(57)【要約】【課題】成形時の形状を高い精度で解析して予測することのできる炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法、及び解析装置を提供すること。【解決手段】熱硬化性樹脂の炭素繊維強化プラスチックからなるＣＦＲＰ材３０を成形する際の目標となる形状と、ＣＦＲＰ材３０のプリプレグ温度５０が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を含むＣＦＲＰ材３０の情報と、ＣＦＲＰ材３０の成形時にＣＦＲＰ材３０に付与される力とＣＦＲＰ材３０の動きとを含む解析条件と、に基づいて、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う。【選択図】図７
2014108612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂の炭素繊維強化プラスチックからなる素材を成形する際の目標となる形状と、
前記素材の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近の前記素材の物性値を含む前記素材の情報と、
前記素材の成形時に前記素材に付与される力と前記素材の動きとを含む解析条件と、
に基づいて、前記素材の成形時の解析を行うことを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法。
【請求項２】
炭素繊維強化プラスチックからなる素材を成形する際の目標となる形状を入力する手順と、
前記素材の情報を入力する手順と、
前記素材の成形時に前記素材に付与される力と前記素材の動きとを含む解析条件を入力する手順と、
成形時の目標となる形状と、前記素材の情報と、前記解析条件とに基づいて、前記素材の成形時の解析を行う手順と、
を含む炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法において、
前記素材が熱硬化性樹脂である場合に、前記素材の情報を入力する手順では、前記素材の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近の前記素材の物性値を入力することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法。
【請求項３】
前記素材を成形する際の目標となる形状と、前記素材の情報と、前記解析条件とは、前記素材の成形時の解析処理をコンピュータプログラムによって行う解析装置に対して入力し、
前記素材の成形時の解析は、前記解析装置によって行うことを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法。
【請求項４】
炭素繊維強化プラスチックからなる素材を成形する際の目標となる形状、前記素材の情報、前記素材の成形時に前記素材に付与される力と前記素材の動きとを含む解析条件を入力可能な入力手段と、
前記素材の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近の前記素材の物性値を取得する物性値取得部と、
成形時の目標となる形状と、前記物性値取得部で取得した硬化度５０％付近の前記素材の物性値を含む前記素材の情報と、前記解析条件とに基づいて、前記素材の成形時の解析を行う処理部と、
を備えることを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置。
【請求項５】
硬化度１００％の前記素材の物性値に基づいて硬化度５０％付近の前記素材の物性値を導出する硬化度導出部を備え、
前記物性値取得部は、前記入力手段で入力された硬化度１００％の前記素材の物性値より硬化度５０％付近の前記素材の物性値を前記硬化度導出部で導出することによって取得することを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置。
【請求項６】
前記物性値取得部は、前記入力手段での前記素材の情報の入力時に硬化度５０％付近の前記素材の物性値の入力を促すことを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法、及び解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、航空機や自動車等の構造部材として、軽量で強度が高い複合部材である、いわゆる炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＣＦＲＰ）を用いているものがある。このＣＦＲＰは、母体に合成樹脂を使用し、強化材に炭素繊維を用いた複合部材になっており、ゴルフクラブ等、軽さと強度とが求められる様々な分野での構造部材として用いられることが多くなっている。
【０００３】
また、ＣＦＲＰの成形には、プリプレグと呼ばれる、炭素繊維に熱硬化性樹脂をあらかじめ含浸させ、半硬化の状態にした、シート状の素材が多く利用されている。このようなＣＦＲＰを用いた部材の製造方法としては、様々なものがあり、その中の１つの方法として、ＣＦＲＰを用いた材料をプレス成形によって成形する手法がある。例えば、特許文献１に記載されている繊維強化複合材料の製造方法では、炭素繊維に不飽和ポリエステル樹脂を含浸したシート状のＣＦＲＰ層の間に、樹脂が未含浸の不織布を介装してプリプレグ積層体を形成し、成形型によってプリプレグ積層体に対し所定の加圧力を付与して加圧成形することにより、所望の成形品を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プレス成形は、素材に圧力を付与し、素材を変形させることにより所望の成形品形状を得るため、成形時の目的とする形状と、実際の形状に、素材の変形のし易さに応じた差異が生じる。