JP2004132849A - Structural analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気製品などの出荷搬送販売流通に当たって、梱包内部の電気製品を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して好適な構造解析方法に関する。
【0002】
詳しくは、ダンボール材料などの異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定する際に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定できるようにする。そして、構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、構造体構造解析の精度を向上できるようにしたものである。
【0003】
【従来の技術】
従来から、筐体及び板体を含む構造体の変形等の挙動を解析するための構造解析方法が多く知られている。この構造解析方法においては、構造体の変形量の大きい場合と、小さい場合とでは解析工程が異なっている。これは、構造体の変形量が大きくなると、内部での無次元化した変形量である歪みと単位面積当たりの荷重である応力との関係が直線的な線形ではなくなるためである。
【0004】
この種の構造解析方法では変形量が小さく歪みと応力との関係が直線的に表現できる弾性域の線形構造解析方法と、変形量が大きく歪みと応力との関係が塑性域の非線形構造解析方法とに分けられる。これらの構造解析方法では、有限要素法や、境界要素法や、差分法といった幾つかの解析方法が知られており、これらの解析方法の組み合わせにより線形領域や非線形領域における構造体の挙動の解析が行われる。
【0005】
特許文献1には「非線形構造解析方法」が開示されている。この非線形構造解析方法によれば、構造体の一部を用いた材料試験と、その材料試験をモデル化した数値解析とを組み合わせる。これにより、材料定数を同定して非線形領域における構造体の挙動を構造解析するようになされる。
【0006】
この構造解析方法によれば、例えば蓄電池などのケースを製造する場合、予め有限要素法によりケースの構造を解析し、稼動時の挙動、剛性等が評価される。有限要素法では、まず、ケースの外観を設定し、ケース全体を三角形或いは四角形等の板上の平面要素に分割して、これら平面要素の連続体とする。そして、有限要素法では、この各々の平面要素毎に厚さ寸法を設定するとともに、構造体に作用する荷重等の境界条件と、縦弾性係数やポアソン比等により材料を設定して解析を行う。これにより、構造体の解析に伴った変形形状と変形量を得ることができる。
【0007】
このような構造解析を実施するためには、構造体を構成する材料の縦弾性係数、ポアソン比等の材料特性値が必要となる。これらの材料特性値は、特に近年、構造体の挙動を解析するニーズが増え、構造解析が行われることが多くなったため、これらの挙動や現象を数値計算で解析する上で重要かつ不可欠なものとなっている。しかし、これらの材料特性値は、材料成分や試験条件、製造時期等により大きく左右されるため、一般的な値として提示するのが困難となっている。
【0008】
特許文献2には「応力−ひずみ関係シミュレート方法」が開示されている。このシミュレート方法によれば、任意の材料の応力−ひずみ関係を複合硬化モデルで近似すると共に、その材料の塑性歪みを変数とし、かつ、その塑性歪み係数を有する背応力関数により背応力を定義する。この背応力を変数とすることによって、その材料の降伏曲線を降伏関数と定義する。この降伏関数を用いることにより、その材料の応力−ひずみ関係を連続的に、かつ、その材料のバウシンガ効果が表現されるように数値構造解析するようになされる。
【0009】
【特許文献1】
特開平09−152392号
【特許文献2】
特開2000−275154号
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来方式の構造解析方法を用いてダンボール部材等の異方性部材を用いたダンボール箱を構造解析しようとした場合に、次のような問題がある。
【0011】
▲1▼ 特許文献1に開示された非線形構造解析方法をそのままダンボール部材等の異方性部材を用いたダンボール箱に適用しても、正確かつ精度良く構造解析をすることができない。特許文献1では非線形構造解析をしようとする金属ケース(構造体)から、その一部を試験片として抽出し、この試験片から得られる材料定数を同定している。因みにダンボール部材を切り取って試験片を作成し、このダンボール試験片の材料試験をしても、ダンボール箱における異方性部材の材料特性値が得られないので、ダンボール箱における構造解析を正確かつ精度良く行うことが困難となる。
【0012】
▲2▼ 特許文献2は材料に関して等方硬化性部材を取り扱うので、応力−ひずみ関係シミュレート方法を適用しても、ダンボール部材等の異方性部材の材料特性値を得るまでに大幅な労力を費やしてしまう。
【0013】
そこで、この発明はこのような従来の課題を解決したものであって、ダンボール材料等の構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、その構造体の構造解析の精度を向上できるようにした構造解析方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述した課題は、異方性部材を用いて作成された任意の構造体の構造解析をする方法であって、構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定し、ここで同定された異方性部材の材料特性値に基づいて構造体における挙動を構造解析することを特徴とする構造解析方法によって解決される。
【0015】
本発明に係る構造解析方法によれば、異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定することができる。例えば、金属のように圧延や曲げなどによる硬化なども考慮でき、一般的に知られている材料特性値よりも精度の高い材料特性値を得ることが可能となる。
【0016】
