(57)【要約】【課題】  用途に即した適切な評価関数を設定し、実用性の高い樹脂製品の設計方法、それを用いた製造方法、およびそのためのプログラムを提供する。【解決手段】  解析結果から得られる製品性能に関するパラメータの中から少なくとも１つのパラメータを用いて評価関数を算出する。そして、評価関数が減少あるいは増加するように設計変数を変更し、評価関数が十分小さくあるいは大きくなるまで繰り返す。樹脂製品の性能に関するパラメータの中の少なくとも１つを独立変数とし、樹脂製品の性能に関する他のパラメータのうち少なくとも１つを独立変数に対して従属変数とするような特性関数を選択し、目標製品性能における特性関数である目標特性関数と、解析結果から得られる特性関数である算出特性関数との乖離の度合いを示す値を評価関数として用いる。【選択図】      図４
2005288736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（1）樹脂製品の設計に関するパラメータの中から少なくとも１つのパラメータを設計変数として選択する工程と、
（2）上記設計変数に任意の値を設定して、計算機を用いた衝撃解析あるいは構造解析を実施して解析結果を得る工程と、
（3）上記解析結果から得られる製品性能に関するパラメータの中から少なくとも１つのパラメータを用いて評価関数を算出する工程と、
（4）上記評価関数が減少あるいは増加するように上記設計変数を変更する工程とを行い、
（5）上記（2）から（4）の工程を上記評価関数が十分小さくあるいは大きくなるまで繰り返す樹脂製品の設計方法であって、
樹脂製品の性能に関するパラメータの中の少なくとも１つを独立変数とし、樹脂製品の性能に関する他のパラメータのうち少なくとも１つを上記独立変数に対する従属変数とするような特性関数を選択し、
目標製品性能における特性関数である目標特性関数と、(2)の解析結果から得られる特性関数である算出特性関数との乖離の度合いを示す値を上記評価関数として用いることを特徴とする樹脂製品の設計方法。
【請求項２】
上記評価関数として、上記独立変数の各値における上記目標特性関数と上記算出特性関数の差の絶対値を加算したものを用いる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】
上記評価関数として、上記目標特性関数と上記算出特性関数の差の絶対値を上記独立変数で積分したものを用いる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４】
製品の性能に対して要求される許容範囲の中間値を、上記目標特性関数として設定する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５】
上記評価関数を算出する際に上記目標特性関数と上記算出特性関数との差に所定の重みを付加して加算又は積分することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項６】
上記樹脂製品の設計に関するパラメータは、製品の寸法、材料物性値、固定条件、及び衝突条件の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項７】
上記樹脂製品の性能に関するパラメータは、時間、座標、温度、変位、速度、加速度、加重、延び、応力、歪、歪速度、および破壊状態から選ばれた少なくとも２つのパラメータであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法を用いて設計した結果に基づいて作成された金型。
【請求項９】
請求項８に記載の金型を用いて樹脂成形を行うことを特徴とする樹脂製品の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の樹脂製品の製造方法を用いて製造された樹脂製品。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法を行うためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましい性能の樹脂製品を製造するための樹脂製品の設計方法、樹脂成形用金型、樹脂製品の製造方法、およびそれらを実行するためのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂製品の設計においては、要求される性能を得るべく、製品の特定部位の寸法または形状、製造条件、素材特性等を表す最適なパラメータを種々の制約の下で決定することが求められている。決定に際し、多くのサンプルを試作し、実地に試験を行って要求性能を満たすかどうかを判断するのは、多くの手間と時間を要し、コストも高くなる。そこで、コンピュータを用いて樹脂製品の変形過程等をシミュレーションする解析工程と、その解析結果を評価しつつ最適な条件を探索する最適化工程を組み合わせて用いる方法が提案されている。