JP5673081B2 - ゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析することにより該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価するシミュレーション方法に関する。
ゴルフクラブをスイングしたときクラブ先端に取り付けられたクラブヘッドは、ドライバーなどの長尺なものでは40〜50m/sもの速度に達するが、物体が大気中をこのような高速で移動する場合は、物体の周囲に気流の乱れが生じることが知られている。この場合、物体の形状によって周囲を流れる気流の乱れは複雑になり、物体の運動に大きな影響を及ぼすこととなる。
ゴルフクラブのクラブヘッドについては、特にウッド型のクラブにあっては三次元的に複雑な形状を有し、また上記のように高速で移動することから、その形状が空力特性に及ぼす影響は大きく、スイング時の振り抜け感やクラブヘッドの軌道安定性などに影響することも考えられる。このためクラブヘッドの形状と空力特性との因果関係を把握することは、クラブの開発に大きく寄与するものである。
通常、クラブヘッドのような物体の形状を変化させることによる空力特性の変化を調べるに当たっては、形状の異なる多数の実物モデルを実際に作製し、風洞実験を行なって気流の変化を調べたり、スイングロボットでスイングさせたときの軌道や速度変化を調べることによって、空力特性を評価することが行なわれる。
しかしながら、このような実物モデルによる試験評価は、多大な時間と費用を必要とすることに加えて、得られた気流の変化から明確な空力特性を知ることは難しく、またその空力特性とクラブヘッドの性能との因果関係を明確に関連づけることは必ずしも容易ではない。そのため、実験によって得られた評価結果に基づき新たに設計したクラブヘッドが狙いどおりの性能を発揮するに至らないことがしばしば起こる。このような場合、その都度クラブヘッドの設計及び試作をやり直して、空力特性を確かめる必要があり、時間と費用が更に発生するため、効率的にクラブの開発ができないという問題がある。
なお、本発明に関する先行技術文献としては、本願のようなクラブヘッドについてのものは見当たらないが、ゴルフボールの空力特性についての下記文献を挙げることができる。
特開2006−275722号公報 特許第03626113号公報 特許第03532528号公報 特許第03477694号公報
本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、ゴルフクラブのクラブヘッドの空力特性を実物モデルによる試験評価によらずに評価して、効率的にゴルフクラブを開発することができる方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため、下記のシミュレーション方法を提供する。
〔1〕 ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析することにより該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価するシミュレーション方法であって、
(A)コンピューターにおいて設定される仮想空間内に、評価対象のクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域を設定し、
(B)上記気流仮想領域の下面に地面を想定した壁面を設定して気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを設定すると共に、この地面を想定した壁面上に、芝生を想定した凹凸を設け
(C)上記気流仮想領域を多数の格子区画で上記クラブヘッドモデルの表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画し、
(D)上記気流仮想領域にクラブヘッドモデル前方から所定速度の気流が流入する状態を設定してこの状態を、スイングによって上記クラブヘッドモデルが大気中を上記所定速度で運動するときの状態として、上記気流仮想領域内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出し、
(E)各々の格子区画において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気体流が発生した気流仮想領域内において上記クラブヘッドモデルに作用する力を算出することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
〔2〕 ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析することにより該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価するシミュレーション方法であって、
(A)コンピューターにおいて設定される仮想空間内に、評価対象のクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域を設定し、
(B)上記気流仮想領域の下面に地面を想定した壁面を設定して気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを設定すると共に、この地面を想定した壁面上に、芝生を想定した凹凸を設け
(C)上記気流仮想領域を多数の格子区画で上記クラブヘッドモデルの表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画し、
