JP2018040583A

JP2018040583A - 解析装置及び解析方法

Info

Publication number: JP2018040583A
Application number: JP2016172911A
Authority: JP
Inventors: 優河合; Masaru Kawai
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-05
Also published as: JP6817749B2

Abstract

【課題】作業者依存を抑制しつつ、再現性よく短時間で解析応力を出力できるようにする。【解決手段】三次元測定機３０で計測されたひずみゲージ２０の位置座標を取得し、取得した位置座標に基づいてひずみゲージ２０の中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成し、作成したゲージ情報を用いて解析応力を演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体の応力解析を行う技術に関する。

実験で部品の強度を確認する方法として、ひずみゲージを用いる方法が知られている。ひずみゲージは物体のひずみを測定するための力学的センサであり、測定したひずみから応力を求めることができる。ひずみゲージは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００７−２８５９３８号公報

近年の部品設計においては、コンピュータ演算により部品のパラメータを取得する解析技術が活用されている。

解析の信頼性を確保するためには、解析結果と実験結果とを比較するステップが重要となる。解析結果と実験結果との相関関係を確認することで、その後は実験を行わずに部品のパラメータを取得することが可能となる。

強度解析において上記の比較を行う方法としては、例えば、部品に貼付されたひずみゲージの位置を写真で撮影しておき、写真から判断したひずみゲージの位置をコンピュータに入力して解析モデルにおける対応する位置の解析応力と実験から得られた応力とを比較することが考えられる。

しかしながら、この場合は、ひずみゲージの位置を作業者が目視確認してコンピュータに入力するので、ひずみゲージの位置を解析モデル上に精度よく再現することが難しく、習熟が必要となる。また、人間の手で作業を行うので、作業に長時間を要することも問題となる。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、作業者依存を抑制しつつ、再現性よく短時間で解析応力を出力できるようにすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、ひずみゲージが貼付された物体の応力解析を行う解析装置であって、三次元測定機で計測された前記ひずみゲージの位置座標を取得する座標取得部と、前記座標取得部で取得した前記位置座標に基づいて前記ひずみゲージの中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成するゲージ情報作成部と、前記ゲージ情報作成部で作成した前記ゲージ情報を用いて解析応力を演算する応力演算部と、を有することを特徴とする解析装置が提供される。

また、本発明の別の態様によれば、ひずみゲージが貼付された物体の応力解析を行う解析方法であって、三次元測定機で計測された前記ひずみゲージの位置座標を取得し、取得した前記位置座標に基づいて前記ひずみゲージの中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成し、作成した前記ゲージ情報を用いて解析応力を演算する、ことを特徴とする解析方法が提供される。

これらの態様では、三次元測定機で計測したひずみゲージの位置座標を取得するので、人間の目視作業を無くすことができる。また、取得した位置情報からひずみゲージの中心座標及び向きを自動で特定するので、解析モデル上にひずみゲージの位置及び向きを精度よく再現できる。よって、作業者依存を抑制しつつ、再現性よく短時間で解析応力を出力できる。

本発明の実施形態に係る解析装置を用いた応力解析について説明するための図である。ひずみゲージを示す模式図である。解析装置が実行する処理を示すフローチャートである。位置座標の補正について説明するための図である。解析候補節点グループ及び解析対象節点グループについて説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る解析装置１００を用いた応力解析について説明するための図である。

図１では、物体としての部品１０にひずみゲージ２０が貼付されている。三次元測定機３０でひずみゲージ２０の位置座標を計測すると、計測した位置座標が解析装置１００に送信される。

解析装置１００は、外部機器と通信を行うための通信部、演算処理を行うプロセッサ、各種プログラム及び各種情報を記憶する記憶媒体等を備えるコンピュータである。

解析装置１００は、三次元測定機３０から取得したひずみゲージ２０の位置座標に基づいて、解析モデルＭにおける対応する位置の解析応力を演算する。これについては後で詳しく述べる。解析モデルＭは、部品１０の設計仕様に基づいて構築されたＦＥＭ（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）モデルである。

ひずみゲージ２０は、抵抗材料で形成されたゲージ部２０ａを有する（図２参照）。部品１０に外力を加えてひずみを発生させると、部品１０の表面的なひずみがゲージ部２０ａの抵抗値の変化として検出される。

ひずみゲージ２０は、電気回路（図示せず）を介して応力測定装置４０に接続されている。ひずみゲージ２０で検出された部品１０のひずみ（抵抗値の変化）は、応力測定装置４０に入力される。

応力測定装置４０は、外部機器と通信を行うための通信部、演算処理を行うプロセッサ、各種プログラム及び各種情報を記憶する記憶媒体等を備えるコンピュータである。

応力測定装置４０は、ひずみゲージ２０で検出したひずみに基づいて部品１０に発生している応力を演算する。応力測定装置４０は、演算により求めた応力、すなわち、実験から得られた応力を、解析装置１００に送信する。

