(57)【要約】【課題】広範囲の樹脂材料の使用を考慮して、最良の力学特性が得られるような製品の設計を行なうことができるような樹脂製品の設計方法を提供する。【解決手段】数値解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて、樹脂製品の力学特性を最適化する樹脂製品の設計方法において、樹脂材料の材料特性を表す物性値を設計変数として最適化を行なう。設計変数に所定の制約条件を与えることにより、最適化の工程あるいは樹脂を選択する工程を経済的に行うことができる。このような制約条件は、樹脂材料の少なくとも２つの物性値の関係において設定することができる。【選択図】　　　図１
2004005367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて、樹脂製品の力学特性を最適化する樹脂製品の設計方法において、
所定の形状モデルに対して樹脂材料の材料特性を表す物性値を設計変数として最適化を行なうことを特徴とする樹脂製品の設計方法。
【請求項２】
前記最適化を、樹脂材料の材料特性を表す物性値に関する所定の制約条件の範囲内で行なうことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項３】
前記最適化における制約条件を、既存の樹脂材料についての少なくとも２つの物性値の関係において設定すること特徴とする請求項２に記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項４】
前記最適化における制約条件を、
弾性率Ｅと降伏応力σが、
α１Ｅ≦σ≦（α２Ｅ）１／２
　　　　α１≦０．００３，１／０．１８≦α２
を満足するように設定すること特徴とする請求項３に記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法に基づいて樹脂材料の材料特性を表す物性値を決定する工程と、決定した物性値に基づいて実際に使用する樹脂を選択する工程と、選択した樹脂材料を金型に供給して樹脂製品を成形する工程とを有することを特徴とする樹脂製品の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法を実行するプログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、樹脂製品の力学特性を最適化することを目的とする樹脂製品の設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂製品は、その多くの利点を活かして多種の工業製品の主要要素としてますますその用途を広げつつある。このような製品の開発において、仮想モデルにて力学特性を評価する解析技術は、開発期間短縮・コスト削減の面から非常に有効なツールであるといえる。近年、このような解析技術と計算機支援最適化（ＣＡＯ）技術の組み合わせによって、特定の用途に望まれる力学特性を持つ製品構造を求める構造最適化手法も実用化されつつあり、複雑な形状の最適設計事例も報告されている。
【０００３】
例えば、衝撃吸収特性の評価のような高度に複雑な力学特性を最適化するための構造最適化手法の一例を、自動車等において乗員保護を目的とした車室内装部品として使用されるプラスチック製衝撃吸収用部品の設計について説明する。近年、乗員保護を目的とした車室内衝撃規制（ＦＭＶＳＳ２０１Ｕ等）が強化され、このような部品に対しても、より高度な衝撃吸収特性が求められている。この例の衝撃吸収用の内装部品は、室内に面する意匠部と、その裏面側のリブ構造体とを有している。図３は、そのような部品を製造するプロセスのフロー図であり、以下の工程を含んでいる。
【０００４】
まず、ステップ２において設計対象部品の意匠部を決め、基準形状を決定する。ステップ３において、設計対象部品の使用材料を決定する。ステップ４において、基準形状の解析モデルを作成する。一方、ステップ５において、設計対象となる修正部分（リブ部）を作成し、これを基準形状に組み合わせた解析モデルを作成する。
【０００５】
