JP2013196528A

JP2013196528A - 設計支援方法

Info

Publication number: JP2013196528A
Application number: JP2012064659A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 史朗田中
Original assignee: Toyota Motor East Japan Inc
Current assignee: Toyota Motor East Japan Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】所定の応力に対し接合部の剥離が生じることがない強度を有し、且つ熱膨張による座屈が生じることのない接着剤の適正な接着形状（幅及び厚さ）を決定する。
【解決手段】一の部材２１と他の部材２０との接合部３１に対する耐熱性解析のパラメータとして、前記一の部材と他の部材の設計情報及び解析条件情報を取得するステップと、前記解析条件情報において、応力Ｎ１に対して少なくとも前記接合部の剥離が生じない強度となる接着幅と厚さの寸法値を用いて耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップと、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値Ｎ２よりも低いか否かを判定するステップと、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低い場合に、前記耐熱性解析に用いた前記接着幅の寸法値、及びそれに基づく接着厚さの寸法値を適正な接着形状として出力するステップとを実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、設計支援方法に関し、例えば樹脂部材同士の接合に用いる接着剤の適正な接着形状を決定する設計支援方法に関する。

例えば自動車のバックドアパネルにおいて、図１０に示すように樹脂製のアウターパネル２０とインナーパネル２１とをウレタン系の接着剤３０によって接合したものがある。このようなパネルは、従来の鋼板を用いたものに比べ、各段に軽量化を図ることが可能である。

前記アウターパネル２０とインナーパネル２１とを接合する場合、インナーパネル２１の縁部に沿って図１１（ａ）に示すように断面三角状に接着剤３０が塗布され、その上からアウターパネル２０を押し付けて図１１（ｂ）に示すように接着剤３０を押し広げ、接合している。

ところで、図１１（ａ）に示すように幅Ｄ１及び厚さＬ１に塗布された断面三角状の接着剤３０は、アウターパネル２０とインナーパネル２１との間で押しつぶされることにより、図１０、図１１（ｂ）に示すように幅Ｄ２及び厚さＬ２に変形する。
当然ながら、前記幅Ｄ２及び厚さＬ２は、アウターパネル２０とインナーパネル２１とに押しつぶされる力によって変化し、それに伴い接合部３１における接着力が変化する。より具体的には、強く押しつぶされて接着剤３０の接着幅Ｄ２が大きくなるほど、接着力が向上し、軽く押しつぶされて接着剤３０の接着幅Ｄ２が小さいほど、接着力が低下する。

尚、前記のように例えばアウターパネルとインナーパネルとを接着剤を介して接合することについては、例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１１−１３６６０６号公報

しかしながら、前記接着剤３０の接着幅Ｄ２が小さく、接着力が弱い場合には、図１２に示すように接合部３１に対し応力Ｆが加えられた場合、接着剤３０の強度が耐えきれず、接合部３１の剥離が生じるという課題があった。
一方、前記接合部３１の剥離を防止するため、接着剤３０の接着幅Ｄ２を大きくして接着強度が過剰になると、高温環境下においてアウターパネル２０が熱膨張した際、図１３に示すように、発生応力がアウターパネル２０の接合部周辺２０ａに集中し、座屈が生じるという課題があった。

前記課題に対し、従来は、設計段階で不具合発生箇所を予測する有効な手段がなく、実際に不具合が生じた都度、接着剤３０の接着形状（厚さ、幅）を変更することにより対応していた。具体的には、接合部３１の剥離が生じた場合には接着幅をより大きく（厚さを小さく）変更して強度を増加させ、一方、熱膨張による座屈が生じた場合には接着幅をより小さく（厚さを大きく）変更して接着剤３０の弾性を増加させていた（即ち発生応力を吸収可能とする）。
しかしながら、前記のように不具合（接合部の剥離、座屈）が生じた都度に接着剤３０の接着形状（幅、厚さ）を変えて対策する場合、複数の接着形状を何度も繰り返し評価する必要があり、適正な接着形状を決定するまでに時間と手間を要するという課題があった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、一の部材と他の部材とを接着剤により接合する構造において、所定の応力に対し接合部の剥離が生じることがない強度を有し、且つ熱膨張による前記部材の座屈が生じることのない接着剤の適正な接着形状（幅及び厚さ）を容易に決定可能な設計支援方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る設計支援方法は、一の部材に所定の接着剤を塗布し、前記一の部材に対し前記接着剤を介して他の部材を押圧することにより、前記一の部材と他の部材とを前記接着剤により接合する接着構造において、前記一の部材と他の部材とが接合された状態の前記接着剤の適正な接着幅及び厚さ寸法を決定する設計支援方法であって、演算処理を行うＣＰＵが、記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより、前記一の部材と他の部材との接合部に対する耐熱性解析のパラメータとして、前記一の部材と他の部材の設計情報及び解析条件情報を取得するステップと、前記解析条件情報において、所定の応力に対して少なくとも前記接合部の剥離が生じない強度となる接着幅と厚さの寸法値を用いて耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップと、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップと、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低い場合に、前記耐熱性解析に用いた前記接着幅の寸法値、及びそれに基づく接着厚さの寸法値を適正な接着形状として出力するステップとを実行することに特徴を有する。