従って、異方性部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、異方性部材を用いて作成された任意の構造体における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値を構造解析に使用できるようになるため、構造解析の精度を向上させることができるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明に係る構造解析方法の一実施の形態について、図面を参照しながら説明をする。
図1は本発明に係る構造解析方法が適用される実施形態としてのダンボール箱1の構造例を示す斜視図である。
【0018】
この実施形態では、ダンボール材料などの異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定する際に、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定できるようにする。そして、構造体における挙動を正確に解析できるようにすると共に、構造体構造解析の精度を向上できるようにしたものである。
【0019】
本発明に係る構造解析方法は、異方性部材を用いて作成された任意の構造体のを構造解析する方法である。この方法は電気製品などの出荷搬送販売に当たって、梱包内部の電子機器を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して好適である。
【0020】
図1に示す電気製品梱包用のダンボール箱1は構造体の一例であり、異方性部材の一例となるダンボール部材を用いて作成された材料試験サンプルである。異方性部材とは物理的性質が方向によって異なる部材をいう。異方性部材には包装用の板紙の一種であるダンボール部材や、電子部品実装用のプリント配線基板等が挙げられる。プリント配線基板はガラス繊維織込みエポキシ樹脂や、プリプレグ等の絶縁樹脂を硬化させその両面又は/及び中間層に銅箔による配線パターンを形成したものである。
【0021】
この異方性部材にプリント配線基板を挙げているのは、近年の機器の電子化により、ガラスエポキシ基板などに代表されるプリント配線基板などが増えており、これらはガラス繊維の影響により面方向と厚み方向や、配線パターンの引き回しから面内での縦、横でも縦弾性係数が違い、特に一般的な値を提示することが困難になっている。これらも含めた構造体での構造解析を行うニーズが増加することが予測されるためである。
【0022】
この例では説明を簡単にするために、異方性部材に関してダンボール箱1の場合を説明する。ダンボール部材は波状に成形した紙の片面又は両面に厚紙を張り合わせたものである。例えば、ダンボール部材は総厚みが3mm程度で、中芯と呼ばれる波状の紙を表裏にそれぞれに厚み0.26mmの紙によって挟み込む構造となされている。ダンボール部材は、ある元の状態の当該ダンボール部材に力を加えて他の状態に変化させ、力を取り去っても元の状態には戻らない非可逆性を有している。この例で線形構造解析に使用されるダンボール箱1は直方体を成しており、その内部には電気製品などを収納するための空間が形成される。
【0023】
ここでダンボール箱1の長さをLとし、その幅をWとし、高さをHとする。材料試験サンプルとしてのダンボール箱1の大きさは長さLが483mm程度で、幅Wが383mm程度、高さHが283mm程度である。図1に示すダンボール箱1は箱本体1fを有すると共に、箱本体1fの上方には物品出し入れ用の開口部1eが設けられている。この箱本体1fは開口部1eを塞ぐための蓋体部1a,1b,1c,1dを有している。図1は箱本体1fの開口部1eに対して蓋体部1a,1b,1c,1dを開けた状態を示している。
【0024】
図2は電気製品梱包時の緩衝部材2a〜2hの構成例を示す斜視図である。図2に示す緩衝部材2a〜2hは電気製品と共にダンボール箱1に入れ込まれ梱包される。図中の電気製品は、例えば二点鎖線で示す直方体4を有している。緩衝部材2a〜2hは電気製品の8カ所の各々の角部に取り付けられ、ダンボール箱1における外的な衝撃から電気製品を保護するようになされる。緩衝部材2a〜2hには三菱化学(株)製の発泡スチロール JQ251(EPS−40)等の熱成形加工品が用いられる。
【0025】
各々の緩衝部材2a〜2hは、図2に示すように長さaが80mm程度、幅bが80mm程度で、高さcが80mm程度である。角部が丸みを帯びて成形されている。各々の緩衝部材2a〜2hの内側には、40mm×40mm×40mm程度の切り欠き部3a〜3hが設けられ、電気製品の角部を支持しダンボール箱1内で固定するようになされる。図2において、切り欠き部3dは図示していない。
【0026】
図3はダンボール箱1の材料試験時の構成例を示すイメージ図である。図3に示すダンボール箱1の材料試験時には、周波数分析装置70が使用される。周波数分析装置70は加振実験を行うための加速度ピックアップ72及びハンマー73を有している。加振実験とは材料試験サンプルをハンマー73で加振し、加速度ピックアップ72で加振点から伝達される振動を測定することをいう。
【0027】
この例で加速度ピックアップ72は測定点として、ダンボール箱1の任意の一面の中央部分に取り付けられ固定されると共に、当該ピックアップ72から延在する出力ケーブル72aが分析装置本体71に接続される。ハンマー73はダンボール箱1を加振する(応力を加える)際に使用される。この例では、ダンボール箱1を構成する6面の各面毎に9点ずつ、計54箇所をハンマー加振点として設定した。ハンマー加振点は図中×印で示している。
【0028】
ハンマー73には例えば、その内部に図示しない加速度ピックアップが設けられており、当該ハンマー73に加速度が加わると、この加速度が電圧に変換されて出力される。加速度が何も加わっていない状態では出力電圧は0Vである。このハンマー73の加速度ピックアップは信号ケーブル73aを通じて分析装置本体71に接続される。この電圧は分析装置本体71内に設けられたトリガースイッチをオンするようになされる。
【0029】
例えば、周波数分析装置側でトリガースイッチを立ち上がり閾値電圧として1.0Vに設定すると、ハンマー73に加速度が加わって、電圧1.0Vを境界にして低い電圧から高い電圧に遷移する瞬間(1回のみ)から入出力双方のデータの取り込みを開始するようになされる。このときの取り込み時間は、振動が減衰して無くなるまでデータが取り込める、例えば、300mmsec等を予め設定しておくようになされる。
【0030】
