(57)【要約】【課題】弾性接着剤自体が発生する応力も考慮することで、弾性接着剤の歪・応力変化挙動をより精度良く解析する。【解決手段】２つの部品間を接合した状態を想定し、当該２つの部品に拘束された状態での弾性接着剤自体の歪・応力挙動を、コンピュータを使用した有限要素法で解析する弾性接着剤の挙動解析方法である。上記弾性接着剤の形状を、上記各部品との接着面の輪郭形状がそれぞれ円弧形状の連続からなる柱状の形状モデルに設定すると共に、複数のソリッド要素に分割し、上記弾性接着剤の材料条件として、弾性係数と熱膨張係数とを設定する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部品間を接合することで当該２つの部品に拘束された状態での弾性接着剤自体の歪・応力挙動を、コンピュータを使用した有限要素法で解析する弾性接着剤の挙動解析方法であって、
上記弾性接着剤のモデルとして、上記各部品との接着面の輪郭形状がそれぞれ円弧形状の連続からなる柱状の形状モデルを設定すると共に、そのモデルを複数のソリッド要素に分割し、
上記弾性接着剤の材料条件として、弾性係数と熱膨張係数とを設定することを特徴とする弾性接着剤の挙動解析方法。
【請求項２】
予め設定した温度範囲で上記弾性接着剤に温度変化を付与するという温度条件で、弾性接着剤自体の歪・応力挙動を解析するということを特徴とする請求項１に記載した弾性接着剤の挙動解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスチック接着剤などの弾性接着剤自体の歪・応力挙動を、有限要素法によって解析する弾性接着剤の挙動解析方法に関し、特に、弾性接着剤の設定条件に特徴を有する技術である。
【背景技術】
【０００２】
弾性接着剤であるマスチック接着剤は、２つの部品の隙間を埋めるように介装される。そして、マスチック接着剤によって、２つの部品間が接着（拘束）される。
ここで、マスチック接着剤などの弾性接着剤は、未使用の状態では半凝固状の物質であるが、弾性接着剤で接着された部品に加熱処理が施されると、弾性接着剤が発泡（膨張）し、その後の冷却によって硬化・収縮することで、弾性接着剤は最終的にゴム状の性質、つまり弾性力を持つようになる。このようにして設けた弾性接着剤は、弾性接着剤で接着された部品が外力を受けたときに、接着位置がその外力に対する支持点になったり、部品の振動を抑制したりするなどの重要な役割を発揮する。
【０００３】
このような弾性接着剤の歪・応力挙動を解析する技術として、例えば、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、弾性接着剤をモデル化することで、寸法や物性値の異なる弾性接着剤を簡易迅速にモデル化することが記載されている。具体的には、特許文献１には、弾性接着剤のＦＥＭモデルとして、寸法や物性値の異なる弾性接着剤を直方体形状の形状モデルに設定し、その形状モデルを、高さ方向に３分割かつ幅方向に２分割した複数の直方体ソリッド要素に分割してＦＥＭモデル化する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７９１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、外側から弾性接着剤に荷重が作用して、弾性接着剤が圧縮変形や剪断変形を受けることが記載されているが、弾性接着剤自体が発生する応力についての考慮が不十分である。