(57)【要約】【課題】ダンボール箱等の構造体における挙動を正確に構造解析できるようにすると共に、そのダンボール箱の構造解析の精度を向上できるようにする。【解決手段】異方性部材を用いて作成された任意のダンボール箱を構造解析する場合に、このダンボール箱１を用いた材料試験をすると共に、当該ダンボール箱１の材料試験をモデル化して数値解析をし、このダンボール箱１の材料試験結果及び数値解析結果を比較最適化してダンボール部材の材料特性値を同定し、この同定後のダンボール部材の材料特性値に基づいてダンボール箱１における挙動を構造解析するものである。ダンボール部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、ダンボール箱１における挙動を正確に解析することができる。精度の高い材料特性値を構造解析に使用できるようになるため、構造解析の精度を向上させることができるようになる。【選択図】　　　　図１０
2004132849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性部材を用いて作成された任意の構造体の構造解析をする方法であって、
前記構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、
前記構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して前記異方性部材の材料特性値を同定し、
同定された前記異方性部材の材料特性値に基づいて前記構造体における挙動を構造解析することを特徴とする構造解析方法。
【請求項２】
前記構造体を用いた材料試験において、
当該構造体を加振して振動モード及び共振周波数を測定することを特徴とする請求項１に記載の構造解析方法。
【請求項３】
前記構造体の材料試験をモデル化して数値解析する際に、
当該構造体の幾何学的な剛性及び材料的な剛性を考慮した構造解析を適用することを特徴とする請求項１に記載の構造解析方法。
【請求項４】
前記異方性部材の材料特性値を同定する際に、
前記構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し収束判定し、
前記収束判定の結果に非線形計画法に基づく最適化プログラムを適用して前記異方性部材の材料特性値を更新するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の構造解析方法。
【請求項５】
前記異方性部材の材料特性値の同定処理をコンピュータによって行う場合であって、
前記コンピュータを起動して数値解析システムを初期化する行程と、
前記材料試験で得られた各々計測値である共振周波数と振動モードの履歴、最適化の手法の選択、異方性部材の縦弾性係数、そのポアソン比の初期値と制約条件を前記コンピュータ上のファイルに記録する行程と、
前記異方性部材の材料特性値の同定処理に必要な入力データを作成する行程と、
前記コンピュータ上で構造体を構造解析する行程と、
前記コンピュータにおけるシミュレーションによって得られた数値解析結果値と実際の構造体の加振実験から得られた計測結果値を数値解析結果値として同定するための評価関数を求める行程と、
前記評価関数の値が許容範囲にあるかどうかを判別する行程と、
判別された前記異方性部材の材料特性値の最適化を行う行程と、
最適化された前記異方性部材の材料特性値を更新する行程とが含まれることを特徴とする請求項１に記載の構造解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気製品などの出荷搬送販売流通に当たって、梱包内部の電気製品を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して好適な構造解析方法に関する。
【０００２】
詳しくは、ダンボール材料などの異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定する際に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定できるようにする。そして、構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、構造体構造解析の精度を向上できるようにしたものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来から、筐体及び板体を含む構造体の変形等の挙動を解析するための構造解析方法が多く知られている。この構造解析方法においては、構造体の変形量の大きい場合と、小さい場合とでは解析工程が異なっている。これは、構造体の変形量が大きくなると、内部での無次元化した変形量である歪みと単位面積当たりの荷重である応力との関係が直線的な線形ではなくなるためである。
