(57)【要約】      （修正有）【課題】接着接合部の強度解析において、接着剤の解析モデルを組み合わせて計算時間を短縮することができる接着剤解析モデルの作成方法を提供する。【解決手段】接着剤特性の計算方法は、接着剤をビーム要素、ソリッド要素の少なくとも一つの要素でモデル化し、応力集中部を特定する事前解析工程と、接着端部周辺の応力集中領域をコヒーシブ要素で、それ以外の弾性領域の接着剤部分をビーム要素、ソリッド要素の少なくとも一つの要素でモデル化するモデル作成工程と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の被着材を接着剤で接着した接着構造を複数の要素に分割し、前記被着材の被着材要素をシェル要素とするとともに、前記接着剤の接着剤要素として、コヒーシブ要素に加え、ビーム要素、ソリッド要素の少なくとも１つの要素を組み合わせた有限要素解析モデルによる接着剤特性の計算方法であって、接着剤が軟化して破壊が発生すると考えられる接着剤要素をコヒーシブ要素として設定し、それ以外の接着剤要素をビーム要素またはソリッド要素のいずれかに設定し、前記コヒーシブ要素の破壊により、前記被着材要素と前記接着剤要素とが接合する接着接合部の強度を判定する、接着剤特性の計算方法。
【請求項２】
前記コヒーシブ要素を設定するに際し、予め接着剤要素をビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、荷重変形時に前記接着剤要素の垂直応力、せん断応力が、前記接着剤要素におけるそれぞれの変形モードの損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素を特定する事前解析を行い、前記事前解析の結果に基づいて、接着剤の引き剥がし、せん断方向の応力状態が、材料降伏後の状態である前記接着剤要素をコヒーシブ要素に設定する、請求項１に記載の接着剤特性の計算方法。
【請求項３】
前記事前解析において、接着剤要素の材料物性を、材料降伏後、応力が低下するように設定する、請求項２に記載の接着剤特性の計算方法。
【請求項４】
２枚の被着材を接着剤で接着した接着構造を複数の要素に分割する分割手段、前記被着材の被着材要素をシェル要素とするとともに、前記接着剤の接着剤要素として、コヒーシブ要素に加え、ビーム要素、ソリッド要素の少なくとも１つの要素を組み合わせた有限要素解析モデルを形成する有限要素モデル形成手段を少なくとも含む接着剤特性の計算装置であって、接着剤が軟化して破壊が発生すると考えられる接着剤要素をコヒーシブ要素とし、それ以外の接着接合部のモデルをビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、前記コヒーシブ要素の破壊により、前記被着材要素と前記接着剤要素とが接合する接着接合部の強度を判定する判定手段を有する、接着剤特性の計算装置。
【請求項５】
前記コヒーシブ要素を設定するに際し、予め接着剤要素をビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、荷重変形時に前記接着剤要素の垂直応力、せん断応力が、前記接着剤要素におけるそれぞれの変形モードの損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素を特定する事前解析を行い、前記事前解析の結果に基づいて、接着剤の引き剥がし、せん断方向の応力状態が、材料降伏後の状態である前記接着剤要素をコヒーシブ要素に設定する、請求項４に記載の接着剤特性の計算装置。
【請求項６】
前記事前解析において、接着剤要素の材料物性を、材料降伏後、応力が低下するように設定する、請求項５に記載の接着剤特性の計算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接着剤を用いた接着継手構造における有限要素解析モデルの接着剤特性の計算方法および計算装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材の接合部にはボルトとナットを用いた機械接合や、溶接などが用いられるが、ＣＦＲＰにはその特性上、繊維破断による強度低下、高温耐熱性などの問題から、一般的には接着接合が用いられる。
【０００３】
有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）を用いた、接着剤や被着材を要素分割した接着剤要素や被着材要素、接着剤要素と被着材要素とが接合した部分である接着接合部の強度解析では、これまでビーム要素を用いた接着剤のモデル作成手法が提案されており、そのモードI（引き剥がし）、モードII（面内せん断）各モードの応力が接着剤の強度に達すると破壊と判定されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2009-99132号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし実際の破壊は、主にこれらの混合モードで発生することや、接着剤の破壊現象においては、微細な損傷発生等による軟化を経て破壊に達することが分かっており、ビーム要素による解析ではこれらを考慮することができないという問題があった。厳密な解析ではこれらの破壊形態を考慮した結合力要素（コヒーシブ要素、cohesive要素）でモデル化することが提案されている。
