(57)【要約】  衝撃を受ける際の破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定する行程からなる破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定する方法、コンピュータ・ソフトウェアおよびデータ処理装置。前記要素あるいは層が衝撃によって破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなす。
2008505416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定する方法であって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなす行程からなることを特徴とする破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２】
前記負荷を担持する部分は、前記要素あるいは層の部分からなることを特徴とする請求項１記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３】
破砕正面を決定し、破砕される一方、前記要素あるいは層を前記破砕正面から通過させることを特徴とする請求項２記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項４】
前記進行抵抗を前記要素あるいは層の個々のノードに適用し、よって前記負荷を担持する部分が前記ノードからなることを特徴とする請求項２または３記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項５】
破砕正面を決定し、破砕される一方、前記要素あるいは層を前記破砕正面から通過させ、次いで
前記進行抵抗を、前記破砕正面を通過した侵入距離あるいは面積により、前記要素あるいは層の量を関数として前記破砕正面を通過したノードと通過されないノードに分割することを特徴とする請求項４記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項６】
前記進行抵抗を、前記破砕正面を通過した侵入距離あるいは面積により、前記要素あるいは層の量に比例して前記破砕正面を通過したノードと通過されないノードに分割することを特徴とする請求項５記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項７】
衝突体の表面が前記要素あるいは層に割り当てられた空間に物理的に侵入したか否かを決定することにより、前記要素あるいは層が破砕しているとみなすべきか否か決定することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項８】
前記要素あるいは層の応力あるいはひずみを算出し、前記応力あるいはひずみを破砕しきい値と比較することにより、前記要素あるいは層が破砕しているとみなすべきか否か決定することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項９】
前記破砕正面を決定し、前記破砕正面に沿って破砕された前記要素あるいは層の厚さを関数として前記進行抵抗を決定することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１０】
前記破砕正面を決定し、前記破砕正面に接触する面積を関数として前記進行抵抗を決定することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１１】
前記進行抵抗は、対象とされる要素に対し、前記接触する面積の一定関数の実効値を備えることを特徴とする請求項１０記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１２】
前記進行抵抗は、前記接触する面積に対して正比例するように決定されることを特徴とする請求項１１記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１３】
前記破砕性材料は複数の層を有する複合材料であり、前記進行抵抗は前記層のレイアップを関数として決定されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１４】
前記進行抵抗は、前記複合材料の前記層の順序を関数として決定されることを特徴とする請求項１３記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１５】
前記進行抵抗は、前記衝撃に関連する１またはそれ以上の動的なパラメータを関数として決定されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１６】
前記進行抵抗は、前記要素あるいは層が衝突する速度および／あるいは角度を関数として決定されることを特徴とする請求項１５記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１７】