【０００４】
この種の構造解析方法では変形量が小さく歪みと応力との関係が直線的に表現できる弾性域の線形構造解析方法と、変形量が大きく歪みと応力との関係が塑性域の非線形構造解析方法とに分けられる。これらの構造解析方法では、有限要素法や、境界要素法や、差分法といった幾つかの解析方法が知られており、これらの解析方法の組み合わせにより線形領域や非線形領域における構造体の挙動の解析が行われる。
【０００５】
特許文献１には「非線形構造解析方法」が開示されている。この非線形構造解析方法によれば、構造体の一部を用いた材料試験と、その材料試験をモデル化した数値解析とを組み合わせる。これにより、材料定数を同定して非線形領域における構造体の挙動を構造解析するようになされる。
【０００６】
この構造解析方法によれば、例えば蓄電池などのケースを製造する場合、予め有限要素法によりケースの構造を解析し、稼動時の挙動、剛性等が評価される。有限要素法では、まず、ケースの外観を設定し、ケース全体を三角形或いは四角形等の板上の平面要素に分割して、これら平面要素の連続体とする。そして、有限要素法では、この各々の平面要素毎に厚さ寸法を設定するとともに、構造体に作用する荷重等の境界条件と、縦弾性係数やポアソン比等により材料を設定して解析を行う。これにより、構造体の解析に伴った変形形状と変形量を得ることができる。
【０００７】
このような構造解析を実施するためには、構造体を構成する材料の縦弾性係数、ポアソン比等の材料特性値が必要となる。これらの材料特性値は、特に近年、構造体の挙動を解析するニーズが増え、構造解析が行われることが多くなったため、これらの挙動や現象を数値計算で解析する上で重要かつ不可欠なものとなっている。しかし、これらの材料特性値は、材料成分や試験条件、製造時期等により大きく左右されるため、一般的な値として提示するのが困難となっている。
【０００８】
特許文献２には「応力−ひずみ関係シミュレート方法」が開示されている。このシミュレート方法によれば、任意の材料の応力−ひずみ関係を複合硬化モデルで近似すると共に、その材料の塑性歪みを変数とし、かつ、その塑性歪み係数を有する背応力関数により背応力を定義する。この背応力を変数とすることによって、その材料の降伏曲線を降伏関数と定義する。この降伏関数を用いることにより、その材料の応力−ひずみ関係を連続的に、かつ、その材料のバウシンガ効果が表現されるように数値構造解析するようになされる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０９−１５２３９２号
【特許文献２】
特開２０００−２７５１５４号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来方式の構造解析方法を用いてダンボール部材等の異方性部材を用いたダンボール箱を構造解析しようとした場合に、次のような問題がある。
【００１１】
▲１▼　特許文献１に開示された非線形構造解析方法をそのままダンボール部材等の異方性部材を用いたダンボール箱に適用しても、正確かつ精度良く構造解析をすることができない。特許文献１では非線形構造解析をしようとする金属ケース（構造体）から、その一部を試験片として抽出し、この試験片から得られる材料定数を同定している。因みにダンボール部材を切り取って試験片を作成し、このダンボール試験片の材料試験をしても、ダンボール箱における異方性部材の材料特性値が得られないので、ダンボール箱における構造解析を正確かつ精度良く行うことが困難となる。
【００１２】
▲２▼　特許文献２は材料に関して等方硬化性部材を取り扱うので、応力−ひずみ関係シミュレート方法を適用しても、ダンボール部材等の異方性部材の材料特性値を得るまでに大幅な労力を費やしてしまう。
【００１３】
