JP4553282B2

JP4553282B2 - 物品の変形解析方法および装置

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Publication number: JP4553282B2
Application number: JP2000234024A
Authority: JP
Inventors: 克哉坂場
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: JP2002049650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術】
本発明は、物品の変形解析方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、製造時の物品の変形状態を解析する方法としては、物品が製造時に受けるであろう熱や圧力などの物理的な履歴を製造プロセスに忠実にシミュレーションし、計算された収縮歪み（膨張はマイナスの収縮）を荷重として、変形解析することが行われていた。
【０００３】
樹脂射出成形品の製造時の変形状態を解析する場合を例に取ると、図１１に示すように、CADで作成された物品の形状（ステップ101）に対して、CAE解析で使用するCAE用形状を作成（ステップ102）し、樹脂の流入点であるゲートを指定し、材料となる樹脂の密度や比熱、熱伝導率、溶融粘度特性、ＰＶＴ特性などの物性データと、成形温度、金型温度、射出速度（または時間）、保圧時間、保圧力などの成形条件を入力（ステップ103）して、流動工程、保圧冷却工程のシミュレーション（ステップ104，105）を実行し、CAE用形状データの各要素あるいは各節点位置での体積収縮歪を求め、これを荷重条件とし、樹脂の弾性率、ポアソン比を考慮して構造解析（ステップ106）を実行することで、物品の変形状態を解析している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来、製造時の物品の変形状態を予測する場合、製造時のプロセスを忠実にシミュレーションする必要があったため、形状を変更した場合の変形に対する影響度、効果を検討する場合、変更された形状に対して、その都度製造時プロセスをシミュレーションしなければならず、時間がかかっていた。
【０００５】
本発明は、以上の様な状況を鑑みなされたもので、物品の製造の各過程前後や使用前後における物品の形状の変形状態を容易にかつ迅速に検討する解析方法及び装置ならびにそのような解析方法を実現するコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明によれば、ＣＡＥ解析用の形状データを読み出すＣＡＥ解析用形状データ読み出し工程と、基本形状で求められた基本形状収縮データを読み出す収縮データ読み出し工程と前記読み出されたＣＡＥ解析用形状データの各部分の少なくとも肉厚、ゲートからの流動長、射出温度、金型温度および保圧力を含む成形条件からなる収縮データを前記読み出された基本形状収縮データから作成する射出成形前後の収縮データの関係を表す関数または数値データ表からなる収縮データ作成工程と、前記作成された収縮データに基づいて変形解析を実行する変形解析工程とを有することを特徴とする物品の変形解析方法が提供される。
【０００７】
前記ＣＡＥ解析用の形状データは、前記物品の形状データを作成するＣＡＤデータから自動的に作成されたものであることを特徴とする物品の変形解析方法が提供される。
【０００９】
また本発明の別の形態によれば、ＣＡＥ解析用の形状データを読み出すＣＡＥ解析用形状データ読み出し手段と、基本形状で求められた基本形状収縮データを読み出す収縮データ読み出し手段と前記読み出されたＣＡＥ解析用形状データの各部分の少なくとも肉厚、ゲートからの流動長、射出温度、金型温度および保圧力を含む成形条件からなる収縮データを前記読み出された基本形状収縮データから作成する射出成形前後の収縮データの関係を表す関数または数値データ表からなる収縮データ作成手段と、前記作成された収縮データに基づいて変形解析を実行する変形解析手段とを有することを特徴とする物品の変形解析装置が提供される。
【００１０】
また本発明の別の形態によれば、さらに、物品の形状データを作成するＣＡＥデータから自動的に前記ＣＡＥ解析用形状データを作成するＣＡＥ解析用形状データ作成手段を備えたことを特徴とする物品の変形解析装置が提供される。
【００１１】
