(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するタンク容器を準備し、前記シリンダー部の外表面全体に渡って、繊維を巻き付けるとともに、前記ドーム部において巻き付け方向を折り返すヘリカル巻きによって繊維巻層を多層的に重ねて形成するフィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの設計方法であって、
（ａ）予め設定された前記ドーム部における前記繊維の巻き付け方向の折り返し位置に応じて、前記繊維の巻き角度を決定する工程と、
（ｂ）前記折り返し位置と、前記工程（ａ）において決定された前記巻き角度とで特定される前記繊維巻層を有する高圧ガスタンクについて、複数の微小領域である要素に分割した有限要素モデルを作成し、前記有限要素モデルを用いて有限要素法により前記高圧ガスタンクの強度を解析する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の解析結果に基づいて、少なくとも、前記ドーム部と前記シリンダー部の境界近傍において、前記繊維の折り返し位置を、前記有限要素モデルにおいて強度が所定の値より低くなっている部位に合わせて再設定し、再設定された前記繊維の折り返し位置に応じて前記繊維の前記巻き角度を決定する工程と、
を備える、設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高圧ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスタンクは、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）によって製造される。ＦＷ法では、高圧ガスタンクの本体部であるタンク容器の外周に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）などの繊維を幾重にも巻き付けて多層的な補強層を形成し、高圧ガスタンクの強度を向上させる。補強層を有する高圧ガスタンクの強度は、有限要素法（Finite Element Method）によって解析することができる（下記特許文献１）。
【０００３】
ここで、タンク容器は、一般に、略円筒形状のシリンダー部の両端に、外部配管との接続部である口金部などが設けられた略凸曲面形状のドーム部を有する。ＦＷ法では、このドーム部において、巻き付けた繊維の繊維方向における歪みが大きくなり、高圧ガスタンクの強度が低下しやすい傾向にある。従って、ＦＷ法においては、ドーム部において繊維の巻き付け方向を折り返す繊維の折り返し位置を調整することにより、ドーム部の強度を向上させることが好ましい。
【０００４】
しかし、従来の高圧ガスタンクの強度解析方法では、予めシリンダー部における繊維の巻き角度を指定し、その指定された巻き角度に応じてドーム部における繊維の折り返し位置が決定される方法が採用されていた。そのため、ドーム部における強度を向上させるための所望の繊維の折り返し位置を得るためには、適切な巻き角度を指定する多数回の試行錯誤が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３７７５５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高圧ガスタンクの強度を向上することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
略円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するタンク容器を準備し、前記シリンダー部の外表面全体に渡って、繊維を巻き付けるとともに、前記ドーム部において巻き付け方向を折り返すヘリカル巻きによって繊維巻層を形成するフィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの強度の解析方法であって、
（ａ）前記ドーム部における前記繊維の巻き付け方向の折り返し位置を予め設定する工程と、
（ｂ）巻き角度を、前記予め設定された折り返し位置に応じて決定する工程と、
（ｃ）前記折り返し位置と決定された前記巻き角度とで特定される前記繊維巻層を有する高圧ガスタンクについて、複数の微小領域である要素に分割した有限要素モデルを作成し、前記有限要素モデルを用いて有限要素法により前記高圧ガスタンクの強度を解析する工程と、
を備える、解析方法。
