JP2008012814A - 成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない作業工数でＣＡＥ解析を実行可能な成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法を提供する。
【解決手段】成形プロセスシミュレーション装置（１）は、金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成部（１０）と、金型とインサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定部（２０）と、解析モデルに基づいて流動解析を行う流動解析部（３０）と、流動解析により算出した圧力分布及び温度分布と、境界上節点に設定された所定の拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出部（５２）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法に関するものであり、より詳しくは、インサート成形品の射出成形プロセスを評価する成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法に関する。

従来より、金属製の金型のキャビティ内に液化した樹脂を充填して冷却し、金型の形状を転写することにより所望の形状の樹脂製部品を製造する射出成形加工が広く使用されている。また、射出成形加工において、実際の製品化までに要する期間を短縮するために、金型形状の最適化に必要な試作回数及び最適な成形条件を見つけるための実験の回数を減らすことが望ましい。そこで、成形プロセスをシミュレーションによって評価するべく、有限要素法などに基づいたＣＡＥ解析が用いられている（特許文献１参照）。

このようなＣＡＥ解析では、まず成形品や金型の形状をＣＡＤなどから取得し、メッシュ分割を行って、解析時の着目点となる節点を設定する。そして、流動解析及び構造解析を行って、キャビティ内に充填された樹脂が冷却し、固体化していく際の変形を評価する。ここで、構造解析を正確に行うために、金型との境界上にある各節点など、変形方向が制限される場所に設定された節点に対して、移動を制限する拘束条件の設定が行われる。特に、金型のキャビティ内に予め金属部品などを設置しておき、そこに樹脂を充填して成形するインサート成形では、インサートの変形を正しく評価するために、金型とインサートの境界面上に存在する節点に適切な拘束条件を与えることが重要である。

従来、拘束条件の設定は手作業で行われている。しかし、金型表面上に存在する節点だけでも、場合によっては１０００個以上と非常に多数存在するため、拘束条件の設定は、非常に工数の掛かる作業であり、且つ煩雑な作業である。しかも、拘束条件の設定を誤ると、正しく解析を行うことができず、最適な金型形状や成形条件を求めることができなくなってしまう。
さらに、成形プロセス中において、金型と接していた樹脂あるいはインサートが、金型と離れることもある。このような状況を正確にシミュレーションするためには、解析中に拘束条件も更新していくことが必要となる。しかし、拘束条件の更新を一々手作業で行うことは、膨大な作業量となるため、現実的に不可能である。

特開２００３−１１１９９号公報

上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、少ない作業工数でＣＡＥ解析を実行可能な成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、インサート成形におけるインサートの変形を正確に評価することができる成形プロセスシミュレーション装置、成形プロセスシミュレーションプログラム及び成形品の変形解析方法を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の形態によれば、本発明に係る成形プロセスシミュレーション装置（１）は、金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成部（１０）と、金型とインサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定部（２０）と、解析モデルに基づいて流動解析を行い、キャビティ内の圧力分布及び温度分布を算出する流動解析部（３０）と、その圧力分布及び温度分布と、境界上節点に設定された拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出部（５２）と、を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の形態によれば、本発明に係る成形品の変形解析方法は、金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成ステップ（Ｓ１０１，Ｓ１０２）と、金型とインサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）と、解析モデルに基づいて流動解析を行い、キャビティ内の圧力分布及び温度分布を算出する流動解析ステップ（Ｓ１０８）と、その圧力分布及び温度分布と、境界上節点に設定された拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出ステップ（Ｓ１１１）と、を有することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項７に記載の形態によれば、本発明に係る成形プロセスシミュレーション方法は、上記の成形品の変形解析方法が有する各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。

拘束条件設定部又は拘束条件設定ステップを有することにより、金型とインサートの境界面に存在する節点の抽出及び拘束条件の設定を自動的に行うことが可能となり、少ない作業工数でＣＡＥ解析を実行可能となる。

また、本発明の請求項２、５又は８に記載の形態によれば、所定の拘束条件は、境界上節点に対して、その境界上節点の位置における境界面の法線に沿って金型方向へ移動することを制限し、その金型方向の逆方向及び境界上節点の位置における境界面の接線方向の移動は自由とすることであることが好ましい。

また、本発明の請求項３に記載の形態によれば、拘束条件設定部（２０）は、境界上節点を抽出する節点抽出部（２１）と、境界上節点の位置における境界面の法線方向を決定する法線方向決定部（２２）と、境界上節点に対して、上記の所定の拘束条件を設定する金型方向移動制限部（２３）とを有することが好ましい。

