(57)【要約】【課題】樹脂成形品の意匠性の保持及び軽量化を前提にして熱クリープ変形を抑制するのに最適な剛性パラメータを有限要素法により解析した結果を参考にして、最適剛性構造を決定可能にする樹脂成形品の剛性構造決定方法を提供する。【解決手段】樹脂成形品のモデルに対して、その樹脂原料の物性及び拘束条件を入力条件として所定の加熱温度下での所定時間経過後のクリープ変形を解析し、その解析結果に対応するように、所定の温度下で強制的に弾塑性変形させた場合に、モデルの各要素に生じる反力を物性及び拘束条件を入力条件として非線形解析する。この反力の解析結果、モデル形状、ヤング率、拘束条件、最大許容応力σａ等を入力とする最適化構造解析により、各要素の可変の剛性パラメータを最大許容応力σａを越えない範囲で軽量化目的で最適に制御する。板厚等を決定する参考データとして、最適制御された剛性パラメータもしくはそのファクタの分布データを作成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数点で拘束される樹脂成形品について熱変形を抑制するように、有限要素法による構造解析により剛性構造を決定する樹脂成形品の剛性構造決定方法において、
メッシュ状の要素に分割され、かつ樹脂成形品に対応の形状を有するモデルに対して、前記樹脂成形品の樹脂原料の物性及び拘束条件を入力条件として所定の加熱温度下での所定時間経過後のクリープ変形を解析し、
このクリープ変形の解析結果に対応するように、所定の温度下で強制的に弾塑性変形させた場合に、前記モデルの前記各要素に生じる反力を前記物性及び前記拘束条件を入力条件として非線形解析し、
前記反力の解析結果、前記モデル形状、前記物性の少なくともヤング率、前記拘束条件、最大許容応力等を入力とする最適化構造解析により、前記各要素の可変の剛性パラメータを前記最大許容応力を越えない範囲において軽量化目的で最適に制御し、
板厚等を決定する参考データとして、最適に制御された前記剛性パラメータもしくはそのファクタの分布データを作成することを特徴とする樹脂成形品の剛性構造決定方法。
【請求項２】
剛性パラメータのファクタである応力の分布データが作成されることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形品の剛性構造決定方法。
【請求項３】
最適化構造解析が、要素の空洞サイズで規定される材料密度を剛性パラメータとして制御する位相最適化方法により行われ、材料密度比の分布データが作成されることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形品の剛性構造決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数点で拘束される樹脂成形品について熱変形を抑制するように、有限要素法による構造解析により剛性構造を決定する樹脂成形品の剛性構造決定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂成型品は、温度変化に対する物性変化が非線形となり、特に高温時に非線形性の大きなクリープ変化を発生する。そこで、特許文献１等により、熱変形特性を予め解析して樹脂成形品の高温時のクリープ変形を有限要素法により解析する方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、金属製品は、実用環境下では線形的な変形挙動を呈し、またクリープ変形も小さく、したがって熱変形に対しても応力と歪みとの線形の関数関係を導入して重量軽減を前提に目標品質を満足する構造をコンピュータ解析する設計最適化プログラムが種々周知となっている。また、特許文献２により、構造物を有限要素法により周期的に多数並んだ有限個の要素に分割したモデルを生成し、各要素の内部に微視構造として立方体もしくは直方体の空洞を有すると仮定して、各微視構造の空洞サイズをパラメータとして制御することにより、構造体の体積を制約して、最も剛性の高い位相形状を算出する位相最適化方法の存在を前提に、各要素材料密度比で解析する際に、認識し易くするように中間密度の解析結果の発生を抑制する方法も提案されている。ここで、各要素の材料密度比＝（モデル要素サイズ−空洞サイズ）／モデル要素サイズとして規定され、したがってこの最適化計算により構造体の板厚もしくはリブ構造を決定可能にする。
【０００４】
しかしながら、樹脂成形品についてはクリープ変形に対して軽量化を前提に板厚或いはリブ構造をコンピュータで設計最適化の解析をしようとすると、温度及び時間をパラメータに含めた応力と歪みとの関係が、前述のように非線形性となり、このような目的の最適化方法のコンピュータソフトは使用することはできない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６６８８４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８９７６０号公報