前記進行抵抗は、前記要素あるいは層に加えられる回転量を関数として決定されることを特徴とする請求項１５または１６記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１８】
前記構造体の有限な要素群を破砕性を有するものとして指定する工程からなることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項１９】
前記要素群は、有効な全ての要素の部分集合であることを特徴とする請求項１８記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２０】
平行して従来の有限要素解析を実行し、前記要素あるいは層が非破砕モードで演算されるときはいつでも従来の有限要素解析に戻ることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２１】
前記要素または層の解析が従来の有限要素解析に戻ったとき、次の破砕解析のために要素を劣化した破砕可能性のあるものに割り当てることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２２】
前記有限の要素は、殻状の要素であることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２３】
前記有限の要素は、固体状の要素であることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２４】
前記有限の要素は、梁状の要素であることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２５】
破砕正面を決定し、前記要素が前記破砕正面を通過する間、衝突体と前記要素あるいは層の間の相対速度を調整することを特徴とする請求項１から２４のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２６】
前記相対速度の所定関数と一致する、前記要素の長さに沿って前記進行抵抗を修正することを特徴とする請求項２３記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２７】
破砕正面を決定し、前記要素が前記破砕正面を通過する間、衝突体と前記要素あるいは層の間の衝突の角度を調整することを特徴とする請求項１から２６のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２８】
前記衝突の角度の所定関数と一致する、前記要素の長さに沿って前記進行抵抗を修正することを特徴とする請求項２７記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項２９】
破砕正面を決定し、前記破砕正面と前記要素あるいは層との摩擦を決定することを特徴とする請求項１から２８のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３０】
材料減衰係数を指定することを特徴とする請求項１から２９のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３１】
前記破砕性材料は、複合材料からなることを特徴とする請求項１から３０のいずれかに記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３２】
前記複合材料は、繊維強化複合材料からなることを特徴とする請求項３１記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３３】
前記複合材料は、炭素繊維強化複合材料からなることを特徴とする請求項３１記載の破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３４】
破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定する方法であって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記要素あるいは層が消耗する長さから抵抗力を得る行程からなることを特徴とする破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法。
【請求項３５】
適宜なデータ処理手段が実行されるとき、破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定するコンピュータ・ソフトウェアであって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなすことを特徴とする破砕性材料の衝撃抵抗を決定するコンピュータ・ソフトウェア。
【請求項３６】
請求項３５に記載のコンピュータ・ソフトウェアからなると共に、有限要素モデルを実行することを特徴とするコンピュータ・ソフトウェア。
【請求項３７】
前記有限要素モデルは、非線形関数であることを特徴とする請求項３６記載のコンピュータ・ソフトウェア。
【請求項３８】
前記有限要素モデルは、非線形陽関数であることを特徴とする請求項３６記載のコンピュータ・ソフトウェア。
【請求項３９】
