(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品の強度解析方法であり、
繊維で強化した樹脂成形品のテストピースを用いて、繊維主配向方向に対する代表的角度ごとに「応力―歪み」の実測線図情報を得る工程、
「樹脂流動と繊維配向」モデルを各樹脂成形品に適用して、繊維主配向方向の樹脂成形品内分布を算出し、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率の樹脂成形品内分布を計算する工程、
前記ヤング率分布計算工程で得られたヤング率と、前記の代表的角度ごとに得られている「応力―歪み」の実測線図情報から、樹脂成形品内の部位ごとの「応力―歪み」の推定線図情報を得る工程、
振動溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報を得る工程、
樹脂製品に加えられる外力情報と、樹脂成形品内の部位ごとに推定された「応力―歪み」の線図情報と、振動溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報を用いて有限要素法を実行する工程、
を実行して樹脂製品の強度を解析する方法。
【請求項２】
繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品の強度解析方法であり、
繊維で強化した樹脂成形品のテストピースを用いて、繊維主配向方向に対する代表的角度（繊維主配向方向とそれに直交する方向を含む）ごとに「応力―歪み」の実測線図情報を得る工程、
「樹脂流動と繊維配向」モデルを各樹脂成形品に適用して、繊維主配向方向の樹脂成形品内分布を算出し、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率の樹脂成形品内分布を計算する工程、
振動溶着部での繊維主配向方向を振動に沿った方向と推定する工程、
前記ヤング率分布計算工程で得られたヤング率と、前記の代表的角度ごとに得られている「応力―歪み」の実測線図情報から、樹脂成形品内の部位ごとの「応力―歪み」の推定線図情報を得る工程、
樹脂製品に加えられる外力情報と、樹脂成形品内の部位ごとに推定された「応力―歪み」の線図情報を用いて有限要素法を実行する工程、
を実行して樹脂製品の強度を解析する方法。
【請求項３】
請求項１または２において、樹脂製品は吸気管であり、外力は吸気管内部に加えられる静水圧であり、その静水圧を増大させながら繰り返し有限要素法を実行するときに、静水圧の増加に抗して、有限要素法で計算される応力値が増加しなくなるときの静水圧を特定する吸気管の耐圧計算方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス繊維等の繊維で強化されている樹脂成形品同士を振動溶着して得られる樹脂製品の強度解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂成形品に用いる樹脂、成形技術、強化のための繊維、樹脂成形品同士を溶着する技術の進展に伴い、樹脂製品の適用範囲が拡大している。例えば、エンジンの吸気管を樹脂製品とすることが可能となっている。
樹脂製品の適用範囲が拡大するにつれ、樹脂製品の強度を解析する必要が高まっている。例えばエンジンの吸気管を樹脂製品としたときに、バックファイヤが発生しても樹脂製の吸気管が耐えられるか否かを事前に解析することが求められる。
構造体の強度解析のために有限要素法が有用なことはすでに広く検証されている。しかるに繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品に対して有限要素法を適用しても、実測値とかけ離れた計算結果しか得られず、およそ信頼できない。現時点では、繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品の強度を信頼に足りる程度に解析できる方法がなく、専ら実測に頼っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品の強度を、信頼にたりる程度に解析できる方法を提案する。
この目的の為に、本発明者らは現状の問題点を研究した。その結果、信頼できる結果が得られない原因が下記にあることを確認した。