そこで、この発明はこのような従来の課題を解決したものであって、ダンボール材料等の構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、その構造体の構造解析の精度を向上できるようにした構造解析方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題は、異方性部材を用いて作成された任意の構造体の構造解析をする方法であって、構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定し、ここで同定された異方性部材の材料特性値に基づいて構造体における挙動を構造解析することを特徴とする構造解析方法によって解決される。
【００１５】
本発明に係る構造解析方法によれば、異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定することができる。例えば、金属のように圧延や曲げなどによる硬化なども考慮でき、一般的に知られている材料特性値よりも精度の高い材料特性値を得ることが可能となる。
【００１６】
従って、異方性部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、異方性部材を用いて作成された任意の構造体における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値を構造解析に使用できるようになるため、構造解析の精度を向上させることができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明に係る構造解析方法の一実施の形態について、図面を参照しながら説明をする。
図１は本発明に係る構造解析方法が適用される実施形態としてのダンボール箱１の構造例を示す斜視図である。
【００１８】
この実施形態では、ダンボール材料などの異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定する際に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定できるようにする。そして、構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、構造体構造解析の精度を向上できるようにしたものである。
【００１９】
本発明に係る構造解析方法は、異方性部材を用いて作成された任意の構造体のを構造解析する方法である。この方法は電気製品などの出荷搬送販売に当たって、梱包内部の電子機器を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して好適である。
【００２０】
図１に示す電気製品梱包用のダンボール箱１は構造体の一例であり、異方性部材の一例となるダンボール部材を用いて作成された材料試験サンプルである。異方性部材とは物理的性質が方向によって異なる部材をいう。異方性部材には包装用の板紙の一種であるダンボール部材や、電子部品実装用のプリント配線基板等が挙げられる。プリント配線基板はガラス繊維織込みエポキシ樹脂や、プリプレグ等の絶縁樹脂を硬化させその両面又は／及び中間層に銅箔による配線パターンを形成したものである。
【００２１】
この異方性部材にプリント配線基板を挙げているのは、近年の機器の電子化により、ガラスエポキシ基板などに代表されるプリント配線基板などが増えており、これらはガラス繊維の影響により面方向と厚み方向や、配線パターンの引き回しから面内での縦、横でも縦弾性係数が違い、特に一般的な値を提示することが困難になっている。これらも含めた構造体での構造解析を行うニーズが増加することが予測されるためである。
【００２２】
この例では説明を簡単にするために、異方性部材に関してダンボール箱１の場合を説明する。ダンボール部材は波状に成形した紙の片面又は両面に厚紙を張り合わせたものである。例えば、ダンボール部材は総厚みが３ｍｍ程度で、中芯と呼ばれる波状の紙を表裏にそれぞれに厚み０．２６ｍｍの紙によって挟み込む構造となされている。ダンボール部材は、ある元の状態の当該ダンボール部材に力を加えて他の状態に変化させ、力を取り去っても元の状態には戻らない非可逆性を有している。この例で線形構造解析に使用されるダンボール箱１は直方体を成しており、その内部には電気製品などを収納するための空間が形成される。
【００２３】