(D)上記気流仮想領域にクラブヘッドモデル前方から所定速度の気流が流入する状態を設定してこの状態を、スイングによって上記クラブヘッドモデルが大気中を上記所定速度で運動するときの状態として、上記気流仮想領域内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出し、
(E)各々の格子区画において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気体流が発生した気流仮想領域内において上記クラブヘッドモデルに作用する力を算出し、
(F)上記(A)〜(E)の操作を、上記クリアランス及び上記気流の速度を変えて繰り返し実施し、得られた各々のクリアランス及び気流の速度における結果をマッピングして予め基準マップを作成し、
(G)上記基準マップから、所定クリアランス及び所定速度におけるクラブヘッドに作用する力を推定することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
〔3〕 クラブヘッドの左右方向をx軸、上下方向をy軸、前後方向をz軸として、クラブヘッドに作用するこれら各軸方向の力を推定する〔1〕又は〔2〕記載のゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
〕 ウッド型クラブヘッドの空力性能を評価する〔1〕〜〔〕のいずれか1項に記載のゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
〕 〔1〕〜〔〕のいずれか1項に記載のシミュレーション方法により得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線又は等圧面によって可視化して解析することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
〕 〔1〕〜〔〕のいずれか1項に記載のシミュレーション方法により得られる気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流の流線、流跡線、パーティクルトレース又はボリュームレンダリングを可視化して解析することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
このクラブヘッドの評価シミュレーション方法によれば、実物モデルによる試験評価を実施することなく、ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流を解析して該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定することができ、これによりクラブヘッドの空力性能を評価することができる。この場合、本発明では、地面を設定することにより実際に球をショットするとき(地面があるとき)と同等の気流を解析することができ、より正確な評価を行なうことができる。また、地面とクラブヘッド下面とのクリアランスも設定するため、いろいろなゴルファーを想定した解析、評価が可能である。
従って、本発明のクラブヘッドの評価シミュレーション方法によれば、実物モデルによる試験評価を実施する必要なく、設計されたクラブヘッドの空力特性を評価して、効率的にゴルフクラブを開発することができるものである。
本発明のクラブヘッドの評価シミュレーション方法により、クラブを所定速度でスイングしたときにクラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定することができ、複雑な形状を有するクラブヘッドを実物モデルによる試験評価によらずに評価して、スイング時の振り抜け感やクラブヘッドの軌道安定性などを推定評価することができる。
その結果、クラブヘッドの形状評価の時間が短縮され、また、評価の正確性、客観性も向上することから、クラブの種類やグレードに合わせてより高性能な製品を効率よく開発することができる。
本発明の方法おけるクラブヘッドモデルと気流仮想領域を説明するための概念斜視図である。 図1のクラブヘッドモデルの中心を通る横断面図を示す概念図である。 本発明におけるクラブヘッドモデルの一例を示す斜視図である。 本発明における気流仮想領域に形成される格子区画の形状の具体例を示す図である。 実施例1,2で行なったシミュレーションで推定されたクラブヘッドに作用する力を示すグラフである。 実施例1のシミュレーションにより得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線によって可視化した図である。 実施例1のシミュレーションにより得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流の流線を可視化した図である。 実施例2のシミュレーションにより得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線によって可視化した図である。 実施例2のシミュレーションにより得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流の流線を可視化した図である。
以下、図面を参照して、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明のシミュレーション方法は、ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析し、該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定する方法である。