ステップ６において、作成した解析モデルを用い、設計変数であるリブ部の構造パラメータに初期値を与えて衝撃解析を実行する。ステップ７において、衝撃解析の結果のデータから衝撃吸収性能を評価する。この評価値に対して、ステップ８において、衝撃吸収性能を最良とするリブ部構造であるかを判断する。最良でないと判断した場合は、ステップ９において、用いた最適化手法のアルゴリズムに従って構造パラメータを修正し、ステップ５に戻って解析モデルを再度作成（修正）し、ステップ６〜８を行なう。このようなステップ５〜９のプロセスを評価値が最良の結果に収束するまで繰り返して行なう。
【０００６】
ステップ８において評価値が最良の結果に収束していると判断すれば、それによって構造が決定され、ステップ１０において部品図面を作成し、ステップ１１において金型を作成し、ステップ１２において、先に決定した使用材料を用いて部品の成形を行なう。
【０００７】
このように、これまでの最適設計においては、予め使用材料を決定してから、解析モデルを用いた最適化を行っていた。このような使用材料の決定は、通常、製造プロセスや供給主体あるいは材料に求められる他の機能等の制約のもとで採用可能なものの中から、人間が材料の特性データ等に基づいて経験的に選んでいた。
【０００８】
しかしながら、このような最適化手法を用いた設計方法では、選ばれた材料についての最適な形状が求められるので、他の樹脂材料の使用を考慮した際の最良の力学特性が得られる訳ではない。常に、選ばれなかった材料の中に、同じ条件下でより良い力学特性を発揮する製品を提供することができるものが有る可能性が残る。このような問題点を解決するために、複数の樹脂を選んで上記方法を適用し、その中で最良のものを選ぶことも考えられるが、より良い力学特性を発揮する製品を提供することができるものが他の樹脂材料に有る可能性が残る点は変わらない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記問題点に鑑み、広範囲の樹脂材料の使用を考慮して、最良の力学特性が得られるような製品の設計を行なうことができるような樹脂製品の設計方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は前記課題を解決するためになされたもので、数値解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用いて、樹脂製品の力学特性を最適化する樹脂製品の設計方法において、樹脂材料の材料特性を表す物性値を設計変数として最適化を行なうことを特徴とする樹脂製品の設計方法である。
【００１１】
これにより、所定の構造に対して最適な力学特性を与える樹脂材料の材料特性を表す物性値が最適化手法を用いて決定される。力学特性は、製品が要求される機能に関連するものが選択されるが、例えば、剛性、衝撃吸収特性、熱変形特性等が挙げられる。設計変数とする材料特性は、通常、樹脂材料の材料物性値のうち、目的とする力学特性に影響を与えるものを選んで設定する。例えば、弾性率、降伏応力、破断塑性歪み、歪み−応力曲線、時間−歪み曲線等が挙げられる。歪み−応力曲線および時間−歪み曲線はそれぞれ、テーブル形式あるいは数式として取扱うことができる。テーブル形式の場合、一方の軸の値を固定して他の軸の値を設計変数として取扱えばよいし、数式の場合は、例えば１次関数の場合であれば、「ｓｔｒｅｓｓ＝Ａ×ｓｔｒａｉｎ＋Ｂ」のＡ、Ｂを設計変数とすればよい。
【００１２】
最適化された変数はこれらの材料物性値（又は複数の材料物性値の組み合わせ）として得られる（以下、最適物性値という）ので、実際に用いる樹脂材料をこれに基づいて決定する必要が有る。実際に使用する樹脂を決定する際に考慮することは、状況に応じて種々のものが考えられるが、大別すると、力学特性自体に関するものと、それ以外の要素とが有る。
【００１３】
設計変数に所定の制約条件を与えることにより、最適化の工程あるいは樹脂を選択する工程を経済的に行うことができる。特に、既存の樹脂材料の材料特性を表す物性値に基づく制約条件の範囲内で行なうことにより、存在しない樹脂の範囲に最適化の解を求める不具合を回避することができる。このような制約条件は、樹脂材料の少なくとも２つの物性値の関係において設定することができる。発明者等のデータ分析により、このような設定範囲は、それぞれを独立的に設定した場合よりも妥当な範囲を与えることが分かった。これは、２つの物性値の間に相関があることに起因すると考えられる。
【００１４】
