JP2015090690A - Strength analysis method for fiber-resin composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維樹脂複合材の強度解析方法に関するものであり、より詳しくは繊維樹脂複合材の強度を正確かつ簡便に解析することができる繊維樹脂複合材の強度解析方法に関する。 The present invention relates to a fiber resin composite strength analysis method, and more particularly to a fiber resin composite strength analysis method capable of accurately and simply analyzing the strength of a fiber resin composite material.
熱可塑性樹脂等の樹脂材料は、軽量で成形が容易なことから、従来より様々な工業製品に利用されているが、近年、樹脂材料をさらに炭素繊維やガラス繊維等によって強化した繊維樹脂複合材の利用が広がっている。繊維樹脂複合材は強度や剛性に優れるため、例えば携帯電話やノートパソコン等の携帯品の樹脂部材をさらに薄く、丈夫にするために利用したり、また自動車等の軽量化を図るために、金属材料の代替として利用したりする動きがある。 Resin materials such as thermoplastic resins are light and easy to mold, so they have been used for various industrial products in the past. In recent years, fiber resin composites in which resin materials are further reinforced with carbon fibers, glass fibers, etc. The use of is spreading. Fiber resin composites are excellent in strength and rigidity. For example, they can be used to make resin parts of portable products such as mobile phones and laptop computers thinner and more durable, and to reduce the weight of automobiles, etc. There is a movement to use as an alternative to materials.
一方、工業製品等の研究開発過程において、製品やその構造部材の強度等の物性値を簡易的に取得するために、数値解析シミュレーションを利用することがしばしば行われており、代表的な方法として有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ法）が知られている。有限要素法では、例えばシェル要素やソリッド要素等を用いて構造物のモデル化を行い、構造物に掛かる外力を設定することによって、各要素に発生する応力やひずみ等を計算することができる。ただし、繊維樹脂複合材のような複合材料の解析を行う場合、単純に均一材料として設定してしまうと、計算誤差が大きくなって破壊現象等を正確には再現することができないという問題がある。そこで、複合材料に合わせた解析方法が検討されており、例えば複合材料に均質化法を適用して同等の弾性定数をもつ均一材に置き換えて解析を行う方法（特許文献１参照）、種々の要素の構成の差異と材料強度との関係を示した補正強度データベースを使って、各要素の補正強度を算出し、それを反映して解析を行う方法（特許文献２参照）等が提案させている。 On the other hand, in the research and development process of industrial products, etc., numerical analysis simulation is often used to easily obtain physical properties such as strength of products and their structural members. A finite element method (Finite Element Method method) is known. In the finite element method, for example, by modeling a structure using a shell element, a solid element, or the like, and setting an external force applied to the structure, it is possible to calculate the stress or strain generated in each element. However, when analyzing a composite material such as a fiber resin composite material, if it is simply set as a uniform material, there is a problem that the calculation error becomes large and the destruction phenomenon cannot be accurately reproduced. . Therefore, an analysis method suitable for the composite material has been studied. For example, a method of performing analysis by applying a homogenization method to the composite material and replacing it with a uniform material having an equivalent elastic constant (see Patent Document 1), Using the correction strength database that shows the relationship between the difference in element configuration and the material strength, the correction strength of each element is calculated, and the analysis is performed by reflecting it (see Patent Document 2). Yes.
繊維樹脂複合材のような複合材料の強度解析を行う場合において、例えば特許文献１に記載されているようにビーム要素を用いて基材をモデル化してしまうと、計算上近似が必要となって正確な数値が得られにくいという問題がある。また、特許文献２に記載されているようなデータベースを使用する方法では、解析の前提として数多くの実験データが必要となり、簡便に解析を行うことができないという問題がある。
本発明は、上記のような問題点を解消することを目的としているものであり、繊維樹脂複合材の強度をより正確かつ簡便に解析することができる強度解析方法を提供することを課題とする。
In the case of performing a strength analysis of a composite material such as a fiber resin composite material, for example, if a base material is modeled using a beam element as described in
An object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a strength analysis method capable of analyzing the strength of a fiber resin composite material more accurately and simply. .
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、繊維樹脂複合材の強度解析モデルを作成するにあたり、基材部、即ち樹脂をソリッド要素で、強化材部、即ち繊維をビーム要素及び／又はシェル要素で作成して、さらに作成した要素の節点について特定の条件を満たすように設定することにより、繊維樹脂複合材の強度をより正確かつ簡便に
解析することができるようになることを見出し、本発明を完成させたのである。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors have made a base material part, that is, a resin as a solid element, and a reinforcing material part, that is, a fiber, when creating a strength analysis model of a fiber resin composite material. By creating a beam element and / or shell element and setting the node of the created element to satisfy a specific condition, the strength of the fiber resin composite can be analyzed more accurately and easily. As a result, the present invention has been completed.
