(57)【要約】【課題】設計が容易であり、かつ剛性の高い繊維配向とする。【解決手段】繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向方法であって、前記成形物の形状に応じて荷重経路を算出する荷重経路算出工程と、前記荷重経路に基づいて繊維配向を決定する繊維配向工程とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向方法であって、
前記成形物の形状に応じて荷重経路を算出する荷重経路算出工程と、
前記荷重経路に基づいて繊維配向を決定する繊維配向工程と
を備えることを特徴とする繊維配向方法。
【請求項２】
前記荷重経路算出工程では、前記成形物の形状に加えて前記成形物の負荷状態に応じて荷重経路を算出することを特徴とする請求項１記載の繊維配向方法。
【請求項３】
前記荷重経路算出工程においては、ひずみエネルギに基づいて算出されることを特徴とする請求項１または２記載の繊維配向方法。
【請求項４】
繊維配向工程は、決定された繊維配向が予め定められた繊維の最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する曲率判定工程を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維配向方法。
【請求項５】
決定された繊維配向に基づいて計算された収束パラメータが所定の値以下であるか否かを判定する収束判定工程を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の繊維配向方法。
【請求項６】
前記収束パラメータは、剛性、ひずみエネルギ及び変形量のいずれかに基づいて定められることを特徴とする請求項５記載の繊維配向方法。
【請求項７】
繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向装置であって、
前記成形物の形状に応じて荷重経路を算出する荷重経路設定部と、
前記荷重経路に基づいて繊維配向を決定する繊維配向部と
を備えることを特徴とする繊維配向装置。
【請求項８】
前記荷重経路設定部は、前記成形物の形状に加えて前記成形物の負荷状態に応じて荷重経路を算出することを特徴とする請求項７記載の繊維配向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維配向方法及び繊維配向装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、繊維を含む複合材料においては、成形品の剛性が最適となるように繊維配向を設計する必要がある。例えば、非特許文献１においては、設計点ごとの繊維配向角を設計変数とすることにより、繊維配向を最適化する手法が開示されている。また、他の手法として、非特許文献２に示すように、ポテンシャル流の流線を繊維の流れ方向とし、破壊指数が最小となるように繊維配向を最適化する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】本田  真也、“曲線繊維複合材およびスマート複合材の最適設計に関する研究”、[online]、平成２５年６月、日本機械学会計算力学部門  設計情報学研究会、[平成３０年６月２５日検索]、インターネット（URL: http://www.ifs.tohoku.ac.jp/cmd/reference/LS4_PDF/DI4_honda.pdf）
【非特許文献２】Yusuke Yamanaka、他４名、“Fiber Line Optimization in Single Ply for 3D Printed Composites Vol.6 No.4 p.121-131”、[online]、平成２８年１０月、Open Journal of Composite Materials、平成２８年１０月、[平成３０年７月４日検索]、インターネット（URL: http://file.scirp.org/pdf/OJCM_2016101214324183.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に示す手法においては、隣り合う設計点における繊維配向角において連続でない解が得られる場合があり、設計上の繊維配向による実際の成形が不可能となる場合がある。また、非特許文献２に示す手法においては、成形品が複雑形状である場合に、流線で繊維配向を示すことが困難となる場合がある。したがって、いずれの手法においても、形状等の条件によっては、設計が困難であり、剛性の高い繊維配向とすることができない。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、設計が容易であり、かつ剛性の高い繊維配向とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するための繊維配向方法に係る第１の手段として、繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向方法であって、前記成形物の形状に応じて荷重経路を算出する荷重経路算出工程と、前記荷重経路に基づいて繊維配向を決定する繊維配向工程とを備える、という構成を採用する。
【０００７】
繊維配向方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記荷重経路算出工程では、前記成形物の形状に加えて前記成形物の負荷状態に応じて荷重経路を算出する、という構成を採用する。
【０００８】
繊維配向方法に係る第３の手段として、上記第１または２の手段において、前記荷重経路算出工程においては、ひずみエネルギに基づいて算出される、という構成を採用する。
【０００９】
