JP6777598B2 - 熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法と熱硬化性材料モデル - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータを用いて３次元形状要素からなる熱硬化性材料モデルの変形挙動をシミュレーションする方法と、同シミュレーション方法に用いる熱硬化性材料モデルに関する。

車両の設計において、車両ボディの構成部品（例えばボディパネルなど）と熱硬化性材料（例えばエポキシ樹脂など）からなる部品（例えば構造用接着剤など）の設計を行う場合、予め、コンピュータを用いて、それらボディの構成部品と熱硬化性材料からなる部品（熱硬化部品）をモデル化し、昇温から降温の過程とともに熱硬化に伴って発生する熱歪を解析することが行われている。このような解析シミュレーションを行うに際し、熱硬化性材料の機械特性として、例えば熱硬化後のヤング率と降伏応力が用いられる。

しかし、実際の熱硬化性材料は、加熱開始直後は粘性の高い流動体であり、温度上昇とともに熱硬化が進行し、熱硬化の完了後に固体となる。このため、従来の解析シミュレーションでは、実際の熱硬化性材料の熱硬化の過程に生じる変形挙動を十分に再現できないという課題があった。実際の熱硬化性材料は、車両ボディの構成部品に対し、温度上昇時には流動変形しやすく（拘束力が弱い）、最高温度で熱硬化が完了し（拘束力が強くなる）、温度降下時には固体を維持する（拘束力が強い）ため、車両ボディの熱膨張・収縮に伴って熱歪が生じるが、上記のように、熱硬化性材料の変形挙動を十分に再現できなかったことから、かかる熱歪の現象も十分に再現することができなかった。

従来より、熱硬化性樹脂を用いた樹脂成形品の熱硬化から室温への変化に伴う残留歪みを算出して、樹脂成形品の強度を解析する方法（特許文献１）が知られている。

特開２００６−２０５７４０号公報

しかし、上記特許文献１の方法は、樹脂成型品の強度の解析にとどまり、熱硬化性材料をモデル化し、その変形挙動をシミュレーションにより再現するものではない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、コンピュータを用いて、熱硬化性材料の変形挙動を精度よく再現できるシミュレーション方法と熱硬化性材料モデルを提供すること、また、熱硬化性材料からなる部品と他の部品との関係における変形挙動を精度良く再現できるシミュレーション方法と、熱硬化性材料モデルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、コンピュータを用いて３次元形状要素からなる熱硬化性材料モデルの変形挙動をシミュレーションする方法であって、
熱硬化性材料モデルに対する熱硬化プログラムの温度条件として、初期温度と、熱硬化が開始する硬化温度と、熱硬化が終了して固体化する固体温度を設定し、
前記コンピュータが、
熱硬化性材料モデルを読み込むステップと、
読み込まれた熱硬化性材料モデルを、熱硬化プログラムに従い模擬的に熱硬化させるステップと、
設定された外力によって、模擬的に熱硬化された熱硬化性材料モデルに生じる変形挙動を出力するステップを、
それぞれ実行し、
前記熱硬化性材料モデルを模擬的に熱硬化させるステップが、
読み込まれた熱硬化性材料モデルを、初期温度から硬化温度まで昇温させ、熱硬化性材料モデルを模擬的に塑性流動化するステップと、
模擬的に塑性流動化した熱硬化性材料モデルを、硬化温度から固体温度まで昇温させ、模擬的に固体化するステップと、
模擬的に固体化した熱硬化性材料モデルを、固体温度に維持し、固体状態を模擬的に維持するステップを、
それぞれ含むことを第１の特徴とする。

本発明に係る熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法は、
熱硬化性材料モデルに設定する機械特性として、温度の変化により値が変化するヤング率を用い、当該ヤング率は熱硬化性材料の硬化温度における値を基準値として、初期温度から硬化温度にかけて時間の進行と共に基準値に向けて値が上昇するように設定されることを第２の特徴とする。

本発明に係る熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法は、
熱硬化性材料モデルに設定する機械特性として、温度の変化により値が変化する降伏応力を用い、当該降伏応力は熱硬化性材料の固体温度における値を基準値として、初期温度から硬化温度までは０を超えて基準値の１％以下の値を維持し、硬化温度から固体温度にかけて時間の進行と共に基準値に向けて値が上昇するように設定されることを第３の特徴とする。