この場合、評価する指標（評価関数）は、要求性能を数値で表すものが設定され、その性能に影響を与えるパラメータ（設計変数）は、樹脂製品の寸法、形状、製造条件、素材特性が適宜に採用される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、所定の構造体が運動エネルギーを吸収するパターンを設計変数とし、人の頭部の損傷を推定する指標値である傷害値を評価関数として最小化する最適化手法によって衝撃吸収構造体の衝撃吸収特性を決定することが記載されている。また、特許文献２には、人の体重を支えて人体との接触圧力を緩和させるための粘弾性構造体を設計する方法であって、有限要素でモデル化した粘弾性構造体と人体モデルとを接触させたときに人体モデルにかかる応力を評価関数として最適化を行うことが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７２４９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２８１２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、最適化の手法を用いる際には、評価関数として製品の性能を表す適切な物理量を選択することが必要である。しかしながら、例えば、衝撃吸収体において衝撃を吸収する際の変形の過程のパターンを細かく評価したい場合や、異なる条件下における評価値を総合的に判断したいような場合には、１つの指標を設定することが難しく、上記のような従来の方法では対応が難しかった。
【０００６】
したがって、本発明は、複数の指標値を総合的に評価して最適化を行うことによって、用途に即した適切な評価関数を設定し、実用性の高い樹脂製品の設計方法、それを用いた製造方法、およびそのためのプログラム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】
【０００７】
前記目的を達成するために、  請求項１に記載の樹脂製品の設計方法は、（1）樹脂製品の設計に関するパラメータの中から少なくとも１つのパラメータを設計変数として選択する工程と、（2）上記設計変数に任意の値を設定して、計算機を用いた衝撃解析あるいは構造解析を実施して解析結果を得る工程と、（3）上記解析結果から得られる製品性能に関するパラメータの中から少なくとも１つのパラメータを用いて評価関数を算出する工程と、（4）上記評価関数が減少あるいは増加するように上記設計変数を変更する工程とを行い、（5）上記（2）から（4）の工程を上記評価関数が十分小さくあるいは大きくなるまで繰り返す樹脂製品の設計方法であって、樹脂製品の性能に関するパラメータの中の少なくとも１つを独立変数とし、樹脂製品の性能に関する他のパラメータのうち少なくとも１つを上記独立変数に対する従属変数とするような特性関数を選択し、目標製品性能における特性関数である目標特性関数と、(2)の解析結果から得られる特性関数である算出特性関数との乖離の度合いを示す値を上記評価関数として用いることを特徴とする。
ここで、「特性関数」とは、製品性能に関するパラメータの相関関係を表す多次元空間における概念であり、独立変数が１つの場合には特性曲線となり、独立変数が２つの場合には特性曲面となる。
【０００８】
請求項２に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項１に記載の発明において、上記評価関数として、上記独立変数の各値における上記目標特性関数と上記算出特性関数の差の絶対値を加算したものを用いることを特徴とする。これにより、目標特性関数と算出特性関数との乖離の度合いを明確に示す評価値が算出される。
【０００９】
請求項３に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項１に記載の発明において、上記評価関数として、上記目標特性関数と上記算出特性関数の差の絶対値を上記独立変数で積分したものを用いることを特徴とする。これにより、目標特性関数と算出特性関数との乖離の度合いをより精度良く示す評価値が算出される。
【００１０】
請求項４に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項１に記載の発明において、製品の性能に対して要求される許容範囲の中間値を、上記目標特性関数として設定することを特徴とする。これにより、製造誤差等を考慮しても最終的に製品の特性を許容範囲内へ収めることができるような目標特性関数を設定することができる。
【００１１】
請求項５に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、上記評価関数を算出する際に上記目標特性関数と上記算出特性関数との差に所定の重みを付加して加算又は積分することを特徴とする。これにより、目標特性関数をより正確に近似した特性関数を持つ樹脂製品を設計することができる。
【００１２】
