JP5476025B2 - Design variable and manufacturing method of golf club shaft - Google Patents

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本発明は、コンピュータを用いてゴルフクラブシャフトの性能を最適化する際、多くの目的関数を有する場合であっても設計者が最適解を簡単に見つけることができ、ひいては設計時間ないし設計コストを低減するのに役立つゴルフクラブシャフトの設計方法及び製造方法に関する。   In the present invention, when the performance of a golf club shaft is optimized using a computer, the designer can easily find the optimum solution even when there are many objective functions, thereby reducing the design time or the design cost. The present invention relates to a design method and a manufacturing method of a golf club shaft which is useful for reduction.

近年、コンピュータによる数値解析を利用してゴルフクラブシャフトを設計する方法が種々提案されている。   In recent years, various methods for designing a golf club shaft using numerical analysis by a computer have been proposed.

例えば、下記特許文献1の方法は、有限要素法等で数値解析が可能かつシャフトの長さ方向において曲げ剛性の分布が異なる複数種類のシャフトモデルを設定するステップと、前記シャフトモデルを予め設定されたゴルファのスイングパターンに基づいて運動させるスイングシミュレーションを行って各シャフトモデルに依存したクラブモデルの運動状態(例えば、ヘッドスピードやブロー角など)を計算するステップと、前記スイングシミュレーションの結果から、前記運動状態が最適なゴルフクラブシャフトの曲げ剛性の分布などを探索するステップとを含むものである。   For example, in the method of Patent Document 1 below, a step of setting a plurality of types of shaft models that can be numerically analyzed by a finite element method or the like and that have different bending stiffness distributions in the length direction of the shaft, and the shaft models are preset. A step of calculating a club model motion state (for example, head speed, blow angle, etc.) depending on each shaft model by performing a swing simulation to move based on a golfer's swing pattern, and from the result of the swing simulation, And a step of searching for a distribution of bending rigidity of the golf club shaft having an optimal motion state.

また、下記特許文献2の方法では、ゴルフシャフトのマンドレルの形状、面状部材の選択、面状部材の種類、面状部材のマンドレルへの巻きつけ位置、及び面状部材の繊維配向角を入力することにより、製品ゴルフシャフトの曲げ剛性、ねじれ剛性を算出させ、簡単に繊維強化プラスチック製ゴルフシャフトの設計、または製造に必要な正確な情報を得るという作用効果を期待するものである。   In the method of Patent Document 2 below, the shape of the mandrel of the golf shaft, the selection of the planar member, the type of the planar member, the winding position of the planar member around the mandrel, and the fiber orientation angle of the planar member are input. By doing so, it is expected that the bending and torsional rigidity of the product golf shaft is calculated, and that it is possible to easily obtain accurate information necessary for designing or manufacturing a fiber reinforced plastic golf shaft.

特開2004−8521号公報JP 2004-8521 A 特開2001−104522号公報JP 2001-104522 A

ところで、繊維強化樹脂からなるゴルフクラブシャフトは、一方向に配向された繊維材を未硬化樹脂に含浸させたシート部材(以下、「プリプレグ」という。)が、マンドレルに複数枚巻き付けられ、これに熱処理を加えて樹脂を硬化させて製造される。従って、繊維強化樹脂のゴルフクラブシャフトを設計するためには、少なくとも上記繊維材の種類(これは、繊維材の密度、弾性率及びポアソン比などに影響する。)、シャフトの軸方向に対する繊維材の配向角度及びシャフトの内径という多くの設計変数を考慮する必要がある。   By the way, a golf club shaft made of a fiber reinforced resin has a sheet member (hereinafter, referred to as “prepreg”) in which a fiber material oriented in one direction is impregnated with an uncured resin, wound around a mandrel. It is manufactured by applying heat treatment to cure the resin. Therefore, in order to design a golf club shaft of fiber reinforced resin, at least the type of the fiber material (which affects the density, elastic modulus, Poisson's ratio, etc. of the fiber material), the fiber material with respect to the axial direction of the shaft. Many design variables such as the orientation angle of the shaft and the inner diameter of the shaft need to be considered.

従って、上記特許文献2のように、例えば、ある設計変数の組合せを用いたときの製品ゴルフシャフトの曲げ剛性及びねじれ剛性を計算して予測するだけでは、それが最適化されたものかを検討できない。また、種々の設計変数の組合せについて製品シャフトの特性を計算してた場合、計算結果の検討に多くの時間が必要となり、設計時間及び設計コストを十分に効率化することができないという問題がある。   Therefore, as in the above-mentioned Patent Document 2, for example, it is examined whether it is optimized only by calculating and predicting the bending rigidity and torsional rigidity of a product golf shaft when a certain combination of design variables is used. Can not. Further, when the characteristics of the product shaft are calculated for various combinations of design variables, it takes a lot of time to review the calculation results, and there is a problem that the design time and design cost cannot be made sufficiently efficient. .

本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、有限個の要素を用いかつ設計変数が定義されたシャフトモデルを設定し、該シャフトモデルの複数の目的関数をコンピュータを用いて計算し、前記シャフトモデルに定義された設計変数と前記目的関数との関係を結びつける近似応答関数から目的関数を最適化する複数解を得るとともに、この複数解の中からデータ包絡分析法を用いてパレート解を得るステップを含ませることを基本として、設計者による解の取捨選択を容易化し、複数の最適解から目的に合った妥協解を短時間で見つけることができ、ひいては設計時間及び設計コストを十分に効率化させることが可能なゴルフクラブシャフトの設計方法及びそれを用いた製造方法を提供することを主たる目的としている。   The present invention has been devised in view of the above problems. A shaft model using a finite number of elements and design variables defined therein is set, and a plurality of objective functions of the shaft model are set using a computer. And obtain a plurality of solutions that optimize the objective function from the approximate response function that links the relationship between the design variable defined in the shaft model and the objective function, and use the data envelope analysis method from the multiple solutions Incorporating a step to obtain a Pareto solution makes it easy for designers to select solutions and finds a compromise solution from multiple optimal solutions in a short time. The main object of the present invention is to provide a golf club shaft design method capable of sufficiently increasing the cost and a manufacturing method using the same.

本発明のうち請求項1記載の発明は、一方向に配向された繊維材を未硬化樹脂に含浸させたシート部材である複数のプリプレグ用いて製造された繊維強化樹脂からなるゴルフクラブシャフトを設計する方法であって、有限個の要素を用いてゴルフクラブシャフトをモデル化することにより、コンピュータで数値計算が可能なシャフトモデルを得るステップと、前記シャフトモデルの設計変数を定義するステップと、前記ステップで設定されたシャフトモデルの性能を表す互いに異なる複数の目的関数をコンピュータを用いて計算するステップと、前記設計変数と前記目的関数との関係を結びつける近似応答関数を生成するステップと、前記近似応答関数に基づいて前記目的関数を最適化する複数の最適解を得るステップと、上記で得られた前記複数の最適解の中からデータ包絡分析法を用いてパレート解を得るステップと、前記パレート解に基づいてゴルフクラブシャフトの前記各設計変数を設定するステップとを含み、前記設計変数は、前記繊維材の配向角度を含み、前記プリプレグは、プリプレグの形状が等しくかつ繊維材の配向角度を異ならせて重ねられる2枚からなるバイアス層を含み、前記バイアス層は、予め、前記繊維材の角度の組み合わせが決定されたものの中から選択され、前記繊維材の角度の組み合わせは、軸方向の弾性率が大きい順番に、前記目的関数を表すための連続変数が定義されていることを特徴とする。
The invention according to claim 1 of the present invention designs a golf club shaft made of a fiber reinforced resin manufactured using a plurality of prepregs which are sheet members obtained by impregnating an uncured resin with a fiber material oriented in one direction. A method of modeling a golf club shaft using a finite number of elements to obtain a shaft model that can be numerically calculated by a computer, defining a design variable of the shaft model, Calculating a plurality of different objective functions representing the performance of the shaft model set in the step using a computer, generating an approximate response function that links the relationship between the design variable and the objective function, and the approximation Obtaining a plurality of optimal solutions for optimizing the objective function based on a response function; See containing obtaining a Pareto solutions using data envelopment analysis from a plurality of optimal solutions, and setting the respective design variables of the golf club shaft in accordance with the Pareto solutions, the design variable, the Including an orientation angle of a fiber material, and the prepreg includes two bias layers that are stacked with the same prepreg shape and different orientation angles of the fiber material. The combination of the angles of the fiber materials is selected from among the determined combinations, and continuous variables for representing the objective function are defined in descending order of the elastic modulus in the axial direction. .