この解析方法によれば、ドーム部における繊維の折り返し位置を設定した後に、その折り返し位置に応じて繊維の巻き角度を決定するため、所望の位置に繊維の折り返し位置を配置することが容易となる。繊維の折り返し位置では、繊維巻層の強度が比較的向上させることができるため、繊維の折り返し位置をより適切に指定することによって、高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能となる。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィラメント・ワインディング法による高圧ガスタンクの製造方法および製造装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】高圧ガスタンクの製造工程において行われるフィラメント・ワインディング法を説明するための模式図。
【図２】ヘリカル巻きによるドーム部の強度の向上を説明するための模式図。
【図３】実施例における強度解析処理プログラムの処理手順を示すフローチャート。
【図４】予め設定された繊維巻層ごとのパラメータ群の一例を示す説明図。
【図５】実施例の強度解析処理における節点の取得工程を説明するための模式図。
【図６】実施例の強度解析処理による解析結果の一例を説明するための説明図。
【図７】比較例の強度解析処理プログラムの処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
A．実施例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例としての高圧ガスタンクの製造工程において行われるフィラメント・ワインディング法を説明するための模式図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）にはそれぞれ、高圧ガスタンクの本体部を構成するタンク容器１０が図示されている。タンク容器１０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部１１と、シリンダー部１１の両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１２とを有する中空容体である。タンク容器１０は、例えば、アルミニウムなどの金属やナイロン系樹脂などの樹脂によって構成することができる。なお、ドーム部１２は、等張力曲面によって構成されており、その頂点には、外部配管等と接続するための口金部１５が設けられている。
【００１２】
ＦＷ法を用いた高圧ガスタンクの製造工程では、タンク容器１０の外周に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を予め含浸させたカーボン繊維２０を巻き付けて、熱硬化生樹脂を熱硬化させることにより補強層を形成し、タンク容器１０の強度を向上させる。ここで、カーボン繊維２０のタンク容器１０への巻き付け方法としては、後述するフープ巻きやヘリカル巻きが知られている。補強層は、カーボン繊維２０の巻き付け方を変えた複数の繊維巻層を積層することにより、多層的に形成される。
【００１３】
図１（Ａ）は、フープ巻きによって形成される繊維巻層を説明するための模式図である。なお、図１（Ａ）には、フープ巻きによってカーボン繊維２０がタンク容器１０に巻き付けられていく様子が模式的に図示されており、カーボン繊維２０を巻き付けるためのリール２５が図示されている。ここで、「フープ巻き」とは、カーボン繊維２０を、シリンダー部１１の中心軸ＡＸにほぼ垂直な巻き角度で、中心軸ＡＸ方向に沿った方向に巻き付け位置（リール２５の位置）を移動しつつ、巻き付けていく巻き付け方法である。なお、「巻き角度」とは、カーボン繊維２０の巻き付け方向（リール２５の移動方向）に対するカーボン繊維２０の繊維方向の角度を意味する。このフープ巻きによって形成される繊維巻層を以後、「フープ層」と呼ぶ。フープ層は、主に、シリンダー部１１の全体に渡って形成される。
【００１４】
図１（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を説明するための模式図である。「ヘリカル巻き」は、次のようにタンク容器１０にカーボン繊維２０を巻き付ける巻き付け方法である。即ち、シリンダー部１１においては、巻き角度α0（０＜α0＜９０°）を一定に保持しつつ、中心軸ＡＸ方向に沿った巻き付け方向で螺旋状に巻き付ける。そして、ドーム部１２において、巻き付け方向を折り返し、再び、巻き角度α0でシリンダー部１１に螺旋状に巻き付けていく。ドーム部１２における巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、タンク容器１０の外表面には、カーボン繊維２０が網目状に張り渡された繊維巻層が形成される。ここで、本実施例におけるヘリカル巻きには、以下に説明する「高角度ヘリカル巻き」と、「低角度ヘリカル巻き」とがある。
【００１５】