さらに、本発明の請求項６又は９に記載の形態によれば、拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）は、境界上節点を抽出する節点抽出ステップ（Ｓ１０４）と、境界上節点の位置における境界面の法線方向を決定する法線方向決定ステップ（Ｓ１０５）と、境界上節点に対して、上記の所定の拘束条件を設定する金型方向移動制限ステップ（Ｓ１０６）とを有することが好ましい。

さらに、本発明の請求項１０に記載の形態によれば、上記の何れかの成形プロセスシミュレーションプログラムを有する記録媒体が提供される。

また、本発明の請求項１１に記載の形態によれば、金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の成形プロセスシミュレーション装置に入力する所定の拘束条件を生成する入力データ生成装置が提供される。その入力データ生成装置は、金型とインサートの境界面に存在する節点を抽出する節点抽出部（２１）と、節点抽出部で抽出された節点における境界面の法線方向を決定する法線方向決定部（２２）と、法線方向に沿って金型方向へ移動することを制限し、金型方向の逆方向と、節点の位置における境界面の接線方向の移動は自由とする拘束条件を設定する金型方向移動制限部（２３）とを有することを特徴とする。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照しつつ本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置について詳細に説明する。
本実施形態において、成形プロセスシミュレーション装置は、弱連成解析に基づく流動−構造解析を行って、成形時のインサートの変形、成形品の形状を評価する。その解析において、金型とインサートの境界、又は金型のキャビティ面に設定された節点の拘束条件を自動的に設定することにより、シミュレーション時の作業工数を大幅に削減し、且つ拘束条件設定時の人為的ミスを防止するとともに、解析の進行に応じて適宜拘束条件を更新することにより、上記の評価を精度良く実行することができるものである。

図１に、成形プロセスシミュレーション装置１の機能ブロック図を示す。成形プロセスシミュレーション装置１は、解析モデル生成部１０、インサート拘束条件設定部２０、流動解析部３０、キャビティ拘束条件設定部４０、構造解析部５０、収束判定部６０、記憶部７０、通信部８０及び操作表示部９０を有する。そして、解析モデル生成部１０で、流動解析を行うために成形品などの解析モデルを生成し、流動解析部３０で、流動解析により樹脂充填時の圧力分布及び温度分布を算出する。その後、構造解析部５０で、インサート拘束条件設定部２０で設定された拘束条件、算出された圧力分布及び温度分布などを用いて、インサートの変形量を算出する。その算出結果及びキャビティ拘束条件設定部４０で設定された拘束条件などを用いて、キャビティ内の各節点の変形量を計算し、解析モデルを更新する。このような連成解析を樹脂の充填期間に相当する間繰り返して実行し、収束判定部６０で、連成解析が終了したか否かを判定する。

なお、成形プロセスシミュレーション装置１は、ＰＣあるいはワークステーション、ディスプレイ及びその周辺機器で構成される。そして、解析モデル生成部１０、インサート拘束条件設定部２０、流動解析部３０、キャビティ拘束条件設定部４０、構造解析部５０及び収束判定部６０は、例えばＰＣの中央演算装置（ＣＰＵ）上で実行されるプログラムモジュールとして実装される。あるいは、解析モデル生成部１０、インサート拘束条件設定部２０、流動解析部３０、キャビティ拘束条件設定部４０、構造解析部５０及び収束判定部６０を、ＣＰＵと別個に設けられた数値演算用プロセッサなどを備えたファームウェアとして実装してもよい。また、記憶部７０は、ＲＡＭ、ＲＯＭのような半導体メモリ、ハードディスクのような磁気記録媒体、あるいはＣＤ、ＤＶＤのような光記録媒体などで構成される。さらに、通信部８０は、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ−２３２Ｃなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。さらに、操作表示部９０は、液晶ディスプレイなどの表示用デバイスと、マウスなどのポインティングデバイスで構成される。

以下、各部について詳細に説明する。
解析モデル生成部１０は、解析対象となる金型及びインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、流動解析を実行するために必要な入力データを作成する。そのために、解析モデル生成部１０は、形状・条件定義部１１と、節点定義部１２を有する。

形状・条件定義部１１は、記憶部７０に予め保存された金型及びインサートの形状データを読み込み、金型及びインサートを含む成形品の解析モデルを生成する。あるいは、通信部８０を通じて、ＣＡＤシステムからそれらの形状データを取得し、その形状データに基づいて解析モデルを生成するようにしてもよい。なお、生成された解析モデルでは、インサート、キャビティなどの外形、境界などが、それらの端点の座標値の組み合わせ、面や線の方程式、あるいはボクセルモデルとして表される。