（１）樹脂製品が耐えられるか否かを解析するような場合、材料が弾性範囲内で変形するという仮定を置くことができない。即ち、材料の「応力―歪み」の関係が非線形となることを前提としなければならない。現在のレベルでは、「応力―歪み」の関係が非線形となることを許す場合、材料が等方性であることを前提としなければならない。即ち、材料が異方性であり、しかも、「応力―歪み」の関係が非線形であることを予定した有限要素法が実用化されていない。これでは、繊維で強化した樹脂成形品の強度を信頼できる程度に解析することはできない。
（２）「樹脂流動と繊維配向」モデルを樹脂成形品に適用し、繊維主配向方向の樹脂成形品内分布を算出し、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率の樹脂成形品内分布を計算することが可能となっている。この結果を用いれば、樹脂成形品の異方性をモデル内に取込むことが容易に実現できるように思われる。しかしながら、「樹脂流動と繊維配向」モデルで計算可能な値はヤング率であり、これでは「応力―歪み」の関係が非線形であることに対応できない。
（３）繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着すると、溶着部では繊維主配向方向が変化すると予想されるのに、現状ではこの問題を織り込んだ計算をすることができない。
本発明者らは上記問題意識の基で研究を進め、ついに信頼のできる解析結果が得られる解析方法を得るに至った。
【０００４】
【課題を解決する為の手段と作用と効果】
この発明の方法では、図１に示されるように、下記の各工程を実行する。
Ｓ１：繊維２で強化した樹脂成形品のテストピース４を用いて、繊維主配向方向に対する代表的角度θ１、θ２・・・・ごとに「応力―歪み」の実測線図情報６を得る。
Ｓ２：「樹脂流動と繊維配向」モデルを各樹脂成形品８に適用して繊維主配向方向１０の樹脂成形品８内分布を算出し、繊維主配向方向１０とそれに直交する方向でのヤング率Ｅ１，Ｅ２の樹脂成形品８内分布を計算する。通常は、樹脂成形品８を細かな格子状に区画し、区画ごとにヤング率Ｅ１，Ｅ２を計算する。
Ｓ３：ヤング率分布計算工程Ｓ２で得られたヤング率Ｅ１，Ｅ２と、代表的角度ごとに得られている「応力―歪み」の実測線図情報６から、樹脂成形品内の部位ごとの「応力―歪み」の推定線図情報１２、１４を得る。この工程では、ヤング率が計算されている区画ごとに、推定線図情報１２、１４を得る。
Ｓ４：振動溶着部１６での「応力―歪み」の実測線図情報１８、２０を得る。
Ｓ５：以上によって樹脂製品の材料に関するモデルが得られるので、樹脂製品２２に加えられる外力情報と、工程Ｓ３で樹脂成形品内の部位ごとに推定された「応力―歪み」の線図情報と、工程Ｓ４で得られた振動溶着部１６での「応力―歪み」の実測線図情報を用いて、有限要素法を実行する。
実測した結果、振動溶着部における振動方向とそれに直交する方向での「応力―歪み」の線図情報２０、１８は、工程Ｓ１で実測された繊維主配向方向とそれに直交する方向での「応力―歪み」の実測線図情報に近似していることが確認できたので、この近似を活用することもできる。この近似を利用する方法が請求項２に記載されている。請求項２の発明では、振動溶着部での繊維主配向方向を、振動に沿った方向と推定する。このために、請求項２の方法では、工程Ｓ１において、繊維主配向方向とそれに直交する方向を含む代表的角度で「応力―歪み」の実測線図情報を得ておく。工程Ｓ３では、上記のように推定された繊維主配向方向と、工程１で実測されている「応力―歪み」の実測線図情報６とから、振動溶着部での「応力―歪み」線図情報を得る。その他の部位については、請求項１の方法の場合と同様な手法で「応力―歪み」線図情報を推定する。
【０００５】
これらの方法によると、（１）樹脂成形品の中では繊維が特定方向に配向し、等方位には配向していないこと、（２）したがって樹脂成形品を構成する材料は等方性でなく異方性材料として扱わなければならないこと、（３）樹脂成形品を構成する材料は弾性限界を超えて変形し、「応力―歪み」の関係を非線形と扱わなければ近似できないこと、（４）溶着部では樹脂成形品の他所とは別に扱わなければならないことの全部を盛り込んだ解析が可能となり、はじめて信頼のできる解析結果を得ることができた。
【０００６】