図１（Ｂ）には、高角度ヘリカル巻きによってタンク容器１０にカーボン繊維２０が巻き付けられている様子が模式的に図示されている。図１（Ｂ）には、図１（Ａ）と同様に、リール２５が図示されている。「高角度ヘリカル巻き」は、シリンダー部１１においてカーボン繊維２０が少なくとも１周することができる程度の比較的大きい巻き角度α0によるヘリカル巻きである。この高角度ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を以後、「高角度ヘリカル層」と呼ぶ。
【００１６】
図１（Ｃ）には、低角度ヘリカル巻きによってカーボン繊維２０がタンク容器１０に巻き付けられた状態が模式的に図示されている。「低角度ヘリカル巻き」は、シリンダー部１１においてカーボン繊維２０が１周する前にドーム部１２において巻き付け方向を折り返すこととなる程度の比較的小さい巻き角度α0によるヘリカル巻きである。この低角度ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を以後、「低角度ヘリカル層」と呼ぶ。
【００１７】
図２（Ａ），（Ｂ）は、ヘリカル巻きによるドーム部１２の強度の向上を説明するための模式図である。図２（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、中心軸ＡＸ方向に沿って見たときのドーム部１２が図示されており、図２（Ａ）のドーム部１２には高角度ヘリカル層が形成され、図２（Ｂ）のドーム部１２には低角度ヘリカル層が形成されている。
【００１８】
ところで、タンク容器１０のドーム部１２の曲面は前記のとおり等張力曲面で構成されている。この場合に、下記の数式（１）が成り立つように、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の折り返し位置を決定すると、ドーム部１２上におけるカーボン繊維２０の応力を略均一とすることができることが知られている。
Ｒ1＝Ｒ0・ｓｉｎα0  …（１）
ここで、Ｒ0は、シリンダー部１１の半径であり、α0は、シリンダー部１１におけるカーボン繊維２０の巻き角度である。また、Ｒ1は、ドーム部１２の中心（中心軸ＡＸ）からカーボン繊維２０の折り返し位置までの距離である。なお、「カーボン繊維２０の折り返し位置」とは、具体的には、ドーム部１２上においてカーボン繊維２０が描く曲線上の頂点の位置を意味する。上記（１）式が成り立つように、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の巻き付け方向の折り返しを繰り返すと、カーボン繊維２０の折り返し位置は、ドーム部１２において半径Ｒ1の円周上に位置することとなる。
【００１９】
一般に、ドーム部１２上においては、巻き付けられたカーボン繊維２０の繊維方向におけるひずみ（以後、「繊維ひずみ」と呼ぶ）が大きくなる傾向にある。従って、ＦＷ法によって製造された高圧ガスタンクでは、シリンダー部１１に比較して、ドーム部１２における強度が低下してしまう可能性がある。
【００２０】
ここで、高角度ヘリカル層または低角度ヘリカル層では、カーボン繊維２０の折り返し位置に近い領域ほど、カーボン繊維２０が密に配置されるため、当該領域における強度を向上させることができる。具体的には、高角度ヘリカル層では、主に、シリンダー部１１とドーム部１２との境界に比較的近い領域の強度を向上させることができ、低角度ヘリカル層では、主に、ドーム部１２の口金部１５に比較的近い領域の強度を向上させることができる。
【００２１】
従って、ドーム部１２上において繊維ひずみが大きくなっている繊維巻層の領域の上に、カーボン繊維２０の折り返し位置が位置するように、高角度ヘリカル層または低角度ヘリカル層を当該繊維巻層に積層することが好ましい。これより、ドーム部１２における強度を向上させることができ、高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能である。
【００２２】
一般に、ＦＷ法によって製造される高圧ガスタンクの強度解析では、複数の微小領域（「要素」と呼ぶ）に分割した有限要素モデル（「ＦＥＭモデル」と呼ぶ）を作成して解析する有限要素法（ＦＥＭ；Finite Element Method）が用いられる。そこで、本実施例では、高圧ガスタンクの設計に際して、以下に説明する有限要素法を用いた強度解析処理を行うことにより、より強度が向上された補強層を有する高圧ガスタンクを設計する。
【００２３】
図３は、本実施例における強度解析処理を実行するためのプログラムにおける処理手順を示すフローチャートである。この強度解析処理プログラムでは、タンク容器１０の外表面に積層される各繊維巻層ごとに、下層から順に、ステップＳ１０〜Ｓ５０の工程が繰り返されてＦＥＭモデルが作成される。
【００２４】
図４は、ステップＳ１０において強度解析処理プログラムが取得するパラメータを説明するための説明図である。図４には、ユーザによって予め入力された各繊維巻層ごとのパラメータの一例を示す表が図示されている。各繊維巻層ごとのパラメータとしては、層番号Ｎと、層種別Ｆと、層厚Ｔと、繊維種類Ｋと、折り返し位置Ｒ，Ｌとがある。
