JP2004267765A - Simulation method of golf club head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゴルフボール打撃時のゴルフクラブヘッドの挙動を再現するゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a golf club head simulation method for reproducing the behavior of a golf club head when a golf ball is hit.
近年、金属製の中空ゴルフクラブヘッドにおいて、ゴルフボールを打撃する打撃面にチタン合金等を用いる他に、打撃面を成すゴルフクラブヘッドのフェース部の肉厚を薄くすることで、あるいは、ゴルフクラブヘッドのクラウン部やソール部等と接合したフェース部の接合端の部分を部分的に薄くすることで、ゴルフクラブヘッドの反発係数を向上することができることが知られている。
例えば、ゴルフボールの打撃面の内周縁に薄肉部が形成された中空ゴルフクラブヘッドの場合、ゴルフボールの打撃時における打撃面の弾性的な撓みを助長させて打ち出されるゴルフボールの初速度を向上させてゴルフクラブヘッドの反発係数を高めることができ、ゴルフボールの飛距離の向上を実現している。
In recent years, in a metal hollow golf club head, in addition to using a titanium alloy or the like as a striking surface for striking a golf ball, by reducing the thickness of the face portion of the golf club head that forms the striking surface, or a golf club It is known that the coefficient of restitution of the golf club head can be improved by partially thinning the joint end portion of the face portion joined to the crown portion or sole portion of the head.
For example, in the case of a hollow golf club head in which a thin portion is formed on the inner peripheral edge of the hitting surface of the golf ball, the initial velocity of the golf ball to be launched is improved by promoting the elastic deflection of the hitting surface when the golf ball is hit. Thus, the coefficient of restitution of the golf club head can be increased, and the flight distance of the golf ball is improved.
このようなゴルフクラブヘッドをはじめとする製品を効率よく設計、開発するには、一般的に製品を多数の有限要素で近似してモデル化した有限要素モデルを用いて、製品に必要とされる特性をシミュレートすることで、所望の特性を有する製品を効率よく開発、設計することができると考えられている。ゴルフクラブヘッドにおいても同様であり、ゴルフボール打撃時の反発係数、振動数、打音および耐久性等の特性が調整されたゴルフクラブヘッドを効率よく開発、設計することができると一般的に考えられている。上述したように、ゴルフクラブヘッドのフェース部の接合端近傍において肉厚を部分的に薄くすることで、反発係数を向上することができるが、同時に薄肉化によって低下する傾向にあるゴルフクラブヘッドの耐久性を確保するために、有限要素モデルを用いた応力解析を積極的に行うことが望まれている。 In order to efficiently design and develop products such as golf club heads, it is generally necessary for products to use a finite element model obtained by approximating the product with many finite elements. It is considered that a product having a desired characteristic can be efficiently developed and designed by simulating the characteristic. The same is true for golf club heads, and it is generally considered that a golf club head with adjusted characteristics such as a coefficient of restitution, a vibration frequency, a hitting sound, and durability when a golf ball is hit can be efficiently developed and designed. It has been. As described above, the coefficient of restitution can be improved by partially reducing the thickness in the vicinity of the joint end of the face portion of the golf club head, but at the same time, the golf club head tends to decrease due to the thinning. In order to ensure durability, it is desired to actively perform stress analysis using a finite element model.
図10は、ゴルフクラブヘッドを有限要素を用いて近似した有限要素モデルの一例の斜視図である。
図10に示すゴルフクラブヘッドの有限要素モデル100は、ゴルフクラブヘッドから作成された輪郭形状を表す立体形状モデルをメッシュ分割し、各面が三角形を成した4面体ソリッド要素で構成された3次元有限要素モデルである。図10では、有限要素モデル100の表面に4面体ソリッド要素の一面である三角形状が示されている。
このように、有限要素モデル100を4面体ソリッド要素によって構成することで、曲面を成したいかなるゴルフクラブヘッドの形状であってもモデルを自在に再現することができる。
FIG. 10 is a perspective view of an example of a finite element model obtained by approximating a golf club head using finite elements.
A
In this way, by configuring the
一方、下記特許文献1では、ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルが特許文献1の図8(e)に示されており、ゴルフボールの応力解析にゴルフクラブヘッドの有限要素モデルが用いられた解析例が開示されている(下記特許文献中の図8(e)、[0031]参照)。
しかし、図10に示す有限要素モデル100を用いてシミュレーションを行う場合、4面体ソリッド要素の要素数の増大を招き、計算時間が極めて長くなり、例えば略20時間に及んだ。このような計算時間の長期化は、ゴルフクラブヘッドの開発効率の点で問題があった。また、有限要素モデルは4面体ソリッド要素で分割されているため、得られた解析結果、例えば、ゴルフボール打撃時のゴルフクラブヘッドに作用する応力や歪み等の分布が4面体ソリッド要素による要素分割の影響を受けて、応力分布や歪み分布がギザギザの変動分布を有するものとなったり、場合によっては、妥当な解析結果が得られない場合もあった。
一方、特許文献1で開示するゴルフクラブヘッドの有限要素モデルにおいても、依然として有限要素による要素分割の影響を受け、ゴルフクラブヘッドの解析結果を精度高く得ることができない場合があるといった問題があった。
However, when the simulation is performed using the
On the other hand, even in the finite element model of the golf club head disclosed in
さらに、ゴルフクラブヘッドのフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部によって囲まれて中空部が形成された中空ゴルフクラブヘッドを、上記4面体ソリッド要素の替わりにシェル要素を用いることもできるが、シェル要素を用いた場合、極端に厚い部分は精度よくモデル化することが困難であり、薄肉部や厚肉部など厚さの分布を部分的に有する場合のように厚さの急激な変化に対処できず、精度の高い解析結果が得られないといった問題があった。 Furthermore, a hollow golf club head surrounded by the face portion, crown portion, side portion and sole portion of the golf club head and formed with a hollow portion can use a shell element instead of the tetrahedral solid element. When shell elements are used, it is difficult to model extremely thick parts with high accuracy, and the thickness changes abruptly as in the case of partial thickness distribution such as thin or thick parts. There was a problem that the analysis result could not be obtained and a highly accurate analysis result could not be obtained.