このような少なくとも２つの物性値として、樹脂の性能を決定する重要な因子である弾性率（Ｅ）、降伏応力（σ）が好適である。具体的には、既存のデータを集計し、少なくとも２つの物性値の関係において既存のデータが存在する領域（存在領域と呼ぶ）を画定し、制約条件をこの存在領域に基づいて設定する。
【００１５】
存在領域に隣接する境界領域を画定し、前記制約条件を、前記存在領域及び前記境界領域に限定するように設定するようにしてもよい。既存のデータの全てを集計することは困難であり、存在領域に隣接する領域にも樹脂は存在する可能性がある。また、これから開発することが可能な領域でもある。境界領域は、例えば、存在領域の境界線を一様に拡張することによって得ることができる。境界領域の大きさ、すなわち、拡張の幅は、存在する可能性に関連して任意に設定することができる。
【００１６】
この発明の他の態様は、数値解析と計算機支援による最適化手法の組み合わせを用い、樹脂製品の力学特性を最適化する工程を有する樹脂製品の設計方法において、最適化における制約条件を、弾性率Ｅと降伏応力σが、
α１Ｅ≦σ≦（α２Ｅ）１／２　　　　　（１）
α１≦０．００３，１／０．１８≦α２　　　　（２）
を満足するように設定すること特徴とする樹脂製品の設計方法である。
【００１７】
なお、最適化を行う際の制約条件として、材料物性値を特定の樹脂材料のグループのみに限定することも考えられる。その場合は、所定の基準で予め選択した有限な数の樹脂材料について、材料物性値の組み合わせを用意し（例えば、弾性率、静的降伏応力、破断塑性歪み）、この組み合わせの中から最もよい力学特性が得られるものを最適化手法にて探索する。この場合、最適化において材料物性値を修正する際にも、入力された材料物性値の組み合わせの中から選択することとなる。このような離散的に分布するデータを含んだ最適値の組み合わせを得る最適化手法としては、焼き鈍し法、遺伝的アルゴリズム等が上げられる。
【００１８】
上記の設計方法を用いた樹脂製品は具体的には、例えば、射出成形品として製造される。射出成形は、樹脂加熱手段、混練用スクリュー、及び成形用金型を備えた射出成形機を用いて、以下のような工程で行われる。
▲１▼樹脂材料を射出成形機に投入する。
▲２▼射出成形機に投入した樹脂材料を樹脂加熱手段で加熱することによりその樹脂成分を溶融させると共に、混練用スクリューを回転させることにより混練する。
▲３▼加熱及び混練した樹脂材料を成形用金型に射出することにより射出成形品を成形する。
【００１９】
この発明の他の態様は、上記のような樹脂製品の設計方法を実行するプログラムを記録した記録媒体である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法を、図１を用いて説明する。ステップ１のスタートにおいて、所定の形状・寸法を持つモデルは既に決められている。ステップ２において、物性値の初期条件及び制約条件を設定する。樹脂の場合、有限要素法を用いた数値解析に必要な物性値として、弾性率、降伏強度、破断塑性歪み、密度、ポアソン比等が挙げられ、これらのいくつかに制約条件を設定する。制約条件の設定に関しては、後に詳述する。そして、ステップ３において、所定の解析プログラムを用いて衝撃解析を行なう。
【００２１】
次に、ステップ４において、所定の手法により解析結果を評価し、例えば、衝撃吸収能力を算出する。次に、所定の最適化プログラムを用いて、ステップ５において、上記結果が最適値に収束しているかどうかを判断し、収束していない場合には、ステップ６において、予め設定した制約条件の範囲内で物性値を修正する。修正する物性値は、予め、上述した弾性率、降伏強度、破断塑性歪み、密度、ポアソン比等のうち、衝撃解析結果に影響するものを１又は複数適宜に選択しておく。そして、ステップ３から６までのプロセスを、解析結果が最適値に収束するまで繰り返す。最適値に収束すると、そのときの材料物性値又は複数の材料物性値の組み合わせを、その形状に対する最適な材料特性を表すものとして決定する。
【００２２】
次に、ステップ７において、上記のようにして決定された材料物性値に基づいて実際に使用する樹脂を選択し、ステップ８において、所定形状の金型を用いて、例えば、射出成形法により樹脂を注入し、製品を製造する。実際に使用する樹脂を決定する際に考慮することは、状況に応じて種々のものが考えられるが、大別すると、力学特性自体に関するものと、それ以外の要素とが有る。
