JP2010055517A - 構造解析装置及び構造解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実験結果との整合性を容易に高めることが可能な構造解析装置を提供する。
【解決手段】 観測対象物に固定された観測対象マークの位置を観測する観測装置と、観測装置の観測結果が入力される処理装置とを有する。処理装置は、観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、観測対象マークの位置に一致する節点、または観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、観測装置から取得した観測結果に基づいて、観測対象マークの変位を計測する工程と、観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する特定節点の変位を決定する工程と、決定された特定節点の変位を拘束条件として、観測対象物の構造解析を行う工程とを実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、観測対象物を仮想的に複数の要素に分割し、要素上に画定された節点の変位を数値計算によって求める構造解析装置及び構造解析方法に関する。

従来の構造解析では、まず解析対象物のモデルを作製し、仮想的に有限要素に分割する。予想される外力と拘束条件とを付与して、構造解析を行う。解析結果の検証は、解析者の経験、または実験結果との比較に基づいて行われる。解析結果が不適格であると認定された場合には、有限要素分割、予想される外力、及び拘束条件を見直して、再度構造解析を行う。この見直し作業量が膨大になると共に、この見直し作業には、解析者の経験に依存する部分が多い。

構造部品の結合部分のパラメータを、近似モデルの解析結果と機械実験結果とが整合するように修正することにより、結合部分の適切なパラメータを提供することができる（特許文献１）。構造物の特定の節点間の歪を、歪ゲージで測定し、測定結果を拘束条件として構造解析を行うことにより、解析結果の精度を高めることができる（特許文献２）。

特開平１０−６８６６９号公報 特開平１１−２５８０７３号公報

本発明の目的は、実験結果との整合性を容易に高めることが可能な構造解析装置及び構造解析方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
観測対象物に固定された観測対象マークの位置を観測する観測装置と、
前記観測装置の観測結果が入力される処理装置と
を有し、
前記処理装置は、
前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、観測対象マークの変位を計測する工程と、
前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点の変位を決定する工程と、
決定された前記特定節点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
を実行する構造解析装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
観測対象物に固定された観測対象マークの位置を観測する観測装置と、
前記観測装置の観測結果が入力される処理装置と
を有し、
前記処理装置は、
前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
前記特定節点の各々に対応して強制変位点を定義する工程と、
前記強制変位点と前記特定節点との間に、該強制変位点の変位と該特定節点の変位とに依存した相互作用を定義する工程と、
前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、前記観測対象マークの変位を計測する工程と、
前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点に対応付けられた前記強制変位点の変位を決定する工程と、
決定された前記強制変位点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
を実行する構造解析装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
観測対象物に、観測対象マークを固定する工程と、
前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
前記特定節点の各々に対応して強制変位点を定義する工程と、
前記強制変位点と前記特定節点との間に、該強制変位点の変位と該特定節点の変位とに依存した相互作用を定義する工程と、
前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、前記観測対象マークの変位を計測する工程と、
前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点に対応付けられた前記強制変位点の変位を決定する工程と、
決定された前記強制変位点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
を有する構造解析方法が提供される。

本発明の他の観点によると、上記構造解析装置で実行される構造解析方法が提供される。

特定節点に対応する観測対象マークの変位の観測結果を、構造解析に反映させることにより、実験結果を解析結果との整合性を、容易に高めることができる。

以下、図１〜図４を参照して実施例１について説明し、図５〜図１０−２を参照して実施例２について説明し、図１１を参照して実施例３について説明し、図１２を参照して、実施例１〜３を適用した実施例４について説明する。

図１に、実施例１による構造解析装置の概略図を示す。ＸＹＺグローバル座標系が定義された空間内に、観測対象物１０が配置される。観測対象物１０の表面に複数の観測対象マーク１１が固定されている。観測対象マーク１１は、観測対象物１０の表面に直接描画して形成してもよいし、マークが付された部材を観測対象物１０に貼り付けてもよい。

観測対象物１０は、外力が加えられることにより変形する。観測対象物１０が変形すると、観測対象マーク１１が変位する。

第１の観測装置３１が複数の観測対象マーク１１を観測し、第２の観測装置３２が他の複数の観測対象マーク１１を観測する。第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２には、例えば、ディジタルカメラが用いられる。なお、一部の観測対象マーク１１を、第１の観測装置３１と第２の観測装置３２の両方で観測されるようにしてもよい。

