JP5972062B2 - 複合材積層板の屈曲繊維経路の設計 - Google Patents
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Description
(a)第1プライを設計するための設計変数値を選択するステップと;
(b)前記第1プライを表わす流線関数を、前記選択設計変数値に従って計算するステップと;
(c)前記第1プライとバランスする、または略バランスする第2プライを表わすバランスプライ流線関数を計算するステップと;
(d)前記第1及び第2プライの各プライのそれぞれの繊維角度分布を、前記第1及び第2プライを表わすそれぞれの流線関数に基づいて計算するステップと;
(e)前記第1プライの厚さ方向の積層数を、前記第1プライを表わす前記流線関数に基づいて計算するステップと;
(f)前記計算ステップ群の結果によりシミュレートされる前記第1及び第2プライと、そして付加的なプライ群と、を含む積層板のシミュレート構造体を解析するステップと;
(g)前記シミュレート構造体の1つ以上のメリット指数を計算するステップと;そして
(h)ステップ(a)〜(g)を、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の最適値が得られるまで繰り返すステップと、を含む、方法。
φ(x,y)=jδ (1)
上式では、或るδは、テープ幅の関数であり、そして関数φのスケーリングである。
1−ε1≦‖∇φ(x,y)‖≦1+ε2 (2)
がφに、x及びyの全ての値に対して課され、かつδがwに等しくなるように設定される場合、テープコース群の間の間隔は必ず、w(1−ε1)とw(1+ε2)との間の値になるという制約を受ける。
φ(x(u),y(u))=jδ (3)
この方程式をuで微分すると次式が得られる:
φxx’+φyy’=0 (4)
上式では、φxは、φをxで偏微分したものであると見なされ、そしてφyも同様に定義される。方程式(4)は、いずれの点におけるテープコースの正接も、φの勾配に直交することを示唆している。ツールパスのパラメータ速度を任意の値から始めることができたので、次式:
(5)
を点(x(u),y(u))の定義として簡単に取り込むことができる。方程式(5)を微分すると、次式が得られる:
(6)
曲率の標準定義を適用すると、次式が得られる:
(7)
ここで、曲率がこの場合、2次元で処理しているので符号付きの量であることに注目されたい。曲率の限界には、次式により表わされる制約を課すことができる:
κl≦κ(x,y)≦κu (8)
(9)
φで与えられる繊維方向を反射することは、φの勾配を反射勾配にすることと等価である(ベクトルを或る方向に対して対称に反射させることは、当該ベクトルの法線を当該方向に対して対称に反射させることと等価である)ので、次式が得られる:
∇ψ=2(∇φ・d)d−∇φ (10)
方程式(10)は、ψの勾配が、x及びyの或る所定の関数である、すなわち次の形式の偏微分方程式であることを示唆している:
∇u=f(x,y) (11)
この形式の偏微分方程式は、fの回転がいずれの場合でもゼロになる場合に正確に積分することができる(解を有する):
∇×f=0 (12)
回転を方程式(10)の右辺に適用し、そして回転を適用した後の右辺をゼロに等しくすると、次の条件式が得られる:
d1d2(φxx−φyy)+(d1 2−d2 2)φxy=0 (13)
別の表現をすると、この条件式は、φで与えられるプライを、好適な方向dが付与されるプライψとバランスさせるために、関数φが、方程式(13)で与えられる偏微分方程式の解にならなければならないことを意味している。このように、φで与えられ、かつ構造的にバランスさせることができるプライ群のパラメトリック定義は、方程式(2)及び(8)も満たす方程式(13)の解の中から選択する必要がある。
xphi=phi.Differentiate(0)
yphi=phi.Differentiate(1)
dprod=2.0*(d1*xphi+d2*yphi)
xpsi=d1*dprod−xphi
ypsi=d2*dprod−yphi
psitemp=xpsi.Integrate(0)
correction=(ypsi−psitemp.Differentiate(1)).Integrate(1)
psi=psitemp+correction
φ(x,y)=a(x2+y2)+bx+cy (14)
が、必ず方程式(13)を満たすことを意味する。これは、構造的にバランスさせることができる3パラメータ系列のプライ群を与える。
φ(x,y)=f(x)+g(y) (15)