ここで、初期温度から硬化温度までは、基準値の０．００１〜０．１％の値を維持することが望ましい。

本発明に係る熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法は、
熱硬化性材料モデルに対する熱硬化プログラムの温度条件として、初期温度と、熱硬化が開始する硬化温度と、熱硬化が終了して固体となる固体温度を設定し、
３次元形状要素からなる他のモデルに対する昇温および降温プログラムの温度条件として、初期温度と最高温度を設定し、前記初期温度は、前記他のモデルの想定部品に対する初期温度と同一の温度に、前記最高温度は、前記他のモデルの想定部品に対する最高温度と同一の温度にそれぞれ設定され、
前記コンピュータが、
前記熱硬化性材料モデルと前記他のモデルを読み込むステップと、
読み込まれた熱硬化性材料モデルと他のモデルを互いに拘束するステップと、
昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを初期温度から最高温度まで模擬的に昇温させると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、前記熱硬化性材料モデルを初期温度に維持して模擬的に塑性流動化するステップと、
昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを最高温度に維持すると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、模擬的に塑性流動化した熱硬化性材料モデルを初期温度から固体温度まで模擬的に昇温させるステップと、
昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを最高温度から模擬的に降温させると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、模擬的に固体化した熱硬化性材料モデルを固体温度に模擬的に維持するステップと、
昇温および降温プログラムにより他のモデルに生じる模擬的な変形と、熱硬化プログラムにより熱硬化性材料モデルに生じる模擬的な変形から熱歪を算出するステップと、
算出された熱歪を出力するステップを、
それぞれ実行することを第４の特徴とする。

本発明に係る変形挙動シミュレーション方法は、
前記熱硬化性材料モデルが、複数個の６面体要素に分割されているとともに、分割面と直交する方向の両側に配置される２つの３次元形状モデルに対し拘束可能とされ、前記他のモデルが、前記２つの３次元形状モデルから構成されていることを第５の特徴とする。

本発明に係る変形挙動シミュレーション方法は、
前記熱硬化性材料モデルが、前記２つの３次元形状モデルとの接触面と平行に複数個の６面体要素に分割されるとともに、前記接触面と平行する方向に全体として膨出する樽型形状をなしていることを第６の特徴とする。

本発明に係る変形挙動シミュレーション方法は、
前記熱硬化性材料モデルが、複数個の６面体要素に分割されるとともに、両側に配置される２つの３次元形状モデルとの接触面相互間に３つ以上の接触判定要素が設けられており、
熱硬化性材料モデルを固体温度に模擬的に維持するステップにおいて、
前記両側に配置される２つの３次元形状モデルが外力を受けて圧縮方向に互いに模擬的に接近するときに、前記接触判定要素が、前記２つの３次元形状モデルと接触することにより、２つの３次元形状モデルどうしが互いに接触することを規制することを第７の特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、コンピュータを用いて、熱硬化性材料の熱硬化に伴う変形挙動や、熱硬化性材料に大きな引張り変形あるいは圧縮変形が作用する場合の変形挙動を、精度よく再現することができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、車両におけるボディ構成部品と熱硬化性材料部品の間に生じる熱歪などを含めて、他の部品と熱硬化性材料部品との間に生じる変形挙動を精度良く再現することができ、これにより設計の効率化を図ることができるという効果を奏する。

ボディ構成部品モデルの昇温・降温プログラムと熱硬化部品モデルの熱硬化プログラムを示す図、 シミュレーション装置に読み込まれたボディ構成部品モデルと熱硬化部品モデルを示す図、 シミュレーション装置の全体構成図、 シミュレーション装置における条件設定部の構成図、 本発明に係る熱硬化部品モデルに適用されるヤング率を示す図、 本発明に係る熱硬化部品モデルに適用される降伏応力を示す図、 （Ａ）はボディ構成部品モデルを熱硬化部品モデルに拘束させた状態を示す図、（Ｂ）はボディ構成部品モデルを熱膨張させて熱硬化部品モデルを塑性変形させる様子を示す図、（Ｃ）はボディ構成部品モデルの収縮時に熱硬化部品モデルの固体状態を維持する様子を示す図、 （Ａ）は樽型形状の熱硬化部品モデルを示す図、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は熱硬化部品モデルに配置された接触判定要素を示す図、 （Ａ）は樽型形状の熱硬化部品モデルに配置された接触判定要素を示す図、（Ｂ）は熱硬化部品モデルに圧縮変形が作用した場合の挙動変形を示す図、 シミュレーション方法の実行手順を示すフロー図、 ボディ構成部品モデルの昇温・降温プログラムと、熱硬化部品モデルの他の熱硬化プログラムを示す図である。