また、形状・条件定義部１１は、金型に充填される樹脂、インサート及び金型の物性データ（粘性、比容積、熱伝導率、比熱など）、成形条件（樹脂の射出速度、樹脂の初期温度、保圧値、保圧時間など）を記憶部７０から読み込む。さらに、操作表示部９０から、解析条件を取得する。

節点定義部１２は、生成された解析モデルに対して、有限要素法による解析を行うためにメッシュ分割を行い、多数の節点を設定する。本実施形態では、テトラメッシュによりメッシュ分割を行う。しかし、テトラメッシュの代わりに、ヘキサメッシュ、プリズムメッシュなどの手法を用いてもよい。設定された各節点は、節点を特定するための識別情報（例えば、各節点に対して一意に与えられる番号）及び座標値が関連付けられて、記憶部７０に一時的に保存される。さらに、節点定義部１２は、各節点に対して、インサート又はキャビティの何れに設定されているかを示す属性情報を関連付けてもよい。

図２は、解析モデルに設定された節点の様子を示す解析モデル２００の概略斜視図である。図２において、解析モデル２００の略中央部には、薄い板状のインサート２０１が存在し、その上下に、樹脂が充填される領域であるキャビティ２０２が存在する。また、インサート２０１及びキャビティ２０２は、金型２０３で囲まれている。また図２に示すように、インサート２０１の一端は、上下から直接金型２０３に挿入されている。また、インサート２０１及びキャビティ２０２上のメッシュの交点が節点である。

インサート拘束条件設定部２０は、金型とインサートとの境界面上に存在する節点に対して、拘束条件を規定する。ここで、インサート２０１内の節点に対して設定される拘束条件について説明する。

図３（ａ）は、図２の矢視Ａ−Ａ’による解析モデル２００の概略断面図である。インサート２０１の右側部分は、上下とも直接金型２０３に接している。一方、インサート２０１の左側部分は、キャビティ２０２内に固定されずに配置されている。ここで、成形時の樹脂充填によるインサート２０１の変形について考慮すると、インサート２０１の内部及びキャビティ２０２との境界部分は、何れの方向にも変形する可能性がある。したがって、インサート２０１の内部又はインサート２０１とキャビティ２０２の境界上に存在する節点２０４に対しては、拘束条件を与える必要はない。しかし、成形時の樹脂の充填による金型の変形は無視できる程度である。そのため、インサート２０１は、金型を押圧する方向へは変形しないとみなしてよい。そこで、インサート２０１と金型との境界面上に存在する節点（境界上節点）２０５に対して、その境界面の接平面に対する法線方向で、且つ金型を押圧する方向には固定し、その法線に沿って金型から離れる方向、及び接平面の接線方向には、自由に移動可能とする拘束条件を設定する。

さらに、図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域Ｃに対応する、インサート２０１の角部分の概略側面図である。図３（ｂ）に示すように、インサート２０１の角部分に存在する節点２０６に対しては、その角をなす二つの境界面の何れの法線方向に対しても、金型２０３に向かう方向は固定し、金型２０３から離れる方向は自由に移動可能とする拘束条件を設定する。図３（ｂ）の例においては、節点２０６は、上方向及び右方向への移動が制限される。

図４に、インサート拘束条件設定部２０の機能ブロック図を示す。インサート拘束条件設定部２０は、インサート・金型境界上節点抽出部２１と、法線方向決定部２２と、金型方向移動制限部２３を有する。

インサート・金型境界上節点抽出部２１は、インサートと金型の境界面上の節点２０５を抽出する。そこで、各節点について、インサートと金型の境界面上に存在するか否か判定する。そのために、インサート・金型境界上節点抽出部２１は、着目する節点の座標値を記憶部７０から取得する。また、解析モデルにおいて、インサートと金型の境界面を表す情報、例えば、その境界面の端点の座標の組、その境界面を表す方程式、あるいはその境界面に相当するボクセルデータを記憶部７０から取得する。そして、境界面を表す情報が境界面を表す方程式の場合、着目節点の座標がその方程式を満たせば、着目節点はインサート・金型境界面上に存在すると判定する。同様に、境界面を表す情報が、境界面の端点の座標の組の場合、インサート・金型境界上節点抽出部２１は、その組に基づいて境界面を表す方程式を求める。そして、上記と同様に、着目節点の座標がその方程式を満たす場合、着目節点はインサート・金型境界面上に存在すると判定する。

また、境界面を表す情報がボクセルデータである場合、着目節点が、そのボクセルデータに含まれるものの何れかと一致すれば、着目節点はインサート・金型境界上に存在すると判定する。さらに、節点がインサートと金型の境界面上に存在するか否か判定するために、他の周知の方法を用いてもよい。
なお、着目節点が異なる複数の境界面上にあると判定された場合、その着目節点は角に存在するものと判定される。
着目節点がインサートと金型の境界面上に存在する場合、インサート・金型境界上節点抽出部２１は、その着目節点の座標及びその着目節点が存在する境界面（複数の境界面が該当する場合は、該当する境界面全て）を表す情報を法線方向決定部２２に渡す。

