助記憶装置には、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）装置やＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）装置の他、テープ、ＦＤ（フレキシブルディスク）、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＰＤ（相変化光ディスク）、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）、ＢＤ（ブルーレイディスク）などのディスクメモリー、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）メモリー、メモリーカードなどのリムーバブルメディアも利用可能である。
【００３６】
補助記憶装置１０４には、構造体の構造解析や強度解析をするためのプログラム１０５や形状データ１０６、物性データ１０７などが保存されている。
【００３７】
コンピュータやワークステーションなどの計算機１００は、補助記憶装置１０４からプログラム１０５、形状データ１０６、物性データ１０７などを読み出すことができるデータ読み出し手段１０８を具備している。また、構成差異抽出工程１０９、強度変化条件決定手段１１０、強度物性変更手段１１１、強度解析手段１１２、出力手段１１３で構成されている。これら各手段は、計算機１００の主記憶装置などの記憶手段に記憶されたプログラムのサブルーチンなどのモジュールとして実施されており、同様にこれらの手段が取り扱うデータは、記憶手段に揮発的または不揮発的に記憶される。
【００３８】
形状データ１０６は、ユージーエス コーポレーション製“Ｉ−ＤＥＡＳ（登録商標）”のＵＮＶ形式など汎用の構造解析プリプロセッサーにより作成できるものであり、シェル要素、ソリッド要素などで表現する。もちろん、モデルデータを保存するファイルのフォーマットは節点、要素、要素プロパティ、材料物性などが記述されるデータであれば、形状データ１０６の形式は限定しない。
【００３９】
強度解析手段１１２は、ダッソー システムズ社製“Ａｂａｑｕｓ（登録商標）”などの汎用構造解析ソフトウェアにより実行できるものであり、シェル要素、ソリッド要素などで表された形状データ１０６を用いて、各要素に発生する応力やひずみ、各節点の変位などを計算する。
【００４０】
図２は本実施形態における実施の手順の一例を示すフローチャートである。
【００４１】
以下、本発明の実施形態について、図２を用いて説明する。本発明の実施形態は、構造体の形状データを取得する形状データ読み出し工程２１０と、構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程２２０と、構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから補正強度を算出する補正強度決定工程２３０と、前記構成差異抽出工程２２０と前記補正強度決定工程２３０から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程２４０に大別される。
【００４２】
まず、形状データ読み出し工程２１０について説明する。
【００４３】
形状データ取得手段２１１では、汎用の構造解析プリポストなどで作成された構造体の解析用モデルを取得する。解析用モデルは、シェル要素、ソリッド要素などで表現されており、モデルデータを保存するファイルのフォーマットは節点、要素、要素プロパティ、材料プロパティなどが記述される。
【００４４】
次に、構成差異抽出工程２２０について説明する。要素選択手段２２１では、前記形状データ読み出し工程２１０にて取得された構造物の形状データの要素Ｅｉを選択する。ここで、要素Ｅの添え字ｉ（ｉは１〜ｎの自然数）は、要素番号を示している。
【００４５】
隣接要素構成差異抽出工程２２２では、前記要素選択手段２２１で選択された要素Ｅｉのプロパティと、隣り合う要素のプロパティを比較する。要素のプロパティとは、材料の種類や厚み、繊維の角度など要素の詳細情報をまとめるデータベースのことをいう。積層を持った構造体を通常ソリッド要素で表現する場合、各層毎に要素を切り分け、積層構造をモデル化する。したがって、隣り合う要素を比較することで各層間のプロパティの比較ができる。シェル要素の場合、要素形状だけでは厚みデータを表せないことからプロパティとして厚みの値も格納されており、要素だけでは表現できない情報として関連付けされている。前記隣接要素構成差異抽出工程２２２の比較の対象には、材料物性として弾性率、ポアソン比、比重等が含まれ、複合材料に含有される繊維の方向、要素の厚みも対象となる。また、構造物の厚み方向に存在する全ての要素に関して比較してもよい。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、１要素の中に複数の層がモデル化されているため、隣り合う要素だけではなく１要素内の層間のプロパティの比較を行っても良いし、要素内の比較のみ実施し要素間の比較を実施しなくても良い。
【００４６】
このとき、構成の比較は、除算や割合で評価してもよい。例えば、要素Ｅ1の弾性率Ｇ１と要素Ｅ２の弾性率Ｇ２について、除算で比較する場合には、弾性率の差Ｇ１−２は式７の様に表され、割合で比較する場合には、式８の様に表してもよい。
【００４７】
【数７】
【００４８】
【数８】
【００４９】
また、構造物の厚み方向に存在する全ての要素に関して比較を行う場合、厚み方向に存在する要素全体での構成との割合で比較してもよい。例えば、要素Ｅ1の厚みＴ１と厚み方向に存在する要素全体の厚みＴＡについて式９の様に表してもよい。
【００５０】
【数９】
【００５１】
モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、層全体での構成との割合で比較してもよい。例えば、全８層で構成された要素Ｅ1の第３層の厚みＴ１Ｐｌｙ３と全層の厚みＴ１Ａについて式１０の様に表してもよい。
【００５２】
【数１０】
【００５３】