即ち、本発明は以下の通りである。
＜１＞ 基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデルを用いる有限要素法による強度解析方法であって、下記（１）〜（６）の工程を含むことを特徴とする、繊維樹脂複合材の強度解析方法。
（１）：強化材部を含まない状態の繊維樹脂複合材の解析モデル１をソリッド要素で作成し、各要素に節点を設定する工程。
（２）：（１）の工程で作成した解析モデル１を用いて強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を算出する工程。
（３）：基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデル２を、基材部をソリッド要素で、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成して、各要素に節点を設定する工程。
（４）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（２）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を算出する工程。
（５）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（４）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を算出する工程。（６）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（５）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行うことにより、最終的な強度解析結果を得る工程。
＜２＞ 前記（５）の工程が複数回行われる、＜１＞に記載の繊維樹脂複合材の強度解析方法。
＜３＞ 前記強化材部の形状が柱状であり、前記強化材部をビーム要素で作成する、＜１＞又は＜２＞に記載の繊維樹脂複合材の強度解析方法。
＜４＞ 前記強化材部の形状が板状であり、前記強化材部をシェル要素で作成する、＜１＞又は＜２＞に記載の繊維樹脂複合材の強度解析方法。
That is, the present invention is as follows.
<1> A strength analysis method by a finite element method using an analysis model of a fiber resin composite material including a base material portion and a reinforcing material portion, which includes the following steps (1) to (6): Strength analysis method for fiber resin composites.
(1): A step of creating an
(2): A strength test is performed using the
(3): The
(4): Using the
(5): Using the
<2> The strength analysis method for a fiber resin composite material according to <1>, wherein the step (5) is performed a plurality of times.
<3> The strength analysis method for a fiber-resin composite material according to <1> or <2>, wherein the shape of the reinforcing material portion is a columnar shape, and the reinforcing material portion is created by a beam element.
<4> The strength analysis method for a fiber resin composite material according to <1> or <2>, wherein the shape of the reinforcing material portion is a plate shape, and the reinforcing material portion is created by a shell element.
本発明によれば、繊維樹脂複合材をより正確かつ簡便に解析することができる。 According to the present invention, a fiber resin composite material can be analyzed more accurately and easily.
本発明の繊維樹脂複合材の強度解析方法を説明するに当たり、具体例を挙げて説明する
が、本発明の趣旨を逸脱しない限り以下の内容に限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。
In explaining the strength analysis method of the fiber resin composite material of the present invention, a specific example will be given for explanation. However, the present invention is not limited to the following contents without departing from the gist of the present invention. be able to.
＜繊維樹脂複合材の強度解析方法＞
本発明の一態様である繊維樹脂複合材の強度解析方法（以下、「本発明の強度解析方法」と略す場合がある。）は、基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデルを用いる有限要素法による強度解析方法であり、さらに下記（１）〜（６）の工程を含むことを特徴とする。
（１）：強化材部を含まない状態の繊維樹脂複合材の解析モデル１をソリッド要素で作成し、各要素に節点を設定する工程。
（２）：（１）の工程で作成した解析モデル１を用いて強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を算出する工程。
（３）：基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデル２を、基材部をソリッド要素で、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成して、各要素に節点を設定する工程。
（４）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（２）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を算出する工程。
（５）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（４）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を算出する工程。（６）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（５）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行うことにより、最終的な強度解析結果を得る工程。
<Strength analysis method of fiber resin composite>
The strength analysis method for a fiber resin composite material according to one embodiment of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “the strength analysis method of the present invention”) is an analysis of a fiber resin composite material including a base material portion and a reinforcing material portion. This is a strength analysis method by a finite element method using a model, and further includes the following steps (1) to (6).