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、ゴルフクラブヘッドのゴルフボール打撃時のシミュレーション方法であって、シミュレーションによる解析結果を従来に比べて短時間に算出し、かつ、精度高く算出することができるゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法を提供することを目的とする。 Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention is a simulation method for hitting a golf ball of a golf club head, which calculates an analysis result by simulation in a shorter time than before and calculates with high accuracy. An object of the present invention is to provide a golf club head simulation method that can be used.
上記目的を達成するために、本発明は、ゴルフボール打撃時のゴルフクラブヘッドの挙動を再現するゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法であって、ゴルフクラブヘッドの輪郭形状を再現した立体形状モデルを作成するステップと、作成された前記立体形状モデルと交わる少なくとも1つの仮想分割面によって前記立体形状モデルを複数の部分に分割し、この分割部分毎に前記立体形状モデルをメッシュ分割することにより、6面体ソリッド要素を前記仮想分割面に沿って複数生成するとともに、前記立体形状モデルの前記分割部分毎の表面に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、いずれも2つまたは4つの6面体ソリッド要素の共有点となり、かつ、前記立体形状モデルの前記それぞれの部分の内部に位置する前記他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、いずれも8つの6面体ソリッド要素の共有点となるように、隣り合う6面体ソリッド要素を隣接させて前記立体形状モデルの前記分割部分を6面体ソリッド要素でメッシュ分割して、ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルを作成するステップと、この作成された有限要素モデルを用いてゴルフクラブヘッドのゴルフボール打撃時のシミュレーションを行うステップと、を有することを特徴とするゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention is a golf club head simulation method that reproduces the behavior of a golf club head at the time of hitting a golf ball, and creates a three-dimensional model that reproduces the contour shape of the golf club head. Dividing the three-dimensional shape model into a plurality of parts by at least one virtual dividing surface intersecting with the created three-dimensional shape model, and dividing the three-dimensional shape model into meshes for each of the divided parts, thereby obtaining a hexahedral solid A plurality of elements are generated along the virtual dividing plane, and among the vertices of the hexahedral solid element located on the surface of each divided portion of the three-dimensional shape model, the element becomes a common point with other hexahedral solid elements The vertices are shared points of two or four hexahedral solid elements, and the solid shape model Adjacent hexahedral solid elements are adjacent so that the vertices that are shared points with the other hexahedral solid elements located inside each part are shared points of the eight hexahedral solid elements. A step of creating a finite element model of a golf club head by meshing the divided portion of the three-dimensional shape model with a hexahedral solid element, and hitting a golf ball of the golf club head using the created finite element model And a simulation method of a golf club head characterized by comprising:
なお、前記仮想分割面は、少なくとも、ゴルフボール打撃方向に平行であり前記立体形状モデルにおけるフェース面の対応面に略垂直な仮想平面を含むことが好ましい。 The virtual dividing plane preferably includes at least a virtual plane that is parallel to the golf ball striking direction and substantially perpendicular to the corresponding face of the face surface in the three-dimensional model.
ここで、前記ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルは、ゴルフクラブヘッドのフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部によって囲まれて中空部が形成された中空ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルである。
また、前記ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルは、前記フェース部、前記クラウン部、前記サイド部および前記ソール部の少なくとも1つに肉厚が部分的に薄くなった薄肉部を有するゴルフクラブヘッドの有限要素モデルであって、前記有限要素モデルにおける前記薄肉部に対応する部分は、厚さ方向に少なくとも3つ以上の6面体ソリッド要素を重ねた構成となっているのが好ましい。
また、前記ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルにおける前記フェース部に対応する部分は、厚さ方向に少なくとも3つ以上の6面体ソリッド要素を重ねた構成となっていることが好ましい。
Here, the finite element model of the golf club head is a finite element model of a hollow golf club head in which a hollow portion is formed by being surrounded by a face portion, a crown portion, a side portion, and a sole portion of the golf club head.
In addition, the finite element model of the golf club head is a finite element model of a golf club head having a thin portion whose thickness is partially reduced in at least one of the face portion, the crown portion, the side portion, and the sole portion. In the element model, a portion corresponding to the thin portion in the finite element model preferably has a configuration in which at least three or more hexahedral solid elements are stacked in the thickness direction.
Further, it is preferable that a portion corresponding to the face portion in the finite element model of the golf club head has a configuration in which at least three or more hexahedral solid elements are stacked in the thickness direction.