本発明を実施するための一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明のシミュレーション方法に用いられる昇温・降温プログラムと熱硬化プログラムを示しており、図２は本発明のシミュレーション方法が実行されるモデル例を示しており、図３はシミュレーション装置Ｓを示している。

まず、本発明のシミュレーション方法が実行されるモデル例について説明する。図２はシミュレーション装置Ｓに読み込まれた車両のボディ構成部品モデル１０、２０と、熱硬化性材料部品モデル３０を示している。ボディ構成部品モデル１０、２０はそれぞれ３次元形状要素からなり、熱硬化部品モデル３０も３次元形状要素からなる。３次元形状要素はソリッド要素からなるが、ワイヤーフレーム要素、サーフェース要素、ビーム要素にも適用可能である。熱硬化部品モデル３０は、複数個（図示例は３個）の６面体要素３１に分割された構造をしている。熱硬化部品モデル３０の構造上の特徴は後述する。

次に、本発明のシミュレーション方法に用いられる昇温・降温プログラムと熱硬化プログラムについて説明する。図１に示す昇温・降温プログラムは、上記ボディ構成部品モデル１０、２０に適用されるとともに、ボディ構成部品モデル１０、２０を模擬的に昇温および降温させるもので、ボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化性材料部品モデル３０が互いに拘束された状態で、同図に示すように、初期温度（Ｔ０）から一定時間（Ｓ０→Ｓ１）かけて最高温度（Ｔ３）に模擬的に昇温させ、最高温度（Ｔ３）を一定時間（Ｓ１→Ｓ２）模擬的に維持し、最高温度（Ｔ３）から一定時間（Ｓ２→Ｓ３）かけて模擬的に降温するようになっている。また、図１に示す熱硬化プログラムは、熱硬化性材料部品モデル３０に適用されるとともに、熱硬化性材料部品モデル３０を模擬的に熱硬化させるもので、同図に示すように、初期温度（Ｔ０）を一定時間（Ｓ０→Ｓ１）模擬的に維持し、初期温度（Ｔ０）から一定時間（Ｓ１→Ｓ２）かけて硬化温度（Ｔ１）を経て固体温度（Ｔ２）まで模擬的に昇温させるようになっている。

ここで、上記ボディ構成部品モデル１０、２０において、初期温度（Ｔ０）は、ボディ構成部品モデル１０、２０の実際の想定部品（例えばボディパネル）に対する初期温度と同一の温度、例えば車両の焼付塗装工程における焼付温度（塗装ブース内雰囲気温度）の初期温度、例えば室温（０℃〜２０℃）に設定され、最高温度（Ｔ３）は、同じくボディ構成部品モデル１０、２０の実際の想定部品（例えばボディパネル）に対する最高温度と同一の温度、例えば、車両の焼付塗装工程における焼付温度（塗装ブース内雰囲気温度）の最高温度、例えば１８０℃に設定される。また、熱硬化性材料部品モデル３０において、初期温度（Ｔ０）は、上記ボディ構成部品モデル１０、２０の初期温度と同一の温度、例えば室温（０℃〜２０℃）に設定され、熱硬化温度（Ｔ１）は熱硬化性材料が熱硬化を開始する温度、例えば１７０℃に設定され、固体温度（Ｔ２）は熱硬化性材料が熱硬化を完了して固体となる温度、例えば１８０℃に設定される。

次に、シミュレーション装置Ｓについて説明する。シミュレーション装置Ｓは、図３に示すように、装置本体（コンピュータ）１００と、入力装置２００と、出力装置３００を備え、装置本体１００がデータベース４００と通信回線１０１により接続されている。装置本体１００は、条件設定部１１０と、記憶部１２０と、モデル読み込み部１３０と、モデル拘束部１４０と、演算部１５０と、接触判定処理部１６０と、出力部１７０と、制御部１８０を備えている。

