(57)【要約】【課題】  シート状基材の賦形解析の結果から、シワの有無を正しく判定し、賦形の成形条件や基材の形を効率的に設計することができるシワ判定方法を提供する。【解決手段】  シート状基材の賦形後の形状を有限要素法により計算する賦形解析工程と、前記賦形解析工程において順次計算される前記シート状基材のオーバーラップ長さ、および／または、前記賦形解析工程から得られる賦形後の状態における前記シート状基材のオーバーラップ長さを評価指標としてシワの有無を判定するシワ判定工程と、を有するシワ判定方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状基材の賦形後の形状を有限要素法により計算する賦形解析工程と、
前記賦形解析工程において順次計算される前記シート状基材のオーバーラップ長さ、および／または、前記賦形解析工程から得られる賦形後の状態における前記シート状基材のオーバーラップ長さを評価指標としてシワの有無を判定するシワ判定工程と、
を有するシワ判定方法。
【請求項２】
前記シワ判定工程において、前記賦形解析工程の形状データから、前記賦形解析工程の賦形前にあらかじめ設定した節点群で構成される少なくとも１本の評価線が賦形後にオーバーラップするオーバーラップ長さを算出し、前記オーバーラップの長さをすべて足し合わせてシワの評価指標とする請求項１に記載のシワ判定方法。
【請求項３】
前記シワ判定工程において、前記賦形解析工程の形状データから、前記賦形解析工程の賦形後に任意の判定領域に入っている節点群で構成される評価線が賦形後にオーバーラップするオーバーラップ長さを算出し、前記オーバーラップの長さをすべて足し合わせてシワの評価指標とする請求項１に記載のシワ判定方法。
【請求項４】
前記シワの評価指標があらかじめ決められた閾値以上の場合に「シワあり」と判定する請求項２または３に記載のシワ判定方法。
【請求項５】
前記評価線は、前記シート状基材の外周からオフセットした線上の少なくとも一部、前記シート状基材の表面で一定間隔の幅を有する格子状の線、または前記シート状基材の表面で一定間隔の幅を有するストライプ状の線の少なくとも１つである請求項２に記載のシワ判定方法。
【請求項６】
前記判定領域は、製品形状の最外周の全周もしくは一部をオフセットした範囲とする請求項３に記載のシワ判定方法。
【請求項７】
前記シワ判定工程の結果を出力するシワ判定出力工程を有する請求項１に記載のシワ判定方法。
【請求項８】
前記シート状基材が、炭素繊維やガラス繊維を強化繊維として用いた繊維強化複合材料、樹脂未含浸のドライな強化繊維基材、繊維による織物、またはフィルムから選ばれるものである請求項１〜７のいずれかに記載のシワ判定方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のシワ判定方法を用いて、シワを低減する成形条件を算出する賦形の最適化手法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載のシワ判定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項９に記載の成形条件の最適化手法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれかに記載のシワ判定方法を用いたプリフォームの製造方法。
【請求項１４】
請求項９に記載の賦形の最適化手法を用いた請求項１３に記載のプリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、賦形解析のシワ判定方法に関する。また、強化繊維基材を用いたプリフォームの製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やガラス繊維を強化繊維とする繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと記す）は、その比強度、比弾性率の高さから、航空機用途、一般産業用途、スポーツ用途等の様々な分野で多く利用されている。
【０００３】
ＦＲＰの代表的な製造方法としては、強化繊維に予めマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグ基材を用い、このプリプレグ基材を一枚一枚積み重ねた成形体をオートクレーブ中で加熱・加圧して硬化させる、いわゆるオートクレーブ成形法がある。しかしながら、オートクレーブを用いたＦＲＰの製造は成形コストが高く、また生産性が低いという問題がある。このようなプリプレグ成形における問題を解決するため、レジントランスファーモールディング成形法（以下、ＲＴＭ成形法と記す）が実用化されている。ＲＴＭ成形法は、樹脂未含浸のドライな強化繊維基材（典型的には連続繊維の織物）を、予め所定の形状に賦形したプリフォームと呼ばれるＦＲＰ成形体の前駆体を型上に配置し、全体をバッグフィルムや金型で覆った後、バッグフィルム内、あるいは金型内部を真空状態にして樹脂を注入し、硬化させるというものである。ＲＴＭ成形法はこれまでのプリプレグを使用したオートクレーブ成形法よりも低コストで生産性に優れている。
【０００４】
しかしながら、このプリフォーム製造において、多数のコーナー部や凹凸を有するような複雑な３次元形状に対し、強化繊維基材を賦形した時にシワの発生が問題となっている。また、強化繊維基材の種類によっては、賦形時の型への沿いやすさも異なるため、従来から使用する強化繊維基材を実際に型に賦形し、シワが出るところに切り込みを入れたり、成形条件を変更したり、基材の形を変えるなど、トライアンドエラーで賦形する手法が用いられてきた。このトライアンドエラーの繰り返しを解消するため、コンピュータ上で賦形状態を予測し出来る賦形解析を利用することが検討されてきた。
