(57)【要約】【課題】本発明は、プレス成形工程のＦＥＭ解析において、計算コストを抑えながら曲げ剛性を考慮してしわの発生をより高精度に予測することを課題とする。【解決手段】取得したブランク材の形状データに基づき、ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部と、基本モデルの各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部と、材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータをシェル要素に定義して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、を有することを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成システムを提供する。【選択図】図２
2015052924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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、
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部と、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部と、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部と、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
を有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】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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、
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部と、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部と、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部と、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
を有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３】
前記ブランク解析モデル生成部は、前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記曲げ剛性として前記所定距離と前記弾性率を算出して前記シェル要素に定義する
ことを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載のＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項４】
前記ブランク材は、直交異方性材であって、
前記ブランク解析モデル生成部は、前記シェル要素のせん断弾性率を所定値に設定し、前記シェル要素の前記中立面の前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記せん断弾性率から前記所定距離を算出し、前記所定距離から前記シェル要素の０°および９０°方向の弾性率を算出して前記シェル要素に定義する
ことを特徴とする請求項３に記載のＦＥＭ解析モデル生成システム。
【請求項５】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析システムであって、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部と、
前記請求項１から４のいずれか１項に記載の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、生成された前記金型解析モデルと、設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部と、
を有することを特徴とするＦＥＭ解析システム。
【請求項６】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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解析モデル生成プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部、および、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
として機能させることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成プログラム。
【請求項７】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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解析モデル生成プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部、および、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
として機能させることを特徴とするＦＥＭ解析モデル生成プログラム。
【請求項８】
前記コンピュータを前記ブランク解析モデル生成部として機能させるときは、前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記曲げ剛性として前記所定距離と前記弾性率を算出して前記シェル要素に定義するように機能させる
ことを特徴とする請求項６、７のいずれか１項に記載のＦＥＭ解析モデル生成プログラム。
【請求項９】
前記コンピュータを前記ブランク材データ取得部として機能させるときは、前記ブランク材として直交異方性材を取得するように機能させ、
前記コンピュータを前記ブランク解析モデル生成部として機能させるときは、前記シェル要素のせん断弾性率を所定値に設定し、前記シェル要素の前記中立面の前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記せん断弾性率から前記所定距離を算出し、前記所定距離から前記シェル要素の０°および９０°方向の弾性率を算出して前記シェル要素に定義するように機能させる
ことを特徴とする請求項８に記載のＦＥＭ解析モデル生成プログラム。
【請求項１０】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部、および、
生成された前記ブランク材解析モデルと前記金型解析モデルと設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部、
として機能させることを特徴とするＦＥＭ解析プログラム。
【請求項１１】
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部、および、
生成された前記ブランク材解析モデルと前記金型解析モデルと設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部、
として機能させることを特徴とするＦＥＭ解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、織物材またはこれに樹脂を含浸させてなる複合材を用いるプレス成形の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に関し、コンピュータによるプレス金型の設計支援システムの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機の機体や自動車の車体等の各種部材として、強度を維持しつつ更なる軽量化のために、例えば炭素繊維やガラス繊維等の強化材からなるドライファブリックと称される織物材、または炭素繊維等の織物材に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグシートや熱硬化性樹脂を含浸させたスタンパブルシートなどの複合材（以下、「織物材等」という）をブランク材とし、これを単層でまたは積層してプレス成形した部材が用いられることがある。