ハンマー内部の加速度ピックアップはハンマー殴打を検出して測定タイミング信号を周波数分析装置70に出力するようになされる。周波数分析装置70では、ハンマー73からの測定タイミング信号を入力して、ハンマー73によってダンボール箱1が加振された時刻から加速度ピックアップ72が振動を測定した時刻に至る到達時間を検出したり、ダンボール箱1に加えられた加振力とその応答を測定するようになされる。
【0031】
この例では、ダンボール箱1に設定された計54箇所のハンマー加振点について、各箇所から測定点に至るまでの周波数伝達関数G(jω)が算出される。ωはハンマー加振による角振動数である。G(jω)は出力振動波形/入力振動波形に基づいて求められる。例えば、測定した振動の時刻歴波形を周波数領域に直して周波数を分析し周波数成分を明らかにする。ダンボール箱1の共振周波数f0と振動モードを求めるためである。
【0032】
図4に示すダンボール箱1’は振動を与えていない場合のシミュレーション上の3次元形状である。実際のダンボール箱1をモデル化したものである。ダンボール部材の材料特性値を同定して数値構造解析をするためである。縦横に形成された線は、ダンボール箱1’の挙動を解析するため構造解析線である。
【0033】
図5はシミュレーション上の変形後のダンボール箱1’の3次元形状例を示す斜視図である。図5に示すダンボール箱1’は振動モードによって変形した場合のシミュレーション上の3次元形状である。これはシミュレーション上のダンボール箱1’に衝撃を加え、その挙動を解析することで、実際のダンボール箱1に衝撃を加えられた場合を想定して構造解析を行うことができる。この例では、図4に示したダンボール箱1’の構造解析線に比べて、図5に示したダンボール箱1’の構造解析線がその上面で盛り上がり、下方で垂れ込んでいる状態である。
【0034】
図6はダンボール箱1内に収納する直方体4の保護例を各々示す斜視図である。図6に示す直方体4は電気製品を模擬しており、数値解析では剛体により表現している。直方体4の大きさは長さlが400mm程度、幅wが300mm程度、高さhが200mm程度で重量7kgのものを用いた。直方体4は四角柱の立体要素で8つに分割した。緩衝部材2a〜2hはダンボール箱1内で製品の8箇所の各角部に取付けて製品を固定するように配置した。
【0035】
図7A及びBはダンボール箱1の実際の外観例等及び、そのシミュレーション上の外観例を示す斜視図である。図7Aに示すダンボール箱1は直方体4を入れて蓋体部分1a,1c等を閉めた状態である。蓋体部分1b,1d等は予めダンボール箱1の開口部の内側に折り込まれ、これらの上から蓋体部分1a,1c等が閉められる。この状態をシミュレーション上のダンボール箱1’の外観例で示すと、図7Bのようになる。図7Bに示すシミュレーション上のダンボール箱1’によれば、外観を四辺形の板要素で分割している。落下解析時、四辺形に分割された板要素の特定の位置座標を検出することで、衝撃加振点を特定するためである。
【0036】
図8は実際のダンボール箱1の構造解析結果例を示すグラフである。図9はそのシミュレーション上のダンボール箱1’の構造解析結果例を示すグラフである。いずれも、縦軸は直方体4に発生する重力加速度[G]であり、横軸は直方体4に加振された時間[sec]である。図8に示す曲線Iは、実際のダンボール箱1を自由落下させる実験より得た直方体4に発生する重力加速度変化曲線である。図8に示すように実際のダンボール箱1内の直方体4に発生する最大重力加速度は最大G=51.3Gである。
【0037】
図9に示す曲線IIは、同定されたダンボール部材の材料特性値を使用したダンボール箱1’を適用して数値解析を行った結果の直方体4に発生する重力加速度変化曲線である。図9に示すようにシミュレーション上のダンボール箱内の直方体4に発生する最大重力加速度は最大G=50.7Gとなった。両者の誤差は1.2%程度である。
【0038】
図10は本発明に係る実施形態としての構造解析例を示すフローチャートである。図11はそのダンボール部材の材料特性値の同定処理例を示すフローチャートである。
【0039】
この実施形態では、ダンボール部材を用いて作成された電気製品梱包用のダンボール箱1の構造解析をする場合であって、このダンボール箱1を用いた材料試験をすると共に、当該ダンボール箱1の材料試験をモデル化して数値解析をし、このダンボール箱1の材料試験結果及び数値解析結果を比較して最適化することにより、ダンボール部材の材料特性値を同定し、ここで同定されたダンボール部材の材料特性値に基づいてダンボール箱1における挙動を構造解析する場合を想定する。数値解析はコンピュータ等の計算機上に数値解析システムを構築して処理する場合を想定する。
【0040】
これを構造解析条件にして、図10に示すフローチャートのステップA1で材料試験サンプルとしてダンボール箱1を作成する。この例では、図1に示したように異方性部材の一例となる総厚みが3mm程度のダンボール部材を用いてダンボール箱1が作成される。材料試験サンプルとしてのダンボール箱1の大きさは長さLが483mm程度で、幅Wが383mm程度、高さHが283mm程度である。
【0041】
次に、ステップA2に移行してこのダンボール箱1を用いた材料試験を実行する。例えば、材料試験の一例となる当該ダンボール箱1の加振試験を行う。もちろん、ダンボール箱1は蓋体部1a,1b,1c,1dで箱本体1fの開口部1eを閉じた状態である。この加振試験では図3に示した周波数分析装置70を使用して振動モードや共振周波数を測定するようになされる。この例では図3に示したように、加振試験における測定点として、ダンボール箱1の任意の一面の中央部分に加速度ピックアップ72が取り付けられ固定される。周波数分析装置70には加速度ピックアップ72からの出力ケーブル72aが接続されると共に、ハンマー73に至る信号ケーブル73aが接続される。
【0042】
この加振実験では材料試験サンプルをハンマー73で加振し、加速度ピックアップ72で加振点から伝達される振動が測定される。この例で、ダンボール箱1を構成する6面の各面毎に9点ずつ、計54箇所をハンマー加振点として設定した。このダンボール箱1に設定された計54箇所のハンマー加振点について、各箇所から測定点に至るまでの伝達関数が算出される。ダンボール箱1の共振周波数と振動モードを求めるためである。この共振周波数と振動モードは実際のダンボール箱1の材料試験時の計測結果値を構成する。
【0043】