【０００５】
例えば、シワの発生を予測する手法として、特許文献１では、服飾解析におけるドレープ性つまり布の垂れ下がり状態で発生するシワの形状を解析する手法が提案されている。また、特許文献２では、板材をプレス成形するプレス加工装置の成形条件を決定する成形条件決定システムであって、判定手段により品質が一定基準に達すると判定されるまで、成形シミュレーション手段、ひずみ分布図プロット手段、判定手段の順に繰り返すことを特徴とする成形条件決定システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４７００２号公報
【特許文献２】特許４９３２６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、シワの形状を正確に解析するにとどまり、シワの有無の評価指標は提案されていない。また、特許文献２では、成形不良はワレにのみ着目されており、シワの判定は行われていない。また、シワの判定にひずみを用いてもシワの有無は評価できてもシワの大きさの評価は適切にできない。つまり、シワの折れ目に大きなひずみが発生するが、大きなシワと小さなシワでは発生するひずみの大きさに明確な違いが見られない。通常、小さなシワだと許容できる場合があり、シワの大きさを判断することは賦形解析の結果を分析・比較する上で重要となる。したがって、特許文献２の技術を応用しても、シワの有無は判定できてもシワの大きさまで判定することができないため賦形解析でのシワの判定には適さない。
【０００８】
以上のように、これらの方法はシート状基材のシワの改善を目的とする賦形解析に適用出来るものではなかった。
【０００９】
本発明は、従来の上述した問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、シート状基材の賦形解析の結果から、シワの有無を正しく判定し、賦形の成形条件や基材の形を効率的に設計することができるシワ判定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するため、本発明は以下の方法を採用するものである。
【００１１】
本発明は、シート状基材の賦形後の形状を有限要素法により計算する賦形解析工程と、前記賦形解析工程において順次計算される前記シート状基材のオーバーラップ長さ、および／または、前記賦形解析工程から得られる賦形後の状態における前記シート状基材のオーバーラップ長さを評価指標としてシワの有無を判定するシワ判定工程とを有するシワ判定方法である。
【００１２】
前記シワ判定方法は、さらに、前記シワ判定工程の結果を出力するシワ判定出力工程を有してもよい。
【００１３】
前記シワ判定工程において、前記賦形解析工程の形状データから、前記賦形解析工程の賦形前にあらかじめ設定した節点群で構成される少なくとも１本の評価線が賦形後にオーバーラップするオーバーラップ長さを算出し、前記オーバーラップの長さをすべて足し合わせてシワの評価指標とすると好ましい。
【００１４】
また、前記シワ判定工程において、前記賦形解析工程の形状データから、前記賦形解析工程の賦形後に任意の判定領域に入っている節点群で構成される評価線が賦形後にオーバーラップするオーバーラップ長さを算出し、前記オーバーラップの長さをすべて足し合わせてシワの評価指標とすることも好ましい。ここで、記判定領域は、製品形状の最外周の全周もしくは一部をオフセットした範囲とするとより好ましい。
【００１５】
前記シワ判定方法において、前記シワの評価指標があらかじめ決められた閾値以上の場合に「シワあり」と判定する。
【００１６】
また、前記シワ判定方法において、評価線は、前記シート状基材の外周からオフセットした線上の少なくとも一部、前記シート状基材の表面で一定間隔の幅を有する格子状の線、または前記シート状基材の表面で一定間隔の幅を有するストライプ状の線の少なくとも１つである。
【００１７】
前記のシワ判定方法は、炭素繊維やガラス繊維を強化繊維として用いた繊維強化複合材料、樹脂未含浸のドライな強化繊維基材、繊維による織物、またはフィルムのいずれかをシート状基材として適用できる。
【００１８】
また、本発明は、前記のシワ判定方法を用いて、シワを低減する成形条件を算出する、賦形の成形条件最適化手法である。
【００１９】
また、本発明は、前記のシワ判定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２０】
また、本発明は、前記の成形条件の最適化手法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２１】
また、本発明は、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【００２２】
また、本発明は、前記のシワ判定方法を用いたプリフォームの製造方法である。
【００２３】