尚、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップにおいて、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも高い場合、前記耐熱性解析に用いる接着幅の寸法値を、前回の耐熱性解析で用いた値よりも小さい値であって、且つ前記接合部の剥離が生じない強度となる接着幅の寸法値に変更するステップと、前記変更した接着幅の寸法値を用いて耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップと、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップとを、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低くなるまで繰り返し実行することが望ましい。

また、前記一の部材と他の部材との接合部に対する耐熱性解析のパラメータとして、前記一の部材と他の部材の設計情報及び解析条件情報を取得するステップにおいて、前記接合部に加えられる所定の応力と、前記接着剤の強度と接着幅との相関データとを取得し、前記耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップにおいて、前記相関データに基づき、前記接合部に加えられる所定の応力よりも高い強度となる接着幅の寸法値をパラメータとして用いることが望ましい。

このようなステップを実行することにより、所定の応力に対し少なくとも部材同士の接合部における剥離が生じない強度を有し、且つ、熱膨張による前記部材の座屈が生じることがない接着剤の適正な形状（幅及び厚さ）を容易に得ることができる。
したがって、設計段階において接着剤の適正な形状を容易に決定することができ、実際に製造された製品において、接着剤による接合部の剥離、及び熱膨張による座屈の発生を防止することができる。

本発明によれば、一の部材と他の部材とを接着剤により接合する構造において、所定の応力に対し接合部の剥離が生じることがない強度を有し、且つ熱膨張による前記部材の座屈が生じることのない接着剤の適正な接着形状（幅及び厚さ）を容易に得ることができる。

図１は、本発明に係る設計支援方法を実施する設計支援装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図２は、図１の設計支援装置が備える情報処理装置により実施される各機能を示す機能ブロック図である。図３は、図１の設計支援装置により実施される解析処理の流れを示すフローである。図４は、接着剤の強度と接着幅との相関を示すグラフである。図５（ａ）は、接着剤の強度実験に用いる試験片の側面図であり、図５（ｂ）は試験片の平面図である。図６（ａ）は、接着剤の強度実験において、被着体に塗布する接着剤の形状を示す断面であり、図６（ｂ）は、被着体を接合した際の接着剤の接着幅と厚さ寸法の関係を示す表である。図７は、接着剤の強度実験において用いる万能引張試験機を模式的に示す正面図である。図８は、接合部における発生応力と接着幅との相関を示すグラフである。図９は、接合部の剥離を防止し、且つ、接合部周辺における座屈を抑制することのできる接着幅の範囲を示すグラフである。図１０は、アウターパネルとインナーパネルとを接着剤によって接合した状態を示す断面図である。図１１（ａ）は、インナーパネルに塗布された接着剤の形状を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、アウターパネルによって押圧された状態の接着剤の形状を示す断面図である。図１２は、アウターパネルとインナーパネルとを接合する接着剤が剥離した状態を示す断面図である。図１３は、アウターパネルに座屈が生じた状態を示す断面図である。

以下、本発明にかかる設計支援方法の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
尚、本実施の形態においては、例えば自動車のバックドアパネルの構成部品である樹脂製のインナーパネル（一の部材）と樹脂製のアウターパネル（他の部材）とをウレタン系接着剤により接合する場合に、前記接着剤の適正な接着形状（幅、厚さ）を決定する方法について説明する。
また、以下の実施の形態の説明においては、先に図１０乃至図１３に示した構成と同一の部材、若しくは相当する部材については同じ符号で示している。