【００２５】
層番号Ｎは、積層される各補強層ごとに、下層から順に付与される番号である。層種別Ｆは、上述したフープ層や、高角度ヘリカル層、低角度ヘリカル層などの繊維巻層の種別を設定するためのパラメータである。層厚Ｔは、各繊維巻層の厚みを設定するためのパラメータである。繊維種類Ｋは、カーボン繊維２０を構成する部材の種類を設定するためのパラメータである。なお、図４の表では、各繊維巻層を構成するカーボン繊維２０としてカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が設定されている。
【００２６】
折り返し位置Ｒ，Ｌはそれぞれ、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の折り返し位置を設定するためのパラメータである。具体的には、折り返し位置Ｒは、フープ層と高角度ヘリカル層のためのパラメータであり、ドーム部１２における中心軸ＡＸからの距離によって設定される。折り返し位置Ｌは、低角度ヘリカル層のためのパラメータであり、シリンダー部１１の中央部からの距離によって設定される。なお、図４の表における折り返し位置Ｒ，Ｌの設定値はそれぞれ、異なる単位（ｍｍ，ｃｍ）で示されている。また、表中の「−」はデフォルト値を示しており、シリンダー部１１の中央部から口金部１５の取り付け位置までの距離が設定されている。ステップＳ１０（図３）では、ＦＥＭモデルの作成対象である繊維巻層の層番号ｎ（ｎは任意の自然数）を有する行に設定されている各パラメータを読み込む。
【００２７】
図５は、ステップＳ２０，Ｓ３０の工程を説明するための模式図であり、タンク容器１０のシリンダー部１１の一部とドーム部１２の一部の概略断面図が図示されている。図５には、ステップＳ１０〜Ｓ５０の工程により、既に先行して作成された層番号ｎ−１以下の各繊維巻層のＦＥＭモデル３１が実線で模式的に図示されている。また、これからステップＳ２０を経て作成される最外層に位置する層番号ｎの繊維巻層のＦＥＭモデル３３が破線で図示されている。なお、作成済みの各ＦＥＭモデル３１が有する黒丸の点３２は、各要素の節点（要素の頂点）である。
【００２８】
ステップＳ２０では、作成済みの各ＦＥＭモデル３１の全ての節点３２の座標を取得する。ステップＳ３０では、ステップＳ１０で読み込んだ層番号ｎの繊維巻層のためのパラメータのうちの折り返し位置Ｒ，Ｌが示す位置に最も近い座標を有する節点３２ｅを選択する。そして、その節点３２ｅの位置（中心軸ＡＸからの距離）をＦＥＭモデル作成のためのカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1として決定する。
【００２９】
ステップＳ４０（図３）では、ＦＥＭモデルの作成対象である層番号ｎの繊維巻層におけるカーボン繊維２０の巻き角度α0を決定する。具体的には、上記の数式（１）を変形した下記の数式（２）に、ステップＳ３０で決定されたカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1と、タンク容器１０のシリンダー部１１の半径Ｒ0とを代入して巻き角度α0を算出する。
α0＝ｓｉｎ-1（Ｒ1／Ｒ0）  …（２）
なお、半径Ｒ0には、既にＦＥＭモデルが作成されたｎ−１以下の層番号を有する繊維巻層の厚みが加味されるものとしても良い。また、ＦＥＭモデルの作成対象である層番号ｎの繊維巻層の種別がフープ層である場合には、数式（２）を用いることなく、巻き角度α0として、予め設定されているフープ巻きのための巻き角度が設定される。
【００３０】
ステップＳ５０では、折り返し位置Ｒ1における節点の座標と、巻き角度α0と、層厚Ｔとを用いて、層番号ｎの繊維巻層のＦＥＭモデルを作成する。なお、この工程では、繊維巻層の肉厚を算出するための所定の肉厚換算を実行する演算処理や、ドーム部１２においてカーボン繊維２０が折り返される繊維巻層の端部をモデル化するための所定の処理が実行される。
【００３１】
全ての繊維巻層についてのＦＥＭモデルが作成されていない場合には、次の層番号ｎ＋１の繊維巻層のＦＥＭモデルを作成するためにステップＳ１０〜Ｓ５０の工程が繰り返される（ステップＳ６０）。一方、全ての繊維巻層についてのＦＥＭモデルの作成が終了した場合には、作成されたＦＥＭモデルを用いた有限要素法による高圧ガスタンクの強度解析が実行される（ステップＳ７０）。
【００３２】