さらに具体的な例を挙げて前記構成差異抽出工程２２０について説明する。図５は一方向に繊維を配向させた直交異方性薄板を繊維の方向を変えながら積層させた積層板の一例を示している。積層板５００は、一方向に繊維５１０を配向させた直行異方性薄板の全７層５２０〜５２６で構成されており、各層の繊維方向は積層板５００の座標系５０１のＸ方向との角度θ（５０２）としてあらわされ、積層構成を表１に示す。層５２０が積層番号１で示されており、層５２１〜５２６を積層番号２〜７で示している。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図６は、前記積層板５００をモデル６００として積層シェルモデルでモデル化した解析モデルである。要素６１０は積層シェル要素であり、１要素で表１の積層情報を持っている。前記要素６１０に対して前記構成差異抽出工程２２０を実施した場合、積層シェルモデル６００は積層シェルモデルであることから、要素内の積層間の比較のみ実施し要素間の比較を実施しないものとすると、要素６１０の積層構成は表１のようになっている。まず、構成の差異を材料方向の差とした場合、各層間を比較すると層１−２間では６０°と−６０°の差から１２０°となり、層３−４間では、６０°と０°の差から６０°となる。また、構成の差異を層全体の厚みと各層の厚みとの割合とした場合、各層を比較すると、層１の層全体の厚みとの割合は、全層の厚み２．１６ｍｍと層１の厚み０．３２ｍｍから約０．１４８となり、層４の層全体の厚みの割合は、全層の厚み２．１６ｍｍと層４の厚み０．２４ｍｍから約０．１１１となる。また、各層の弾性係数Ｑ１２を表２に示す。構成の差異を層全体の弾性マトリクスの弾性係数Ｑ１２と各層の弾性係数Ｑ１２との割合とした場合、各層を比較すると、層１の層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層１の弾性係数Ｑ１２＝２６３５５ＭＰａとの割合は、約１．１１となり、層４の層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層４の弾性係数Ｑ１２＝２５２２ＭＰａとの割合は、約０．１１となる。
【００５６】
【表２】
【００５７】
次に、補正強度決定工程２３０について説明する。
【００５８】
補正判定手段２３１では、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２にて抽出された構成の差異について、補正強度データベースから補正が必要な範囲かどうかを判断し補正が必要ないと判断されれば他の要素選択の工程である全要素確認判定手段２５０を実施し、補正が必要と判断されれば次の補正強度算出手段２３２を実施する判断を行う。例えば、図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用していた場合、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合の範囲が０．１〜０．４までしかないため、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．１未満、０．４より大きな値となっている場合は、補正が必要ないと判断し全要素確認判定手段２５０を実施し、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．１〜０．４の範囲内にあれば、圧縮強度の補正が必要と判断し、次の補正強度算出手段２３２を実施する判断を行う。例とした図４の補正強度データベースは、本来は図５のような平板や円筒などの単純形状で、全層の厚みと１層の割合を変化させて、圧縮強度を実験によって求めたり、解析によって強度を合わせこむことで作成したりするが、ここでは、例が図５のような平板への本手法の適応を例としているため、図４の補正強度データベースは仮想的に作成したデータベースとしている。
【００５９】
さらに具体的な例を挙げて、図６のモデル６００に前記補正強度決定工程２３０を適用した場合について説明する。
【００６０】
図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用しており、さらに補正強度データベースの適用範囲を厚み方向に隣接する両方の層との配向方向の差が５０°以上７０°以下とし、全層の厚みと各層の厚みの割合が０．１以上０．４以下とした場合、層２に関しては層１−２間の配向方向の差は１２０°となり、層２−３間の配向方向の差も１２０°となることから補正が必要ないと判断される。また、層３に関して層３−４間の配向方向の差は６０°となるが、層２−３間の配向方向の差は１２０°となることから補正が必要ないと判断される。また、層４に関して層３−４間の配向方向の差は６０°となり、層４−５間の配向方向の差も６０°となり、全層の厚みと層４の厚みの割合も０．１１１となることから要素６１０の層２に関しては、強度の補正が必要と判断される。
【００６１】
また、図７のような複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用しており、さらに補正強度データベースの適用範囲を厚み方向に隣接する両方の層との配向方向の差が５０°以上７０°以下とし、全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合が０．１以上０．１３以下とした場合、層２に関しては、層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層１の弾性係数Ｑ１２＝２６３５５ＭＰａとの割合は、１．１１となることから補正が必要ないと判断される。層４に関しては、層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層４の弾性係数Ｑ１２＝２５２２ＭＰａとの割合は、０．１１となり、層３−４間の配向方向の差は６０°となり、層４−５間の配向方向の差も６０°となることから要素６１０の層４に関しては、強度の補正が必要と判断される。
【００６２】
補正強度算出手段２３２では、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２にて比較された構成の差異を補正強度データベースに当てはめて、補正強度を算出する。材料方向の差、厚みの差、弾性マトリクスのすべてもしくは一部の項などで表された個別の構成の差異を補正強度データベースの数式に当てはめて算出してもよいし、それぞれの値を組み合わせて算出してもよい。また、構成の差異をグラフや表に当てはめて補正強度を算出してもよい。例えば、積層シェル要素で構成された構造体モデルにおいて、図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用し、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２において算出された全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．２であった場合、図４から補正された繊維方向の圧縮強度を１５２０ＭＰａとして算出できる。
【００６３】