これにより、ひずみゲージ２０で測定した部品１０の応力と解析モデルＭにおけるひずみゲージ２０の位置に対応する位置の解析応力とを比較することができる。このように解析結果と実験結果とを比較して両者の相関関係を確認することで、その後は実験を行わずに部品１０の強度解析を行うことが可能となる。

解析応力と実験結果との比較は、解析装置１００のプログラムに組み込んで自動化してもよいし、作業者が行ってもよい。作業者が比較を行う場合は、応力測定装置４０から解析装置１００に実験結果を送信しなくてもよい。

続いて、解析装置１００が解析応力を出力するために実行する処理について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳ１１では、解析装置１００は、三次元測定機３０で測定したひずみゲージ２０の位置座標を取得する。

本実施形態では、上述したように、ひずみゲージ２０の位置情報が三次元測定機３０から解析装置１００に送信されることで、三次元測定機３０で測定したひずみゲージ２０の位置座標を解析装置１００が取得できるようになっている。

ステップＳ１２では、解析装置１００は、取得したひずみゲージ２０の位置座標を補正する。

三次元測定機３０で計測したひずみゲージ２０の位置座標は、三次元測定機３０の原点座標系を基準とした座標になっている。このため、図４に示すように、三次元測定機３０の原点座標系と解析モデルＭの原点座標系とがずれていると、取得した位置座標が正しい位置座標とは異なる座標に存在することになる。

よって、解析装置１００は、解析モデルＭ上に三次元測定機３０の原点座標系を作成して解析モデルＭの原点座標系との差分情報を取得し、この差分情報を用いて、解析モデルＭ上のひずみゲージ２０の位置座標を正しい位置座標に補正する。

また、例えば、大きな部品等の応力をひずみゲージで測定する場合は、部品を裏返しにしたり横向きにしたりしないと所望する位置の応力を測定できない場合がある。このような場合においても、三次元測定機３０の原点座標系と解析モデルの原点座標系との差分情報を用いてひずみゲージの位置座標を補正することで、解析モデル上のひずみゲージの位置座標を正しい位置に補正できる。

ステップＳ１３では、解析装置１００は、ひずみゲージ２０のゲージ情報を作成する。ゲージ情報には、ひずみゲージ２０の中心座標及び向きが含まれる。ひずみゲージ２０の中心は、図２に示すように、比率Ｃ＝Ｃ２／Ｃ１によって定まる。比率Ｃは、ひずみゲージのメーカや品番ごとに定まるスカラー定数である。

ひずみゲージ２０の中心座標及び向きは、例えば、図２に示すように、ひずみゲージ２０における幅Ｄの中心を通る線と長手方向の２辺とが交わる２点（Ａ１、Ａ２）の位置座標を三次元測定機３０で計測しておくことで演算できる。また、ひずみゲージ２０における４つの頂点のうち少なくとも３点（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）の位置座標を三次元測定機３０で計測しておくことでも演算できる。なお、ひずみゲージ２０の中心座標及び向きに関する演算は全てベクトル演算である。

また、解析装置１００は、ステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理を実行するとともに、解析モデルＭを構成する多数の節点Ｎから解析候補である解析候補節点グループＮ１を特定する（ステップＳ１４）。

本実施形態では、図５に示すように、部品１０においてひずみゲージ２０が貼付された面に対応する解析モデルＭの面（上面）を構成する節点Ｎのグループを解析候補節点グループＮ１として特定している。なお、図５では、解析モデルＭの上面を構成する節点Ｎ以外の節点Ｎを省略しているが、実際の解析モデルＭでは他の面及び内部にも節点Ｎが存在している。

解析モデルＭの表面を構成する節点Ｎを解析候補節点グループＮ１として特定するのは、表面応力の解析を行うためである。よって、解析候補節点グループＮ１を特定するにあたり、解析モデルＭの上面以外の表面を構成する節点Ｎを解析候補節点グループＮ１に含めてもよい。なお、解析候補節点グループＮ１は、予め設定しておくこともできる。

ステップＳ１５では、解析装置１００は、解析候補節点グループＮ１に含まれる節点Ｎから解析対象である解析対象節点グループＮ２を特定する。

解析対象節点グループＮ２は、ひずみゲージ２０の中心座標から所定範囲内にある節点Ｎのグループである。図５では、ひずみゲージ２０から所定範囲を二点鎖線で示している。この場合は、破線で示す範囲内の４つの節点Ｎが、解析対象節点グループＮ２として特定される。