破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定するデータ処理装置であって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなすことを特徴とする破砕性材料の衝撃抵抗を決定するデータ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、限定的ではないが、特に衝撃を受けたときの複合車体部品についての破砕性材料の挙動をモデル化するための方法、装置、およびソフトウェアに関連する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、繊維強化複合材料、特に炭素繊維複合材料は、自動車産業に変革を与えるような優れた特性を有するものとして知られている。複合材料はそれらと同等の金属、アルミニウムと比べても非常に軽く、金属材料における溶接加工・プレス加工と同様、複雑な形状の成形が可能なことがよく知られている。
【０００３】
また、複合材料はそれらが自動車、鉄道または土木などの用途にとって理想的とされる高い衝撃吸収特性を有する。例えば、鉄鋼材料は１キログラム当り最大２０キロジュール、アルミニウムは１キログラム当りおよそ３０キロジュールのエネルギしか吸収することができないが、炭素複合材料は１キログラム当り最大８０キロジュールのエネルギを吸収することができる。
【０００４】
さらに、破砕された複合材料は、金属と異なり、衝撃エネルギを吸収した後にあっては残留強度をほとんど有さない。その代わり、複合材料は破砕されると、小片と結合の緩い繊維とになるまで変形させられる。これは金属で構成するよりもスペースを要しないことを意味する。金属で構成した場合、曲げられた金属を収容するためのいわゆるクランブルゾーンを設計しなければならないからである。
【０００５】
従って、大量生産車に炭素繊維複合材料などの複合材料を用いることが望まれている。しかしながら、これまで、それらは最上級スポーツカー、モータスポーツおよび大量生産車の重要でないまたは小さな部品などの非常に限られた範囲で使用されるのみであった。
【０００６】
複合材料の現在の重大な２つの欠点は、比較的高価であることと製造サイクルタイムが長いことである。しかしながら、自動車産業において複合材料の普及を妨げている重大な要因は、複合材料の衝突における挙動のモデル化にある。これは、できるだけ安全な車両を設計するため、または衝突の際に予想し得る車両を設計するために不可欠なものである。衝突における挙動のテストは試作品を製作することで行うこともできるが、高価であると共に、基本設計を確認して安全装置を較正するような設計段階の比較的後期の段階でのみ実現可能である。車両の比較的初期の設計段階においては、有限要素法が様々な金属部品間の相互作用や挙動をモデル化するため、または衝突における挙動を予測するために用いられている。これは、車両設計が高価な試作品を製作してテストすることなく、コンピュータモデルによって提案され、テストされ、変更されることを意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、かかる手法は、現在、複合材料などの破砕性材料に用いられていない。それは、複合材料が金属材料とは非常に異なったメカニズムでエネルギを吸収するためである。金属材料では、応力−ひずみ曲線でよく示されるように、始めに局所的な曲げを生じ、弾性的に折り畳まれることによってエネルギを吸収する。エネルギ吸収の限界点において、体積自体は基本的に変化することなく、荷重を伝達することができないような要素への最終的な破壊（切り裂き破壊あるいは脆性破壊）に至る。
【０００８】
しかしながら、複合材料などのある種の材料は、ミクロスケールにおける局所的な破壊、マトリックス破壊、繊維の座屈や破壊および摩擦熱などによってエネルギを吸収する。マクロスケールで見ると、複合材料は衝撃によって継続的に破砕または消耗されると共に、その体積は破片になるに伴って減少する。
【０００９】
従来技術にあっては、複合材料の破砕の挙動をモデル化する方法として満足いくものはなかった。従来の有限要素解析は、十分な破壊応力値に至るまでは完全性を維持するように複合材料の各要素を全体として１つの要素として取り扱うか、あるいは分割層として取り扱い、その後かかる要素あるいは分割層を解析から単純に削除するか、あるいは所定期間だけ削除するものであった。典型的な例では、元の縁の長さの５％だけが圧縮されて削除されるような要素を生じることもある。従来の有限要素解析は、基本的に大きな体積変化に対処することができず、現実にはエネルギをまだ吸収可能な要素においては大きな誤差を生じる。このような有限要素解析による結果は現実の実験結果と一致せず、例えば自動車などの衝突における構造の挙動の予測にあっては信頼性に欠けるものであった。  
【００１０】
これが、従来技術における明確かつ重大な欠点であり、複合材料が実際に使用されない理由である。あるいは、稀に使用される場合にあっては、要求される最低水準の性能を満たすべく過剰設計しなければならず、または性能を評価すべく大規模な試作によるテストが必要とされ、結局は過度に時間がかかって高価となる。