さらに具体的な例を挙げて、図６のモデル６００に前記補正強度算出手段２３２を適応した場合について説明する。図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用している場合、要素６１０の層４について、全層の厚みと層４の厚みの割合が０．１１１となることから、図４より繊維方向の圧縮強度の補正強度が１６８０ＭＰａと算出される。
【００６４】
また、図７のような複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとしている場合、要素６１０の層４について、全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合が０．１１となることから、図７より繊維方向の圧縮強度の補正強度が１６００ＭＰａと算出される。
【００６５】
次に、強度物性変更工程２４０について説明する。
【００６６】
新物性データ作成手段２４１では、前記補正強度算出手段２３２で算出された補正強度を反映させた要素Ｅｉの新しい物性データを作成する。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、強度が補正される層の新しい物性データを作成する。例えば、前記補正強度算出手段２３２で補正強度が繊維方向の圧縮強度のみであり、９００ＭＰａから１６００ＭＰａに補正する場合、要素Ｅｉのプロパティが参照する物性データＭｉのコピーＭｉｃを作成し、物性データＭｉｃの繊維方向の圧縮強度のみを９００ＭＰａから１６００ＭＰａに変更することで、物性データＭｉと圧縮強度のみ異なる新物性データＭｊｃを作成できる。
【００６７】
物性データ置き換え手段２４２では、要素Ｅｉのプロパティの物性の参照先を要素上記新物性データ作成手段２４１で作成された新物性データに変更する。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、強度が補正される層のプロパティの物性の参照先を変更する。
【００６８】
次に、全要素確認判定手段２５０において、モデルの全要素もしくは指定された要素全てが前記工程を終えていれば本発明の工程を終了し、要素が残っていれば、構成差異抽出工程２２０から繰り返し実施する。
【符号の説明】
【００６９】
１００：計算機
１０１：ディスプレイ
１０２：キーボード
１０３：マウス
１０４：補助記憶装置
１０５：プログラム
１０６：形状データ
１０７：材料データ
１０８：データ読み出し手段
１０９：構成差異抽出工程
１１０：強度変化条件決定手段
１１１：強度物性変更手段
１１２：強度解析手段
１１３：出力手段
２１０：形状データ読み出し工程
２１１：形状データ取得手段
２２０：構成差異抽出工程
２２１：要素選択手段
２２２：隣接要素構成差異抽出工程
２３０：補正強度決定工程
２３１：補正判定手段
２３２：補正強度算出手段
２４０：強度物性変更工程
２４１：新物性データ作成手段
２４２：物性データ置き換え手段
２５０：全要素確認判定手段
３０１：要素
３０２：プロパティ
３０３：厚み
３０４：繊維方向
３１０：材料
３１１：弾性率
３１２：ポアソン比
３１３：強度
４００：複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と、繊維方向の圧縮強度に関する補正強度データベース
５００：積層板
５０１：座標系
５０２：角度θ
５１０：繊維
５２０：第１層目の積層
５２１：第２層目の積層
５２２：第２層目の積層
５２３：第３層目の積層
５２４：第４層目の積層
５２５：第５層目の積層
５２６：第６層目の積層
５２７：第７層目の積層
６００：モデル
６０１：座標系
６１０：要素
７００：複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度に関する補正強度データベース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料を用いた構造体の強度解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで航空宇宙やスポーツ分野などの限られた分野で適用されていた繊維強化複合材料の産業用途への適用が拡大している。特に、従来金属が主として用いられてきた自動車などの産業分野ではエネルギー効率を高めるため、構造の軽量化が重要視され、金属材料に代わって、軽量でかつ比強度・比剛性に優れた繊維強化複合材料に置換する動きが増加している。特に繊維強化複合材料として、炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維を熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂などをマトリックス材料とした繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略記することもある）が多く用いられている。これら繊維強化複合材料は、繊維方向と繊維直角方向の物性が異なる異方性物性を持つことから、繊維の配向方向を考慮した強度設計が必要になってくる。
【０００３】
一般的に、複合材料を使用した構造物の強度計算には、数値解析シミュレーションが広く用いられている。一般的な数値解析シミュレーションでの強度計算方法として、有限要素法（以下、ＦＥＭと略記することもある）がよく用いられ、構造物のモデル化は、シェル要素やソリッド要素などで行い、構造物に力が掛かる場所に、外力を入力し各要素に発生する応力又はひずみを計算する。解析結果から、各要素に発生する応力又はひずみを各種の破壊則に沿って破壊判定を行い、破壊判定で破壊が予測される要素を特定する。破壊判定で破壊と判定された要素が出てきた場合、構造物の形状変更や材料変更など行い上記手法を繰り返すことで構造物の強度を満足させる条件を設計している。
【０００４】
ここで、破壊判定に用いられる破壊則には、非特許文献１に示すように、最大応力説、最大ひずみ説、Ｔｓａｉ−Ｈｉｌｌ則、Ｔｓａｉ−Ｗｕ則など多く存在するが、一般的に材料物性の強度のデータとしては、繊維方向の引張強度と圧縮強度、繊維直角方向の引張強度と圧縮強度、せん断強度などの少なくとも１つの強度データを用いて上記破壊則に入力し破壊判定を行っている。この場合、原則１材料＝１物性として前記強度データが設定されている。また、繊維強化複合材料では、単位体積当たりの繊維の体積含有率（以下、Ｖｆと略記することもある）が増えると複合材料全体の強度が強化される傾向にあることから、繊維の量毎に強度データを持つこともある。
【０００５】