法線方向決定部２２は、インサート・金型境界上に存在する着目節点におけるその境界面の接平面及びその法線方向を決定する。接平面及びその法線の算出方法は周知であるため、ここでは簡単に説明する。法線方向決定部２２は、着目節点における境界面の接平面を決定するために、着目節点の座標値を取得する。そして、法線方向決定部２２は、インサート・金型境界面が方程式で与えられる場合には、着目節点の座標における微分値を計算して各方向の傾きを決定することにより、着目節点におけるインサート・金型境界面の接平面を表す方程式を求める。また、インサート・金型境界面がボクセルデータとして与えられる場合には、着目節点に対応するボクセルと、その周囲のインサート・金型境界面のボクセルとの位置座標の差分値を計算して各方向の傾きを決定することにより、上記の接平面を表す方程式を求める。
接平面が決定されると、法線方向決定部２２は、接平面に対する法線を決定する。そして、法線方向決定部２２は、接平面及び法線を表す情報（例えば、接平面を表す面方程式の各係数、法線を表す直線の方程式の各係数）を、着目節点に関する一連の情報とともに金型方向移動制限部２３に渡す。なお、着目節点が接する境界面が複数ある場合、各境界面の接平面及びその法線を求める。

金型方向移動制限部２３は、法線方向決定部２２から、着目節点についての接平面及び法線を表す情報及び着目節点に関する一連の情報を受け取ると、着目節点から法線に沿って金型へ向かう方向への移動を禁止し、その反対方向及び接線方向への移動は自由とする拘束条件を規定する。そして、金型方向移動制限部２３は、記憶部７０に記憶された着目節点の情報に、インサートと金型の接平面の方向及びその法線方向を表す情報と、拘束条件を表す情報を関連付けて保存する。
インサート拘束条件設定部２０は、上記の処理を全ての節点について行う。ただし、解析モデルの生成時において、各節点がインサート内に存在するか、キャビティ内に存在するかを示す属性を有している場合には、インサート内の節点についてのみ、上記の処理を行うようにしてもよい。

流動解析部３０は、解析モデル生成部１０で生成された解析モデルを含む入力データに基づいて、成形時における金型、インサート及びキャビティ内の圧力分布及び温度分布を計算する。なお、流動解析部３０は、例えば、有限要素法を利用して行う。一例として、東レエンジニアリング社製の３Ｄ−ＴＩＭＯＮ（登録商標）で実現されている方法を利用することができる。
流動解析部３０は、得られた圧力分布及び温度分布を構造解析部５０に渡す。

構造解析部５０は、構造解析データ取得部５１と、インサート変形量算出部５２と、キャビティ解析部５３を有し、流動解析部３０で求められた圧力分布及び温度分布に基づいて、インサートの変形量を算出する。さらに、キャビティ内の樹脂変形量を算出し、あわせて各節点の位置を修正して、解析モデルを更新する。

構造解析データ取得部５１は、流動解析部３０で得られた圧力分布及び温度分布、インサートと金型境界面上の節点に対する拘束条件などに基づいて、構造解析用入力データを作成する。そして、構造解析用入力データをインサート変形量算出部５２に渡す。

インサート変形量算出部５２は、構造解析用入力データを用いて、有限要素法に基づいて構造解析を行い、インサートの変形量を算出する。具体的には、流動解析部３０で得られた圧力分布に基づいて、金型、インサート及びキャビティ内の任意の場所における荷重を求め、それらの値からインサート物性として引張り弾性率やＳ−Ｓカーブを考慮した構造解析を行う。例えば、米国ＭＳＣ．ｓｏｆｔｗａｒｅ社製のＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮで実現されている方法を利用することができる。

インサート変形量算出部５２で、インサートの変形量が求まると、キャビティ解析部５３は、その変形量、及びキャビティ拘束条件設定部４０で与えられる金型のキャビティ面上の節点に対する拘束条件を用いて、有限要素法に基づいて構造解析を行い、キャビティ内の節点変位量を算出する。そして、その変位量に応じて各節点を移動させ、解析モデルを更新する。

なお、キャビティ解析部５３についても、インサート変形量の算出と同様に、米国ＭＳＣ．ｓｏｆｔｗａｒｅ社製のＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮで実現されている方法を利用することができる。また、金型のキャビティ面上の節点に対する拘束条件の設定については、後述する。
更新された解析モデルは、引き続き連成解析に使用可能なように、あるいは、シミュレーション結果として、記憶部７０に保存される。