本発明のシミュレーション方法では、まず、(A)コンピューターにおいて設定される仮想空間内に、所定形状を有するクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域を設定する。
このコンピューターによるクラブヘッドモデルと気流仮想領域の設定に関し、図1及び図2にその一例を示す。
図1は仮想空間内にクラブヘッドモデルと気流仮想領域を設定した状態の一例を示す概念斜視図、図2は図1のクラブヘッドモデルの中心を通る横断面図であり、格子区画の一例を示す概念図である。
本発明では、まず、図1に示されるように、(A)仮想空間内にクラブヘッドモデル1と気流仮想領域2を設定する。このクラブヘッドモデル1は、例えば図3に示したように、3DCADなどにより作成することができ、気流仮想領域2は、図1のように、このクラブヘッドモデル1の中心から三次元xyz各軸方向に、それぞれクラブヘッドモデル1のサイズの±5〜±150倍の直方体形状の範囲として設定することができる。この気流仮想領域2は、クラブヘッドの運動に影響を与えるクラブヘッド周囲の気体流をほぼ網羅する範囲とすることが必要であるが、ゴルフクラブから遠方の気体流はゴルフクラブの運動への影響が小さく、また気流仮想領域の大きさが小さすぎるとシミュレーション精度が低下するため、気流仮想領域2の大きさはシミュレーションの効率又は精度の点から上記範囲が好適である。
ここで、気流仮想領域2は、特に制限されるものではないが、図1に示されているように、クラブヘッドモデル1の前方側Fよりも後方側Bを長く設定することが好ましい。即ち、気流が変化する範囲が比較的小さい前方側は計算時間短縮のために短く設定し、一方気流の変化が生じやすい後方側は精度を高めるために長く設定することが好ましい。例えば、前方側の長さFを50cm、後方側の長さBを1mとした直方体を一例として例示することができる。
また、図1には明確には図示していないが、(B)上記気流仮想領域2の下面21には地面を想定した壁面を設定して、この気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、この閉鎖面(下面)21とクラブヘッド1下面との間のクリアランスを設定する。
ここで、特に制限されるものではないが、上記気流仮想領域2の下面に設定した地面を想定した壁面21上に、芝生を想定した凹凸を設けることもでき、これによって更に実際の使用状況に近い設定でシミュレーションを行なうことができる。また、上記クラブヘッドモデル1は、ウッド型でもアイアン型でもその他の形状のものであってもよいが、本発明シミュレーション方法は、特にヘッドスピードが速い領域で使用され、空力特性が性能や使用感に与える影響が大きいウッド型クラブヘッドのシミュレーションに好適である。
次に、図2に示されているように、(C)上記気流仮想領域2を多数の格子区画22で上記クラブヘッドモデル1の表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画する。
具体的には、まず、クラブヘッドモデル1の表面を例えば一辺を約0.002mmに区画して、三角形、四角形等の多辺形、又は略三角形、略四角形等の略多辺形の面区画を多数設定し、この各々の面区画を一面とするクラブヘッドモデル表面に隣接した格子区画を設定する。クラブヘッドモデル表面に隣接する格子区画は、略四角柱形状等の略多角柱形状や略多角錐形状に設定される。そして、図2に示されているように、このクラブヘッドモデル表面に隣接する格子区画からクラブヘッドから離間する方向に格子区画22の体積が漸次増大するように、気流仮想領域2の残部を格子状に区画して、気流仮想領域2全域を格子区画22で区画する。
このクラブヘッドモデル1表面に隣接する格子区画以外の気流仮想領域の残部に形成される格子区画22の形状としては、図4(a)に示される六面体、図4(b)に示される三角柱状五面体、図4(c)に示される四角錐状五面体、図4(d)に示される三角錐状四面体などの多面体が挙げられ、これらを適宜組み合わせて設定することができる。
クラブヘッド周囲の気体流は、クラブヘッドに近いものの方がより大きく影響するため、図2に示されるように、格子区画をクラブヘッドモデル1近傍は細かく、気体流が与える影響が小さいクラブヘッドモデル1から遠方は粗く設定する。なお、クラブヘッドモデル1のクラブヘッド表面から離間する方向への格子区画の体積の増大は、連続的なものであっても、段階的なものであってもよい。
次に、(D)上記気流仮想領域2にクラブヘッドモデル1の前方から、想定するヘッドスピードに応じた所定速度の気流が流入する状態を設定してこの状態を、ゴルフクラブを所定速度でスイングした際のクラブヘッドの運動の状態とし、上記気流仮想領域1内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出する。
即ち、本発明のシミュレーション方法においては、上記気流仮想領域2にクラブヘッドモデル1前方から所定速度の気流が流入する状態、例えば図1に矢印方向で示したように、クラブヘッドモデル1の前方から気流が気流仮想領域2に流入して後方から気流仮想領域2の外へと流出する状態を、ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッドが大気中を所定のヘッドスピードで運動し地面に最も近づいた最下点に達したときの状態と仮定してシミュレーションする。
そして、このクラブヘッドモデル1に気流が当たることにより生じるクラブヘッドモデル1表面に作用する力によって発生する気体流の気流仮想領域内の運動要素の解析を格子区画毎に行う。