上記装置本体１００において、条件設定部１１０は、図４に示すように、シミュレーション対象モデルに対する温度条件を設定する温度条件設定部１１２と、シミュレーション対象モデルの機械特性を設定する機械特性設定部１１４を備えている。温度条件設定部１１２は、車両のボディ構成部品モデル１０、２０に対する昇温および降温プログラム（図１）の温度条件、すなわち、加熱条件・冷却条件（熱膨張、熱収縮を誘導する入力条件）として、初期温度、最高温度、昇温時間、降温時間のそれぞれを設定することができる。また、熱硬化性材料部品モデル３０に対する熱硬化プログラム（図１）の温度条件として、初期温度、硬化温度、固体温度、硬化時間のそれぞれを設定することができる。これらの設定値は、入力装置２００からの操作により入力できる。

機械特性設定部１１４は、車両のボディ構成部品モデル１０、２０の機械特性として、車両のボディ構成部品の材質（鉄、鋼など）によって定まる降伏応力とヤング率を設定することができる。また、熱硬化性材料部品モデル３０（以下、熱硬化部品モデル３０という）の機械特性として、温度の変化によって値が変化する降伏応力とヤング率を設定することができる。図５および図６は熱硬化部品モデル３０に適用する温度依存性のヤング率と降伏応力の例を示している。熱硬化部品モデル３０に使用されるヤング率は、図５に示すように、硬化温度（Ｔ１）のときの値を基準値（最大値）（Ｅｈ）とし、初期温度（Ｔ０）から硬化温度（Ｔ１）までの区間でなだらかなカーブを描くように上昇して、硬化温度（Ｔ１）の基準値（最大値）（Ｅｈ）に達するように設定されている。

熱硬化部品モデル３０に適用する降伏応力は、図６に示すように、固体温度（Ｔ２）のときの値を基準値（最大値）（Ｙｈ）とし、初期温度（Ｔ０）から硬化温度（Ｔ１）までの区間は、０（ゼロ）に近い値、すなわち基準値（最大値）（Ｙｈ）の０．００１〜０．１％に漸増する値を維持し、硬化温度（Ｔ１）から固体温度（Ｔ２）までの区間で急上昇して、固体温度（Ｔ２）の基準値（最大値）（Ｙｈ）に達するカーブを描くように設定されている。

以上のヤング率と降伏応力の適用により、複数個（図示例は３個）の６面体要素３１に分割された熱硬化部品モデル３０を、図７（Ｂ）に示すように、初期温度（Ｔ０）から硬化温度（Ｔ１）間の区間で流動変形可能な塑性流動化状態に模擬し、硬化温度（Ｔ１）から固体温度（Ｔ２）間の区間で塑性流動化状態から固化状態に模擬し、固体温度（Ｔ２）に達した後は、図７（Ｃ）に示すように、固体状態を模擬し、熱硬化性材料の相変化に応じた変形挙動を精度よく再現することが可能となる。これらの機械特性値は、入力装置２００からの操作により入力することができる。

なお、ここで、塑性流動化状態とは、外力（例えばボディ構成部品モデル１０、２０の模擬的な熱膨張）を受けて、模擬的に流動変形されるような状態をいう。

モデル読み込み部１３０は、シミュレーション対象モデルをデータベース４００から記憶部１２０に読み込む。図２は、記憶部１２０に読み込まれた２つの車両のボディ構成部品モデル１０、２０と、１つの熱硬化部品モデル３０を示している。

モデル拘束部１４０は、図２に示すように記憶部１２０に読み込まれた２つのボディ構成部品モデル１０、２０と、熱硬化部品モデル３０を互いに拘束する。具体的には、図７（Ａ）に示すように、中間の熱硬化部品モデル３０の上面３０ａに位置する節点を、上側に位置するボディ構成部品モデル１０の下面１０ａに位置する節点と拘束し（節点を共有する）、熱硬化部品モデル３０の下面３０ｂに位置する節点を、下側に位置するボディ構成部品モデル２０の上面２０ａに位置する節点と拘束する（節点を共有する）。

演算部１５０は、２つのボディ構成部品モデル１０、２０の昇温・降温プログラム（図１）と、熱硬化部品モデル３０の熱硬化プログラム（図１）の実行により、図７（Ａ）に示すように、上下のボディ構成部品モデル１０、２０と、中間の熱硬化部品モデル３０が互いに拘束された状態で、設定された条件（温度条件、機械特性など）に従い、図７（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、上下の部品モデル１０、２０に生じる変形に対応した挙動変形を、中間の熱硬化部品モデル３０に生じさせるように、演算処理を行う。演算処理の結果には、変形挙動の結果として上下の部品モデル１０、２０と中間の熱硬化部品モデル３０の間に生じる熱歪も含まれる。