例えば、予め設定されたハンマー加振点にハンマー73を殴打すると、その内部の加速度ピックアップが殴打を検出して電圧を発生し、この電圧に基づく測定タイミング信号が周波数分析装置70に出力される。周波数分析装置70では、ハンマー73からの測定タイミング信号を入力して、ハンマー73によってダンボール箱1が加振された時刻から加速度ピックアップ72が振動を測定した時刻に至る到達時間が検出される。また、ダンボール箱1に加えられた振動が測定される。これら計54箇所のハンマー加振点について到達時間や振動数等の各々計測値が得られる。
【0044】
そして、ステップA3に移行してダンボール部材の材料特性値を同定する。このとき、当該ダンボール箱1の材料試験をモデル化して数値解析をする。この数値解析の際に、当該ダンボール箱1の幾何学的な剛性及び材料的な剛性を考慮した線形構造解析を適用する。
【0045】
このダンボール部材の材料特性値の同定処理では、例えば、図11に示すフローチャート(サブルーチン)に移行してそのステップB2〜ステップB8の7つの行程を経て材料特性値を同定するようになされる。このダンボール箱1の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化してダンボール部材の材料特性値を同定するためである。この例では、ステップB2の入力データの作成からステップB8の材料特性値の更新に至る閉ループが構築され、ステップB7の最適化アルゴリズムによる繰り返し計算が実行される。これにより、縦弾性係数、ポアソン比等の材料特性値を同定するようになされる。
【0046】
そのために、まず、サブルーチンのステップB1で、コンピュータを起動して数値解析システムを初期化する。数値解析システムはコンピュータ上に構築されたアプリケーションソフトウエアである。
【0047】
このシステム初期化では、ダンボール部材の材料特性値の同定を実行するために初期設定を行う。例えば、上述したステップA2の材料試験で得られた各々計測値である共振周波数と振動モードの履歴、最適化の手法の選択、ダンボール部材の縦弾性係数、そのポアソン比の初期値と制約条件等をコンピュータ上のファイルに記録することで設定した。
【0048】
そして、ステップB2に移行してダンボール部材の材料特性値の同定処理に必要な入力データを作成する。この入力データは、コンピュータ上でダンボール箱1の加振実験をシミュレーション(模擬)するために用いられ、今回の材料試験サンプルであるダンボール箱1の幾何学的な形状データや、ダンボール部材の材料特性値などにより構成される。最初の計算で使用される材料特性値は、ステップB1で初期設定された適当な値の縦弾性係数とポアソン比が初期値として与えられる。2回目以降の繰り返し計算では、最適化された材料特性値が用いられる。
【0049】
そして、ステップB3ではコンピュータ上でダンボール箱1の線形構造解析(固有値解析)をする。この線形構造解析ではダンボール部材の異方性材料特性を考慮して計算される。例えば、この線形構造解析ではダンボール箱1の加振実験をシミュレーションし、その線形領域における挙動解析が行われる。この挙動解析を行うことによりシミュレーション上のダンボール箱1の加振実験における数値解析結果値が得られる。この数値解析結果値には、シミュレーション上のダンボール箱1の加振実験における共振周波数と振動モードが含まれる。共振周波数は伝達関数から求められ、振動モードは図4、図5に示すような3次元の数値解析値として得られる。
【0050】
その後、先のシミュレーションによって得られた数値解析結果値がステップB4で一時記憶用のメモリ等に出力される。この数値解析結果値は、実際のダンボール箱1の材料試験時の計測結果値を構成する共振周波数と振動モードとして出力される。実際のダンボール箱1の加振実験から得られた共振周波数と振動モードを同定するためである。
【0051】
そして、実際のダンボール箱1の加振実験から得られた計測結果値を数値解析結果値として同定するために、ステップB5に移行して評価関数を計算する。この評価関数の計算ではダンボール箱1の材料試験結果と数値解析結果とを比較する。例えば、ステップB4で得られた数値解析結果値の共振周波数の値とステップA2の材料試験で得られた計測結果値の共振周波数の値とを比較する。
【0052】
この数値解析結果値が計測結果値に近づくように入力データとしてのダンボール部材の材料特性値を同定するためである。具体的には数値解析結果値の共振周波数の値と材料試験時の計測結果値の共振周波数の値との偏差を求めて評価関数としている。
【0053】
そして、ダンボール部材の材料特性値を同定するために、ステップB6に移行して評価関数の収束判定を実行する。この処理ではステップB5で求められた評価関数の値が許容範囲にあるかどうかを判別する。例えば、この評価関数の値が許容範囲になく、評価関数の値が収束していない場合は、ステップB7に移行する。
【0054】
ステップB7ではダンボール部材の材料特性値の最適化を行う。このとき、ステップB6の収束判定の結果に、数理計画法の中の非線形計画法を選択し、この非線形計画法に基づく最適化プログラムを適用する。そして、ステップB8に移行してダンボール部材の材料特性値を更新する。このようにすると、材料特性値の同定にかかる時間と労力との大幅な削減を図ることができる。
【0055】
その後、ステップB2に戻る。このステップB2の入力データの作成からステップB8の材料特性値の更新に至るまでの同定作業は、評価関数の値が収束するまで繰り返される。つまり、この例で材料特性値の同定処理においては、ステップB6の収束判定処理からステップB7の材料特性値の最適化処理、ステップB8の材料特性値の更新処理を経てステップB2の入力データの作成処理へと繰り返し計算を行うようになされる。
【0056】
上述したステップB6で評価関数の値が収束して許容範囲内に入った場合は、ステップB9に移行する。ステップB9では同定処理結果をデータベース等に出力される。例えば、同定されたダンボール部材の材料特性値はコンピュータのファイルに保存され、材料特性値の最適化ループを終了する。
【0057】
そして、図10に示すフローチャートのステップA3に戻る。その後、ステップA4に移行してこのダンボール箱1の構造解析に必要な入力データを作成する。この構造解析に必要な入力データは、先に同定されたダンボール部材の材料特性値をファイルから読み出して作成される。
【0058】
そして、同定されたダンボール部材の材料特性値に基づいてステップA5でダンボール箱1における挙動を構造解析する。この例では、図6に示した電気製品を模擬した直方体4及び、8個の緩衝材を図7Aに示したダンボール箱1内に入れて落下解析を行った。