第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２の各々は、レンズと受像面とを含む。第１の観測装置３１に固定された第１のローカル座標系が定義され、第２の観測装置３２に固定された第２のローカル座標系が定義される。第１のローカル座標系は、第１の観測装置３１のレンズの光軸に一致するＷ軸、Ｗ軸に垂直で、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＵＶ面に平行である。第２のローカル座標系は、第２の観測装置３２のレンズの光軸に一致するＴ軸、Ｔ軸に垂直で、かつ相互に直交するＲ軸及びＳ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＲＳ面に平行である。

第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２で撮像された画像データが、処理装置４０に入力される。処理装置４０は、入力された画像データを処理し、観測対象物１０の形状変化の時刻暦を求める。形状変化の時刻暦は、画像表示装置４１に画像として表示される。

図２に、実施例１による構造解析方法のフローチャートを示す。まず、ステップＳＡ１において、観測対象物１０に観測対象マーク１１を固定する。ステップＳＡ２において、ＣＡＤを用いて観測対象物１０の形状（解析モデル）を定義する。観測対象物１０の形状は、ＣＡＤ座標系内に定義される。ステップＳＡ３において、ＣＡＤ座標系と関連付けたグローバル座標系を定義する。通常は、ＣＡＤ座標系をグローバル座標系として採用すればよい。

ステップＳＡ４において、ＣＡＤで定義された観測対象物（解析モデル）を、仮想的に複数の有限要素に分割する。また、各有限要素に、測定対象物を構成する材料の剛性に基づいて、剛性を定義する。観測対象マーク１１の位置に一致する節点、または観測対象マーク１１の位置を含む有限要素上の一つの節点を、「特別節点」として選択する。、特定節点以外の節点を「一般節点」と呼ぶこととする。図１に、観測対象物１０が立方体の多数の要素に分割された例を示している。各要素の頂点に節点１３が画定される。各要素を、多角形の表面を持つ任意の立体形状としてもよい。この場合、多角形の表面の頂点が節点１３となる。処理装置４０は、グローバル座標系における各節点１３Ｂの位置を記憶する。

ステップＳＡ５において、グローバル座標系が定義された空間内に、第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２を配置し、固定する。処理装置４０に、第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２の、グローバル座標系内における位置と姿勢を記憶させる。第１の観測装置３１の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定される。第１の観測装置３１の姿勢は、そのレンズの光軸、即ちＷ軸の方向と、Ｕ軸の方向とで特定される。同様に、第２の観測装置３２の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定され、姿勢は、Ｔ軸及びＲ軸の方向で特定される。

実施例１では、第１の観測装置３１に固定された第１のローカル座標系のＷ軸が、グローバル座標系のＺ軸に平行になり、第２の観測装置３２に固定された第２のローカル座標系のＴ軸が、グローバル座標系のＸ軸に平行になるように、第１及び第２の観測装置２０、３０を配置した。この配置の場合、第１の観測装置３１は、Ｗ軸に直交する方向、すなわちＸＹ面内方向の変位を観測し、第２の観測装置３２は、Ｔ軸に直交する方向、すなわちＹＺ面内方向の変位を観測することができる。

観測対象物１０に予想される変形に応じて、第１及び第２の観測装置３１、３２を配置することが好ましい。例えば、外力の向きがＸＹ面に平行であり、その大きさがＺ方向に関してほぼ一定であれば、観測対象物１０の変形は、ほぼＸＹ面に平行な方向に生じると予測される。この変形は、主として第１の観測装置３１によって観測することができる。

以下の説明では、観測対象物１０が、主としてＸＹ面内に平行な方向に変形すると予測される場合について説明する。

ステップＳＡ６において、観測対象物１０に外力を加えながら、観測対象マーク１１を、第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２で撮像する。撮像された画像データは、処理装置４０に入力される。処理装置４０は、画像解析を行うことにより、受像面内における観測対象マーク１１の像の位置を計測する。以下の工程では、第１の観測装置３１で取得された画像データの処理について説明する。第２の観測装置３２で取得された画像データの処理も、同様に行われる。

第１の観測装置３１の受像面は、第１のローカル座標系のＵＶ面に平行である。このため、受像面内の位置は、Ｕ座標及びＶ座標で特定される。観測時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２・・・における画像データを解析することにより、これらの観測時刻における観測対象マーク１１の受像面内の位置、すなわち（Ｕ，Ｖ）座標を検出する。以下、観測対象マーク１１の位置の検出方法の一例について説明する。