また請求項2記載の発明は、前記設計変数は、シャフトモデルの内径、繊維強化樹脂の繊維種、強化樹脂を構成するプリプレグ形状、及びプリプレグの積層順の少なくとも一つを含む請求項1記載のゴルフクラブシャフトの設計方法である。
According to a second aspect of the present invention, the design variable includes at least one of an inner diameter of a shaft model, a fiber type of a fiber reinforced resin , a shape of a prepreg constituting the reinforced resin , and a stacking order of the prepreg. A golf club shaft design method.

また請求項3記載の発明は、前記目的関数は、前記シャフトモデルの強度、曲げ剛性、ねじれ剛性及び重量の中から選択される2以上を含む請求項1又は2記載のゴルフクラブシャフトの設計方法である。   According to a third aspect of the present invention, in the golf club shaft design method according to the first or second aspect, the objective function includes two or more selected from the strength, bending rigidity, torsional rigidity, and weight of the shaft model. It is.

また請求項4記載の発明は、請求項1記載のゴルフクラブシャフトの設計方法を用いてゴルフクラブシャフトを製造することを特徴とするゴルフクラブシャフトの製造方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, a golf club shaft is manufactured by using the golf club shaft designing method according to the first aspect.

本発明によれば、設計変数が定義されたシャフトモデルから互いに異なる複数の目的関数がコンピュータを用いて計算される。そして、上記設計変数を異ならせ、該設計変数と目的関数との組合せを多数計算し、これらの関係を結びつける近似応答関数が生成され、該近似応答関数に基づいて前記目的関数を最適化する複数解が得られる。さらに、本発明では、ここで得られた前記複数の最適解の中からデータ包絡分析法を用いてパレート解が得られる。パレート解は、一種の妥協解であるが、このようなパレート解を得ることにより、設計者は自らの目的に合った最適な解を短時間で見つけることができる。以上より、本発明によれば、例えば繊維材の種類や配向角度など複数ある設計変数の組み合わせの中から、最適解を効率良く短時間で見つけることができる。従って、製品開発時の実験における試行錯誤の回数を大幅に減少させることができる。さらには、設計の自由度が高いゴルフクラブシャフトを最適化できるということで、ゴルファー一人一人に適した仕様を能率良くカスタマイズするのに役立つ。   According to the present invention, a plurality of different objective functions are calculated using a computer from a shaft model in which design variables are defined. Then, a plurality of combinations of the design variable and the objective function are calculated with different design variables, and an approximate response function that links these relations is generated, and a plurality of the objective functions are optimized based on the approximate response function. A solution is obtained. Furthermore, in the present invention, a Pareto solution is obtained from the plurality of optimal solutions obtained here by using a data envelope analysis method. A Pareto solution is a kind of compromise solution. By obtaining such a Pareto solution, a designer can find an optimal solution that suits his or her purpose in a short time. As described above, according to the present invention, for example, an optimal solution can be found efficiently and in a short time from among a plurality of combinations of design variables such as the type of fiber material and the orientation angle. Therefore, the number of trials and errors in an experiment during product development can be greatly reduced. Furthermore, the ability to optimize a golf club shaft with a high degree of freedom in design helps to efficiently customize the specifications suitable for each golfer.

本発明の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows embodiment of this invention. (a)はシャフトモデルを視覚化した全体斜視図、(b)はその要部拡大図である。(A) is the whole perspective view which visualized the shaft model, (b) is the principal part enlarged view. シャフトモデルの内径を説明するグラフである。It is a graph explaining the internal diameter of a shaft model. ゴルフクラブシャフトの三点曲げ強度試験を説明する側面図である。It is a side view explaining the three-point bending strength test of a golf club shaft. ゴルフクラブシャフトの順式フレックスを説明する側面図である。It is a side view explaining the forward type flex of a golf club shaft. ゴルフクラブシャフトの逆式フレックスを説明する側面図である。It is a side view explaining the reverse type flex of a golf club shaft. ゴルフクラブシャフトのねじれ剛性を説明する側面図である。It is a side view explaining the torsional rigidity of a golf club shaft. 近似応答関数を視覚化して例示するグラフである。It is a graph which visualizes and illustrates an approximate response function. (a)はデータ包絡分析法を説明するブロック図、(b)はその一例を説明するグラフである。(A) is a block diagram explaining a data envelope analysis method, (b) is a graph explaining the example. ゴルフクラブシャフトを構成するプリプレグの展開図である。FIG. 3 is a development view of a prepreg constituting a golf club shaft. (a)、(b)は設計変数と目的関数との関係を示すグラフである。(A), (b) is a graph which shows the relationship between a design variable and an objective function. 最適化による各目的関数の変化率を示すグラフである。It is a graph which shows the change rate of each objective function by optimization. パレート解に占める各目的関数の寄与率を示すグラフである。It is a graph which shows the contribution rate of each objective function which occupies for a Pareto solution.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態では、強度に優れた繊維強化樹脂製のゴルフクラブシャフトを設計するために、シャフト径、繊維強化樹脂の繊維種及び繊維材の配向角度等の最適な組合せを短時間で設計する方法が説明される。ただし、本発明の設計方法では、このような具体的な例に限定されるものではなく、様々な目的の下、設計変数及び目的関数が変更されて実施され得るのは言うまでもない。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In this embodiment, in order to design a golf club shaft made of fiber reinforced resin having excellent strength, a method for designing an optimum combination of shaft diameter, fiber reinforced resin fiber type, fiber material orientation angle, and the like in a short time. Is explained. However, the design method of the present invention is not limited to such a specific example, and it goes without saying that design variables and objective functions can be changed and implemented for various purposes.

図1には、本発明の実施形態の設計方法の処理手順の一例が示される。本実施形態のゴルフクラブシャフトの設計方法では、先ず、シャフトモデルが設定される(ステップS1)。   FIG. 1 shows an example of a processing procedure of a design method according to an embodiment of the present invention. In the golf club shaft design method of the present embodiment, first, a shaft model is set (step S1).

図2(a)には、シャフトモデル2を視覚化した全体図を示し、図2(b)はその要部拡大図を示す。該シャフトモデル2は、全体として長尺なパイプ状をなし、有限個の要素eを用いて設定されている。各要素eには、それぞれ複数の材料物性等が定義され、全体としてゴルフクラブシャフトの動的特性ないし静的特性をコンピュータで数値計算が可能な解析モデル(メッシュモデルとも呼ばれる)を構成する。前記数値計算としては、例えば有限要素法を用いた変形計算が少なくとも含まれる。   FIG. 2A shows an overall view of the shaft model 2 visualized, and FIG. 2B shows an enlarged view of a main part thereof. The shaft model 2 has a long pipe shape as a whole, and is set using a finite number of elements e. Each element e defines a plurality of material properties and the like, and constitutes an analysis model (also referred to as a mesh model) in which the dynamic characteristics or static characteristics of the golf club shaft can be numerically calculated by a computer as a whole. The numerical calculation includes at least deformation calculation using a finite element method, for example.