一方、ＣＦＲＰ成形品を得るためのプリプレグ積層体は温度変化によって粘度が変化し、温度が上昇する成形過程の初期では粘度の低下によって変形のし易さが向上するが、成形型投入直後におけるプリプレグ積層体のシート面内の温度分布は不均一なため、プリプレグ積層体の変形のし易さも、シート面内で不均一となっている。このため、ＣＦＲＰのプレス成形品は、成形時の目的とする形状と、実際の形状との差異が、部位によって異なる。従って、ＣＦＲＰの成形前に、成形によって得られる形状を精度よく解析して予測し、成形型の設計精度を高くすることは、大変困難なものとなっていた。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、成形時の形状を高い精度で解析して予測することのできる炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法、及び解析装置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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法は、熱硬化性樹脂の炭素繊維強化プラスチックからなる素材を成形する際の目標となる形状と、前記素材の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近の前記素材の物性値を含む前記素材の情報と、前記素材の成形時に前記素材に付与される力と前記素材の動きとを含む解析条件と、に基づいて、前記素材の成形時の解析を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、上記炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法において、前記素材を成形する際の目標となる形状と、前記素材の情報と、前記解析条件とは、前記素材の成形時の解析処理をコンピュータプログラムによって行う解析装置に対して入力し、前記素材の成形時の解析は、前記解析装置によって行うことが好ましい。
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置は、炭素繊維強化プラスチックからなる素材を成形する際の目標となる形状、前記素材の情報、前記素材の成形時に前記素材に付与される力と前記素材の動きとを含む解析条件を入力可能な入力手段と、前記素材の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近の前記素材の物性値を取得する物性値取得部と、成形時の目標となる形状と、前記物性値取得部で取得した硬化度５０％付近の前記素材の物性値を含む前記素材の情報と、前記解析条件とに基づいて、前記素材の成形時の解析を行う処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、上記炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置において、硬化度１００％の前記素材の物性値に基づいて硬化度５０％付近の前記素材の物性値を導出する硬化度導出部を備え、前記物性値取得部は、前記入力手段で入力された硬化度１００％の前記素材の物性値より硬化度５０％付近の前記素材の物性値を前記硬化度導出部で導出することによって取得することが好ましい。
【００１１】
また、上記炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析装置において、前記物性値取得部は、前記入力手段での前記素材の情報の入力時に硬化度５０％付近の前記素材の物性値の入力を促すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法、及び解析装置は、成形時の形状を高い精度で解析して予測し、成形型の設計精度向上に寄与することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、成形をするＣＦＲＰ材を金型に投入する状態を示す説明図である。
【図２】図２は、ＣＦＲＰ材に熱が伝達する状態を示す説明図である。
【図３】図３は、ＣＦＲＰ材の賦形中の状態を示す説明図である。
【図４】図４は、ＣＦＲＰ材の賦形が完了した状態を示す説明図である。
【図５】図５は、プリプレグ積層体の成形過程におけるプリプレグ温度と成形時間、プリプレグ粘度についての説明図である。
【図６】図６は、実施形態に係る解析方法を用いて解析を行う装置の模式図である。
【図７】図７は、実施形態に係る解析方法でＣＦＲＰ材の成形時の解析を行う際の処理手順を示すフロー図である。
【図８】図８は、試験用金型の斜視図である。
【図９】図９は、試験用金型の凸部と凹部の平面視の模式図である。
【図１０】図１０は、解析条件を検証時に行う観察についての説明図である。
【図１１】図１１は、解析に用いる物性値を検証する試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの成形時の解析方法、及び解析装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００１５】
〔実施形態〕
図１〜図４は、実施形態に係る解析方法を用いて解析を行う炭素繊維強化プラスチックの成形のプロセスを示す概略図であり、図１は、成形をするＣＦＲＰ材を金型に投入する状態を示す説明図、図２は、ＣＦＲＰ材に熱が伝達する状態を示す説明図、図３は、ＣＦＲＰ材の成形中の状態を示す説明図、図４は、ＣＦＲＰ材の賦形が完了した状態を示す説明図である。ここで、賦形とはＣＦＲＰ材全体が上型と下型の成形面形状に沿った形状となった状態を呼ぶ。同図に示す金型４０は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）からなる被加工物の素材であるＣＦＲＰ材３０を成形することができるように構成されており、特に、熱硬化性樹脂からなるＣＦＲＰ材３０を適切に成形することができるように構成されている。詳しくは、金型４０は、相対的に上側に配設される上型４１と、上型４１の下方に配設される下型４５とを有している。
