(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、非変位及び変位許容の拘束点で拘束され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変位許容の拘束点については置換した非線形ばねによる拘束条件を含めて入力条件としてクリープ変形を解析し、許容変位量を発生させる荷重を基にばね定数を算出すると共に、クリープ変形の解析結果に対応するように、モデルの各要素に生じる反力を線形解析する。反力の解析結果、モデル形状、物性の少なくともヤング率、非変位の拘束条件及びばね定数を有するばねによる拘束条件、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、剛性パラメータの分布データを作成する。  【選択図】図１
2005144881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非変位の拘束点及び所定の変位を許容する拘束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非変位の拘束条件と共に、変位許容の拘束点については許容変位量に対応して変換された特性の非線形ばねによる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、
前記樹脂成形品の変位許容状態の拘束点について、前記許容変位量を発生させる前記樹脂成形品に対する荷重を基にばね定数を算出すると共に、前記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非変位の拘束条件及び前記ばね定数を有するばねによる拘束条件を入力条件として線形解析し、
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、前記非変位の拘束条件及び前記ばね定数を有するばねによる拘束条件、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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非変位の拘束及びヒンジのピン方向の変位、長穴構造の組付け等の変位許容を伴う拘束を含めて複数の拘束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。
【背景技術】
【０００２】
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】
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。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本願出願人は、特願２００２−３３２６４３により、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を提案した。
【０００６】
この発明は、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。
【０００７】
これにより、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。
【０００８】
しかしながら、実際の樹脂部品の組付けに際しては熱応力を逃がしたり、形状のバラツキを吸収するために長穴を用いて拘束したり、或は長手方向の変位を許容するピンを介してヒンジ結合する等のように逃げ作用を伴う組付け構造については配慮されておらず、したがってこの最適構造の解析方法にはさらに改良の余地が残されている。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて、通常の非変位の拘束点に加えて所定の変位を許容する拘束点を伴う組付け状態の樹脂成形品について熱変形を抑制するように、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、非変位の拘束点及び所定の変位を許容する拘束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非変位の拘束条件と共に、変位許容の拘束点については許容変位量に対応して変換された特性の非線形ばねによる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、樹脂成形品の変位許容状態の拘束点について、許容変位量を発生させる樹脂成形品に対する荷重を基にばね定数を算出すると共に、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非変位の拘束条件及びばね定数を有するばねによる拘束条件を入力条件として線形解析し、反力の解析結果、モデル形状、物性の少なくともヤング率、非変位の拘束条件及びばね定数を有するばねによる拘束条件、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。
【００１１】
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非線形ばねが介在する拘束も入力条件にし得る周知のクリープ変形の解析方法を用いることを前提に、所定の変位を許容する組付け構造に対して拘束点に所定の変位に対応した非線形ばねによる拘束状態に置換して解析させる。
【００１２】
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線形解析される。その際、線形解析を可能にするために、変位許容の拘束点について、所定の許容変位量を発生させる樹脂成形品に対する荷重を求めてばね定数を算出して、その線形ばねによる拘束条件を入力条件にする。
【００１３】
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が規定される。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。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、ヒンジピンの方向に所定量変位可能な隙を伴うヒンジ、長穴に係合するボルト、クリップ等による所定量の変位を許容する拘束点を含んで組付けられて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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１乃至図５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２に示すように、グラブボックス１は、両側の下端部に突設されたヒンジ２で、インストルメントパネル本体のグラブボックス用開口部の下辺部３のヒンジピン２ｂに枢着され、上端中央部がロック部４でその上辺部に開閉可能にロックされている。即ち、図３に示すように、ヒンジ２の係合溝２ａに、下辺部３に形成されたＬ字形のヒンジ挿入穴５のコーナ部を横断し、かつ両端部が一体成形で下辺部３に固定されているヒンジピン２ｂが、回転自在に係入して枢着されている。ロック部４はグラブボックス１を変位不能に拘束する通常の拘束点となり、ヒンジ２は係合溝２ａ内でヒンジピン２ｂに沿ったＷ方向に±１ｍｍの変位可能な拘束点となる。