【００２３】
（１）力学特性に関する要素
最適物性値と同じ材料物性値を有する樹脂が有ればそれを用いることができる。最適物性値をそのまま有する樹脂材料は必ずしも入手することができない。そのような樹脂を材料設計手法によって設計することができ、そのような手間を掛けることが妥当である場合には、そのようにする。通常の方法は、最適物性値に最も近い材料物性値を有する既存の樹脂を採用することである。最適物性値が複数の材料物性値の組み合わせである場合には、最小自乗法などを用いて決定する。つまり、手持ちの樹脂材料の材料物性値を得られた最適物性値で無次元化し、その無次元数の二乗の和の平方根が一番小さくなる材料を選択する。決定した材料についての衝撃吸収特性を再度算出してその値を確認するのが望ましい。また、決定した材料について再度構造の最適化を行って構造を最終決定するのが望ましい。
【００２４】
（２）力学特性以外の要素
これには、樹脂材料選択の際の一般的な指標が全て含まれるが、例えば、その用途に要求される他の樹脂の機能（成形性、色調、めっき性等）、コスト、入手の容易さ、環境や安全性への配慮、製造工程への配慮等が挙げられる。これらの要素については、必要な場合にのみ検討すれば良く、また、事前に制約条件として考慮してあれば、この段階で考慮する必要はない。
【００２５】
次に、制約条件の設定方法について説明する。図２は、プラスチックハンドブック（（株）工業調査会、１９９９年発行）第２３７頁〜第７０５頁に記載された樹脂材料に関する弾性率と降伏応力のデータ等を基にして、Ｅ−σ座標平面にプロットしたものである（単位：ＭＰａ）。このデータのうち、高剛性のものの多くは繊維強化樹脂である。このデータは、市販の樹脂材料をほぼ網羅していると考えられる。このような樹脂の物性値データは、現在入手可能な、あるいは少なくとも開発可能であることが証明されている樹脂の範囲を示すもので、固定的なものではなく、新たに入手したデータを順次追加して蓄積すべきものである。
【００２６】
このグラフにおいてデータのプロットが存在する領域を画定するための第１の境界線を引き、これを低次の曲線で近似させた。これらは、図２において実線で示されている。下限の境界線は、直線：σ＝０．００３Ｅ、で表され、上限の境界線は、二次曲線：σ＝（Ｅ／０．１８）１／２、で表されている。このような近似曲線は、適宜に設定することができる。この上下の境界線により挟まれた範囲が、データの存在領域として定義される。この存在領域は、次式で表される。
０．００３Ｅ≦σ≦（Ｅ／０．１８）１／２　　　　（３）
【００２７】
次に、この存在領域に隣接する境界領域を画定する第２の境界線を設定した。境界領域は、樹脂が既にあるいは将来的に存在する可能性が有る領域である。図示の例では、第１の境界線の近似式（３）の係数を変えることにより、第２の境界線を設定した。これにより、上下の境界領域は、
０．００３ｎ１Ｅ≦σ＜０．００３Ｅ　　　　　　　　　　（４）
（Ｅ／０．１８）１／２＜σ≦（ｎ２Ｅ／０．１８）１／２　　（５）
となる。ただし、ｎ１＜１、ｎ２＞１である。図２に鎖線で示す線は、ｎ１＝１／３、ｎ２＝０．１８／０．０８、である。
【００２８】
境界領域の大きさ（幅）は、樹脂が存在する可能性を見積もった上で実施者が任意に設定してよい。また、第２の境界線の設定方法も任意であり、例えば、第１の境界線を平行移動して設定してもよい。この場合、上下の境界領域は、
０．００３Ｅ−ａ１≦σ＜０．００３Ｅ　　　　　　　　　（６）
（Ｅ／０．１８）１／２＜σ≦（Ｅ／０．１８）１／２＋ａ２　　（７）
となる。ただし、ａ１，ａ２は境界領域の幅を表す正の値である。
【００２９】
このようにして求めた存在領域及び境界領域を用いて最適化の際の制約条件を設定する方法を説明する。すなわち、図１に示す実施の形態のステップ２において物性値に制約条件を設定する際に、弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）が上述した存在領域又は存在領域＋境界領域にあることを設定する。
【００３０】
存在領域は、この実施の形態では、（３）式で表されるが、これに限られるものではない。図２に示す同じデータの存在領域を別の式で表現することができるし、テーブルを用いて定義することもできる。また、入手可能なデータが別のものであれば、存在領域自体が別の範囲になる。