【００１６】
これらの上型４１と下型４５とにおける互いに対向する面は、ＣＦＲＰ材３０の成形時に共にＣＦＲＰ材３０に接触し、ＣＦＲＰ材３０を成形する成形面として形成されている。詳しくは、上型４１における下型４５に対向する面は上型成形面６２として形成されており、下型４５における上型４１に対向する面は下型成形面４６として形成されている。
【００１７】
これらの上型成形面４２と下型成形面４６とは、双方でＣＦＲＰ材３０を挟み込むことにより、ＣＦＲＰ材３０を所望の形状に成形することができる形状になっている。例えば、下型成形面４６に凹状の部分が形成されている場合には、上型成形面４２において下型成形面４６の凹状部分に対向する部分は、ＣＦＲＰ材３０を介在させた状態で下型成形面４６の凹状部分に入り込む凸状に形成されている。これにより、金型４０は、ＣＦＲＰ材３０の成形時には、上型成形面４２の凸状部分と下型成形面４６に凹状部分とでＣＦＲＰ材３０を変形させてＣＦＲＰ材３０を所望の形状の成形することが可能になっている。
【００１８】
また、下型４５の内部には、ＣＦＲＰ材３０を加熱する加熱手段であるヒータ（図示省略）が設けられている。このヒータは、高温の機械油が内部を循環可能に構成されており、機械油の熱を伝達することにより、ＣＦＲＰ材３０の成形時に、ＣＦＲＰ材３０を加熱することができるようになっている。なお、ヒータは、高温の機械油を用いて加熱するもの以外でもよく、例えば、通電で温度が上昇することによって加熱するものであってもよい。また、ヒータは、下型４５のみでなく、上型４１にも配設してもよい。
【００１９】
このように構成される金型４０でＣＦＲＰ材３０の成形を行う場合には、上型４１と下型４５とを離間させた状態で、まず、ヒータによって下型４５の温度を上昇させる。具体的には、下型４５の温度がＣＦＲＰ材３０に伝達されることによりＣＦＲＰ材３０が変形し易くなる温度まで、下型４５を昇温させる。
【００２０】
金型４０で成形するＣＦＲＰ材３０としては、炭素繊維に熱硬化性樹脂をあらかじめ含浸させ、半硬化の状態にした、シート状の素材、いわゆるプリプレグ形態のものを使用する。このプリプレグを積層したＣＦＲＰ材３０は、昇温した下型４５の下型成形面４６上に配置する（図１）。この場合、昇温した下型４５に対して、常温の状態のＣＦＲＰ材３０を配置する。
【００２１】
下型成形面４６上に配置されたＣＦＲＰ材３０は、下型４５よりもプリプレグ温度５０（図５参照）が低いため、下型４５の熱は、ＣＦＲＰ材３０に伝達される（図２）。即ち、ＣＦＲＰ材３０には、下型４５に接触している部分から下型４５の熱が伝達され、ＣＦＲＰ材３０における熱が伝達された部分は、プリプレグ温度５０が高くなる。このようにＣＦＲＰ材３０に伝達された熱は、伝導によってＣＦＲＰ材３０における他の部分に伝達され、熱が伝達された部分から順次プリプレグ温度５０が上昇する。このため、ＣＦＲＰ材３０には、下型４５の熱が伝達されることにより比較的プリプレグ温度５０が高くなった部分である高温部３１と、ＣＦＲＰ材３０における下型４５との接触部分から離れていることによりプリプレグ温度５０が上昇し難く、比較的プリプレグ温度５０が低い部分である低温部３２とが発生する。
【００２２】
また、下型４５の熱が伝達されることにより温度が上昇したＣＦＲＰ材３０は、プリプレグ温度５０が高くなった高温部３１からプリプレグ粘度５１が低下し、順次変形し易くなる。つまり、ＣＦＲＰ材３０は、温度上昇によって変形し易くなった部分と、変形しづらい部分とが混在する状態となる。
【００２３】
下型４５の熱がＣＦＲＰ材３０に伝達されることにより高温部３１の領域が広がり、変形し易くなった部分がある程度広がったら、上型４１を下型４５の方向に移動させることによって賦形を開始する（図３）。上型４１は、油圧発生装置や、ガススプリングやコイルスプリング等の押圧力発生手段によって下型４５の方向に移動し、下型４５の方向への押圧力を発生することができるように構成されている。
【００２４】
ＣＦＲＰ材３０を賦形する際には、ＣＦＲＰ材３０が載置されている下型４５の方向に上型４１を移動させ、上型４１の上型成形面４２をＣＦＲＰ材３０に接触させる。これにより、ＣＦＲＰ材３０は、上型４１と下型４５とに挟まれた状態になる。ＣＦＲＰ材３０の成形時は、上型成形面４２がＣＦＲＰ材３０に接触している状態で、上型４１をさらに下型４５の方向に移動させ、ＣＦＲＰ材３０に対して押圧力を付与する。
【００２５】
ＣＦＲＰ材３０は、下型４５に接触している部分から伝達された熱によって変形し易い部分を有しており、上型４１を移動させて押圧力を加え、ＣＦＲＰ材３０を変形させることで、新たに下型４５に接触する部分を増やし、変形し易い部分を更に拡大する。即ち、上型４１と下型４５とに挟まれているＣＦＲＰ材３０は、上型４１からの押圧力によって、上型成形面４２と下型成形面４６とに沿った形状に変形する。このようにＣＦＲＰ材３０が変形し、押圧力を付与される以前に下型４５に接触していなかった部分も下型４５に接触することにより、ＣＦＲＰ材３０には、新たに接触した部分の下型４５から熱が伝達される。これにより、ＣＦＲＰ材３０は、順次昇温して高温部３１が広がり、昇温部分から順次変形し易くなる。
【００２６】
上型成形面４２と下型成形面４６とに沿った形状に変形することによって賦形が完了したＣＦＲＰ材３０は、硬化開始する（図４）。詳しくは、熱硬化性樹脂からなるＣＦＲＰ材３０は、金型４０から伝達された熱によって一旦粘度が低下して変形し易くなり、そこから更にプリプレグ温度５０が上昇し、樹脂の化学反応が進行することにより樹脂の硬化が開始し、ＣＦＲＰ材３０の硬化が開始する。この硬化反応は、ＣＦＲＰ材３０中の投入直後に下型４５に接触していた部分より開始するため、ＣＦＲＰ材３０には、高硬化度領域３５と、低硬化度領域３６が混在することになる。