ここでダンボール箱１の長さをＬとし、その幅をＷとし、高さをＨとする。材料試験サンプルとしてのダンボール箱１の大きさは長さＬが４８３ｍｍ程度で、幅Ｗが３８３ｍｍ程度、高さＨが２８３ｍｍ程度である。図１に示すダンボール箱１は箱本体１ｆを有すると共に、箱本体１ｆの上方には物品出し入れ用の開口部１ｅが設けられている。この箱本体１ｆは開口部１ｅを塞ぐための蓋体部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有している。図１は箱本体１ｆの開口部１ｅに対して蓋体部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを開けた状態を示している。
【００２４】
図２は電気製品梱包時の緩衝部材２ａ〜２ｈの構成例を示す斜視図である。図２に示す緩衝部材２ａ〜２ｈは電気製品と共にダンボール箱１に入れ込まれ梱包される。図中の電気製品は、例えば二点鎖線で示す直方体４を有している。緩衝部材２ａ〜２ｈは電気製品の８カ所の各々の角部に取り付けられ、ダンボール箱１における外的な衝撃から電気製品を保護するようになされる。緩衝部材２ａ〜２ｈには三菱化学（株）製の発泡スチロール　ＪＱ２５１（ＥＰＳ−４０）等の熱成形加工品が用いられる。
【００２５】
各々の緩衝部材２ａ〜２ｈは、図２に示すように長さａが８０ｍｍ程度、幅ｂが８０ｍｍ程度で、高さｃが８０ｍｍ程度である。角部が丸みを帯びて成形されている。各々の緩衝部材２ａ〜２ｈの内側には、４０ｍｍ×４０ｍｍ×４０ｍｍ程度の切り欠き部３ａ〜３ｈが設けられ、電気製品の角部を支持しダンボール箱１内で固定するようになされる。図２において、切り欠き部３ｄは図示していない。
【００２６】
図３はダンボール箱１の材料試験時の構成例を示すイメージ図である。図３に示すダンボール箱１の材料試験時には、周波数分析装置７０が使用される。周波数分析装置７０は加振実験を行うための加速度ピックアップ７２及びハンマー７３を有している。加振実験とは材料試験サンプルをハンマー７３で加振し、加速度ピックアップ７２で加振点から伝達される振動を測定することをいう。
【００２７】
この例で加速度ピックアップ７２は測定点として、ダンボール箱１の任意の一面の中央部分に取り付けられ固定されると共に、当該ピックアップ７２から延在する出力ケーブル７２ａが分析装置本体７１に接続される。ハンマー７３はダンボール箱１を加振する（応力を加える）際に使用される。この例では、ダンボール箱１を構成する６面の各面毎に９点ずつ、計５４箇所をハンマー加振点として設定した。ハンマー加振点は図中×印で示している。
【００２８】
ハンマー７３には例えば、その内部に図示しない加速度ピックアップが設けられており、当該ハンマー７３に加速度が加わると、この加速度が電圧に変換されて出力される。加速度が何も加わっていない状態では出力電圧は０Ｖである。このハンマー７３の加速度ピックアップは信号ケーブル７３ａを通じて分析装置本体７１に接続される。この電圧は分析装置本体７１内に設けられたトリガースイッチをオンするようになされる。
【００２９】
例えば、周波数分析装置側でトリガースイッチを立ち上がり閾値電圧として１．０Ｖに設定すると、ハンマー７３に加速度が加わって、電圧１．０Ｖを境界にして低い電圧から高い電圧に遷移する瞬間（１回のみ）から入出力双方のデータの取り込みを開始するようになされる。このときの取り込み時間は、振動が減衰して無くなるまでデータが取り込める、例えば、３００ｍｍｓｅｃ等を予め設定しておくようになされる。
【００３０】
ハンマー内部の加速度ピックアップはハンマー殴打を検出して測定タイミング信号を周波数分析装置７０に出力するようになされる。周波数分析装置７０では、ハンマー７３からの測定タイミング信号を入力して、ハンマー７３によってダンボール箱１が加振された時刻から加速度ピックアップ７２が振動を測定した時刻に至る到達時間を検出したり、ダンボール箱１に加えられた加振力とその応答を測定するようになされる。
【００３１】
この例では、ダンボール箱１に設定された計５４箇所のハンマー加振点について、各箇所から測定点に至るまでの周波数伝達関数Ｇ（ｊω）が算出される。ωはハンマー加振による角振動数である。Ｇ（ｊω）は出力振動波形／入力振動波形に基づいて求められる。例えば、測定した振動の時刻歴波形を周波数領域に直して周波数を分析し周波数成分を明らかにする。ダンボール箱１の共振周波数ｆ０と振動モードを求めるためである。
【００３２】
図４に示すダンボール箱１’は振動を与えていない場合のシミュレーション上の３次元形状である。実際のダンボール箱１をモデル化したものである。ダンボール部材の材料特性値を同定して数値構造解析をするためである。縦横に形成された線は、ダンボール箱１’の挙動を解析するため構造解析線である。
【００３３】