【0059】
各々の緩衝部材2a〜2hはダンボール箱1内で直方体4の8箇所の各角部に取付けて当該直方体4を固定するように配置した。もちろん、シミュレーション上のダンボール箱1は同定したダンボール部材の材料特性値を使用している。この落下解析の目的は、ダンボール箱1内に梱包された直方体4(電気製品模擬)に発生する最大重力加速度(最大G)を把握するためである。具体的には、ダンボール箱1内に直方体4を梱包した状態で、このダンボール箱1を高さ60cmの位置から水平状態でコンクリート床上に自由落下させる実験を行った。
【0060】
そして、ステップA6の構造解析結果出力によれば、実際の自由落下による実験より得た直方体4に発生する最大重力加速度が図8に示すように最大G=51.3Gであった。これに対して、同定されたダンボール部材の材料特性値を使用したダンボール箱1を用いて数値解析を行った結果、直方体4に発生する最大重力加速度が図9に示すように最大G=50.7Gとなった。両者の誤差が1.2%程度の構造解析結果を出力することができた。同定されたダンボール部材の材料特性値の信頼性が高いことによる。
【0061】
これらの実験による最大G及び数値解析における最大G等の構造解析結果は、構造解析結果データとしてデータベース等に格納される。この構造解析結果データに基づいて任意の大きさのダンボール箱1の線形領域における挙動をシミュレーションしたり、ダンボール箱1のどの部分に衝撃力を加えた場合に、直方体4のどの部分に衝撃力が集中するかをシミュレーションするためである。
【0062】
このように、本発明に係る実施形態としての構造解析方法によれば、ダンボール部材を用いて作成された電気製品梱包用のダンボール箱1の構造解析をする場合に、ダンボール箱1の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様でダンボール部材の材料特性値を同定することができる。
【0063】
従って、ダンボール部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、ダンボール箱1における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値をダンボール箱1の構造解析に使用できるようになるため、当該ダンボール箱1の構造解析の精度を向上させることができるようになった。
【0064】
なお、本発明に係る構造解析方法に係る異方性部材の材料特性値の同定処理は、金属のように圧延や曲げなどによる硬化なども考慮でき、一般的に知られている材料特性値よりも精度の高い材料特性値を得ることが可能となる。また、異方性部材の材料特性値の同定方法によれば、非線形計画法に用いた最適化プログラムを適用して数値解析をしているので、材料特性値の同定にかかる時間と労力との大幅な削減を図ることができる。
【0065】
この例では、構造体に関して異方性部材を使用したダンボール箱1の場合について説明をしたが、これに限られることはなく、本発明に係る構造解析方法はガラス繊維織込みエポキシ基板等のプリント配線基板の構造解析にも適用することができる。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る構造解析方法によれば、異方性部材を用いて作成された任意の構造体を構造解析する場合に、この構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、この構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して異方性部材の材料特性値を同定するようになされる。
【0067】
この構成によって、構造体の幾何学的な特性とその材料的な特性とを足し合わせた態様で異方性部材の材料特性値を同定することができる。従って、異方性部材に関して最適に同定された材料特性値を使用できるので、異方性部材を用いて作成された任意の構造体における挙動を正確に解析することができる。しかも、精度の高い材料特性値を構造解析に使用できるようになるため、構造解析の精度を向上させることができるようになる。
【0068】
この発明は電気製品などの出荷搬送販売流通に当たって、梱包内部の電気製品を保護するダンボール箱等の落下衝撃試験解析処理に適用して極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る構造解析方法が適用される実施形態としてのダンボール箱1の構造例を示す斜視図である。
【図2】電気製品梱包時の緩衝部材2a〜2hの構成例を示す斜視図である。
【図3】ダンボール箱1の材料試験時の構成例を示すイメージ図である。
【図4】シミュレーション上の変形前のダンボール箱1’の3次元形状例を示す斜視図である。
【図5】シミュレーション上の変形後のダンボール箱1’の3次元形状例を示す斜視図である。
【図6】ダンボール箱1内に収納する直方体4の保護例を各々示す斜視図である。
【図7】A及びBはダンボール箱1の実際の外観例等及び、そのシミュレーション上の外観例を示す斜視図である。
【図8】実際のダンボール箱1の構造解析結果例を示すグラフである。
【図9】そのシミュレーション上のダンボール箱1’の構造解析結果例を示すグラフである。
【図10】本発明に係る実施形態としてのダンボール箱1の構造解析例を示すフローチャートである。
【図11】そのダンボール部材の材料特性値の同定処理例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1,1’・・・ダンボール箱(構造体)、2a〜2h・・・緩衝部材、3a〜3h・・・切り欠き部、4・・・直方体(電気製品)、70・・・周波数分析装置、71・・・分析装置本体、72・・・加速度ピックアップ、73・・・ハンマー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure analysis method suitable for application to a drop impact test analysis process of a cardboard box or the like that protects an electric product inside a package in shipping, transporting and distributing electric products and the like.