前記シミュレーションは、前記ゴルフボール打撃時の応力解析、振動解析、音響解析および流体解析の少なくとも1つの解析によるシミュレーションであることが好ましい。すなわち、前記シミュレーションは、これらの解析のうち1つの解析、あるいは、複数の解析を組み合わせたものであるのが好ましい。 The simulation is preferably a simulation based on at least one of stress analysis, vibration analysis, acoustic analysis, and fluid analysis when the golf ball is hit. That is, the simulation is preferably one of these analyzes or a combination of a plurality of analyses.
本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法は、シミュレーションによる解析結果を従来に比べて短時間に算出し、かつ、精度の高い解析結果を得ることができる。 The golf club head simulation method of the present invention can calculate an analysis result by simulation in a shorter time than the conventional method, and can obtain a highly accurate analysis result.
以下、本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。 Hereinafter, a simulation method for a golf club head according to the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
図1は、本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法を実施するシミュレーション装置(以降、装置という)10の構成を示すブロック図である。
装置10は、ゴルフクラブヘッドの輪郭形状を再現した立体形状モデルを作成する、3次元CADを行う立体形状モデル作成部12と、作成された立体形状モデルをメッシュ分割することにより、本発明において特徴とするゴルフクラブヘッドの有限要素モデルを作成するメッシュ分割部14およびデータ作成部16と、作成された有限要素モデルを用いて、予め定められたゴルフボールの有限要素モデルとの打撃を再現し、所定の特性物理量を算出し、解析結果として出力する解析演算部18とを有し、さらに、この他に、上記各部位の演算や処理のタイミングを制御して各部位の動作の管理を行うCPU(中央処理ユニット)20および各部位で算出された結果を記憶保持するメモリ22を有する。また、装置10にはモニタ24が接続されている。
なお、装置10は、プログラムを実行することで各部位が機能するコンピュータによって構成されてもよいし、各部位が専用回路で構成された専用装置であってもよい。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a simulation apparatus (hereinafter referred to as an apparatus) 10 for carrying out the golf club head simulation method of the present invention.
The
The
本装置10は、例えば、モニタ24に表示された入力指示画面の指示に沿って図示されないマウスやキーボード等の入力操作系からゴルフクラブヘッドの形状データが指示入力されて3次元CADデータを設定し、これによって、立体形状モデル作成部12は立体形状モデルを作成する。この後、作成された立体形状モデルに対してメッシュ分割部14は6面体メッシュ生成を行い、生成されたメッシュに基づいてデータ生成部16は、6面体ソリッド要素から成る有限要素モデルを作成し、解析演算部18は、作成された有限要素モデルを用いてゴルフボール打撃時のゴルフクラブヘッドの挙動を再現したシミュレーション演算を行い、この演算によって算出された所定の特性物理量を解析結果として出力する。
The
図2は、本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法の一例の流れを示すフローチャートである。以降、このフローチャートに沿って、本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法を詳細に説明する。 FIG. 2 is a flowchart showing the flow of an example of the golf club head simulation method of the present invention. Hereinafter, the golf club head simulation method of the present invention will be described in detail with reference to this flowchart.
まず、立体形状モデルの作成が行われる(ステップS50)。
具体的には、モニタ24に表示された入力指示画面の指示に沿って図示されないマウスやキーボード等の入力操作系からゴルフクラブヘッドの形状データが指示入力されて3次元CADデータとして設定され、このデータに基づいて、ゴルフクラブヘッドの輪郭形状を3次元で表した立体形状モデルが作成される。図3は、フェース部、クラウン部、サイド部およびソール部によって囲まれて中空部が形成された中空ゴルフクラブヘッドの立体形状モデルの一例を示し、ゴルフクラブヘッドのフェース部、クラウン部、サイド部、ソール部およびネック部の輪郭形状を3次元で表した立体形状モデル30が作成される。
First, a three-dimensional shape model is created (step S50).
Specifically, golf club head shape data is instructed and input as three-dimensional CAD data from an input operation system such as a mouse or a keyboard (not shown) in accordance with instructions on the input instruction screen displayed on the
次に、この立体形状モデルに対して6面体メッシュ生成が自動的に行われ(ステップS52)、隣接した複数の6面体ソリッド要素が作成される。
図3に示す立体形状モデル30を例として説明すると、仮想分割面である図4に示す仮想平面Bで立体形状モデル30を切断した場合の切断された立体形状モデル30のそれぞれの分割部分(以降、部分とする)に対して対辺等分割による6面体メッシュ生成が行われる。仮想平面Bは、ゴルフクラブによるゴルフボールの打撃方向である方向Aに平行で、ゴルフクラブヘッドのフェース面に対応する立体形状モデル30における対応面32に略垂直な仮想的に設けられた平面である。
すなわち6面体メッシュ生成により立体形状モデル30をメッシュ分割することにより、仮想平面Bと6面体ソリッド要素の1つの面が接するように複数の6面体ソリッド要素を仮想平面Bに沿って隣接するとともに、立体形状モデル30のそれぞれの部分表面に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点は、いずれも2つまたは4つの6面体ソリッド要素の共有点となり、かつ、立体形状モデル30のそれぞれの部分の内部に位置する、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点は、いずれも8つの6面体ソリッド要素の共有点となるように、隣り合う6面体ソリッド要素を隣接させて各部分毎にメッシュ分割して立体形状モデル30の全体をメッシュ分割する。
Next, hexahedral mesh generation is automatically performed on the solid shape model (step S52), and a plurality of adjacent hexahedral solid elements are created.