【０００６】
また、スポット溶接など、接合部の面積が比較的狭く、接着面内において応力分布がないとみなしうる場合は、ビーム要素の発生応力を接合強度と比較して破壊判定することが可能であるが、接着接合のように接合面積が大きい場合は、接着端部と内部の応力分布を無視することができず、破壊開始となる場合の多い接着端部の応力を正確に計算することはビーム要素では困難であった。
【０００７】
しかし、すべての接着接合部を結合力要素（コヒーシブ要素、cohesive要素）でモデル作成した場合、モデル作成・計算にかかる時間が膨大となることや、接着厚みを一定にする必要があるなどの問題もあり、接着接合部の厳密なモデル化が困難であった。
【０００８】
本発明は、接着接合部における破壊強度解析モデルの接着剤特性を計算するにあたり、モデル作成・計算コストを低減させることができ、特に、接着接合部で接着厚みが異なる場合でもより厳密にモデル化する接着剤特性の計算方法および計算装置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】
【０００９】
（１）２枚の被着材を接着剤で接着した接着構造を複数の要素に分割し、前記被着材の被着材要素をシェル要素とするとともに、前記接着剤の接着剤要素として、コヒーシブ要素に加え、ビーム要素、ソリッド要素の少なくとも１つの要素を組み合わせた有限要素解析モデルによる接着剤特性の計算方法であって、接着剤が軟化して破壊が発生すると考えられる接着剤要素をコヒーシブ要素として設定し、それ以外の接着剤要素をビーム要素またはソリッド要素のいずれかに設定し、前記コヒーシブ要素の破壊により、前記被着材要素と前記接着剤要素とが接合する接着接合部の強度を判定する、接着剤特性の計算方法。
（２）前記コヒーシブ要素を設定するに際し、予め接着剤要素をビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、荷重変形時に前記接着剤要素の垂直応力、せん断応力が、前記接着剤要素におけるそれぞれの変形モードの損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素を特定する事前解析を行い、前記事前解析の結果に基づいて、接着剤の引き剥がし、せん断方向の応力状態が、材料降伏後の状態である前記接着剤要素をコヒーシブ要素に設定する、（１）に記載の接着剤特性の計算方法。
（３）前記事前解析において、接着剤要素の材料物性を、材料降伏後、応力が低下するように設定する、（２）に記載の接着剤特性の計算方法。
（４）２枚の被着材を接着剤で接着した接着構造を複数の要素に分割する分割手段、前記被着材の被着材要素をシェル要素とするとともに、前記接着剤の接着剤要素として、コヒーシブ要素に加え、ビーム要素、ソリッド要素の少なくとも１つの要素を組み合わせた有限要素解析モデルを形成する有限要素モデル形成手段を少なくとも含む接着剤特性の計算装置であって、接着剤が軟化して破壊が発生すると考えられる接着剤要素をコヒーシブ要素とし、それ以外の接着接合部のモデルをビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、前記コヒーシブ要素の破壊により、前記被着材要素と前記接着剤要素とが接合する接着接合部の強度を判定する判定手段を有する、接着剤特性の計算装置。
（５）前記コヒーシブ要素を設定するに際し、予め接着剤要素をビーム要素、ソリッド要素のいずれかに設定し、荷重変形時に前記接着剤要素の垂直応力、せん断応力が、前記接着剤要素におけるそれぞれの変形モードの損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素を特定する事前解析を行い、前記事前解析の結果に基づいて、接着剤の引き剥がし、せん断方向の応力状態が、材料降伏後の状態である前記接着剤要素をコヒーシブ要素に設定する、（４）に記載の接着剤特性の計算装置。
（６）前記事前解析において、接着剤要素の材料物性を、材料降伏後、応力が低下するように設定する、（５）に記載の接着剤特性の計算装置。
【００１０】
以下に用語を定義する。
【００１１】
本発明において、「被着材」とは、接着剤により接合される母材を示しており、接着面において形状が平らである必要は無く、曲面を形成していても良い。また接着部で対向する２枚の被着材は肉厚が一様厚さである必要は無い。
【００１２】
本発明において、「接着剤」とは、接合部をともに形成する被着材とは別の材料で構成される物質であり、リベット接合や溶接接合とは異なり、被着材との接合の時には、被着材よりも低いヤング率をもった非定形の物体として被着材表面に沿って密着し、ついで加熱や乾燥でもって硬化することにより被着材同士を接合するための材料などをいう。典型的には硬化前においては液体やジェル状の物体である。接着剤は結合力を向上させる観点から、被着材に前処理を行っても良いし、複数の成分から構成しても良い。また、液体だけではなく、固体や粉体でも良い。
【００１３】