まず、画像データから、観測対象マーク１１を含む長方形の領域を切り取る。切り取られた領域の（Ｕ，Ｖ）座標、例えば長方形の１つの頂点の（Ｕ，Ｖ）座標を記憶する。切り取られた画像データに、ノイズ除去を目的として、低域通過フィルタ、または収縮膨張操作等の処理を行う。ノイズが除去された画像データを用い、切り取られた領域内における観測対象マーク１１の位置を検出する。

マーク位置の検出には、重心演算かピーク値検出法を用いることが好ましい。マークの像がぼやけている場合があるため、エッジ検出法やパターンマッチング法による位置検出は適さない。光強度にしきい値を設定し、しきい値以上の画素についてのみ重心演算を行うことにより、背景の光強度の強弱の影響を受けにくくすることができる。

切り取られた領域の位置、及び切り取られた領域内における観測対象マーク１１の位置により、受像面内における観測対象マーク１１の（Ｕ，Ｖ）座標を算出することができる。同様の方法で、他の観測対象マーク１１の（Ｕ，Ｖ）座標を求める。

ステップＳＡ７において、観測対象マーク１１の各々の観測時刻ごとの（Ｕ，Ｖ）座標から、ある観測時刻から次の観測時刻までの受像面内の変位量（ΔＵ，ΔＶ）を算出する。グローバル座標系と第１のローカル座標系との相対位置関係、及び観測対象マーク１１の（Ｘ，Ｙ）座標が既知であるから、グローバル座標系における観測対象マーク１１の変位量（ΔＸ，ΔＹ）を求めることができる。観測対象マーク１１の変位量（ΔＸ，ΔＹ）を、当該観測対象マーク１１に対応する特定節点の変位量として設定する。

図３に、観測対象マーク１１の変位量（ΔＸ，ΔＹ）の一例を示す。第１の観測装置３１で観測された観測対象マーク１１の各々に、ＸＹ面に平行な変位ベクトル１５が対応付けられる。同様に、第２の観測装置３２で観測された観測対象マーク１１の変位量（ΔＹ，ΔＺ）が算出され、観測対象マーク１１の各々に、ＹＺ面に平行な変位ベクトル１６が対応付けられる。

ステップＳＡ８において、観測対象マーク１１に対応付けられている特定節点の変位量を拘束条件として、他の外力及び拘束条件を付与して、観測時刻ごとに構造静解析を行う。このとき、第１の観測装置３１の観測の対象となる特定節点のＺ方向の変位量ΔＺ、及び第２の観測装置３２の嘆息の対象となる特定節点のＸ方向の変位量ΔＸは、拘束しない。構造静解析には、一般的な有限要素法等を用いることができる。これにより、一般節点の変位量が算出される。

ステップＳＡ９において、特定節点及び一般節点の変位量に基づいて、観測対象物１０の形状の変化の様子を、画像表示装置４１に動画として表示する。

図４に、画像表示装置４１の概略図を示す。表示画面内に対象物表示領域４２が確保されており、その外側に、操作部４３、経過時間表示バー４４、及び表示指令部４５が表示されている。対象物表示領域４２内に、対象物が３次元的に表示される。操作部４３を通して、表示開始、表示停止、表示一時停止等の操作を行う。経過時間表示バー４４には、現在表示されている時刻までの経過時間が棒状に表示される。また、経過時間表示バーを介して観測開始からの経過時間を指定して、指定された時刻からの形状の変化を表示させることができる。

表示指令部４５を通して、対象物表示領域４２内に表示されている画像の拡大、縮小、回転等の指示を行う。このため、種々の視点から観測対象物１０の変形を確認することができる。なお、各節点の変位量を拡大して表示することができる。観測対象物の形状を変化が僅かである場合には、変位量を拡大して表示することにより、形状の変化を視認しやすくなる。

観測対象物の形状を、時間の経過と共に連続的に表示することにより、観測対象物１０の形状の変化を、視覚的に容易に把握することができる。各部の変形量を容易に把握できるようにするために、等変位量線を表示したり、変位量に応じて表示色を変えるコンター表示を行ってもよい。

実施例１では、節点のうち一部の特定節点の変位量を、実際の観測結果に基づいて拘束条件として設定するため、構造解析の精度を高めることができる。

図５に、実施例２による構造解析装置の概略図を示す。観測対象物１０、第１の観測装置３１、第２の観測装置３２、及び画像表示装置４１の構成は、実施例１のものと同一であり、処理装置４０で行われる処理が、実施例１の処理と異なる。