キャビティ拘束条件設定部４０は、金型のキャビティ面（すなわち、金型とキャビティの境界面）上の節点に拘束条件を規定する。ここで、金型のキャビティ面上の節点に設定する拘束条件について説明する。

図５は、図２の矢視Ｂ−Ｂ’による概略断面図である。インサート２０１及びキャビティ２０２の左右両端は、金型２０３と接している。ここで、成形時の樹脂充填により、インサート２０１が変形し、上側方向に移動したと仮定する。この場合において、金型のキャビティ表面上に存在する節点２０７について、何れの方向にも移動しないように拘束条件を付与すると、図５（ｂ）に示すように、インサート２０１の移動によって、インサート２０１の上方では、節点の間隔が非常に狭くなったり、場合によっては、インサート２０１内に設定された節点２０４と、金型のキャビティ面上の節点２０７の上下位置関係が逆転してしまう。そのため、キャビティ内の構造解析を正常に行うことができなくなってしまう場合がある。

そこで、キャビティ拘束条件設定部４０は、金型のキャビティ面上にある節点２０７に対しては、その節点２０７におけるキャビティ面の接平面の接線方向には自由に移動可能であり、且つその接平面の法線方向には固定する拘束条件を付与する。このような拘束条件を設定することにより、インサート２０１の移動に対応して節点２０７も移動できる。そのため、上記のような不具合は生じない。

図６に、キャビティ拘束条件設定部４０の機能ブロック図を示す。キャビティ拘束条件設定部４０は、金型キャビティ面上節点抽出部４１と、法線方向決定部４２と、法線方向移動制限部４３を有する。

金型キャビティ面上節点抽出部４１は、金型のキャビティ面上の節点２０７を抽出する。なお、節点２０７の抽出は、インサート・金型境界上節点抽出部２１と同様の処理を、金型のキャビティ面に適用することにより、実行することができる。

法線方向決定部４２は、金型のキャビティ面上に存在する節点２０７におけるその境界面の接平面及びその法線方向を決定する。なお、その節平面及び接平面の法線方向の決定は、上記の法線方向決定部２２と同様の方法により実行できるので、ここでは詳細な説明を省略する。法線方向決定部４２は、接平面及び法線を表す情報を、節点２０７に関する一連の情報とともに法線方向移動制限部４３に渡す。

法線方向移動制限部４３は、法線方向決定部４２から、節点２０７についての接平面及び法線を表す情報及び節点２０７に関する一連の情報を受け取ると、その法線方向に沿う方向への移動を禁止し、接平面の接線方向への移動は自由とする拘束条件を規定する。そして、法線方向移動制限部４３は、記憶部７０に記憶された節点２０７の情報に、金型のキャビティ面の接平面の方向及びその法線方向を表す情報と、拘束条件を表す情報を関連付けて保存する。
キャビティ拘束条件設定部４０は、上記の処理を全ての節点について行う。ただし、解析モデルの生成時において、各節点に対して、インサート内に存在するか、キャビティ内に存在するかを示す属性が付与された場合には、その属性を参照することにより、キャビティ内の節点についてのみ、上記の処理を行うようにしてもよい。

収束判定部６０は、上記の各部により実行される流動−構造解析が収束したか否かを判定する。そこで収束判定部６０は、キャビティ内への樹脂の充填開始から充填完了までに相当する期間を、所定の時間間隔で区分して得られる所定回数だけ、上記の流動−構造解析処理を繰り返して実行する。そして、充填完了したと評価できる時点に到達すると、流動−構造解析処理を終了する。例えば、樹脂の充填開始から充填完了までの要する時間が１秒であり、１／１００秒あたりの変化を１回の流動−構造解析でシミュレートする場合、収束判定部６０は、上記の流動−構造解析処理を１００回繰り返して実行させる。なお、１回の流動−構造解析処理に対応する経過時間を短くし、繰り返し回数を増加させることで、より詳細な解析を実行することができる。

収束判定部６０は、流動−構造解析が収束したと判定すると、記憶部７０に保存されている最新の解析モデルを、解析結果として操作表示部９０に表示させる。あるいは、通信部８０を通じて、外部のストレージサーバなどにその解析モデルに関する情報を送信してもよい。

図７及び図８は、成形プロセスシミュレーション装置１で実行されるシミュレーションプロセスのフローチャートである。そのシミュレーションプロセスは、成形プロセスシミュレーション装置１を構成するＰＣあるいはワークステーションに読み込まれたプログラムにより制御され、以下に説明する各ステップが実行される。