気流が気流仮想領域2に流入してクラブヘッドモデル1に当たったときに生じる運動要素は、三次元空間座標系の各軸方向の気体流の速度、気体流の方向及びクラブヘッドモデル1表面に対する気体流の圧力であり、計算に当たって用いる基礎方程式、即ち、以下に示される質量保存則に相当する連続の式(1)〜(3)及び物体の運動保存則に相当するナビエストークの方程式(4),(5),(6)に数値を代入して算出することができる。
クラブヘッドモデル1の周囲に、図1に示すように、気体を矢印方向に流すシミュレーションでは気流仮想領域2の格子区画22毎に空気の流れを演算により解析することができる。この演算に上記式(1)〜(6)を用い、気流仮想領域2を格子区画22のように区切ったことに対応して上記式(1)〜(6)を離散化して演算を行うことができる。シミュレーションの方法は、シミュレーションの条件等を考慮して有限差分法、有限体積法、境界要素法、有限要素法等を適宜選択して行うことができる。
次に、(E)各々の格子区画22において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気体流が発生した気流仮想領域2内におけるクラブヘッドモデル1に作用する力を算出する。ここで、クラブヘッドモデル1に作用する力は、例えば図3に示したように、クラブヘッド1の左右方向をx軸、上下方向をy軸、前後方向(進行方向)をz軸とし、これら3方向の力成分を算出することができる。
この場合、気体流を散乱モデルとして乱流度を加味した速度値を代入してx軸方向、y軸方向及びz軸方向の力を算出することもできる。
また、上述した(A)〜(E)の操作後に、(F)上記(A)〜(E)の操作を、上記クリアランス及び上記気流の速度を変えて繰り返し実施し、得られた各々のクリアランス及び気流の速度における結果をマッピングして予め基準マップを作成し、(G)上記基準マップから、所定クリアランス及び所定速度におけるクラブヘッドに作用する力を推定することもできる。
更に、上記シミュレーション方法を利用して、スイング時のクラブヘッド周囲の気流状態や圧力状態を解析することも可能であり、
(i)上記シミュレーション方法により得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線又は等圧面によって可視化して解析する、又は
(ii)上記シミュレーション方法により得られる気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流の流線、流跡線、パーティクルトレース又はボリュームレンダリングを可視化して解析することが可能である。
クラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線によって可視化した例を図6,図8に、クラブヘッドモデル周囲の気体流の流線を可視化した例を図7,図9にそれぞれ示す。
以下、実施例を示し、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
〔実施例1〕
図6,7に示された形状のクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域をコンピューターの仮想空間内に設定すると共に、該気流仮想領域の下面に地面を想定した壁面を設定して気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを50mmに設定して、図1に示したものと同様の気流仮想領域及びクラブヘッドモデルをコンピューターに設定した。この場合、気流仮想領域のサイズは、上下左右をそれぞれ1m、クラブヘッドモデルの前方の長さFを50cm、後方の長さBを1mとした。また、クラブヘッドモデルの左右方向をx軸、上下方向をy軸、前後方向(進行方向)をz軸として方向を定めた。
次に、上記気流仮想領域を多数の格子区画で上記クラブヘッドモデルの表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画して、図2に示したものと同様に多数の格子区画を上記気流仮想領域内に設定し、この気流仮想領域内に前方から速度40m/s(z軸方向に−40m/s)の気流が流入して後方へと流出する状態を設定し、この状態をヘッドスピード40m/sでクラブをスイングした際の最下点にあるクラブヘッドの状態として、上記気流仮想領域内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出した。
そして、各々の格子区画において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気流仮想領域内において上記クラブヘッドモデルに作用するx軸方向、y軸方向及びz軸方向の力を算出した。結果を図5のグラフに示す。
更に、得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線によって可視化し、また同気体流の流線を可視化した。圧力分布を図6に、流線を図7にそれぞれ示す。
〔実施例2〕
クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを10mmとしたこと以外は実施例1と同様にして、クラブヘッドモデルに作用するx軸方向、y軸方向及びz軸方向の力を算出した。結果を図5のグラフに示す。また、実施例1と同様にクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線又は等圧面によって可視化し、また同気体流の流線を可視化した。圧力分布を図8に、流線を図9にそれぞれ示す。