熱硬化部品モデル３０は、図２および図７に示すように、複数個（図示例は３個）の６面体要素３１に分割された構造をしており、図７（Ａ）に示すように、最上段の６面体要素３１と最下段の６面体要素３１は、それぞれ上側のボディ構成部品モデル１０の下面（接触面）１０ａと下側のボディ構成部品モデル２０の上面（接触面）２０ａに拘束されるが、中段の６面体要素３１は、上側のボディ構成部品モデル１０の下面１０ａと下側のボディ構成部品モデル２０の上面２０ａに直接拘束されず、よって上下方向および水平方向への３軸方向の動きが許容されている。

これにより、熱硬化部品モデル３０は、上下のボディ構成部品モデル１０、２０に上下方向に引張力が作用したとき、図７（Ｂ）に示すように、中段の６面体要素３１を、模擬的に上下方向に伸長および水平方向に縮小させると同時に、中段の６面体要素３１の変形動作に合わせて、最上段および最下段の６面体要素３１を、それぞれ模擬的に部分的に変形動作させ、これにより熱硬化部品モデル３０を模擬的に塑性変形させることができる。また、図７（Ｃ）に示すように、上下のボディ構成部品モデル１０、２０に上下方向に圧縮力が作用したとき、熱硬化部品モデル３０を固体状態に維持することもできる。これによって引張変形時のネッキング（局所収縮）現象（特に塑性変形時の体積一定則効果）や、圧縮変形時の膨み出し現象を再現できる。

図８（Ａ）は、樽型（または算盤珠型）の形状をもつ熱硬化部品モデル４０を示している。図８（Ａ）に示す熱硬化部品モデル４０は、上面４０ａと下面４０ｂよりも中間の胴部４０ｃが水平方向に膨出された樽型（または算盤珠型）形状をもっており、中央を分割面４０ｄとする上下２個の六面体要素４１から構成されている。中間の胴部４０ｃが水平方向に膨出した樽型の形状をしているため、大変形に伴う大きなネッキング現象が発生する場合でも、当該現象を精度よく再現することが可能となる。

樽型形状をもつ熱硬化部品モデル４０には、図８（Ｂ）ないし（Ｄ）に示すように、熱硬化部品モデル４０の上面４０ａおよび下面４０ｂ間でかつ四隅の端部に位置して、上下に延びる合計４つの接触判定要素４２が設けられている。各接触判定要素４２は、上下のボディ構成部品モデル１０、２０が外力を受けて圧縮方向に互いに接近して中間の熱硬化部品モデル４０が圧縮されて体積がゼロまたは負になることを防ぐストッパーとして機能するもので、各接触判定要素４２の上下端が、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａにそれぞれ接触することにより、上下のボディ構成部品モデル１０、２０のそれ以上の移動を抑止する。

図９（Ａ）から図９（Ｂ）に示すように、上下のボディ構成部品モデル１０、２０に上下方向の圧縮変形が加わると、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面（接触面）１０ａと上面（接触面）２０ａが、圧縮方向に互いに接近し、熱硬化部品モデル４０が樽型形状からさらに算盤珠形状に圧縮変形されるが、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａの間に４本の接触判定要素４２が設けられているから、後述する接触判定処理部１６０が、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａが接触判定要素４２の上端と下端にそれぞれ接触したと判定し、上下のボディ構成部品モデル１０、２０のそれ以上の移動を抑止し、これにより、熱硬化部品モデル４０の体積がゼロか負になってシミュレーション計算が実行できなくなることを防ぐ。

接触判定処理部１６０は、上に述べたように、上下のボディ構成部品モデル１０、２０に上下方向の圧縮変形が加わるときなど、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａが圧縮方向に互いに接近して、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａが各接触判定要素４２の上下端にそれぞれ達したとき、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の下面１０ａと上面２０ａが各接触判定要素４２の上下端にそれぞれ接触したと判定し、上下のボディ構成部品モデル１０、２０のそれ以上の移動を抑止する処理を行う。なお、胴部が膨出していない熱硬化部品モデル３０に対しても、上面３０ａ、下面３０ｂの間で四隅に上下に延びる接触判定要素４２を設けて、熱硬化部品モデル４０に対する処理と同様な処理を行うことができる。