また本発明の別の形態によれば、物品の変形解析方法の各工程をコンピュータを用いて実行するためのコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
【００１２】
また本発明の別の形態によれば、物品の変形解析方法によって物品の製造過程における変形を解析し、該変形解析の結果に基づいて前記物品の製造条件を決定し、該決定された条件に基づいて物品を製造する物品の製造方法が提供される。
【００１３】
以下、用語の定義をする。
【００１４】
本発明において、「CADデータ」とは、コンピュータ上で稼動しているCADシステムで入力された物品の形状データで、「CAE用形状データ」はコンピュータを使った変形解析に使用される節点、要素、要素プロパティ、材料プロパティなどで記述されるデータのことをいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の物品の変形解析方法および装置の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の物品の変形状態を解析する装置の一実施形態を示すブロック図である。本実施形態例において、（２００）はコンピュータ、（２０１）はキーボード、（２０２）はマウス、（２０３）はディスプレー、（２０４）は補助記憶装置である。（２０４）には、ハードディスク装置の他、ＭＯ，ＰＤ，ＤＶＤ等の取り外し可能な補助記憶装置も利用可能である。
【００１７】
補助記憶装置（２０４）には、CADデータ記憶手段（２０５）、CAE用形状データ記憶手段（２０６）、収縮データベース記憶手段（２０７）が含まれる。
【００１８】
コンピュータ（２００）には、CADデータ作成手段（２０８）、CAE用形状データ作成手段（２０９）、収縮データ作成手段（２１０）、変形解析手段（２１１）が含まれる。
【００１９】
図２に本実施形態例のフローチャートを示す。CAE用形状データ作成手段（２０９）は、ステップ301で作成されたCADデータに対して、図３に示すようにCADデータから中立面を生成し、２次元シェル要素を自動作成したり、また３次元ソリッド要素を自動作成する。このようにCADデータからCAE用形状データを作成する方法は、I-DEAS（SDRC社製）、CATIA（Dassult社製）、UniGraphics（UGS社製）といった多くのCADに搭載されている既存の技術である。
【００２０】
収縮データ作成手段（２１０）は、ステップ302で作成されたCAE用形状データである各要素あるいは各節点に対して、収縮データベース記憶手段（２０７）に記憶されている収縮データベースを元に、材料や製造条件などを考慮して、収縮データを作成する。
【００２１】
収縮データベース記憶手段（２０７）に記憶されている収縮データ(基本形状収縮データ)は、例えば平板のような基本形状に対して同一の材料で製造された場合の収縮の実測結果でもよいし、基本形状に対して製造プロセスを忠実にシミュレーションし、変形解析を実施した結果得られた収縮データでもよい。
【００２２】
次にステップ303でのCAE用形状データへの収縮データの反映方法について、樹脂の射出成形品を例に詳述する。
【００２３】
収縮データベース記憶手段（２０７）には、基本となる形状（例えば平板）に対して、肉厚t、成形温度Tr、金型温度Tm、保圧P2、保圧時間Tp2をパラメータとして成形を行い、ゲートからの距離に応じて各部分の成形収縮率αを測定して、ゲートからの流動長Ｌ、肉厚t、成形温度Tm、保圧P2、保圧時間Tp2の関数として収縮歪εを定義して、使用した材料毎のデータが記憶されている。収縮歪εは、平板に対して、肉厚t、成形温度Tr、金型温度Tm、保圧P2、保圧時間Tp2をパラメータとして成形のプロセスを忠実に解析した結果、出力される収縮歪εをデータベース化して記憶されている場合もある。
【００２４】
ε（L,t,Tm,P2,Tp2）＝α（L,t,Tm,P2,Tp2）式１
ステップ303は、ステップ302で作成されたCAE用形状データに対して、材料となる樹脂を選択し、ゲート位置を指定、成形温度、金型温度、保圧条件を入力し、収縮データベース記憶手段（２０７）に記憶されている収縮歪ε（L,t,Tm,P2,Tp2）を元に、各要素あるいは各節点に収縮歪を容易かつ高速に設定する。上記ゲートからの流動長として幾何学的に求められる流動長Lの代わりに、ゲートからの流動長と途中経路での肉厚を考慮した値、例えば、式２で定義される修正流動長L1を用いてもよい。
【００２５】
L1=Davr∫(X/D(X))dX 式２
Xはゲートからの流動長，Davrは途中経路平均肉厚，D(X)はXでの肉厚