請求項６に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発明において、上記樹脂製品の設計に関するパラメータは、製品の寸法、材料物性値、固定条件、及び衝突条件の少なくとも１つを含むことを特徴とする。これにより、要求される衝撃吸収構造特性を有する樹脂製品の構造の設計が容易に行える。
【００１３】
請求項７に記載の樹脂製品の設計方法は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発明において、上記性能に関するパラメータは、時間、座標、温度、変位、速度、加速度、加重、延び、応力、歪、歪速度、および破壊状態から選ばれた少なくとも２つのパラメータであることを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載の金型は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法を用いて設計した結果に基づいて作成されたことを特徴とする。
請求項９に記載の樹脂製品の製造方法は、請求項８に記載の金型を用いて樹脂成形を行うことを特徴とする。
請求項１０に記載の樹脂製品は、請求項９に記載の樹脂製品の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする。
請求項１１に記載のプログラムは、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の樹脂製品の設計方法を行うためのものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１ないし請求項１１に記載の発明によれば、複数の指標値を総合的に評価して最適化を行うことによって、用途に即した適切な評価関数を設定し、実用性の高い樹脂製品の設計方法、設計された金型、それを用いた製造方法、およびそのためのプログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態を個別に説明する。
図１は、この発明の実施の形態において設計の対象となる樹脂製品である衝撃吸収部品１０を示す図である。この衝撃吸収部品１０は、上下左右の外壁１１，１２と、これらの外壁１１，１２にそれぞれ平行で、外壁１１，１２によって囲まれた空間を格子状に４つに区分する縦横２枚のリブ板１３，１４とを備えている。リブ板１３，１４は、外壁１１，１２よりも深さ（奥行き）が短くなっており、先端（同図において前側）は外壁１１，１２よりやや引っ込んでいる。この衝撃吸収部品１０は、樹脂を金型に射出成形することにより、外壁１１，１２とリブ板１３，１４とが一体に成形される。型抜きを容易にするために、外壁１１，１２およびリブ板１３，１４には厚さが型抜き方向に漸減するようなテーパが付されている。
【００１７】
この衝撃吸収部品１０は、外壁１１，１２あるいはリブ板１３，１４の方向に沿って負荷される衝撃を吸収するように用いられる。図２に衝撃吸収部品１０の試験方法が示されており、衝撃吸収部品１０は先端側が図示しない垂直な剛体壁に固定され、後端側に所定の速度で前進する衝突体（ダート）１５が衝突することにより衝撃を受けて変形する。この実施の形態では、ダート１５は平坦な前面を有する断面が台形の柱状体である。
【００１８】
この衝撃吸収部品１０は、その衝撃吸収性能に関して、変位−荷重特性曲線が図３に斜線で示すような許容範囲領域に存在するようにすることが要求されている。この許容範囲の領域は、変位を独立変数ｘ、荷重をその従属変数である特性関数ｙで表すと、各変位値に対応する荷重の上限を規定する特性曲線（ｙ＝ｆ１(ｘ)）と下限を規定する特性曲線（ｙ＝ｆ２(ｘ)）とによって区画されている。このような衝撃吸収性能を有する衝撃吸収部品１０を設計する際には、製造時における品質誤差等を考慮すれば、荷重が各変位に対して上限と下限の中間値になるように設定することが望ましい。そこで、望ましい特性曲線である変位−荷重特性曲線（以下、目標特性曲線と呼ぶ。）として、前記２つの曲線を表す関数の平均値である曲線（ｙｍ＝｛ｆ１(ｘ)＋ｆ２(ｘ)｝/２）を設定し、設計される衝撃吸収部品１０の特性をこの目標特性曲線に近づけるようにする。
【００１９】
この実施の形態では、
ｆ１(ｘ)＝ａｘ＋ｂ１  （０＜ｘ≦５０）
ｆ２(ｘ)＝０  （０＜ｘ≦１０），  ｆ２(ｘ)＝ａｘ＋ｂ２  （１０＜ｘ≦５０）
である。但し、
ａ＝１．０×１０５Ｎ／ｍ，ｂ１＝７．０×１０３Ｎ，ｂ２＝―１．０×１０３Ｎ
したがって、目標特性曲線は、
ｙｍ＝（ａｘ＋ｂ１）／２  （０＜ｘ≦１０）
ｙｍ＝ａｘ＋（ｂ１＋ｂ２）／２  （１０＜ｘ≦５０）
となる。
【００２０】