この方法を樹脂製の吸気管に適用し、その吸気管の内部に静水圧が加えられる場合を解析した。ここで、静水圧を増大させながら繰り返し有限要素法を実行したときに、静水圧を増加させても有限要素法で計算される応力値が増加しなくなる現象が得られることが確認された。このときの静水圧を吸気管の耐圧とすることができる。
【０００７】
上記方法によると、静水圧の増加に伴って樹脂製気管が大きく変形し始めるとき（大きく変形し始めることは樹脂製吸気管の使用限界に至ったことに相当するともに、大きく変形するためにそれ以上には応力が増大しないことに対応する）の静水圧が計算される。これを実測値と比較したところ、実測値と計算値が１０％以内の誤差で一致した。
樹脂製吸気管の形状を大きく変えることなく、例えば、補強用リブを追加する等の方法で、耐圧を１０％程度高めることは可能である。したがってこの方法で計算した耐圧が要求を満たすことができるものであれば、その解析を信頼して樹脂製吸気管の成形型の作成に着手できる。誤差が１０％以内であれば、最悪の場合でも型の修正で対応でき、型が無駄となることはない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）  薄板状の直角四辺形のキャビティに、左右対象の位置に配置されているゲートから、繊維を混合した樹脂を射出して「応力―歪み」の実測線図情報を得るテストピースを作成する。このテストピースによると、容易に、繊維主配向方向に対する角度ごとに「応力―歪み」の実測線図情報を得ることができる。
（形態２）  振動溶着部の側面に微小歪みゲージを貼り付けて、振動溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報を得る。この方法によると、通常は２００ミクロン程度の極めて薄い溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報を得ることができる。
（形態３）  請求項２の解析方法で、応力値がそれ以上は増加しない最大応力値となった部位を表示する。これによると、耐圧の上限となっている部位、即ち、改良を要する部位が直ちに判明する。
【０００９】
【実施例】
次に実施例を説明する。
【００１０】
（解析した樹脂製品）
解析した樹脂製品は、繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着して作成した吸気管である。図２は、有限要素法で用いた樹脂製吸気管のメッシュモデルを示す。図中３０は樹脂成形品同士の溶着部を示す。樹脂成形品の樹脂、強化用の繊維、溶着技術の詳細は、特開平１０−２７４１１５号公報に記載されている。
【００１１】
（繊維で強化した樹脂成形品のテストピース）
繊維が混在した樹脂を厚み３ｍｍの正方形キャビティに注入してテストピースを作成した。材料と成形条件は、吸気管の成形時のそれと同じである。図３に示されているように、ゲート位置とゲート方向を左右対称とし、テストピースの中央部では、繊維３２が図３の上下方向に主配向するようにした。
【００１２】
（繊維主配向方向に対する代表的角度ごとの「応力―歪み」の線図情報の実測）
図4に示すように、テストピースの左右対称軸４２に対する角度を変えながら、１軸引張り試験用の試験片４４を切り出した。（Ｂ）から（Ｅ）に示される４つの試験片を得た。試験片中の繊維主配向方向はそれぞれ異なる。ここでは、繊維主配向方向に対する代表的角度として、０度、３０度、６０度、９０度を採用した。
この試験片を１軸引張り試験機にセットし、「応力―歪み」の線図情報を実測した。得られた実測線図を図５に示す。縦軸は応力（ＭＰａ）で横軸は歪み（％）である。予想通り、繊維主配向方向には歪みにくく、その直角方向には歪み易いことが確認された。
【００１３】
（樹脂流動と繊維配向モデルの適用）
樹脂流動と繊維配向をモデル化したソフトウエアが市販されており、ここでは「ＭＯＬＤＦＬＯＷ」というソフトウエアを使用した。この他、「Ｃ―ＭＯＬＤ」や「ＰＬＡＮＥＴＳ」等の、この分野で良く普及している種々のソフトウエアがこの計算機能を持っている。使用するソフトウエアの種類に特段の制約はない。
これらのソフトウエアによって、図２に示した樹脂成形品を立体的に細かく区画した微小領域ごとに、繊維の主配向方向と配向率が計算される。図６（Ａ）（Ｃ）は、樹脂成形品内の２箇所での計算結果を示し、θAとθCは、繊維主配向方向を示す。図中のｆ軸は配向率を示し、値が大きいほど良く配向していることを示す。（Ｂ）と（Ｄ）は、計算した箇所の写真を示し、主配向方向と配向率の双方において、信頼できる値が計算されることを裏付けている。