出力部１７０は、演算部１５０による演算処理の結果と、接触判定処理部１６０による判定処理の結果をそれぞれ出力する。出力された演算処理の結果と判定処理の結果は、熱硬化部品モデル３０、４０の変形挙動を再現するものとして、また、ボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０、４０の相対的な変形挙動を再現するものとして、出力装置３００に出力表示させることができる。制御部１８０は、条件設定部１１０〜出力部１７０の実行処理を制御する。

次に、上記シミュレーション装置Ｓを用いて、熱歪現象をシミュレーションする手順について、図１０のフロー図などを参照しながら説明する。なお、以下に具体的に記述する条件や設定値は、本発明の実施の形態を説明するための一例であって、本発明はこれに限定されない。

まず、コンピュータ操作者が、入力装置２００からの操作により、シミュレーションプログラムを開き、シミュレーション条件を設定する（ステップＳ１）。シミュレーション対象として、ボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０を選択し、各モデルに対し、図１に示す昇温・降温プログラムの温度条件、熱硬化プログラムの温度条件を設定する。また、熱硬化部品モデル３０に対し、図５および図６に示す機械特性を設定する。例えば初期温度（Ｔ０）は室温（２０℃）に、硬化温度（Ｔ１）は１７０℃に、最高温度（Ｔ３）と固体温度（Ｔ２）は１８０℃に設定する。これらの条件は予め昇温・降温プログラムと、熱硬化プログラムに設定し、データベース４００に予め保存してよい。データベース４００に予め保存しておいた場合は記憶部１２０に読み込んで設定する。

次に、入力装置２００からの操作により、シミュレーションプログラムを実行する。シミュレーションプログラムが実行されると、データベース４００から、図２に示すように、ボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０が記憶部１２０に読み込まれる（ステップＳ２）とともに、読み込まれたボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０が互いに拘束される（ステップＳ３）。

次に、互いに拘束されたボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０に対し、設定された条件に従い、ボディ構成部品モデル１０、２０に対しては図１に示す昇温・降温プログラム、熱硬化部品モデル３０に対しては図１に示す熱硬化プログラムが、それぞれ同時に実行される（ステップＳ４）。

ボディ構成部品モデル１０、２０に対する昇温・降温プログラムは、図１に示すように、室温Ｔ０（２０℃）から一定時間（Ｓ０→Ｓ１）かけて最高温度Ｔ３（１８０℃）に模擬的に昇温され、最高温度Ｔ３（１８０℃）を一定時間（Ｓ１→Ｓ２）模擬的に維持し、最高温度Ｔ３から一定時間（Ｓ２→Ｓ３）かけて室温Ｔ０（２０℃）まで模擬的に降温される。この間、ボディ構成部品モデル１０、２０は、図７（Ｂ）から図７（Ｃ）に示すように、模擬的に熱膨張し、熱収縮する。一方、熱硬化部品モデル３０に対する熱硬化プログラムは、図１に示すように、室温Ｔ０（２０℃）を一定時間（Ｓ０→Ｓ１）模擬的に維持し、室温Ｔ０（２０℃）から一定時間（Ｓ１→Ｓ２）かけて硬化温度Ｔ１（１７０℃）を経て固体温度Ｔ２（１８０℃）まで模擬的に昇温する。そして、固体温度Ｔ３（１８０℃）を一定時間（Ｓ２→Ｓ３）維持する。この間、熱硬化部品モデル３０は、図７（Ｂ）に示すように、模擬的に塑性流動化されると共に、塑性流動化状態から固体化状態に相変化され、固体化後は固体温度を維持して、図７（Ｃ）に示すように、固体状態を保つことができる。

図１に示すように、ボディ構成部品モデル１０、２０に対するプログラムと、熱硬化部品モデル３０に対するプログラムを分離して同時に実行させることにより、室温から最高温度までの昇温過程では、図７（Ｂ）に示すように、ボディ構成部品モデル１０、２０の模擬的な熱膨張に合わせて熱硬化部品モデル３０を模擬的に塑性変形させることができ、また、最高温度から室温までの降温過程では、図７（Ｃ）に示すように、ボディ構成部品モデル１０、２０を模擬的に熱収縮させても熱硬化部品モデル３０を模擬的に固体状態に保持することができ（熱硬化部品モデル３０を模擬的に降温させると模擬的な塑性変形に戻ってしまう）、これにより、ボディ構成部品モデル１０、２０の降温後の（熱硬化部品モデル３０との間の）熱歪現象を精度良く再現することができる。