図１は、本発明に係る設計支援方法を実施する設計支援装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
図示する設計支援装置１は、部材同士を接着する接着剤の接着形状（厚さ寸法及び幅寸法）を決定するための処理を行う情報処理装置２と、ユーザからの各種要求を受け付ける入力装置３と、情報処理装置２が行った処理結果を出力する出力装置４とを備える。また、情報処理装置２は、ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等のネットワークＮＷを介して、ＣＡＤ装置５に接続されている。

情報処理装置２は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１００と、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等により構成された主記憶装置１０１と、Ｉ／Ｏインタフェース１０２と、ネットワークインタフェース１０３と、ハードディスク等により構成された補助記憶装置１０４とを有する。
また、補助記憶装置１０４には、適正な接着形状を決定するための各機能を実現するプログラムが記憶されている。そして、前記各機能は、ＣＰＵ１００が補助記憶装置１０４に格納されている前記プログラムを主記憶装置１０１にロードして実行することにより実現される。

また、入力装置３は、キーボードやマウス等により構成され、ユーザからの各種要求や解析条件等を受け付けて情報処理装置２に出力するものである。
また、出力装置４は、液晶ディスプレイ等により構成され、情報処理装置２が出力する画像情報を出力するものである。

次に、情報処理装置２により実行される各機能について説明する。
図２は、情報処理装置２により実施される各機能を示す機能ブロック図である。図２に示すように、情報処理装置２には、制御部１０と、データ取得部１１と、解析部１２と、出力部１３とが具備される。

制御部１０は、情報処理装置２の全体の動作を制御する。また、制御部１０は、入力装置２を介して設計者が入力する各種要求を受け付ける。そして制御部１０は、前記受け付けた要求に従い、データ取得部１１、解析部１２、及び出力部１３を制御し、設計者からの要求に応じた各種の処理を行う。

また、データ取得部１１は、ネットワークＮＷに接続されているＣＡＤ装置４との間で通信し、解析データの授受を行う。例えば、データ取得部１１は、ネットワークＮＷを介してＣＡＤ装置４にアクセスし、ＣＡＤ装置４に格納されている設計情報（ＣＡＤ情報）を取得する。また、データ取得部１１は、入力装置２を介して、設計者が入力する解析に用いる各種条件の入力を受け付ける。

また、解析部１２は、ＣＡＤ装置４から取得したアウターパネル及びインナーパネルの設計情報及び解析条件情報を用いて、熱膨張に伴うパネルの座屈や接合部の剥離の発生を抑制することのできる接着剤の適正な接着形状（幅、厚さ寸法）を出力する。
また、出力部１３は、解析部１２から解析結果を取得し、その解析結果を示す画像情報を生成し、出力装置３に、その生成した画像情報を出力する。

続いて、設計支援装置１により実施される解析処理の流れについて図３（フロー）に沿って説明する。
先ず、ＣＰＵ１００が補助記憶装置１０４に格納されているプログラムを主記憶装置１０１にロードして実行することにより、データ取得部１１が機能する。データ取得部１１は、ネットワークＮＷを介して、ＣＡＤ装置５にアクセスし、ＣＡＤ装置５に格納されているアウターパネル２０及びインナーパネル２１の設計データ（部品形状、物性データ等）を取得し、情報処理装置２のメモリ（主記憶装置１０１又は補助記憶装置１０４）に格納する（図３のステップＳ１）。

次いで、データ取得部１１は、入力装置３から入力された解析条件データ（拘束条件、温度条件、熱履歴条件等）を取得し、情報処理装置２のメモリ（主記憶装置１０１又は補助記憶装置１０４）に格納する（図３のステップＳ２）。
前記解析条件データのうち、拘束条件においては、例えば使用する接着剤３０の特性を示すものとして、接着剤３０の強度と接着幅との相関式（１）が用いられ、この式（１）に基づき、接着剤３０の接着幅が耐熱性解析のパラメータとして設定される。
式（１）において、強度ｙ（ＭＰａ）は、接着幅ｘ（ｍｍ）の関数として表される。ａ，ｂは所定の係数である。

ｙ＝ａ・Ｌｎ（ｘ）−ｂ・・・（１）

また、解析条件データとして、接合部３１に加えられる最大荷重Ｎ１が用いられる。
ここで、前記式（１）及び最大荷重Ｎ１をグラフに示すと、図４のように表される（縦軸が強度、横軸が接着幅）。このグラフにより、接着剤３０の強度（接着力）が、接合部３１に入力される最大荷重（図４中に示す荷重値Ｎ１）よりも高い領域Ｔ１の接着幅（接着幅Ｄ_ｔｈ以上の値）において、接合部３１の剥離を抑制できることが示される。したがって、耐熱性解析のパラメータとして設定される接着剤３０の接着幅は寸法Ｄ_ｔｈ以上の値とされる。