前記シャフトモデル2の長さLは、設計対象となるゴルフクラブシャフトに一致させるのが望ましい。慣例に従うものとして、前記長さLは、例えば35〜50インチ程度に設定される。本実施形態のシャフトモデル2の長さLは1195mmに設定される。   The length L of the shaft model 2 is desirably matched with the golf club shaft to be designed. According to custom, the length L is set to about 35 to 50 inches, for example. The length L of the shaft model 2 of this embodiment is set to 1195 mm.

また、シャフトモデル2は、例えば、その軸方向に数十から数千、かつ、周方向に数十から数百個程度に分割され、その各分割領域に前記要素eが割り当てられている。本実施形態において、各要素eは、いずれも同一形状とし、それぞれ4節点の矩形状の1枚の厚肉シェル要素が用いられている。   The shaft model 2 is divided into, for example, several tens to several thousand in the axial direction and several tens to several hundreds in the circumferential direction, and the element e is assigned to each divided region. In the present embodiment, each element e has the same shape, and a single thick shell element having a rectangular shape with four nodes is used.

前記厚肉シェル要素は、見かけ上は1枚の平面要素であるが、重なる複数の層が定義できる。この各層には、それぞれ個別に弾性率、ポアソン比及び強度異方性等が定義される。このような厚肉シェル要素は、少ない節点数で、繊維強化樹脂におけるプリプレグの積層構造を効率良く表現できる点で好ましい。   The thick shell element is apparently a single planar element, but a plurality of overlapping layers can be defined. For each layer, the elastic modulus, Poisson's ratio, strength anisotropy, etc. are individually defined. Such a thick shell element is preferable in that the prepreg laminated structure in the fiber reinforced resin can be efficiently expressed with a small number of nodes.

本実施形態のシャフトモデル2は、一つの厚肉シェル要素の軸方向長さが1.25mm(軸方向に239分割)、その周方向の長さは中心角が10度(周方向に36分割)に定められているが、適宜変更しうるのは言うまでもない。また、要素eには、1枚の厚肉シェル要素以外にも、複数枚のシェル要素やソリッド要素が用いられても良い。これらのモデル化は、コンピュータとメッシュ化ソフトウエアなどを用いて容易に行うことができる。   In the shaft model 2 of the present embodiment, the axial length of one thick shell element is 1.25 mm (239 divisions in the axial direction), and the circumferential length is 10 degrees in the central angle (36 divisions in the circumferential direction). Needless to say, it can be changed as appropriate. In addition to the single thick shell element, a plurality of shell elements or solid elements may be used as the element e. These modeling can be easily performed using a computer and meshing software.

また、前記各要素eには、「形状」に関する特性及び「材料」に関する特性が予め定義される。形状に関する特性としては、例えば、厚肉シェル要素に内在する層数、形状、繊維材の配向角度、及び繊維材の開始位置などを含む。前記「層数」は、プリプレグの枚数に相当する。また、前記「繊維材の開始位置」が定義されるのは、例えばプリプレグが実際には三角形状である場合、必ずしも矩形状の要素と、その繊維の配向領域とが一致しないときに整合性を確保するためである。   In addition, for each element e, characteristics relating to “shape” and characteristics relating to “material” are defined in advance. The characteristics relating to the shape include, for example, the number of layers inherent in the thick shell element, the shape, the orientation angle of the fiber material, and the start position of the fiber material. The “number of layers” corresponds to the number of prepregs. In addition, the “starting position of the fiber material” is defined, for example, when the prepreg is actually a triangle shape, when the rectangular element does not necessarily match the fiber orientation region. This is to ensure.

また、前記「材料」に関する特性としては、各要素eに内部定義された各々の層の密度、ポアソン比、コスト、厚さ、弾性率及び繊維材の配向角度によって決定される強度異方性等が含まれる。   Further, the characteristics relating to the “material” include strength anisotropy determined by the density, Poisson's ratio, cost, thickness, elastic modulus, and fiber material orientation angle defined internally in each element e. Is included.

次に、シャフトモデル2に、設計変数が定義される(ステップS2)。設計変数は、シャフトモデル2の性能を変更するための候補となる変数を意味する。つまり、設計変数を変えることでシャフトモデル2の性能を変えることができる。この処理は、例えば、コンピュータに予め設計変数毎に許容範囲を定めておき、その中から任意に値が決定されて自動的に行われる。   Next, design variables are defined in the shaft model 2 (step S2). The design variable means a variable that is a candidate for changing the performance of the shaft model 2. That is, the performance of the shaft model 2 can be changed by changing the design variable. This process is performed automatically, for example, by predetermining an allowable range for each design variable in a computer, and arbitrarily determining a value from the range.

前記設計変数は、前記特性の中から選択されても良いし、前記特性を用いた包括的なパラメータとして決定されても良い。実用的な好ましい設計変数としては、例えばシャフトモデル2の内径、繊維強化樹脂の繊維種、各プリプレグの繊維材の配向角度、プリプレグの形状及び積層順の少なくとも一つ、好ましくは2以上、さらに好ましくは全部を含む。これらの設計変数は、ゴルフクラブシャフトの特性に大きな影響を与えるためである。   The design variable may be selected from the characteristics, or may be determined as a comprehensive parameter using the characteristics. Practical preferable design variables include, for example, at least one of the inner diameter of the shaft model 2, the fiber type of the fiber reinforced resin, the orientation angle of the fiber material of each prepreg, the shape of the prepreg, and the stacking order, preferably 2 or more, more preferably Includes everything. These design variables greatly affect the characteristics of the golf club shaft.

上述の通り、繊維強化樹脂製のゴルフクラブシャフトは、シート状のプリプレグをマンドレル(鉄芯)に巻き付け、熱処理によってそのマトリックス樹脂を硬化させた後、マンドレルを脱芯することで製造される。従って、前記「シャフトモデルの内径」は、マンドレルの外径を定めることに等しい。また、シャフトモデル2の内径は、シャフトの強度、曲げ剛性及び重量等の性能に影響を与える重要な因子である。   As described above, a fiber reinforced resin golf club shaft is manufactured by winding a sheet-shaped prepreg around a mandrel (iron core), curing the matrix resin by heat treatment, and then removing the mandrel from the core. Accordingly, the “inner diameter of the shaft model” is equivalent to determining the outer diameter of the mandrel. Further, the inner diameter of the shaft model 2 is an important factor that affects performance such as the strength, bending rigidity, and weight of the shaft.

また、シャフトモデル2の内径は、実際には、軸方向に連続するパラメータである。従って、設計変数としてシャフトモデル2の内径を定義する場合には、例えば、図3に示されるように、離散的な変数として、複数の軸方向位置での内径(例えばD1ないしD5)が適宜決定される。そして、これらの各内径の区間は、テーパ状に連続するものとして定義することができる。   Further, the inner diameter of the shaft model 2 is actually a parameter continuous in the axial direction. Therefore, when the inner diameter of the shaft model 2 is defined as a design variable, for example, as shown in FIG. 3, inner diameters (for example, D1 to D5) at a plurality of axial positions are appropriately determined as discrete variables. Is done. And each section of these inner diameters can be defined as being continuous in a tapered shape.

また、シャフトモデル2の内径は、関数を用いてTIP端(ヘッド側の先端)からBUTT端(グリップ側の後端)まで連続的に定義されても良い。マンドレルの脱型を確保するために、例えばシャフトモデル2の内径は、BUTT端からTIP端に向かって漸減又は段階的に小さく形成されるように制約条件を課すことが有効である。   Further, the inner diameter of the shaft model 2 may be continuously defined from a TIP end (head end on the head side) to a BUTT end (rear end on the grip side) using a function. In order to ensure demolding of the mandrel, for example, it is effective to impose a constraint condition such that the inner diameter of the shaft model 2 is gradually decreased from the BUTT end toward the TIP end or gradually decreased.