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、弾性接着剤自体が発生する応力をより考慮することで、拘束されている弾性接着剤自体の歪・応力変化挙動をより精度良く解析することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題を解決するために、本発明の一態様は、２つの部品間を接合することで当該２つの部品に拘束された状態での弾性接着剤自体の歪・応力挙動を、コンピュータを使用した有限要素法で解析する弾性接着剤の挙動解析方法であって、上記弾性接着剤のモデルとして、上記各部品との接着面の輪郭形状がそれぞれ円弧形状の連続からなる柱状の形状モデルを設定すると共に、そのモデルを複数のソリッド要素に分割し、上記弾性接着剤の材料条件として、弾性係数と熱膨張係数とを設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様によれば、少なくとも弾性接着剤の材料条件として、弾性係数及び熱膨張係数を設定することで、温度変化による弾性接着剤自体の体積変化や、それに伴う弾性接着剤自体の歪応力も考慮することが可能となる。
またこのとき、弾性接着剤の形状モデルについて、接着面の輪郭形状として曲率が急峻する部分を有しない円柱形状などの柱状の形状モデルとすることで、弾性接着剤自体が体積変化する際の挙動の解析結果が、実際と異なる挙動を示すことを回避することが可能となる。
この結果、本発明の一態様によれば、拘束されている弾性接着剤自体の歪・応力変化挙動をより高精度に解析することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】処理構成を説明する図である。
【図２】ＦＥＭ解析フロー（応力付与の場合）の例を説明する図である。
【図３】ＦＥＭ解析フロー（温度付与の場合）の例を説明する図である。
【図４】実施例における弾性接着剤解析モデルを説明する分解した斜視図である。
【図５】実施例における弾性接着剤解析モデル（側面視）を説明する図である。
【図６】実施例における弾性接着剤解析モデル（メッシュ細分化）を説明する分解した斜視図である。
【図７】実施例における弾性接着剤のモデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態のコンピュータを使用した構造解析は、有限要素法を用いたＣＡＥ解析である。従来の解析法と同様に、ソフト（プログラム）として、図１に示すように、ＣＡＤソフト１０及び解析ソフト１１（プリプロセッサ１１Ａ、ソルバー１１Ｂ及びポストプロセッサ１１Ｃ）を備える。ＣＡＤソフト１０及び解析ソフト１１は公知のソフトを採用すればよい。
【００１０】
ＣＡＤソフト１０で、所定間隔を開けて対向配置した２つの部品と、その２つの部品間に設ける弾性接着剤の形状データ情報を、入力情報に基づき設定する。２つの部品は、第１の部品と第２の部品とからなる。
なお、解析対象の弾性接着剤としては、マスチック接着剤などの熱変形性を有する弾性接着剤が好適である。
プリプロセッサ１１Ａは、上記の形状データ情報、メッシュ作成条件、材料定義、境界条件、拘束条件（固定方法）、荷重条件などの解析条件から解析モデル（ＦＥＭモデル）を作成する。
【００１１】
この弾性接着剤自体の歪・応力挙動を解析するためのＦＥＭモデルにおける弾性接着剤に関する形状モデルを柱状の形状モデルとし、更に、形状モデルにおける、弾性接着剤の第１の部品への接着面の外周輪郭を、曲率急峻部を有しない曲線形状の輪郭に設定する。例えば連続する円弧形状からなる円形形状や楕円形形状などの輪郭形状に接着面の輪郭を設定する。曲率急峻部とは、例えば角を形成する部分である。同様に、弾性接着剤の第２の部品への接着面の外周輪郭も、曲率急峻部を有しない曲線形状の輪郭に設定する。
【００１２】
ここで、接着面の輪郭形状を円弧形状の連続から構成させたのは、次の理由である。すなわち、断面矩形形状などの曲率急峻部を有する形状モデルを採用した場合には、例えば弾性接着剤を収縮するように変形させたときに、角部（曲率急峻部）での引込みが局所的に厳しくなり、弾性接着剤の歪・応力挙動が、実際とは異なる挙動を示すことが考えられるためである。その場合、目視による官能確認において、実験での結果と整合がつかないことがありうる。