図７に示すように、まず、解析が開始されると、解析モデル生成部１０は、解析対象となる成形品の形状データを記憶部７０から読み込み、あるいは、通信部８０を通じて、外部接続されたＣＡＤシステムから取得する。そして、解析モデルが生成される（ステップＳ１０１）。また、金型、インサート及び樹脂の物性データ、成形条件、解析条件などが取得され、流動解析用の入力データが作成される。

次に、解析モデル生成部１０は、解析モデルをメッシュ分割し、解析モデルに多数の節点を設定する（ステップＳ１０２）。
次に、インサート拘束条件設定部２０は、設定された節点のうちの任意の節点を選択し、着目節点とする（ステップＳ１０３）。なお、解析モデルの生成時において、各節点がインサート、キャビティの何れに設定されたものかを識別する属性が与えられている場合には、ステップ１０３では、インサート内に設定されている節点のみから、着目節点を選択する。そして、インサート・金型境界上節点抽出部２１において、着目節点がインサートと金型の境界面上に存在するか否か判定する（ステップＳ１０４）。着目節点がその境界面上に存在しない場合、インサート拘束条件設定部２０は、その着目節点には拘束条件を設定しない（すなわち、着目節点は何れの方向にも自由に移動可能とする）。そして制御をステップＳ１０３の前に戻し、それまで着目節点となっていない節点から、新たな着目節点を選択する。

一方、ステップＳ１０４において、着目節点がその境界面上に存在すると判定された場合、法線方向決定部２２において、その着目節点における境界面の接平面及びその法線方向を決定する（ステップＳ１０５）。さらに、金型方向移動制限部２３において、着目節点に対して、その法線方向に沿って、且つ金型に向かう方向の移動を禁止し、それ以外の方向には自由に移動可能とする拘束条件を設定する（ステップＳ１０６）。

その後、インサート拘束条件設定部２０は、全ての節点についてインサートと金型の境界面上に存在するか否かを調べたかどうか判定する（ステップＳ１０７）。そして、未だ着目節点となっていない節点が存在すれば、制御をステップＳ１０３の前に戻す。

一方、ステップＳ１０７において、全ての節点について調べ終えたと判定された場合、入力データが流動解析部２０へ渡される。そして、流動解析部３０は、流動解析を行い、入力データに含まれる解析モデルに対して、圧力分布及び温度分布を算出する（ステップＳ１０８）。そして、算出された圧力分布及び温度分布は、構造解析部５０へ渡される。

その後、構造解析部５０は、圧力分布及び温度分布を取得すると、構造解析データ取得部５１により、インサートの表面荷重を算出する（ステップＳ１０９）。そして、その表面荷重、温度分布、インサートの物性データ及び節点に設定された拘束条件に基づいて、構造解析用入力データを作成する（ステップＳ１１０）。

図８に示すように、構造解析用入力データが作成されると、構造解析部５０のインサート変形量算出部５２は、構造解析を行って、インサートの変形量及び変形後のインサートに含まれる各節点の位置を求める（ステップＳ１１１）。

次に、キャビティ拘束条件設定部４０は、設定された節点のうちの任意の節点を選択し、着目節点とする（ステップＳ１１２）。そして、金型キャビティ面上節点抽出部４１において、着目節点が金型のキャビティ面上に存在するか否か判定する（ステップＳ１１３）。着目節点が金型のキャビティ面上に存在しない場合、キャビティ拘束条件設定部４０は、その着目節点には拘束条件を設定しない（すなわち、着目節点は何れの方向にも自由に移動可能とする）。そして制御をステップＳ１１２の前に戻し、それまで着目節点となっていない節点から、新たな着目節点を選択する。なお、解析モデルの生成時において、各節点がインサート、キャビティの何れに設定されたものかを識別する属性が与えられている場合には、ステップ１１２では、キャビティ内に設定されている節点のみから、着目節点を選択する。

一方、ステップＳ１１３において、着目節点が金型のキャビティ面上に存在すると判定された場合、法線方向決定部４２において、その着目節点におけるそのキャビティ面の接平面及びその法線方向を決定する（ステップＳ１１４）。さらに、法線方向移動制限部４３において、着目節点に対して、その法線方向の移動を禁止し、それ以外の方向には自由に移動可能とする拘束条件を設定する（ステップＳ１１５）。

その後、キャビティ拘束条件設定部４０は、全ての節点について金型のキャビティ面上に存在するか否かを調べたかどうか判定する（ステップＳ１１６）。そして、未だ着目節点となっていない節点が存在すれば、制御をステップＳ１１２の前に戻す。

一方、ステップＳ１１６において、全ての節点について調べ終えたと判定された場合、構造解析部４０は、キャビティ内の節点に設定された拘束条件を参照して構造解析を行い、キャビティ内の樹脂の変形量を算出する。その変形量に応じて、キャビティ内の節点の位置を移動し、解析モデルを更新する（ステップＳ１１７）。更新された解析モデルは、記憶部７０に保存される。