尚、前記式（１）は、予め強度実験を行うことによって得ることができる。
具体的には、強度実験では図５に示すような試験片４０を作製する。図５（ａ）は試験片４０の側面図、図５（ｂ）は試験片４０の平面図である。試験片４０は、アウターパネル２０及びインナーパネル２１と同素材（樹脂製）の長尺板状の被着体４１、４２の端部を、実際の製造工程で使用する接着剤３０で結合したものである。

接着剤３０の接着幅の条件として、例えば被着体４２上に、図６（ａ）に示すように所定幅、及び所定厚さの接着剤３０を断面三角形状に塗布し、その上から被着体４１を押し付けて接着幅を複数段階で変更したものを用いる。
具体的には、図６（ｂ）の表に示すように、接着剤３０の接着幅が例えば２４ｍｍ、１６ｍｍ、１２ｍｍ、８ｍｍの４段階の条件とする。

そして、各接着幅の条件において、試験片４０を図７に示すように万能引張試験機４５にセットし、被着体４１を被着体４２から引き離す方向（矢印の方向）に例えば５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張り、接合部３１（接着剤３０）が剥離される強度を測定することにより、図４のグラフのプロットデータを得ることができる。そして、複数のプロットデータに基づき、前記式（１）を導くことができる。

解析条件データがメモリに格納されると、解析部１２が機能し、耐熱性ＣＡＥ（耐熱性解析）を行い（図３のステップＳ３）、接合部３１における発生応力を算出する（図３のステップＳ４）。
具体的には、メモリに格納された「設計データ」及び「解析条件データ」を用いて有限要素法による耐熱性ＣＡＥを実行し、アウターパネル２０とインナーパネル２１との接合部３１における発生応力を算出する。
尚、この耐熱性ＣＡＥにおいては、具体的な拘束条件のパラメータとして、前記のように接着剤３０の接着幅を用い、その初期値は、前記式（１）に基づき、少なくとも接着幅Ｄ_ｔｈ以上の値（例えば初期値２４ｍｍ）が設定される。

前記耐熱性ＣＡＥにより発生応力の値が算出されると、制御部１０は、その値が予め設定された目標応力値Ｎ２、即ち、アウターパネル２０が座屈する降伏応力値（座屈の発生応力閾値）よりも低いか否かを判定する（図３のステップＳ５）。
そして、前記算出された発生応力の値が、前記目標応力値Ｎ２よりも低ければ、その耐熱性ＣＡＥで用いた接着幅、及びそれに対応する厚さ寸法を適正値として決定する（図３のステップＳ６）。また、出力部１３が機能し、決定された接着剤３０の幅寸法、厚さ寸法を出力装置４に出力する。

一方、図３のステップＳ５において、耐熱性ＣＡＥにより算出された発生応力の値が目標応力値Ｎ２よりも高い場合、解析部１２は、その発生応力の算出に用いた接着幅よりも所定値小さく、且つ値Ｄ_ｔｈ以上の寸法値を新たな接着幅のパラメータとして設定する。
そして、再びステップＳ３の耐熱性ＣＡＥを実施し、接合面３１における発生応力を算出する（図３のステップＳ４）。
そして、算出した発生応力の値が、目標応力値Ｎ２よりも低いか否かを比較処理し（図３のステップＳ５）、低ければステップＳ６に進んで接着幅と厚さを決定し、高ければ、再度、ステップＳ７の処理に進む。

以上のように、本発明に係る設計支援方法の実施の形態によれば、予め求められた接着剤３０の強度と接着幅との相関式（１）に基づき、少なくとも接合部３１の剥離が生じない強度を有する接着幅の寸法値が、（発生応力を算出するための）耐熱性ＣＡＥの解析条件データとして用いられる。
更に、前記耐熱性ＣＡＥにおいて算出された発生応力が、アウターパネル２０における座屈が生じないものであれば、その算出に用いた接着幅、及びそれにより決まる厚さ寸法が、適切な接着形状の値として出力される。
即ち、本発明に係る設計支援方法によれば、所定の応力Ｎ１に対し接合部３１が剥離せず、且つ座屈を抑制する接着剤３０の適正な接着形状（幅及び厚さ）を容易に決定することができる。