図５はシミュレーション上の変形後のダンボール箱１’の３次元形状例を示す斜視図である。図５に示すダンボール箱１’は振動モードによって変形した場合のシミュレーション上の３次元形状である。これはシミュレーション上のダンボール箱１’に衝撃を加え、その挙動を解析することで、実際のダンボール箱１に衝撃を加えられた場合を想定して構造解析を行うことができる。この例では、図４に示したダンボール箱１’の構造解析線に比べて、図５に示したダンボール箱１’の構造解析線がその上面で盛り上がり、下方で垂れ込んでいる状態である。
【００３４】
図６はダンボール箱１内に収納する直方体４の保護例を各々示す斜視図である。図６に示す直方体４は電気製品を模擬しており、数値解析では剛体により表現している。直方体４の大きさは長さｌが４００ｍｍ程度、幅ｗが３００ｍｍ程度、高さｈが２００ｍｍ程度で重量７ｋｇのものを用いた。直方体４は四角柱の立体要素で８つに分割した。緩衝部材２ａ〜２ｈはダンボール箱１内で製品の８箇所の各角部に取付けて製品を固定するように配置した。
【００３５】
図７Ａ及びＢはダンボール箱１の実際の外観例等及び、そのシミュレーション上の外観例を示す斜視図である。図７Ａに示すダンボール箱１は直方体４を入れて蓋体部分１ａ，１ｃ等を閉めた状態である。蓋体部分１ｂ，１ｄ等は予めダンボール箱１の開口部の内側に折り込まれ、これらの上から蓋体部分１ａ，１ｃ等が閉められる。この状態をシミュレーション上のダンボール箱１’の外観例で示すと、図７Ｂのようになる。図７Ｂに示すシミュレーション上のダンボール箱１’によれば、外観を四辺形の板要素で分割している。落下解析時、四辺形に分割された板要素の特定の位置座標を検出することで、衝撃加振点を特定するためである。
【００３６】
図８は実際のダンボール箱１の構造解析結果例を示すグラフである。図９はそのシミュレーション上のダンボール箱１’の構造解析結果例を示すグラフである。いずれも、縦軸は直方体４に発生する重力加速度［Ｇ］であり、横軸は直方体４に加振された時間［ｓｅｃ］である。図８に示す曲線Ｉは、実際のダンボール箱１を自由落下させる実験より得た直方体４に発生する重力加速度変化曲線である。図８に示すように実際のダンボール箱１内の直方体４に発生する最大重力加速度は最大Ｇ＝５１．３Ｇである。
【００３７】
図９に示す曲線ＩＩは、同定されたダンボール部材の材料特性値を使用したダンボール箱１’を適用して数値解析を行った結果の直方体４に発生する重力加速度変化曲線である。図９に示すようにシミュレーション上のダンボール箱内の直方体４に発生する最大重力加速度は最大Ｇ＝５０．７Ｇとなった。両者の誤差は１．２％程度である。
【００３８】
図１０は本発明に係る実施形態としての構造解析例を示すフローチャートである。図１１はそのダンボール部材の材料特性値の同定処理例を示すフローチャートである。
【００３９】
この実施形態では、ダンボール部材を用いて作成された電気製品梱包用のダンボール箱１の構造解析をする場合であって、このダンボール箱１を用いた材料試験をすると共に、当該ダンボール箱１の材料試験をモデル化して数値解析をし、このダンボール箱１の材料試験結果及び数値解析結果を比較して最適化することにより、ダンボール部材の材料特性値を同定し、ここで同定されたダンボール部材の材料特性値に基づいてダンボール箱１における挙動を構造解析する場合を想定する。数値解析はコンピュータ等の計算機上に数値解析システムを構築して処理する場合を想定する。
【００４０】
これを構造解析条件にして、図１０に示すフローチャートのステップＡ１で材料試験サンプルとしてダンボール箱１を作成する。この例では、図１に示したように異方性部材の一例となる総厚みが３ｍｍ程度のダンボール部材を用いてダンボール箱１が作成される。材料試験サンプルとしてのダンボール箱１の大きさは長さＬが４８３ｍｍ程度で、幅Ｗが３８３ｍｍ程度、高さＨが２８３ｍｍ程度である。
【００４１】
次に、ステップＡ２に移行してこのダンボール箱１を用いた材料試験を実行する。例えば、材料試験の一例となる当該ダンボール箱１の加振試験を行う。もちろん、ダンボール箱１は蓋体部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで箱本体１ｆの開口部１ｅを閉じた状態である。この加振試験では図３に示した周波数分析装置７０を使用して振動モードや共振周波数を測定するようになされる。この例では図３に示したように、加振試験における測定点として、ダンボール箱１の任意の一面の中央部分に加速度ピックアップ７２が取り付けられ固定される。周波数分析装置７０には加速度ピックアップ７２からの出力ケーブル７２ａが接続されると共に、ハンマー７３に至る信号ケーブル７３ａが接続される。