The three-
That is, by dividing the
図5(a)は、中空ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル30を仮想平面Bにて切断したときの立体形状モデル30における対辺等分割の第1の実施形態(以降、第1の対辺等分割方法とする)による6面体メッシュ分割を説明する図である。
図5(a)に示すように、第1の対辺等分割方法では、中空ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル30をC1(クラウン部),C2(サイド部),C3(ソール部)およびC4(フェース部)のように、4つの部分に分割してそれぞれの部分において対辺を設定し、ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル30の外面側の表面を構成する六面体要素の面が、いずれも異なる1つの六面体要素の面から構成されるように立体形状モデルを対辺等分割してメッシュを生成する。
仮想平面Bで切断して、立体形状モデル30におけるクラウン部に対応する部分C1の外面側のエッジx1と内面側(中空部の側)のエッジy1とを対辺とすると、この場合の対辺等分割とは、エッジx1およびエッジy1の分割数を等分割にすることをいい、図5(a)では、クラウン部C1において11分割されている。
FIG. 5A shows a first embodiment of the opposite side equal division in the three-
As shown in FIG. 5 (a), in the first opposite side equal division method, the three-
When cutting along the virtual plane B and the edge x 1 on the outer surface side of the portion C 1 corresponding to the crown portion in the three-
図5(b)は、中空ゴルフクラブヘッドにおけるフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部に対応する部分が、第1の対辺等分割方法によって対辺等分割されることにより生成された複数の6面体ソリッド要素の配列を示した図であり、図5(c)は、ネック部に対応する部分が第1の対辺等分割方法によって対辺等分割されることにより生成された複数の6面体ソリッド要素の配列の一例を示した図である。
このように、対辺等分割された6面体ソリッド要素は列を成して整然と配列されており、隣接する6面体ソリッド要素と互いに1対1で1つの面を共有し、かつ、立体形状モデルの30のそれぞれの部分の表面に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、4つの6面体ソリッド要素(図5(b)中、頂点P1の場合6面体ソリッド要素E1〜E4)の共有点、または2つの6面体ソリッド要素(図5(c)中、頂点P3の場合6面体ソリッド要素E13およびE14)の共有点となるように構成される。また、立体形状モデルの30のそれぞれの部分の内部に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、8つの6面体ソリッド要素(図5(b)中、頂点P2の場合6面体ソリッド要素E5〜E12)の共有点となるように構成される。
図5(c)のように円筒状のネック部に対応する円筒形状の円周部分は、領域F1,G1,H1およびI1のように円周部分を4等分して、領域F1と領域H1とにおいて対辺を設定し、領域G1と領域I1とにおいて対辺を設定して第1の対辺等分割方法による対辺等分割が行われる。
FIG. 5B shows a plurality of 6 parts generated by equally dividing the opposite sides of the hollow golf club head corresponding to the face portion, crown portion, side portion, and sole portion by the first opposite side equal division method. FIG. 5 (c) is a diagram showing an array of faceted solid elements, and FIG. 5 (c) shows a plurality of hexahedral solid elements generated by equally dividing the part corresponding to the neck part by the first opposite side equally dividing method. It is the figure which showed an example of the arrangement | sequence of.
In this way, the hexahedral solid elements that are equally divided into opposite sides are arranged in an orderly manner, share one plane with the adjacent hexahedral solid elements on a one-to-one basis, and Among the vertices of the hexahedral solid element located on the surface of each of 30 parts, the vertices that are common points with other hexahedral solid elements are four hexahedral solid elements (vertex in FIG. 5B). Shared point of hexahedral solid elements E 1 to E 4 in the case of P 1 or sharing of two hexahedral solid elements (in FIG. 5C, hexahedral solid elements E 13 and E 14 in the case of vertex P 3 in FIG. 5C) Configured to be a point. Further, among the vertices of the hexahedral solid element located inside each part of the three-
As shown in FIG. 5C, the cylindrical circumferential portion corresponding to the cylindrical neck portion is divided into four equal parts, such as regions F 1 , G 1 , H 1 and I 1. The opposite sides are set in F 1 and the region H 1 , the opposite sides are set in the region G 1 and the region I 1, and the opposite sides are equally divided by the first opposite side equally dividing method.