最後に、収束判定部６０で、上記のステップＳ１０３〜Ｓ１１７で行われる連成解析が所定回数（例えば、１００回）繰り返されたか否か判定する（ステップＳ１１８）。連成解析の回数が所定回数に到達していない場合、収束判定部６０は、制御をステップＳ１０３の前に戻す。なお、変形量が少ないと見込まれる場合には、制御をステップＳ１０８の前に戻してもよい。

一方、連成解析の回数が、所定回数に到達した場合、シミュレーションプロセスを終了させる。そして、必要に応じて、記憶部７０に保存されている解析モデルを操作表示部９０に表示させたり、通信部８０を通じて外部の機器に出力する。

以上説明してきたように、本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置は、金型とインサートの境界面上に存在する節点に対して自動的に拘束条件を設定するため、解析時の作業工数を大幅に削減することができる。また、流動−構造連成解析を繰り返す度に拘束条件の再設定を行えるため、例えば、解析当初では金型とインサートが接触していた部分が、インサートの変形によって非接触となった場合のように、その接触部分に対応する節点の拘束条件を修正する必要がある場合にも、正確にシミュレーションを行うことができる。

また、金型のキャビティ面上の節点に対して、キャビティ面の法線方向のみを固定する拘束条件を設定することにより、インサートの変形による、節点同士の位置関係の不整合を防止することができ、正確にシミュレーションを行うことができる。

なお、上述してきた実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、射出成形でなく、圧縮成形を行う場合にも適用することができる。さらに、アルミニウムのダイキャストにも適用することができる。

また、上記の実施形態では、流動−構造連成解析を、メッシュ分割して設定した節点群を用いた有限要素法を用いて行った。しかし、本発明は、メッシュ分割を行わず、任意に節点群を設定し、その節点群に対してボクセル分割、デローニー分割などの手法を用いて解析領域を設定するフリーメッシュ法によって流動−構造連成解析を行うものにも適用できる。

また、本発明は、上記の実施形態では、流動−構造解析を、弱連成解析に基づいて行ったが、その解析を強連成解析に基づいて行ってもよい。
さらに、金型のキャビティ面上の節点に対する拘束条件の設定を、金型とインサートの境界面上の節点に対する拘束条件の設定と同時に行うようにしてもよい。

また、上記の成形プロセスのシミュレーションをＰＣなどに実行させるプログラムは、ＣＤなどの記録媒体に保存して持ち運ぶことができ、必要に応じてＰＣなどにインストールをすることにより、成形プロセスシミュレーションを行うことが可能となる。
さらに、既存の流動−構造解析を行うシミュレーション装置あるいはシミュレーションプログラムに対して、金型・インサートの境界上の節点、あるいは、金型のキャビティ面上の節点に上記の拘束条件を設定する機能を提供するために、上記のインサート拘束条件設定部及びキャビティ拘束条件設定部の機能のみを有する入力データ生成装置あるいは入力データ生成プログラムを作成することもできる。

上記のように、本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置は、本発明の範囲内で適宜最適化される。

本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置の機能ブロック図である。 シミュレーション対象の成形品の解析モデルの概略斜視図である。 （ａ）は、図２の解析モデルの矢視Ａ−Ａ’における概略断面図であり、（ｂ）は、インサート端部の拡大図である。 インサート拘束条件設定部の機能ブロック図である。 （ａ）は、図２の解析モデルの矢視Ｂ−Ｂ’における概略断面図であり、（ｂ）は、金型のキャビティ面上の節点を固定した場合における、インサート変形に伴う節点の様子を示す図である。 キャビティ拘束条件設定部の機能ブロック図である。 本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した成形プロセスシミュレーション装置の動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 成形プロセスシミュレーション装置
１０ 解析モデル生成部
１１ 形状・条件定義部
１２ 節点定義部
２０ インサート拘束条件設定部
２１ インサート・金型境界上節点抽出部
２２ 法線方向決定部
２３ 金型方向移動制限部
３０ 流動解析部
４０ キャビティ拘束条件設定部
４１ 金型キャビティ面上節点抽出部
４２ 法線方向決定部
４３ 法線方向移動制限部
５０ 構造解析部
５１ 構造解析データ取得部
５２ インサート変形量算出部
５３ キャビティ解析部
６０ 収束判定部
７０ 記憶部
８０ 通信部
９０ 操作表示部
２００ 解析モデル
２０１ インサート
２０２ キャビティ
２０３ 金型
２０４〜２０７ 節点

Claims (11)