【０００３】
この際、一般にプレス成形工程において、ブランク材に応じた適切な条件で成形を行わないと、成形品にしわや割れなどの成形不良が発生する。特にブランク材が織物材または織物材等の場合、その内部構造（強化材の材料特性や層数、織物構造、繊維方向など）に応じて発生するしわの方向や程度が異なる。
【０００４】
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、設計時にプレス金型の形状モデルを作成してプレス成形工程のシミュレーション解析を行うことが検討されている。
【０００５】
非特許文献１には、単層の織物材等を膜要素で単層モデル化してプレス成形解析を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【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。
【０００８】
特に、織物材等をブランク材としてプレス成形する場合、その内部の強化材間等ですべりが発生することがあり、このすべりが大きいほど曲げ剛性が小さくなると共に、この強化材の材料特性や強化材間の接触摩擦に応じて発生するすべりの方向や大きさが異なるので、織物材等の種類に応じて、または、同じ織物材等でも曲げる方向によって曲げ剛性が異なる。したがって、特に織物材等のプレス成形の解析において、曲げ剛性を考慮する必要性が大きい。
【０００９】
しかし、非特許文献１に記載された従来技術では、そもそも面外の曲げ剛性が何ら考慮されない膜要素で解析モデルを作成しており、該解析モデルを用いた解析では、面外の曲げ剛性による影響が無視されてしまうため、解析精度が不十分であった。
【００１０】
また、強化材からなる繊維束の織物構造を詳細にモデル化して解析を行う、いわゆるメソモデル解析を行うことも考えられる。この解析の場合、曲げ剛性も考慮した解析を行うことができるが、解析モデルの規模が大きくなるので、非常に大きな計算コストを必要となり、実際の設計に適用するのは困難である。さらに、ブランク材が複層の織物材等である場合、層数に応じて解析モデルの規模が大きくなるため、実際の設計への適用は非常に難しい。
【００１１】
そこで、本発明は、プレス成形工程のシミュレーション解析において、計算コストを抑えながら曲げ剛性を考慮してしわの発生をより高精度に予測することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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、
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部と、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部と、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部と、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
を有することを特徴とする。
【００１４】
本願の請求項２に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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、
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部と、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部と、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部と、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項１、２のいずれか１項に記載の発明において、
前記ブランク解析モデル生成部は、前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記曲げ剛性として前記所定距離と前記弾性率を算出して前記シェル要素に定義する
ことを特徴とする。
【００１６】
また、本願の請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の発明において、
前記ブランク材は、前記直交異方性材であって、
前記ブランク解析モデル生成部は、前記シェル要素のせん断弾性率を所定値に設定し、前記シェル要素の前記中立面の前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記せん断弾性率から前記所定距離を算出し、前記所定距離から前記シェル要素の０°および９０°方向の弾性率を算出して前記シェル要素に定義する
ことを特徴とする。
【００１７】
また、本願の請求項５に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析システムであって、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部と、
前記請求項１から４のいずれか１項に記載の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、生成された前記金型解析モデルと、設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本願の請求項６に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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解析モデル生成プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部、および、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
として機能させることを特徴とする。
【００１９】
また、本願の請求項７に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形を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解析モデル生成プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部、および、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
として機能させることを特徴とする。
【００２０】
また、本願の請求項８に記載の発明は、前記請求項６、７のいずれか１項に記載の発明において、
前記コンピュータを前記ブランク解析モデル生成部として機能させるときは、前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記曲げ剛性として前記所定距離と前記弾性率を算出して前記シェル要素に定義するように機能させる
ことを特徴とする。
【００２１】
また、本願の請求項９に記載の発明は、前記請求項８に記載の発明において、
前記コンピュータを前記ブランク材データ取得部として機能させるときは、前記ブランク材として直交異方性材を取得するように機能させ、
前記コンピュータを前記ブランク解析モデル生成部として機能させるときは、前記シェル要素のせん断弾性率を所定値に設定し、前記シェル要素の前記中立面の前記所定距離と前記シェル要素の弾性率との関係に基づいて、前記せん断弾性率から前記所定距離を算出し、前記所定距離から前記シェル要素の０°および９０°方向の弾性率を算出して前記シェル要素に定義するように機能させる
ことを特徴とする。
【００２２】
また、本願の請求項１０に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、前記ブランク材をメッシュで複数の要素に分割された基本モデルを生成する基本モデル生成部、
前記基本モデル生成部で生成された前記基本モデルの前記各要素について、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、前記膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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て重層モデルを作成する重層モデル作成部、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部、および、