次に、このような目標特性曲線によって示される衝撃吸収特性に近い特性を持つような衝撃吸収部品１０を、衝撃または構造解析と最適化の手法を組み合わせた方法で求めて製造する方法を、図４のフロー図を基に説明する。まず、対象となる部品が決定されると（ステップ１）、その性能を評価するための試験方法を定め、その際の変形過程を解析するプログラムのための解析モデルを作成する（ステップ２）。衝撃解析用として、有限要素法をベースとする市販のソフトウエアであるLS-DYNA  version 9.40（Livermore Software Technology Corporation製）を用いた。
【００２１】
解析モデルは、図２に示すように、衝撃吸収部品１０の寸法が、高さ：90.0mm、幅：90.0mm、深さ：60.0mm、リブピッチ：45.0mにそれぞれ設定した。そして、外壁１１，１２およびリブ板１３，１４のテーパーを一定（0.5°）とし、各先端部の板厚を設計変数とした。すなわち、天板、底板の先端部の板厚をth1、横リブ板１３の先端部の板厚をth2、左右の外壁１１，１２の先端部の板厚をth3、縦リブ板１４の先端部の板厚をth4とした。なお、材料は耐衝撃ポリプロピレンとし、材料モデルはLS-DYNA物性タイプ24とした。また、ダート１５は、高さ：160.0mm、最大幅：180.0mm、深さ：60.0mmとした。
【００２２】
次に、解析を実行するために必要な解析用入力ファイルを作成する（ステップ３）。ここで入力される解析に必要なデータとしては、板厚、物性値、衝突条件等が含まれる。表１に、用いた材料の物性値を示す。設計変数は、材料が決まっている場合には、形状や寸法に関するパラメータが選ばれ、材料の選択を設計範囲とする場合には、物性値に関するパラメータも選ばれる。ダート１５の質量は20.0kgで、衝突速度を7.0m/sと設定した。この実施の形態では、Cowper-Symonds式を用いて、降伏応力の歪み速度依存性を考慮しており、Cowper-Symonds式のモデルパラメータは、表３のように設定した。
【００２３】
【表１】
2005288736.tif 000003
【表２】
2005288736.tif 000004
【表３】
2005288736.tif 000005
【００２４】
次に、解析用入力ファイルに入力されたデータを基に、衝撃解析や構造解析を実行する（ステップ４）。これらの解析の結果として得られた変位と荷重のデータから、それらの相関関係としての変位−荷重特性曲線を算出する（ステップ５）。そして、上述した目標特性曲線と、ステップ５で得られた変位−荷重特性曲線である算出特性曲線との乖離度を示すパラメータを算出し、これを評価関数とした（ステップ６）。この工程を図５を参照して説明する。
【００２５】
この実施の形態では、0.01ms毎に出力されるデータより評価関数を導出する。先ず、荷重fori（ｋｇ・ｍ／ｓ２）を出力時刻毎に出力される加速度acci（ｍ／ｓ２）とダート１５の質量（ｋｇ）の積として算出する。  
【数１】
2005288736.tif 000006
次に、これを基に出力時刻毎の目標特性曲線と解析結果から得られる算出特性曲線の荷重差を算出する。
【数２】
2005288736.tif 000007
次に、これらの荷重差の絶対値の平均値（obj1）を求める。この実施の形態では、特性が許容範囲の外に出ることが好ましくないことから、算出特性曲線の荷重が許容範囲の外に有る場合には重み付け（×１０００）をして差別化することとした。
【数３】
2005288736.tif 000008
【００２６】
次に、算出特性曲線と目標特性曲線の差である評価関数が充分小さいかどうかを判断する最適化の工程を行う。最適化プロセスにおいて使用したプログラムは、iSIGHT 6.0 (商品名、Engineous Software Inc.製)であり、最適化手法としては、焼きなまし法を採用した。焼きなまし法は、最適解の探索を急速に進めるのでは無く、部分的には解の改悪を許すことで解の多様性を生み出し、大域探索を可能とする手法である。すなわち、ステップ６で算出した評価関数をステップ７において収束しているかどうか判断し、収束していないと判断したときは、最適化手法に則って設計変数を修正する（ステップ８）。そして、ステップ２へ戻って対象部品の解析モデルを作成し、ステップ７までを行って、その設計変数に基づく評価関数を評価する。
【００２７】
以下、ステップ８からステップ７の工程を、評価関数が充分小さい値に収束していると判断するまで繰り返す。評価関数が充分小さい値に収束していると判断された時は、得られた形状・寸法に基づき部品を設計する（ステップ９）。そして、設計された図面に基づいて金型を作成し（ステップ１０）、これに樹脂を注入して部品を成形する（ステップ１１）。なお、ステップ１ないしステップ９の工程は、上記実施の形態では、複数のプログラムが組み合わせられて実行されることで行われているが、これに限られることなく、最初から一体として構築されたプログラムでもよく、また、実行されるコンピュータの形態や規模、設置場所等も限定されるものではない。
【００２８】