しかし、非特許文献２に示すように、一方向に繊維を配向させた複合材料を、配向角度を変えながら一定の厚みに積み重ねた積層体に外力を加えた場合、繊維方向の圧縮荷重が掛かる層の圧縮強度は、その層と隣り合う層の積層角度によって変化することが知られている。図３は従来手法での要素プロパティの構成の一例を示している。ここで要素プロパティとは、要素と材料方向や材料物性を関連付けるデータであり、模式図で示すと図３の様に表せる。また、要素がシェル要素の場合は、厚みの情報も要素プロパティに記載されている。従来手法では、上記積層体のような構造物の強度計算を、数値解析シミュレーションで実施する場合、図３の様に積層体の積層毎に１種類の材料が使用されており、材料の種類が同じであれば同じ物性を使用して解析していたため、構造物全体の強度を正しく計算することが出来なかった。
【０００６】
特許文献１には、複合材料の母材と添加物を個別にモデル化した複合材料のミクロモデルについての構造解析方法が開示されている。特許文献１は、母材と添加物の界面強度を再現するため、添加物の周りにある母材の物性を添加物の中心からの距離に応じて傾斜的に変えることで、複合材料をモデル化している。しかし、母材と添加物を別々にモデル化するには膨大な節点・要素数が必要となり、データ量が増大する。一般的には、母材と添加物を分けずに均質化させた物性を用い、繊維の方向などで異方性の物性が現れる場合には繊維方向と繊維直角方向の物性を持たせた要素を用い、構造物全体をモデル化するようなマクロモデルで解析を行っている。また、添加物の方向や材料全体の厚み等を考慮していないため、非特許文献２に示すような現象を計算することが出来ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３７４７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】福田博著、「複合材の力学序説」、株式会社古今書院、１９９３年４月１５日 第２刷発行、ｐ．１９９−２０５
【非特許文献２】北野彰彦、「高圧縮強度積層体」、第３５回ＦＲＰシンポジウム講演論文集、２００６年３月１６日、ｐ．９８−１００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高圧縮強度積層体の様に、周りの構成情報から強度が変化するような現象を含め、複合材料の構造体の強度を正確に予測可能な、複合材料の強度解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、
前記構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程と、
前記構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定工程と、
前記構成差異抽出工程と前記補正強度決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する。
【００１１】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
要素が積層シェル要素の場合に、同じ要素内の各積層間の構成の差異を調べる請求項１に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みを調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１４】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１５】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と厚みと強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と厚みの差異が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１６】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および４のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１７】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記補正強度決定工程において、
材料方向と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と積層厚みと弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および５のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法が提供される。
【００１８】
また、本発明の好ましい形態によれば、複合材料を用いた構造体の強度解析装置であって、
構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定手段と、
前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定手段から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更手段を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析装置が提供される。
【００１９】
また、本発明の好ましい形態によれば、請求項１〜８のいずれかに記載の強度解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
【００２０】
また、本発明の好ましい形態によれば、請求項１０に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
【００２１】
本発明において、「構成の差異」は、例えば、材料方向の差や割合、積層厚みの差や割合、弾性マトリクスなどで表される場合もあり、個別の構成の差異を組み合わせて表す場合もある。また、構成の差異を数式で表現する場合やグラフや表で表す場合もある。
【００２２】
本発明において、「補正強度データベース」とは、構成の差異と材料強度もしくは材料強度の補正係数を表したデータベースをいう。
【００２３】
また、前記構成の差異と材料強度もしくは材料強度の補正係数との関係は、実験により求めたものでもよいし、文献から引用したものでもよい。
【００２４】