〔実施例1,2についての考察〕
図5のグラフに示されているように、地面とのクリアランスによってx軸方向、y軸方向及びz軸方向の力がそれぞれ変化しており、本発明のシミュレーション方法により, ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価し得ることが確認された。従って、クリアランスを設定することにより、ティーを高くセットする人や低くセットする人等、ティーの高さ(スイング時の地面とのクリアランス)によってゴルフクラブが受ける力の影響を詳細に解析、評価することができる。
1 クラブヘッドモデル
2 気流仮想領域
21 地面を想定した壁面
22 格子区画

Claims (6)

  1. ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析することにより該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価するシミュレーション方法であって、
    (A)コンピューターにおいて設定される仮想空間内に、評価対象のクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域を設定し、
    (B)上記気流仮想領域の下面に地面を想定した壁面を設定して気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを設定すると共に、この地面を想定した壁面上に、芝生を想定した凹凸を設け
    (C)上記気流仮想領域を多数の格子区画で上記クラブヘッドモデルの表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画し、
    (D)上記気流仮想領域にクラブヘッドモデル前方から所定速度の気流が流入する状態を設定してこの状態を、スイングによって上記クラブヘッドモデルが大気中を上記所定速度で運動するときの状態として、上記気流仮想領域内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出し、
    (E)各々の格子区画において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気体流が発生した気流仮想領域内において上記クラブヘッドモデルに作用する力を算出することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
  2. ゴルフクラブをスイングしたときのクラブヘッド周囲の気流をコンピューターによる演算を利用して解析することにより該クラブヘッドに作用する空気力学的な力を推定して、クラブヘッドの空力性能を評価するシミュレーション方法であって、
    (A)コンピューターにおいて設定される仮想空間内に、評価対象のクラブヘッドモデルと、該クラブヘッドモデルの周囲を取り囲む気流仮想領域を設定し、
    (B)上記気流仮想領域の下面に地面を想定した壁面を設定して気流仮想領域の下面を閉鎖面とし、クラブヘッドモデルと地面とのクリアランスを設定すると共に、この地面を想定した壁面上に、芝生を想定した凹凸を設け
    (C)上記気流仮想領域を多数の格子区画で上記クラブヘッドモデルの表面から離間する方向に格子区画の体積が漸次増大するように区画し、
    (D)上記気流仮想領域にクラブヘッドモデル前方から所定速度の気流が流入する状態を設定してこの状態を、スイングによって上記クラブヘッドモデルが大気中を上記所定速度で運動するときの状態として、上記気流仮想領域内に形成される気体流の速度、方向及び圧力を上記格子区画毎に算出し、
    (E)各々の格子区画において算出された気体流の速度、方向及び圧力を積算して、上記気体流が発生した気流仮想領域内において上記クラブヘッドモデルに作用する力を算出し、
    (F)上記(A)〜(E)の操作を、上記クリアランス及び上記気流の速度を変えて繰り返し実施し、得られた各々のクリアランス及び気流の速度における結果をマッピングして予め基準マップを作成し、
    (G)上記基準マップから、所定クリアランス及び所定速度におけるクラブヘッドに作用する力を推定することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
  3. クラブヘッドの左右方向をx軸、上下方向をy軸、前後方向をz軸として、クラブヘッドに作用するこれら各軸方向の力を推定する請求項1又は2記載のゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
  4. ウッド型クラブヘッドの空力性能を評価する請求項1〜3いずれか1項に記載のゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のシミュレーション方法により得られた気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流による圧力分布を等圧線又は等圧面によって可視化して解析することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のシミュレーション方法により得られる気体流の速度、方向、圧力から、スイング中のクラブヘッドモデル周囲の気体流の流線、流跡線、パーティクルトレース又はボリュームレンダリングを可視化して解析することを特徴とするゴルフクラブヘッドの評価シミュレーション方法。
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