生成された前記ブランク材解析モデルと前記金型解析モデルと設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部、
として機能させることを特徴とする。
【００２３】
また、本願の請求項１１に記載の発明は、
織物材または複合材をブランク材とするプレス成形をＦＥＭ解析によりシミュレーションするＦＥＭ解析プログラムであって、
コンピュータを
前記ブランク材の材料特性データと形状データとを取得するブランク材データ取得部、
前記ブランク材データ取得部で取得した前記ブランク材の前記形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定すると共に、前記膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化されたブランク材を作成する重層化ブランク材作成部、
前記重層化ブランク材作成部で作成された重層化ブランク材を複数の要素に分割し、前記中心位置に配置された膜でなる膜要素と、ＦＥＭ解析時に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前記シェルでなるシェル要素とが節点を共有させて重なる重層モデルを作成する重層モデル作成部、
前記材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を前記膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータを前記シェル要素に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、
金型の解析モデルを生成する金型解析モデル生成部、および、
生成された前記ブランク材解析モデルと前記金型解析モデルと設定された解析条件とに基づいて、ＦＥＭ解析を行う解析部、
として機能させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上の構成により、本願各請求項に係る発明によれば、次の効果が得られる。
【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り、その内部ですべりが生じることがある。このすべりは曲げ剛性に影響するので、その曲げ剛性は、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。
【００２６】
請求項１に係る発明によれば、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に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、そして、面内の応力ひずみ特性を膜要素に定義すると共に、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータをシェル要素に定義したブランク材の解析モデルを生成できる。したがって、膜要素とシェル要素とを組み合わせたモデリングを行うことで、面内の特性と完全に独立して面外の曲げ剛性を表すためのデータを設定することができるため、実際には不連続体である織物材および複合材を連続体の解析モデルとして表現することができる。したがって、この解析モデルを用いてＦＥＭ解析を行うことで、曲げ剛性を考慮したより精度の高い解析結果が得られる。
【００２７】
また、複層の場合、層間ですべりが生じることがあり、この層間のすべり具合も曲げ剛性に影響する。請求項１に係る発明によれば、この複層としてのブランク材の実際の曲げ剛性をブランク材データとして取得させるだけで、層間のすべりが影響するこの曲げ剛性を考慮した解析モデルを、単層の場合と同じ規模で作成することができる。そのため、この解析モデルを用いてＦＥＭ解析を行う際、計算コストは単層の場合とほぼ変わらない。よって、特に積層枚数が１００層を超えるような非常に多い場合に計算コストを大幅に低減できる。したがって、請求項１に係る発明によれば、プレス成形工程のシミュレーション解析において、計算コストを抑えながら曲げ剛性を考慮してしわの発生をより高精度に予測することができる。
【００２８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明と、ブランク解析モデルの生成の際、複数の要素に分割するメッシュ化と、膜の両側にシェルを重ねる重層化の順序が逆である点で実質的に相違する。しかし、この請求項２に係る発明によれば、結果として請求項１に係る発明と同様のブランク解析モデルを生成できるので、請求項１に係る発明と同様の効果を得ることができると共に、上述のメッシュ化と重層化の順序は任意に設定可能であるので、実際にＦＥＭ解析モデル生成システムを設計する際の自由度を向上させることができる。
【００２９】
請求項３に係る発明によれば、ブランク解析モデル生成部は、材料特性データに基づいて、面外の曲げ剛性を表すためのデータとして、シェル要素中立面の所定距離とシェル要素の弾性率を算出してシェル要素に設定するので、実際の面外の曲げ剛性を反映したブランク解析モデルを生成することができ、この解析モデルを用いることで、曲げ剛性をより正確に考慮した、さらに高精度な解析結果を得ることができる。
【００３０】
請求項４に係る発明によれば、ブランク材として広く使用されている平織り等の直交異方性材を用いる場合に、請求項１に係る発明と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
請求項５、１０、１１に係る発明によれば、解析部において、生成されたブランク解析モデルを解析するための格別な構成が必要ないので、汎用の解析ソルバを用いてＦＥＭ解析を行うことができる。
【００３２】
請求項６に係る発明によれば、請求項１に係るＦＥＭ解析モデル生成システムの発明と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
請求項７に係る発明によれば、請求項２に係るＦＥＭ解析モデル生成システムの発明と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
請求項８に係る発明によれば、請求項３に係るＦＥＭ解析モデル生成システムの発明と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
請求項９に係る発明によれば、請求項４に係るＦＥＭ解析モデル生成システムの発明と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態であるプレス成形の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】本システムの記憶装置の構成を示すブロック図である。
【図４】ブランク材の材料特性に関するブランク材データを示す図である。
【図５】ブランク材の形状等に関するブランク材データを示す図である。
【図６】ブランク解析モデルデータを示す図である。
【図７】積分点に関するＦＥＭ解析データを示す図である。
【図８】その余に関するＦＥＭ解析データを示す図である。
【図９】本システムの出力装置に出力表示された画面の例を示す図である。
【図１０】プレス成形工程を概略的に説明する説明図である。
【図１１】織物材であるブランク材の斜視図である。
【図１２】同ブランク材の拡大図である。図１２（ａ）は、織物材の織物構造を説明する拡大平面図である。図１２（ｂ）は、同織物材が単層の場合の拡大側面図であり、図１２（ｃ）は、同織物材が複層の場合の拡大側面図である。
【図１３】ブランク解析モデル生成システムのメインルーチンの制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】図１３におけるブランク解析モデル生成のサブルーチンの制御方法を示すフローチャートである。
【図１５】図１４における面外曲げ剛性算出のサブルーチンの制御方法を示すフローチャートである。
【図１６】ＦＥＭ解析システムの解析部の制御方法を示すフローチャートである。
【図１７】織物材または複合材であるブランク材の解析モデルを説明する図である。
【図１８】同解析モデルを曲げたときに発生するひずみを概略的に説明する図である。
【図１９】同解析モデルに発生した応力の計算方法を説明する図である。
【図２０】プレス成形シミュレーションを説明する斜視図である。
【図２１】プレス成形シミュレーションの解析結果を示す斜視図である。図２１（ａ）は、メソモデル解析を行った場合のしわの発生状況を示す図である。図２１（ｂ）は、本発明の解析システムを用いた場合のしわの発生状況を示す図である。図２１（ｃ）は、比較例として、曲げ剛性を考慮しなかった場合のしわの発生状況を示す図である。