前記繊維強化樹脂の繊維種は、炭素繊維、ガラス繊維又はアラミド等の樹脂繊維等の区別を意味する。繊維種は、それぞれ弾性率、密度及びポアソン比等に影響を与える。従って、シャフトモデル2の繊維種を設計変数に含ませることにより、シャフトの強度、曲げ剛性及び重量等の性能を変えることができる。   The fiber type of the fiber reinforced resin means a distinction such as carbon fiber, glass fiber, or resin fiber such as aramid. The fiber type affects the elastic modulus, density, Poisson's ratio, etc., respectively. Therefore, by including the fiber type of the shaft model 2 in the design variable, the performance such as the strength, bending rigidity and weight of the shaft can be changed.

前記繊維材の配向角度は、繊維の長手方向とシャフト軸方向とのなす角度を意味する。配向角度によって、シャフトモデル2の引張弾性率及びせん断弾性率が数倍ないし数100倍近く変化する。従って、繊維強化樹脂の繊維材の配向角度を設計変数に含ませることは重要である。   The orientation angle of the fiber material means an angle formed by the longitudinal direction of the fiber and the shaft axis direction. Depending on the orientation angle, the tensile elastic modulus and shear elastic modulus of the shaft model 2 change several times to nearly several hundred times. Therefore, it is important to include the orientation angle of the fiber material of the fiber reinforced resin in the design variable.

次に、本実施形態では、前記シャフトモデル2の性能を表す互いに異なる複数の目的関数がコンピュータを用いて計算される(ステップS3)。   Next, in this embodiment, a plurality of different objective functions representing the performance of the shaft model 2 are calculated using a computer (step S3).

前記目的関数としては、静的なものとして、例えばシャフトモデル2の強度、曲げ剛性、ねじれ剛性及び重量等を挙げることができる。とりわけ、これらの中から選択される少なくとも2以上、より好ましくは3以上、さらに好ましくは全てを含むことが望ましい。   Examples of the objective function include static, for example, the strength, bending rigidity, torsional rigidity, and weight of the shaft model 2. In particular, it is desirable to include at least 2 or more, more preferably 3 or more, and still more preferably all selected from these.

ただし、目的関数は、動的なものとして、例えば実際のスイング時の運動特性を含ませることができる。これには、例えば、インパクト時にシャフトに発生する最大応力、最大歪及び/又は各種強度則に基づいた強度値などを含むことができる。なお、目的関数は、特定の範囲、例えば〜以上及び/又は〜以下というように、制約条件を課して考慮することもできる。   However, the objective function can include dynamic characteristics during actual swing, for example, as a dynamic function. This can include, for example, strength values based on maximum stress, maximum strain and / or various strength laws that occur on the shaft during impact. It should be noted that the objective function can also be considered by imposing constraints such as a specific range, for example, to above and / or below.

例えば、シャフトモデル2の強度、曲げ剛性、ねじれ剛性及び重量の4つの目的関数は、以下に説明されるよう、有限要素法又は積層理論を用いて計算される。   For example, the four objective functions of the strength, bending stiffness, torsional stiffness and weight of the shaft model 2 are calculated using a finite element method or lamination theory, as will be explained below.

本明細書において、シャフトの「強度」は、製品安全協会で定められているSG式三点曲げ強度試験に基づいて測定される強度を意味している。この試験では、図4に示されるように、2つの支持点t1、t2においてシャフトを下方から支持し、荷重点t3において上方から下方に向かって荷重Fが加えられる。荷重点t3の位置は、支持点t1、t2のスパンSを二等分する位置である。また、荷重点t3は、測定点に一致させて測定がなされる。   In this specification, the “strength” of the shaft means the strength measured based on the SG type three-point bending strength test defined by the Product Safety Association. In this test, as shown in FIG. 4, the shaft is supported from below at two support points t1 and t2, and a load F is applied from above to below at a load point t3. The position of the load point t3 is a position that bisects the span S of the support points t1 and t2. Further, the load point t3 is measured in accordance with the measurement point.

また三点曲げ強度試験は、シャフトの強度をTIP側からBUTT側までの区間で予め定められたT点、A点、B点及びC点の4点について計算される。T点は、シャフトのヘッド側喘から90mmの位置とする。同様に、A及びB点は、それぞれシャフトのヘッド側喘から175mm及び525mmの位置とする。さらに、C点は、グリップ側の端から175mmの位置とする。なお、T点の測定時、上記スパンSは150mmに設定されるが、AないしC点の測定時には、上記スパンSは300mmに設定される。そして、シャフトが破損に至るときの荷重値が製品規格における「強度」として採用される。   In the three-point bending strength test, the strength of the shaft is calculated for four points, T point, A point, B point, and C point, which are determined in advance in the section from the TIP side to the BUTT side. The T point is 90 mm from the head side of the shaft. Similarly, points A and B are located at 175 mm and 525 mm from the head side of the shaft, respectively. Furthermore, point C is set to a position of 175 mm from the end on the grip side. The span S is set to 150 mm when measuring the point T, but the span S is set to 300 mm when measuring the points A to C. The load value when the shaft is damaged is adopted as “strength” in the product standard.

一方、「シャフトモデルの強度」は、本明細書では、便宜上、シャフトモデル2に一定荷重50Nを負荷して三点曲げ試験の有限要素法によるシミュレーション(変形計算)を行い、荷重点の要素及びその周方向に隣り合う要素全てに作用する応力及びひずみの破壊のパラメータが、プリプレグの破断許容値に対してどの程度達しているかという値で定義される。つまり、破壊のパラメータが、その許容値で除した百分率である「強度値」で表されている。なお、50Nという一定荷重値は、実際にシャフトが破壊される荷重と比べれば小さい。しかし、三点曲げ強度試験の際、シャフトの応力−ひずみ関係は線形関係にあるため、便宜的に上記の様に低荷重の際の強度値を採用しても何ら差し支えない。   On the other hand, for the sake of convenience, the “shaft model strength” is defined as follows. For convenience, the shaft model 2 is subjected to a simulation (deformation calculation) by a finite element method of a three-point bending test with a constant load of 50 N. It is defined by the value of how much the fracture parameters of stress and strain acting on all the elements adjacent in the circumferential direction reach the prepreg fracture tolerance. That is, the destruction parameter is represented by “strength value” which is a percentage divided by the allowable value. Note that the constant load value of 50 N is smaller than the load that actually destroys the shaft. However, in the three-point bending strength test, the stress-strain relationship of the shaft is a linear relationship. Therefore, for convenience, the strength value at the time of low load may be adopted as described above.

破壊の基準については、様々な種類がある。ある方向の応力やひずみに着目した「最大応力説」や「最大ひずみ説」、さらには多軸の応力場状態から表現した「Hill」、「Hoffman」、「Tsai−Wu」などである。本明細書において、破壊の基準については「最大応力説」が採用される。   There are various types of destruction criteria. “Maximum stress theory” and “maximum strain theory” focusing on stress and strain in a certain direction, and “Hill”, “Hoffman”, “Tsai-Wu” expressed from multiaxial stress field states, and the like. In this specification, the “maximum stress theory” is adopted as the criterion for fracture.