本発明において、「接着剤特性」とは、接着部において解析を実施し、評価する項目をいう。具体的には破壊強度や応力、ひずみ、温度などが挙げられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、接着接合部における破壊強度解析モデルの接着剤特性を計算するにあたり、モデル作成・計算コストを低減させることができ、特に、接着接合部で接着厚みが異なる場合でもより厳密にモデル化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態における接着構造の模式図である。
【図２】本発明における接着剤特性の計算方法に関するフローを示した図である。
【図３】コヒーシブ要素の応力−変位線図の一例を示した図である。
【図４】事前解析における図１に記載の接着部をソリッド要素でモデル化した場合の一例を示す模式図である。
【図５】事前解析後に応力集中部の接着剤要素をコヒーシブ要素に変換してモデル化した場合の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図を用いて説明する。
【００１７】
なお本発明では、接着部を有する構造体に関して、接着部の破壊判定を行うことを目的とした構造解析に関して記述する。
【００１８】
図１は、本実施形態における接着部を有する接着構造１００の模式図を示す。具体的には、被着材１と被着材２とが、これらの間にある接着剤３により接着された構成からなるものである。
【００１９】
図２は、本発明における接着部の要素の種類の判定方法に関するフローを示した図である。
【００２０】
まず、事前解析工程（手順１）では、図１に示す接着構造１００において、破壊起点となりえる応力集中部を計算により判定するため、予め接着剤要素をビーム要素またはソリッド要素のいずれかに設定する。この際、接着剤全体としては、ビーム要素もしくはソリッド要素のみで構成されていてもよいし、またはビーム要素とソリッド要素の両方を組み合わせた構成であってもよい。荷重変形時に、それぞれの接着剤要素の垂直応力、せん断応力が、それぞれの接着剤要素におけるそれぞれの変形モードの損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素を特定するための事前解析を行う。ここで、図４に、図１に示す接着構造１００のＸ部における接着剤３をすべてソリッド要素でモデル化した場合の有限要素モデルの一部を拡大して示した概略斜視図を示す。ソリッド要素１１〜２０は接着剤３の有限要素を示している。ソリッド要素１１〜２０の上側節点は被着材１に、下側節点は被着材２と節点共有している。なお、前記接着剤要素の材料特性としては、線形弾性体を用いるのが好ましい。
【００２１】
続いて接着剤の応力判定工程（手順２）では、事前解析における接着剤要素に発生するモードI、II方向の引張り・圧縮応力、せん断応力が、それぞれの接着剤要素における損傷開始応力の８０％以上となる接着剤要素も応力集中部とみなすことができる。なお、すべての接着剤要素において、モードI、II方向の引張り・圧縮応力、せん断応力が、コヒーシブ要素における損傷開始応力の８０％未満である場合は、接着剤の破壊は起きないと判定し、解析を終了する。
【００２２】
接着剤の応力集中部要素変換工程（手順３）では、上記手順２により応力集中部とみなされた前記接着剤要素をコヒーシブ要素に変換する。なお、コヒーシブ要素は接着厚み一定である必要があるため、要素の種類を変換する際に、接着厚みが異なる箇所はモデル形状を修正する場合がある。ここで、図５に、図４から要素変換した有限要素モデルの一例を示した概略斜視図を示す。要素１１’、１６’〜２０’は前記接着剤要素の応力が損傷開始応力以上となり要素変換されたコヒーシブ要素を、要素１２’、１５’は前記接着剤要素の応力が損傷開始応力の８０％以上１００％未満となり、応力集中部とみなされ要素変換されたコヒーシブ要素を示す。
【００２３】
コヒーシブ要素は、図３でコヒーシブ要素の応力−変位線図を示すように、変形初期段階では弾性挙動を示すが、変形が大きくなり、応力が降伏開始点に達すると軟化が始まり（粘弾性挙動）、最終的に応力が０に達した時点で破壊となる。なお、本発明ではコヒーシブ要素の軟化挙動を線形型のみ示しているが、それ以外の挙動を示すコヒーシブ要素でも適用可能である。
【００２４】
再解析工程（手順４）では、上記手順により変換された接着構造部材のモデルにおいて、再度解析を実行し、コヒーシブ要素の破壊判定により接着剤の破壊判定を行う。すなわち、コヒーシブ要素の解析結果を判定することで、被着材要素と接着剤要素とが接合する接着接合部の強度を判定し、接着構造の強度を計算することが可能となる。
【００２５】
なお、コヒーシブ要素は上述の通り、降伏までは弾性挙動を示すが、降伏後は変形とともに応力が低下し、最終的に応力が０に達すると破壊現象が発生すると判定することが好ましい。
【符号の説明】
【００２６】
１：被着材
２：被着材
３：接着剤
１１〜２０：接着剤３を表すソリッド要素
１１’、１２’、１５’〜２０’：事前解析により応力集中部とみなされ、変換されたコヒーシブ要素
【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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