【００１１】
従って、衝突下における複合材料の性能を確実に予測することができる手法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、この発明の第１の面として、破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定する方法であって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなす行程からなる方法を提供する。
【００１３】
この発明の第２の面として、適宜なデータ処理手段が実行されるとき、破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定するコンピュータ・ソフトウェアであって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が衝撃によって破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなすコンピュータ・ソフトウェアを提供する。
【００１４】
この発明の更なる面として、破砕性材料を含む構造体の衝撃抵抗を決定するデータ処理装置であって、衝撃を受ける際の前記破砕性材料の有限な要素の１またはそれ以上の層のために前記要素あるいは層が破砕によって破壊しているとみなすべきか否か決定し、前記要素あるいは層が破砕していると決定されるとき、前記構造体の負荷を担持する部分を決定し、前記負荷を担持する部分を後の演算のために進行抵抗を受けているものとみなすデータ処理装置を提供する。
【００１５】
発明者達は、破砕性材料の破砕中の実際の破壊モードは、要素あるいは層全体が単一の急激な破壊を受けるというより、むしろ破砕正面で要素あるいは層の継続的な消耗を経て進行抵抗として近似され得ることを知見した。
【００１６】
発明者達は、かかる発明による手法により、破砕性材料についてより現実的で正確な解析結果が得られることを知見した。
【００１７】
一般的に要素あるいは層が受ける抵抗力は、ピーク破壊応力となるのではなく、材料理論を用いて計算されるか、あるいは実験的に決定される低い値となる。例を挙げると、強化樹脂構造のＴ３００のような典型的に強い炭素複合材料の圧縮破壊応力は６００Ｎ／ｍｍ２程度の大きさである。しかしながら、材料が継続的に破砕されるならば、衝突体に対する抵抗は１００Ｎ／ｍｍ２程度の大きさ、即ちピーク圧縮応力の約１／６である。
【００１８】
従って、この発明にあっては、現実に破砕される、即ち、要素長が消耗されることによって抵抗力を受けていると決定される要素に適用可能な新たな破砕モードを追加した。破砕正面とは、構造体に衝撃を与える境界の正面をいうが、それに限られず、破砕正面は例えばその境界と所定の関係を有する箇所ならどこであってもよい。
【００１９】
破砕によって破壊に至ると決定される要素あるいは層は削除されるが、進行抵抗は削除された要素あるいは層および／または構造体の他の負荷を担持する部分に隣接する１またはそれ以上の要素あるいは層に加えられる。負荷を担持する部分は、それ自体も破砕される部分とするのが好適である。例えば、要素や層は（例えば、分裂によって）サイズ変更される、あるいは再決定され、進行抵抗は新たな要素あるいは層に分配される。上記のいずれにおいても、境界は事実上、進行不可なもの（境界における演算の困難性を避けるため、最小限の侵入は認められる場合もある）として取り扱われる。従って、境界に隣接する要素あるいは層のノードの通過は妨げられる。しかしながら、境界を明確に事実上進行不可と取り扱い、要素あるいは層を破壊応力に至るまで単にその境界に圧縮し、要素あるいは層をその残余の影響を考慮することなく削除するような従来の有限要素解析とは区別される。
【００２０】
好適には、要素あるいは層によって占められる空間が破砕正面を通るように、破砕正面は要素あるいは層が侵入するのを許容する。
【００２１】
進行抵抗は、一般に一定の値に固定されるのではなく、要素あるいは層に関連する１またはそれ以上のパラメータの関数とされる。例えば、進行抵抗は破砕前方部に沿って破砕される要素あるいは層の厚さの関数とされる。追加的あるいは代替的に、進行抵抗は破砕正面の接触面積に依存する。好適には、対象とされる要素に対し、抵抗力の実効値は接触面積の一定関数である。原則的ではないが最も簡単な場合では、抵抗力は接触面積に正比例する。追加的あるいは代替的に、破砕性材料が複合材料であれば、進行抵抗は、例えば積層順といった複合材料の層のレイアップの関数として決定される。
【００２２】
また、好適には、破砕抵抗は衝突体が対象とされる要素あるいは層に衝突する際の速度、角度および要素あるいは層に加えられる回転量といった衝撃に関連する１またはそれ以上の動的パラメータの関数ともされる。
【００２３】
要素あるいは層、動的なパラメータの組み合わせは、理論的および／あるいは実験的に決定される。これらの組み合わせが理論的に決定されるとしても、対応する値が逆に実験的に決定されることを否定するものでない。実際に、角度の関数とされる破砕抵抗は、複合材料の層あるいは各層の形状に強く依存するが、実験的に決定されるものである。
【００２４】