また、本発明は、前記の最適化手法を用いたプリフォームの製造方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、シート状基材の賦形解析の結果から、シワの有無を正しく判定し、賦形の成形条件や基材の形を効率的に設計することができるシワ判定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明における賦形解析のシワ判定方法に関するフローを示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る賦形型の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る強化繊維基材を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る賦形をシミュレーションした結果を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る賦形前の評価線を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る賦形後の評価線を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る賦形後の評価線のオーバーラップを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る賦形後の評価線を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る評価線の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る評価線の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る評価線の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る評価線の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る賦形型を示した図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る賦形の最適化に関するフローの一例を示した図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る賦形の最適化に関するフローの一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
図１は本発明における賦形解析のシワ判定方法関するフローを示した図である。
【００２８】
まず、賦形解析工程（ＳＴＥＰ１）では、図３に示すシート状基材を図２に示す賦形型に賦形するシミュレーションを実施する。シート状基材には、炭素繊維やガラス繊維を強化繊維として用いた繊維強化複合材料、あるいは樹脂未含浸のドライな強化繊維基材、あるいは繊維による織物、あるいはフィルムが適用できる。ここで、繊維強化複合材料としては、強化繊維に樹脂を含浸し、硬化させていないプリプレグが好ましい。以下、強化繊維基材を例として説明する。
【００２９】
図３に示す強化繊維基材３１は図２に示す賦形型のコア形状を賦形するために十分な大きさを有する。図３に示す強化繊維基材３１は長手方向３２（０度方向）が図２に示す賦形型２０のコアの長手方向２６を０度となるように配置する。強化繊維基材３１の賦形型２０に対する位置決めは、賦形型２０の幾何中心や賦形に強化繊維基材３１の変形を要しない領域など任意の位置にすることができるが、賦形時に強化繊維基材３１が並進、あるいは回転して位置ズレしないように拘束することが好ましい。
【００３０】
図４は、賦形をシミュレーションして得られた結果を示しており、コーナー部４１で皺４２が発生している。
【００３１】
シワ判定工程（ＳＴＥＰ２）では、賦形解析工程で出力された賦形後の状態（図４）における強化繊維基材４０のオーバーラップ長さを評価指標としてシワの有無を判定する。
【００３２】
強化繊維基材４０のオーバーラップ長さの算出について説明する。
【００３３】
まず、第１の方法について説明する。
【００３４】
図５に示すように、賦形解析工程の形状データから賦形前の強化繊維基材５１にあらかじめ設定した節点群５３で構成される評価線５４を選ぶ。図６は、賦形前に選んだ評価線５４が賦形によって屈曲した様子（評価線６２）を示す。特にコーナー部６１で評価線６２の屈曲が大きい。
【００３５】
コーナー部６１付近の評価線６２を拡大すると図７に示すように、節点群７２を結ぶ評価線７１はオーバーラップしている（符号７３で図示する領域）。この評価線７１のオーバーラップ長さを算出してシワの評価指標とする。
【００３６】
評価線５４は複数本選んでもよく、その場合には、選んだ評価線のオーバーラップ長さを足し合わせてシワの評価指標とする。
【００３７】
評価線の設定には、図１０に示すように、強化繊維基材１０１の外周からオフセットした線１０３を評価線として設定することができる。また、図１１に示すように、強化繊維基材１１１の表面で一定間隔の幅で格子状の線１１３を評価線として設定することもできる。また、図１２に示すように、強化繊維基材１２１の表面で一定の幅でストライプ状の線１２３を評価線として設定することもできる。図１０、図１１、図１２において強化繊維基材の長手方向（０度方向）をそれぞれ符号１０２、符号１１２、符号１２２で示す。
【００３８】
次に、第２の方法について説明する。
【００３９】
賦形解析工程の形状データから、図８に示すように賦形後に判定領域８１を設ける。この判定領域８１に含まれる節点群で構成される評価線についてオーバーラップ長さを算出する。評価線は複数本選ぶこともでき、その場合には選んだ評価線のオーバーラップ長さを足し合わせてシワの評価指標とする。
【００４０】
評価線の設定には図９に示すように、製品外周９１からオフセットした線９２を評価線として設定することができる。
【００４１】
どちらの方法で算出した強化繊維基材４０のオーバーラップ長さであっても、あらかじめ閾値を決めておき、オーバーラップ長さの足し合わせた数値が閾値以上であれば「シワあり」と判定する。
【００４２】
前記のシワ判定工程（ＳＴＥＰ２）に続いて、シワ判定出力工程（ＳＴＥＰ３）では、シワ判定工程（ＳＴＥＰ２）の結果を出力するよう構成してもよい。