図６に、実施例２による構造解析方法のフローチャートを示す。ステップＳＢ１〜ＳＢ５は、実施例１のステップＳＡ１〜ＳＡ５と同一である。

ステップＳＢ６において、特定節点の各々に対応して、少なくとも１つの強制変位点を定義する。

図７に、強制変位点の一例を示す。第１の観測装置３１で観測される観測対象マークに対応する特定節点１３ｓに対して、２つの強制変位点１７及び１８が定義される。第１の観測装置３１で観測可能な変位の方向は、ＵＶ面に平行であるため、強制変位点１７、１８は、特定節点１３ｓをＵＶ面に平行な方向に移動させた位置に定義される。図７では、特定節点１３ｓをＵ軸に平行な方向に移動させた位置に１つの強制変位点１７を定義し、Ｖ軸に平行な方向に移動させた位置に他の強制変位点１８を定義している。

特定節点１３ｓと強制変位点１７とは、仮想的なばね１９で連結され、特定節点１３ｓと他の強制変位点１８とは、仮想的なばね２０で連結されている。特定節点１３ｓと強制変位点１７、及び特定節点１３ｓと強制変位点１８とは、それぞれ、ばね１９及びばね２０を介して力学的相互作用を及ぼし合う。初期状態では、ばね１９、２０は中立状態である。すなわち、特定節点１３ｓは、ばね１９、２０を介して強制変位点１７、１８から力を受けない。

特定節点１３ｓと強制変位点１７との間隔が中立位置からずれると、特定節点１３ｓに、ばね１９の復元力による力が作用する。同様に、特定節点１３ｓと他の強制変位点１８との間隔が中立位置からずれると、特定節点１３ｓに、ばね２０の復元力による力が作用する。特定節点１３ｓと強制変位点１７との間隔は、特定節点１３ｓに、想定される最大の変位が生じたとしても、変位の前後でばね１９の復元力のＵ軸方向の向きが反転しないように設定する。特定節点１３ｓと強制変位点１８との間隔は、特定節点１３ｓに、想定される最大の変位が生じたとしても、変位の前後でばね２０の復元力のＶ軸方向の向きが反転しないように設定する。好適なばね定数の設定方法については、後述する。

ステップＳＢ７及びＳＢ８は、実施例１のステップＳＡ６及びＳＡ７と同一である。

ステップＳＢ９において、特定節点の変位量に基づいて、当該特定節点に対応する強制変位点の変位量を算出する。

図８Ａに示すように、特定節点１３ｓが、観測時刻ｔ＝ｔ_ｉからｔ＝ｔ_ｉ＋１の間に変位先１３Ｓａまｄ得変位する。特定節点１３Ｓから変位先１３Ｓａまでの変位は、変位ベクトル５０で表される。図８Ｂに示すように、特定節点１３ｓに対応する強制変位点１７、１８に、変位ベクトル５０と同一の変位ベクトル２５、２６で表される変位を強制的に設定し、変位先１７ａ、１８ａまで変位させるる。このとき、ばね１９、２０が伸縮するため、その復元力によって特定節点１３ｓに力が作用する。

ステップＳＢ１０において、強制変位点に強制的に設定した変位量を拘束条件として、観測対象物１０の構造解析を行い、特定節点及び一般節点の変位を算出する。

図８Ｃに示すように、例えば、特定節点１３ｓは、強制変位点１７、１８に与えられた強制変位により、ばね１９、２０の復元力、及び他の節点から受ける力により、変位先１３Ｓｂまで変位する。変位先１３Ｓｂは、図８Ａに示した特定節点１３ｓの観測された変位先１３Ｓａに一致するとは限らない。

ステップＳＢ１１は、実施例１のステップＳＡ９と同一である。

図９を参照して、実施例２の効果について説明する。説明の簡単化のために、１次元モデルについて説明する。

図９Ａに示すように、複数の節点が直線上に定義されている。特定節点６０Ａ〜６０Ｆの間に、一般節点７０が配置されている。実施例１では、図９Ｂに示すように、特定節点６０Ａ〜６０Ｆに、それぞれ強制変位６１Ａ〜６１Ｆが設定される。このため、観測対象マーク１１の位置の測定のばらつきが、特定節点の変位に直接影響してしまう。１つの観測対象マーク１１の位置の測定に、近傍の観測対象マーク１１に比べて比較的大きな測定誤差が生じた場合、構造解析の結果、現実には生じ得ないような変形が発生する場合がある。