繊維配向方法に係る第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、繊維配向工程は、決定された繊維配向が予め定められた繊維の最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する曲率判定工程を備える、という構成を採用する。
【００１０】
繊維配向方法に係る第５の手段として、上記第１〜４のいずれかの手段において、決定された繊維配向に基づいて計算された収束パラメータが所定の値以下であるか否かを判定する収束判定工程を備える、という構成を採用する。
【００１１】
繊維配向方法に係る第６の手段として、上記第５の手段において、前記収束パラメータは、剛性、ひずみエネルギ及び変形量のいずれかに基づいて定められる、という構成を採用する。
【００１２】
繊維配向装置に係る第１の手段として、繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向装置であって、前記成形物の形状に応じて荷重経路を算出する荷重経路設定部と、前記荷重経路に基づいて繊維配向を決定する繊維配向部とを備える、という構成を採用する。
【００１３】
繊維配向装置に係る第２の手段として、前記荷重経路設定部は、前記成形物の形状に加えて前記成形物の負荷状態に応じて荷重経路を算出する、という構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、荷重経路に基づいて繊維配向を決定する。したがって、成形品の繊維配向が荷重経路と近しくなり、成形品において荷重を繊維に沿って伝達することが可能であり、すなわち成形品の剛性を高めることが可能である。また、荷重経路は、負荷点から支持点に向けて連続的につながる。したがって、荷重経路に基づいて連続的に繊維配向を決定することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る繊維配向装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における剛性指標の算出方法を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る繊維配向方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態における剛性指標と荷重経路の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態における剛性と計算回数との相関を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における繊維配向表示の一例を示す図であり、（ａ）が断面斜視図であり、（ｂ）が全体斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明に係る繊維配向方法及び繊維配向装置の一実施形態について説明する。
【００１７】
本実施形態に係る繊維配向装置１は、剛性指標算出部２と、荷重経路設定部３と、繊維配向部４と、収束判定部５と、繊維配向出力部６とを備えている。なお、繊維配向装置１は、ＣＰＵ、ハードディスク及びメモリを有するコンピュータの一機能として備えられている。このような繊維配向装置１は、３ＤプリンタやＡＦＰ装置およびＡＴＬ装置等により成形される樹脂及び繊維により構成される複合材料によって成形品を成形する際に繊維配向を決定する。
【００１８】
剛性指標算出部２は、ひずみエネルギに基づいて、成形品の設計形状と、成形品の負荷状態とにおいて定められる全節点の剛性指標Ｕ*を算出する。図２に示すように、荷重点Ａ及び支持点Ｂを定め、図２（ａ）に示すようにＣ点を固定しないときのひずみエネルギＵと、図２（ｂ）に示すようにＣ点を固定したときのひずみエネルギＵ’とを有限要素法等の手法を用いて算出することにより、任意点Ｃ（節点）の剛性指標Ｕ*が下式（１）のように表される。剛性指標Ｕ*は、荷重点Ａと支持点Ｂとの結合の強さを示すパラメータである。剛性指標算出部２は、下式（１）に基づいて、全ての節点における剛性指標Ｕ*を算出する。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
荷重経路設定部３は、成形物の設計形状と全節点の剛性指標Ｕ*とに基づいて、荷重経路を算出する。荷重経路設定部３は、成形物の設計形状における剛性指標Ｕ*の分布に基づき、荷重の伝達経路（荷重経路）を算出する。具体的には、荷重経路設定部３は、図４に白の破線で示すように、荷重点との結合の強い箇所（剛性指標Ｕ*の値が大きい場所）を順次結んだ線を荷重経路として設定する。図４において、色の濃度は剛性指標Ｕ*の値の大きさを示しており、色が薄い（白い）程、剛性指標Ｕ*が大きい。このような荷重経路は、荷重点から支持点に向けて連続的に形成される。なお、荷重経路は、各節点におけるベクトルとして出力される。
【００２１】
繊維配向部４は、算出された荷重経路に基づいて繊維配向を決定する。具体的には、繊維配向部４は、荷重経路に沿って繊維を配向した後、繊維の曲率半径を算出する。そして、繊維配向部４は、繊維の強度を損なわない程度に設計形状に配向するため、繊維の曲率半径が、予め定められた最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する。
【００２２】
収束判定部５は、繊維配向部４により決定された繊維配向における剛性を算出すると共に記憶し、前回算出された剛性と今回計算した剛性との変化率（収束パラメータ）を算出する。そして、収束判定部５は、剛性の変化率が予め定められた判定値よりも小さいか否かを判定する。
【００２３】
繊維配向出力部６は、決定した繊維配向をモニタへと出力する。また、繊維配向出力部６は、３ＤプリンタやＡＦＰ装置およびＡＴＬ装置等の制御装置に対して、繊維配向のデータを出力する。
【００２４】
このような本実施形態に係る繊維配向装置１による繊維配向方法について説明する。