【図２２】同システムの処理装置の変形例の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る織物材または複合材を用いるプレス成形の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１００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。
【００３８】
（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プレス成形のＦＥＭ解析システム１の中心となるコンピュータ１０の構成を示す。このコンピュータ１０は、ＣＰＵ等の処理装置１１と、メモリまたはハードディスク等の記憶装置１２と、キーボード、マウスまたはＣＤ−ＲＯＭドライブ等の入力装置１３と、液晶ディスプレイまたはプリンタ等の出力装置１４とを有する。
【００３９】
（１−１）処理装置
図２は、図１の処理装置１１の構成を示す。この処理装置１１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、ブランク解析モデル生成システム１００がＦＥＭ解析システム１のサブシステムとして含まれている。
【００４０】
このブランク解析モデル生成システム１００は、ブランク材データＤＴ１を取得するブランク材データ取得部１１０、基本モデルＭ１を生成する基本モデル生成部１２０、重層モデルＭ２を作成する重層モデル作成部１３０、ブランク解析モデルＭ３を生成するブランク解析モデル生成部１４０から主に構成されている。
【００４１】
また、処理装置１１は、当該プレス成形装置の金型形状データＤＴ５を取得する金型形状データ取得部２００と、金型形状データＤＴ５に基づいて金型解析モデルｍを生成する金型解析モデル生成部２２０とを有する。さらに、処理装置１１は、ブランク解析モデルＭ３と金型解析モデルｍを用いてプレス成形シミュレーションを行う解析部３００を有し、プレス成形シミュレーション結果を出力装置１４に表示するための解析結果表示部４００を有している。
【００４２】
（１−２）記憶装置
図３は、図１の記憶装置１２の構成を示す。この記憶装置１２は、プログラム記憶部１２Ａとデータ記憶部１２Ｂから主に構成されている。プログラム記憶部１２Ａは、基本モデル生成プログラムＰＲ１、重層モデル作成プログラムＰＲ２、ブランク解析モデル生成プログラムＰＲ３、金型解析モデル生成プログラムＰＲ４、解析プログラムＰＲ５（いわゆる解析ソルバ）および結果表示プログラムＰＲ６をそれぞれ格納するプログラム格納部１２Ａ１〜１２Ａ６を有している。各プログラムＰＲ１〜ＰＲ６は、上述の処理装置１１における基本モデル生成部１２０、重層モデル作成部１３０、ブランク解析モデル生成部１４０、金型解析モデル生成部２２０、解析部３００、解析結果表示部４００によってそれぞれ実行される。
【００４３】
また、データ記憶部１２Ｂは、ブランク材データＤＴ１、基本モデルデータＤＴ２、重層モデルデータＤＴ３、ブランク解析モデルデータＤＴ４、金型形状データＤＴ５よび金型解析モデルデータＤＴ６をそれぞれ格納するデータ格納部１２Ｂ１〜１２Ｂ６有している。以下、これらデータＤＴ１〜ＤＴ６ついて説明する。
【００４４】
（１−２−１）ブランク材データ
ブランク材データＤＴ１は、ブランク材Ｂの材料特性と形状等に関するデータである。このブランク材データＤＴ１は、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶され、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の入力装置１３を介してブランク材データ取得部１１０によって処理装置１１に入力され、記憶装置１２に記憶される。
【００４５】
ブランク材Ｂの材料特性に関するデータには、応力ひずみ特性データテーブルと曲げ剛性データテーブルが含まれる。ブランク材Ｂが直交異方性材料の場合、具体的には、図４に示すように、応力ひずみ特性データテーブルには、０°、９０°方向およびせん断の応力ひずみ特性が含まれる。また、曲げ剛性データテーブルには、０°、４５°および９０°方向の曲げ剛性ＥＩ０、ＥＩ４５、ＥＩ９０が含まれる。
【００４６】
０°、９０°方向の応力ひずみ特性は、ブランク材Ｂと同じ材料で形成された試験片を用いた実際の引張試験によって得られる。また、せん断の応力ひずみ特性は、ピクチャフレーム試験もしくは＋／−４５°配向の試験片を伸張させるＢｉａｓ−Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ試験によって得られる。ブランク材Ｂが複数の織物材等が積層されたものである場合、上述の試験は、ブランク材と同様に積層された状態である複層の試験片を用いて行う。なお、一般的に、０°方向、せん断および９０°方向の応力ひずみ特性は、その弾性範囲では、ひずみに対する応力の変化率（傾き）がほぼ一定であり、これらの変化率は、０°方向の引張弾性率Ｅ０、せん断弾性率Ｇおよび９０°方向の引張弾性率Ｅ９０をそれぞれ技術的に意味する。
【００４７】
０°、４５°および９０°方向の曲げ剛性ＥＩ０、ＥＩ４５、ＥＩ９０は、ブランク材Ｂと同じ材料で形成された試験片を用いた実際の曲げ試験によって得られる。ブランク材Ｂが複数の織物材等が積層されたものである場合、上述の試験は、ブランク材と同様に積層された状態である複層の試験片を用いて行う。なお、一般的に、０°、４５°および９０°方向の曲げ試験によって、曲率に対するモーメントの大きさが得られるが、その弾性範囲では、曲率に対するモーメントの変化率（傾き）はほぼ一定であり、これらの変化率は、０°、４５°および９０°方向の曲げ剛性ＥＩ０、ＥＩ４５、ＥＩ９０をそれぞれ技術的に意味する。
【００４８】
なお、上述の材料特性に関するデータを得るために、試験片を用いて実際に試験を行う替わりに、ブランク材Ｂの一部について、その構造を詳細にモデル化したものを解析するメソモデル解析を行い、この解析結果を上述の材料特性に関するデータとして用いてもよい。
【００４９】
ブランク材Ｂの形状に関するデータには、外形線データテーブルと厚みデータが含まれる。外形線データテーブルは、シート状のブランク材Ｂをプレス方向から視たときの外形線の形状を示すデータであり、ブランク材ＢのＣＡＤデータ等に基づいてブランク材データ取得部１１０によって生成される。具体的には、外形線データテーブルは、図５に示すように、線分番号Ｌ…、線分タイプ（フィレット、円弧、直線）、第１端点座標（ＸＹ座標）、第２端点座標（ＸＹ座標）、中心座標（ＸＹ座標）、半径Ｒ、開始角度αおよび終了角度βから構成されている。
【００５０】
ここで、ブランク材Ｂの外形線は、複数の線分から構成された閉曲線として考えているため、外形線データは、各線分について、フィレット、円弧または直線のいずれかを示す線分タイプと、線分の両端のＸＹ座標を示す第１、第２端点座標と共に、線分が円弧またはフィレットの場合、その中心座標および半径Ｒと、線分の両端の位相を示す開始角度αおよび終了角度βをデータとして有している。
【００５１】
（１−２−２）基本モデルデータ
基本モデルデータＤＴ２は、ブランク材Ｂの外形線で囲まれた面内を複数の要素に分割した基本モデルＭ１のメッシュデータである。この基本モデルデータＤＴ２は、上述のブランク材データＤＴ１の外形線データテーブルと厚みデータに基づいて、基本モデル生成部１２０によって生成され、記憶装置１２に記憶される。
【００５２】
基本モデルデータＤＴ２には、節点座標テーブルと要素構成データテーブルが含まれる。具体的には、節点座標テーブルには、各節点のＸＹＺ座標が含まれ、要素構成データテーブルには、各要素形状が四角形の場合、第１節点番号、第２節点番号、第３節点番号および第４節点番号が含まれる。
【００５３】
（１−２−３）重層モデルデータ
重層モデルデータＤＴ３は、基本モデルＭ１の各要素について、その厚み中心位置に膜要素を設定し、該膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に中心位置より両側に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た重層モデルＭ２に関するデータである。この重層モデルデータＤＴ３は、基本モデルデータＤＴ２に基づいて重層モデル作成部１３０によって作成され、記憶装置１２に記憶される。
【００５４】