例えば、図９Ｂにおいて、特定節点６０Ｂに、他の特定節点に比べて比較的大きな測定誤差が含まれる場合、特定節点６０Ｂと、その両側の特定節点６０Ａ、６０Ｃとの間の一般節点に、通常では生じないような大きな歪が生じてしまう場合がある。

図９Ｃに、実施例２による強制変位点６５Ａ〜６５Ｆを導入した例を示す。特定節点６０Ａと強制変位点６５Ａとが、ばね６６Ａで連結されている。同様に、他の特定節点６０Ｂ〜６０Ｆと強制変位点６５Ｂ〜６５Ｆも、それぞれ、ばね６６Ｂ〜６６Ｆで連結されている。

図９Ｄに示すように、強制変位点６５Ａ〜６５Ｆに、それぞれ強制変位６１Ａ〜６１Ｆを設定する。これにより、特定節点６０Ａ〜６０Ｆに、ばね６６Ａ〜６６Ｆの復元力による力が作用する。強制変位点６５Ａ〜６５Ｆの変位を拘束条件として構造解析を行う。

図９Ｅに示すように、特定節点６０Ａ〜６０Ｆが変位する。強制変位点６５Ａ〜６５Ｆの変位量が、ばね６６Ａ〜６６Ｆを介して特定節点６０Ａ〜６０Ｆに作用を及ぼす。この作用が釣り合うように、特定節点６０Ａ〜６０Ｆの位置が解析される。このため、観測対象マーク１１の位置の測定結果に含まれる誤差が平滑化される。例えば、１つの特定節点６０Ｂに対応する観測対象マーク１１の位置に比較的大きな測定誤差が含まれたとしても、近傍の特定節点６０Ａ、６０Ｃ等に対応する観測対象マーク１１の位置の測定結果に含まれる誤差が小さければ、１つの観測対象マーク１１の位置の測定誤差が、解析結果へ与える影響は小さくなる。

第１及び第２の観測装置３１、３２による測定が高精度であり、測定誤差がほとんど生じない場合には、仮想的なばね６６Ａ〜６６Ｆのばね定数を大きくすればよい。これにより、測定された観測対象マーク１１の変位量が特定節点の変位量に及ぼす影響度が大きくなる。一例として、ばね定数を無限大にして構造解析を行うと、実施例１による方法で構造解析を行った場合と同じ結果が得られる。

逆に、第１及び第２の観測装置３１、３２による測定に誤差が生じやすい場合には、仮想的なばね６６Ａ〜６６Ｆのばね定数を、測定対象物を構成する材料の剛性に比べて小さくすればよい。これにより、特定節点の変位量は、強制変位点からの影響よりも、測定対象物の構造に依存する影響の方が大きくなる。その結果、測定のばらつきを平準化することができる。

上記実施例２では、１つの観測対象マーク１１を１つの観測装置で観測する場合を説明した。次に、１つの観測対象マーク１１を第１及び第２の観測装置３１、３２の両方で観測する場合の処理について説明する。

図１０Ａに示すように、特定節点７０に対応する観測対象マークを、第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２の両方で観測する。第１の観測装置３１の姿勢と第２の観測装置３２の姿勢とは、任意である。ただし、第１の観測装置３１のＷ軸と第２の観測装置３２のＴ軸とは平行ではない。

特定節点７０をＵ軸に平行な方向に移動させた位置に強制変位点７１が定義され、特定節点７０をＲ軸に平行な方向に移動させた位置に強制変位点７２が定義されている。実際には、特定節点７０をＶ軸に平行な方向、及びＳ軸に平行な方向に移動させた位置にも、強制変位点が定義されるが、ここでは、説明の簡単化のために、２つの強制変位点７１、７２のみが定義されていると仮定する。

特定節点７０と強制変位点７１とが、仮想的なばね７３で連結され、特定節点７０と強制変位点７２とが、仮想的なばね７４で連結されている。第１の観測装置３１による観測結果により、特定節点７０の変位先７０ａが算出され、第２の観測装置３２による観測結果により、特定節点７０の変位先７０ｂが算出される。特定節点７０から変位先７０ａまでの変位ベクトルは、ＵＶ面に平行であり、特定節点７０から変位先７０ｂまでの変位ベクトルは、ＲＳ面に平行である。一方の強制変位点７１が、ＵＶ面に平行な向きの変位を担い、他方の強制変位点７２が、ＲＳ面に平行な向きの変位を担う。