また、上記「曲げ剛性」、「ねじれ剛性」及び「重量」の各目的関数は、積層理論に基づいて計算される。即ち、シャフトモデル2の曲げ剛性、ねじれ剛性及び重量は、定義されたプリプレグの各種の引張弾性率、せん断弾性率、ポアソン比といった物性値、及び繊維材の配向角度、巻き付け位置、巻き付け枚数及びシャフトモデル2の内径等の形状に関するパラメータの値から材料力学ないし構造力学に基づいて計算される。   The objective functions of “bending rigidity”, “torsional rigidity”, and “weight” are calculated based on the lamination theory. That is, the bending rigidity, torsional rigidity and weight of the shaft model 2 are defined as various physical properties such as tensile elastic modulus, shear elastic modulus and Poisson's ratio of the prepreg, the orientation angle of the fiber material, the winding position, the number of windings and the shaft. It is calculated based on the material mechanics or structural mechanics from the values of the parameters relating to the shape such as the inner diameter of the model 2.

前記曲げ剛性(フレックスとも称される。)は、シャフトのTIP側からBUTT側までの曲げ剛性EIの分布から決定されるシャフトの曲げ方向の硬さであり、順式フレックス又は逆式フレックスが知られている。   The bending stiffness (also referred to as flex) is the hardness in the bending direction of the shaft determined from the distribution of the bending stiffness EI from the TIP side to the BUTT side of the shaft, and the forward flex or the reverse flex is known. It has been.

順式フレックスは、図5に示されるように、シャフトのグリップ側の端2Bから75mm上点と、グリップ側の端2Bから215mmの下点との上下二点を支持点とし、グリップ側の端2Bから1039mmの位置に2.7kgf(26.48N)の荷重を負荷して測定したときのたわみ量を意味する。   As shown in FIG. 5, the forward flex has two upper and lower support points, 75 mm above the grip side end 2B of the shaft and 215 mm below the grip side end 2B. It means the amount of deflection when a load of 2.7 kgf (26.48 N) is applied at a position from 2B to 1039 mm.

また、逆式フレックスは、図6に示されるように、シャフトのヘッド側の端2Tから12mm上点と、ヘッド側の端2Tから152mmの下点との上下二点を支持点とし、ヘッド側の端2Tから932mmの位置に1.3kgf(12.75N)の荷重を負荷して測定したときのたわみ量を意味する。   In addition, as shown in FIG. 6, the reverse flex has two upper and lower points, 12 mm above the shaft head end 2T and 152 mm below the head end 2T. This means the amount of deflection when a load of 1.3 kgf (12.75 N) is applied at a position of 932 mm from the end 2T of the lens.

一般的に、曲げ剛性が大きいシャフト(たわみ量が小さいシャフト)は、打撃時のシャフトの返り(戻り)が早くなるため、ヘッドスピードの遅いプレーヤーにはヘッドが返るタイミングが合わない。このため、ヘッドスピード及び飛距離を低下させる。一方、曲げ剛性が小さいシャフト(たわみ量が大きいシャフト)は、打撃時にヘッドの返りが遅く、フェースが下を向いた状態でインパクトを迎えやすい。このため、打ち出し角が小さくなり、飛距離を低下させる。従って、設計するゴルフクラブシャフトの対象ゴルファーに応じて、曲げ剛性の好ましい範囲が存在する。   Generally, a shaft with a large bending rigidity (a shaft with a small amount of deflection) has a faster return (return) of the shaft at the time of hitting, and therefore the timing of returning the head does not match the player with a slow head speed. For this reason, head speed and flight distance are reduced. On the other hand, a shaft with a small bending rigidity (a shaft with a large amount of deflection) has a slow head return at the time of impact, and is likely to have an impact with the face facing downward. For this reason, the launch angle is reduced and the flight distance is reduced. Accordingly, there is a preferred range of bending rigidity depending on the golfer shaft target golfer to be designed.

この曲げ剛性は、シャフトモデル2の各要素eに定義されたパラメータを用いて前記積層理論より計算できる。本実施形態において、シャフトモデル2の曲げ剛性は、順式フレックスと逆式フレックスとをそれぞれ古典的な積層理論から計算し、それらの和をある一定値となるように最適化を行った値として定義される。   This bending stiffness can be calculated from the lamination theory using parameters defined for each element e of the shaft model 2. In this embodiment, the bending rigidity of the shaft model 2 is calculated by calculating the forward flex and the reverse flex from the classic lamination theory, respectively, and optimizing the sum to be a certain constant value. Defined.

また、シャフトの「ねじれ剛性」は、図7に示されるように、シャフトのヘッド側の端2Tから40mmの位置を固定し、ヘッド側の端2Tから865mmの位置に13.9Nのトルクをかけたときのねじれ角で表される(トルクとも言われることがある。)。ねじれ剛性が大きいシャフトは、シャフト重量が大きく、振り抜き難いクラブとなる。一方、ねじれ剛性が小さいシャフトは、ヘッドが返り難くなるため、ねじれたままインパクトを迎えることになり、スライスなど打球方向性が悪くなる。従って、設計するゴルフクラブシャフトの対象ゴルファーに応じて、ねじれ剛性の好ましい範囲が存在する。このねじれ剛性も、シャフトモデル2の各要素eに定義されたパラメータを用いて、上記積層理論より計算することができる。   Further, as shown in FIG. 7, the “torsional rigidity” of the shaft is fixed at a position 40 mm from the end 2T on the head side of the shaft, and a torque of 13.9 N is applied to a position 865 mm from the end 2T on the head side. It is represented by the twist angle at the time (sometimes referred to as torque). A shaft having a large torsional rigidity has a large shaft weight and is difficult to swing out. On the other hand, a shaft with low torsional rigidity makes it difficult for the head to return, and therefore impacts while being twisted, resulting in poor hitting direction such as slicing. Accordingly, there is a preferred range of torsional rigidity depending on the golfer shaft target golfer to be designed. This torsional rigidity can also be calculated from the above lamination theory using the parameters defined for each element e of the shaft model 2.

本実施形態では、シャフトモデル2の重量は、プリプレグの密度×面積×厚さで計算される。一般的に、ヘッドスピードの向上のためには、重量を最小化することが望ましいと言える。   In the present embodiment, the weight of the shaft model 2 is calculated by the density of the prepreg × area × thickness. In general, it can be said that it is desirable to minimize the weight in order to improve the head speed.

次に、前記設計変数と前記目的関数との関係を結びつける近似応答関数がコンピュータにより生成される(ステップS4)。   Next, an approximate response function that links the relationship between the design variable and the objective function is generated by the computer (step S4).

この近似応答関数の生成に先立ち、例えば複数の目的関数をスカラー化する処理が行われる。互いに独立した複数の目的関数を最適化するシャフトモデル2の設計変数を探索するためには、何らかの重み付け条件を与えないと評価を行うことができない。そこで、本実施形態では、重み係数を各目的関数の値に乗じて加算等することにより、複数の目的関数をスカラー化することが行われる。これにより、重視すべき目的関数を決定することができる。   Prior to the generation of the approximate response function, for example, a process of scalarizing a plurality of objective functions is performed. In order to search for a design variable of the shaft model 2 that optimizes a plurality of objective functions independent from each other, evaluation cannot be performed unless some weighting condition is given. Therefore, in the present embodiment, a plurality of objective functions are scalarized by multiplying the value of each objective function by a weighting coefficient and adding it. Thereby, an objective function to be emphasized can be determined.