【００４３】
図１３は、賦形型１３０が上面分割型１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄで構成されており、強化繊維基材１３２を賦形する様子を示している。上面分割型１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄは個別にプレスでき、プレスする移動速度や移動し始める時間などの成形条件を設定する必要がある。このとき、図１４に示すフローでシワ判定工程の結果が出力される（ＳＴＥＰ３）と、シワ合否判定工程（ＳＴＥＰ４）において、シワの評価指標が閾値未満かどうか判定する。シワの評価指標が閾値未満であれば、成形条件が決定される。しかし、シワの評価指標が閾値未満でなければ、成形条件決定工程（ＳＴＥＰ５）へと進み、賦形解析の成形条件が変更される。そして再び賦形解析工程（ＳＴＥＰ１）へと進む。シワの評価指標が閾値未満になるまで、繰り返すことによって、賦形の成形条件が最適化される。
【００４４】
図１５は、シート状基材の積層構成を賦形解析して最適化するフローを示している。図１４に示すフローと同様に、シワ合否判定工程（ＳＴＥＰ４）において、シワの評価指標が閾値未満かどうか判定する。シワの評価指標が閾値未満であれば、成形条件が決定される。しかし、シワの評価指標が閾値未満でなければ、成形条件決定工程（ＳＴＥＰ５）へと進み、シード状基材の積層構成が変更される。そして再び賦形解析工程（ＳＴＥＰ１）へと進む。シワの評価指標が閾値未満になるまで、繰り返すことによって、賦形解析の積層構成が最適化される。
【００４５】
以上のように、シート状基材の賦形解析の結果から、シワの有無を正しく判定することができる。したがって、賦形の成形条件やシート状基材の積層構成などにフィードバックすることで賦形の成形条件を最適化することができる。さらに、この最適化手法を用いて、
前記のシワ判定方法および賦形の成形条件最適化手法は、コンピュータに実行させるプログラムとすることができる。また、このプログラムは、記録媒体として、コンピュータ読み取り可能とすることができる。
【００４６】
また、この最適化手法を用いて、強化繊維基材が複数積層されたプリフォームを製造することもできる。強化繊維基材を１層ずつ解析することもできるし、複数の強化繊維基材をまとめて解析することも可能である。その場合は、各層について、上述したオーバーラップ長さを算出することで、シワの有無を判定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、ＦＲＰ成形体の前駆体であるプリフォームの製造をはじめとする、フィルムや布などシート状基材全般の賦形解析に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００４８】
２０  賦形型
２１  賦形型ベース表面
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  賦形型の側面
２３  賦形型の上面
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ  賦形型のコーナー
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ  賦形型の上面４辺
２６  賦形型の０度方向
３１  強化繊維基材
３２  強化繊維基材の０度方向
４０  賦形後の強化繊維基材
４１  コーナー部
４２  皺
５１  強化繊維基材
５２  強化繊維基材の０度方向
５３  賦形前にあらかじめ設定した節点群
５４  評価線
６０  賦形後の強化繊維基材
６１  コーナー部
６２  賦形後の評価線
６３  強化繊維基材の０度方向
６４  強化繊維基材の９０度方向
７１  コーナー部における賦形後の評価線
７２  評価線７１を構成する節点群
７３  評価線７１がオーバーラップする範囲
７４  強化繊維基材の９０度方向
８０  賦形後の強化繊維基材
８１  コーナー部に設定した節点群を決めるための判定領域
９０  賦形後の強化繊維基材
９１  製品形状の最外周
９２  製品形状の最外周のオフセット線
１０１  強化繊維基材
１０２  強化繊維基材の０度方向
１０３  外周からオフセットした線
１１１  強化繊維基材
１１２  強化繊維基材の０度方向
１１３  表面で一定間隔の幅の格子状の線
１２１  強化繊維基材
１２２  強化繊維基材の０度方向
１２３  表面で一定間隔の幅のストライプ状の線
１３０  賦形型
１３１  賦形型ベース
１３２  強化繊維基材
１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄ  上面分割型
【図１】
2016071576.tif 000003
【図２】
2016071576.tif 000004
【図３】
2016071576.tif 000005
【図４】
2016071576.tif 000006
【図５】
2016071576.tif 000007
【図６】
2016071576.tif 000008
【図７】
2016071576.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016071576.tif 000011
【図１０】
2016071576.tif 000012
【図１１】
2016071576.tif 000013
【図１２】
2016071576.tif 000014
【図１３】
2016071576.tif 000015
【図１４】
2016071576.tif 000016
【図１５】
2016071576.tif 000017