【００４２】
この加振実験では材料試験サンプルをハンマー７３で加振し、加速度ピックアップ７２で加振点から伝達される振動が測定される。この例で、ダンボール箱１を構成する６面の各面毎に９点ずつ、計５４箇所をハンマー加振点として設定した。このダンボール箱１に設定された計５４箇所のハンマー加振点について、各箇所から測定点に至るまでの伝達関数が算出される。ダンボール箱１の共振周波数と振動モードを求めるためである。この共振周波数と振動モードは実際のダンボール箱１の材料試験時の計測結果値を構成する。
【００４３】
例えば、予め設定されたハンマー加振点にハンマー７３を殴打すると、その内部の加速度ピックアップが殴打を検出して電圧を発生し、この電圧に基づく測定タイミング信号が周波数分析装置７０に出力される。周波数分析装置７０では、ハンマー７３からの測定タイミング信号を入力して、ハンマー７３によってダンボール箱１が加振された時刻から加速度ピックアップ７２が振動を測定した時刻に至る到達時間が検出される。また、ダンボール箱１に加えられた振動が測定される。これら計５４箇所のハンマー加振点について到達時間や振動数等の各々計測値が得られる。
【００４４】
そして、ステップＡ３に移行してダンボール部材の材料特性値を同定する。このとき、当該ダンボール箱１の材料試験をモデル化して数値解析をする。この数値解析の際に、当該ダンボール箱１の幾何学的な剛性及び材料的な剛性を考慮した線形構造解析を適用する。
【００４５】
このダンボール部材の材料特性値の同定処理では、例えば、図１１に示すフローチャート（サブルーチン）に移行してそのステップＢ２〜ステップＢ８の７つの行程を経て材料特性値を同定するようになされる。このダンボール箱１の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化してダンボール部材の材料特性値を同定するためである。この例では、ステップＢ２の入力データの作成からステップＢ８の材料特性値の更新に至る閉ループが構築され、ステップＢ７の最適化アルゴリズムによる繰り返し計算が実行される。これにより、縦弾性係数、ポアソン比等の材料特性値を同定するようになされる。
【００４６】
そのために、まず、サブルーチンのステップＢ１で、コンピュータを起動して数値解析システムを初期化する。数値解析システムはコンピュータ上に構築されたアプリケーションソフトウエアである。
【００４７】
このシステム初期化では、ダンボール部材の材料特性値の同定を実行するために初期設定を行う。例えば、上述したステップＡ２の材料試験で得られた各々計測値である共振周波数と振動モードの履歴、最適化の手法の選択、ダンボール部材の縦弾性係数、そのポアソン比の初期値と制約条件等をコンピュータ上のファイルに記録することで設定した。
【００４８】
そして、ステップＢ２に移行してダンボール部材の材料特性値の同定処理に必要な入力データを作成する。この入力データは、コンピュータ上でダンボール箱１の加振実験をシミュレーション（模擬）するために用いられ、今回の材料試験サンプルであるダンボール箱１の幾何学的な形状データや、ダンボール部材の材料特性値などにより構成される。最初の計算で使用される材料特性値は、ステップＢ１で初期設定された適当な値の縦弾性係数とポアソン比が初期値として与えられる。２回目以降の繰り返し計算では、最適化された材料特性値が用いられる。
【００４９】
そして、ステップＢ３ではコンピュータ上でダンボール箱１の線形構造解析（固有値解析）をする。この線形構造解析ではダンボール部材の異方性材料特性を考慮して計算される。例えば、この線形構造解析ではダンボール箱１の加振実験をシミュレーションし、その線形領域における挙動解析が行われる。この挙動解析を行うことによりシミュレーション上のダンボール箱１の加振実験における数値解析結果値が得られる。この数値解析結果値には、シミュレーション上のダンボール箱１の加振実験における共振周波数と振動モードが含まれる。共振周波数は伝達関数から求められ、振動モードは図４、図５に示すような３次元の数値解析値として得られる。
【００５０】
その後、先のシミュレーションによって得られた数値解析結果値がステップＢ４で一時記憶用のメモリ等に出力される。この数値解析結果値は、実際のダンボール箱１の材料試験時の計測結果値を構成する共振周波数と振動モードとして出力される。実際のダンボール箱１の加振実験から得られた共振周波数と振動モードを同定するためである。