図１０Ｂに示すように、一方の強制変位点７１を変位先７１ａまで強制的に変位させ、他方の強制変位点７２を変位先７２ａまで強制的に変位させる。強制変位点７１から、その変位先７１ａまでの変位ベクトルは、特定節点７０から変位先７０ａまでの変位ベクトルと等しい。強制変位点７２から、その変位先７２ａまでの変位ベクトルは、特定節点７０から変位先７０ｂまでの変位ベクトルと等しい。この拘束条件の下で構造解析を行う。仮想的なばね７３、７４の復元力により、特定節点７０に力が印加される。

図１０Ｃに示すように、特定節点７０が、ばね７３、７４の復元力、及び他の節点からの影響を受け、変位先７０ｃまで変位する。

上述のように、１つの特定節点７０に対応して、第１の観測装置３１による観測結果を反映させるための強制変位点７１、及び第２の観測装置３２による観測結果を反映させるための強制変位点７２を定義する。これにより、特定節点７０の変位に、第１の観測装置３１及び第２の観測装置３２の両方の観測結果を反映させることができる。

上記実施例２では、特定節点と強制変位点とを、仮想的なばねで連結したが、特定節点と強制変位点との間で力学的相互作用を及ぼす他のモデルを採用してもよい。例えば、強制変位点の周囲の空間に、中立位置でポテンシャルが極小になるようなポテンシャル場を定義してもよい。

図１１Ａに、実施例３の構造解析方法のモデルを示す。観測対象物１０を表すモデルが複数の有限要素８０に分割されている。観測対象物１０の、一部の有限要素に対応する位置に、角度センサ８１が取り付けられている。角度センサとして、たとえな二軸加速度センサを用いることができる。二軸加速度センサで重力加速度を測定することにより、センサ自体の水平方向からの傾斜角を算出することができる。

図１１Ｂに、角度センサ８１により求められた水平方向からの傾斜角を示す。角度センサによって求められた傾斜角を、当該角度センサ８１に対応する有限要素の姿勢に反映させる。反映された姿勢を拘束条件として、構造静解析を行う。

図１１Ｄに示すように、観測対象物を表すモデルの形状の変化が算出される。

実施例３においても、実験結果が、構造静解析の拘束条件として反映されているため、容易に、実験結果と解析結果との整合性を高めることができる。

図１２に、上記実施例による構造解析装置を搭載することができる射出成型機の正面図を示す。射出成型機３４０が、射出装置３５０及び型締装置３７０を含んで構成される。

射出装置３５０は、加熱シリンダ３５１を備え、加熱シリンダ３５１に、樹脂を供給するホッパ３５２が配設される。また、加熱シリンダ３５１内に、スクリュー３５３が進退自在かつ回転自在に配設される。スクリュー３５３の後端は、支持部材３５４によって回転自在に支持される。支持部材３５４に、サーボモータ等の計量モータ３５５が駆動部として取り付けられている。計量モータ３５５の回転が、計量モータ３５５の出力軸３６１に取り付けられたタイミングベルト３５６を介して、被駆動部のスクリュー３５３に伝達される。計量モータ３５５の出力軸３６１の後端に、検出器３６２が直結している。検出器３６２は、計量モータ３５５の回転数または回転量を検出する。検出器３６２により検出された回転数または回転量に基づいて、スクリュー３５３の回転速度が求められる。

射出装置３５０はさらに、スクリュー３５３と平行なねじ軸３５７を回転自在に備える。ねじ軸３５７の後端は、サーボモータ等の射出モータ３５９の出力軸３６３に取り付けられたタイミングベルト３５８を介して、射出モータ３５９に連結されている。従って、射出モータ３５９によってねじ軸３５７を回転させることができる。ねじ軸３５７の前端は支持部材３５４に固定されたナット３６０と螺合させられる。駆動部である射出モータ３５９を駆動し、タイミングベルト３５８を介して駆動伝達部であるねじ軸３５７を回転させると、支持部材３５４が前後進する。

支持部材３５４に、荷重の検出器であるロードセル３６５が取り付けられている。支持部材３５４の前後進運動が、ロードセル３６５を介してスクリュー３５３に伝えられることにより、スクリュー３５３が前後進する。ロードセル３６５により検出された力に対応するデータが、処理装置３１０に送出される。射出モータ３５９の出力軸３６３の後端に、検出器３６４が直結している。検出器３６４は、射出モータ３５９の回転数または回転量を検出する。検出器３６４により検出された回転数及び回転量に基づいて、スクリュー３５３の前後進方向の移動速度または前後進方向の位置が求められる。