好適には、構造の有限要素群は、破砕性を有するものとして指定される。有限要素群は、構造体中のすべての要素からなる。しかしながら、出願人は衝突体の極めて近傍に位置する複合材料の比較的微小な領域のみが破砕を受けることを経験的に知見している。従って、実施形態では要素の小集団のみを破砕されやすい箇所、即ち破砕領域として指定した。このように、これらの要素は本発明の新たな破砕モードにおいて破砕され、この破砕モードで破砕抵抗を演算するために所定のデータが必要とされる。破砕領域の外側の要素は、破砕には至らない。しかしながら、その破砕抵抗を演算するためのデータは不要である。破砕領域外のデータを準備する必要がないことから、破砕中の破砕抵抗の演算に実験データを用いる場合にあっては有益である。
【００２５】
本発明に従って特定の有限要素が破砕されるとき、従来の有限要素解析は一時的に停止されて新たな破砕モードが優先して実行される。換言すれば、従来の有限要素解析にあっては、特定の要素あるいは層の解析は単に実行されないということである。しかしながら、従来の有限要素解析も平行して実行し、他方の解析モードの要素演算に障害が生じた場合や要素が破砕される一方で剪断、引張あるいは層間破壊のような従来の破壊モードが起こる場合、従来の有限要素解析が実行可能とされる。例えば、破砕抵抗力によって強い曲げ応力が生じると、要素は曲げ破壊というよりむしろ引張応力により破壊に至る。
【００２６】
破砕正面を介して要素に与えられる応力が、この発明に従って演算される抵抗力を超えるほど十分でない場合、要素は従来の有限要素解析によって効率的に解析される。しかしながら、有限要素解析が実行された後、要素は再び破砕正面を通過する。
【００２７】
従来の有限要素解析が実行される場合、対象とされる要素あるいは層は破砕不可のもの、あるいは破砕性が劣化したとみなされる。例えば、対象とされる要素あるいは層の抵抗力は、後の破砕を考慮し、前回の破砕中に消耗された量に比例して減少させられる。
【００２８】
ここで好適には、負荷を担持する部分はそれ自体が破砕される要素あるいは層の部分であり、負荷を担持する部分は要素あるいは層の全領域となり得る。即ち、抵抗力は要素あるいは層に分配されるように加えられる。しかしながら、通常の有限要素解析に適用するため、抵抗力は要素の単一のノードに加えられ、よってノードは負荷を担持する部分を構成することになる。実施形態においては、抵抗力はノードに等しく分配される。好適には、抵抗力は要素の破砕正面を通過する進行距離あるいは面積に比例して破砕正面を通過するノードと通過しないノードに分配される。例えば、要素の７０％が破砕正面を通過するとき、算出される抵抗力の７０％が未だ通過していないノードに加えられることになる。
【００２９】
要素あるいは層が与える破砕抵抗は、上述したように、材料理論を用いて決定される。しかしながら、破砕中の内部のメカニズムは極めて複雑である。例えば、繊維複合材料にあっては、そのメカニズムは繊維の型、サイズ、強化特性、回復周期および織り方に因る。この複雑性が、従来、破砕過程をモデル化できなかった要因である。しかしながら、本発明の強みの１つは、マクロ条件（衝突体との接触面積、衝突の速度・角度）を与えることによって抵抗力は単純なマクロ値に近似されるため、破砕の原因となる内部のメカニズムを理解あるいは考慮する必要がないことである。従って、この値は対象とされる材料の微小サンプル（試験片のこと）を試験することによって実験的に得ることができるものであり、その後、より大きく複雑な構造体をモデル化することが可能となる。
【００３０】
本発明によれば、材料全体の厚みを構成している要素を集合的にモデル化することができる、あるいはここで材料が各層あるいは各層のサブグループからなる場合、別々にモデル化することができる。
【００３１】
本発明によれば、要素あるいは層の解析のため、要素あるいは層が破砕を受けているか否かに関する決定が行われる。簡略化のため、実施形態において好適には、この決定は衝突体の境界が物理的に要素に割り当てられた空間の中に侵入したか、あるいはその逆も同様に侵入したか否かを決定することによって行われる。本モデルにおいて、これは要素のノードの内のどの程度のノードが境界あるいはモデル空間の他の領域に定義される破砕正面を通過するかによって決定される。従来の破砕モードでは要素が破砕されておらず、支持構造が崩壊していない場合、その要素は破砕を受けるものと推定される。他の実施形態では、破砕しきい値と比較されるべき要素にかかる応力あるいはひずみが正確に演算される。即ち、この破砕しきい値を超えるとき、要素は破砕されたものとみなされる。しかしながら、要素が破砕を受けていると決定されるとき、本発明に従った処理が適用される。
【００３２】
破砕性材料の挙動をモデル化する本発明にあっては、過度な演算時間あるいは演算能力が必要となるような有限要素の動的なサイズ減少を伴わない点で有益である。本発明の手法の如く、本質的に継続性のある破砕力を用いることの実際上の利点は、金属構造の解析に用いられるのと同等の要素サイズでも適用可能である点である。本発明に従って決定されるように、要素が破砕を受け、対象とされる要素を支持する構造が関係する抵抗力に耐えうるとき、要素のエッジ長は衝突体の外壁に圧縮されることなく、もちろん突出したエッジ長、厚さおよび破砕抵抗力を決定する外壁から抵抗力を受けるが、通過させられる。