なお、上記の実施の形態では、出力時刻毎に目標特性と解析結果の荷重差を算出しているので、求められた荷重差の絶対値obj1は、目標特性曲線と算出特性曲線の間に形成される図形の面積を表すものとはならない。そこで、目標特性曲線と算出特性曲線の荷重差を出力時刻毎でなく変位毎に算出するようにすれば、求められた荷重差の絶対値obj2は、図６に示すように目標特性曲線と算出特性曲線によって囲まれた部分の面積を表し、この実施の形態においては、２つの曲線の間における樹脂製品に吸収される衝撃エネルギの差を表すものとなる。
【００２９】
図７ないし図９はこの発明の他の実施の形態を説明すものである。上述した実施の形態では、重み付けを２段階で行っている（許容範囲内では×１、許容範囲外では×１０００）ので、許容範囲内で乖離度が同じである場合には区別ができない。例えば、図７と図８はobj1またはobj2が同じである限り区別できない。そこで、この実施の形態では、許容範囲内でもさらに解析結果が目標特性曲線から離れる毎に多段階で重み付けをするようにした。すなわち、図９に示すように、目標特性曲線から離れる順にゾーン１からゾーン４を設定し、それぞれに重み×１、×１０、×１００、×１０００を設定した。このように設定することにより、最適化においては第１ゾーン、第２ゾーンの順で優先的に解が探索され、目標特性曲線に近いプロファイルの解を見つける可能性が高くなる。
【００３０】
なお、以上の実施の形態では、製品の性能に関するパラメータの内、１つを独立変数、１つをその従属変数である特性関数として、２つのパラメータの関係を表す特性曲線について評価関数を算出したが、目的によってはさらに多くのパラメータの関係を多次元的に表す特性関数について評価関数を算出することができる。また、上記の実施の形態では、解析によって算出された２つの製品性能に関するパラメータの間の関係を表す特性曲線について独立変数を変位として評価関数を算出したが、例えば、１つのパラメータの時間的変化を表す曲線に対して評価関数を求める場合には、独立変数を時間に設定すればよい。
【実施例】
【００３１】
以下に、発明の実施例を説明する。ここでは、図５および図６で説明した実施の形態についての実施例を説明する。最適化の際の制約条件と初期条件は以下の通りである。
【数４】
2005288736.tif 000009
結果を表４に示す。また、各実施例において初期条件の際の変位−荷重曲線を図１０に、最適化された変位−荷重曲線を図１１（ａ）および（ｂ）に示す。
【表４】
2005288736.tif 000010
いずれの場合も、初期条件の場合から大幅に改善されており、目標特性曲線との差の平均は許容範囲の幅の３分の１程度であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法の対象を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態の樹脂製品の試験方法を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態の樹脂製品の性能の許容設計範囲を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法および製造方法を説明するためのフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法における評価関数の作成工程を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法における評価関数の作成工程の他の方法を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法によって得られる結果を説明する図である。
【図８】同じく、この発明の実施の形態の樹脂製品の設計方法によって得られる結果を説明する図である。
【図９】この発明の他の実施の形態の樹脂製品の設計方法における評価関数の作成工程を説明するための図である。
【図１０】この発明の樹脂製品の設計方法の実施例において得られた初期条件の際の変位−荷重曲線を示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれこの発明の樹脂製品の設計方法の実施例において最適化された変位−荷重曲線を示す図である。
【図１】
2005288736.tif 000011
【図２】
2005288736.tif 000012
【図３】
2005288736.tif 000013
【図４】
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【図５】
2005288736.tif 000015
【図６】
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【図７】
2005288736.tif 000017
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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