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みて、樹脂成形品の意匠性の保持及び軽量化を前提にして熱クリープ変形を抑制するのに最適な剛性パラメータを有限要素法により解析した結果を参考にして、最適の板厚或はリブ構造による剛性構造を決定可能にする樹脂成形品の剛性構造決定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、樹脂成形品のモデルのクリープ変形の解析結果と同一変形状態になるように、所定の温度下でモデルを強制的に弾塑性変形させた場合に生じる反力は、樹脂の歪みに対する非線形的な応力変化の考慮を要するとしても有限要素法により非線形解析が可能であり、この反力の解析結果に対応して応力をしきい値として剛性構造の最適化解析が可能になることに着眼したものである。
【０００８】
よって、請求項１により、複数点で拘束される樹脂成形品について熱変形を抑制するように、有限要素法による構造解析により剛性構造を決定する樹脂成形品の剛性構造決定方法において、メッシュ状の要素に分割され、かつ樹脂成形品に対応の形状を有するモデルに対して、樹脂成形品の樹脂原料の物性及び拘束条件を入力条件として所定の加熱温度下での所定時間経過後のクリープ変形を解析し、このクリープ変形の解析結果に対応するように、所定の温度下で強制的に弾塑性変形させた場合に、モデルの各要素に生じる反力を物性及び拘束条件を入力条件として非線形解析し、反力の解析結果、モデル形状、物性の少なくともヤング率、拘束条件、最大許容応力等を入力とする最適化構造解析により、各要素の可変の剛性パラメータを最大許容応力を越えない範囲において軽量化目的で最適に制御し、板厚等を決定する参考データとして、最適に制御された剛性パラメータもしくはそのファクタの分布データを作成することを特徴とする。
【０００９】
モデルは樹脂成形品と外形形状及び樹脂原料を同一にする。モデルに対して周知の方法でクリープ変形を解析する。クリープ変形の解析結果に対応するように、所定の温度下で強制的に弾塑性変形させた場合に、モデルの各要素に生じる反力は、有限要素法による周知のコンピュータソフトウエアにより非線形解析される。この反力、即ち荷重に対して剛性パラメータに対応する変位が規定され、また所定のヤング率を前提に変位に対応する応力は規定される。したがって、最適化構造解析により、最大許容応力σａを越えない範囲において軽量化目的に対応した各要素の可変の剛性パラメータの分布が最適に制御解析される。剛性パラメータ自体或は関連したファクタの分布データは、所望の応力範囲内で剛性、例えば板厚等を最適に決定させる参考データとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３を基に本発明の実施の形態による樹脂成形品の剛性構造決定方法を自動車のインストルメントパネルのグラブボックスに適用した場合について説明する。図３に示すように、グラブボックス１は、両側の下端部２，３がヒンジで枢着され、上端中央部４がロック部で開閉可能にロックされることにより拘束点となる。
【００１１】
樹脂成形品のグラブボックス１の外形形状及び樹脂原料を同一とするモデル９をメッシュ状に分割して、所定の加熱温度下での所定時間経過後のクリープ変形を有限要素法によりコンピュータで解析する。この熱変形解析は、特許文献１等に記載のように、グラブボックス１のポリオレフィンを主材料とする原料樹脂の試験片で熱歪みデータを求めておくことにより、例えば８０℃に対するクリープ変形を解析する。図２Ａはこの熱変形の解析結果をモデル９の前面について、簡単のために０〜３ｍｍの変位量を５段階で概略的に○×△□●で表示する。実際には、モデル９の裏面を含めた全域について画像表示される。右側上端部分の変位量が大きくなるのは、グラブボックス１の上端中央部４のロック部が        左寄りで左右対称でなく、またこの拘束点から離れているためである。また、下端領域は拘束点に近いのために全体的に変位量が小さくなっている。
【００１２】
次いで、この熱変形解析結果に応じて、同一の変形状態にモデル９を常温２０℃で強制的に弾塑性変形させた場合のモデル９に生じる反力を有限要素法により解析する。例えば周知のＨＳＫ社製の商品名ＡＢＡＱＵＳのコンピュータソフトウエアを用いて、樹脂原料の応力と歪みとの関係、拘束条件及びクリープ変形を入力条件として非線形の解析を行う。図２Ｂはこの反力の解析結果を同様に０〜２０ｋｇｆの５段階で概略的に表示する。この解析結果は、図２Ａの変位量分布に対応して、前述の右側上端部分の反力が大きく、下端領域は、小さくなっている。
【００１３】
尚、この反力の解析は、所定の温度下で強制的に弾塑性変形させる荷重を加熱温度下での所定時間経過後の非直線のクリープ変形に対応させたものであるが、このクリープ変形に対抗すべき剛性を略相関させることができる。
【００１４】