重層モデルデータＤＴ３には、部品構成データテーブル、節点座標テーブルおよび要素構成データテーブルが含まれる。具体的には、部品構成データテーブルには、各部品の要素タイプ（膜要素またはシェル要素）と厚みが含まれ、節点座標テーブルには、各節点のＸＹＺ座標が含まれ、要素構成データテーブルには、各要素の部品番号、第１節点番号、第２節点番号、第３節点番号および第４節点番号が含まれる。
【００５５】
（１−２−４）ブランク解析モデルデータ
ブランク解析モデルデータＤＴ４は、解析部３００で用いられるブランク材Ｂの解析モデルＭ３を示すデータである。このブランク解析モデルデータＤＴ４は、重層モデルデータＤＴ３に基づいてブランク解析モデル生成部１４０によって生成され、記憶装置１２に記憶される。
【００５６】
ブランク解析モデルデータＤＴ４には、部品構成データテーブル、節点座標テーブルおよび要素構成データテーブルが含まれる。具体的には、図６に示すように、部品構成データテーブルには、各部品の要素タイプ（膜要素またはシェル要素）と厚みが含まれ、節点座標テーブルには、各節点のＸＹＺ座標が含まれる。また、要素構成データテーブルには、各要素の部品番号、第１節点番号、第２節点番号、第３節点番号、第４節点番号と共に、各シェル要素の中立面の膜要素からのオフセット量ｄ、各シェル要素の弾性率Ｅshellおよび各膜要素の応力ひずみ特性が含まれる。
【００５７】
（１−２−５）金型形状データ
金型形状データＤＴ５は、プレス金型のＣＡＤデータ等の形状データである。この金型形状データＤＴ５は、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶され、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の入力装置１３を介して金型形状データ取得部２００によって処理装置１１に入力され、記憶装置１２に記憶される。
【００５８】
（１−２−６）金型解析モデルデータ
金型解析モデルデータＤＴ６は、プレス金型の解析モデルｍを示すデータである。この金型解析モデルデータＤＴ６は、金型形状データＤＴ５に基づいて金型解析モデル生成部２２０によって生成され、記憶装置１２に記憶される。
【００５９】
（１−２−７）ＦＥＭ解析データ
ＦＥＭ解析データは、解析部３００での解析中に繰り返し演算されるブランク解析モデルＭ３の各要素または各積分点に関するデータである。このＦＥＭ解析データには、積分点データテーブル、要素構成テーブル、材料属性データテーブル、節点座標テーブルが含まれる。
【００６０】
図７に示すように、積分点データテーブルには、ＦＥＭ解析の対象となるブランク解析モデルＭ３の各要素に含まれる積分点番号Ｐ１、Ｐ２・・・と、各積分点が含まれる要素番号Ｅ１、Ｅ２・・・、各積分点の要素座標系での位置成分（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と応力成分（σXX、σXY、σXZ、σYX、σYY、σYZ、σZX、σZY、σZZ）とひずみ成分（εXX、εXY、εXZ、εYX、εYY、εYZ、εZX、εZY、εZZ）が含まれる。
【００６１】
図８（ａ）に示すように、要素構成テーブルには、要素番号Ｅ１、Ｅ２・・・、各要素の材料番号Ｍ１、Ｍ２・・・、面内積分点数および面外積分点数、各要素に含まれる第１節点番号、第２節点番号、第３節点番号および第４節点番号が含まれる。
【００６２】
図８（ｂ）に示すように、材料属性データテーブルには、材料番号Ｍ１、Ｍ２・・・、材料データが含まれる。
【００６３】
図８（ｃ）に示すように、節点座標テーブルには、節点番号Ｎ１、Ｎ２・・・、各節点の全体座標系での位置成分（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が含まれる。
【００６４】
このＦＥＭ解析データは、ブランク解析モデルデータＤＴ４に基づいて解析部３００で生成され、生成されたＦＥＭ解析データに基づいて解析結果出力部４００によって出力装置１４に解析結果が出力される。
【００６５】
（１−３）入力装置
入力装置１３は、ＣＡＤデータ、メッシュデータ等のブランク材Ｂおよびプレス金型等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本システム１の制御等に用いられる。
【００６６】
（１−４）出力装置
出力装置１４には、入力画面、編集画面、解析結果等が表示される。例えば、図９に示すように、プレス成形後の織物材等の三次元形状がグラフィック表示される。
【００６７】
（２）プレス成形装置
上述のＦＥＭ解析システム１によってシミュレーション解析を行うプレス成形について、図１０を参照しながら説明する。
【００６８】
図１０に示すように、このプレス成形を行うためのプレス成形装置は、ダイＤ、しわ押さえＦおよびパンチＰを有する。上型となるダイＤは、その下面に成形品の形状に合わせた形状のキャビティＣを有する。下型となるしわ押さえＦは、その中央にダイＤのキャビティＣの輪郭にほぼ沿った形状の開口を有し、その周囲の上面にダイＤのキャビティＣの周囲の面に合わせた形状のしわ押さえ面を有する。同じく下型となるパンチＰは、その外形はしわ押さえＦの開口の形状に合わせた形状で若干小さく形成されており、その上面はダイＤのキャビティＣの形状に合わせた凸形状を有する。
【００６９】
このパンチＰは、しわ押さえＦの開口の内部で昇降できるように、しわ押さえＦの開口の内壁面に対して間隙を設けて配置されている。しわ押さえＦに対してパンチＰが最も下降した状態（図１０（ａ）参照）では、パンチＰの最上端はしわ押さえＦの開口の周囲の上面よりも低くなる。また、しわ押さえＦに対してパンチＰが最も上昇した状態（図１０（ｂ）参照）では、パンチＰの周囲の上面はしわ押さえＦの開口の周囲の上面とほぼ同じ高さになる。
【００７０】
このプレス成形装置を用いたプレス成形は、まず、図１０（ａ）に示すように、製品の材料となる平板状のブランク材Ｂの周囲を、ダイＤのキャビティＣの周囲の下面としわ押さえＦの上面との間で所定の圧力で挟むことでしわ押さえを行う。
【００７１】
次に、図１０（ｂ）に示すように、パンチＰを上昇させ、ブランク材ＢをダイＤのキャビティＣ内に押し込み、ブランク材ＢをダイＤとパンチＰとの間に挟んで押圧する。なお、プレス成形の際に、パンチＰを固定してダイＤおよびしわ押さえＦを昇降させてもよい。
【００７２】
このプレス成形装置によれば、図１０（ｂ）に示すような成形品Ｂ’が得られる。この成形品Ｂ’は、製品部、余肉部およびしわ押さえ部から構成されており、この製品部と余肉部は、上述のプレス成形装置のパンチＰとダイＤとの間のキャビティＣ内で成形され、このしわ押さえ部は、しわ押さえＦとダイＤとの間で成形される。この成形品Ｂ’を製品部の外形線である製品形状外形線に沿って打ち抜くことで、所望の製品を得ることができる。
【００７３】
ここで、しわ押さえＦおよびダイＤ間のしわ押さえ力が適切でないと成形品Ｂ’に割れやしわが生じるおそれがある。一般的に、しわ押さえ力が大きいと、局所的に延びて繊維の破断ひずみが生じる部分で割れが発生しやすくなる。一方、しわ押さえ力が小さいと、ダイＤのキャビティＣ内へ絞り込まれたブランク材Ｂが座屈を起こしてしわが発生しやすくなる。
【００７４】
（３）ブランク材となる織物材または複合材
上述のプレス成形装置によってプレス成形を行うブランク材Ｂとなる織物材または複合材について、図１１、図１２を参照しながら説明する。
【００７５】
ここで扱う織物材とは、特に、有機または無機の繊維状の強化材（例えば、炭素繊維、ガラス繊維など）をシート状に織った材料であり、例えば、ドライファブリックなどがある。また、ここで扱う複合材とは、特に、基材となる上述の織物材または不織の繊維状の強化材に母材となる熱可塑性または熱硬化性の樹脂を含浸させてシート状にした材料であり、例えば、熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグシート、熱可塑性樹脂を含浸させたスタンパブルシートなどがある。
【００７６】
図１１に、ブランク材Ｂの一例として、連続炭素繊維が平織りされた織物材を示す。この織物材の織物構造は、拡大視すると図１２（ａ）に示すように、複数の連続炭素繊維が束ねられた連続繊維束を縦糸（白色を参照）と横糸（黒色を参照）とし、この縦糸と横糸が一束ずつ交差するように織られている。なお、この縦糸と横糸には、互いに異なる材料特性の強化材を用いてもよい。また、織物材の織り方は、平織りに限らず、例えば綾織、朱子織などであってもよい。
【００７７】
この織物材は、図１２（ｂ）に示すように、単層の状態でプレス成形される場合もあれば、図１２（ｃ）に示すように、複数枚の同種または異種の織物材が積層された複層の状態でプレス成形される場合もある。なお、複合材の例として、その内部の基材となる強化材が上述の織物材と同様の構造を備え、この強化材を所望の樹脂で含浸したものがある。