次いで、上記演算部１５０による演算処理と並行して、接触判定処理部１６０による接触判定処理が実行される（ステップＳ５）。なお、接触判定処理部１６０による接触判定処理は、熱硬化部品モデル３０に対しては、熱硬化部品モデル４０における接触判定要素４２と同様の接触判定要素が配置されている場合に行われる。

次いで、上記演算部１５０による演算処理と接触判定処理部１６０による接触判定処理の結果が、出力部１７０により出力装置３００に向けて出力される（ステップＳ６）。コンピュータ操作者は、出力装置３００に表示された結果により、ボディ構成部品モデル１０、２０の降温後の、熱硬化部品モデル３０との間の熱歪現象や、熱硬化部品モデル３０の変形挙動をより正確に理解することができる。

コンピュータ操作者は、熱硬化部品モデル３０を、図７（Ｃ）に示すような固体状態に模擬的に保持することにより、ボディ構成部品モデル１０、２０の降温による収縮変形に伴う、ボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル３０の間に生じる熱歪現象を、熱硬化部品モデル３０の変形挙動の結果を示す指標として精度良くシミュレーションすることができる。

また、コンピュータ操作者は、図９（Ｂ）に示すように、上下のボディ構成部品モデル１０、２０に上下方向の圧縮変形が加わるとき、上下のボディ構成部品モデル１０、２０の上面１０ａおよび下面２０ａが、接触判定要素４２の上端と下端にそれぞれ接触することにより、上下のボディ構成部品モデル１０、２０のそれ以上の移動を抑止して、熱硬化部品モデル４０の形状が計算上壊れるのを防ぐことができる。

上下のボディ構成部品モデル１０、２０と熱硬化部品モデル４０の間の熱歪現象をシミュレーションするにあたり、熱硬化部品モデル４０の固体温度（Ｔ２）を、図１に示すように上下のボディ構成部品モデル１０、２０の最高温度（Ｔ３）と同一温度に設定することは必ずしも必要ではない。例えば図１１に示すように、熱硬化部品モデル４０の固体温度（Ｔ２）をボディ構成部品モデル１０、２０の最高温度（Ｔ３）よりも低く、例えば１００℃に設定できる。この場合、固体温度（Ｔ２）が１００℃のときに、図５に示すヤング率および図６に示す降伏応力がそれぞれ基準値（Ｅｈ、Ｙｈ）となるように設定すればよい。要は熱硬化部品モデル４０の固体温度（Ｔ２）に合わせてヤング率と降伏応力の各基準値（Ｅｈ、Ｙｈ）を設定すればよい。

以上説明してきたように、本発明のシミュレーション装置を用いることにより、熱硬化性材料モデルの変形挙動を精度よくシミュレーションすることができ、設計作業の効率性を向上させることができる。

本発明は、コンピュータを使用して熱硬化性材料モデルの変形挙動をシミュレーションするシミュレーション方法として、およびこれに用いる熱硬化性材料モデルとして利用可能である。

１０、２０ ボディ構成部品モデル（他のモデル）
３０，４０ 熱硬化部品モデル（熱硬化性材料モデル）
３１、４１ ６面体要素
４２ 接触判定要素
１００ 装置本体（コンピュータ）
１０１ 通信回線
１１０ 条件設定部
１１２ 温度条件設定部
１１４ 機械特性設定部
１２０ 記憶部
１３０ モデル読み込み部
１４０ モデル拘束部
１５０ 演算部
１６０ 接触判定処理部
１７０ 出力部
１８０ 制御部
２００ 入力装置
３００ 出力装置
Ｓ シミュレーション装置
Ｔ０ 初期温度
Ｔ１ 硬化温度
Ｔ２ 固体温度
Ｔ３ 最高温度
Ｅｈ ヤング率の基準値（最大値）
Ｙｈ 降伏応力の基準値（最大値）

Claims (7)