図6(a)は、中空ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル30を仮想平面Bにて切断したときの立体形状モデル30における対辺等分割の第2の実施形態(以降、第2の対辺等分割方法とする)による6面体メッシュ分割を説明する図である。
また、図6(b)は、アイアンゴルフクラブヘッド等の中実ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル40を仮想平面Bと同様の仮想平面にて切断したときの第2の対辺等分割方法による6面体メッシュ分割を説明する図である。
FIG. 6A shows a second embodiment of the opposite-side equal division in the three-
FIG. 6B shows a hexahedron formed by a second equilateral division method when a solid golf club head
図6(a)に示すように、第2の対辺等分割方法では、C5(クラウン部),C6(フェース部),C7(サイド部)およびC8(ソール部)のように、立体形状モデル30を4つの部分に分割してそれぞれの部分において対辺を設定し、それぞれの部分毎に対辺等分割してメッシュを生成する。
この第2の対辺等分割方法では、立体形状モデル30のコーナー部分(図6(a)中においてはK1〜K4で示される部分)において、立体形状モデル30の外面側の表面を構成する6面体有限要素の2つの面が、同一の6面体有限要素の隣り合う2つ面によって構成されるように、各部分において対辺等分割が行われる。
図6(b)では、立体形状モデル40におけるヘッド本体部分42の対辺であるエッジαとエッジβにおいて12分割されている。この場合も図5(a)で示す場合と同様に、コーナー部分(図中K5〜K9で示す部分)において、ゴルフクラブヘッドの立体形状モデル40の外面側の表面を構成する6面体有限要素の2つの面が、同一の6面体有限要素の隣り合う2つ面によって構成されるように、分割された各部分それぞれにおいて対辺等分割が行われている。
As shown in FIG. 6 (a), in the second opposite side equally dividing method, as in C 5 (crown portion), C 6 (face portion), C 7 (side portion) and C 8 (sole portion), The
In the second equal side division method, the outer surface side surface of the three-
In FIG. 6B, the
図6(c)は、中空ゴルフクラブヘッドにおけるフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部に対応する各部分が第2の対辺等分割方法によって対辺等分割されることにより生成された、複数の6面体ソリッド要素の配列の一例を示した図であり、図6(d)は図6(c)中に示す点P5の周辺を拡大して示す図である。また、図6(e)は、ネック部に対応する部分が第2の対辺等分割方法によって対辺等分割されることにより生成された、複数の6面体ソリッド要素の配列の一例を示した図である。
このように第2の対辺等分割方法においても、第1の対辺等分割方法と同様に対辺等分割された6面体ソリッド要素は列を成して整然と配列されており、隣接する6面体ソリッド要素と互いに1対1で1つの面を共有している。
FIG. 6C shows a plurality of parts generated by dividing each part corresponding to the face part, the crown part, the side part, and the sole part in the hollow golf club head into equal sides by the second opposite side division method. 6 is a diagram illustrating an example of an arrangement of tetrahedral solid element, FIG. 6 (d) is an enlarged view showing the vicinity of a point P 5 shown in FIG. 6 (c). FIG. 6E is a diagram showing an example of an array of a plurality of hexahedral solid elements generated by dividing the portion corresponding to the neck portion into the opposite sides by the second opposite side division method. is there.
Thus, also in the second opposite side equal division method, the hexahedron solid elements equally divided into opposite sides are arranged in rows in an orderly manner as in the first opposite side equal division method, and adjacent hexahedron solid elements are arranged. And share one plane with each other.
第2の対辺等分割方法では、立体形状モデル30のそれぞれの部分の表面に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、4つの6面体ソリッド要素(図6(c)中の頂点P4の場合6面体ソリッド要素E15〜E18)の共有点、または2つの6面体ソリッド要素(図6(c)および図6(d)中のP5の場合6面体ソリッド要素E19およびE20、図6(e)中、頂点P6の場合6面体ソリッド要素E21およびE22)の共有点となるように構成される。
ここで、点P5は、図6(d)中に示されるように、立体形状モデル30の外面側の表面を構成する隣り合う2つ面S1およびS2を有する6面体有限要素E19と、同様に立体形状モデル30の外面側の表面を構成する隣り合う2つ面S3およびS4を有する6面体有限要素E20との共有点である。第2の対辺等分割方法では、このように立体形状モデル30のそれぞれの部分の表面に位置する6面体ソリッド要素の頂点のうちの他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、2つの6面体有限要素の共有点となる頂点が存在している。
また、立体形状モデルの30のそれぞれの部分の内部に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、8つの6面体ソリッド要素(図6(c)中、頂点P7の場合6面体ソリッド要素E23〜E30)の共有点となるように構成される。
In the second equilateral division method, among the vertices of the hexahedral solid element located on the surface of each part of the three-
Here, as shown in FIG. 6D, the point P 5 is a hexahedral finite element E 19 having two adjacent faces S 1 and S 2 that constitute the outer surface of the three-
Further, among the vertices of the hexahedral solid element located inside each part of the three-
また、第1の実施形態と同様、図6(e)のように円筒状のネック部に対応する円筒形状の円周部分は、領域F2,G2,H2およびI2のように円周部分を4等分して、領域F2と領域H2とにおいて対辺を設定し、領域G2と領域I2とにおいて対辺を設定して対辺等分割が行われる。
本発明では、このように立体形状モデル30や立体形状モデル40を複数の部分に分割し、それぞれの部分を対辺等分割することでメッシュ分割が行われる。
Similarly to the first embodiment, a cylindrical circumferential portion corresponding to the cylindrical neck portion as shown in FIG. 6E is a circle like regions F 2 , G 2 , H 2 and I 2. The peripheral portion is divided into four equal parts, the opposite sides are set in the region F 2 and the region H 2, and the opposite sides are set in the region G 2 and the region I 2 , so that the opposite sides are equally divided.
In the present invention, mesh division is performed by dividing the three-
このように立体形状モデル30をフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部の部分やネック部の部分等に分割し、また、立体形状モデル40をヘッド本体部とネック部の部分等に分割し、各分割した部分において対辺等分割が行われる。分割された部分の接続面においても、隣接する6面体ソリッド要素はお互いに1対1で面を共有する。
In this way, the three-
また、図5(a)および図6(a)に示すように、中空ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルにおけるフェース部に対応する部分は、厚さ方向に少なくとも3つ以上の6面体ソリッド要素を重ねた構成(図5(a)および図6(a)では3つ重ねた構成)となっている。これは、フェース部がゴルフボールと打撃する部分であり、フェース部は精度の高い解析結果を必要とするからである。
また、中空ゴルフクラブヘッドのフェース部、クラウン部、サイド部およびソール部の少なくとも1つに肉厚が部分的に急激に薄くなった薄肉部を有するゴルフクラブヘッドの場合、図5(a)および図6(a)に示す領域R1,R2のように立体形状モデルにおいても薄肉部を再現するが、この薄肉部に対応する領域R1,R2は、厚さ方向に少なくとも3つ以上の6面体ソリッド要素を重ねた構成となっている。
このように、少なくとも6面体ソリッド要素を厚さ方向に3つ以上重ねた構成(図5(a)および図6(a)では3つ重ねた構成)とするので、後述するシミュレーション演算において厚さ方向の解析を精度高く行うことができ、肉厚の急激な変化に対応することができる。
5A and 6A, the portion corresponding to the face portion in the finite element model of the hollow golf club head overlaps at least three hexahedral solid elements in the thickness direction. The configuration is such that three are stacked in FIGS. 5 (a) and 6 (a). This is because the face portion hits the golf ball and the face portion requires a highly accurate analysis result.