変形解析手段（２１１）は、ステップ303で作成されたCAE用形状データに対する収縮データを元に変形解析を実行し、物品の変形状態を解析する。
【００２６】
図４以下に、具体的な変形解析例を示す。
【００２７】
図４は、80mm×40mmで肉厚1.5mmの平板のCADデータである。図５は、図４の平板の中立面を使用して、２次元シェル要素にて大きさ10mmで自動的に作成されたCAE用形状データで、45個の節点と３２個の要素で構成されている。
図４の形状が、東レ株式会社ＡＢＳ樹脂トヨラック１００を用いて、▲位置をゲートにして成形される場合の変形状態を解析する結果の収縮歪εは、他の基本形状での成形結果から以下の式３のように定義されている。

L:ゲートからの距離，t:肉厚，Tm:成形温度，P2:保圧，Tp2:保圧時間
例えば、肉厚が1.5mmで、成形温度が240℃、金型温度が40℃、保圧が50MPa、保圧時間が10secで、ゲートからの流動長が50mmのN28の位置での収縮歪は、式３から0.5553%と計算される。各節点位置へのゲートからの真の流動長は、正確には流動解析を行い、樹脂の流動先端フローフロントが各節点へ到達するまでの流路距離から計算されるが、利便性を考え、本発明で用いる計算用の流動長L（L1）は、ゲートからの各節点までの２直線距離に基づいて流動長としてもよいし、図１２（天面中央がゲートである箱形状）に示したようにゲートから各節点を直線で結び、その直線をCAE用形状上に金型開閉方向に投影して作成された曲線の距離から決定してもよいし、CAE用解析形状の節点位置とゲートとを結ぶ２点間をつなぐ最短の格子距離としてもよい。この他にも目的か対象の特性に応じて様々な計算用流動長を求める方法が適用できる。
【００２８】
ここでは、2点間をつなぐ最短の格子間距離をゲートからの距離とする。このようにして、45個の節点全ての位置での収縮歪を求め、変形解析の荷重条件として、変形状態を計算する。
【００２９】
図４の形状に対して、成形温度が240℃、金型温度が40℃、保圧が50MPa、保圧時間が10secの条件で成形する場合、上記方法によって求められた変形解析の結果を図６に示す。また、同様にして、図４の平板の中央に厚さ2mmで高さ10mmのリブが付加された図７の形状に対し、上記成形条件で成形する場合の変形解析の結果を図９に示す。（図８は、図７の平板の中立面を使用して、２次元シェル要素にて大きさ10mmで自動的に作成されたCAE用形状データで、54個の節点と40個の要素で構成されている。）
図６では、ゲートから遠くなるほど収縮量が大きくなることが表現されており、図９では、リブ部の肉厚が厚く収縮が大きいことでそり変形が生じることが計算されている。
【００３０】
図７の形状に対して、上記成形条件と同一の条件を設定し、東レ株式会社製射出成形CAEシステムTIMONによって、流動解析〜保圧冷却解析〜そり解析を実行して求められた変形結果を図１０に示す。図１０でも図９と同様に平板部にそりが生じている。すなわち、収縮率を肉厚t、成形温度Tr、金型温度Tm、保圧P2、保圧時間Tp2の関するとして求めて計算された変形結果（図９）は、流動解析〜保圧冷却解析〜そり解析と忠実に成形プロセスを実施して計算された変形結果（図１０）と同一の変形モードになることが分かる。
【００３１】
ここまでは２次元シェル要素での解析例を述べてきたが、肉厚という概念がない3次元ソリッド要素の場合は、例えば以下のような方法で解析することができる。通常肉厚という概念がない３次元ソリッド要素の場合、表面からの各節点までの最短距離を肉厚とし、流動長は２次元シェル要素と同様の考え方で式３を使い、収縮データを計算することで変形解析が可能となる。また、ＣＡＤデータがある場合には、３次元ソリッド要素の各要素がどの肉厚の部分に属しているのかをＣＡＤデータを元に計算しておき、その要素を構成している節点に前記肉厚を与え式３を使って、収縮データを計算し、変形解析を行ってもよい。
【００３２】
以上のように、本発明による変形解析方法は、製造条件を入力するだけで、変形解析が実行でき、物品の形状を変更した場合の変形に対する影響度、効果を容易かつ高速に検討することができる。以上の例では、射出成形品の射出成形工程の前後の変形について解析したが、物品の製造工程のあらゆる局面で発生する収縮の度合いが製造条件や形状特性によってある一定の傾向を示す場合にも同様の手法を利用できる。（例えば押出成形）