1. コンピュータを用いて３次元形状要素からなる熱硬化性材料モデルの変形挙動をシミュレーションする方法であって、
   熱硬化性材料モデルに対する熱硬化プログラムの温度条件として、初期温度と、熱硬化が開始する硬化温度と、熱硬化が終了して固体化する固体温度を設定し、
   前記コンピュータが、
   熱硬化性材料モデルを読み込むステップと、
   読み込まれた熱硬化性材料モデルを、熱硬化プログラムに従い模擬的に熱硬化させるステップと、
   設定された外力によって、模擬的に熱硬化された熱硬化性材料モデルに生じる変形挙動を出力するステップを、
   それぞれ実行し、
   前記熱硬化性材料モデルを模擬的に熱硬化させるステップが、
   読み込まれた熱硬化性材料モデルを、初期温度から硬化温度まで昇温させ、熱硬化性材料モデルを模擬的に塑性流動化するステップと、
   模擬的に塑性流動化した熱硬化性材料モデルを、硬化温度から固体温度まで昇温させ、模擬的に固体化するステップと、
   模擬的に固体化した熱硬化性材料モデルを、固体温度に維持し、固体状態を模擬的に維持するステップを、
   それぞれ含むことを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
2. 請求項１記載の変形挙動シミュレーション方法において、
   熱硬化性材料モデルに設定する機械特性として、温度の変化により値が変化するヤング率を用い、当該ヤング率は熱硬化性材料の硬化温度における値を基準値として、初期温度から硬化温度にかけて時間の進行と共に基準値に向けて値が上昇するように設定されることを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
3. 請求項１または請求項２記載の変形挙動シミュレーション方法において、
   熱硬化性材料モデルに設定する機械特性として、温度の変化により値が変化する降伏応力を用い、当該降伏応力は熱硬化性材料の固体温度における値を基準値として、初期温度から硬化温度までは０を超えて基準値の１％以下の値を維持し、硬化温度から固体温度にかけて時間の進行と共に基準値に向けて値が上昇するように設定されることを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
4. コンピュータを用いて３次元形状要素からなる熱硬化性材料モデルの変形挙動をシミュレーションする方法であって、
   熱硬化性材料モデルに対する熱硬化プログラムの温度条件として、初期温度と、熱硬化が開始する硬化温度と、熱硬化が終了して固体となる固体温度を設定し、
   ３次元形状要素からなる他のモデルに対する昇温および降温プログラムの温度条件として、初期温度と最高温度を設定し、前記初期温度は、前記他のモデルの想定部品に対する初期温度と同一の温度に、前記最高温度は、前記他のモデルの想定部品に対する最高温度と同一の温度にそれぞれ設定され、
   前記コンピュータが、
   前記熱硬化性材料モデルと前記他のモデルを読み込むステップと、
   読み込まれた熱硬化性材料モデルと他のモデルを互いに拘束するステップと、
   昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを初期温度から最高温度まで模擬的に昇温させると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、前記熱硬化性材料モデルを初期温度に維持して模擬的に塑性流動化するステップと、
   昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを最高温度に維持すると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、模擬的に塑性流動化した熱硬化性材料モデルを初期温度から固体温度まで模擬的に昇温させるステップと、
   昇温および降温プログラムに従い、他のモデルを最高温度から模擬的に降温させると共に、その間、熱硬化プログラムに従い、模擬的に固体化した熱硬化性材料モデルを固体温度に模擬的に維持するステップと、
   昇温および降温プログラムにより他のモデルに生じる模擬的な変形と、熱硬化プログラムにより熱硬化性材料モデルに生じる模擬的な変形から熱歪を算出するステップと、
   算出された熱歪を出力するステップを、
   それぞれ実行することを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
5. 請求項４記載の変形挙動シミュレーション方法において、
   前記熱硬化性材料モデルは、複数個の６面体要素に分割されているとともに、分割面と直交する方向の両側に配置される２つの３次元形状モデルに対し拘束可能とされ、前記他のモデルは、前記２つの３次元形状モデルから構成されていることを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
6. 請求項５記載の変形挙動シミュレーション方法において、
   前記熱硬化性材料モデルは、前記２つの３次元形状モデルとの接触面と平行に複数個の６面体要素に分割されるとともに、前記接触面と平行する方向に全体として膨出する樽型形状をなしていることを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。
7. 請求項５または請求項６記載の変形挙動シミュレーション方法において、
   前記熱硬化性材料モデルは、複数個の６面体要素に分割されるとともに、両側に配置される２つの３次元形状モデルとの接触面相互間に３つ以上の接触判定要素が設けられており、
   熱硬化性材料モデルを固体温度に模擬的に維持するステップにおいて、
   前記両側に配置される２つの３次元形状モデルが外力を受けて圧縮方向に互いに模擬的に接近するときに、前記接触判定要素が、前記２つの３次元形状モデルと接触することにより、２つの３次元形状モデルどうしが互いに接触することを規制することを特徴とする熱硬化性材料モデルの変形挙動シミュレーション方法。

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