Further, in the case of a golf club head having a thin-walled portion whose thickness is partly abruptly reduced in at least one of the face portion, crown portion, side portion, and sole portion of the hollow golf club head, FIG. Although the thin portion is also reproduced in the three-dimensional model as in the regions R 1 and R 2 shown in FIG. 6A, at least three or more regions R 1 and R 2 corresponding to the thin portions are in the thickness direction. The hexahedron solid elements are stacked.
In this way, since at least three hexahedral solid elements are stacked in the thickness direction (a configuration in which three hexahedral solid elements are stacked in FIGS. 5A and 6A), the thickness is determined in a simulation calculation described later. The direction can be analyzed with high accuracy, and a sudden change in the thickness can be dealt with.
次に、6面体メッシュ生成の結果、立体形状モデル全体が6面体ソリッド要素で構成されているか否かが判別される(ステップS54)。
判別は、生成されたメッシュによる分割線で囲まれた領域がすべて4つの頂点を有するか否かによって判別される。判別の結果否定されると、立体形状モデルの修正が施される(ステップS55)。具体的には、オペレータの操作系による指示入力に応じて3次元CADデータが修正されて立体形状モデルが修正され、再度6面体メッシュの生成が行われる。
Next, as a result of the hexahedral mesh generation, it is determined whether or not the entire solid shape model is composed of hexahedral solid elements (step S54).
The determination is made based on whether or not all the regions surrounded by the dividing lines by the generated mesh have four vertices. If the result of determination is negative, the three-dimensional model is corrected (step S55). Specifically, the three-dimensional CAD data is corrected in response to an instruction input by the operator's operation system, the three-dimensional model is corrected, and a hexahedral mesh is generated again.
立体形状モデルが6面体ソリッド要素で構成されていることが確認されると(ステップS54において肯定されると)、生成された6面体ソリッド要素の形状が極端に歪んでいるものがないか調べられる(ステップS56)。形状が歪んでいるとは、6面体ソリッド要素の各4角形の面における内角が調べられ、内角が所定の角度の範囲外にあることを意味する。後述する有限要素解析において、6面体ソリッド要素の体積が計算過程で負になることを抑制し、正確なシミュレーション計算を実現するためである。
極端に歪んだ6面体ソリッド要素がある場合ステップS55に進み、立体形状モデルが修正されたのち、再度、6面体メッシュの生成が行われる。
本発明では、立体形状モデルの修正(ステップS55)の他、メッシュ分割を行う上での立体形状モデルの分割の方法や対辺等分割での分割数を修正してもよい。
極端に歪んだ6面体ソリッド要素がないと判別された場合、ステップS58に進む。
If it is confirmed that the three-dimensional shape model is composed of hexahedral solid elements (Yes in step S54), it is checked whether the shape of the generated hexahedral solid elements is extremely distorted. (Step S56). The distorted shape means that the interior angle of each tetragonal surface of the hexahedral solid element is examined, and the interior angle is outside the predetermined angle range. This is because in the finite element analysis described later, the volume of the hexahedral solid element is suppressed from becoming negative in the calculation process, and an accurate simulation calculation is realized.
If there is an extremely distorted hexahedral solid element, the process proceeds to step S55, and after the solid shape model is corrected, a hexahedral mesh is generated again.
In the present invention, in addition to the modification of the three-dimensional shape model (step S55), the method of dividing the three-dimensional shape model in performing mesh division and the number of divisions in the equal side division may be modified.
If it is determined that there is no extremely distorted hexahedral solid element, the process proceeds to step S58.
次に、有限要素モデルの作成が行われる(ステップS58)。
メッシュ生成により作られた各6面体ソリッド要素の頂点に当たる節点の位置情報と6面体ソリッド要素の幾何学形状の情報とが設定され、さらに、指示入力された6面体ソリッド要素の材料定数が設定されて有限要素モデルのデータが作成され、計算可能な有限要素モデルとなる。すなわち、有限要素モデルは、各節点の座標値と、各節点を番号化して各有限要素の形状を規定した番号の組(幾何学形状の情報)とがメッシュ生成の結果から求められ、さらに、各6面体ソリッド要素によって表される構成部材の材料定数の数値データが、図示されない操作系から指示入力されて1つのファイルに書き込まれることをいう。作成された有限要素モデルのファイルはメモリ22等に記憶保持される。
図7には、上述の第2の対辺等分割方法によって作成された中空ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルの一例の斜視図が示されている。
Next, a finite element model is created (step S58).