【００２７】
つまり、ＣＦＲＰ材３０の賦形開始時にＣＦＲＰ材３０を下型４５の下型成形面４６上に配置した際に、下型４５に接触して熱が伝達されることによりプリプレグ温度５０が上昇し始めた部分から、ＣＦＲＰ材３０の硬化が開始する。ＣＦＲＰ材３０は、このようにプリプレグ温度５０が上昇し始めた部分より硬化が開始し、温度上昇、時間経過するとともにＣＦＲＰ材３０全体が硬化していく。これにより、ＣＦＲＰ材３０は、上型成形面４２と下型成形面４６とによって賦形された形状で硬化する。
【００２８】
次に、ＣＦＲＰ材３０の成形過程の特性について説明する。図５は、プリプレグ積層体の成形過程におけるプリプレグ温度と成形時間、プリプレグ粘度についての説明図である。熱硬化性樹脂からなり、プリプレグ積層体であるＣＦＲＰ材３０の成形は、プリプレグ温度５０を上昇させてＣＦＲＰ材３０を硬化させることにより行うが、図５に示すようにプリプレグ粘度５１はプリプレグ温度５０と成形時間によって変化する。プリプレグ粘度５１は、プリプレグ積層体の変形のし易さと高い相関を示す。つまり、ＣＦＲＰ３０の変形のし易さは、成形過程中に図５に似た形で変化する。
【００２９】
具体的には、プリプレグ粘度５１は、常温ではある程度高い値を示す。そして、プリプレグ積層体を成形型へ投入した成形初期段階では、下型４５より伝達された熱による温度上昇によってプリプレグ粘度５１が急速に低下し、変形のし易さは急速に向上する。この、プリプレグ粘度５１が急速に低下するプリプレグ温度５０を、急軟化温度Ｔｓと呼ぶ。
【００３０】
次に、温度上昇、時間経過につれてプリプレグ積層体の化学反応が進行し、一度低下したプリプレグ粘度５１は、軟化終了温度Ｔｅまで急速に増加する。軟化終了温度Ｔｅを超えると、プリプレグ粘度５１の変化率は小さくなり、徐々に硬化が進行し、ある時間が経過した後に最終的に硬化を完了する。なお、ここでいう軟化終了温度Ｔｅは、プリプレグ積層体の温度の上昇時において、急激に上昇したプリプレグ粘度５１の変化率が変わる点をいう。
【００３１】
ＣＦＲＰ材３０は、これらの特性を有しているため、成形型に投入されてプリプレグ温度５０が上昇したＣＦＲＰ材３０の各部はプリプレグ温度５０と成形時間に応じたプリプレグ粘度５１に応じた変形のし易さをもち、金型４０から付与される力によって各部で異なる量の変形をする。
【００３２】
ここで、成形型投入時におけるＣＦＲＰ材３０は、金型４０から伝達される熱によりプリプレグ温度５０が上昇するが、熱はまず型表面に触れた箇所から多く伝達されるため、ＣＦＲＰ材３０の各部において等しいプリプレグ温度５０とはならない。そのため、ＣＦＲＰ材３０の各部でプリプレグ粘度５１は不均一であり、変形のし易さも不均一である。また、ＣＦＲＰ材３０の各部での化学反応の状態も、プリプレグ温度５０と熱が伝達されている時間によって異なるため、最初にプリプレグ温度５０が上昇した部位とそれ以外の部位では異なる。これらのように、成形型へＣＦＲＰ材３０を投入してからしばらくの間は、ＣＦＲＰ材３０の各部の変形のし易さは部位によって異なる。
【００３３】
一方、ＣＦＲＰ材３０を成形する際に、例えば、板状のＣＦＲＰ材３０を折り曲げる際における曲率半径が小さい部分付近では、完全には目的の形状にはならずに、シワ等が発生する場合がある。このように、目的の形状とは若干異なるＣＦＲＰ材３０の成形後の形状は、ＣＦＲＰ材３０の成形時の変形状態を、解析装置を用いて解析することにより導出することができる。次に、この解析装置について説明する。
【００３４】
図６は、実施形態に係る解析方法を用いて解析を行う装置の模式図である。図６に示す解析装置１は、処理部２と記憶部４、及び入出力部８を有しており、これらは互いに接続され、互いに信号の受け渡しが可能になっている。このうち、入出力部８には、入出力装置１０が接続されている。この入出力装置１０としては、キーボード、マウス等、解析装置１に対して入力を行う入力デバイスである入力手段１１と、解析装置１での演算処理の結果を表示するディスプレイ等の出力デバイスである表示手段１２と、が用いられている。ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う際における種々の情報は、入力手段１１によって入力可能になっており、入力した情報や解析結果は、表示手段１２によって出力可能になっている。
【００３５】
また、処理部２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等を有しており、各種の演算処理が可能になっている。また、記憶部４には、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析をすることができるコンピュータプログラム、即ち、本実施形態に係る解析方法で用いるコンピュータプログラムが格納されている。このコンピュータプログラムは、解析をするモデルのデータと、モデルに対して付与する外力の情報を入力し、外力によって変形するモデルの状態を有限要素法によって解析することのできる公知のコンピュータプログラムが用いられている。
【００３６】
コンピュータプログラムが格納されている記憶部４は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）や光磁気ディスク装置、またはフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体）や、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）のような揮発性のメモリ、或いはこれらの組み合わせにより構成されている。
【００３７】
また、上記コンピュータプログラムは、コンピュータシステムにすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を実現できるものであってもよい。また、処理部２の機能を実現するためのコンピュータプログラムをコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を実行してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