実際の部品１０には製造誤差があるので、ひずみゲージ２０の中心座標が解析モデルＭの表面上に存在しない場合がある。これに対して、ひずみゲージ２０の中心座標から所定範囲内に含まれる節点Ｎについては誤差が少ない範囲に存在するものとして解析対象とし、所定範囲外にある節点Ｎについては解析対象から除外することで、解析精度を向上させることができる。所定範囲は、例えば、１．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。

ステップＳ１６では、解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎがあるか判定する。

解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎがあると判定すると、処理をステップＳ１７に移行する。また、解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎがないと判定すると、処理をステップＳ２０に移行する。

解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎがない場合は、部品１０の製造誤差が大きいか、節点Ｎの密度が低すぎることが考えられる。この場合は、ひずみゲージ２０を部品１０に貼付した位置が、解析結果と実験結果とを比較するのに不適合と考えられる。

よって、解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎがない場合は、ひずみゲージ２０の位置が解析に不適合であると判断し（ステップＳ２０）、解析応力を出力することなく処理を終了する。

なお、解析対象節点グループＮ２として特定した節点Ｎが所定数以下の場合に、ひずみゲージ２０の位置が解析に不適合あると判断するようにしてもよい。

ステップＳ１７では、解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２に含まれる節点Ｎそれぞれについて解析応力を演算し、演算した解析応力を用いて解析対象節点グループＮ２の解析応力についての標準偏差を演算する。解析応力は、ステップＳ１３で求めたひずみゲージ２０の向きに対応する方向について演算される。なお、解析応力及び標準偏差に加えて、解析対象節点グループＮ２に含まれる節点Ｎの最大応力、最小応力等を求めてもよい。

ステップＳ１８では、解析装置１００は、ステップＳ１７で演算した標準偏差が所定値よりも大きいか判定する。

解析装置１００は、ステップＳ１７で演算した標準偏差が所定値よりも大きいと判定すると、処理をステップＳ２１に移行する。また、ステップＳ１７で演算した標準偏差が所定値以下と判定すると、処理をステップＳ１９に移行する。

標準偏差が所定値よりも大きい解析対象節点グループＮ２は、解析モデルＭ上で応力変化が激しい位置にあると考えられる。この場合は、当該解析対象節点グループＮ２の位置、すなわち、ひずみゲージ２０を部品１０に貼付した位置が、解析結果と実験結果とを比較するのに不適合と考えられる。

よって、解析装置１００は、標準偏差が所定値よりも大きい解析対象節点グループＮ２を解析対象から除外することで、解析精度を向上させるようになっている（ステップＳ２１）。

解析対象節点グループＮ２を解析対象から除外する態様は様々である。例えば、解析対象から除外した解析対象節点グループＮ２についての情報を解析装置１００のモニタ（図示せず）に表示しないようにしてもよいし、当該解析対象節点グループＮ２に含まれる節点Ｎについては解析応力を表示しないようにしてもよい。また、当該解析対象節点グループＮ２については解析不適合であることを示す情報をモニタに表示してもよい。

ステップＳ１９では、解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２に含まれる節点Ｎについて解析応力を出力する。

続いて、本実施形態の解析装置１００によって応力解析を行うことの作用効果について説明する。

上述したように、解析の信頼性を確保するためには、解析結果と実験結果とを比較するステップが重要となる。解析結果と実験結果との相関関係を確認することで、その後は実験を行わずに部品のパラメータを取得することが可能となる。

これに対して、本実施形態の解析装置１００は、三次元測定機３０で計測されたひずみゲージ２０の位置座標を取得し、取得した位置座標に基づいてひずみゲージ２０の中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成し、作成したゲージ情報を用いて解析応力を演算する。

これによれば、三次元測定機３０で計測したひずみゲージ２０の位置座標を取得するので、人間の目視作業を無くすことができる。また、実際のひずみゲージ２０では、その中心のひずみが出力されるので、漠然とひずみゲージ２０の位置を特定するのではなく、取得した位置情報からひずみゲージ２０の中心座標を自動で特定する。さらに、実験ではひずみゲージ２０の向きに対応してひずみが測定されるので、取得した位置情報からひずみゲージ２０の向きを自動で特定する。これにより、解析モデルＭ上にひずみゲージ２０の位置及び向きを精度よく再現でき、解析応力の精度を向上させることができる。よって、作業者依存を抑制しつつ、再現性よく短時間で解析応力を出力できる（請求項１、７に対応する効果）。

また、解析装置１００は、ひずみゲージ２０における幅方向Ｄの中心を通る線と長手方向の２辺とが交わる２点（Ａ１、Ａ２）の位置座標に基づいてひずみゲージ２０の中心座標及び方向を演算する。

また、解析装置１００は、ひずみゲージ２０における４つの頂点のうち少なくとも３点（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）の位置座標に基づいてひずみゲージ２０の中心座標及び方向を演算する。