The position information of the nodes corresponding to the vertices of each hexahedral solid element created by mesh generation and the geometrical shape information of the hexahedral solid element are set, and further, the material constant of the hexahedral solid element that has been designated and input is set. Thus, finite element model data is created and becomes a computable finite element model. That is, in the finite element model, a coordinate value of each node and a set of numbers (geometric information) defining the shape of each finite element by numbering each node are obtained from the mesh generation result, The numerical data of the material constants of the constituent members represented by the respective hexahedral solid elements are input from an operation system (not shown) and written to one file. The created finite element model file is stored in the
FIG. 7 shows a perspective view of an example of a finite element model of a hollow golf club head created by the above-described second equal side division method.
次に、ゴルフボールの打撃時のゴルフクラブヘッドの挙動を再現した、有限要素法によるシミュレーション演算が、作成された有限要素モデルを用いて行われる(ステップS60)。
ゴルフクラブヘッドの挙動とは、ゴルフクラブヘッドの応力、歪み、歪みエネルギ等の各種分布や変形等の他、ゴルフクラブヘッドの振動特性や音響特性や空力特性等を含むものである。すなわち、本発明のシミュレーション演算は、応力解析、振動解析、音響解析および流体解析のうち少なくとも1つの解析によるものである。
Next, a simulation calculation by a finite element method that reproduces the behavior of the golf club head at the time of hitting the golf ball is performed using the created finite element model (step S60).
The behavior of the golf club head includes vibration characteristics, acoustic characteristics, aerodynamic characteristics, and the like of the golf club head in addition to various distributions and deformations of the stress, strain, strain energy, and the like of the golf club head. That is, the simulation calculation of the present invention is based on at least one of stress analysis, vibration analysis, acoustic analysis, and fluid analysis.
例えば、ゴルフクラブヘッドの応力、歪み、歪みエネルギ等の各種分布や変形を求める応力解析の場合、予め作成され静止しているゴルフボールの有限要素モデルに対して、ステップS58で作成されたゴルフクラブヘッドの有限要素モデルを移動して衝突させ、時々刻々変化するゴルフクラブヘッドの有限要素モデルにおける応力、歪み、歪みエネルギの分布や変形を求める。図8には、ゴルフボールの有限要素モデルを打撃した際のゴルフクラブヘッドの有限要素モデルの変形を隠線処理したワイヤフレームで表したものである。
振動解析は、例えばフェース面における振動を解析し、音響解析は、例えば、フェース面から放射される打撃音や、中空ゴルフクラブヘッドにおける中空部の空洞共鳴を解析する。また、流体解析は、ゴルフクラブヘッドと空気との間の空気抵抗を解析する。
このような解析は、公知の有限要素解析ソルバーを用いるとよい。
For example, in the case of stress analysis for obtaining various distributions and deformations such as stress, strain, strain energy and the like of the golf club head, the golf club created in step S58 with respect to a finite element model of a golf ball that has been created in advance and is stationary. The finite element model of the head is moved and collided, and the distribution and deformation of stress, strain, and strain energy in the finite element model of the golf club head that changes every moment are obtained. FIG. 8 shows the deformation of the finite element model of the golf club head when hitting the finite element model of the golf ball as a wire frame subjected to hidden line processing.
The vibration analysis analyzes, for example, vibration on the face surface, and the acoustic analysis analyzes, for example, impact sound radiated from the face surface and cavity resonance of the hollow portion of the hollow golf club head. In the fluid analysis, the air resistance between the golf club head and the air is analyzed.
For such analysis, a known finite element analysis solver may be used.
次に、解析結果の出力が行われる(ステップS62)。
この解析結果として予め設定された注目する部分の所定の特性物理量(応力、歪み、歪みエネルギ、固有振動数、周波数スペクトル、音圧変動等)を解析結果として出力する。
図9(a)は、6面体ソリッド要素からなるゴルフクラブヘッドの有限要素モデルを用いた、ゴルフクラブヘッドのクラウン部およびフェース部における応力分布(Mises応力)の解析結果例を示し、図9(b)は、同一の立体形状モデルから作成した4面体ソリッド要素からなる有限要素モデルを用いた応力分布(Mises応力)の解析結果例を示している。
明らかに、図9(b)に示す4面体ソリッド要素の場合、要素分割の影響を受けて、応力分布はギザギザの変動分布を示していることがわかるが、図9(a)に示す6面体ソリッド要素の場合、6面体ソリッド要素による要素分割の影響を受けていないことがわかる。このように、図9(a)に示す解析結果例は、ゴルフクラブを購入する消費者に理解し易く、販売促進用の資料として有効に活用することができる。
Next, an analysis result is output (step S62).
As the analysis result, a predetermined characteristic physical quantity (stress, strain, strain energy, natural frequency, frequency spectrum, sound pressure fluctuation, etc.) of the target portion set in advance is output as the analysis result.
FIG. 9A shows an example of an analysis result of stress distribution (miss stress) in the crown portion and the face portion of the golf club head using a finite element model of the golf club head made of hexahedral solid elements. b) shows an example of an analysis result of stress distribution (Miss stress) using a finite element model composed of tetrahedral solid elements created from the same three-dimensional shape model.
Apparently, in the case of the tetrahedral solid element shown in FIG. 9B, it can be seen that the stress distribution shows a jagged variation distribution under the influence of element division, but the hexahedron shown in FIG. In the case of a solid element, it can be seen that it is not affected by element division by a hexahedral solid element. As described above, the analysis result example shown in FIG. 9A is easy to understand for consumers who purchase golf clubs, and can be effectively used as sales promotion materials.