続いて、この反力の解析結果に対応して周知の商品名ＡＢＡＱＵＳの構造解析用のコンピュータソフトウエアを最適解析用に利用することにより、図１に示す手順で剛性構造の最適化解析を行う。モデルの形状、原料樹脂の物性であるヤング率、拘束条件及び反力の解析結果、モデルの最大許容応力σａ、温度等を入力条件とする。解析ステップ１０において、剛性マトリックスの方程式［Ｆ］＝［Ｋ］［Ｕ］（Ｆ：反力（荷重）、Ｋ：モデルの要素の剛性を規定する要素の厚み、ヤング率等の剛性パラメータ、Ｕ：変位）を基に、所定の反力Ｆに対して剛性パラメータＫが設定されると、Ｕが解析される。さらに、σｎ＝ＥＵ（σｎ：応力、Ｅ：ヤング率）により、変位Ｕに対応する応力σｎが求まる。これらの基本関係を前提に、ヤング率等の物性及び拘束条件を設定された図示形状のモデルに対して、各要素の反力に対応したモデル全要素の剛性パラメータＫが解析される。
【００１５】
判定ステップ１１では、前述の式から剛性パラメータＫに対応する変位Ｕ、さらに対応するσｎが求められ、σｎが入力条件である最大許容応力σａを越えるか否かが判定される。越える場合、最適化制御ステップ１２において、Ｋとしての要素の厚みをワンステップ厚くされ、これに応答して、解析ステップ１０で全要素の剛性パラメータＫが再設定される。判定ステップ１１では、小さくされたＵに対するσｎがσａを越えるか否かが判定される。越える場合にはさらに厚くして同様な処理が繰り返される。
【００１６】
最終的に解析ステップ１０で全要素中で最も大きなσｎがσａを越えない状態にＫが最適制御され、分布データ作成ステップ１３において前述の式σｎ＝ＥＵでにより、各要素の剛性パラメータＫのファクタとなり得る応力σｎが求められることにより、応力の分布データが作成されて画像データとして出力される。
【００１７】
この応力分布の解析結果は、０．２〜１ＭＰａの範囲が色の変化で画像表示されるが、図２Ｃでは便宜上５段階で表示する。拘束点の周辺領域、例えば中央領域はσｎが相対的に大きく、剛性確保に寄与しない例えば下端左右領域は相対的に小さくなる。これにより、非線形性のクリープ特性を有する合成樹脂製品に対して所定の変位内に抑制するための剛性データとなり、信頼度の高い板厚もしくはリブ決定の参考データとなる。そこで、グラブボックス１の外部から見えない領域について、所定の加熱温度下に所定時間曝された場合のクリープ変形に対して、射出成形時のヒケ等も考慮して、重量を過大にしないように、板厚或はリブの配置及び形状の設定による剛性構造の最適設計が可能となる。
【００１８】
図２Ｄは、図２Ｃの応力分布の解析結果及び予め設定した最大許容応力σａを考慮して、グラフィックディスプレイの手法でグラブボックス１の最大板厚を射出成形の点で４ｍｍ、最小を強度上０．５ｍｍに設定し、実際に製作する板厚を射出成形可能な整然とした連続の板厚分布を入力操作で決定した状態を５段階で示す。したがって、前述の中央領域から周辺に向けて徐々に薄くなり、また前述の右側上端部分は高密度領域から離れているものの変形量が大きいために中間の板厚となり、剛性確保に寄与しない下端左右領域は薄くなっている。
【００１９】
図４は、別の実施の形態による前述の特許文献２による例えば周知のＡｌｔａｉｒ社製の商品名ＯＰＴＩ  ＳＴＲＵＣＴのコンピュータソフトウエアにより、モデルの形状、原料樹脂の物性である材料密度及びヤング率、拘束条件及び反力の解析結果を入力条件として、軽量化を前提に所定の剛性を確保することを目標にした位相最適化理論による材料密度に基づく最適化解析方法を説明する。この市販のコンピュータソフトウエアは線形物性の金属の構造解析を前提にしたものであるが、ある程度の誤差を許容して合成樹脂製品に対しても実用可能である。
【００２０】
即ち、解析ステップ２０において、反力Ｆに対応して剛性パラメータＫである材料密度によるモデルの構造解析を行う。最適化制御ステップ２２においては、σｎがσａを越える都度、要素の材料密度をワンステップづつ小さくし、最終的に解析ステップ２０にσａを越えない状態に全体的に最適な材料密度を解析させる。分布データ作成ステップ２３では、最適制御された状態で材料密度比＝解析結果の材料密度／初期の材料密度の分布データが作成されて画像表示される。この分布データは、図２Ｃの応力分布に略対応して材料密度比０〜１の範囲で表示され、信頼度の高い板厚もしくはリブ構造決定の参考データとなる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、非線形的に熱変形する樹脂成形品について、所望のデザインを保持することを前提に、軽量化を意識して所定の高温環境下でのクリープ変形に対する最適の板厚或はリブ構造が、反力に対応する最適構造解析により容易に決定可能となる。分布データは、請求項２の発明により応力或は請求項３の発明により材料密度比を基に作成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による樹脂成形品の剛性構造決定方法の手順を説明する図である。
【図２】同決定方法の最適化解析手順を説明する図である。
【図３】同決定方法を適用する自動車のグラブボックスの斜視図である。
【図４】別の実施の形態による最適化解析手順を説明する図である。
【符号の説明】
１  グラブボックス
２，３  拘束点となる下端部
４  拘束点となる上端中央部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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