(57)【要約】【課題】凹凸曲げの異方性を考慮し、高精度に挙動を予測するＦＥＭ解析モデル生成システムを提供する。【解決手段】複合材をブランク材としてＦＥＭ解析によりシミュレーションするための解析モデルを生成するＦＥＭ解析モデル生成システムであって、前記ブランク材をメッシュで１または複数の要素群に分割する要素群生成部と、前記要素群生成部で生成された要素群の各要素について材料特性データを定義して前記ブランク材の解析モデルを生成するブランク解析モデル生成部とを少なくとも有し、前記材料特性データとして少なくとも面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義するとともに、前記面外曲げ弾性率が前記要素群の凹曲げおよび凸曲げの二方向に対して独立して定義することを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システムである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材をブランク材としてＦＥＭ解析によりシミュレーションするための解析モデルを生成するＦＥＭ解析モデル生成システムであって、
前記ブランク材をメッシュで１または複数の要素群に分割する要素群生成部と、
前記要素群生成部で生成された要素群の各要素について材料特性データを定義して前記ブランク材の解析モデルを生成するブランク解析モデル生成部とを少なくとも有し、
前記材料特性データとして少なくとも面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義するとともに、前記面外曲げ弾性率が前記要素群の凹曲げおよび凸曲げの二方向に対して独立して定義することを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項２】
前記要素群が２以上の要素からなり、該要素の中心位置に膜要素を設定するとともに、前記膜要素とその節点を共有し、前記中心位置より両側にそれぞれその中立面が所定距離離間しているものとして扱われるシェル要素を設定し、前記シェル要素にそれぞれ異なる面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義することができることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項３】
前記面内弾性率および前記面外曲げ弾性率が非線形な弾性率であることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項４】
前記要素群が、厚肉シェル要素、薄肉シェル要素、およびソリッド要素のうち少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のＦＥＭ解析モデル生成システムで生成された前記ブランク材解析モデルと、設定された解析条件に基づいてＦＥＭ解析を行うＦＥＭ解析部とを有することを特徴とするＦＥＭ解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材を用いるＦＥＭ解析モデル生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やガラス繊維を強化繊維とする繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと記す）は、その比強度、比弾性率の高さから、航空機用途、一般産業用途、スポーツ用途等の様々な分野で多く利用されている。
【０００３】
ＦＲＰの代表的な製造方法としては、強化繊維に予めマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグ基材を用い、このプリプレグ基材を一枚一枚積み重ねた成形体をオートクレーブ中で加熱・加圧して硬化させる、いわゆるオートクレーブ成形法がある。しかしながら、オートクレーブを用いたＦＲＰの製造は成形コストが高く、また生産性が低いという問題がある。このようなプリプレグ成形における問題を解決するため、レジントランスファーモールディング成形法（以下、ＲＴＭ成形法と記す）が実用化されている。ＲＴＭ成形法は、樹脂未含浸のドライな強化繊維基材（典型的には連続繊維の織物）を所定の形状に賦形したＦＲＰ成形体の前駆体（プリフォームと呼ばれる）を型上に配置し、全体をバッグフィルムや金型で覆った後、バッグフィルム内、あるいは金型内部を真空状態にして樹脂を注入し、硬化させるというものである。また、ＲＴＭ成形法は、従来のプリプレグを使用したオートクレーブ成形法よりも低コストで生産性に優れている。
【０００４】
しかしながら、このプリフォームの製造において、多数のコーナー部や凹凸を有するような複雑な３次元形状に対し、強化繊維基材を賦形した時に発生する皺や突っ張りなどの賦形不良が問題となっている。また、強化繊維基材の種類によっては、賦形時の型への沿いやすさも異なる。そのため、昨今、織物材または複合材を用いた品質の良い部材をより効率よく製造するため、賦形した時に発生する皺や突っ張りなどの賦形不良をあらかじめ予測するためのシミュレーション解析技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−５２９２４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｙ．Ａｉｍｅｎｅ，  Ｂ．Ｈａｇｅｇｅ，  Ｆ．Ｓｉｄｏｒｏｆｆ，  Ｅ．Ｖｉｄａｌ−Ｓａｌｌｅ，  Ｐ．Ｂｏｉｓｓｅ，  Ｓ．