また、図9(a)に示すゴルフクラブヘッドの有限要素モデルの6面体ソリッド要素の要素数は7218であり、節点数は10708であり、図9(b)に示すゴルフクラブヘッドの有限要素モデルの4面体ソリッド要素の要素数は33570であり、節点数は11033である。
また、シミュレーション演算に要した時間は図9(a)に示すゴルフクラブヘッドの場合3.5時間であり、図9(b)に示すゴルフクラブヘッドの場合20.5時間であり、6面体ソリッド要素を用いた有限要素モデルは、精度が高い解析結果を短時間で出力することがわかった。これは、対辺等分割による要素分割を行って、図5(b),(c)に示すように6面体ソリッド要素が列を成して整然と配列されているので、シミュレーション演算を行う際に求める安定時間増分(クーラン条件を満たす時間増分)の極小化を回避できる他、計算結果から応力や歪み等を算出する時間も短縮できるからである。
また、有限要素モデルは対辺等分割された6面体ソリッド要素を用いているので、例えばある特定位置を通るクラウン部の打撃方向に沿った歪み分布、あるいは、ある特定位置における厚さ方向に沿った歪み分布といったように、特定位置に関する分布を正確に求めることができる。
In addition, the number of elements of the hexahedral solid element of the finite element model of the golf club head shown in FIG. 9A is 7218, the number of nodes is 10708, and the finite element model of the golf club head shown in FIG. 9B. The number of elements of the tetrahedral solid element is 33570 and the number of nodes is 11033.
The time required for the simulation calculation is 3.5 hours for the golf club head shown in FIG. 9A, 20.5 hours for the golf club head shown in FIG. 9B, and a hexahedral solid. It was found that the finite element model using elements outputs highly accurate analysis results in a short time. This is obtained when performing the simulation calculation because the hexahedron solid elements are arranged in an orderly manner as shown in FIGS. This is because minimization of the stable time increment (time increment satisfying the Courant condition) can be avoided, and the time for calculating stress, strain and the like from the calculation result can be shortened.
In addition, since the finite element model uses hexahedral solid elements divided into opposite sides, for example, the strain distribution along the striking direction of the crown portion passing through a certain specific position, or along the thickness direction at a certain specific position. A distribution related to a specific position such as a strain distribution can be accurately obtained.
以上、本発明のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。 Although the golf club head simulation method of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various improvements and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. Of course.
10 シミュレーション装置
12 立体形状モデル作成部
14 メッシュ分割部
16 データ作成部
18 解析演算部
20 中央処理ユニット
22 メモリ
24 モニタ
30,40 立体形状モデル
32 対応面
42 ヘッド本体部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
作成された前記立体形状モデルと交わる少なくとも1つの仮想分割面によって前記立体形状モデルを複数の部分に分割し、この分割部分毎に前記立体形状モデルをメッシュ分割することにより、6面体ソリッド要素を前記仮想分割面に沿って複数生成するとともに、前記立体形状モデルの前記分割部分毎の表面に位置する6面体ソリッド要素の各頂点のうち、他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、いずれも2つまたは4つの6面体ソリッド要素の共有点となり、かつ、前記立体形状モデルの前記分割部分毎の内部に位置する前記他の6面体ソリッド要素との共有点となる頂点が、いずれも8つの6面体ソリッド要素の共有点となるように、隣り合う6面体ソリッド要素を隣接させて前記分割部分毎に6面体ソリッド要素でメッシュ分割することで前記立体形状モデル全体をメッシュ分割して、ゴルフクラブヘッドの有限要素モデルを作成するステップと、
この作成された有限要素モデルを用いてゴルフクラブヘッドのゴルフボール打撃時のシミュレーションを行うステップと、を有することを特徴とするゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法。 A method for simulating a golf club head that reproduces the behavior of the golf club head when hitting a golf ball, the step of creating a three-dimensional model that reproduces the contour shape of the golf club head;
By dividing the solid shape model into a plurality of parts by at least one virtual dividing surface that intersects the created solid shape model, and dividing the solid shape model into mesh parts for each of the divided parts, the hexahedral solid element is Among the vertices of the hexahedral solid elements that are generated along the virtual dividing plane and are located on the surface of each of the divided portions of the three-dimensional shape model, vertices that are shared points with other hexahedral solid elements are: Any of the vertices serving as a common point for two or four hexahedral solid elements and a common point with the other hexahedral solid element located inside each of the divided portions of the three-dimensional shape model Adjacent hexahedral solid elements are adjacent to each other so as to be a common point of eight hexahedral solid elements. The entire three-dimensional shape model by mesh division by dividing the steps of creating a finite element model of the golf club head,
And a step of simulating a golf ball hitting the golf club head using the created finite element model.
前記有限要素モデルにおける前記薄肉部に対応する部分は、厚さ方向に少なくとも3つ以上の6面体ソリッド要素を重ねた構成となっている請求項3に記載のゴルフクラブヘッドのシミュレーション方法。 The finite element model of the golf club head includes a finite element model of a golf club head having a thin portion whose thickness is partially reduced in at least one of the face portion, the crown portion, the side portion, and the sole portion. Because
The golf club head simulation method according to claim 3, wherein a portion corresponding to the thin portion in the finite element model has a configuration in which at least three hexahedral solid elements are stacked in a thickness direction.
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