尚、前記実施の形態において、図３のフローでは、ステップＳ５において、発生応力の値が目標応力値Ｎ２よりも低ければ、その時点でステップＳ６に進んで接着幅と厚さを決定し終了するものとした。
しかしながら、そのような方法に限定することなく、より適正な接着幅と厚さを求めて接着形状を決定することもできる。

具体的に説明すると、複数の接着幅の寸法値（例えば２４ｍｍ、１６ｍｍ、１２ｍｍ、８ｍｍ）についてそれぞれ耐熱性ＣＡＥを行い、発生応力を求める。これをグラフに示すと図８に示すように表すことができる（縦軸が発生応力、横軸が接着幅）。
また、これらのデータから、接着剤３０に係る発生応力の特性式（２）を得ることができる。式（２）において、発生応力ｙ（ＭＰａ）は、接着幅ｘ（ｍｍ）の関数として表される。式中ｃ，ｄは所定の係数である。

ｙ＝ｃ・ｘ＋ｄ・・・（２）

図８に示すようにグラフ中に目標応力値Ｎ２及び式（２）を表すと、領域Ｔ２内の接着幅であれば、接着剤３０の弾性により発生応力を吸収し、座屈の発生が抑制されることが示される。
また、図４のグラフと図８のグラフとを共に図９のグラフに示すと、所定の応力Ｎ１に対し接合部３１における剥離が生じず、且つ、発生応力を弾性で吸収し、アウターパネル２０を座屈させることがない接着剤３０の接着幅は、クロスハッチングで囲まれた領域Ｔ３となる。
したがって、領域Ｔ３で示される接着幅範囲の中間値（例えば１４ｍｍ）を接着幅として決定すれば、最も適正な接着剤の接着形状を得ることができる。

また、前記実施の形態にあっては、アウターパネル２０とインナーパネル２１との接合に、一種の接着剤３０を用いる場合について説明したが、本発明にあっては、部位によって種類の異なる接着剤を用いる場合にも適用することができる。
即ち、接着剤の種類に応じて、前記した図３のステップＳ１乃至Ｓ７の処理を行うことにより、それぞれ適正な接着剤の接着形状を得ることができる。

１設計支援装置
２情報処理装置
３入力装置
４出力装置
５ＣＡＤ装置
１０制御部
１１データ取得部
１２解析部
１３出力部
２０アウターパネル（部材）
２１インナーパネル（部材）
３０接着剤

Claims

一の部材に所定の接着剤を塗布し、前記一の部材に対し前記接着剤を介して他の部材を押圧することにより、前記一の部材と他の部材とを前記接着剤により接合する接着構造において、前記一の部材と他の部材とが接合された状態の前記接着剤の適正な接着幅及び厚さ寸法を決定する設計支援方法であって、
演算処理を行うＣＰＵが、記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより、
前記一の部材と他の部材との接合部に対する耐熱性解析のパラメータとして、前記一の部材と他の部材の設計情報及び解析条件情報を取得するステップと、
前記解析条件情報において、所定の応力に対して少なくとも前記接合部の剥離が生じない強度となる接着幅と厚さの寸法値を用いて耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップと、
前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップと、
前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低い場合に、前記耐熱性解析に用いた前記接着幅の寸法値、及びそれに基づく接着厚さの寸法値を適正な接着形状として出力するステップとを実行することを特徴とする設計支援方法。
前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップにおいて、前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも高い場合、
前記耐熱性解析に用いる接着幅の寸法値を、前回の耐熱性解析で用いた値よりも小さい値であって、且つ前記接合部の剥離が生じない強度となる接着幅の寸法値に変更するステップと、
前記変更した接着幅の寸法値を用いて耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップと、
前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低いか否かを判定するステップとを、
前記算出した発生応力が、前記部材における座屈の発生応力閾値よりも低くなるまで繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載された設計支援方法。
前記一の部材と他の部材との接合部に対する耐熱性解析のパラメータとして、前記一の部材と他の部材の設計情報及び解析条件情報を取得するステップにおいて、
前記接合部に加えられる所定の応力と、前記接着剤の強度と接着幅との相関データとを取得し、
前記耐熱性解析を行い、前記接合部における発生応力を算出するステップにおいて、
前記相関データに基づき、前記接合部に加えられる所定の応力よりも高い強度となる接着幅の寸法値をパラメータとして用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された設計支援方法。