【００５１】
そして、実際のダンボール箱１の加振実験から得られた計測結果値を数値解析結果値として同定するために、ステップＢ５に移行して評価関数を計算する。この評価関数の計算ではダンボール箱１の材料試験結果と数値解析結果とを比較する。例えば、ステップＢ４で得られた数値解析結果値の共振周波数の値とステップＡ２の材料試験で得られた計測結果値の共振周波数の値とを比較する。
【００５２】
この数値解析結果値が計測結果値に近づくように入力データとしてのダンボール部材の材料特性値を同定するためである。具体的には数値解析結果値の共振周波数の値と材料試験時の計測結果値の共振周波数の値との偏差を求めて評価関数としている。
【００５３】
そして、ダンボール部材の材料特性値を同定するために、ステップＢ６に移行して評価関数の収束判定を実行する。この処理ではステップＢ５で求められた評価関数の値が許容範囲にあるかどうかを判別する。例えば、この評価関数の値が許容範囲になく、評価関数の値が収束していない場合は、ステップＢ７に移行する。
【００５４】
ステップＢ７ではダンボール部材の材料特性値の最適化を行う。このとき、ステップＢ６の収束判定の結果に、数理計画法の中の非線形計画法を選択し、この非線形計画法に基づく最適化プログラムを適用する。そして、ステップＢ８に移行してダンボール部材の材料特性値を更新する。このようにすると、材料特性値の同定にかかる時間と労力との大幅な削減を図ることができる。
【００５５】
その後、ステップＢ２に戻る。このステップＢ２の入力データの作成からステップＢ８の材料特性値の更新に至るまでの同定作業は、評価関数の値が収束するまで繰り返される。つまり、この例で材料特性値の同定処理においては、ステップＢ６の収束判定処理からステップＢ７の材料特性値の最適化処理、ステップＢ８の材料特性値の更新処理を経てステップＢ２の入力データの作成処理へと繰り返し計算を行うようになされる。
【００５６】
上述したステップＢ６で評価関数の値が収束して許容範囲内に入った場合は、ステップＢ９に移行する。ステップＢ９では同定処理結果をデータベース等に出力される。例えば、同定されたダンボール部材の材料特性値はコンピュータのファイルに保存され、材料特性値の最適化ループを終了する。
【００５７】
そして、図１０に示すフローチャートのステップＡ３に戻る。その後、ステップＡ４に移行してこのダンボール箱１の構造解析に必要な入力データを作成する。この構造解析に必要な入力データは、先に同定されたダンボール部材の材料特性値をファイルから読み出して作成される。
【００５８】
そして、同定されたダンボール部材の材料特性値に基づいてステップＡ５でダンボール箱１における挙動を構造解析する。この例では、図６に示した電気製品を模擬した直方体４及び、８個の緩衝材を図７Ａに示したダンボール箱１内に入れて落下解析を行った。
【００５９】
各々の緩衝部材２ａ〜２ｈはダンボール箱１内で直方体４の８箇所の各角部に取付けて当該直方体４を固定するように配置した。もちろん、シミュレーション上のダンボール箱１は同定したダンボール部材の材料特性値を使用している。この落下解析の目的は、ダンボール箱１内に梱包された直方体４（電気製品模擬）に発生する最大重力加速度（最大Ｇ）を把握するためである。具体的には、ダンボール箱１内に直方体４を梱包した状態で、このダンボール箱１を高さ６０ｃｍの位置から水平状態でコンクリート床上に自由落下させる実験を行った。
【００６０】
そして、ステップＡ６の構造解析結果出力によれば、実際の自由落下による実験より得た直方体４に発生する最大重力加速度が図８に示すように最大Ｇ＝５１．３Ｇであった。これに対して、同定されたダンボール部材の材料特性値を使用したダンボール箱１を用いて数値解析を行った結果、直方体４に発生する最大重力加速度が図９に示すように最大Ｇ＝５０．７Ｇとなった。両者の誤差が１．２％程度の構造解析結果を出力することができた。同定されたダンボール部材の材料特性値の信頼性が高いことによる。
【００６１】
これらの実験による最大Ｇ及び数値解析における最大Ｇ等の構造解析結果は、構造解析結果データとしてデータベース等に格納される。この構造解析結果データに基づいて任意の大きさのダンボール箱１の線形領域における挙動をシミュレーションしたり、ダンボール箱１のどの部分に衝撃力を加えた場合に、直方体４のどの部分に衝撃力が集中するかをシミュレーションするためである。
