(57)【要約】【課題】簡単な構成で、短時間で容易に締結構造体の強度解析を行うことができる方法を提供する。【解決手段】おねじ部材１とめねじ部材２とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法であって、おねじ部材１とめねじ部材２のねじ山の接触部位における節点の径方向、周方向、および垂直方向に作用するバネを仮想し、各仮想されたバネの、接触部位が受ける応力と等価なバネ定数ｋｒ、ｋθ、ｋｎを求めて定義し、接触部位が受ける応力を前記バネに置き換えて、強度の解析に必要な計算を行う。バネの解析は、線形として扱うことができるため、従来の技術のように非線形として扱うために計算を反復して行う必要がなく、強度の解析に必要な計算を短時間で容易に行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
おねじ部材とめねじ部材とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法であって、
おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換えて、強度の解析に必要な計算を行うことを特徴とする締結構造体の強度解析方法。
【請求項２】
おねじ部材とめねじ部材の接触部位における径方向、周方向、および垂直方向に作用するバネを定義して、各バネのバネ定数に基づいて強度の解析に必要な計算を行うことを特徴とする請求項１に記載の締結構造体の強度解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、締結構造体の強度解析方法に関し、さらに詳しくは、おねじ部材とめねじ部材とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばボルトなどのおねじ部材をナットなどのめねじ部材と締結してなる締結構造体において、その応力、ひずみ、変形などから強度を解析するために、従来から有限要素法（ＦＥＭ）に基づいてプログラムされたＦＥＭ解析ソフトウエアを一般に使用している（たとえば特許文献１を参照）。有限要素法による解析では、締結構造体をモデル化して節点によって複数の要素に分割したメッシュを仮想し、各メッシュ毎に方程式を作ってこれをもとに全体としての方程式を組み立てて計算を行っている。
【０００３】
このような有限要素法を用いて締結構造体の強度を解析するに際しては、図１６に示すように、応力が集中するおねじ部材１とめねじ部材２の互いに接触するねじ山付近を特に詳細なメッシュに分割している。そして、従来では一般に、ＦＥＭ解析ソフトウエアを用いて締結構造体の強度を解析するに際して、メッシュの節点毎におねじ部材１とめねじ部材２との互いのねじ山の接触を定義して、接触部位に生じる応力などを各節点毎に計算する必要があった。また、有限要素法による締結構造体の強度解析においては、図１７に示すように、締結する際に発生する応力が時間の経過と比例して増加せず、応力の変化を線形として計算することができないことから非線形として扱い、線形として扱える区間に区切って、線形として近似させて計算を区切られた区間毎に反復して行って解析していた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５３８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の技術では、ＦＥＭ解析ソフトウエアを用いて締結構造体の強度を解析するに際して、メッシュの節点毎におねじ部材とめねじ部材との互いのねじ山の接触を繰返し定義し、さらに、各節点毎に接触部位に生じる応力を計算する必要があるため、解析のための処理が煩雑で手間がかかり、解析に時間がかかるという問題があった。
【０００６】
また、従来の有限要素法による締結構造体の強度解析においては、図１７に示したように、非線形として扱うために反復して計算を行う必要があることから、解析に時間がかかるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、短時間で容易に締結構造体の強度解析を行うことができる方法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】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、おねじ部材とめねじ部材とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法であって、おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換えて、強度の解析に必要な計算を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換えることにより、従来の技術のように非線形として扱うために計算を反復して行う必要がなく、線形として扱うことができるため、強度の解析に必要な計算にかかる時間を短縮することができ、しかも容易に解析を行うことができる。