【００１３】
例えば、弾性接着剤の形状モデルを円柱形状に設定する。円柱形状には樽状も含まれる。円柱形状の形状モデルを採用する場合には、簡易な形状モデルで上記条件を満足させることが出来る。
弾性接着剤の形状モデルは、設定した厚みや接着面の大きさを考慮した複数のソリッド要素で設定する。
また、本実施形態では、弾性接着剤の材料条件として、少なくとも弾性係数と熱膨張係数とを設定する。上記のように接着面の外周を上記のような輪郭形状からなるＦＥＭ解析用の形状モデルとすることで、温度変化に伴う、弾性接着剤が外側に向かって膨張、および弾性接着剤が中心部に向かって収縮するといった、実際に近似した弾性接着剤自体の挙動を再現することが可能となる。
【００１４】
ここで、２つの部品は、弾性接着剤の接着面を拘束する拘束条件となる。
また、ＦＥＭ解析時の温度変化条件として、推定される熱変化条件や、接着剤自体の発熱による熱変化条件を設定する。
そして、温度変化に応じた弾性接着剤自体の歪（膨張および収縮）が拘束されることで弾性接着剤自体に発生すると推定される応力や歪が解析されて、弾性接着剤自体の歪・応力挙動を解析することが可能となる。
【００１５】
ソルバー１１Ｂは、設定された解析モデル（ＦＥＭ解析用の形状モデル）について、設定した熱変化状態で解析を実行する。有限要素法による解析は、陰解法でも陽解法でも問わないが、解析精度の観点から、静的陰解法が望ましい。
ポストプロセッサ１１Ｃは、ソルバー１１Ｂが解析した弾性接着剤自体の歪・応力挙動の解析結果を表示するための処理を実施する。例えば、拘束されている弾性接着剤自体が発生する応力分布の図や変形の様子などを、三次元モデルなどで表示する処理を行う。
【００１６】
解析処理ソフトの処理例を図２及び図３に示す。
図２に示す処理例は、熱変化状態での解析の場合のＦＥＭ解析フロー例である。図２の例では、ステップＳ１０で、プリプロセッサ１１ＡがＦＥＭモデルを設定する。
ステップＳ２０では、ソルバー１１Ｂが、加熱条件が所定温度以上の加熱と判定した場合には、その加熱による弾性接着剤に発生すると予測される膨張を拘束した際に弾性接着剤自体に発生する引張応力や形状変化（膨張）について解析を実行する。
ステップＳ３０では、ソルバー１１Ｂが、冷却条件が発生すると判定した場合には、その冷却条件による弾性接着剤に発生する収縮を拘束した際に弾性接着剤自体に発生する圧縮応力や形状変化（圧縮）について解析を実行する。
ステップＳ４０では、ポストプロセッサ１１Ｃが、ソルバー１１Ｂの解析に基づき、弾性接着剤自体に発生する歪・応力挙動の状態を表示する処理を実行する。
【００１７】
図３に示す処理例は、第２の熱変化状態での解析の場合のＦＥＭ解析フロー例である。図３の例では、ステップＳ１１０で、プリプロセッサ１１ＡがＦＥＭモデルを設定する。
ステップＳ１２０では、ソルバー１１Ｂが、加熱条件が所定温度以上の加熱と判定した場合には、その加熱による温度上昇を弾性接着剤に付与して、弾性接着剤自体に発生する膨張による引張応力や形状変化（膨張）について解析を実行する。
ステップＳ１３０では、ソルバー１１Ｂが、冷却条件が発生すると判定した場合には、その冷却条件に応じた温度降下を弾性接着剤に付与し、弾性接着剤自体に発生する収縮による圧縮応力や形状変化（圧縮）について解析を実行する。
ステップＳ１４０では、ポストプロセッサ１１Ｃが、ソルバー１１Ｂの解析に基づき、弾性接着剤自体に発生する歪・応力挙動の状態を表示する処理を実行する。
【００１８】
本実施形態によれば、弾性接着剤のモデル情報として、弾性係数及び熱膨張係数を設定することで、弾性接着剤自体が変形することによる挙動も考慮されて、温度変化による弾性接着剤自体の体積変化や、それに伴う応力も考慮することが可能となる。