(1): A step of creating an
(2): A strength test is performed using the
(3): The
(4): Using the
(5): Using the
有限要素法の強度解析モデルを作成するために、ビーム要素、シェル要素、ソリッド要素を状況に応じて使い分けることができるが、１つの解析モデルについてソリッド要素とビーム要素（又はシェル要素）を併用してモデル化することは、ソリッド要素とビーム要素（又はシェル要素）が接続される節点での理論的な整合性が制限されることから、特別な前提なしには行われないのが一般的であった。また、ソリッド要素とビーム要素（又はシェル要素）を併用した従来の強度解析モデルでは、ソリッド要素とビーム要素（又はシェル要素）の節点が共有（マージ）されていることが一般的であり、ランダムに配置されたビーム要素（又はシェル要素）の節点とソリッド要素の節点を共有（マージ）させるために、各要素を非常に小さな形状に設定しなければならないという難点があった。
本発明者らは、所定の手順に従って強度解析に必要な設定事項を算出すること、さらに解析モデルを作成するにあたり、基材部、即ち樹脂をソリッド要素で、強化材部、即ち繊維をビーム要素及び／又はシェル要素で作成することによって、繊維樹脂複合材の強度をより正確かつ簡便に解析することができるようになることを見出したのである。
以下、（１）〜（５）の工程等について詳細に説明する。
In order to create a finite element method strength analysis model, beam elements, shell elements, and solid elements can be used depending on the situation, but for one analysis model, solid elements and beam elements (or shell elements) are used together. Modeling is generally not done without special assumptions because it limits the theoretical consistency at the nodes where the solid and beam elements (or shell elements) are connected. there were. Further, in the conventional strength analysis model using both the solid element and the beam element (or shell element), the nodes of the solid element and the beam element (or shell element) are generally shared (merged), and randomly. In order to share (merge) the nodes of the beam elements (or shell elements) arranged on the solid element and the nodes of the solid elements, each element has to be set to a very small shape.
In calculating the setting items necessary for the strength analysis according to a predetermined procedure, and further creating an analysis model, the inventors have made the base material portion, that is, the resin as a solid element, and the reinforcing material portion, that is, the fiber as a beam element. In addition, the present inventors have found that the strength of the fiber resin composite material can be analyzed more accurately and simply by using the shell element.
Hereinafter, the steps (1) to (5) will be described in detail.
＜（１）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「強化材部を含まない状態の繊維樹脂複合材の解析モデル１をソリッド要素で作成し、各要素に節点を設定する工程（以下、「（１）の工程」と略す場合がある。）」を含むことを特徴とする。
（１）の工程は、強度解析に必要な設定事項、具体的には「ソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）」を算出するための解析モデルを作成する工程である。（１）の工程で作成する解析モデル１は、強化材部を含まない状態の繊維樹脂複合材をソリッド要素のみで作成することを特徴とし、解析モデル全体の形態、各ソリッド要素の形態及び数、並びに節点の位置及び数は、後述する解析モデル２と一致するように作成する。なお、本願明細書等において、位置関係が一致する解析モデル１と解析モデル２の節点は、「対応する」節点と表現する場合がある。
<Step (1)>
The strength analysis method of the present invention is “a step of creating an
The step (1) creates an analysis model for calculating setting items necessary for strength analysis, specifically, “initial deformation direction D sol i0 (x0, y0, z0) of each node of the solid element”. It is a process. The
＜（２）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「（１）の工程で作成した解析モデル１を用いて強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を算出する工程（以下、「（２）の工程」と略す場合がある。）」を含むことを特徴とする。
（２）の工程は、「ソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）」を算出するために強度解析を行う工程であり、算出された初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）は、後述する「（４）の工程」で使用することになる。なお、「強度試験」は、シミュレーションにおける強度試験を意味し、引張、曲げ等の強度試験の種類、応力、振動、塑性、クリープ、座屈等の解析内容は特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。また、（２）の工程で行われる強度試験は、後述する「（４）の工程」及び「（５）の工程」の強度試験と同一条件で行う。
（２）の工程は、その他については特に限定されないが、通常、目的の強度試験を行うために必要なデータ、例えば荷重データ（集中荷重、線分布荷重、面分布荷重、体分布荷重等）や材料データ（縦弾性係数、ポアソン比、線膨張係数、質量密度等）等をモデリングソフト等に入力することを含むものである。なお、必要なデータの入力方法は、モデリングソフトや解析ソフトの要求に応じたフォーマットで入力する。
<Step (2)>
According to the strength analysis method of the present invention, the initial deformation direction D sol i0 (x0, y0) of each node of the solid element by performing a strength test using the
The step (2) is a step of performing strength analysis to calculate “initial deformation direction D sol i0 (x0, y0, z0) of each node of the solid element”, and the calculated initial deformation direction D sol i0. (X0, y0, z0) will be used in “step (4)” described later. “Strength test” means a strength test in simulation, and the type of strength test such as tension and bending, and the analysis contents such as stress, vibration, plasticity, creep, buckling, etc. are not particularly limited, depending on the purpose. It can be selected appropriately. In addition, the strength test performed in the step (2) is performed under the same conditions as the strength tests in “step (4)” and “step (5)” described later.