本発明において、「弾性マトリクス」とは、有限要素法で、応力とひずみの関係を結ぶマトリクスのことをいう。一般的に一方向に繊維を配向させた直交異方性薄板の繊維方向の２次元の弾性マトリクスは式５のように表され、式（１）の中のＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２２、Ｑ６６は式２〜５で表される。
【００２５】
【数１】
【００２６】
【数２】
【００２７】
【数３】
【００２８】
【数４】
【００２９】
【数５】
【００３０】
ここで、式（１）のＱ１１、Ｑ１２、Ｑ２２、Ｑ６６は弾性係数と呼ばれており、ＥＬは繊維方向の弾性率、ＥＴは繊維直角方向の弾性率、νＬＴは繊維方向に引張ったときの繊維直角方向の縮みを示すポアソン比である。νＴＬは繊維直角方向に引張ったときの繊維方向の縮みを示すポアソン比である。Ｇ１２はせん断弾性率である。また、応力とひずみの関係を式（５）の弾性マトリクスを使ってあらわすと式（６）のようになる。
【００３１】
【数６】
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、高圧縮強度積層体の様に、周りの構成情報から強度が変化するような現象を考慮して強度予測ができるため、複合材料の構造体の強度を予測するための強度解析の精度向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の手順の一例を示すブロック図である。
【図３】従来の要素プロパティの構成の一例を示すブロック図である。
【図４】複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの比と圧縮強度の関係の一例を示すグラフである。
【図５】一方方向に長繊維で補強された樹脂のシートを積み重ねた積層板の一例を示す図である。
【図６】積層板５００の解析用シェルモデルの一例を示す図である。
【図７】複合材料の中間層の弾性係数Ｑ１２と全層の弾性係数Ｑ１２の比と圧縮強度の関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の最良の実施形態の例について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施形態の一例の構成を示すブロック図である。本実施形態において、図１に示すとおり、（１００）はコンピュータやワークステーションなどの計算機、（１０１）はディスプレイ、（１０２）はキーボード、（１０３）はマウス、（１０４）は補助記憶装置である。（１０４）の補助記憶装置には、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）装置やＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）装置の他、テープ、ＦＤ（フレキシブルディスク）、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＰＤ（相変化光ディスク）、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）、ＢＤ（ブルーレイディスク）などのディスクメモリー、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）メモリー、メモリーカードなどのリムーバブルメディアも利用可能である。
【００３６】
補助記憶装置１０４には、構造体の構造解析や強度解析をするためのプログラム１０５や形状データ１０６、物性データ１０７などが保存されている。
【００３７】
コンピュータやワークステーションなどの計算機１００は、補助記憶装置１０４からプログラム１０５、形状データ１０６、物性データ１０７などを読み出すことができるデータ読み出し手段１０８を具備している。また、構成差異抽出工程１０９、強度変化条件決定手段１１０、強度物性変更手段１１１、強度解析手段１１２、出力手段１１３で構成されている。これら各手段は、計算機１００の主記憶装置などの記憶手段に記憶されたプログラムのサブルーチンなどのモジュールとして実施されており、同様にこれらの手段が取り扱うデータは、記憶手段に揮発的または不揮発的に記憶される。
【００３８】
形状データ１０６は、ユージーエス コーポレーション製“Ｉ−ＤＥＡＳ（登録商標）”のＵＮＶ形式など汎用の構造解析プリプロセッサーにより作成できるものであり、シェル要素、ソリッド要素などで表現する。もちろん、モデルデータを保存するファイルのフォーマットは節点、要素、要素プロパティ、材料物性などが記述されるデータであれば、形状データ１０６の形式は限定しない。
【００３９】
強度解析手段１１２は、ダッソー システムズ社製“Ａｂａｑｕｓ（登録商標）”などの汎用構造解析ソフトウェアにより実行できるものであり、シェル要素、ソリッド要素などで表された形状データ１０６を用いて、各要素に発生する応力やひずみ、各節点の変位などを計算する。
【００４０】
図２は本実施形態における実施の手順の一例を示すフローチャートである。
【００４１】
以下、本発明の実施形態について、図２を用いて説明する。本発明の実施形態は、構造体の形状データを取得する形状データ読み出し工程２１０と、構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程２２０と、構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから補正強度を算出する補正強度決定工程２３０と、前記構成差異抽出工程２２０と前記補正強度決定工程２３０から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程２４０に大別される。
【００４２】
まず、形状データ読み出し工程２１０について説明する。
【００４３】
形状データ取得手段２１１では、汎用の構造解析プリポストなどで作成された構造体の解析用モデルを取得する。解析用モデルは、シェル要素、ソリッド要素などで表現されており、モデルデータを保存するファイルのフォーマットは節点、要素、要素プロパティ、材料プロパティなどが記述される。
【００４４】
次に、構成差異抽出工程２２０について説明する。要素選択手段２２１では、前記形状データ読み出し工程２１０にて取得された構造物の形状データの要素Ｅｉを選択する。ここで、要素Ｅの添え字ｉ（ｉは１〜ｎの自然数）は、要素番号を示している。
【００４５】