図６（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の強度解析処理プログラムによる解析結果の一例を示す説明図である。図６（Ａ）のグラフは、シリンダー部１１の中央部から口金部１５に向かうタンク容器１０の外表面に沿った方向の位置Ｘにおける各繊維巻層ごとの繊維ひずみの大きさを示すグラフを重ね合わせて図示したものである。図６（Ｂ）には、図６（Ａ）のグラフに示された位置Ｘに対応するタンク容器１０の一部の概略断面が図示されている。繊維ひずみが比較的大きいグラフ群ｄ１は、主に、フープ層と高角度ヘリカル層とを構成するカーボン繊維２０の繊維ひずみの大きさを示している。一方、繊維ひずみが比較的小さいグラフ群ｄ２は、主に、低角度ヘリカル層を構成するカーボン繊維２０の繊維ひずみの大きさを示している。
【００３３】
ここで、強度解析処理の結果、シリンダー部１１とドーム部１２の境界位置近傍（位置ｘ2の周辺）において、破線グラフｄａのように繊維ひずみが大きくなっていた場合を想定する。この場合には、位置ｘ2の周辺に、いずれかの高角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置が位置するように、高角度ヘリカル層の折り返し位置Ｒ（図４）の値を変更して、再び強度解析処理プログラムを実行する。すると、グラフ群ｄ１の実線グラフで示すように、当該領域の繊維ひずみを小さくすることが可能となる。同様に、例えば位置ｘ3〜ｘ4の間の領域については、低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｌを調整することによって、当該領域の繊維ひずみを小さくすることが可能である。このようにして、高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ，Ｌを調整しつつ、有限要素法を用いた強度解析処理を繰り返すことにより、より強度の高い高圧ガスタンクを設計することが可能となる。
【００３４】
図７は、比較例としての強度解析処理プログラムにおける処理手順を示すフローチャートである。図７は、ステップＳ１０，Ｓ３０に換えてステップＳ１０ａ，Ｓ３０ａが設けられている点と、ステップＳ４０が省略されている点以外は、図７とほぼ同じである。
【００３５】
この比較例の強度解析処理プログラムでは、ステップＳ１０ａにおいて、各繊維巻層のパラメータとして、折り返し位置Ｒ，Ｌ（図４）に換えて、予めユーザによって入力された巻き角度α0を読み込む。ステップＳ２０では、本実施例の強度解析処理プログラムと同様に、先行して作成済みである繊維巻層のＦＥＭモデル３１の節点３２の座標を取得する（図５）。ステップＳ３０ａでは、上記の数式（１）に、シリンダー部１１の半径Ｒ0と、ステップ１０ａで読み込んだパラメータのうちの巻き角度α0とを代入して、ＦＥＭモデル作成対象である繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1を算出する。そして、ステップＳ２０で取得した節点３２の座標のうち、折り返し位置Ｒ1に最も近い節点３２の座標を、ＦＥＭモデル作成対象である繊維巻層の折り返し位置の座標とする。
【００３６】
この比較例の強度解析処理プログラムでは、ユーザが巻き角度α0（カーボン繊維２０の配向角度）を予め設定することにより、各繊維巻層の強度を調整することができる。しかし、各繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1は、当該巻き角度α0によって決定されるため、本実施例の強度解析処理プログラム（図３）のように、各繊維巻層の折り返し位置Ｒ，Ｌによって、ドーム部１２の強度を調整することが比較的困難である。
【００３７】
このように、本実施例の強度解析処理によれば、各繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ，Ｌを予め設定し、その折り返し位置Ｒ，Ｌに応じて高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の巻き角度α0を決定する。従って、高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層の端部の位置Ｒ1を所望の位置に容易に配置することが可能となり、下層に位置する繊維巻層の強度低下を抑制することができる。従って、ＦＷ法によって製造される高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…タンク容器
１１…シリンダー部
１２…ドーム部
１５…口金部
２０…カーボン繊維
２５…リール
３１…ＦＥＭモデル（作成済み）
３２，３２ｅ…節点
３３…ＦＥＭモデル（未作成）
ＡＸ…中心軸
【図１】
0005381509.tif 000002
【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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【図７】
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