【００３３】
本発明の原理が適用される場合、衝突体は構造体に衝撃を与える剛体であるが、これに限られず、ある程度の十分な強度や剛性を備える他の構造体からなるものであってもよい。
【００３４】
実施形態では、要素を殻状としたが、固体状、梁状その他の形状であってもよい。
【００３５】
実施形態では、例えば演算効率の理由から、衝突体の外壁あるいは破砕正面と対象とされる要素との相対速度は、要素が消耗される間において一定とされる。しかしながら、これに限られず、相対速度は要素が破砕正面を通過する間において調整されるようにしてもよい。抵抗力は相対速度の所定の関数に従って要素長で補正してもよい。
【００３６】
同様なことは角度依存性でも言え、要素が消耗される間の回転が考慮される。実際、破砕抵抗に影響を及ぼす各種パラメータは、一般的に要素が消耗される間において、他に厚さ、振動、温度などで更新される。
【００３７】
実施形態では、境界あるいは破砕正面の破砕接触面の摩擦を決定した。これは、要素が破砕を受けるほど十分に安定しているか、あるいは他のメカニズムによって破砕されることになるかに影響を及ぼすために有益である。
【００３８】
本発明にあっては、破砕性材料を含む構造体の衝撃の挙動は減衰を考慮せずにモデル化される。しかしながら、好適には、有限要素解析モデルで広く行われるように、減衰係数を設定してもよい。
【００３９】
本発明は、所定の条件下で残留応力を有することなく分解されるようないかなる破砕性材料にも適用することができる。可能な限り例示すると、コンクリート、木、ガラス、セラミック、ハニカム状材料、泡状材料が挙げられる。本発明の好適な形態として、破砕性材料は複合材料であり、より好適には強化複合材料であり、さらには炭素繊維強化樹脂材である。
【００４０】
本発明の原理は、例えば新規な解析モデルの一部として広範囲に適用されるが、本発明を実行するソフトウェアを既存の有限要素モデルパックに導入してもよい。有限要素モデルは、非線形陽関数解析が好適であるが、非線形であれば陽関数であっても陰関数であっても他の解析計算であってもよい。本発明の実施形態では、これを例えば非線形陽関数の有限要素解析ソフトウェアＭＳＣ．Ｄｙｔｒａｎ（商標）に組み込んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、添付図面に即してこの発明に係る破砕性材料の衝撃抵抗を決定する方法、コンピュータ・ソフトウェアおよびデータ処理装置を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００４２】
本発明の最良の形態において、本発明の原理に従って作動するソフトウェアは、ＭＳＣソフトウェアＩｎｃ．社から提供されるＭＳＣ．Ｄｙｔｒａｎ（商標）２００４有限要素解析パックに収容される。このソフトウェアは複合材料の破壊応力値を収容し、材料の有限要素はそれが削除されるような破壊応力値を超えるまでそれに作用する力をモデル化する。しかしながら、以下の発明の実施形態において、このソフトウェア機能の本発明の部分を補足的に説明する。以下、図１に示される処理工程を説明する。
【００４３】
この処理工程において、第１のメイン工程たる処理ブロック２で予め設定された衝突体と構造体の破砕性があるとして選択された要素との間に衝突あるか否か判断される。衝突があれば、処理ブロック４でその要素のノードが衝突体に侵入したか否か判断される。いずれのノードも衝突体に侵入しないと判断されるとき、第２のメイン工程たる処理ブロック６に進んで要素の応力が更新される。一方、侵入したと判断されるとき、処理ブロック７に進んでノードに接続される要素が既に破砕されていることを示すタグが付されているか否か判断される。タグが付されていないと判断されるとき、処理ブロック８でタグをノードに付加し、次いで処理ブロック６に進んで要素の応力を更新する。ノードに接続される要素が破砕されているとしてタグが既に付されているとき、処理ブロック９に進んで次のサブルーチンが実行される。最初に接触力が０に設定され、次いで破砕方向が保存され、最後に相対速度が保存される。
【００４４】
次いで第２のメイン工程たる処理ブロック６では要素に作用する応力が更新される。更新を行うため、処理ブロック１０で要素のいくつのノードに破砕していることを示すタグが付されているか判断される。要素の全てのノードにタグが付されていると判断されるとき、その要素は破砕されていると考えられるため、処理ブロック１２に進んでその要素は後の解析から除外される。ノードの全てではないが１以上のタグが付されていると判断されるとき、処理ブロック１４に進んで演算されるべき材料特性の適切な方向を決定すべく要素の座標系における破砕方向が推定される。そして入力データ（図２を参照して後に詳述する）から抵抗応力が決定されると共に、全ての要素に破砕タグが付される。
【００４５】
一方、処理ブロック１０でいずれのノードも破砕タグが付されていないと判断されるとき、単に処理ブロック１６に進み、何も実行されない。処理ブロック１２，１４，１６のいずれに進んでも次いで処理ブロック２３に進み、従来の有限要素解析によって要素の応力が更新され、次いで第３のメイン工程たる処理ブロック１８において破砕接触が算出される。