またこのとき、弾性接着剤の形状モデルについて、輪郭形状として曲率が急峻する部分を有しない形状とすることで、弾性接着剤自体の体積変化における挙動において、実際と異なる挙動を示すことを回避している。
この結果、本発明の一態様によれば、より高精度に弾性接着剤自体の歪・応力変化挙動を解析することが可能となる。
温度変化条件について、実際の加熱工程における膨張と冷却過程における収縮との両方の温度変化条件を考慮しても構わないし、目的によっては、膨張のみ、または収縮のみの温度変化条件を考慮して解析でも構わない。
【００１９】
ここで、熱弾性モデルにおいては、熱膨張係数として弾性接着剤の固有値を用いればよいが、実験等で求めた値を熱膨張係数として使用しても構わない。与える温度変化条件は、−１０〜２５０℃の温度範囲とすることが好ましい。より好適な温度範囲は２０〜１８０℃である。
以上のように、本実施形態によれば、部品形状データ、被接着側の形状データや強度データ、弾性接着剤の物性値の情報があれば、対象製品を製作することなく、拘束されている弾性接着剤自体の挙動を予測することが可能となる。
【実施例】
【００２０】
次に、本発明に係わる実施例について説明する。
モデルは、図４及び図５に示すように、モデルａと、枠を模擬したモデルｂと、モデルｂに拘束されるモデルｃと、モデルａとモデルｃを連結する弾性接着剤を模擬したモデルｄと、を有する。本実施例では、弾性接着剤としてマスチック接着剤を想定した。
モデルａは、投影で（平面視で）２８６ｍｍ角の矩形形状からなる平板状の被接着体モデルである。
モデルｂは剛体とした。モデルｂは、厚さ１２ｍｍでかつ３００ｍｍ角の枠体として設定した。
モデルｃは、厚さ２ｍｍで、かつ投影で（平面視で）２８６ｍｍ角の矩形形状からなる平板状の被接着体モデルである。
【００２１】
ここで、モデルａの板厚を変えて６種類個別に設定して解析した。板厚条件を変えることで、モデルａによる弾性接着剤への板厚方向の拘束条件を種々設定して、弾性接着剤自体の挙動解析を実行した。
モデルｄは、弾性接着剤の物性値を使用すると共に、本実施例では熱弾性のＦＥＭモデルを使用し、膨張時及び収縮時に応じた所定の熱膨張係数及びヤング率（弾性係数）を設定した。このとき、膨張時のヤング率（弾性係数）を１００ＭＰａ、収縮時のヤング率（弾性係数）を２００ＭＰａとした。モデルｄの形状モデルは、２０ｍｍφ×３ｍｍｈの円柱形状に設定した。
【００２２】
また、図６に示すように、治具や各被接着体をメッシュに分割した。弾性接着剤は、図７に示すように、複数のソリッド要素に分割した。なお、解析は静的陰解法を用いている。
弾性接着剤のソリッド要素において、２０℃から１７０℃へ昇温後、１７０℃から２０℃へ降温する温度変化による温度荷重を付与する条件で、弾性接着剤自体の挙動解析を行った。なお、昇温から降温への切替えは、被接着体形状と応力分布を引き継ぐ連成解析にて行った。
【００２３】
また解析結果の検証用として、本モデルと同じサイズおよび構成の試験治具を作製して、実験を行った。そして、弾性接着剤の表面（側面）の挙動変化具合を目視で観察した。
解析による弾性接着剤自体の挙動は、実験における目視による観察結果と整合が取れていることを確認した。これは、本発明に基づくＦＥＭモデルが弾性接着剤自体の挙動予測に有効な手法であることを示している。
【符号の説明】
【００２４】
１０   ＣＡＤソフト
１１   解析ソフト
１１Ａ プリプロセッサ
１１Ｂ ソルバー
１１Ｃ ポストプロセッサ
ａ     被接着体モデル
ｂ     枠のモデル
ｃ     被接着体モデル
ｄ     弾性接着剤のモデル
【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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