【００１４】
前記したソフトウエアは、いずれも、図６に例示した繊維主配向方向と配向率の計算結果から、さらに、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率を計算する機能を有している。この機能によって、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率の樹脂成形品内分布が計算される。
【００１５】
（ヤング率と「応力―歪み」の実測線図情報から、「応力―歪み」を推定する）
前記したように、樹脂流動と繊維配向をモデル化したソフトウエアによって、繊維主配向方向とそれに直交する方向でのヤング率の樹脂成形品内分布を計算することができる。しかしながら、有限要素法で樹脂製品の強度解析をするためには、材料が弾性限界内で変形するという仮定をおくと信頼できる結果が得られない。信頼できる解析結果を得るためには、材料が弾性限界を超えて変形する場合を計算に取り込まなければならない。
図７の破線は、図５に示した「応力―歪み」の実測線図情報である。直線７２は、ヤング率が歪みの程度によらないで有効としたときの線図である。明らかに線図７２を採用することはできない。ここでは、歪みの小さな範囲では大きなヤング率を持っていても、歪みが大きくなると水平に近づく実測線図を参考にしてヤング率がＥである材料の「応力―歪み」線図を推定する。
最も簡単な推定方法は、図８に示すように、計算されたヤング率Ｅを挟む実測線図（破線）から２つのヤング率Ｅθ１、Ｅθ２を求め、計算されたヤング率Ｅの両者Ｅθ１、Ｅθ２に対する比例配分の比率（ａ：ｂ）を求め、この求められた配分比で二つの実測線図間に推定線図（実線）を得る方法である。この他の種々の数学的手法を用いて推定線図を得ることができる。本発明は、特定の推定方法に縛られない。
【００１６】
前記したように、樹脂成形品を立体的に細かく区画した微小領域ごとに、繊維主配向方向と、その方向のヤング率と、それに直交する方向でのヤング率が計算されていることから、上記の推定手法を用いることで、樹脂成形品を立体的に細かく区画した微小領域ごとに、繊維主配向方向とそれに直交する方向での「応力―歪み」の推定線図が計算できる。いま、繊維主配向方向にＺ軸を取ったとする。すると樹脂成形品を立体的に細かく区画した微小領域ごとに、Ｚ軸の方位が計算される。また、Ｚ軸方向のヤング率が計算される。さらに、Ｚ軸に直交するＸ軸とＹ軸方向のヤング率も計算される。ここで、Ｘ軸とＹ軸方向には等方性であるとすることができる。
【００１７】
（振動溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報）
図９の（Ａ）は、樹脂成形品９２に対して樹脂成形品９１を水平方向に振動させながら垂直方向に加圧して両樹脂成形品を振動溶着する様子を示している。図９の（Ｂ）は、溶着部９３を拡大して示しており、溶着部９３は約２００ミクロンの厚みであることがわかった、そして、強化用繊維は溶着部９３の全体において、振動方向に強く配向しなおすことが確認された。明らかに、溶着部外の樹脂成形品での主配向方向と相違する。したがって、溶着部９３での応力と歪みの関係は、他の部位と大きく異なることが予想される。
そこで、溶着部９３を含む試料を切り出し、溶着部に微小な歪みゲージ９４を貼り付けた。用いた微小ゲージ９４は共和電業製のＫＦＲ−０１５−１２０−Ｄ１９−２３Ｎ１０Ｃ２であり、長さは１５０ミクロンである。貼り付け作業はキーエンス社製のマイクロスコープで観測しながら実施し、溶着部９３内に貼り付けることができた。この試料を１軸引張り試験機にかけて応力と歪みの線図を得た。
【００１８】
得られた線図１００を図１０に示す。図１０には、図５のθ＝９０度での線図を重ねて表示している。この測定によって、溶着部９３を振動と直交方向に引っ張ると、繊維主配向方向に直交して引っ張るときとほぼ同じ線図となり、わずかに歪み易いことが確認された。
なお、溶着部９３の振動方向に沿った「応力―歪み」線図は、図１０から明らかに、繊維主配向方向に沿って引っ張るときとほぼ同じ線図となると推定できることもわかった。そこで、この実施例では、溶着部９３の振動方向に沿った「応力―歪み」線図は、繊維主配向方向に沿って引っ張るときと同じ線図であるとした。グラフ１００がθ＝９０度でのグラフよりもわずかに歪みやすいことを反映し、溶着部９３の振動方向に沿った方向での「応力―歪み」線図は、図５でのθ＝０度でのグラフよりもわずかに歪みにくいグラフに近似させてもよい。あるいは、溶着部９３で振動方向に沿って「応力―歪み」線図を実測してもよい。