【００７８】
このような構造を備える織物材または複合材は、その繊維状の強化材が特定の方向に延びているので、その方向によって応力ひずみ特性、曲げ剛性などが異なる、すなわち、材料特性に配向性を有するのが特徴である。例えば、図１２（ａ）のように０°方向と９０°方向に繊維が延びる平織りの織物構造の場合、一般に、斜め４５°方向に引張すると最も変形する。また、複合材の場合、基材と母材の各材料特性、基材と母材の間の密着性などによって、その応力ひずみ特性、曲げ剛性などの材料特性が異なるのが特徴である。
【００７９】
（４）制御方法
次に、上述の処理装置１１による一連の制御方法について、以下に説明する。
【００８０】
（４−１）ブランク解析モデル生成方法
ブランク解析モデル生成システム１００によって、ＦＥＭ解析時に用いるブランク解析モデルＭ３を生成する方法について、図１３を参照しながら説明する。
【００８１】
まず、ブランク材データ取得部１１０によって、ブランク材Ｂの材料特性と形状に関するブランク材データＤＴ１を記憶装置１２から取得する（Ｓ１）。
【００８２】
次に、基本モデル生成部１２０によって、取得したブランク材データＤＴ１の外形線データテーブルに基づき、ブランク材Ｂの外形線で囲まれた面内をメッシュ化して複数の要素に分割された２次元の基本モデルＭ１を生成する（Ｓ２）。なお、一般に構造解析の分野において、メッシュ化は公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。また、この実施形態では、メッシュの形状が四角形であるが、三角形であってもよい。
【００８３】
次に、重層モデル作成部１３０によって、生成された基本モデルＭ１の各要素について、図１７に示すように、その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両側にそれぞれ所定距離ｄ（以下、「オフセット量ｄ」という。）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Ｍ２を作成する（Ｓ３）。
【００８４】
作成された重層モデルＭ２は、膜要素Ｅfの厚みがブランク材Ｂの厚みｔに設定されると共に、上下のシェル要素Ｅs1、Ｅs2の厚みがそれぞれｔ／２に設定される。なお、ブランク材が複層の場合、このブランク材Ｂの厚みｔは、複層の場合もブランク材の最外間の厚みである。
【００８５】
最後に、ブランク解析モデル生成部１４０によって、作成された重層モデルＭ２に基づき、後述の方法でブランク材解析モデルＭ３を生成する（Ｓ４）。
【００８６】
ここで、ブランク解析モデル生成部１４０によるブランク材解析モデルＭ３の生成方法について、図１４を参照しながら説明する。図１４は、図１３に示したメインルーチンを構成するブランク解析モデル生成（Ｓ４）のサブルーチンを示している。
【００８７】
まず、ブランク材データＤＴ１の材料特性データに基づき、面内応力ひずみ特性を膜要素Ｅfに定義する（Ｓ１１）。
【００８８】
次に、後述の方法で、面外曲げ剛性を表すデータとして、シェル要素Ｅs1、Ｅs2の中立面のオフセット量ｄと弾性率Ｅshell0、Ｅshell45、Ｅshell90を算出する（Ｓ１２）。
【００８９】
最後に、算出された面外曲げ剛性を表すデータ（具体的には、シェル要素の中立面のオフセット量ｄと弾性率Ｅshell0、Ｅshell45、Ｅshell90）を各シェル要素Ｅs1、Ｅs2に定義し（Ｓ１３）、上述のメインルーチンに戻る。
【００９０】
ここで、上述の面外曲げ剛性を表すデータの算出方法について、図１５を参照しながら説明する。図１５は、図１４に示した面外曲げ剛性算出（Ｓ１２）のサブルーチンを示している。
【００９１】
一般に、ブランク材Ｂの０°、４５°および９０°方向の引張弾性率Ｅ0、Ｅ45、Ｅ90を比較すると、４５°方向の引張弾性率Ｅ45が最も小さい。また、ポアソン比＝０と仮定すると、当然に４５°方向の引張弾性率Ｅ45は、せん断弾性率Ｇshellの２倍となる。これらを前提にして以下を説明する。
【００９２】
まず、シェル要素の４５°方向の弾性率Ｅshell45を最小の引張弾性率Ｅ45に基づいて次式（１）により算出し、シェル要素の４５°方向の弾性率Ｅshell45とせん断弾性率Ｇshellの関係式（２）により、シェル要素のせん断弾性率Ｇshellを算出する（Ｓ２１）。
【００９３】
【数１】
2015052924.tif 000003
【００９４】
【数２】
2015052924.tif 000004
【００９５】
なお、式（１）では、シェル要素の４５°方向の弾性率Ｅshell45を引張弾性率Ｅ45の１／５０としたが、この１／５０の値に限るものではない。この値は、シェル要素の面内応力ひずみ特性による膜要素の面内応力ひずみ特性への影響が小さくて無視できる程度になるように設定すればよい。
【００９６】
次に、シェル要素の中立面のオフセット量ｄと４５°方向の弾性率Ｅshell45との関係を示す次式（３）を用いて、ブランク材Ｂの４５°方向の曲げ剛性ＥＩ45に基づいてオフセット量ｄを算出する（Ｓ２２）。
【００９７】
【数３】
2015052924.tif 000005
【００９８】
次に、ブランク材Ｂの０°方向の曲げ剛性ＥＩ0に基づいて、シェル要素の０°方向の弾性率Ｅshell0を次式（４）により算出する（Ｓ２３）。
【００９９】
【数４】
2015052924.tif 000006
【０１００】
最後に、ブランク材Ｂの９０°方向の曲げ剛性ＥＩ90に基づいて、シェル要素の９０°方向の弾性率Ｅshell90を次式（５）により算出し（Ｓ２４）、上述のメインルーチンに戻る。
【０１０１】
【数５】
2015052924.tif 000007
【０１０２】
ここで、シェル要素の中立面のオフセット量ｄと弾性率Ｅshell0、Ｅshell45、Ｅshell90との関係について、図１８、図１９を参照しながら、以下に詳細に述べる。なお、以下の説明では、弾性率Ｅshellを用いるが、これは、０°、４５°、９０°の全ての方向の弾性率Ｅshell0、Ｅshell45、Ｅshell90に置き換えて考えることができる。
【０１０３】
まず、曲げ剛性ＥＩは、次の関係式（６）を用いて、曲げ試験のモーメントＭと曲率φから算出できる。なお、Ｅは弾性率、Ｉは断面二次モーメントを表す。
【０１０４】
【数６】
2015052924.tif 000008
【０１０５】
ここで、図１８に示すように、ブランク材解析モデルＭ３を曲げ変形させたとき、上下のシェル要素Ｅs1、Ｅs2に応力σxが分布する。このとき、図１９に示すように、各シェル要素Ｅs1、Ｅs2でのモーメントＭは、次式（７）で算出できる。
【０１０６】
【数７】
2015052924.tif 000009
【０１０７】
ここで、以下の関係式（８）、（９）が成り立つ。
【０１０８】
【数８】
2015052924.tif 000010
【０１０９】
【数９】
2015052924.tif 000011
【０１１０】
上述の（８）、（９）により、式（７）は次式（１０）になる。
【０１１１】
【数１０】
2015052924.tif 000012
【０１１２】
したがって、式（７）と式（１０）から次の中立面のオフセット量ｄと弾性率Ｅshellの関係式（１１）が求まる。
【０１１３】
【数１１】
2015052924.tif 000013
【０１１４】
また、式（１１）について弾性率Ｅshellを求める式に変形すると、次式（１２）が得られる。
【０１１５】
【数１２】
2015052924.tif 000014
【０１１６】
以上により、シェル要素Ｅs1、Ｅs2の中立面のオフセット量ｄと弾性率Ｅshell0、Ｅshell45、Ｅshell90との関係式（１１）（１２）が得られた。
【０１１７】
なお、Ｅ45が最も小さいと仮定したが、これに限るものではなく、引張弾性率Ｅ0、Ｅ45、Ｅ90のうちで最も小さい弾性率に基づいて、同方向のシェル要素Ｅs1、Ｅs2の弾性率Ｅshellを最初に算出し、算出されたシェル要素の弾性率に基づいて、シェル要素Ｅs1、Ｅs2の中立面のオフセット量ｄを算出し、このオフセット量ｄに基づいて、残りの方向のシェル要素Ｅs1、Ｅs2の弾性率Ｅshellを算出すればよい。
【０１１８】
（４−２）ＦＥＭ解析方法
次に、ＦＥＭ解析モデル生成システム１００で生成されたブランク材解析モデルＭ３と、金型解析モデル生成部２２０で生成された金型解析モデルｍと、設定された解析条件とに基づいて、解析部３００によって実行されるＦＥＭ解析方法について、図１６を参照しながら説明する。
【０１１９】
まず、時間ステップ数Ｎ＝１における解析を開始する（ステップＳ３１）。
【０１２０】