まず、繊維配向装置１は、剛性指標算出部２において、上式（１）に基づいて、剛性指標Ｕ*を算出する（ステップＳ１）。そして、繊維配向装置１は、荷重経路設定部３において、剛性指標Ｕ*に基づいて荷重経路を算出する（ステップＳ２）。なお、ステップＳ２は、本発明における荷重経路算出工程に相当する。
【００２５】
繊維配向装置１は、繊維配向部４において、繊維配向を荷重経路に沿うように定義する（ステップＳ３）。さらに、繊維配向装置１は、繊維配向部４において、定義された繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。そして、繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも小さい場合、すなわち、判定がＮＯの場合には、新たな剛性指標Ｕ*を算出して繊維配向を変更するため、再度ステップＳ１へと戻る。なお、ステップＳ４は、本発明における曲率判定工程に相当する。
【００２６】
また、繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも大きい場合、すなわち、判定がＹＥＳの場合には、繊維配向装置１は、収束判定部５において、繊維配向が収束しているか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、収束判定部５は、ステップＳ４において定義された繊維配向の剛性を算出し、前回算出された繊維配向の剛性からの変化率を算出する。収束判定部５は、この変化率が所定の値以下となった場合に繊維配向が収束したと判定する。例えば、図５に示すように、繊維配向は、ステップＳ１〜Ｓ５のフローを繰り返すたびに徐々に剛性が一定となる（剛性の変化率が減少する）。そして、繊維配向が収束していない場合、すなわち、ステップＳ５の判定がＮＯの場合には、新たな剛性指標Ｕ*を算出して繊維配向を変更するため、再度ステップＳ１へと戻る。なお、ステップＳ５は、本発明における収束判定工程に相当する。また、ステップＳ４〜Ｓ５は、本発明における繊維配向工程に相当する。
【００２７】
また、繊維配向が収束した場合、すなわち、ステップＳ５の判定がＹＥＳの場合には、繊維配向装置１は、繊維配向出力部６において、図６（ａ）、（ｂ）の破線に示すように、定義された繊維Ｆの配向を表示すると共に、外部装置へと出力する。なお、図６においては、略半球状かつ球面に複数の開口を有する成形品に対して、繊維Ｆを配向した場合を示しており、上段が断面斜視図であり、下段が全体斜視図である。
繊維配向装置１は、このようなステップＳ１〜Ｓ６のフローを繰り返すことにより、成形品の繊維配向を決定する。
【００２８】
このような本実施形態に係る繊維配向方法によれば、荷重経路に基づいて繊維配向を決定する。したがって、成形品の繊維配向が荷重経路と近しくなり、成形品において荷重を繊維に沿って伝達することが可能であり、すなわち成形品の剛性を高めることが可能である。また、荷重経路は、負荷点から支持点に向けて連続的につながる。したがって、荷重経路に基づいて連続的に繊維配向を決定することが容易である。
【００２９】
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、荷重経路をひずみエネルギに基づく剛性指標Ｕ*から算出する。したがって、正確な荷重経路の算出が容易である。
【００３０】
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する曲率判定工程を備えている。繊維は所定の曲率を超えて屈曲されると荷重を伝達することができず、成形品の剛性を損なうこととなる。しかしながら、本実施形態に係る繊維配向方法では、繊維の屈曲可能な曲率半径を超えた繊維配向となることがない。したがって、繊維の剛性を損なうことなく配向することができ、すなわち成形品の剛性を高めることが可能である。
【００３１】
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、繊維配向の剛性が収束したか否かを判定する収束判定工程を備えている。これにより、繊維配向は、好適な剛性に決定される。さらに、収束判定工程を曲率判定工程の後段に備えることにより、無理のない繊維配向としつつ、好適な剛性を有する繊維配向とすることが可能である。
【００３２】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３３】
上記実施形態においては、収束判定工程において、剛性の変化率により収束を判定するものとしたが、本発明はこれに限定されない。収束判定工程においては、収束パラメータとして剛性指標Ｕ*の変化率により収束を判定するものとしてもよい。この場合、収束判定部５は、剛性を算出せず、剛性指標算出部２によって算出された剛性指標Ｕ*を用いて判定を行う。また、収束判定工程においては、収束パラメータとして変形量の変化率によって収束を判定するものとしてもよい。この場合、収束判定部５は、繊維配向時の成形品の変形量を算出し、変形量の変化率に基づいて判定を行う。
【００３４】
上記実施形態においては、曲率判定工程を実施するものとしたが、成形品の形状によっては省略するものとしてもよい。
【００３５】
上記実施形態においては、繊維配向装置の動作として繊維配向方法を説明したが、本発明はこれに限定されない。繊維配向方法は、３ＤプリンタやＡＦＰ装置、ＡＴＬ装置、または成形品の設計を行うコンピュータにおける一機能とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  繊維配向装置
２  剛性指標算出部
３  荷重経路設定部
４  繊維配向部
５  収束判定部
６  繊維配向出力部
Ａ  荷重点
Ｂ  支持点
Ｃ  任意点
Ｆ  繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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