【００６２】
このように、本発明に係る実施形態としての構造解析方法によれば、ダンボール部材を用いて作成された電気製品梱包用のダンボール箱１の構造解析をする場合に、ダンボール箱１の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様でダンボール部材の材料特性値を同定することができる。
【００６３】
従って、ダンボール部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、ダンボール箱１における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値をダンボール箱１の構造解析に使用できるようになるため、当該ダンボール箱１の構造解析の精度を向上させることができるようになった。
【００６４】
なお、本発明に係る構造解析方法に係る異方性部材の材料特性値の同定処理は、金属のように圧延や曲げなどによる硬化なども考慮でき、一般的に知られている材料特性値よりも精度の高い材料特性値を得ることが可能となる。また、異方性部材の材料特性値の同定方法によれば、非線形計画法に用いた最適化プログラムを適用して数値解析をしているので、材料特性値の同定にかかる時間と労力との大幅な削減を図ることができる。
【００６５】
この例では、構造体に関して異方性部材を使用したダンボール箱１の場合について説明をしたが、これに限られることはなく、本発明に係る構造解析方法はガラス繊維織込みエポキシ基板等のプリント配線基板の構造解析にも適用することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る構造解析方法によれば、異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定するようになされる。
【００６７】
この構成によって、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定することができる。従って、異方性部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、異方性部材を用いて作成された任意の構造体における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値を構造解析に使用できるようになるため、構造解析の精度を向上させることができるようになる。
【００６８】
この発明は電気製品などの出荷搬送販売流通に当たって、梱包内部の電気製品を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る構造解析方法が適用される実施形態としてのダンボール箱１の構造例を示す斜視図である。
【図２】電気製品梱包時の緩衝部材２ａ〜２ｈの構成例を示す斜視図である。
【図３】ダンボール箱１の材料試験時の構成例を示すイメージ図である。
【図４】シミュレーション上の変形前のダンボール箱１’の３次元形状例を示す斜視図である。
【図５】シミュレーション上の変形後のダンボール箱１’の３次元形状例を示す斜視図である。
【図６】ダンボール箱１内に収納する直方体４の保護例を各々示す斜視図である。
【図７】Ａ及びＢはダンボール箱１の実際の外観例等及び、そのシミュレーション上の外観例を示す斜視図である。
【図８】実際のダンボール箱１の構造解析結果例を示すグラフである。
【図９】そのシミュレーション上のダンボール箱１’の構造解析結果例を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る実施形態としてのダンボール箱１の構造解析例を示すフローチャートである。
【図１１】そのダンボール部材の材料特性値の同定処理例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１，１’・・・ダンボール箱（構造体）、２ａ〜２ｈ・・・緩衝部材、３ａ〜３ｈ・・・切り欠き部、４・・・直方体（電気製品）、７０・・・周波数分析装置、７１・・・分析装置本体、７２・・・加速度ピックアップ、７３・・・ハンマー
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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