Ｄｒｉｄｉ，  “Ｈｙｐｅｒｅｌａｓｔｉｃ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ”，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｆｏｒｍｉｎｇ，  Ａｐｒｉｌ  ２００８，  Ｖｏｌｕｍｅ  １，  Ｉｓｓｕｅ  １  Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，  ｐｐ  ８１１−８１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、プレス成形工程におけるしわ発生のメカニズムは、面内の圧縮変形により生じた圧縮応力が座屈限界応力を上回り、面内圧縮変形が面外の曲げ変形に分岐する座屈問題として説明できる。この座屈限界応力には曲げ剛性と座屈長が大きく影響するため、プレス成形工程における代表的な成形不良であるしわの評価には、曲げ剛性を考慮した解析が必要になる。曲げ剛性は、織物材の折り方やＮＣＦ（ｎｏｎ−ｃｒｉｍｐｅｄ−Ｆａｂｒｉｃ）のスティッチ加工によって表面と裏面で織り方やスティッチ加工が異なることがあるため、凹曲げと凸曲げで曲げ剛性が異なる場合がある。しかし、特許文献１に記載された従来技術では面外の曲げ剛性が考慮されているものの、凹曲げと凸曲げで曲げ剛性が異なる点については考慮されていない。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、凹凸曲げの異方性を考慮し、高精度に挙動を予測するＦＥＭ解析モデル生成システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明に係るプレス成形のＦＥＭ解析モデル作成システムおよびプログラムとそれを備えたＦＥＭ解析システムおよびプログラムは、次のように構成したことを特徴とする。
【００１０】
（１）複合材をブランク材としてＦＥＭ解析によりシミュレーションするための解析モデルを生成するＦＥＭ解析モデル生成システムであって、前記ブランク材をメッシュで１または複数の要素に分割する要素群生成部と、前記要素群生成部で生成された要素群の各要素について材料特性データを定義して前記ブランク材の解析モデルを生成するブランク解析モデル生成部とを少なくとも有し、前記材料特性データとして少なくとも面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義するとともに、前記面外曲げ弾性率が前記要素群の凹曲げおよび凸曲げの二方向に対して独立して定義することを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【００１１】
（２）前記要素群が２以上の要素からなり、該要素の中心位置に膜要素を設定するとともに、前記膜要素とその節点を共有し、前記中心位置より両側にそれぞれその中立面が所定距離離間しているものとして扱われるシェル要素を設定し、前記シェル要素にそれぞれ異なる面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義することができることを特徴とする（１）に記載のＦＥＭ解析モデル生成システムであることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【００１２】
（３）前記面内弾性率および前記面外曲げ弾性率が非線形な弾性率であることを特徴とする（１）または（２）に記載のＦＥＭ解析モデル生成システムであることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【００１３】
（４）前記要素群が、厚肉シェル要素、薄肉シェル要素、およびソリッド要素のうち少なくとも１つを用いることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のＦＥＭ解析モデル生成システムであることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【００１４】
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載のＦＥＭ解析モデル生成システムで生成された前記ブランク材解析モデルと、設定された解析条件に基づいてＦＥＭ解析を行うＦＥＭ解析部とを有することを特徴とするＦＥＭ解析システムであることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システム。
【発明の効果】
【００１５】
以上の構成により、凹凸曲げの異方性を考慮し、高精度に挙動を予測するＦＥＭ解析モデル生成システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のＦＥＭ解析システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本システムの処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】１つの要素からなる同解析モデルを説明する図である。
【図４】３つの要素からなる同解析モデルを説明する図である。
【図５】１つの要素からなる同解析モデルを曲げ変形させた際の挙動を説明する図である。
【図６】３つの要素からなる同解析モデルを曲げ変形させた際の挙動を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明はこれら図面によって何ら制限されるものではない。
【００１８】
以下、本発明に係る複合材を用いるＦＥＭ解析モデル生成システムおよびプログラムとそれを備えたＦＥＭ解析システムおよびプログラムの実施形態について説明する。まず、ＦＥＭ解析モデル生成システム１１をサブシステムとして含むトータルシステムとしてのＦＥＭ解析システム１について説明する。
【００１９】
（１）ＦＥＭ解析システムの概要