The process of (2) is not particularly limited for others, but usually data necessary for performing the intended strength test, such as load data (concentrated load, line distribution load, surface distribution load, body distribution load, etc.) This includes inputting material data (longitudinal elastic modulus, Poisson's ratio, linear expansion coefficient, mass density, etc.) into modeling software or the like. The necessary data input method is input in a format that meets the requirements of modeling software and analysis software.
＜（３）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデル２を、基材部をソリッド要素で、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成して、各要素に節点を設定する工程（以下、「（３）の工程」と略す場合がある。）」を含むことを特徴とする。
（３）の工程は、強度解析に必要な設定事項を算出するため、及び最終的な強度解析を行うための解析モデルを作成する工程であり、基材部をソリッド要素で、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成する。なお、前述のように（１）の工程で作成する解析モデル１と（３）の工程で作成する解析モデル２とは、解析モデル全体の形態、各ソリッド要素の形態及び数、並びに節点の位置及び数が一致するように作成する。
<Step (3)>
The strength analysis method of the present invention is described as follows: “
The step (3) is a step of creating an analysis model for calculating setting items necessary for strength analysis and for performing final strength analysis. The base material portion is a solid element, and the reinforcing material portion is Created with beam elements and / or shell elements. As described above, the
（３）の工程は、基材部をソリッド要素で作成することを特徴とするが、各ソリッド要素の形状は特に限定されず、解析モデル全体の形態等に応じて四面体、五面体、六面体等を適宜選択することができる。
ソリッド要素の寸法（一辺の長さ）は、通常０．１ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは３ｍｍ以上であり、通常１０ｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下である。
The step (3) is characterized in that the base material part is made of solid elements, but the shape of each solid element is not particularly limited, and is a tetrahedron, pentahedron, hexahedron according to the form of the entire analysis model, etc. Etc. can be appropriately selected.
The dimension (length of one side) of the solid element is usually 0.1 mm or more, preferably 1 mm or more, more preferably 3 mm or more, and usually 10 m or less, preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less.
（３）の工程は、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成することを特徴とするが、強化材部の形態等に応じてビーム要素とシェル要素を適宜選択することが好まし
い。具体的には、強化材部の形状が柱状である場合にはビーム要素で作成し、強化材部の形状が板状である場合にはシェル要素で作成することが好ましい。
ビーム要素の寸法は、通常長さ１μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上であり、通常１００ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下である。
ビーム要素１つ当たりの節点の数は、通常３つ以上、好ましくは１０以上、より好ましくは１００以上であり、通常１００００以下、好ましくは１０００以下、より好ましくは２００以下である。
シェル要素の寸法（一辺の長さ）は、通常５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上であり、通常１０ｍ以下、好ましくは１ｃｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下である。
The step (3) is characterized in that the reinforcing member is made of a beam element and / or a shell element, but it is preferable to appropriately select the beam element and the shell element according to the form of the reinforcing member. Specifically, when the shape of the reinforcing material portion is a columnar shape, it is preferably created with a beam element, and when the shape of the reinforcing material portion is a plate shape, it is preferably made with a shell element.
The dimension of the beam element is usually 1 μm or more in length, preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, and is usually 100 mm or less, preferably 25 mm or less, more preferably 10 mm or less.
The number of nodes per beam element is usually 3 or more, preferably 10 or more, more preferably 100 or more, and usually 10,000 or less, preferably 1000 or less, more preferably 200 or less.
The dimension (length of one side) of the shell element is usually 5 μm or more, preferably 10 μm or more, more preferably 1 mm or more, and usually 10 m or less, preferably 1 cm or less, more preferably 5 mm or less.