[0002]
Specifically, when performing a structural analysis of an arbitrary structure created using an anisotropic member such as a cardboard material, a material test using the structure is performed, and a material test of the structure is modeled. When performing a numerical analysis and comparing and optimizing the material test results and numerical analysis results of this structure to identify the material characteristic values of the anisotropic member, the geometric characteristics of the structure and its material characteristics And the material characteristic value of the anisotropic member can be identified in a mode in which the above is added. In addition, the behavior of the structure can be accurately analyzed, and the accuracy of the structure analysis can be improved.
[0003]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, many structural analysis methods for analyzing the behavior of a structure including a housing and a plate, such as deformation, have been known. In this structural analysis method, the analysis process differs between a case where the amount of deformation of the structure is large and a case where the amount of deformation is small. This is because when the deformation amount of the structure increases, the relationship between the strain, which is the dimensionless deformation amount, and the stress, which is the load per unit area, is not linear.
[0004]
In this type of structural analysis method, a linear structure analysis method in an elastic region where the relationship between strain and stress is small and deformation is small, and a nonlinear structure analysis method in a plastic region where the relationship between strain and stress is large and deformation is large And divided into Among these structural analysis methods, several analysis methods such as a finite element method, a boundary element method, and a difference method are known, and a combination of these analysis methods is used to analyze the behavior of a structure in a linear region or a nonlinear region. Is performed.
[0005]
[0006]
According to this structural analysis method, for example, when manufacturing a case such as a storage battery, the structure of the case is analyzed in advance by the finite element method, and behavior during operation, rigidity, and the like are evaluated. In the finite element method, first, the appearance of a case is set, and the entire case is divided into plane elements on a plate such as a triangle or a quadrangle to obtain a continuum of these plane elements. In the finite element method, an analysis is performed by setting the thickness dimension for each planar element, setting the material according to the boundary conditions such as the load acting on the structure, the longitudinal elastic modulus, the Poisson's ratio, and the like. . This makes it possible to obtain a deformed shape and a deformation amount associated with the analysis of the structure.
[0007]
In order to perform such a structural analysis, material characteristic values such as a longitudinal elastic modulus and a Poisson's ratio of a material constituting the structure are required. These material property values are important and indispensable for analyzing these behaviors and phenomena by numerical calculation, especially in recent years because the need to analyze the behavior of structures has increased and structural analysis has been performed in many cases. It has become. However, since these material characteristic values are greatly influenced by material components, test conditions, manufacturing time, and the like, it is difficult to present them as general values.
[0008]
Patent Document 2 discloses a “stress-strain relationship simulation method”. According to this simulation method, the stress-strain relationship of an arbitrary material is approximated by a composite hardening model, and the back stress is defined by a back stress function having the plastic strain of the material as a variable and the plastic strain coefficient. I do. By using the back stress as a variable, the yield curve of the material is defined as a yield function. By using this yield function, the stress-strain relationship of the material is continuously and numerically analyzed so as to express the Bauschinger effect of the material.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-09-152392
[Patent Document 2]
JP-A-2000-275154
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when trying to analyze the structure of a cardboard box using an anisotropic member such as a cardboard member using the conventional structure analysis method, there are the following problems.
[0011]
{Circle around (1)} Even if the nonlinear structural analysis method disclosed in
[0012]
{Circle around (2)} Patent Document 2 deals with isotropic hardening members with respect to materials, so even if the stress-strain relationship simulation method is applied, a great effort is required to obtain material characteristic values of anisotropic members such as cardboard members. Spends time.
[0013]
In view of the above, the present invention has been made to solve such a conventional problem, and enables to accurately analyze the behavior of a structure such as a cardboard material and improve the accuracy of the structure analysis of the structure. It is an object of the present invention to provide a structural analysis method.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problem is a method of performing a structural analysis of an arbitrary structure created using an anisotropic member, and performing a material test using the structure and modeling the material test of the structure. Perform a numerical analysis, compare and optimize the material test results and the numerical analysis results of the structure to identify the material property values of the anisotropic member, and based on the material property values of the anisotropic member identified here, The problem is solved by a structural analysis method characterized by performing a structural analysis of behavior in a body.
[0015]
According to the structural analysis method of the present invention, when structural analysis is performed on an arbitrary structure created using an anisotropic member, the geometric characteristics of the structure and the material characteristics thereof are added. In this manner, the material characteristic value of the anisotropic member can be identified. For example, as in the case of metal, hardening due to rolling, bending, or the like can be considered, and a material characteristic value with higher accuracy than a generally known material characteristic value can be obtained.
[0016]
Therefore, since the material characteristic value optimally identified with respect to the anisotropic member can be used, it is possible to accurately analyze the behavior in an arbitrary structure created using the anisotropic member. In addition, since a highly accurate material characteristic value can be used for the structural analysis, the accuracy of the structural analysis can be improved.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a structural analysis method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of a
[0018]
In this embodiment, when a structural analysis is performed on an arbitrary structure formed using an anisotropic member such as a cardboard material, a material test using the structure is performed, and a material test of the structure is performed as a model. In order to identify the material characteristic values of the anisotropic member by comparing and optimizing the material test results and numerical analysis results of this structure and performing numerical analysis, the geometrical characteristics of the structure and its material characteristics The material characteristic value of the anisotropic member can be identified in a mode in which the characteristic characteristics are added. In addition, the behavior of the structure can be accurately analyzed, and the accuracy of the structure analysis can be improved.
[0019]
The structural analysis method according to the present invention is a method for structurally analyzing an arbitrary structure created using an anisotropic member. This method is suitable for shipping, transporting, and selling electric products and the like, and applied to a drop impact test analysis process for a cardboard box or the like that protects electronic devices inside a package.