図１は、織物材または複合材を用いるＦＥＭ解析システム１の中心となる構成を示す。ＣＰＵ等の処理装置４と、メモリまたはハードディスク等の記憶装置５と、キーボード、マウスまたはＣＤ−ＲＯＭドライブ等の入力装置２と、液晶ディスプレイまたはプリンタ等の出力装置３とを有する。
【００２０】
（１−１）処理装置
図２は、図１の処理装置４の更に詳細な構成を示す。この処理装置４は、一連の作業プロセスを結合したものである。その中には、ＦＥＭ解析モデル生成システム１１が含まれている。
【００２１】
このブランク解析モデル生成システム１１は、要素形状を決定する要素群生成部１２、ブランク材の材料データを定義する材料特性データ取得部１３、ブランク解析モデルを生成するブランク解析モデル生成部１４から主に構成されている。また、処理装置４は、ブランク解析モデルを用いＦＥＭ解析を行うＦＥＭ解析部１５と出力装置に表示するためのＦＥＭ結果表示部１６を有している。
【００２２】
（１−１−１）要素群生成部
ブランク材をメッシュで１または複数の要素群に分割する。要素群が１つの要素からなる場合を図３に、要素群が３つの要素からなる場合を図４に示す。本発明では、複数の要素群に分割する場合は、図４に示すように分割することが好ましい。要素群が２つ以上の場合は図４のように厚み中心位置に膜要素Ｅｆを設定すると共に、膜要素Ｅｆとその節点Ｎを共有し、ＦＥＭ解析時に中心位置より所定距離ｄだけ離間しているものとして扱われるシェル要素Ｅｓ１、Ｅｓ２を設定して重層モデルを作成する。
【００２３】
本発明で用いる要素群としては、厚肉シェル要素、薄肉シェル要素、およびソリッド要素のうち少なくとも１つ、もしくはそれらを２つ以上組み合わせて用いることが好ましい。
【００２４】
（１−１−２）材料特性データ取得部
本発明に係るＦＥＭ解析モデル生成システムの解析対象である複合材は、炭素繊維等の強化繊維に樹脂を含浸させたものであり、強化繊維は織物や多軸基材等のシート状基材を積層したものが好適に用いられる。
【００２５】
例えば金属薄板のような均質な連続体の場合、その曲げ剛性は、圧縮および引張の材料特性から自動的に決定されるものであるが、織物材または複合材の場合、不均一な不連続体であるため、曲げ剛性は、圧縮および引張の材料特性からは自動的に決定できない。しかし、上述のように、より高精度の解析を行うには、曲げ剛性の考慮が必要である。さらに織物材や多軸炭素繊維をスティッチ加工したＮＣＦでは基材の表と裏で織り方やスティッチ化工が異なることがあるため、凹曲げと凸曲げで曲げ剛性が異なることが知られており、曲げ方向による異方性を考慮することが必要である。
【００２６】
図３のように要素群が１つの要素からなる場合は、面内弾性率Ｅに加え、面外曲げ剛性に用いるための面外曲げ弾性率Ｅ凹とＥ凸の計３通りの弾性率が含まれる。
【００２７】
図４のように要素群が２つ以上の場合は厚み中心位置の膜要素Ｅｆには面内弾性率Ｅが、所定距離ｄだけ離間したシェル要素Ｅｓ１とＥｓ２とにそれぞれ面外弾性率Ｅ１、Ｅ２が含まれる。
【００２８】
これらの要素に対し、それぞれ異なる面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義することが好ましい。
【００２９】
また、ブランク材が直交異方性材料の場合、０°、９０°方向にそれぞれ異なる弾性率が含まれる。なお、面内弾性率や面外曲げ弾性率として非線形な特性を与えてもよい。
【００３０】
面内弾性率および面外曲げ弾性率を独立に定義するとともに、前記面外曲げ弾性率が前記要素群の凹曲げおよび凸曲げの二方向に対して独立して定義することで、凹凸の両曲げ方向による曲げ剛性の異方性を考慮することができる。
【００３１】
（１−２）入力装置
入力装置２は、ＣＡＤデータ、メッシュデータ等のブランク材の形状に関するデータの入力、解析条件等の各種条件の設定またはＦＥＭ解析システム１の制御等に用いられる。
【００３２】
（１−３）出力装置
出力装置３には、入力画面、編集画面、解析結果等が表示される。
【００３３】
（２）要素群が１つの場合のブランク材の面外曲げ剛性
要素群が１つの場合のブランク材の面外曲げ剛性について説明する。図５に示すように曲げ変形は凹凸方向に２通り考えられる。面外曲げ剛性は凹方向と凸方向それぞれに対してＥ凹Ｉ、Ｅ凸Ｉとなるように設定され、面内弾性率Ｅは無視される。なお、面内に引張や圧縮が加わった際は面内弾性率Ｅのみを用いＥ凹、Ｅ凸は無視されるものとする。
【００３４】
（３）要素群が２つ以上の場合のブランク材の面外曲げ剛性
要素群が２つ以上の場合のブランク材の面外曲げ剛性について説明する。
図６に示すように曲げ変形は凹凸方向に２通り考えられる。面外曲げ剛性Ｅ凹Ｉ、Ｅ凸Ｉはシェル要素の圧縮面内弾性率Ｅ圧、引張り面内弾性率Ｅ引、厚さｔ、所定間距離ｄを用いて以下のように与えられる。
【００３５】
【数１】
2018092211.tif 000003
【００３６】
【数２】
2018092211.tif 000004
【００３７】
つまり、圧縮面内弾性率Ｅ圧と引張り面内弾性率Ｅ引が異なるような非線形の面内弾性率を与えることにより、凹曲げと凸曲げで面外曲げ剛性が異なる値を与えることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  ＦＥＭ解析システム
２  入力部
３  出力部
４  処理装置
５  記憶装置
１１  ＦＥＭ解析モデル生成システム
１２  要素群生成部
１３  材料特性データ取得部
１４  ブランク解析モデル生成部
１５  ＦＥＭ解析部
１６  ＦＥＭ解析結果表示部
【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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