＜（４）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（２）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を算出する工程（以下、「（４）の工程」と略す場合がある。）」を含むことを特徴とする。
（４）の工程は、強度解析に必要な設定事項、具体的には「ソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）」を算出するために強度解析を行う工程であり、算出された初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）は、後述する「（５）の工程」で使用することになる。なお、「その節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点」とは、ビーム要素及び／又はシェル要素の節点に最も近いソリッド要素の節点、２番目に近いソリッド要素の節点、３番目に近いソリッド要素の節点、及び４番目に近いソリッド要素の節点を意味する。従って、「ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリング」するとは、ビーム要素及び／又はシェル要素の節点と、最も近いソリッド要素の節点、２番目に近いソリッド要素の節点、３番目に近いソリッド要素の節点、及び４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、ソリッド要素の節点の移動方向及び変位量の平均値で移動するように設定することを意味する。また、「変形量」とは、荷重や歪を受ける前後での任意の点の位置の差であり、「初期変形量」とは有限要素の解析ステップにおいて、最初のステップで発生する変形量を意味する。
なお、前述のように「（４）の工程」で行われる強度試験は、「（２）の工程」及び「（５）の工程」の強度試験と同一条件で行う。
<Step (4)>
The strength analysis method of the present invention uses the
Step (4) is a step of performing strength analysis in order to calculate setting items necessary for strength analysis, specifically, “initial deformation amount E sol i0 (x1, y1, z1) of each node of the solid element”. The calculated initial deformation amount E sol i0 (x1, y1, z1) is used in “step (5)” described later. Note that “the node of the first to fourth closest solid element to the node” means the node of the solid element closest to the node of the beam element and / or shell element, the node of the second closest solid element, and the third closest to the node It means the node of the solid element and the node of the fourth closest solid element. Therefore, “at least one of the nodes of the beam element and / or the shell element and at least one of the first to fourth solid element nodes in the same direction, the displacement amount of the average value of the displacement of the nodes of the solid element. “Coupling to have” means the node of the beam and / or shell element and the node of the closest solid element, the node of the second closest solid element, the node of the third closest solid element, and the closest to the fourth This means that at least one of the nodes of the solid element is set to move with the average value of the moving direction and displacement amount of the node of the solid element. The “deformation amount” is the difference in the position of an arbitrary point before and after receiving a load or strain. The “initial deformation amount” is the deformation amount generated in the first step in the finite element analysis step. means.
As described above, the strength test performed in “step (4)” is performed under the same conditions as the strength tests in “step (2)” and “step (5)”.
（４）の工程は、（２）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向と設定することを特徴とするが、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向をＤｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と設定する具体的な方法は特に限定されない。 In step (4), the initial deformation direction D sol i0 (x0, y0, z0) of each node of the solid element calculated in step (2) is set as the initial displacement direction of each node of the corresponding solid element. However, the specific method for setting the initial displacement direction of each node of the corresponding solid element as D sol i0 (x0, y0, z0) is not particularly limited.
＜（５）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（４）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行い、外
力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を算出する工程（以下、「（５）の工程」と略す場合がある。）」を含むことを特徴とする。
（５）の工程は、強度解析に必要な設定事項を算出するために強度解析を行う工程である。詳細は後述するが、（５）の工程が複数回行われることが好ましく、（５）の工程を複数回繰り返して算出された初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）（ｎは３以上の整数を表す。）を、最終的に初期変形量として設定して、強度試験を行うことにより、強度試験の実測値に近い正確な強度解析が行えるのである。
なお、「（５）の工程が複数回行われる」とは、先の（５）の工程で算出された初期変形量を、次の工程において、対応する節点の初期変形量と設定して繰り返すことを意味し、具体的には（５）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を用いて、同様に初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を算出し、さらに算出された初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を用いて、初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ４，ｙ４，ｚ４）を算出するというように繰り返すことを意味する。
（５）の工程の繰り返し回数は、通常５回以上、好ましくは１００回以上、より好ましくは１００００回以上であり、通常１０億回以下、好ましくは１０００万回以下、より好ましくは１００万回以下である。
<Step (5)>
According to the strength analysis method of the present invention, “using the
Step (5) is a step of performing strength analysis in order to calculate setting items necessary for strength analysis. Although details will be described later, it is preferable that the step (5) is performed a plurality of times, and an initial deformation amount E sol i0 (xn, yn, zn) (n is 3 calculated by repeating the step (5) a plurality of times. By representing the above integers) as the initial deformation amount and conducting the strength test, an accurate strength analysis close to the actual value of the strength test can be performed.
Note that “(5) step is performed a plurality of times” is repeated by setting the initial deformation amount calculated in the previous step (5) as the initial deformation amount of the corresponding node in the next step. Specifically, the initial deformation amount E sol i0 (x3) is similarly calculated using the initial deformation amount E sol i0 (x2, y2, z2) of each node of the solid element calculated in the step (5). , Y3, z3), and the initial deformation amount E sol i0 (x4, y4, z4) is calculated using the calculated initial deformation amount E sol i0 (x3, y3, z3). Means that.