隣接要素構成差異抽出工程２２２では、前記要素選択手段２２１で選択された要素Ｅｉのプロパティと、隣り合う要素のプロパティを比較する。要素のプロパティとは、材料の種類や厚み、繊維の角度など要素の詳細情報をまとめるデータベースのことをいう。積層を持った構造体を通常ソリッド要素で表現する場合、各層毎に要素を切り分け、積層構造をモデル化する。したがって、隣り合う要素を比較することで各層間のプロパティの比較ができる。シェル要素の場合、要素形状だけでは厚みデータを表せないことからプロパティとして厚みの値も格納されており、要素だけでは表現できない情報として関連付けされている。前記隣接要素構成差異抽出工程２２２の比較の対象には、材料物性として弾性率、ポアソン比、比重等が含まれ、複合材料に含有される繊維の方向、要素の厚みも対象となる。また、構造物の厚み方向に存在する全ての要素に関して比較してもよい。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、１要素の中に複数の層がモデル化されているため、隣り合う要素だけではなく１要素内の層間のプロパティの比較を行っても良いし、要素内の比較のみ実施し要素間の比較を実施しなくても良い。
【００４６】
このとき、構成の比較は、除算や割合で評価してもよい。例えば、要素Ｅ1の弾性率Ｇ１と要素Ｅ２の弾性率Ｇ２について、除算で比較する場合には、弾性率の差Ｇ１−２は式７の様に表され、割合で比較する場合には、式８の様に表してもよい。
【００４７】
【数７】
【００４８】
【数８】
【００４９】
また、構造物の厚み方向に存在する全ての要素に関して比較を行う場合、厚み方向に存在する要素全体での構成との割合で比較してもよい。例えば、要素Ｅ1の厚みＴ１と厚み方向に存在する要素全体の厚みＴＡについて式９の様に表してもよい。
【００５０】
【数９】
【００５１】
モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、層全体での構成との割合で比較してもよい。例えば、全８層で構成された要素Ｅ1の第３層の厚みＴ１Ｐｌｙ３と全層の厚みＴ１Ａについて式１０の様に表してもよい。
【００５２】
【数１０】
【００５３】
さらに具体的な例を挙げて前記構成差異抽出工程２２０について説明する。図５は一方向に繊維を配向させた直交異方性薄板を繊維の方向を変えながら積層させた積層板の一例を示している。積層板５００は、一方向に繊維５１０を配向させた直行異方性薄板の全７層５２０〜５２６で構成されており、各層の繊維方向は積層板５００の座標系５０１のＸ方向との角度θ（５０２）としてあらわされ、積層構成を表１に示す。層５２０が積層番号１で示されており、層５２１〜５２６を積層番号２〜７で示している。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図６は、前記積層板５００をモデル６００として積層シェルモデルでモデル化した解析モデルである。要素６１０は積層シェル要素であり、１要素で表１の積層情報を持っている。前記要素６１０に対して前記構成差異抽出工程２２０を実施した場合、積層シェルモデル６００は積層シェルモデルであることから、要素内の積層間の比較のみ実施し要素間の比較を実施しないものとすると、要素６１０の積層構成は表１のようになっている。まず、構成の差異を材料方向の差とした場合、各層間を比較すると層１−２間では６０°と−６０°の差から１２０°となり、層３−４間では、６０°と０°の差から６０°となる。また、構成の差異を層全体の厚みと各層の厚みとの割合とした場合、各層を比較すると、層１の層全体の厚みとの割合は、全層の厚み２．１６ｍｍと層１の厚み０．３２ｍｍから約０．１４８となり、層４の層全体の厚みの割合は、全層の厚み２．１６ｍｍと層４の厚み０．２４ｍｍから約０．１１１となる。また、各層の弾性係数Ｑ１２を表２に示す。構成の差異を層全体の弾性マトリクスの弾性係数Ｑ１２と各層の弾性係数Ｑ１２との割合とした場合、各層を比較すると、層１の層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層１の弾性係数Ｑ１２＝２６３５５ＭＰａとの割合は、約１．１１となり、層４の層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層４の弾性係数Ｑ１２＝２５２２ＭＰａとの割合は、約０．１１となる。
【００５６】
【表２】
【００５７】
次に、補正強度決定工程２３０について説明する。
【００５８】
補正判定手段２３１では、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２にて抽出された構成の差異について、補正強度データベースから補正が必要な範囲かどうかを判断し補正が必要ないと判断されれば他の要素選択の工程である全要素確認判定手段２５０を実施し、補正が必要と判断されれば次の補正強度算出手段２３２を実施する判断を行う。例えば、図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用していた場合、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合の範囲が０．１〜０．４までしかないため、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．１未満、０．４より大きな値となっている場合は、補正が必要ないと判断し全要素確認判定手段２５０を実施し、全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．１〜０．４の範囲内にあれば、圧縮強度の補正が必要と判断し、次の補正強度算出手段２３２を実施する判断を行う。例とした図４の補正強度データベースは、本来は図５のような平板や円筒などの単純形状で、全層の厚みと１層の割合を変化させて、圧縮強度を実験によって求めたり、解析によって強度を合わせこむことで作成したりするが、ここでは、例が図５のような平板への本手法の適応を例としているため、図４の補正強度データベースは仮想的に作成したデータベースとしている。
【００５９】
さらに具体的な例を挙げて、図６のモデル６００に前記補正強度決定工程２３０を適用した場合について説明する。
【００６０】
図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用しており、さらに補正強度データベースの適用範囲を厚み方向に隣接する両方の層との配向方向の差が５０°以上７０°以下とし、全層の厚みと各層の厚みの割合が０．１以上０．４以下とした場合、層２に関しては層１−２間の配向方向の差は１２０°となり、層２−３間の配向方向の差も１２０°となることから補正が必要ないと判断される。また、層３に関して層３−４間の配向方向の差は６０°となるが、層２−３間の配向方向の差は１２０°となることから補正が必要ないと判断される。また、層４に関して層３−４間の配向方向の差は６０°となり、層４−５間の配向方向の差も６０°となり、全層の厚みと層４の厚みの割合も０．１１１となることから要素６１０の層２に関しては、強度の補正が必要と判断される。