【００４６】
この工程では、処理ブロック２０で要素が破砕を受けるとしてタグ付けをされたか否か判断される。要素がタグ付けされていないと判断されるとき、従来の解析モードを継続し、図１の処理工程の第１の工程に戻る。
【００４７】
一方、要素がタグ付けされていると判断されるとき、以下の４つが実行される。第１に、要素と衝突体との間の交差度が算出される。交差度は、破砕される材料量を決定するために算出される。三角形状が頂点から破砕されるならば、破砕される材料量は増加し、その結果、要素が境界を介して消耗されるため、抵抗力は増加する。第２に破砕方向が算出され、第３に破砕応力が算出され、最後に破砕力が算出される。その後、従来の解析モードを継続し、図１の処理工程の第１の工程に戻る。
【００４８】
上述のモデルに入力する所定の抵抗値を算出するため、複合材料の小さな試験片について破砕テストが行われる。例えば、試験片は平板から６０×３０ｍｍの大きさに切り出され、破砕を安定化させるために厚さ５０ｍｍのハニカムサンドに取り付けられる。結果的に要素の性能評価の障害となるような破砕初期に生じる破砕抵抗の急増を最小化し、ハニカムサンドから剥離するのを防止するために衝突体の表面の外縁は約６０°に面取りされる。ハニカムサンドは、エネルギを吸収するためではなく、表面が曲げられないように、試験片の破砕方向と垂直の方向に一致させられる。図２に試験片の変位（破砕された試験片の量）に対する抵抗力の関係を示す典型的な曲線を示す。この図から、抵抗力は変位の全般に亘って比較的に一定であることが分かる。解析モデルに使用される各種材料の抵抗力は、これを適切に平均化することよって決定される。試験片は均一の断面積を有するため、接触面での抵抗力に変化はない。しかしながら、モデルにおいて、抵抗力の実効値は接触する長さに比例するものとして算出される。
【００４９】
試験片による手法は、様々なレイアップ配置や角度における安定した破砕特性を決定するための安価な手法であるため、有益である。このような試験は、破砕性を有するものとしてモデル化されるべき構造体に用いられる各々の材料について、また追加的に所定の角度範囲について実行される。
【００５０】
具体的な応用例として、断面約８５×１１５ｍｍ、長さ約４５５ｍｍの長方形断面の円錐構造のＴ３００炭素繊維複合材料を剛体の壁に取り付け、剛体のソリ台車を速度制御してそれに衝突させた。図３は、台車の検出減速度とＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ  Ｏｒｄｅｒ４のローパスフィルタ（４次のバターワースローパスフィルタ）を用いて３００Ｈｚ以上の振動数を除去した変位との関係を示す（衝突発生時の変位＝０）。これに基づいて、衝突の実抵抗力は単純に台車の減速度と重量から算出される。図４は、同実験のソリ台車（衝突体の速度）と変位（破砕距離）との関係を示す。
【００５１】
図１に関して上述したように一部変更したＤｙｔｒａｎ２００４ソフトウェアを使用し、円錐形状についてのモデル化を実行した。図５に予測された減速度のプロファイルを示す。実験と同様、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ  Ｏｒｄｅｒ４のローパスフィルタ（４次のバターワースローパスフィルタ）を用いて３００Ｈｚ以上の振動数を除去した。これから、プロファイルと減速度の絶対値がほぼ一致することが分かる。図６に予測されたソリ台車の速度を示すが、ここでも実験値と予測値との一致が見られる。例えば、台車を停止させるまでの予測距離について、予測値３２７ｍｍ、実験値３２８ｍｍであり、１％以内の精度であった。これは従来の方法によって達成される精度よりはるかに正確なものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の実施例に係るソフトウェアの動作を示すフローチャートである。
【図２】複合材料の試験片の変位に対する抵抗力を示すグラフである。
【図３】制御条件下で衝撃を受ける円錐形状の試験片の時間に対する減速度を示すグラフである。
【図４】図３の実験における変位に対するソリ台車の速度を示すグラフである。
【図５】図５に示す減速度の予測値を示すグラフである。
【図６】ソリ台車の速度の予測値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
２，４，６，７，８など    処理ブロック
【図２】
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【図１】
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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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【国際調査報告】
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