The number of repetitions of the step (5) is usually 5 times or more, preferably 100 times or more, more preferably 10,000 times or more, and usually 1 billion times or less, preferably 10 million times or less, more preferably 1 million times or less. It is.
＜（６）の工程＞
本発明の強度解析方法は、「（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（５）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行うことにより、最終的な強度解析結果を得る工程」を含むことを特徴とする。なお、「節点の変位の平均値」とは、変位方向と変位量を含むベクトルの平均値を意味するものとする。
平均値とは変形量およびベクトルの要素の算術平均値とする。
<Step (6)>
According to the strength analysis method of the present invention, “using the
The average value is the arithmetic average value of the deformation amount and vector elements.
本発明の強度解析方法が対象とする繊維樹脂複合材の具体的な形状や繊維の配置、含有比率（体積比）等は特に限定されない。
繊維樹脂複合材の形状は、曲げ強度等の強度解析に好適である観点から、シート状であることが好ましい。なお、繊維樹脂複合材の形状がシート状である場合の面形状も特に限定されず、正方形状、矩形状、円形状等の何れであってもよい。繊維樹脂複合材の形状がシート状である場合、長辺（直径）が通常８０ｍｍ以上、好ましくは１００ｍｍ以上、より好ましくは２００ｍｍ以上であり、通常１０００ｍｍ以下、好ましくは８００ｍｍ以下、より好ましくは６００ｍｍ以下である。
The specific shape, fiber arrangement, content ratio (volume ratio), etc. of the fiber resin composite material targeted by the strength analysis method of the present invention are not particularly limited.
The shape of the fiber resin composite material is preferably a sheet from the viewpoint of being suitable for strength analysis such as bending strength. In addition, the surface shape when the shape of the fiber resin composite material is a sheet shape is not particularly limited, and may be any of a square shape, a rectangular shape, a circular shape, and the like. When the shape of the fiber resin composite is a sheet, the long side (diameter) is usually 80 mm or more, preferably 100 mm or more, more preferably 200 mm or more, and usually 1000 mm or less, preferably 800 mm or less, more preferably 600 mm or less. It is.
本発明の強度解析方法において使用するモデリングソフトの種類は、特に限定されず、市販されている公知のソフトを適宜採用して使用することができる。例えば、ＬＳＴＣ社製の汎用構造解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡ、Ｓｉｅｍｅｎｓ社製のＮＸ Ｉ−ＤＥＡＳ、ＤＡＳＳＡＵＬＴ社製のＣＡＴＩＡ、ＰＴＣ社製のＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ等が挙げられる。
また、本発明の強度解析方法において使用する解析プログラムの種類は、特に限定されず、市販されている公知のソフトを適宜採用して使用することができる。例えば、ＬＳＴＣ社製のＬＳ−ＤＹＮＡ、ＥＳＩ社製のＰＡＭ−ＣＲＡＳＨ、ＨＫＳ社製のＡＢＡＱＵＳ等が挙げられる。
The type of modeling software used in the strength analysis method of the present invention is not particularly limited, and any well-known software that is commercially available can be used as appropriate. Examples thereof include general-purpose structural analysis software LS-DYNA manufactured by LSTC, NX I-DEAS manufactured by Siemens, CATIA manufactured by DASSAULT, Pro / Engineering manufactured by PTC, and the like.
Moreover, the kind of analysis program used in the intensity | strength analysis method of this invention is not specifically limited, The well-known software marketed can be employ | adopted suitably and can be used. Examples thereof include LS-DYNA manufactured by LSTC, PAM-CRASH manufactured by ESI, and ABAQUS manufactured by HKS.
本発明の構造解析方法の解析目的は、特に限定されず、応力、振動、塑性、クリープ、座屈等の様々な解析に利用することができる。 The analysis purpose of the structural analysis method of the present invention is not particularly limited, and can be used for various analyzes such as stress, vibration, plasticity, creep, and buckling.
以下、実施例により本発明の具体的態様を詳細に説明するが、本発明が実施例の態様のみに限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail by way of examples, but it goes without saying that the present invention is not limited only to the embodiments.