【００３８】
次に、ＣＦＲＰ材３０の成形時の変形状態を解析装置１で解析する際における手法について説明する。図７は、実施形態に係る解析方法でＣＦＲＰ材の成形時の解析を行う際の処理手順を示すフロー図である。ＣＦＲＰ材３０を成形する際の解析を行う場合には、記憶部４に格納され、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析が可能なコンピュータプログラムを、記憶部４の作業領域に読み出し、実行する。本実施形態に係る解析方法で用いるコンピュータプログラムは、使用者との間で対話型処理を行いながら、解析処理を行う。即ち、解析処理時の過程ごとに表示手段１２で、情報の入力を促す指示や、解析処理の経過情報を表示し、入力手段１１によって、解析に必要な各種の情報を入力する。
【００３９】
この解析処理では、まず、解析を行う素材の種類を入力する（ステップＳＴ１０１）。ＣＦＲＰ材３０は、炭素繊維と合成樹脂とからなる複合材料であるため、解析を行う素材は複合材であるとの情報を解析装置１に入力する。
【００４０】
次に、形状の取り込みを行う（ステップＳＴ１０２）。具体的には、ＣＦＲＰ材３０の成形後の形状のデータ、即ち、ＣＦＲＰ材３０の成形をする際における目標となる形状のデータを入力する。この形状のデータとしては、例えば、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）で作成した成形後のデータを使用し、ＣＡＤで作成したデータを取り込むことにより、ＣＦＲＰ材３０の成形後の形状のデータを解析装置１に取り込む。
【００４１】
次に、モデルの確認を行う（ステップＳＴ１０３）。つまり、ＣＡＤで作成したデータ等を用いて取り込んだ、ＣＦＲＰ材３０の成形後の形状のデータに基づく、成形後のモデルデータを確認し、解析に用いるモデルデータが、適切なデータになるように調節する。例えば、ＣＦＲＰ材３０の板厚、即ち、成形後の形状の板厚を適切な値にしたり、ＣＦＲＰ材３０の成形前の素材の向きに対する成形後のモデルの向きを、成形時における素材と生成物との相対的な向きに合わせたりするなどの調節を行う。
【００４２】
次に、被成形素材の面の情報を入力する（ステップＳＴ１０４）。具体的には、被成形素材であるＣＦＲＰ材３０の物性値や、厚さ、繊維の方向等の、成形を行うＣＦＲＰ材３０についての詳細な情報を入力する。このうち、物性値としては、密度（ｋｇ／ｍｍ３）、ヤング率（ＧＰａ）、せん断弾性係数（ＧＰａ）、ポアソン比を用いる。熱硬化性樹脂からなるＣＦＲＰ材３０の場合には、それぞれ密度ρ＝１．８×１０−６ｋｇ／ｍｍ３、ヤング率（繊維方向）Ｅ１＝１３０ＧＰａ、ヤング率（繊維直交方向）Ｅ２＝５ＧＰａ、せん断弾性係数Ｇ＝２ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．３を用いる。つまり、炭素繊維強化プラスチックでは、炭素繊維の方向と、炭素繊維の方向に対して直交する方向とで強度が異なるため、ヤング率は、繊維方向のヤング率Ｅ１＝１３０ＧＰａと、繊維直交方向のヤング率Ｅ２＝５ＧＰａとの２種類の値を用いる。
【００４３】
次に、解析条件の設定を行う（ステップＳＴ１０５）。詳しくは、解析条件として、ＣＦＲＰ材３０の成形時におけるＣＦＲＰ材３０の動きについて設定し、ＣＦＲＰ材３０の成形時にＣＦＲＰ材３０に付与される力とＣＦＲＰ材３０の動きとを含むこの解析条件を入力する。具体的には、成形時に金型４０が移動する方向、即ち、金型４０からＣＦＲＰ材３０に付与する押圧力の方向、ＣＦＲＰ材３０に押圧力を付与した際におけるＣＦＲＰ材３０の可動部分や可動タイミング、停止タイミング等の、成形時のＣＦＲＰ材３０の動きについて設定する。つまり、ＣＦＲＰ材３０の成形時に、押圧力が付与される箇所とその方向、及びＣＦＲＰ材３０において押圧力によって動く部分とその動き方の設定を行う。また、この解析条件の設定では、解析時における計算ピッチ等の解析の詳細設定も行う。
【００４４】
次に、解析を開始する（ステップＳＴ１０６）。即ち、入力した素材の種類（ステップＳＴ１０１）、成形時の目標となる形状（ステップＳＴ１０２）と、モデルデータを解析に用いるデータとして適切に調節したデータ（ステップＳＴ１０３）、素材の面の情報（ステップＳＴ１０４）に基づいて、設定された解析条件に従って（ステップＳＴ１０５）、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う。
【００４５】
即ち、記憶部４に記憶され、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析をすることができるコンピュータプログラムと、入力手段１１によって入力された各データに基づいて、処理部２によって演算処理を行い、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う。処理部２で演算処理を行うことにより導出した解析結果は、表示手段１２によって出力する。表示手段１２によって出力する際には、解析によって得られた成形後の形状を、可視化できる形状モデルとして出力したり、数値データとして出力したりする。これにより、ＣＦＲＰ材３０の成形時における解析結果を得ることができる。
【００４６】
しかし、ＣＦＲＰ材３０の成形時には、上述したように部位ごとに変形のし易さが異なっている。このため、単に成形後の形状データや、成形する素材の情報、ＣＦＲＰ材３０の成形時における押圧力によるＣＦＲＰ材３０の動き方を用い解析を行っても、ＣＦＲＰ材３０の成形前に、シワ等の細かな形状も含めて成形後の正確な形状を解析して予測することは、困難なものとなっている。そこで、発明者らは、ＣＦＲＰ材３０の成形時の形状を精度よく予測するために、成形後の形状を精度よく解析して予測することができる条件について、試験を行った。次に、この試験について説明する。