【００６１】
また、図７のような複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用しており、さらに補正強度データベースの適用範囲を厚み方向に隣接する両方の層との配向方向の差が５０°以上７０°以下とし、全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合が０．１以上０．１３以下とした場合、層２に関しては、層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層１の弾性係数Ｑ１２＝２６３５５ＭＰａとの割合は、１．１１となることから補正が必要ないと判断される。層４に関しては、層全体の弾性係数Ｑ１２＝２３７０７ＭＰａと層４の弾性係数Ｑ１２＝２５２２ＭＰａとの割合は、０．１１となり、層３−４間の配向方向の差は６０°となり、層４−５間の配向方向の差も６０°となることから要素６１０の層４に関しては、強度の補正が必要と判断される。
【００６２】
補正強度算出手段２３２では、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２にて比較された構成の差異を補正強度データベースに当てはめて、補正強度を算出する。材料方向の差、厚みの差、弾性マトリクスのすべてもしくは一部の項などで表された個別の構成の差異を補正強度データベースの数式に当てはめて算出してもよいし、それぞれの値を組み合わせて算出してもよい。また、構成の差異をグラフや表に当てはめて補正強度を算出してもよい。例えば、積層シェル要素で構成された構造体モデルにおいて、図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用し、前記隣接要素構成差異抽出工程２２２において算出された全層の厚みと着目する１層の厚みの割合が０．２であった場合、図４から補正された繊維方向の圧縮強度を１５２０ＭＰａとして算出できる。
【００６３】
さらに具体的な例を挙げて、図６のモデル６００に前記補正強度算出手段２３２を適応した場合について説明する。図４のような複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとして使用している場合、要素６１０の層４について、全層の厚みと層４の厚みの割合が０．１１１となることから、図４より繊維方向の圧縮強度の補正強度が１６８０ＭＰａと算出される。
【００６４】
また、図７のような複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度との関係を補正強度データベースとしている場合、要素６１０の層４について、全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合が０．１１となることから、図７より繊維方向の圧縮強度の補正強度が１６００ＭＰａと算出される。
【００６５】
次に、強度物性変更工程２４０について説明する。
【００６６】
新物性データ作成手段２４１では、前記補正強度算出手段２３２で算出された補正強度を反映させた要素Ｅｉの新しい物性データを作成する。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、強度が補正される層の新しい物性データを作成する。例えば、前記補正強度算出手段２３２で補正強度が繊維方向の圧縮強度のみであり、９００ＭＰａから１６００ＭＰａに補正する場合、要素Ｅｉのプロパティが参照する物性データＭｉのコピーＭｉｃを作成し、物性データＭｉｃの繊維方向の圧縮強度のみを９００ＭＰａから１６００ＭＰａに変更することで、物性データＭｉと圧縮強度のみ異なる新物性データＭｊｃを作成できる。
【００６７】
物性データ置き換え手段２４２では、要素Ｅｉのプロパティの物性の参照先を要素上記新物性データ作成手段２４１で作成された新物性データに変更する。また、モデルが積層シェル要素で作成されている場合には、強度が補正される層のプロパティの物性の参照先を変更する。
【００６８】
次に、全要素確認判定手段２５０において、モデルの全要素もしくは指定された要素全てが前記工程を終えていれば本発明の工程を終了し、要素が残っていれば、構成差異抽出工程２２０から繰り返し実施する。
【符号の説明】
【００６９】
１００：計算機
１０１：ディスプレイ
１０２：キーボード
１０３：マウス
１０４：補助記憶装置
１０５：プログラム
１０６：形状データ
１０７：材料データ
１０８：データ読み出し手段
１０９：構成差異抽出工程
１１０：強度変化条件決定手段
１１１：強度物性変更手段
１１２：強度解析手段
１１３：出力手段
２１０：形状データ読み出し工程
２１１：形状データ取得手段
２２０：構成差異抽出工程
２２１：要素選択手段
２２２：隣接要素構成差異抽出工程
２３０：補正強度決定工程
２３１：補正判定手段
２３２：補正強度算出手段
２４０：強度物性変更工程
２４１：新物性データ作成手段
２４２：物性データ置き換え手段
２５０：全要素確認判定手段
３０１：要素
３０２：プロパティ
３０３：厚み
３０４：繊維方向
３１０：材料
３１１：弾性率
３１２：ポアソン比
３１３：強度
４００：複合材料の全層の厚みと着目する１層の厚みの割合と、繊維方向の圧縮強度に関する補正強度データベース
５００：積層板
５０１：座標系
５０２：角度θ
５１０：繊維
５２０：第１層目の積層
５２１：第２層目の積層
５２２：第２層目の積層
５２３：第３層目の積層
５２４：第４層目の積層
５２５：第５層目の積層
５２６：第６層目の積層
５２７：第７層目の積層
６００：モデル
６０１：座標系
６１０：要素
７００：複合材料の全層の弾性係数Ｑ１２と着目する１層の弾性係数Ｑ１２の割合と繊維方向の圧縮強度に関する補正強度データベース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、
前記構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程と、
前記構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定工程と、
前記構成差異抽出工程と前記補正強度決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項２】
前記構成差異抽出工程において、