型締装置３７０は、可動側の金型３７１が取り付けられた可動プラテン３７２と、固定側の金型３７３が取り付けられた固定プラテン３７４とを含む。可動プラテン３７２と固定プラテン３７４とは、タイバー３７５によって連結される。可動プラテン３７２はタイバー３７５に沿って摺動可能である。また、型締装置３７０は、トグル機構３７７を含む。トグル機構３７７は、一端が可動プラテン３７２と連結し、他端がトグルサポート３７６と連結する。トグルサポート３７６の中央において、ボールねじ軸３７９が回転自在に支持されている。トグル機構３７７に設けられたクロスヘッド３８０に固定されたナット３８１が、ボールねじ軸３７９に螺合させられている。また、ボールねじ軸３７９の後端にプーリ３８２が配設され、サーボモータ等の型締モータ３７８の出力軸３８３とプーリ３８２との間に、タイミングベルト３８４が架け渡されている。

型締装置３７０において、駆動部である型締モータ３７８を駆動すると、型締モータ３７８の回転が、タイミングベルト３８４を介して、駆動伝達部であるボールねじ軸３７９に伝達される。そして、ボールねじ軸３７９及びナット３８１によって、運動方向が回転運動から直線運動に変換され、トグル機構３７７が作動させられる。トグル機構３７７の作動により、可動プラテン３７２がタイバー３７５に沿って摺動し、型閉じ、型締め及び型開きが行われる。

型締モータ３７８の出力軸３８３の後端に、検出器３８５が直結している。検出器３８５は、型締モータ３７８の回転数または回転量を検出する。検出器３８５により検出された回転数または回転量に基づいて、ボールねじ軸３７９の回転に伴って進退するクロスヘッド３８０の位置、または、トグル機構３７７によってクロスヘッド３８０に連結された被駆動部である可動プラテン３７２の位置が求められる。処理装置３１０が、計量モータ３５５、射出モータ３５９、型締モータ３７８を制御する。

可動側の金型３７１と固定側の金型３７３との間に、キャビティｃａｖが形成される。キャビティｃａｖと加熱シリンダ３５１の内部とが連通している。

型締めを行うと、可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３に応力が印加され、これらの金型がわずかに変形する。射出成形品の形状の精密度を高めるために、金型のわずかな変形を観測することが望まれる。

可動側の金型３７１と固定側の金型３７３の側面に複数の観測対象マークが固定される。これらの観測対象マークを、上記実施例による構造解析装置を用いて観測することにより、金型の変形の様子を画像により確認することができる。

上記実施例では、観測対象マーク１１の変位量を検出するための観測装置２０及び３０にディジタルカメラを用いたが、他の方法で変位量を検出してもよい。例えば、レーザ変位計を用いて観測対象マークの変位量を検出することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例１による構造解析装置の概略図である。 実施例１による構造解析方法のフローチャートである。 実施例１による構造解析方法で特定節点に与えられる変位の例をしめす線図である。 実施例１による構造解析層の画像表示装置の概略図である。 実施例２による構造解析装置の概略図である。 実施例２による構造解析方法のフローチャートである。 特定節点と強制変位点との関係を示す線図である。 （８Ａ）は、特定節点に対応する観測対象マークの観測結果から得られた変位を示す線図であり、（８Ｂ）は、強制変位点に設定する強制変位を示す線図である。 （８Ｃ）は、構造解析による特定節点の変位を示す線図である。 （９Ａ）は、構造解析モデルを示す線図であり、（９Ｂ）は、実施例１の方法で構造解析を行った結果の一例を示す線図であり、（９Ｃ）は、構造解析モデルに強制変位点を定義した状態の線図であり、（９Ｄ）は、強制変位点に強制変位を設定した後の構造解析モデルの線図であり、（９Ｅ）は、構造解析後の構造解析モデルの線図である。 （１０Ａ）は、２つの観測装置で観測される観測対象マークに対応する特定節点と強制変位点を示す線図であり、（１０Ｂ）は、強制変位点に強制変位を設定した状態の線図である。 （１０Ｃ）は、構造解析後の特定節点の位置を示す線図である。 実施例３の構造解析モデルを示す線図である。 実施例による構造解析装置が適用される射出成型機の正面図である。