本発明の物品の製造方法によれば、上記のようにして物品の製造過程で生じる物品の変形を解析し、その結果に基づいて物品の形状、成形条件といった製造条件を必要に応じて変更して基づいて物品の形状、成形条件を決定する。こうして決定された条件に基づいて実際に物品を製造するので、適切な製造条件をすばやく決定した上で物品を製造でき、短納期化が容易に達成できる。もちろんかかる解析の最終的な精度を高めるために、上記のような変形解析である程度のめどがついた（仮決定）後に、これに基づいてさらに射出成形における東レ（株）のTIMONのようなより解析に時間はかかるが精度の高い変形解析方法で解析の上、製造条件を最終決定してもよい。
【００３３】
上記実施形態例は、コンピュータと、それを動作させるCADを含むプログラムなどによって実施される。このようなプログラム及び各種の記憶手段のデータはフロッピーディスク、MO、CD-ROM等のコンピュータ読み取り可能な有形媒体や有線または無線のネットワークのような伝送手段を通じて流通される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、物品の収縮データをデータベース化しておくことで、製造時の変形状態を計算することができ、形状を変更した場合の変形に対する効果が容易かつ迅速に検討することができ、製品設計の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態例のフローチャート図である。
【図３】CAD形状とCAE用形状データ図である。
【図４】80×40×2mmの平板図である。
【図５】図４の平板に対するCAE用形状データである。
【図６】図５の平板に対する変形解析結果（変形モード図）である。
【図７】図４の平板の中央部に肉厚2mm高さ10mmのリブが付加された形状である。
【図８】図７の形状に対するCAE用形状データである。
【図９】図８の形状に対する変形解析結果（変形モード図）である。
【図１０】図８の形状に対して、流動〜保圧冷却〜そり変形解析を実行した場合の変形結果（変形モード図）である。
【図１１】樹脂射出成形品の従来の変形解析のフローチャート図である。
【図１２】ゲートからの流動長の計算方法例である。
【符号の説明】
200 コンピュータ
201 キーボード
202 マウス
203 ディスプレイ
204 補助記憶装置
205 CADデータ記憶手段
206 CAE用形状データ記憶手段
207 収縮データベース記憶手段
208 CADデータ作成手段
209 CAE用形状データ作成手段
210 収縮データ作成手段
211 変形解析手段

Claims

ＣＡＥ解析用の形状データを読み出すＣＡＥ解析用形状データ読み出し工程と、基本形状で求められた基本形状収縮データを読み出す収縮データ読み出し工程と前記読み出されたＣＡＥ解析用形状データの各部分の少なくとも肉厚、ゲートからの流動長、射出温度、金型温度および保圧力を含む成形条件からなる収縮データを前記読み出された基本形状収縮データから作成する射出成形前後の収縮データの関係を表す関数または数値データ表からなる収縮データ作成工程と、前記作成された収縮データに基づいて変形解析を実行する変形解析工程とを有することを特徴とする物品の変形解析方法。
前記ＣＡＥ解析用の形状データは、前記物品の形状データを作成するＣＡＤデータから自動的に作成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の物品の変形解析方法。
ＣＡＥ解析用の形状データを読み出すＣＡＥ解析用形状データ読み出し手段と、基本形状で求められた基本形状収縮データを読み出す収縮データ読み出し手段と前記読み出されたＣＡＥ解析用形状データの各部分の少なくとも肉厚、ゲートからの流動長、射出温度、金型温度および保圧力を含む成形条件からなる収縮データを前記読み出された基本形状収縮データから作成する射出成形前後の収縮データの関係を表す関数または数値データ表からなる収縮データ作成手段と、前記作成された収縮データに基づいて変形解析を実行する変形解析手段とを有することを特徴とする物品の変形解析装置。
さらに、物品の形状データを作成するＣＡＤデータから自動的に前記ＣＡＥ解析用形状データを作成するＣＡＥ解析用形状データ作成手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の物品の変形解析装置。
請求項１〜２のいずれかに記載の物品の変形解析方法の各工程をコンピュータを用いて実行するためのコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
請求項１〜２のいずれかに記載の物品の変形解析方法によって物品の製造過程における変形を解析し、該変形解析の結果に基づいて前記物品の製造条件を決定し、該決定された条件に基づいて物品を製造する物品の製造方法。