スカラー化を実現する具体的な方法については、特に限定されるものではないが、例えば線形結合(一般式は下式(1)参照)やチェビシェフ型(一般式は下式(2)参照)などを採用できる。
F=w・f+w・f+…+w・f …(1)
F=Max{w・f,w・f,…,w・f} …(2)
ただし、符号は次の通りである。
F:目的関数のスカラー値
:各目的関数の値を正規化したもの
:各目的関数に対する係数
A specific method for realizing the scalarization is not particularly limited. For example, linear combination (see the following formula (1) for the general formula), Chebyshev type (see the following formula (2) for the general formula), and the like. Can be adopted.
F = w 1 · f 1 + w 2 · f 2 +... + W r · f r (1)
F = Max {w 1 · f 1 , w 2 · f 2 ,..., W r · f r } (2)
However, the symbols are as follows.
F: scalar value of objective function f i : normalized value of each objective function w i : coefficient for each objective function

また、近似応答関数は、設計変数a1、a2…anと、目的関数のスカラー値Fとの間を、例えばニューラルネットワークを用いて関係付けるものである。図8には、一例として、2つの重み付け係数a1及びa2と、目的関数のスカラー値Fとを関係付ける三次元曲面からなる近似応答関数が例示される。   Further, the approximate response function associates the design variables a1, a2,... An with the scalar value F of the objective function using, for example, a neural network. As an example, FIG. 8 illustrates an approximate response function including a three-dimensional curved surface that relates two weighting coefficients a1 and a2 and a scalar value F of an objective function.

近似応答関数は、具体的に設定されなかった設計変数a1及びa2の位置における解析結果(スカラー値F)を補間し、最適化の候補の予想を可能とする。従って、最適解を効率良くかつ短時間で探索するには、このような近似応答関数を生成することが特に重要である。近似応答関数は、慣例に従って、種々の方法で実現することができるが、例えば応答曲面法(RSM:Response Surface Methodology)、動径基底関数(RBF:Radial Basis Function)又はKriging法などが好適に用いられる。   The approximate response function interpolates the analysis result (scalar value F) at the positions of the design variables a1 and a2 that are not specifically set, and enables optimization candidates to be predicted. Therefore, it is particularly important to generate such an approximate response function in order to search for an optimal solution efficiently and in a short time. The approximate response function can be realized by various methods according to the custom, and for example, a response surface method (RSM), a radial basis function (RBF) or a Kriging method is preferably used. It is done.

RSM、RBF、Krigingの順に近似精度は向上するが、計算コストがかかる手法となる。本実施形態のように「材料の種類」という離散的な設計変数が含まれているため、設計変数と目的関数との関係は非線形の強いものになる。また、プリプレグ毎の材料の種類や繊維材の配向角度を含むため、設計変数の数も多くなり計算コストがかかる。このような理由から、非線形性の強い関数を表現することができ、かつ、計算コストがそれほど大きくないRBFが好適である。   Although approximation accuracy is improved in the order of RSM, RBF, and Kriging, it is a method that requires calculation cost. Since the discrete design variable “type of material” is included as in the present embodiment, the relationship between the design variable and the objective function becomes strongly nonlinear. Moreover, since the kind of material for every prepreg and the orientation angle of a fiber material are included, the number of design variables increases and calculation cost starts. For this reason, an RBF that can express a highly nonlinear function and does not have a very high calculation cost is preferable.

前記RBFは、ニューラルネットワークの一種であり、ガウス関数を重ね合わせていくことで、表現される近似応答曲面である。入力(設計変数)と出力(目的関数)とが、非常に非線形の強い関係であっても精度良く表現することが可能である点で望ましい。また、RBFは、通常のニューラルネットワークとは異なり、バックプロパゲーションを必要としないため、近似関数を生成するための計算コストも小さく抑えることができる。   The RBF is a kind of neural network and is an approximate response surface expressed by superimposing Gaussian functions. This is desirable because the input (design variable) and the output (objective function) can be expressed with high accuracy even if the relationship is very nonlinear. In addition, unlike an ordinary neural network, RBF does not require backpropagation, so that the calculation cost for generating an approximate function can be reduced.

次に、本実施形態では、生成された近似応答関数から複数の最適解がコンピュータにより探索される(ステップS5)。近似応答関数から最適解を探索する手法には、慣例に従い、例えば遺伝的アルゴリズム、勾配法又は焼きなまし法などが採用される。また、複数の最適解とは、例えばランク付けされた場合に、上位数十〜数百個の解を含むことができる。   Next, in the present embodiment, a plurality of optimal solutions are searched by the computer from the generated approximate response function (step S5). As a method for searching for an optimal solution from the approximate response function, a genetic algorithm, a gradient method, an annealing method, or the like is employed in accordance with the custom. The plurality of optimal solutions can include, for example, the top tens to hundreds of solutions when ranked.

次に、探索された最適解が満足できるものか否かがコンピュータによって判断され(ステップS6)、それが真(ステップS6でY)の場合、ステップS7へと移る。他方、得られた最適化では満足し得ない場合(ステップS6でN)、再度、設計変数を変えてステップS2以降が繰り返され、最適化の探索が引き続き行われる。ステップS6での判定は、例えば予め定められた最適化前の目的関数の変化率(向上率)などを基準として、コンピュータにより自動的に行われる。   Next, the computer determines whether or not the searched optimum solution is satisfactory (step S6). If it is true (Y in step S6), the process proceeds to step S7. On the other hand, if the obtained optimization cannot be satisfied (N in step S6), the design variable is changed again and step S2 and subsequent steps are repeated, and the optimization search is continued. The determination in step S6 is automatically performed by a computer based on, for example, a predetermined change rate (improvement rate) of an objective function before optimization.

次に、上記ステップS6で得られた複数の最適解の中からデータ包絡分析法を用いてパレート解を得るステップがコンピュータにより行われる(ステップS7)。   Next, a step of obtaining a Pareto solution using the data envelope analysis method from among the plurality of optimum solutions obtained in step S6 is performed by the computer (step S7).

ステップS5の最適化計算では、複数の最適解、が導出される。設計者は、これら複数の最適解をそれぞれ分析し、その中から設計者にとって真に最適なものを選択する必要がある。しかしながら、解の数が多くなるとこれは簡単な作業ではない。一方、最適解の出力数を絞りすぎると、設計自由度が低下する。   In the optimization calculation in step S5, a plurality of optimum solutions are derived. The designer needs to analyze each of the plurality of optimal solutions and select a truly optimal one for the designer. However, this is not an easy task as the number of solutions increases. On the other hand, if the number of outputs of the optimum solution is too narrow, the degree of freedom in design decreases.

本発明では、これらの複数の最適解の分析を能率化して設計者の負担を減らすために、データ包絡分析法(Data Envelopment Analysisとも呼ばれ、以下、単に「DEA」と言うことがある。)が用いられる。これにより、複数の最適解の中から、パレート解と、その特徴を分析することが可能となる。そして、設計者は、このパレート解に基づいて、ゴルフクラブシャフトの前記各設計変数を容易に決定することができる(ステップS7)。   In the present invention, a data envelope analysis method (also referred to as Data Envelopment Analysis, hereinafter simply referred to as “DEA”) in order to streamline the analysis of the plurality of optimal solutions and reduce the burden on the designer. Is used. Thereby, it is possible to analyze the Pareto solution and its characteristics from among the plurality of optimum solutions. The designer can easily determine the design variables of the golf club shaft based on the Pareto solution (step S7).

データ包絡分析法は、事業体の効率性を分析する手法として知られている。即ち、DEAでは、事業体を、設備投資、人員及び販売エリア等のパラメータ(設計変数)を入力として、売上げ、収益性及び成長性等の複数のパラメータ(目的関数)を出力する生産関数とみたて、その変換過程の効率性を測定する、という考え方に基づいて評価を行う手法である。   Data envelopment analysis is known as a method for analyzing the efficiency of an entity. That is, in DEA, a business entity is regarded as a production function that receives parameters (design variables) such as capital investment, personnel, and sales area as inputs, and outputs a plurality of parameters (objective functions) such as sales, profitability, and growth potential. This is an evaluation method based on the idea of measuring the efficiency of the conversion process.