【００１０】
（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（２）項が請求項２に相当する。
【００１１】
（１）  おねじ部材とめねじ部材とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法であって、
おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換えて、強度の解析に必要な計算を行うことを特徴とする締結構造体の強度解析方法。
【００１２】
（１）項に記載の発明では、おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換える。バネの解析は、線形として扱うことができるため、従来の技術のように非線形として扱うために計算を反復して行う必要がなく、強度の解析に必要な計算を短時間で容易に行うことができる。
【００１３】
（２）  おねじ部材とめねじ部材の接触部位における節点の径方向、周方向、および垂直方向に作用するバネを定義して、各バネのバネ定数に基づいて強度の解析に必要な計算を行うことを特徴とする（１）項に記載の締結構造体の強度解析方法。
【００１４】
（２）項に記載の発明では、（１）に記載の発明において、おねじ部材とめねじ部材の接触部位における節点の径方向、周方向、および垂直方向に作用するバネを仮想して、各仮想されたバネの接触部位が受ける応力と等価なバネ定数を求める。おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力と等価なバネ定数のバネを定義するため、おねじ部材とめねじ部材の接触部位が受ける応力を容易に把握して、おねじ部材とめねじ部材とを締結してなる締結構造体の強度を解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の一形態を図１〜図１５に基づいて詳細に説明する。図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明は、概略、おねじ部材１とめねじ部材２とを締結してなる締結構造体の強度を解析する方法であって、おねじ部材１とめねじ部材２のねじ山の接触部位における節点の径方向、周方向、および垂直方向に作用するバネを仮想し、各仮想されたバネの、接触部位が受ける応力と等価なバネ定数ｋｒ、ｋθ、ｋｎを求めて定義し、接触部位が受ける応力を前記バネに置き換えて、強度の解析に必要な計算を行うものである。
【００１６】
図１は、本発明の方法による手順の実施の一形態全体を示したブロック図である。おねじ部材１とめねじ部材２とを締結してなる締結構造体の強度を解析するにあたり、準備として、図３および図８に示すようにおねじ部材であるボルト１のメッシュ（計算モデル）を作成するとともに、図２に示すようにボルト１を締結するめねじが形成された治具２のメッシュ（計算モデル）を作成して、ボルト１と治具２のメッシュにおいて互いのねじ山の接触を定義する（図１のＳ１）。なお、ボルト１と治具２のねじ山は、実際には螺旋状に形成されているが、図８などに示された実施の形態におけるメッシュでは複数の環状に形成された形状のメッシュに簡略化されている。このように簡略化することは、有限要素法による解析では一般的に行われている事項である。
【００１７】
次いで、図４に示すようにボルト１のメッシュに軸力Ｆを与える計算を実施して（図１のＳ２）、図５に示すようにねじ山の接触面に沿った径方向の摩擦力Ｆｒと滑り量（変位量）δｒを求め（図１のＳ３）、また、図６に示すようにボルト１のメッシュにトルクＴを与える計算を実施して（図１のＳ２）、図７に示すようにボルト１と治具２とのねじ山の接触面に沿った周方向の摩擦力Ｆθと滑り量（変位量）δθを求める（図１のＳ３）。これらの径方向の摩擦力Ｆｒと滑り量δｒ、および、周方向の摩擦力Ｆθと滑り量δθは、ＦＥＭ解析ソフトウエアの数値解析を用いて、仮想仕事の原理に基づいた計算により求めることができる。
【００１８】
続いて、径方向の摩擦力Ｆｒと滑り量δｒの比から径方向の定数ｋｒを求めるとともに（ｋｒ＝Ｆｒ／δｒ）、周方向の摩擦力Ｆθと滑り量δθの比から周方向の定数ｋθを求め（ｋθ＝Ｆθ／δθ）、また、ねじ山に垂直な方向の定数ｋｎを後述するように求める（図１のＳ４）。なお、図１におけるＳ１〜Ｓ４の工程は、従来の技術における有限要素法によるＦＥＭ解析ソフトウエアを用いた解析の工程と同様ではあるが、従来の技術では接触の定義や接触部位に生じる応力の計算を節点毎に繰返し行う必要があったのに対して、本発明を実施するための準備として一度行うだけにすぎない点で異なる。