[0020]
The
[0021]
Printed wiring boards are mentioned as anisotropic members because of the recent computerization of equipment, printed wiring boards typified by glass epoxy boards and the like are increasing. In addition, the longitudinal elastic coefficients are different even in the vertical and horizontal directions in the plane from the wiring direction of the wiring pattern or the wiring pattern, and it is difficult to present a general value. This is because it is expected that the need for performing structural analysis on the structure including these will increase.
[0022]
In this example, for the sake of simplicity, the case of the
[0023]
Here, the length of the
[0024]
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of the
[0025]
As shown in FIG. 2, each of the
[0026]
FIG. 3 is an image diagram showing a configuration example of the
[0027]
In this example, the
[0028]
The
[0029]
For example, when the trigger switch is set to 1.0 V as the rising threshold voltage on the frequency analyzer side, acceleration is applied to the
[0030]
The acceleration pickup inside the hammer detects a hammer strike and outputs a measurement timing signal to the
[0031]
In this example, for a total of 54 hammer excitation points set on the
[0032]
The cardboard box 1 'shown in FIG. 4 has a three-dimensional shape on a simulation when no vibration is given. This is a model of the
[0033]
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a three-dimensional shape of the
[0034]
FIG. 6 is a perspective view showing a protection example of the
[0035]
7A and 7B are perspective views showing an example of the actual appearance of the
[0036]
FIG. 8 is a graph showing an example of a structural analysis result of the
[0037]
A curve II shown in FIG. 9 is a gravitational acceleration change curve generated in the
[0038]
FIG. 10 is a flowchart showing a structural analysis example as an embodiment according to the present invention. FIG. 11 is a flowchart showing an example of a process for identifying the material characteristic value of the cardboard member.
[0039]
In this embodiment, a case is described in which a structural analysis of a
[0040]
Under these structural analysis conditions, a
[0041]
Next, the process proceeds to step A2 to execute a material test using the
[0042]
In this vibration experiment, the material test sample is vibrated by the
[0043]
For example, when the
[0044]
Then, the process proceeds to step A3 to identify the material characteristic value of the cardboard member. At this time, the material test of the
[0045]
In the process of identifying the material characteristic value of the cardboard member, for example, the process shifts to a flowchart (subroutine) shown in FIG. 11 to identify the material characteristic value through seven steps of Step B2 to Step B8. This is because the material test result and the numerical analysis result of the
[0046]
For this purpose, first, in step B1 of the subroutine, the computer is started to initialize the numerical analysis system. The numerical analysis system is application software built on a computer.
[0047]
In this system initialization, initialization is performed to identify the material characteristic value of the cardboard member. For example, the history of the resonance frequency and the vibration mode, which are the measured values obtained in the material test in step A2 described above, the selection of the optimization method, the longitudinal elastic modulus of the cardboard member, the initial value of the Poisson's ratio and the constraints, etc. Was recorded in a file on the computer.
[0048]
Then, the process proceeds to step B2 to create input data necessary for the process of identifying the material characteristic value of the cardboard member. This input data is used to simulate (simulate) a vibration experiment of the
[0049]
Then, in step B3, a linear structure analysis (eigenvalue analysis) of the
[0050]
Thereafter, the numerical analysis result value obtained by the previous simulation is output to a temporary storage memory or the like in step B4. This numerical analysis result value is output as a resonance frequency and a vibration mode which constitute the actual measurement result value of the
[0051]
Then, in order to identify a measurement result value obtained from an actual vibration test of the
[0052]
This is for identifying the material characteristic value of the cardboard member as input data so that the numerical analysis result value approaches the measurement result value. Specifically, a deviation between the resonance frequency value of the numerical analysis result value and the resonance frequency value of the measurement result value at the time of the material test is obtained and used as an evaluation function.
[0053]
Then, in order to identify the material characteristic value of the cardboard member, the process proceeds to step B6, and the convergence determination of the evaluation function is executed. In this process, it is determined whether or not the value of the evaluation function obtained in step B5 is within an allowable range. For example, when the value of the evaluation function is not within the allowable range and the value of the evaluation function has not converged, the process proceeds to step B7.
[0054]
In step B7, the material characteristic value of the cardboard member is optimized. At this time, a non-linear programming method in mathematical programming is selected as a result of the convergence determination in step B6, and an optimization program based on this non-linear programming method is applied. Then, the process proceeds to step B8 to update the material property value of the cardboard member. In this way, it is possible to significantly reduce the time and labor required for identifying the material characteristic values.
[0055]
Thereafter, the process returns to step B2. The identification operation from the creation of the input data in step B2 to the update of the material property values in step B8 is repeated until the value of the evaluation function converges. In other words, in the material characteristic value identification processing in this example, the input data generation in step B2 is performed through the convergence determination processing in step B6, the material characteristic value optimization processing in step B7, and the material characteristic value update processing in step B8. The calculation is repeatedly performed to the processing.
[0056]
If the value of the evaluation function converges and falls within the allowable range in step B6 described above, the process proceeds to step B9. In step B9, the identification processing result is output to a database or the like. For example, the material property values of the identified corrugated cardboard members are stored in a computer file, and the material property value optimization loop ends.
[0057]
Then, the process returns to step A3 of the flowchart shown in FIG. Thereafter, the process proceeds to step A4, where input data necessary for the structural analysis of the
[0058]
Then, the behavior of the
[0059]
Each of the
[0060]
According to the output of the structural analysis result in step A6, the maximum gravitational acceleration generated in the
[0061]
The structural analysis results such as the maximum G in these experiments and the maximum G in the numerical analysis are stored in a database or the like as structural analysis result data. Based on the result of the structural analysis, the behavior of the
[0062]
As described above, according to the structural analysis method as an embodiment of the present invention, when performing a structural analysis of a
[0063]
Therefore, since the material characteristic value optimally identified for the cardboard member can be used, the behavior in the
[0064]
In addition, the identification processing of the material characteristic value of the anisotropic member according to the structural analysis method according to the present invention can also consider hardening such as rolling or bending like a metal, and is based on a generally known material characteristic value. It is also possible to obtain highly accurate material characteristic values. In addition, according to the method for identifying material property values of anisotropic members, the optimization program used for nonlinear programming is applied for numerical analysis, so that the time and effort required to identify material property values are reduced. Significant reduction can be achieved.