＜参考例＞
炭素繊維（三菱レイヨン社製パイロフィル）とポリプロピレン（日本ポリプロ社製ノバテックＰＰ）からなる繊維樹脂複合材（炭素繊維：ポリプロピレン）を幅２０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ２ｍｍの形状に調製し、日本工業規格ＪＩＳ Ｋ７０１７に従って樹脂曲げ試験を実施した。なお、樹脂曲げ試験は試験温度として２３℃と８０℃の条件で測定した。曲げ強度を図３に、曲げ弾性率の結果を図４に示す。
<Reference example>
A fiber resin composite material (carbon fiber: polypropylene) made of carbon fiber (Pyrofil manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) and polypropylene (Novatech PP manufactured by Nippon Polypro Co., Ltd.) is prepared into a shape of width 20 mm x
＜実施例＞
汎用構造解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡ（ＬＳＴＣ社製）を用いて、参考例の繊維樹脂複合材を再現した構造解析モデルを作成した。なお、構造解析モデルは、図１に示すように樹脂（基材部）の中でそれぞれの繊維（強化材部）がランダムに配向した構造であり、繊維（強化材部）は柱状の形状を有しているものである。樹脂（基材部）をソリッド要素で、繊維（強化材部）をビーム要素で作成し、その形状を幅２０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ２ｍｍとした。
次にビーム要素の節点と最も近傍にあるソリッド要素の節点１〜４点を、変位方向及び変位量についてカップリングする条件を設定した。
計算は、まずソリッド要素のみのモデルで構造解析を行い、ソリッド要素の節点の変位方向と変位量を算出した。
この時、得られたソリッド要素の節点の変位方向は、カップリングしたビーム要素の初期変位方向に設定した。この初期変位方向はカップリングしたソリッド要素の節点の初期変位方向の算術平均を用いた。
次にソリッド要素とカップリングを設定されたビーム要素を含むモデルで構造解析を行った。この時の荷重条件および拘束条件は日本工業規格ＪＩＳ Ｋ７０１７を再現した樹脂曲げ試験である。１回目の解析では、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも一つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、２〜１００００回目の解析では、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングすることにより初期変形量を算出した。算出した初期変形量を用いた解析結果を図３及び図４に示す。
<Example>
A general structural analysis software LS-DYNA (manufactured by LSTC) was used to create a structural analysis model reproducing the fiber resin composite material of the reference example. As shown in FIG. 1, the structural analysis model is a structure in which each fiber (reinforcing material part) is randomly oriented in the resin (base material part), and the fiber (reinforcing material part) has a columnar shape. It is what you have. The resin (base material part) was made of a solid element and the fiber (reinforcing material part) was made of a beam element, and the shape was 20 mm wide × 100 mm long × 2 mm thick.
Next, conditions for coupling the
In the calculation, first, a structural analysis was performed using a model of only solid elements, and the displacement direction and displacement amount of the nodes of the solid elements were calculated.
At this time, the displacement direction of the node of the obtained solid element was set to the initial displacement direction of the coupled beam element. As the initial displacement direction, the arithmetic average of the initial displacement directions of the nodes of the coupled solid element was used.
Next, structural analysis was performed using a model that includes solid elements and beam elements with coupling. The load condition and restraint condition at this time are a resin bending test reproducing Japanese Industrial Standard JIS K7017. In the first analysis, each node of the beam element and / or shell element and at least one of the nodes of the solid element closest to the first to fourth of the nodes are measured in the same direction and the average displacement of the nodes of the solid element In the 2nd to 10000th analysis, each node of the beam element and / or shell element and the node of the solid element closest to the 4th node are in the same direction and The amount of initial deformation was calculated by coupling so as to have a displacement of the average value of the displacement of the nodes of the solid element. The analysis results using the calculated initial deformation are shown in FIGS.
＜比較例＞
図２に示すように樹脂（基材部）と繊維（強化材部）を層状して、交互に積層した構造解析モデルを作成した（基材部と強化材部をそれぞれソリッド要素で作成した。）以外は、実施例と同様の条件を設定し、日本工業規格ＪＩＳ Ｋ７０１７を再現した樹脂曲げ試験の解析を実施した。解析結果を図３及び図４に示す。
<Comparative example>
As shown in FIG. 2, resin (base material part) and fiber (reinforcing material part) were layered, and a structural analysis model was created alternately (the base material part and the reinforcing material part were each made of solid elements). Except for), the same conditions as in the example were set, and an analysis of a resin bending test reproducing Japanese Industrial Standard JIS K7017 was performed. The analysis results are shown in FIGS.
試験温度２３℃と８０℃の何れの条件においても、実施例の構造解析モデルを使用した方が、実測値に近い結果が得られることが明らかである。 It is clear that a result closer to the actual measurement value can be obtained by using the structural analysis model of the example at any of the test temperatures of 23 ° C. and 80 ° C.