【００４７】
試験は、ＣＦＲＰ材３０を実際に成形した結果と、ＣＦＲＰ材３０の成形時の状態を解析装置１で解析した際の解析結果とを比較する。試験の条件としては、成形するＣＦＲＰ材３０は、３２０ｍｍ×２５０ｍｍで、厚さが０．７ｍｍ（０．１４ｍｍ×５層）のプリプレグ積層体を用いる。
【００４８】
図８は、試験用金型の斜視図である。試験に用いる金型である試験用金型６０は、ＣＦＲＰ材３０の通常の成形時に用いる金型４０と同様に、上型６１と下型６５とを有しており、上型６１が下方に移動することにより、ＣＦＲＰ材３０を成形することが可能になっている。この試験用金型６０は、略矩形状の凸状部を形成するように成形することができるように構成されている。
【００４９】
詳しくは、上型６１は、下型６５に対向する上型成形面６２に、略矩形状の形状で下型６５の方向に突出した凸部６３が形成されている。なお、図８では、便宜上、上型６１は上下方向を反対にして図示している。下型６５は、上型６１に対向する下型成形面６６に、略矩形状の形状で凹んだ凹部６７が形成されている。この凹部６７は、上下方向に見た場合における形状が上型６１の凸部６３に近似し、凸部６３よりも若干大きい略矩形状になっており、深さが、凸部６３の高さと同程度の深さになっている。試験用金型６０は、上型成形面６２と下型成形面６６とを対向させ、上型６１と下型６５との間にＣＦＲＰ材３０を介在させた状態で上型６１と下型６５とを近づけてＣＦＲＰ材３０に対して押圧力を付与することにより、ＣＦＲＰ材３０の成形を行う。
【００５０】
図９は、試験用金型の凸部と凹部の平面視の模式図である。平面視において略矩形状の形状で形成される凸部６３と凹部６７とは、４つの角部の大きさが全て異なっている。詳しくは、４つの角部のうちの１つの角部である第１角部７１は、半径が１０ｍｍになっており、同様に第２角部７２は半径が２０ｍｍ、第３角部７３は半径が３０ｍｍ、第４角部７４は半径が４０ｍｍになっている。
【００５１】
試験は、この試験用金型６０で、成形速度を１０ｍｍ／ｓｅｃ、加圧力を１５０ｔｏｎ、加圧時間を１５分の条件でＣＦＲＰ材３０の成形を行う。また、解析装置１では、この条件は同一にし、さらに物性値を異ならせて複数解析を行い、それぞれの解析結果と実際の成形の状態とを比較することにより行った。
【００５２】
ここで、発明者らは、成形時におけるＣＦＲＰ材３０の状態について考察し、成形時のＣＦＲＰ材３０は変形のし易さが均一ではないため、成形時における１つの状態の物性値を用いて解析を行なっても、解析によって得られた形状は、実際に成形した形状と異なるものになることが考えられた。このため、発明者らは、成形時の解析は、常温時の硬化前のＣＦＲＰ材３０の物性値や、硬化が完了した状態の物性値でもない、ある硬化度の際の値を用いて行うことが最適であると仮定した。なお、硬化度とは、母材となる高分子樹脂の架橋の度合い、即ち硬化反応の度合いを示す値であり、一般に０〜１００％の値で示される。このため、成形後の形状を精度よく予測することができる条件についての試験は、硬化度のパーセントの値をいくつにした場合の物性値が、解析条件として適切であるか、検証することを目的として行った。
【００５３】
試験では、硬化度５０％、軟化終了温度Ｔｅ（図５参照）以上の温度でのＣＦＲＰ材３０の物性値を、解析に用いるのに適切な仮定値とする。即ち、試験では、解析に用いるのに適切な仮定値として、密度ρ＝１．８×１０−６ｋｇ／ｍｍ３、ヤング率（繊維方向）Ｅ１＝１３０ＧＰａ、ヤング率（繊維直交方向）Ｅ２＝５ＧＰａ、せん断弾性係数Ｇ＝２ＧＰａ、ポアソン比ν１２＝０．３の値を用いる。
【００５４】
これに対し、仮定値での解析結果と比較する解析用の物性値として、４種類の設定値を用いる。これらの設定値は、仮定値を、半分、または倍にしたものの組み合わせである。具体的には、４種類の設定値のうちの２種類である設定値１と設定値２とは、繊維直交方向のヤング率Ｅ２を仮定値から変更し、仮定値の繊維直交方向のヤング率Ｅ２＝５ＧＰａに対して、それぞれ２．５ＧＰａ（設定値１）、１０ＧＰａ（設定値２）にする。また、４種類の設定値のうち残りの設定値である設定値３と設定値４とは、せん断弾性係数Ｇを仮定値から変更し、仮定値のせん断弾性係数Ｇ＝２ＧＰａに対して、それぞれ１ＧＰａ（設定値３）、４ＧＰａ（設定値４）にする。
【００５５】
この試験では、これらの仮定値や設定値１〜４を用いて解析装置１によって解析を行った結果と、ＣＦＲＰ材３０を試験用金型６０で実際に成形することにより取得した取得品との形状を比較することにより、解析に用いる物性値として仮定値が適切であるか否かを検証した。
【００５６】
図１０は、解析条件を検証時に行う観察についての説明図である。解析条件の検証は、成形時に発生するシワの数に基づいて行う。具体的には、ＣＦＲＰ材３０の成形を行う場合には、素材からの変形が多い箇所にシワが発生し易くなるため、成形後における角部付近に発生するシワの数を比較することにより、解析条件の検証を行う。つまり、試験用金型６０で成形した取得品８０の第１角部８１、第２角部８２、第３角部８３、第４角部８４のそれぞれの近傍に発生したシワ８５と、解析装置１で仮定値や設定値１〜４を用いて解析した解析形状２０の第１角部２１、第２角部２２、第３角部２３、第４角部２４のそれぞれの近傍に発生したシワ２５とを比較する。なお、これらのシワ２５、８５の数は、角部において湾曲している部分にかかるシワの数を用いる。
【００５７】
このように、仮定値や設定値１〜４を用いて解析したそれぞれの解析形状２０の角部のシワ２５を、試験用金型６０で成形した取得品８０の角部のシワ８５と比較することにより、仮定値及び設定値１〜４のうち、ＣＦＲＰ材３０を実際に成形した取得品８０に最も近くなる解析条件を導出する。
【００５８】
