(57)【要約】【課題】有限要素法解析シミュレーションにおけるプリプレグ積層体が硬化されてなる繊維強化プラスチック製の円筒の有限要素モデルの作成では、厳密に積層の重なりを再現するとモデル化に時間がかかるため、モデル作成の効率化が課題となっている。【解決手段】複数のプリプレグをマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成ステップと、マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップを含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプリプレグをマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体が硬化されてなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、
解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成ステップと、
マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、
分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップと、
を含むことを特徴とする円筒の設計シミュレーション方法。
【請求項２】
積層状態予測ステップにおいて、二層目以降の積層状態をマンドレルの外径とプリプレグの巻き数および厚さに基づいて予測する、請求項１に記載の円筒の設計シミュレーション方法。
【請求項３】
プリプレグが炭素繊維強化プリプレグまたはガラス繊維強化プリプレグである、請求項１または２に記載の円筒の設計シミュレーション方法。
【請求項４】
繊維強化プラスチック製の円筒が、ゴルフシャフト、釣竿、テニスラケットのフレームまたはシャフト、野球用バット、自転車フレームのいずれかである、請求項１〜３のいずれかに記載の円筒の設計シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法に関する。
【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。製品形状に成形するために強化繊維をプリプレグとして用いることが一般的である。プリプレグとは強化繊維に樹脂を含浸した成形用中間材料であり、理想的な機械特性を得るために繊維強化方向を変えながら複数の層を積み重ねる積層体として使用されることが一般的である。
【０００３】
近年、ゴルフシャフトや釣竿、自転車のフレームなどに用いられる円筒に、高強度、軽量化を目的としプリプレグの使用が普及している。
【０００４】
円筒の設計では、異種のプリプレグを異方向にマンドレルに巻きつけ成形する方法により製造されている。そのため、円筒の周方向でプリプレグの巻き数が異なる場合が生じる。また、ゴルフシャフトや釣竿などは、円筒の軸方向で外径が異なるため、巻き数は軸方向においても異なる場合がある。そのため、非常に複雑なプリプレグ積層体からなる円筒の開発は、設計と実験を繰り返すため多大な時間と労力を費やしてきた。
【０００５】
近年、プリプレグ積層体からなる円筒の開発設計には、有限要素法解析（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ、以下ＦＥＭ）によるシミュレーションの使用が普及している。ＦＥＭによるシミュレーションを用いることにより、実験の過程を省き、曲げ強度、曲げ剛性、ねじり特性などの特性評価を行うことが可能である。
【０００６】
有限要素法による解析手法を用いてゴルフシャフトの静的物性値のシミュレーション方法として、例えば特許文献１の方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５８５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の解析手法では、ゴルフシャフトを周方向に１等分以上１２等分以下に分割し、分割領域ごとに積層状態を入力しシミュレーションにおけるシャフトモデルを作成する。
【０００９】
しかし、プリプレグ積層体の円筒は、周方向、軸方向に積層状態が異なっており、シミュレーションのモデル化において、要素ごとに異なった入力をしなければならない。そのため、従来通り要素ごとに積層状態を入力すると膨大な時間がかかることが予想され、時間短縮としてのシミュレーションの意味を成さなくなる。
【００１０】
そのため、プリプレグ積層体からなる円筒の設計シミュレーションにおいて、厳密なモデル化の効率化が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本設計シミュレーションではマンドレル寸法とプリプレグ寸法・厚さから自動で分割領域ごとの積層状態を計算し、モデリングを行う方法を考案した。
【００１２】
すなわち、本発明の円筒の設計シミュレーション方法は、複数のプリプレグをマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体が硬化されてなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、
解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成ステップと、
マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、
分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップと、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、従来手入力によりモデルを作成していた過程を、本発明の設計シミュレーション方法により省くことで、従来の解析シミュレーションのモデル作成より大幅に時間を短縮することができ、プリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の開発の効率化に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】円筒の設計シミュレーション方法のシミュレーションフローを示す概念図である。