次に、ブランク材解析モデルＭ３の時間ステップ数ＮにおけるＦＥＭ解析データを、既に算出されたＦＥＭ解析データが一時的に記憶された内部メモリから取得する。具体的には、このブランク解析モデルＭ３を構成する全要素の中にある全積分点の時間ステップ数Ｎにおける応力テンソル、ひずみテンソルを取得する（ステップＳ３２）。
【０１２１】
次に、ブランク材解析モデルＭ３を構成する複数の要素から１要素を抽出する（ステップＳ３３）。
【０１２２】
次に、パンチＰの荷重および強制変位量、ならびに解析条件に基づいて、シェル要素と膜要素に共通する各節点の変位ｕを次の運動方程式（１３）を解くことで算出する（Ｓ３４）。なお、次式（１３）のＭはモーメント、Ｋは剛性マトリックス、ｆは荷重をそれぞれ表す。この運動方程式とその解法は、当該分野において周知であるため、詳細な説明を省略する。
【０１２３】
【数１３】
2015052924.tif 000015
【０１２４】
次に、算出された節点の変位に基づいて、この節点を共有する膜要素とその上下のシェル要素の各積分点のひずみεmembrance、εupper-shell、εlower-shellを算出する。このとき、上下のシェル要素のひずみεupper-shell、εlower-shellは、その中立面のオフセット量ｄを考慮して算出する（Ｓ３５）。ここで、ひずみεと変位ｕは、次式（１４）の関係にある。
【０１２５】
【数１４】
2015052924.tif 000016
【０１２６】
よって、本モデルを１次元かつシェル要素は厚み方向に１つの積分点のみを有すると仮定して簡略的に説明すると、節点の並進変位をａ、節点の回転変位をθとおいた場合、上述のひずみεmembrance、εupper-shell、εlower-shellはそれぞれ、次式（１５）〜（１７）により算出できる。
【０１２７】
【数１５】
2015052924.tif 000017
【０１２８】
【数１６】
2015052924.tif 000018
【０１２９】
【数１７】
2015052924.tif 000019
【０１３０】
次に、算出されたひずみεmembrance、εupper-shell、εlower-shellからシェル要素と膜要素にそれぞれ定義された面内の応力ひずみ特性と弾性率とに基づいて、各要素の応力σを算出する（Ｓ３６）。ここで、一般に、応力σとひずみεは、次式（１８）の関係にある。
【０１３１】
【数１８】
2015052924.tif 000020
【０１３２】
よって、同様に本モデルを１次元で簡易的に考えると、膜要素とその上下のシェル要素の応力σmembrance、σupper-shell、σlower-shellはそれぞれ、次式（１９）〜（２１）の関係を有する。
【０１３３】
【数１９】
2015052924.tif 000021
【０１３４】
【数２０】
2015052924.tif 000022
【０１３５】
【数２１】
2015052924.tif 000023
【０１３６】
つまり、これら式（１９）〜（２１）に上述の式（１５）〜（１７）を代入した次式（２２）〜（２４）によって、各応力σmembrance、σupper-shell、σlower-shellは算出できる。
【０１３７】
【数２２】
2015052924.tif 000024
【０１３８】
【数２３】
2015052924.tif 000025
【０１３９】
【数２４】
2015052924.tif 000026
【０１４０】
次に、各々算出されたシェル要素と膜要素の応力σmembrance、σupper-shell、σlower-shellの合力に基づいて、シェル要素および膜要素で共有する節点の荷重ｆを算出する（Ｓ３７）。ここで、一般に、応力σと荷重ｆは、次式（２５）の関係にある。
【０１４１】
【数２５】
2015052924.tif 000027
【０１４２】
よって、同様に本モデルを１次元で簡易的に考えると、荷重ｆと応力σmembrance、σupper-shell、σlower-shellは、次式（２６）の関係を有する。
【０１４３】
【数２６】
2015052924.tif 000028
【０１４４】
この式（２６）に上述の式（２２）〜（２４）を代入して整理すると、次式（２７）になる。
【０１４５】
【数２７】
2015052924.tif 000029
【０１４６】
ここで、Ｅ０≫Ｅshell0の関係があるので、式（２７）は、次式（２８）のように近似できる。
【０１４７】
【数２８】
2015052924.tif 000030
【０１４８】
この式（２８）から明らかなように、並進荷重ｆは、膜要素の弾性率Ｅ0と節点の並進変位ａのみから決定できる。
【０１４９】
また、例えば各要素の積分点が１点である場合、モーメントＭと応力σmembrance、σupper-shell、σlower-shellは、次式（２９）の関係にある。
【０１５０】
【数２９】
2015052924.tif 000031
【０１５１】
この式（２９）に上述の式（２３）〜（２４）を代入した次式（３０）によってモーメントＭを算出する。
【０１５２】
【数３０】
2015052924.tif 000032
【０１５３】
この式（３０）から明らかなように、モーメントＭは、シェル要素の弾性率Ｅshell0と節点の回転変位θのみから決定される。すなわち、節点の並進変位ａはモーメントＭに影響しない。
【０１５４】
次に、当該ブランク解析モデルＭ３の全要素について上述の計算が終了したか否かを判定し、終了していないと判定するとステップＳ３３に戻る（ステップＳ３８）。
【０１５５】
ここで、ステップＳ３８で当該解析モデルの全要素が終了したと判定されると、ＦＥＭ解析部３００におけるＦＥＭ解析が終了したか判定し（ステップＳ３９）、解析が終了したと判定すると、当該メインループの処理を終了する（ステップＳ４０）。
【０１５６】
また、ステップＳ３９で解析が終了していないと判定されると、時間ステップ数ＮからＮ＋１に変更して、ステップＳ３２へ戻る（ステップＳ４０）。
【０１５７】
以上により、ブランク解析モデルＭ３についてＦＥＭ解析を行うことができる。
【０１５８】
（５）変形例
次に、上述の実施形態において、重層モデルＭ２を作成するまでの手順を一部変更した変形例について以下に説明する。
【０１５９】
（５−１）処理装置
図２２は、図１の処理装置１１の構成を示す。図２２に示すように、この変形例の処理装置１１は、基本モデルＭ１を生成する基本モデル生成部１２０の代わりに、重層化ブランク生成部１３５が設けられている点でのみ異なる。
【０１６０】
（５−２）ブランク解析モデル生成方法
ブランク材Ｂに関するブランク解析モデルＭ３をブランク解析モデル生成システム１００によって生成する方法について説明する。
【０１６１】
ブランク材データ取得部１１０によって、ブランク材Ｂの材料特性データと形状データとを取得する。
【０１６２】
重層化ブランク材作成部１２５によって、ブランク材データ取得部１１０で取得したブランク材Ｂの形状データに基づき、その厚み中心位置に膜を設定するとともに、この膜の両側にそれぞれシェルを重ねて重層化された重層化ブランク材モデルＭ１’を作成する。
【０１６３】
重層モデル作成部１３０によって、重層化ブランク材作成部１２５で作成された重層化ブランク材モデルＭ１’を複数の要素に分割し、各要素について、その中心位置に配置された上述の膜でなる膜要素を設定すると共に、膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時にその中心位置より両側にそれぞれ所定距離ｄだけ離間しているものとして扱われる上述のシェルでなるシェル要素を設定して重層モデルＭ２を作成する。
【０１６４】
ブランク解析モデル生成部１４０によって、材料特性データに基づいて、面内の応力ひずみ特性を膜要素に定義し、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータをシェル要素に定義してブランク材Ｂの解析モデルを生成する。
【０１６５】
以上により、モデルを複数の要素に分割するメッシュ化と、膜の両側にシェルを重ねる重層化の順序が逆にした場合も、生成された複層のブランク材解析モデルＭ３は、先の実施形態と同じ構造であるので、解析部３００によって同様に解析可能である。
【０１６６】
（６）ブランク解析モデル生成システムおよびＦＥＭ解析システムの検証
以上に説明したブランク解析モデル生成システム１００による解析を検証するため、以下の手順で解析を行った。
【０１６７】
まず、図２０（ａ）に示すように、プレス金型を構成するダイＤとパンチＰの金型解析モデルｍＤ、ｍPを準備した。
【０１６８】
次に、図２０（ｂ）に示すように、プレス金型とブランク材Ｂの各モデルｍP、ｍD、Ｍ３の位置合わせを行った。
【０１６９】