【００１６】
先ず、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、樹脂原料の物性及び拘束条件の入力により、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で解析する。その際、変位可能な拘束点となるヒンジ２については、このヒンジ及びヒンジピン２ｂ間に、微小な荷重で±１ｍｍ変位し、以後急峻にばね定数が大きくなって、少なくとも解析範囲内で非変位の拘束状態となるように、非線形のばねが介在して結合すると想定する(図５Ａ)。そして、この非線形のばねによる拘束を入力条件とする。
【００１７】
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４Ａはこの熱変形の解析結果をモデル９について、簡単のために０〜３ｍｍの変位量を７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のロック部４が左寄りで、またこの拘束点から離れているためである。また、ヒンジ２に近い下端部分の変位量は小さく、完全拘束に較べて僅かに小さく範囲が広がり、特に右側下端部分で僅かに広くなる。
【００１８】
続いて、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。前述の商品名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線形解析を行う。その際、ヒンジ２については、同じソフトウエアにより予めモデル９を常温２０℃で強制的にＷ方向へ±１ｍｍだけ弾性変位させる荷重を解析して(図５Ｂ)、この算出されたばね定数を有する線形ばねでＷ方向へ弾性変位を許容して拘束される拘束条件を入力する。このように、反力を線形解析しておくことにより、後述の線形の最適化解析に際して、反力に対する荷重が過大になるのを回避して解析精度を向上させ得る。
【００１９】
図４Ｂはこの反力の解析結果を同様に０〜２０ｋｇｆの７段階で概略的に表示する。この解析結果は、図４Ａ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。
【００２０】
尚、この反力の解析は、所定の温度下で強制的に弾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。
【００２１】
続いて、この反力の解析結果に対応して例えば周知のＡｌｔａｉｒ社製の商品名Ｏｐｔｉ  Ｓｔｒｕｃｔによる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、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Ｋ及び変位Ｕに対する歪みエネルギを最小にするマトリックス計算式に基づく解析により、各要素の所定の反力に対して剛性パラメータＫ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につき各要素の必要な剛性パラメータＫが解析される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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４Ｃでは便宜上７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。ヒンジ２が変位を許容することに起因して上端部分の左右領域は完全拘束に較べて応力は小さくなる。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。
【００２５】
図４Ｄは、図４Ｃ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段階で概略的に○×△□●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る。ヒンジ２を除いて、剛性確保に寄与しない下端左右領域は薄くなっている。
【００２６】
図６は本発明をグラブボックス１を備えたインストルメントパネル全体構造を示すもので、その剛性構造決定の解析に際しては、所定量の車幅方向の変位を許容するピン差込による拘束点１６、非変位のボルトによる拘束点１７及び所定量の上下方向の変位を許容するクリップによる拘束点１８の拘束条件と、各開口部及び両側面のボデー側の部分により固定される拘束条件等を入力条件として同様な手順で解析を行う。拘束条件としては、車幅、上下、前後の３軸方向の変位に限らず、いずれかの方向のフリーのもしくはフリー回転の条件も必要により入力する。グラブボックス１用の開口部周辺の解析は、その組付け状態を入力条件にする。
【００２７】
図７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。
【００２８】
即ち、解析ステップ２０において、反力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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】同決定方法を適用する自動車のグラブボックスの斜視図である。
【図３】同グラブボックスの分解斜視図である。
【図４】同決定方法の最適化解析手順を説明する図である。
【図５】同最適化解析手順を説明する図である。
【図６】同グラブボックスが組み付けられるインストルメントパネル全体構造を示す斜視図である。
【図７】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】
【００３０】
１  グラブボックス  
２  ヒンジ
４  ロック部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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