【図２】プリプレグ積層体からなる円筒の積層構成の模式図である。
【図３】プリプレグ積層体からなる円筒の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれら図面によって何ら制限されるものではない。
【００１６】
図１に示すシミュレーション方法１の構成は、キーボードやマウスからなる入力部２、液晶のディスプレイ装置や印刷装置等からなる出力部３、作業者が入力部２を操作して対象構造物のＦＥＭ解析モデルを生成するＦＥＭモデル形成部４、作業者がＦＥＭモデル形成部４にて形成したモデルに拘束条件や荷重条件などを定義する解析条件定義部５、ＦＥＭモデル形成部４および解析条件定義部５において形成されたＦＥＭ解析モデルのＦＥＭ解析を実施するＦＥＭ解析部６を備えている。ＦＥＭモデル形成部４およびＦＥＭ解析部５は、公知のＦＥＭモデル生成ソフトウェアやＦＥＭ解析ソフトウェア等を用いることができる。本発明は、ＦＥＭモデル形成部４における効率化を目的としており、シミュレーションにおけるプリプレグ積層体からなる円筒のモデルを自動計算により作成する方法である。本発明はＦＥＭモデル形成部４において、マンドレル変数入力部７、プリプレグ材料物性入力部８、使用プリプレグ寸法入力部９、プリプレグ材料角度入力部１０、積層構成自動計算部１１、円筒モデル自動作成部１２で構成されている。
【００１７】
ここで、本発明に係る繊維強化プラスチックについて説明する。
【００１８】
本発明におけるシミュレーション対象は、比強度、比弾性率の高い炭素繊維やガラス繊維を強化繊維とするプリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと記す）製の円筒であり、好ましくは、図２に示すマンドレル１３に、強化繊維に樹脂を含浸した成形用中間材料であるシート状のプリプレグ１４〜２０を、繊維強化方向を変え複数の層を積み重ねて積層板とし、樹脂を硬化させたものである。
【００１９】
このようなプリプレグを積層することにより製造される円筒は、使用態様によっては、図３に示すようにプリプレグの重なりにより軸方向・周方向に積層状態の違いが生じる。積層構成測定位置２１では一層目が２ｐｌｙ、二層目が２ｐｌｙ、三層目が１ｐｌｙの積層構成になっている。それに対し、積層構成測定位置２２では一層目が１ｐｌｙ、二層目が２ｐｌｙ、三層目が２ｐｌｙの積層構成になっており、円筒の周方向の位置により積層構成が異なる場合が生じる。
【００２０】
ゴルフシャフトの静的物性値のシミュレーションにおける（特許文献１）に記載の方法では、作成したゴルフシャフトモデルを分割し、積層状態を入力する。分割した領域ごとの積層状態を計算し、積層状態を入力するため、この方法では膨大な時間がかかってしまうことは明らかである。
【００２１】
しかし、本発明は図１における符号７〜１０の必要物性を入力することで、分割領域ごとの積層数、厚さなどの積層状態が自動計算され円筒のモデリングが自動で行われる。
【００２２】
自動でモデリングを行う設計シミュレーション方法を具体的に記載する。まず、プリプレグを巻きつけるマンドレルの情報を入力する。マンドレルの長さ、軸方向からの距離における外径を入力し、プリプレグの巻き始め位置を入力する。このパラメータは、実験、または生産過程で用いる値を入力する。次に、使用する各プリプレグの硬化物の弾性率や強度などの材料物性値を材料ごとに入力する。次にプリプレグの寸法情報を入力する。プリプレグは図２のように軸方向からの距離により、幅が異なる多角形のプリプレグを用いる場合が多い。巻き始め位置を０としプリプレグの寸法を入力する。入力パラメータは、巻き始め位置からの距離においての幅を、形状変化ごとに入力する。次に、プリプレグの材料角度を入力し、使用プリプレグの硬化物の材料物性値（厚さ・比重・剛性・強度など）を入力する。多層積層の場合は、他のプリプレグの情報も同様に入力する。積層構成の自動計算方法は、１層目の積層構成はマンドレルの外径とプリプレグの寸法から巻き数を計算する。２層目以降は、マンドレル外径と積層済みのプリプレグの厚みから外径を計算し、１層目と同様、外径とプリプレグの寸法から積層構成を計算する。
【００２３】
マンドレル外径をＤ、一層目のプリプレグ厚さをＴ１、二層目のプリプレグ厚さをＴ２（三層目以降はＴ３、Ｔ４…）、一層目の特定の分割領域におけるプリプレグ巻き数をＸ１、二層目の特定の分割領域におけるプリプレグ巻き数をＸ２（三層目以降はＸ３、Ｘ４…）と定義すると、一層目の積層構成の計算に用いる外径はＤ、２層目はＤ＋Ｔ１Ｘ１、ｎ層目はＤ＋Ｔ１Ｘ１＋…Ｔｎ−１Ｘｎ−１となり、分割領域ごとに積層構成の自動計算を行う。
【００２４】
以上の計算により、プリプレグ積層体からなる円筒のモデルが自動計算により作成され、このモデルを用いてＦＥＭによる解析シミュレーションを行う。
【００２５】
本発明の円筒の設計シミュレーション方法は、繊維強化プラスチック製の円筒の設計シミュレーション方法として利用することでき、例えばゴルフシャフト、釣竿、テニスラケットのフレームまたはシャフト、野球用バット、自転車フレームなどの円筒の設計シミュレーション方法として好ましく利用することできる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、プリプレグ積層体からなる円筒の設計シミュレーションに有用であり、プリプレグ積層体からなる円筒の開発に有用である。
【符号の説明】
【００２７】
１  シミュレーション方法
２  入力部
３  出力部
４  ＦＥＭモデル形成部
５  解析条件定義部
６  ＦＥＭ解析部
７  マンドレル変数入力部
８  プリプレグ材料物性入力部
９  プリプレグ寸法入力部
１０  プリプレグ材料角度入力部
１１  積層構成自動計算部
１２  円筒モデル自動作成部
１３  マンドレル
１４  一層目プリプレグ
１５  二層目プリプレグ
１６  三層目プリプレグ
１７  四層目プリプレグ
１８  五層目プリプレグ
１９  六層目プリプレグ
２０  七層目プリプレグ
２１  積層構成測定位置
２２  積層構成測定位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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