【００３１】
境界領域を設定するかどうかは任意である。この実施の形態では、上下の領域を、（３）、（４）式、又は（５）、（６）式によって設定しているが、上下のうち、一方のみを設定することもできる。また、境界領域の幅を表すｎ１，ｎ２、及びａ１，ａ２の設定も、上述したように任意である。境界領域を設定する、あるいはそれを大きく設定する、ということは、新たな樹脂材料の可能性を探るという方向性を表すものである。
【００３２】
なお、存在領域に基づく上記の制約条件は、解析の対象や目的に応じて設定される他の制約条件に対して加重的に設定されるのが原則である。この実施の形態では、従来と同様に、弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）に関して上下限を設けている。これは、図２において一点鎖線で示されている。また、ステップ２では、必要に応じて、弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）以外のの物性値についても制約条件を設定する。
【００３３】
このように設定した制約条件は、最適化の工程におけるステップ６の物性値修正の際に考慮される。すなわち、物性値のうち、弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）に関しては、上記のように設定した制約条件領域の中の値のみが選択される。従って、制約条件領域の外側にある値についてステップ３〜ステップ５の工程が行われることはなく、当然に、ステップ５においてそのような樹脂材料が最適値に収束することもない。従って、現存せず、あるいは当分開発される可能性が無い樹脂材料について無益な解析を行ったり、そのような樹脂が最適なものとして出力されることによる解析や樹脂物性の設計のやり直しの手間を省くことができる。
【００３４】
なお、この発明は上述した実施の形態に限定されることなく解釈されるべきであり、例えば、上記実施の形態においては、制約条件を弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）の関係において設定したが、意味のある関連性が見られる限り、他の物性値の組み合わせの関係において設定することができる。また、３つ以上の物性値の組み合わせの関係において設定することもできる。
【００３５】
また、上記の実施の形態では、制約条件は物性値空間における連続領域として与えられたが、特定の現存する樹脂のみの範囲で最良の結果を得ればよい場合には、材料物性値（又はその組み合わせ）は現存する樹脂のみの有限なすなわち離散的なデータとして入力すればよい。最適化のプロセス中、材料物性値を修正する際にも、入力された材料物性値の組み合わせの中から選択する。このような離散的に分布するデータを含んだ最適値の組み合わせを得る最適化手法としては、焼き鈍し法、遺伝的アルゴリズム等が上げられる。この場合、最適物性値は、事前に用意した手持ちの樹脂材料の材料物性値の組み合わせとなるので、ステップ７の樹脂材料を選択して決定する工程においては、該当する樹脂を選択すればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、所定の構造に対して最適な力学特性を与える樹脂材料の材料特性を表す物性値が最適化手法を用いて決定される。従って、使用可能な樹脂材料を広範囲に考慮して、最良の力学特性が得られるような製品の設計を行なうことができ、樹脂を用いた種々の物品の設計の実用性を高め、樹脂製品の広範囲での適用を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂材料の物性の最適値を求めるプロセスを説明するフロー図である。
【図２】既存の樹脂のデータにおける弾性率（Ｅ）と降伏応力（σ）の関係を示すグラフである。
【図３】従来の衝撃吸収部品を製造するプロセスのフロー図である。
【図１】
2004005367.tif 000003
【図２】
2004005367.tif 000004
【図３】
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