これらによれば、三次元測定機３０で位置座標を計測する点が明確になるので、容易に精度よくひずみゲージ２０の位置座標を取得できる（請求項２、３に対応する効果）。

また、解析装置１００は、三次元測定機３０でひずみゲージ２０の位置座標を計測したときの部品１０の向きに応じて、取得した位置座標を補正する。

これによれば、部品１０を裏返しにしたり横向きにしたりしないと所望する位置の応力を測定できない場合であっても、解析モデルＭ上のひずみゲージ２０の位置座標を正しい位置にできる（請求項４に対応する効果）。

また、解析装置１００は、解析モデルＭを構成する多数の節点Ｎから解析候補である解析候補節点グループＮ１を特定し、特定した解析候補節点グループＮ１に含まれる節点Ｎのうちひずみゲージ２０の中心座標から所定範囲内にある節点Ｎを解析対象である解析対象節点グループＮ２として特定する。

これによれば、ひずみゲージ２０の中心座標から所定範囲内に含まれる節点Ｎについては誤差が少ない範囲に存在するものとして解析対象とし、所定範囲外にある節点Ｎについては解析対象から除外するので、解析精度を向上させることができる（請求項５に対応する効果）。

また、解析装置１００は、解析対象節点グループＮ２に含まれる節点Ｎそれぞれの解析応力及び解析応力の標準偏差を演算し、標準偏差が所定値よりも大きい解析対象節点グループＮ２を解析対象から除外する。

これによれば、解析モデルＭ上で応力変化が激しい位置にあると考えられる解析対象節点グループＮ２については解析対象から除外するので、解析精度を向上させることができる（請求項６に対応する効果）。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、部品１０にひずみゲージ２０が１つ貼付されている態様について説明した。しかしながら、部品の様々な位置の応力を測定する場合は、多数のひずみゲージが貼付される。この場合は、各ひずみゲージについて本発明を適用すればよい。また、多数のひずみゲージについて同時に応力解析を実行してもよい。

１００解析装置（座標取得部、ゲージ情報作成部、応力演算部、解析候補特定部、解析対象特定部）
１０部品（物体）
２０ひずみゲージ
３０三次元測定機
Ｎ節点
Ｎ１解析候補節点グループ
Ｎ２解析対象節点グループ

Claims

ひずみゲージが貼付された物体の応力解析を行う解析装置であって、
三次元測定機で計測された前記ひずみゲージの位置座標を取得する座標取得部と、
前記座標取得部で取得した前記位置座標に基づいて前記ひずみゲージの中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成するゲージ情報作成部と、
前記ゲージ情報作成部で作成した前記ゲージ情報を用いて解析応力を演算する応力演算部と、
を有することを特徴とする解析装置。
請求項１に記載の解析装置であって、
前記ゲージ情報作成部は、前記ひずみゲージにおける幅方向の中心を通る線と長手方向の２辺とが交わる２点の位置座標に基づいて前記ひずみゲージの前記中心座標及び前記方向を演算する、
ことを特徴とする解析装置。
請求項１に記載の解析装置であって、
前記ゲージ情報作成部は、前記ひずみゲージにおける４つの頂点のうち少なくとも３点の位置座標に基づいて前記ひずみゲージの前記中心座標及び前記方向を演算する、
ことを特徴とする解析装置。
請求項１から３のいずれかに記載の解析装置であって、
前記座標取得部は、前記三次元測定機で前記ひずみゲージの前記位置座標を計測したときの前記物体の向きに応じて、取得した前記位置座標を補正する、
ことを特徴とする解析装置。
請求項１から４のいずれかに記載の解析装置であって、
解析モデルを構成する多数の節点から解析候補である解析候補節点グループを特定する解析候補特定部と、
前記解析候補特定部で特定した前記解析候補節点グループに含まれる節点のうち前記ひずみゲージの前記中心座標から所定範囲内にある節点を解析対象である解析対象節点グループとして特定する解析対象特定部と、
をさらに有することを特徴とする解析装置。
請求項５に記載の解析装置であって、
前記応力演算部は、前記解析対象節点グループに含まれる節点それぞれの解析応力及び前記解析応力の標準偏差を演算し、前記標準偏差が所定値よりも大きい前記解析対象節点グループを解析対象から除外する、
ことを特徴とする解析装置。
ひずみゲージが貼付された物体の応力解析を行う解析方法であって、
三次元測定機で計測された前記ひずみゲージの位置座標を取得し、
取得した前記位置座標に基づいて前記ひずみゲージの中心座標及び方向を含むゲージ情報を作成し、
作成した前記ゲージ情報を用いて解析応力を演算する、
ことを特徴とする解析方法。