本発明では、このDEAがゴルフクラブシャフトの設計に採用される。例えば、図9(a)に示されるように、シャフトモデル2の内径、繊維強化樹脂の繊維種及び/又は繊維材の配向角度を設計変数とし、シャフトモデルの強度、曲げ剛性、ねじれ剛性及び/又は重量といった目的関数を出力する設計関数が評価される。   In the present invention, this DEA is adopted in the design of the golf club shaft. For example, as shown in FIG. 9 (a), the inner diameter of the shaft model 2, the fiber type of the fiber reinforced resin, and / or the orientation angle of the fiber material are used as design variables, and the strength, bending rigidity, torsional rigidity, and / or Alternatively, a design function that outputs an objective function such as weight is evaluated.

図9(b)には、2つの目的関数J1、J2(例えばシャフトモデル2の強度と重量)とした場合のいくつかの解がプロットされている。縦軸、横軸は、いずれも原点から遠ざかる向きが目標(性能良)とする。   FIG. 9B plots several solutions when two objective functions J1 and J2 (for example, the strength and weight of the shaft model 2) are used. In both the vertical and horizontal axes, the direction away from the origin is the target (good performance).

目的関数J1のみで評価した場合、解Dが最も良くなる。一方、目的関数J2のみで評価した場合、解Aが最も良くなる。目的関数J1、J2の平均値で評価した場合、破線で示されるJ2=J1の直線上に各解を投影した点で評価され、この場合には解Bが最も良くなる。さらに、解Eにとって最も有利となる評価線は、原点OとEとを通る直線Zになるが、解Eはこの直線を用いても最も高い評価にはならない。   When the evaluation is performed only with the objective function J1, the solution D is the best. On the other hand, when the evaluation is performed only with the objective function J2, the solution A is the best. When the evaluation is performed using the average value of the objective functions J1 and J2, the evaluation is performed at the point where each solution is projected on the straight line of J2 = J1 indicated by the broken line. In this case, the solution B is the best. Further, the evaluation line that is most advantageous for the solution E is a straight line Z passing through the origins O and E, but the solution E does not give the highest evaluation even if this straight line is used.

DEAでは、最も自分の評価が高くなるような評価線を選んで評価が行われる。他の解についても、この評価線を用いて評価が行われる。さらに、DEAでは、解A、B、C及びDのように、自分が最も評価が高くなる解を結ぶ線がフロンティアラインとして得られる。なお、フロンティアラインでは、両端の解A及び解Dからはそれぞれ縦軸、横軸に垂線が引かれる。また、フロンティアライン上にある点はパレート解となり、効率値1として評価される。   In DEA, evaluation is performed by selecting an evaluation line that gives the highest evaluation. Other solutions are also evaluated using this evaluation line. Further, in DEA, a line connecting solutions with the highest evaluation, such as solutions A, B, C, and D, is obtained as a frontier line. In the frontier line, vertical lines and horizontal axes are drawn from the solutions A and D at both ends, respectively. A point on the frontier line is a Pareto solution and is evaluated as an efficiency value of 1.

従って、ステップS5で得られた複数の最適解の中からコンピュータを用いてフロンティアライン上のパレート解をピックアップすることにより、設計者は、より絞られた最適解だけを評価することができ、設計効率を向上させることができる。   Therefore, by picking up a Pareto solution on the frontier line using a computer from the plurality of optimal solutions obtained in step S5, the designer can evaluate only the more optimal solution. Efficiency can be improved.

さらに、DEAでは、フロンティアラインの内部にある解、例えば解Eの効率値は、前記直線Zとフロンティアラインとの交点をPとすると、OE/OPで表される。従って、他の実施形態として、ステップS5で得られた複数の最適解の中からコンピュータを用いてフロンティアライン上の解及び効率値が予め定めた閾値以上のものをピックアップすることもできる。この場合、上記実施形態の場合に比べて、設計者が評価すべき解の数は増えるが、解の過度の増加を抑えつつ設計の自由度を向上させるのに役立つ。   Further, in DEA, the efficiency value of a solution inside the frontier line, for example, the efficiency value of the solution E is expressed by OE / OP, where P is the intersection of the straight line Z and the frontier line. Therefore, as another embodiment, it is also possible to pick up a solution having a solution on the frontier line and an efficiency value that are equal to or greater than a predetermined threshold from among a plurality of optimum solutions obtained in step S5 using a computer. In this case, the number of solutions to be evaluated by the designer increases as compared with the case of the above-described embodiment, but it is useful for improving the degree of design freedom while suppressing an excessive increase in the solutions.

なお、上記DEAでは、目的関数が2つの場合を例に挙げて説明したが、3以上の目的関数を用いても同様の処理を行うことができる。   In the DEA, the case where there are two objective functions has been described as an example, but the same processing can be performed using three or more objective functions.

以上本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記の具体的な実施形態に限定されるものではなく、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the paper of the present invention. Can do.

以下、本発明をより具現化した実施例について述べる。
本実施例では、図10に示した8枚のプリプレグの配向角度(図10に示される角度は最適化前の値である)を設計変数とし、最適化が行われた。シャフトの内径、プリプレグの形状、繊維材の種類及び重量についてはいずれも一定とした。
Embodiments that further embody the present invention will be described below.
In this example, the optimization was performed using the orientation angle of the eight prepregs shown in FIG. 10 (the angle shown in FIG. 10 is a value before optimization) as a design variable. The inner diameter of the shaft, the shape of the prepreg, the type and weight of the fiber material were all constant.

[設計変数(配向角度)]
配向角度の考え方として、以下のルールを与えた。先ず、プリプレグの形状が等しくかつ繊維材の配向角度を異ならせて重ねられるバイアス層(例えば、プリプレグA2とプリプレグA3の組み合わせやプリプレグA5とA6の組み合わせを言う。)については、表1のように、予めバイアス層の角度の組み合わせを決定しておき、その中から選ぶものとした。表1の組み合わせは、ねじれ剛性の異方性を排除するために決定されており、軸方向の弾性率が大きい順番に並べられている。また、バイアス層以外の層については、繊維材の配向角度は、0度又は90度に決定される。また、本実施例では、バイアス層は、軸方向の弾性率が大きい順番に連続番号(本実施形態では1〜20の連続変数)が付されている。設計変数であるバイアス層の角度は、離散変数であるが、上述のように、バイアス層に、軸方向の弾性率が大きい順番に連続変数を与えてやることにより、図11(a)に示されるように、それに応じて滑らかな目的関数(軸方向の弾性率)の関係を表す近似応答曲面を形成できる。これは、図11(b)に示されるように、近似応答曲面が非線形化するのを抑えて、最適解を早期に発見させるのに役立つ。
[Design variables (orientation angle)]
The following rules were given as the orientation angle. First, as shown in Table 1, bias layers (for example, a combination of prepreg A2 and prepreg A3 and a combination of prepregs A5 and A6) that are stacked with the same prepreg shape and different orientation angles of the fiber material are used. The combination of the bias layer angles is determined in advance, and the bias layer angle is selected from them. The combinations in Table 1 are determined in order to eliminate the anisotropy of torsional rigidity, and are arranged in order of increasing elastic modulus in the axial direction. For the layers other than the bias layer, the orientation angle of the fiber material is determined to be 0 degree or 90 degrees. In this embodiment, the bias layers are assigned consecutive numbers (in this embodiment, continuous variables of 1 to 20) in descending order of the elastic modulus in the axial direction. The angle of the bias layer, which is a design variable, is a discrete variable. As described above, by giving continuous variables to the bias layer in descending order of the elastic modulus in the axial direction, it is shown in FIG. Accordingly, an approximate response surface representing the relationship between a smooth objective function (axial elastic modulus) can be formed accordingly. As shown in FIG. 11B, this is useful for making it possible to find an optimal solution at an early stage while suppressing the approximate response surface from becoming non-linear.