溶着部では、振動と直交方向で実測された「応力―歪み」線図、または、繊維主配向方向に直交して引っ張って実測された「応力―歪み」線図が、等方的に適用されると仮定してもよい。溶着部では、こじりによる曲げが主要因となって破断することが多いために、異方性が大きな影響を与えないと予想される。
【００１９】
以上によって、繊維で強化した樹脂成形品同士を振動溶着した樹脂製品の部位ごとの「応力―歪み」線図が得られた。そこで、次に、有限要素法を実行した。ここでは、「ＡＢＡＱＵＳ」という有限要素法のソフトウエアを用いた。この他、「ＮＡＳＴＲＡＮ」を用いることもでき、用いる有限要素法のソフトウエアに特に制約はない。ここでは、樹脂製品に加えられる外力として、中空の樹脂製品に内部から静水圧が掛かるものとした。各微小領域は、樹脂成形品内の部位ごとに推定された「応力―歪み」の線図情報と、振動溶着部での「応力―歪み」の実測線図情報にしたがってひずむものとして計算した。
有限要素法の実行段階では、静水圧を上げながら繰り返し有限要素法を実行した。図１１は、横軸に静水圧をとり、縦軸に、樹脂製品に現れた最大応力を取っている。明らかに、静水圧がＰのところで最大主応力は飽和し、それ以上には増大しない結果が得られた。
このことは、静水圧がＰ以上となると、樹脂製品は急に大きく変形し始め、結果として最大応力が飽和してそれ以上には増大しないことを示す。そこで、このときの静水圧を耐圧とした。
【００２０】
このようにして計算した耐圧を、実測値と比較したところ、実測値の平均が１．０ＭＰａであるのに対し、計算された値は１．1ＭＰａであり、その差は１０％であった。
また、大きくひずむ部位を比較したところ、計算された部位と実際に大きくひずむ部位は良く一致した。この実施例の方法によって実際の現象に良く近似する計算ができることを確認した。
【００２１】
等方性とした従来の考えで有限要素法を実行すると、計算される耐圧は実測値から５９％も相違してしまい、到底信頼することができない。これに対して本実施例の方法では１０％の誤差に押さえられており、これならば信頼することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を模式的に示す概念図。
【図２】  有限要素法で用いたメッシュモデルを示す図。
【図３】  テストピースの成形方法を説明する図。
【図４】  テストピースから引張り試験用試料を調整する様子を示す図。
【図５】  図4の試料を実測して得られた応力―歪み線図
【図６】  計算される繊維主配向方向と配向率と実際の配向の様子を示す図。
【図７】  実測された応力―歪み線図と推定された応力―歪み線図を示す図。
【図８】  実測された応力―歪み線図から推定された応力―歪み線図を得る過程を示す図。
【図９】  振動溶着部の特性を説明する図。
【図１０】  振動溶着部で実測された応力―歪み線図。
【図１１】  有限要素法で計算された最大応力と、加えた静水圧の関係を示す図。
【符号の説明】
Ｓ１：繊維２で強化した樹脂成形品のテストピース４を用いて、「応力―歪み」の実測線図情報６を得る工程。
Ｓ２：「樹脂流動と繊維配向」モデルを各樹脂成形品８に適用して繊維主配向方向１０の樹脂成形品８内分布を算出し、繊維主配向方向１０とそれに直交する方向でのヤング率Ｅ１，Ｅ２の樹脂成形品８内分布を計算する工程。
Ｓ３：ヤング率分布計算工程Ｓ２で得られたヤング率Ｅ１，Ｅ２と、代表的角度ごとに得られている「応力―歪み」の実測線図情報６から、樹脂成形品内の部位ごとの「応力―歪み」の推定線図情報１２、１４を得る工程。
Ｓ４：振動溶着部１６での「応力―歪み」の実測線図情報１８、２０を得る工程。
Ｓ５：樹脂製品２２に加えられる外力情報と、工程Ｓ３で推定された「応力―歪み」の線図情報と、工程Ｓ４で得られた「応力―歪み」の実測線図情報を用いて有限要素法を実行する工程。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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