[0065]
In this example, the case of the
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the structural analysis method of the present invention, when performing a structural analysis of an arbitrary structure created using an anisotropic member, a material test using this structure is performed, The material test of the structure is modeled and subjected to numerical analysis, and the material test result and the numerical analysis result of the structure are compared and optimized to identify the material characteristic value of the anisotropic member.
[0067]
With this configuration, the material property value of the anisotropic member can be identified in a mode in which the geometric property of the structure and the material property thereof are added. Therefore, since the material characteristic value optimally identified with respect to the anisotropic member can be used, it is possible to accurately analyze the behavior in an arbitrary structure created using the anisotropic member. In addition, since a highly accurate material characteristic value can be used for the structural analysis, the accuracy of the structural analysis can be improved.
[0068]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is extremely suitable to be applied to a drop impact test analysis process of a cardboard box or the like for protecting an electric product in a package in shipping, transporting and distributing the electric product.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of a
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of
FIG. 3 is an image diagram showing a configuration example of a
FIG. 4 is a perspective view showing an example of a three-dimensional shape of a
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a three-dimensional shape of a
6 is a perspective view showing an example of protection of the
FIGS. 7A and 7B are perspective views showing an example of an actual appearance of the
FIG. 8 is a graph showing an example of a structural analysis result of an
FIG. 9 is a graph showing an example of a structural analysis result of the
FIG. 10 is a flowchart showing a structural analysis example of the
FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of a process of identifying a material characteristic value of the cardboard member.
[Explanation of symbols]
1, 1 ': cardboard box (structure), 2a to 2h: buffer member, 3a to 3h: cutout, 4: rectangular parallelepiped (electric product), 70: frequency analyzer , 71: Analytical device main body, 72: Acceleration pickup, 73: Hammer
Claims (5)
前記構造体を用いた材料試験をすると共に、当該構造体の材料試験をモデル化して数値解析をし、
前記構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し最適化して前記異方性部材の材料特性値を同定し、
同定された前記異方性部材の材料特性値に基づいて前記構造体における挙動を構造解析することを特徴とする構造解析方法。A method for performing a structural analysis of an arbitrary structure created using an anisotropic member,
Along with conducting a material test using the structure, the material test of the structure was modeled and numerically analyzed.
Identify the material property value of the anisotropic member by comparing and optimizing the material test results and numerical analysis results of the structure,
A structural analysis method characterized by performing a structural analysis of a behavior in the structural body based on a material characteristic value of the identified anisotropic member.
当該構造体を加振して振動モード及び共振周波数を測定することを特徴とする請求項1に記載の構造解析方法。In a material test using the structure,
The structural analysis method according to claim 1, wherein the vibration mode and the resonance frequency are measured by exciting the structure.
当該構造体の幾何学的な剛性及び材料的な剛性を考慮した構造解析を適用することを特徴とする請求項1に記載の構造解析方法。When modeling and numerically analyzing the material test of the structure,
The structural analysis method according to claim 1, wherein a structural analysis in consideration of a geometric rigidity and a material rigidity of the structure is applied.
前記構造体の材料試験結果及び数値解析結果を比較し収束判定し、
前記収束判定の結果に非線形計画法に基づく最適化プログラムを適用して前記異方性部材の材料特性値を更新するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の構造解析方法。When identifying the material property value of the anisotropic member,
Compare the material test results and numerical analysis results of the structure to determine convergence,
The structural analysis method according to claim 1, wherein an optimization program based on a non-linear programming is applied to a result of the convergence determination to update a material characteristic value of the anisotropic member.
前記コンピュータを起動して数値解析システムを初期化する行程と、
前記材料試験で得られた各々計測値である共振周波数と振動モードの履歴、最適化の手法の選択、異方性部材の縦弾性係数、そのポアソン比の初期値と制約条件を前記コンピュータ上のファイルに記録する行程と、
前記異方性部材の材料特性値の同定処理に必要な入力データを作成する行程と、
前記コンピュータ上で構造体を構造解析する行程と、
前記コンピュータにおけるシミュレーションによって得られた数値解析結果値と実際の構造体の加振実験から得られた計測結果値を数値解析結果値として同定するための評価関数を求める行程と、
前記評価関数の値が許容範囲にあるかどうかを判別する行程と、
判別された前記異方性部材の材料特性値の最適化を行う行程と、
最適化された前記異方性部材の材料特性値を更新する行程とが含まれることを特徴とする請求項1に記載の構造解析方法。In the case where the identification process of the material property value of the anisotropic member is performed by a computer,
Starting the computer and initializing the numerical analysis system;
The history of the resonance frequency and the vibration mode, which are the measured values obtained in the material test, the selection of the optimization method, the longitudinal elastic modulus of the anisotropic member, the initial value of the Poisson's ratio and the constraints, The process of recording in the file,
A process of creating input data necessary for the identification process of the material property values of the anisotropic member,
A step of analyzing the structure of the structure on the computer;
A process of obtaining an evaluation function for identifying a numerical analysis result value obtained by a simulation in the computer and a measurement result value obtained from a vibration experiment of an actual structure as a numerical analysis result value,
A step of determining whether the value of the evaluation function is within an allowable range,
A step of optimizing the material property value of the determined anisotropic member,
2. The method according to claim 1, further comprising the step of updating the optimized material property value of the anisotropic member.
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