符号の説明

１０ 観測対象物
１１ 観測対象マーク
１３ 節点
１３Ｓ 特定節点
１５、１６ 変位
１７、１８ 強制変位点
１９、２０ 仮想的なばね
２５、２６ 変位ベクトル
３１ 第１の観測装置
３２ 第２の観測装置
４０ 処理装置
４１ 画像表示装置
４２ 対象物表示領域
４３ 操作部
４４ 経過時間表示バー
４５ 表示指令部
５０ 変位ベクトル
６０Ａ〜６０Ｆ 特定節点
６１Ａ〜６１Ｆ 変位ベクトル
６５Ａ〜６５Ｆ 強制変位点
６６Ａ〜６６Ｆ 仮想的なばね
７０ 特定節点
７１、７２ 強制変位点
７３、７４ 仮想的なばね
８０ 有限要素
８１ 角度センサ

Claims (8)

1. 観測対象物に固定された観測対象マークの位置を観測する観測装置と、
   前記観測装置の観測結果が入力される処理装置と
   を有し、
   前記処理装置は、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
   前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
   前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、観測対象マークの変位を計測する工程と、
   前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点の変位を決定する工程と、
   決定された前記特定節点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を実行する構造解析装置。
2. 観測対象物に、観測対象マークを固定する工程と、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
   前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
   前記観測対象マークの変位を計測する工程と、
   前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点の変位を決定する工程と、
   決定された前記特定節点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を有する構造解析方法。
3. 観測対象物に固定された観測対象マークの位置を観測する観測装置と、
   前記観測装置の観測結果が入力される処理装置と
   を有し、
   前記処理装置は、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
   前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
   前記特定節点の各々に対応して強制変位点を定義する工程と、
   前記強制変位点と前記特定節点との間に、該強制変位点の変位と該特定節点の変位とに依存した相互作用を定義する工程と、
   前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、前記観測対象マークの変位を計測する工程と、
   前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点に対応付けられた前記強制変位点の変位を決定する工程と、
   決定された前記強制変位点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を実行する構造解析装置。
4. 前記強制変位点が前記特定節点に及ぼす相互作用は、該強制変位点と該特定節点との間隔を初期状態に戻す復元力である請求項３に記載の構造解析装置。
5. 観測対象物に、観測対象マークを固定する工程と、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割し、該要素上に複数の節点を設定する工程と、
   前記観測対象マークの位置に一致する節点、または前記観測対象マークの位置を含む要素上の一つの節点を、特定節点として選択する工程と、
   前記特定節点の各々に対応して強制変位点を定義する工程と、
   前記強制変位点と前記特定節点との間に、該強制変位点の変位と該特定節点の変位とに依存した相互作用を定義する工程と、
   前記観測装置から取得した観測結果に基づいて、前記観測対象マークの変位を計測する工程と、
   前記観測対象マークの計測された変位に基づいて、当該観測対象マークに対応する前記特定節点に対応付けられた前記強制変位点の変位を決定する工程と、
   決定された前記強制変位点の変位を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を有する構造解析方法。
6. 前記強制変位点が前記特定節点に及ぼす相互作用は、該強制変位点と該特定節点との間隔を初期状態に戻す復元力である請求項５に記載の構造解析方法。
7. 観測対象物の表面に離散的に固定され、基準面からの傾斜角を測定する角度測定器と、
   前記角度測定器の測定結果が入力される処理装置と
   を有し、
   前記処理装置は、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割する工程と、
   前記角度測定器で、当該角度測定器が取り付けられた位置の前記観測対象物の表面の、基準面からの傾斜角を測定する工程と、
   前記複数の要素のうち、前記角度測定器が取り付けられた位置に対応する要素に、測定された傾斜角に基づいて、強制的に姿勢変化を設定する工程と、
   決定された前記強制的な姿勢変化を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を実行する構造解析装置。
8. 観測対象物の表面に、基準面からの傾斜角を測定する複数の角度測定器を離散的に固定する工程と、
   前記観測対象物を、仮想的に複数の要素に分割する工程と、
   前記観測対象物に形状の変化を生じさせて、前記角度測定器で、当該角度測定器が取り付けられた位置の前記観測対象物の表面の、基準面からの傾斜角を測定する工程と、
   前記複数の要素のうち、前記角度測定器が取り付けられた位置に対応する要素に、測定された傾斜角に基づいて、強制的に姿勢変化を設定する工程と、
   決定された前記強制的な姿勢変化を拘束条件として、前記観測対象物の構造解析を行う工程と
   を有する構造解析方法。

Images