１ 樹脂（基材部）
２ 繊維（強化材部）
３ ソリッド要素
４ ビーム要素
1 Resin (base material part)
2 Fiber (reinforcement part)
3
Claims (4)
（１）：強化材部を含まない状態の繊維樹脂複合材の解析モデル１をソリッド要素で作成し、各要素に節点を設定する工程。
（２）：（１）の工程で作成した解析モデル１を用いて強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を算出する工程。
（３）：基材部と強化材部を含む繊維樹脂複合材の解析モデル２を、基材部をソリッド要素で、強化材部をビーム要素及び／又はシェル要素で作成して、各要素に節点を設定する工程。
（４）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点の少なくとも１つが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（２）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形方向Ｄｓｏｌ ｉ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を、対応するソリッド要素の各節点の初期変位方向と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を算出する工程。
（５）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（４）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行い、外力を加えたことによるソリッド要素の各節点の初期変形量Ｅｓｏｌ ｉ０（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を算出する工程。（６）：（３）の工程で作成した解析モデル２を用いて、ビーム要素及び／又はシェル要素の各節点とその節点に１〜４番目に近いソリッド要素の節点とが、同一方向に、かつソリッド要素の節点の変位の平均値の変位量を持つようにカップリングし、さらに（５）の工程で算出したソリッド要素の各節点の初期変形量を、対応する節点の初期変形量と設定した上で、強度試験を行うことにより、最終的な強度解析結果を得る工程。 A fiber resin composite that is a strength analysis method by a finite element method using an analysis model of a fiber resin composite material including a base material part and a reinforcing material part, and includes the following steps (1) to (6) Material strength analysis method.
(1): A step of creating an analysis model 1 of a fiber-resin composite material that does not include a reinforcing material portion using solid elements and setting a node for each element.
(2): A strength test is performed using the analysis model 1 created in the process of (1), and an initial deformation direction D sol i0 (x0, y0, z0) of each node of the solid element by applying an external force is calculated. Process.
(3): The analysis model 2 of the fiber resin composite material including the base material portion and the reinforcing material portion is created with the base material portion as a solid element and the reinforcing material portion as a beam element and / or a shell element. The process of setting a node.
(4): Using the analysis model 2 created in the step (3), at least one of the nodes of the beam element and / or the shell element and at least one of the nodes of the solid element closest to the node is in the same direction. And the initial deformation direction D sol i0 (x0, y0, z0) of each node of the solid element calculated in the step (2). ) Is set as the initial displacement direction of each node of the corresponding solid element, the strength test is performed, and the initial deformation amount E sol i0 (x1, y1, z1) of each node of the solid element by applying an external force Calculating step.
(5): Using the analysis model 2 created in the process of (3), each node of the beam element and / or shell element and the node of the solid element closest to the first to fourth nodes are in the same direction, In addition, coupling is performed so as to have a displacement amount of an average value of the displacements of the nodes of the solid element, and further, the initial deformation amount E sol i0 (x1, y1, z1) of each node of the solid element calculated in the step (4) The step of setting the initial deformation amount of the corresponding node, performing a strength test, and calculating the initial deformation amount E sol i0 (x2, y2, z2) of each node of the solid element by applying an external force. (6): Using the analysis model 2 created in the process of (3), each node of the beam element and / or shell element and the node of the solid element closest to the first to fourth nodes are in the same direction, In addition, coupling is performed so that the displacement of the average displacement of the nodes of the solid element is obtained, and the initial deformation amount of each node of the solid element calculated in the process (5) is set as the initial deformation amount of the corresponding node. In addition, a final strength analysis result is obtained by conducting a strength test.
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|---|---|---|---|---|
| JP2016099867A (en) * | 2014-11-25 | 2016-05-30 | ラトックシステムエンジニアリング株式会社 | Method for forming mesh for analysis of fiber and program |
| CN109446561A (en) * | 2018-09-21 | 2019-03-08 | 吉林大学 | Composite material antisymmetry wraps up square tube crush characteristics analysis method |
| WO2020208969A1 (en) * | 2019-04-08 | 2020-10-15 | 株式会社Ｊｓｏｌ | 2d random oriented fiber model creation device, 2d random oriented fiber model creation method, and 2d random oriented fiber model creation program |
-
2013
- 2013-11-07 JP JP2013231528A patent/JP2015090690A/en active Pending
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| JP2020173499A (en) * | 2019-04-08 | 2020-10-22 | 株式会社Ｊｓｏｌ | Two-dimensional random oriented fiber model creation device, two-dimensional random oriented fiber model creation method, and two-dimensional random oriented fiber model creation program |
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