1. 金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、該解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成部（１０）と、
   前記金型と前記インサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定部（２０）と、
   前記解析モデルに基づいて流動解析を行い、前記キャビティ内の圧力分布及び温度分布を算出する流動解析部（３０）と、
   前記流動解析により算出した圧力分布及び温度分布と、前記境界上節点に設定された拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出部（５２）と、
   を有することを特徴とする成形プロセスシミュレーション装置。
2. 前記所定の拘束条件は、前記境界上節点に対して、該境界上節点の位置における前記境界面の法線に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とすることである、請求項１に記載の成形プロセスシミュレーション装置。
3. 前記拘束条件設定部（２０）は、
   前記境界上節点を抽出する節点抽出部（２１）と、
   前記境界上節点の位置における前記境界面の法線方向を決定する法線方向決定部（２２）と、
   前記境界上節点に対して、前記境界面の法線方向に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とする拘束条件を設定する金型方向移動制限部（２３）と、
   を有する請求項２に記載の成形プロセスシミュレーション装置。
4. 金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、該解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成ステップ（Ｓ１０１、Ｓ１０２）と、
   前記金型とインサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）と、
   前記解析モデルに基づいて流動解析を行い、前記キャビティ内の圧力分布及び温度分布を算出する流動解析ステップ（Ｓ１０８）と、
   前記流動解析ステップにより算出した圧力分布及び温度分布と、前記境界上節点に設定された拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出ステップ（Ｓ１１１）と、
   を有することを特徴とする成形品の変形解析方法。
5. 前記所定の拘束条件は、前記境界上節点に対して、該境界上節点の位置における前記境界面の法線に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とすることである、請求項４に記載の成形品の変形解析方法。
6. 前記拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）は、
   前記境界上節点を抽出する節点抽出ステップ（Ｓ１０４）と、
   前記境界上節点の位置における前記境界面の法線方向を決定する法線方向決定ステップ（Ｓ１０５）と、
   前記境界上節点に対して、前記境界面の法線方向に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とする拘束条件を設定する金型方向移動制限ステップ（Ｓ１０６）と、
   を有する請求項５に記載の成形品の変形解析方法。
7. 金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、該解析モデルに複数の節点を設定する解析モデル生成ステップ（Ｓ１０１、Ｓ１０２）と、
   前記金型とインサートの境界面に存在する境界上節点に所定の拘束条件を設定する拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）と、
   前記解析モデルに基づいて流動解析を行い、前記キャビティ内の圧力分布及び温度分布を算出する流動解析ステップ（Ｓ１０８）と、
   前記流動解析ステップにより算出した圧力分布及び温度分布と、前記境界上節点に設定された拘束条件に基づいて、インサートの変形量を求めるインサート変形量算出ステップ（Ｓ１１１）と、
   をコンピュータに実行させるための成形プロセスシミュレーションプログラム。
8. 前記所定の拘束条件は、前記境界上節点に対して、該境界上節点の位置における前記境界面の法線に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とすることである、請求項７に記載の成形プロセスシミュレーションプログラム。
9. 前記拘束条件設定ステップ（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０６）は、
   前記境界上節点を抽出する節点抽出ステップ（Ｓ１０４）と、
   前記境界上節点の位置における前記境界面の法線方向を決定する法線方向決定ステップ（Ｓ１０５）と、
   前記境界上節点に対して、前記境界面の法線方向に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、前記金型方向の逆方向及び前記境界上節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とする拘束条件を設定する金型方向移動制限ステップ（Ｓ１０６）と、
   を有する請求項８に記載の成形プロセスシミュレーションプログラム。
10. 請求項７〜９の何れか一項に記載の成形プロセスシミュレーションプログラムを有する記録媒体。
11. 金型に固定され、キャビティ内に配置されるインサートを含む成形品の解析モデルを生成し、該解析モデルに複数の節点を設定し、該解析モデルに基づいて流動解析を行って算出した圧力分布及び温度分布と、該複数の節点に設定された所定の拘束条件に基づいてインサートの変形量を求める成形プロセスシミュレーション装置に入力する前記所定の拘束条件を生成する入力データ生成装置であって、
    前記金型と前記インサートの境界面に存在する節点を抽出する節点抽出部（２１）と、
    前記節点抽出部で抽出された節点の位置における前記境界面の法線方向を決定する法線方向決定部（２２）と、
    前記節点抽出部で抽出された節点に対して、前記法線方向に沿って前記金型方向へ移動することを制限し、該金型方向の逆方向と、該節点の位置における前記境界面の接線方向の移動は自由とする拘束条件を設定する金型方向移動制限部（２３）と、
    を有することを特徴とする入力データ生成装置。

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