Figure 0005476025
Figure 0005476025

[目的関数]
シャフトモデルの強度、曲げ剛性及びねじれ剛性を目的関数とした。なお、強度は、上述の4点(T点、A点、B点及びC点)の強度値として、前記各4点での繊維の配向方向に沿った応力と、前記各4点でのプリプレグ層間のせん断応力とした。上記応力については、最大応力説を破壊の基準とし、これを最小化することを目標とした。
[Objective function]
The strength, bending rigidity and torsional rigidity of the shaft model were used as objective functions. In addition, the strength is the stress value along the fiber orientation direction at each of the four points and the prepreg at each of the four points as the strength values of the above four points (T point, A point, B point, and C point). Interlaminar shear stress. With regard to the above stress, the maximum stress theory was used as a criterion for fracture, and the goal was to minimize it.

また、「曲げ剛性」については、最適化前後で変化しないことを目標値とした。具体的には、「最適化後の曲げ剛性」−「最適化前の曲げ剛性」の最小化を目標とした。   In addition, the target value for “bending rigidity” is that it does not change before and after optimization. Specifically, the objective was to minimize “flexural rigidity after optimization” − “flexural rigidity before optimization”.

同様に、「ねじれ剛性」についも最適化前後で変化しないことを目標値とした。具体的には、「最適化後のねじれ剛性」−「最適化前のねじれ剛性」の最小化を目標とした。   Similarly, the target value for “torsional rigidity” does not change before and after optimization. Specifically, the goal was to minimize “torsional rigidity after optimization” − “torsional rigidity before optimization”.

[最適化結果]
表2に最適化前後の設計変数の値を示す。また、表3に最適化前後の目的関数の値を示す。さらに、その変化の割合が図12に示される。これらの符号において、T、A〜Cは、測定点の位置を示し、添字"11"は繊維材の長手方向の応力、添字"12"はプリプレグの層間のせん断応力をそれぞれ意味している。
[Optimization result]
Table 2 shows design variable values before and after optimization. Table 3 shows objective function values before and after optimization. Further, the rate of change is shown in FIG. In these symbols, T and A to C indicate the positions of the measurement points, the subscript “11” means the stress in the longitudinal direction of the fiber material, and the subscript “12” means the shear stress between the layers of the prepreg.

最適化の結果、曲げ剛性(EI)とねじれ剛性(TQ)とをほぼ一定に保ちつつ、各点の強度が改善(応力が減少)されていることがわかる(ただし、C点の層間せん断についてのみやや悪化が見られるが、これは許容範囲である)。   As a result of optimization, it can be seen that the strength at each point is improved (stress is reduced) while the bending rigidity (EI) and torsional rigidity (TQ) are kept substantially constant (however, the interlaminar shear at the C point) Only slightly worse, but this is acceptable).

Figure 0005476025
Figure 0005476025

Figure 0005476025
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また、図13には、DEAの効率値が高いものから順位付けしたグラフを示す。図13において、各棒グラフの中の内訳は、各目的関数の「重要度」です。それぞれ目的関数を軸とした多次元空間におけるフロンティアラインのパレート解である。そしてm各内訳は、どれだけそれぞれの目的関数を重視したかという割合を示している。従って、この内訳を見ることにより、各パレート解の特徴を知ることができる。そして、設計者は、このトップ10位の結果から、例えば強度が最も低くなりやすいB点の効率値が大きい3又は6などを選択し、設計データとして利用することができる。なお、本実施形態のDEAは、超CCRモデルを使用している。   FIG. 13 shows a graph ranked in descending order of DEA efficiency value. In FIG. 13, the breakdown in each bar graph is the “importance” of each objective function. Each is a Pareto solution of a frontier line in a multidimensional space around the objective function. Each breakdown shows the ratio of how much importance is attached to each objective function. Therefore, the characteristics of each Pareto solution can be known by looking at the breakdown. Then, the designer can select, for example, 3 or 6 having a large efficiency value at the point B where the strength tends to be the lowest from the results of the top 10 and use it as design data. Note that the DEA of this embodiment uses a super CCR model.

2 シャフトモデル 2 Shaft model

Claims (4)

一方向に配向された繊維材を未硬化樹脂に含浸させたシート部材である複数のプリプレグ用いて製造された繊維強化樹脂からなるゴルフクラブシャフトを設計する方法であって、
有限個の要素を用いてゴルフクラブシャフトをモデル化することにより、コンピュータで数値計算が可能なシャフトモデルを得るステップと、
前記シャフトモデルの設計変数を定義するステップと、
前記ステップで設定されたシャフトモデルの性能を表す互いに異なる複数の目的関数をコンピュータを用いて計算するステップと、
前記設計変数と前記目的関数との関係を結びつける近似応答関数を生成するステップと、
前記近似応答関数に基づいて前記目的関数を最適化する複数の最適解を得るステップと、
上記で得られた前記複数の最適解の中からデータ包絡分析法を用いてパレート解を得るステップと、
前記パレート解に基づいてゴルフクラブシャフトの前記各設計変数を設定するステップとを含み、
前記設計変数は、前記繊維材の配向角度を含み、
前記プリプレグは、プリプレグの形状が等しくかつ繊維材の配向角度を異ならせて重ねられる2枚からなるバイアス層を含み、
前記バイアス層は、予め、前記繊維材の角度の組み合わせが決定されたものの中から選択され、
前記繊維材の角度の組み合わせは、軸方向の弾性率が大きい順番に、前記目的関数を表すための連続変数が定義されていることを特徴とするゴルフクラブシャフトの設計方法。
A method of designing a golf club shaft made of a fiber reinforced resin manufactured using a plurality of prepregs which are sheet members obtained by impregnating a fiber material oriented in one direction with an uncured resin ,
Modeling a golf club shaft with a finite number of elements to obtain a shaft model that can be numerically calculated by a computer;
Defining design variables for the shaft model;
Calculating a plurality of different objective functions representing the performance of the shaft model set in the step using a computer;
Generating an approximate response function that links the relationship between the design variable and the objective function;
Obtaining a plurality of optimal solutions for optimizing the objective function based on the approximate response function;
Obtaining a Pareto solution using a data envelope analysis method from among the plurality of optimal solutions obtained above;
Viewing including the step of setting the each design variable of the golf club shaft on the basis of the Pareto solution,
The design variable includes an orientation angle of the fiber material,
The prepreg includes a bias layer composed of two sheets that have the same prepreg shape and are stacked with different fiber orientation angles,
The bias layer is selected from those in which the combination of the angles of the fiber materials is determined in advance,
The golf club shaft design method is characterized in that a continuous variable for expressing the objective function is defined in the order of increasing axial elastic modulus for the combination of the angles of the fiber materials .
前記設計変数は、シャフトモデルの内径、繊維強化樹脂の繊維種、強化樹脂を構成するプリプレグ形状、及びプリプレグの積層順の少なくとも一つを含む請求項1記載のゴルフクラブシャフトの設計方法。
The golf club shaft design method according to claim 1, wherein the design variable includes at least one of an inner diameter of a shaft model, a fiber type of a fiber reinforced resin , a shape of a prepreg constituting the reinforced resin , and a stacking order of the prepreg.
前記目的関数は、前記シャフトモデルの強度、曲げ剛性、ねじれ剛性及び重量の中から選択される2以上を含む請求項1又は2記載のゴルフクラブシャフトの設計方法。   The golf club shaft design method according to claim 1, wherein the objective function includes two or more selected from strength, bending rigidity, torsional rigidity, and weight of the shaft model. 請求項1記載のゴルフクラブシャフトの設計方法を用いてゴルフクラブシャフトを製造することを特徴とするゴルフクラブシャフトの製造方法。   A golf club shaft manufacturing method using the golf club shaft designing method according to claim 1.
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