【００１９】
次に、図９〜図１２に示すように、ボルト１のおねじと治具２のめねじとの接触部位の間における節点の、接触面の径方向と周方向と垂直方向との３方向にそれぞれ作用するものと仮想されるバネを定義する（図１のＳ５）。径方向のバネにはその定数として先に計算されたｋｒを適用し、周方向のバネにはその定数として先に計算されたｋθを適用する。また、接触面に対して垂直方向に仮想されたバネの定数ｋｎは、おねじとめねじのねじ山の互いの接触面は離れることがないものと考えられるので、充分に大きい値、たとえば１０10［Ｎ／ｍ］などを設定する（図１のＳ６）。そして、これらの節点毎にそれぞれ定義された３方向のバネは、例えば図１３に示すように、バネ定義の宣言、定義するバネの名前、定義するバネの座標系、バネ力が作用する方向、およびバネ定数が、汎用のＦＥＭ解析ソフトウエア（たとえば、商品名ＡＢＡＱＵＳ）におけるバネの解析プログラムに自動または手動でそれぞれ入力される。
【００２０】
次に、ＦＥＭ解析ソフトウエアのプログラムが実際に従来と同様に有限要素法による解析を誤って行うことがないように、先の工程（図１のＳ１）で定義されたボルト１と治具２のメッシュにおける互いのねじ山の接触定義を削除する（図１のＳ７）。
【００２１】
その後、実際に応力を評価したい各種条件（たとえば図１４に示した引張の他に、締結、捩り、曲げ等）での計算を実施して強度の解析を行う（図１のＳ８）。この強度の解析には、上述した各種条件をシミュレートして求められた応力、ひずみ、変形などに基づいて評価することができる。
【００２２】
本発明では、図１のＳ４で求められた節点における径方向および周方向の定数を仮想定義したバネの定数として使用するため、おねじ部材１とめねじ部材２のねじ山の接触部位が受ける応力と等価なバネに置き換えて線形計算することができる。そのため、従来の非線形計算のような反復計算を行う必要がないことから、計算回数を削減することができ、よって、図１５に比較して示すように、線形計算を行うことができる本発明によれば、従来の非線形計算と比べて、解析に要する時間を例えば３分の２程度にまで短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の方法の実施の一形態全体を説明するために示したブロック図である。
【図２】強度解析を行うための準備として作成するボルトとめねじが形成された治具のメッシュ（計算モデル）の斜視図である。
【図３】図２に示したボルトのメッシュ（計算モデル）の斜視図である。
【図４】治具に締結されたボルトのメッシュに軸力Ｆを与える計算を説明するために模式化して示した斜視図である。
【図５】図４に示した計算により求められるねじ山の接触面に沿った径方向の摩擦力Ｆｒと滑り量（変位量）δｒを模式化して示した斜視図である。
【図６】治具に締結されたボルトのメッシュにトルクＴを与える計算を説明するために模式化して示した斜視図である。
【図７】図６に示した計算により求められるねじ山の接触面に沿った周方向の摩擦力Ｆθと滑り量（変位量）δθを模式化して示した斜視図である。
【図８】ボルトを簡略化して作成されたメッシュの部分拡大斜視図である。
【図９】本発明により仮想して定義するバネを説明するための部分断面斜視図である。
【図１０】本発明によりおねじとめねじの接触面における各節点毎に定義されるバネを説明するための斜視図である。
【図１１】図１０の部分拡大断面図である。
【図１２】図１１のさらに部分拡大断面図である。
【図１３】本発明によるバネの定義を入力するプログラムの実施の一形態を示す説明図である。
【図１４】ボルトに引張力を加えて強度解析を行う状態を説明するための斜視図である。
【図１５】従来の技術により行われていた非線形計算と、本発明による線形計算とにかかる時間を比較するために示した説明図である。
【図１６】従来の技術を説明するために示した部分断面斜視図である。
【図１７】従来の技術により非線形を区切って反復計算を行う状態を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：ボルト（おねじ部材）、  ２：治具（めねじ部材）、  ｋｒ：径方向のバネ定数、  ｋθ：周方向のバネ定数、  ｋｎ：ねじ山に垂直な方向のバネ定数
【図１】
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【図１３】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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