図１１は、解析に用いる物性値を検証する試験の結果を示す図である。試験を行った結果、実際にＣＦＲＰ材３０を成形した取得品８０では、シワ８５の数は、第１角部８１が３本、第２角部８２が４本、第３角部８３及び第４角部８４は６本になった。これに対し、仮定値とは異なる物性値である設定値１〜４を用いて解析を行った解析形状２０では、４つの角部のうちのいずれか、または４つの角部の全てのシワ２５の数が、対応する取得品８０の角部のシワ８５の数と異なるものになった。このように、取得品８０と設定値１〜４とでは、シワの数が一致せず、解析形状２０は、取得品８０とは細部が異なる結果が得られた。
【００５９】
一方、硬化度５０％、軟化終了温度Ｔｅ以上の温度でのＣＦＲＰ材３０の物性値である仮定値を用いて解析を行った解析形状２０では、シワ２５の数は、第１角部２１が３本、第２角部２２が４本、第３角部２３及び第４角部２４は６本になった。このように、取得品８０と仮定値とでは、シワの数が一致し、解析形状２０は、取得品８０とは細部まで一致する結果が得られた。つまり、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を、硬化度５０％のＣＦＲＰ材３０の物性値を用いて行うことにより、高い精度で取得品８０に対して近似した解析形状２０を得ることができる。
【００６０】
ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析の試験として、これらの結果を得ることができたため、解析装置１には、この解析を実現できる機能を搭載するのが好ましい。具体的には、解析装置１には、ＣＦＲＰ材３０の温度が上昇して硬化が進展している際の硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を取得する物性値取得部を備えるのが好ましい。この物性値取得部としては、例えば処理部２を用いる。この解析装置１でＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う際には、まず、ＣＦＲＰ材３０を成形する際の目標となる形状（ステップＳＴ１０２）や、ＣＦＲＰ材３０の情報（ステップＳＴ１０４）、ＣＦＲＰ材３０の成形時にＣＦＲＰ材３０に付与される力とＣＦＲＰ材３０の動きとを含む解析条件（ステップＳＴ１０５）を、入力手段１１によって入力する。
【００６１】
また、処理部２では、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を取得する。このような物性値を取得する手法としては、例えば、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値に基づいて硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を導出する硬化度導出部を解析装置１に備えることによって実現する。硬化度導出部は、記憶部４に、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値に対する硬化度５０％のＣＦＲＰ材３０の物性値を、予めデータベースとして記憶することによって構成される。この場合、ＣＦＲＰ材３０の情報の入力時においてＣＦＲＰ材３０の物性値を入力する際には、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値を入力する。
【００６２】
処理部２は、入力手段１１で入力された硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値に基づき、記憶部４に記憶されたデータベースを用いて、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を導出することによって取得する。さらに処理部２は、このように取得した硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値含むＣＦＲＰ材３０の情報と、成形時の目標となる形状と、解析条件とに基づいて、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う。これにより、高い精度で取得品８０に対して近似した解析形状２０を得ることができる。
【００６３】
以上の本実施形態に係るＣＦＲＰ材３０の成形時の解析方法では、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う際に、硬化度５０％、軟化終了温度Ｔｅ以上の温度でのＣＦＲＰ材３０の物性値を用いて解析を行うことにより、実際に成形をした際における形状に対して高い精度で近似した解析形状２０を得ることができる。つまり、成形時に部位によってプリプレグ温度５０や変形のし易さが不均一になるＣＦＲＰ材３０の成形に対して、硬化度５０％、軟化終了温度Ｔｅ以上の温度でのＣＦＲＰ材３０の物性値を用いて解析することにより、プリプレグ温度５０や変形のし易さを均一と仮定した状態で簡便に精度よく解析することができる。これにより、解析によって導出した解析形状２０と、ＣＦＲＰ材３０を実際に成形した際における取得品８０との整合性を高めることができる。この結果、成形時の形状を高い精度で解析して予測し、成形型の設計精度向上に寄与することができる。
【００６４】
また、ＣＦＲＰ材３０を成形する際の目標となる形状と、ＣＦＲＰ材３０の情報と、解析条件とは、コンピュータプログラムによって解析処理を行う解析装置１に対して入力し、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析は、解析装置１によって行うため、容易に、高い精度で解析を行うことができる。この結果、成形時の形状を、より確実に高い精度で解析して予測することができる。
【００６５】