はいずれの単変量関数f及びgに対しても成り立つ。このように、この特殊ケースでは、簡易解は、f及びgを2次多項式に限定する必要を生じることなく得られる。
φxx=φyy (16)
で表わされる最も簡単な2次線形波動方程式に簡略化される。これらの解は、容易に特徴付けることができる。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
(態様1)
複合材積層板を製造する方法であって:
(a)プライを設計するための設計変数値を選択するステップと;
(b)前記プライを表わす流線関数を、前記選択設計変数値に従って計算するステップと;
(c)前記プライの繊維角度分布を、前記プライを表わす前記流線関数に基づいて計算するステップと;
(d)前記プライの厚さ方向の積層数を、前記プライを表わす前記流線関数に基づいて計算するステップと;
(e)前記計算ステップ群の結果によりシミュレートされる前記プライと、そして付加的なプライ群と、を含む積層板のシミュレート構造体を分析するステップと;
(f)前記シミュレート構造体の1つ以上のメリット指数を計算するステップと;
(g)ステップ(a)〜(f)を、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の最適値が得られるまで繰り返すステップと;
(h)マシンを制御して、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の前記最適値を得るために適用した前記流線関数により定義される経路に沿ってコースを設定するコンピュータプログラムを作成するステップと;
(i)複合材積層板上でのコースを前記コンピュータプログラムに従ったプロセスで自動的に設定するステップと、
を含む、方法。
(態様2)
ステップ(a)では、下限値を上回る半径の配向操作繊維を有するコースを指定する設計変数値を選択する、態様1に記載の方法。
(態様3)
ステップ(a)では、コースオーバーラップが上限値を下回ることに起因する厚さ方向の積層数を有するコースを指定する設計変数値を選択する、態様1に記載の方法。
(態様4)
ステップ(e)では、有限要素解析を行なう、態様1に記載の方法。
(態様5)
ステップ(e)では、ひずみ場の解を、単位荷重を加えた状態における前記シミュレート構造体に関して求め、そして該ひずみ場を処理して積層板強度を単位荷重結果に基づいて計算する、態様1に記載の方法。
(態様6)
ステップ(b)〜(f)は、並列動作する複数のプロセッサの各プロセッサにより行なわれる、態様1に記載の方法。
(態様7)
前記プライは、切欠き部を有するように設計される、態様1に記載の方法。
(態様8)
更に、コンピュータ数値制御トウプレースメントマシンのコントローラを命令群でプログラムし、これらの命令によって、前記トウプレースメントマシンが、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の前記最適値を得るために適用した前記流線関数により定義される経路に沿ってコースを設定するようになるステップを含む、態様1に記載の方法。
(態様9)
更に、コンピュータ可読媒体に、特定プライの製造計画を表わすデータを格納するステップを含み、前記製造計画は、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の前記最適値を得るために適用した前記プライを表わす前記流線関数を含む、態様1に記載の方法。
(態様10)
少なくとも1つの配向操作繊維プライを有する複合材積層板を製造するシステムであって、該システムはプロセッサを備え、該プロセッサをプログラムして:
(a)配向操作繊維プライを設計するための設計変数値を選択する操作;
(b)前記プライを表わす流線関数を、前記選択設計変数値に従って計算する操作;
(c)前記プライの繊維角度分布を、前記プライを表わす前記流線関数に基づいて計算する操作;
(d)前記プライの厚さ方向の積層数を、前記プライを表わす前記流線関数に基づいて計算する操作;
(e)前記計算ステップ群の結果によりシミュレートされる前記プライと、そして付加的なプライ群と、を含む積層板のシミュレート構造体を解析する操作;
(f)前記シミュレート構造体の1つ以上のメリット指数を計算する操作;
(g)ステップ(a)〜(f)を、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の最適値が得られるまで繰り返す操作;
(h)マシンを制御してコースを、前記メリット指数群のうちの1つ以上のメリット指数の前記最適値を得るために適用した前記流線関数により定義される経路に沿って設定するコンピュータプログラムを作成する操作、
を実行する、システム。