要素が積層シェル要素の場合に、同じ要素内の各積層間の構成の差異を調べる請求項１に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項３】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みを調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項４】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項５】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項６】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と厚みと強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と厚みの差異が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項７】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および４のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項８】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と積層厚みと弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および５のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項９】
複合材料を用いた構造体の強度解析装置であって、
構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定手段と、
前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定手段から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更手段を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の強度解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１】
複合材料を用いた構造体の強度解析方法であって、
前記構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を抽出する構成差異抽出工程と、
前記構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定工程と、
前記構成差異抽出工程と前記補正強度決定工程から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更工程を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項２】
前記構成差異抽出工程において、
要素が積層シェル要素の場合に、同じ要素内の各積層間の構成の差異を調べる請求項１に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項３】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みを調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項４】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項５】
前記構成差異抽出工程において、
前記構造体の数値解析モデルの各要素が持つ積層構成に関して、隣り合う積層間の材料方向の差と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項を調べる請求項１または２に記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項６】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と厚みと強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と厚みの差異が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項７】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および４のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項８】
前記補正強度決定工程において、
材料方向と積層厚みと弾性マトリクスの弾性係数のすべてもしくは一部の項と強度との関係を示した補正強度データベースから、前記補正強度データベースに記載された補正を適応する範囲に、記構成差異抽出工程にて抽出された材料方向と積層厚みと弾性係数もしくは一部の項が含まれる場合に、強度を変化させる構成条件を決定する請求項１、２および５のいずれかに記載の複合材料を用いた構造体の強度解析方法。
【請求項９】
複合材料を用いた構造体の強度解析装置であって、
構造体の数値解析モデルの各要素に関して、所定の要素の周りの要素との構成の差異を調べる構成差異抽出工程と、
構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースから前記構造体の数値解析モデルの各要素の補正強度を算出する補正強度決定手段と、
前記構成差異抽出工程と前記強度変化条件決定手段から、数値解析モデルの中の該当する要素の物性情報に関して、強度物性を変更する強度物性変更手段を有する、複合材料を用いた構造体の強度解析装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の強度解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９７５２１（Ｐ２０１３−９７５２１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８８６３（Ｐ２０１１−２３８８６３）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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