また、本実施形態に係るＣＦＲＰ材３０の成形時の解析装置１では、ＣＦＲＰ材３０の成形時の解析を行う際に、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を取得し、この物性値を用いて解析するため、解析によって導出した解析形状２０と、ＣＦＲＰ材３０を実際に成形した際における取得品８０との整合性を高めることができる。この結果、成形時の形状を高い精度で解析して予測し、成形型の設計精度向上に寄与することができる。
【００６６】
〔変形例〕
なお、上述した解析装置１では、硬化度導出部を構成する記憶部４には、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値に対する硬化度５０％のＣＦＲＰ材３０の物性値をデータベースとして記憶しているが、硬化度導出部は、これ以外で構成してもよい。例えば、記憶部４には、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値より、硬化度５０％のＣＦＲＰ材３０の物性値を算出する関数を記憶し、入力手段１０で入力された硬化度１００％の物性値とこの関数を用いて、硬化度５０％の物性値を算出してもよい。硬化度５０％のＣＦＲＰ材３０の物性値を導出する手法は、入力手段１１で入力された、硬化度１００％のＣＦＲＰ材３０の物性値を用いて導出することができれば、その手法は問わない。
【００６７】
また、処理部２で硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を取得する際には、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を直接取得するようにしてもよい。例えば、入力手段１１でのＣＦＲＰ材３０の情報の入力時に、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値の入力を促すような表示を表示手段１２で行い、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値の入力後に、解析を行うようにしてもよい。このように、硬化度５０％付近のＣＦＲＰ材３０の物性値を直接取得することにより、物性値を導出する必要がなくなるので、解析を容易に行うことが可能になる。
【００６８】
また、記憶部４に記憶される物性値のデータベースは、適宜追加されるようにするのが好ましい。つまり、解析を行おうとしているＣＦＲＰ材３０の硬化度５０％の物性値がデータベース上に存在しない場合には、硬化度５０％の物性値と硬化度１００％の物性値との入力を促し、入力されたこれらの物性値をデータベースに追加するようにしてもよい。これにより、解析を繰り返し行うことにより、データベースのデータ量が蓄積され、成形時の形状を、より確実に高い精度で解析して予測することができる。
【００６９】
また、ＣＦＰＲ材３０を成形する金型４０は、上述した形態以外でもよく、ＣＦＰＲ材３０を成形する形状も、上述した形状以外のものでもよい。成形する形状に関わらず、ＣＦＰＲ材３０を成形時における解析を行う際に、ＣＦＰＲ材３０の硬化度５０％付近の物性値を用いることにより、実際のＣＦＰＲ材３０の成形に対して、高い精度の解析を行うことができる。
【００７０】
また、ＣＦＰＲ材３０の成形時の形状の解析は、係数を用いた補正を行って解析してもよい。つまり、また、ＣＦＲＰ材３０を構成するプリプレグは、同じ程度のグレードであっても、プリプレグを製造するメーカーによって微妙に物性値が異なることがある。また、同じプリプレグを使用したとしても、温度や湿度、圧力、時間等の条件によって、成形の結果が微妙に異なることがある。これらのような場合を考慮し、解析結果の精度向上のために、解析時には、解析に用いる物性値の硬化度や物性値に対して、係数によって補正を行ってもよい。具体的には、メーカーや、温度、湿度等の条件に応じた係数を予め設定し、成形の解析時には、実際の成形時の条件に応じた係数を用いて、物性値を用いる硬化度、または、５０％の硬化度の物性値の補正を行い、成形の解析を行ってもよい。これにより、実際の成形時の条件に適した解析を行うことができ、設計時の形状を、より高い精度で予測することができる。
【００７１】
また、上述した解析方法で用いる物性値は、上記実施形態で用いられている値以外でもよい。解析方法で用いる物性値は、熱硬化性樹脂の炭素繊維強化プラスチックからなる素材の成形時に、素材の温度が上昇して硬化度が５０％付近となった素材の物性値であれば、上述した値以外でもよい。硬化度５０％付近の素材の物性値を用いて解析を行うことにより、成形時の形状を高い精度で予測することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１  解析装置
２  処理部
４  記憶部
８  入出力部
１０  入出力装置
１１  入力手段
１２  表示手段
２０  解析形状
２１、７１、８１  第１角部
２２、７２、８２  第２角部
２３、７３、８３  第３角部
２４、７４、８４  第４角部
２５、８５  シワ
３０  ＣＦＲＰ材
３１  高温部
３２  低温部
３５  高硬化度領域
３６  低硬化度領域
４０  金型
４１、６１  上型
４２、６２  上型成形面
４５、６５  下型
４６、６６  下型成形面
５０  プリプレグ温度
５１  プリプレグ粘度
６０  試験用金型
６３  凸部
６７  凹部
８０  取得品
【図１】
2014108612.tif 000003
【図２】
2014108612.tif 000004
【図３】
2014108612.tif 000005
【図４】
2014108612.tif 000006
【図５】
2014108612.tif 000007
【図６】
2014108612.tif 000008
【図７】
2014108612.tif 000009
【図８】
2014108612.tif 000010
【図９】
2014108612.tif 000011
【図１０】
2014108612.tif 000012
【図１１】
2014108612.tif 000013