次に、図２０（ｃ）に示すように、解析条件として、金型の条件（荷重、変位条件）、プレス金型とブランク材Ｂの接触条件を設定した。具体的には、パンチＰのストロークを所定値に設定し（矢印参照）、ブランク材Ｂの四隅（丸印参照）をダイＤに拘束するように条件を設定した。
【０１７０】
これに基づいて、ＦＥＭ解析システム１を用いてプレス成形シミュレーションのＦＥＭ解析を行った。
【０１７１】
図２１は、異なる方法で生成されたブランク解析モデルについて、図２０のプレス成形シミュレーションのＦＥＭ解析を行ったときの解析結果である成形品の形状を示している。図２１（ａ）は、メソモデル解析を行った場合の解析結果を示す。このメソモデル解析の解析結果は、実物のしわの発生状況と解釈した。図２１（ｂ）は、本発明の解析システムを用いた場合の解析結果を示す。図２１（ｃ）は、比較例として、膜要素のみでブランク解析モデルを作成する従来技術の解析結果を示す。この従来技術は、膜要素のみのブランク解析モデルを生成したので、その解析結果は、面外の曲げ剛性が考慮されていない。
【０１７２】
この図２１から明らかなように、本発明のしわの発生状況（図２１（ｂ））は、従来技術のもの（図２１（ｃ））よりも実物のしわの発生状況（図２１（ａ））と非常に近いことが確認できた。これは、本発明は曲げ剛性を考慮しているため、従来技術よりも座屈限界応力が大きくなり、面内圧縮変形が面外曲げ変形に分岐して座屈が生じにくく、しわが減少したためと考えられる。
【０１７３】
（７）ブランク解析モデル生成システムおよびＦＥＭ解析システムの特徴
本発明のブランク解析モデル生成システム１００によれば、厚み中心位置に膜要素を設定すると共に、膜要素とその節点を共有し、ＦＥＭ解析時に中心位置より両側にそれぞれその中立面が所定のオフセット量ｄだけ離間しているものとして扱われるシェル要素を設定し、そして、面内の応力ひずみ特性を膜要素に定義すると共に、面外の曲げ剛性を表すために用いられるデータをシェル要素に定義したブランク材の解析モデルＭ３を生成できる。
【０１７４】
つまり、膜要素とシェル要素とを組み合わせたモデリングを行うことで、面内の特性と完全に独立して面外の曲げ剛性を表すためのデータを設定することができるため、実際には不連続体である織物材および複合材を連続体の解析モデルＭ３として表現することができる。したがって、この解析モデルＭ３を用いてＦＥＭ解析を行うことで、曲げ剛性を考慮したより精度の高い解析結果が得られる。
【０１７５】
また、ブランク材Ｂが複層の場合、層間ですべりが生じることがあり、この層間のすべり具合も曲げ剛性に影響するが、この複層としてのブランク材Ｂの実際の曲げ剛性をブランク材データＤＴ１として取得させるだけで、層間のすべりが影響するこの曲げ剛性を考慮した解析モデルＭ３を、単層の場合と同じ規模で作成することができる。そのため、この解析モデルＭ３を用いてＦＥＭ解析を行う際、計算コストは単層の場合とほぼ変わらない。よって、特に複層の場合、メソモデル解析よりも計算コストを大幅に低減できる。したがって、プレス成形工程のシミュレーション解析において、計算コストを抑えながら曲げ剛性を考慮してしわの発生をより高精度に予測することができる。
【０１７６】
また、ブランク解析モデルの生成の際、複数の要素に分割するメッシュ化と、膜の両側にシェルを重ねる重層化の順序が逆であっても、結果として同様のブランク解析モデルＭ３を生成できる。よって、このメッシュ化と重層化の順序は任意に設定可能であるので、実際にＦＥＭ解析モデル生成システム１００を設計する際の自由度を向上させることができる。
【０１７７】
また、ブランク解析モデル生成部１４０は、ブランク材データＤＴ１の材料特性データに基づいて、面外の曲げ剛性を表すためのデータとして、シェル要素中立面のオフセット量ｄとシェル要素の弾性率を算出してシェル要素に設定するので、実際の面外の曲げ剛性を反映したブランク解析モデルＭ３を生成することができ、この解析モデルＭ３を用いることで、曲げ剛性をより正確に考慮した、さらに高精度な解析結果を得ることができる。
【０１７８】
また、ブランク材Ｂとして広く使用されている平織り等の直交異方性材を用いる場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１７９】
また、一般に汎用の解析ソルバは、板材の外表面または内表面の形状を示す図面データに基づいてこの外表面または内表面を複数の要素に分割したメッシュデータを生成し、ひずみを算出するために、例えば板厚の中心に設定する中立面上に生成されたメッシュデータを板厚の半分だけオフセットさせる補正を行う機能を有する。この機能を用いるため、汎用の解析ソルバは通常、任意の位置に中立面を設定できるように、生成したメッシュデータを中立面までオフセットさせるオフセット量を任意に入力できるように構成されている。上述の機能を応用して、本発明は、このオフセット量に関するデータとして、ブランク解析モデルデータＤＴ４の各シェル要素の中立面の膜要素からのオフセット量ｄを汎用の解析ソルバに入力する。また、ブランク解析モデルデータＤＴ４に含まれるその余のデータも全て汎用の解析ソルバで通常用いられるものである。したがって、本発明のＦＥＭ解析システム１によれば、解析部３００において、生成されたブランク解析モデルＭ３を解析するための格別な構成が必要ないので、汎用の解析ソルバを用いてＦＥＭ解析を行うことができる。
【０１８０】
なお、本発明は例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【０１８１】
例えば、本実施形態では、プレス成形装置は上型がダイＤ、下型がパンチＰおよびしわ押さえＦで構成されているが、下型をダイＤ、上型をパンチＰおよびしわ押さえＦで構成してもよい。
【０１８２】
また、本実施形態では、複合材として、基材である繊維強化材に母材として樹脂を含浸した材料について述べたが、本発明の対象となる複合材はこれに限るものではない。例えば、基材として粒子状強化材、テープ状強化材などを用いてもよい。また、母材としてセラミックス、金属、高分子などを用いてもよい。さらに、本発明の対象となるブランク材Ｂは、織物材および複合材に限らず、広義には、二つ以上の構成要素を組み合わせた材料であって、この構成要素は原子的に溶け合っているのではなく、互いを分け隔てる界面を有する材料であればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１８３】
以上のように、本発明によれば、ドライファブリック、熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグ、熱可塑性樹脂を含浸させたスタンパブルシート等の単層および複層の積層複合材のプレス成形シミュレーションのための解析モデルを短時間で作成できるので、車両や航空機等の構造部品の製造産業分野において好適に利用される可能性がある。
【符号の説明】
【０１８４】
１        ＦＥＭ解析システム
１０      コンピュータ
１００    ブランク解析モデル生成システム
１１０    ブランク材データ取得部
１２０    基本モデル生成部
１２５    重層化ブランク材作成部
１３０    重層モデル作成部
１４０    ブランク解析モデル生成部
２２０    金型解析モデル生成部
３００    解析部
【図１】
2015052924.tif 000033
【図２】
2015052924.tif 000034
【図３】
2015052924.tif 000035
【図４】
2015052924.tif 000036
【図５】
2015052924.tif 000037
【図６】
2015052924.tif 000038
【図７】
2015052924.tif 000039
【図８】
2015052924.tif 000040
【図１０】
2015052924.tif 000041
【図１３】
2015052924.tif 000042
【図１４】
2015052924.tif 000043
【図１５】
2015052924.tif 000044
【図１６】
2015052924.tif 000045
【図１９】
2015052924.tif 000046
【図２０】
2015052924.tif 000047
【図２２】
2015052924.tif 000048
【図９】
2015052924.tif 000049
【図１１】
2015052924.tif 000050
【図１２】
2015052924.tif 000051
【図１７】
2015052924.tif 000052
【図１８】
2015052924.tif 000053
【図２１】
2015052924.tif 000054