(態様11)
各流線関数は、それぞれの配向操作繊維プライ設計のそれぞれのコース経路を表わす複数の等高線を含む、態様10に記載のシステム。
4 互いに平行な直線状繊維
6 円形切欠き部
10 配向操作繊維
50、52 一対のコース
54 重なり領域
56、58 トウ
60 楔形の隙間
62 方向場
64 繊維経路群
66、70 表面
68 等高線
Claims (11)
- 流線関数により定義される配向操作繊維プライを含む複合材積層板を設計する方法であって:
(a)第1プライの流線関数を定義する設計変数値として、前記第1プライの流線関数のパラメータの値を選択するステップと;
(b)前記第1プライと構造的にバランスする第2プライの流線関数を計算するステップであって、前記第2プライの前記流線関数が、ステップ(a)において選択された前記設計変数値の関数として計算される、ステップと;
(c)前記第1及び第2プライの各々について、それぞれの繊維角度分布を、前記第1及び第2プライのそれぞれの前記流線関数に基づいて計算するステップと;
(d)前記第1及び第2プライの各々の積層される厚さを、前記第1及び第2プライのそれぞれの前記流線関数に基づいて計算するステップと;
(e)前記ステップ(a)〜(d)の結果によりシミュレートされる少なくとも前記第1及び第2プライを含む前記積層板のシミュレート構造体を分析するステップと;
(f)前記シミュレート構造体の1つ以上のメリット指数を計算するステップと;
(g)ステップ(a)〜(f)を、前記1つ以上のメリット指数の最適値が得られるまで繰り返すステップと;を含み、
ステップ(b)~(g)がプロセッサによって実行される、
方法。 - ステップ(a)において選択された設計変数値は、下限値を上回る半径の配向操作繊維を有するコースを指定する、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)において選択された設計変数値は、上限値を下回るコースのオーバラップに起因して積層される厚さを有するコースを指定する、請求項1に記載の方法。
- ステップ(e)は、有限要素解析を行なうことを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(e)は、単位荷重を加えた状態における前記シミュレート構造体に関するひずみ場を求め、前記ひずみ場を処理して積層板強度を単位荷重結果に基づいて計算することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(b)〜(g)は、並列動作する複数のプロセッサの各プロセッサにより行なわれる、請求項1に記載の方法。
- 前記第1及び第2プライの各々は、それぞれ切欠き部を有するように設計される、請求項1に記載の方法。
- 更に、コンピュータ数値制御トウプレースメントマシンのコントローラを命令群でプログラムし、これらの命令によって、前記トウプレースメントマシンが、前記1つ以上のメリット指数の前記最適値が得られた前記第1プライの前記流線関数により定義される経路に沿ってプライのトウを敷設するようになるステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 更に、コンピュータ可読媒体に、特定プライの製造計画を表わすデータを格納するステップを含み、前記製造計画は、前記1つ以上のメリット指数の前記最適値が得られた前記第1プライの前記流線関数を含む、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つの配向操作繊維プライを有する複合材積層板を設計するシステムであって、該システムは、以下の操作
(a)前記プライの流線関数を定義する設計変数値として、前記プライの流線関数のパラメータの値を選択する操作;
(b)前記プライの繊維角度分布を、前記プライの前記流線関数に基づいて計算する操作;
(c)前記プライの積層される厚さを、前記プライの前記流線関数に基づいて計算する操作;
(d)前記操作(b)〜(c)の結果によりシミュレートされる前記プライを少なくとも含む積層板のシミュレート構造体を解析する操作;
(e)前記シミュレート構造体の1つ以上のメリット指数を計算する操作;
(f)ステップ(a)〜(e)を、前記1つ以上のメリット指数の最適値が得られるまで繰り返す操作;
を実行するようプログラムされた1つ以上のプロセッサを備える、
システム。 - 各流線関数は、それぞれの配向操作繊維プライ設計のそれぞれのコース経路を表わす複数の等高線を含む、請求項10に記載のシステム。
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