JP7176432B2 - Fiber orientation method and fiber orientation device - Google Patents
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Description
本発明は、繊維配向方法及び繊維配向装置に関するものである。 The present invention relates to a fiber orientation method and a fiber orientation device.
例えば、繊維を含む複合材料においては、成形品の剛性が最適となるように繊維配向を設計する必要がある。例えば、非特許文献1においては、設計点ごとの繊維配向角を設計変数とすることにより、繊維配向を最適化する手法が開示されている。また、他の手法として、非特許文献2に示すように、ポテンシャル流の流線を繊維の流れ方向とし、破壊指数が最小となるように繊維配向を最適化する手法が開示されている。
For example, in composite materials containing fibers, it is necessary to design the fiber orientation to optimize the stiffness of the molded article. For example, Non-Patent
非特許文献1に示す手法においては、隣り合う設計点における繊維配向角において連続でない解が得られる場合があり、設計上の繊維配向による実際の成形が不可能となる場合がある。また、非特許文献2に示す手法においては、成形品が複雑形状である場合に、流線で繊維配向を示すことが困難となる場合がある。したがって、いずれの手法においても、形状等の条件によっては、設計が困難であり、剛性と強度とを両立させた繊維配向とすることができない。
In the method shown in Non-Patent
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、設計が容易であり、かつ剛性と強度とを両立させた繊維配向とすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems described above, and an object of the present invention is to provide a fiber orientation that is easy to design and achieves both rigidity and strength.
本発明は、上記課題を解決するための繊維配向方法に係る第1の手段として、繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向方法であって、前記成形物の形状と負荷状態に応じて荷重経路を算出する荷重経路算出工程と、前記成形物の応力を指標化したPointing Stress Vectorを算出するPointing Stress Vector算出工程と、前記荷重経路と前記Pointing Stress Vectorとに基づいて繊維配向を決定する繊維配向工程とを備える、という構成を採用する。 The present invention, as a first means relating to a fiber orientation method for solving the above problems, is a fiber orientation method for determining the fiber orientation of a molding of a material containing fibers, wherein the shape and load state of the molding are a pointing stress vector calculating step of calculating a pointing stress vector indexing the stress of the molding, and a fiber orientation based on the load path and the pointing stress vector and a fiber orientation step for determining the configuration.
繊維配向方法に係る第2の手段として、上記第1の手段において、前記Pointing Stress Vector算出工程では、前記Pointing Stress Vectorとして、応力テンソルに基づいて算出されるベクトルを用いる、という構成を採用する。 As a second means relating to the fiber orientation method, in the first means, a vector calculated based on a stress tensor is used as the pointing stress vector in the pointing stress vector calculation step.
繊維配向方法に係る第3の手段として、上記第1または2の手段において、前記繊維配向工程では、前記荷重経路と前記Pointing Stress Vectorとを、重み付け係数を用いて組み合わせた繊維配向ベクトルを算出する、という構成を採用する。 As a third means related to the fiber orientation method, in the first or second means, in the fiber orientation step, a fiber orientation vector is calculated by combining the load path and the pointing stress vector using a weighting factor. , is adopted.
繊維配向方法に係る第4の手段として、上記第3の手段において、前記重み付け係数は、前記成形物の応力成分である、という構成を採用する。 As a fourth means relating to the fiber orientation method, in the third means, the weighting factor is the stress component of the molding.
繊維配向方法に係る第5の手段として、上記第3の手段において、前記重み付け係数は、前記成形物の破壊指数である、という構成を採用する。 As a fifth means relating to the fiber orientation method, in the third means, the weighting factor is the fracture index of the molding.
繊維配向方法に係る第6の手段として、上記第1~5のいずれかの手段において、前記繊維配向工程では、決定された繊維配向が予め定められた繊維の最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する曲率判定工程を備える、という構成を採用する。 As a sixth means related to the fiber orientation method, in any one of the first to fifth means, in the fiber orientation step, whether or not the determined fiber orientation is larger than a predetermined minimum radius of curvature of the fiber A configuration is adopted in which a curvature determination step for determining is provided.
繊維配向方法に係る第7の手段として、上記第1~6のいずれかの手段において、決定された繊維配向に基づいて計算された収束パラメータが所定の値以下であるか否かを判定する収束判定工程を備える、という構成を採用する。 As a seventh means related to the fiber orientation method, in any one of the first to sixth means, convergence by determining whether a convergence parameter calculated based on the determined fiber orientation is equal to or less than a predetermined value A configuration is adopted in which a determination step is provided.
繊維配向方法に係る第8の手段として、上記第7の手段において、前記収束パラメータは、変形量に基づいて定められる、という構成を採用する。 As an eighth means relating to the fiber orientation method, in the seventh means, a configuration is adopted in which the convergence parameter is determined based on the amount of deformation.
繊維配向装置に係る第1の手段として、繊維を含む材料の成形物の繊維配向を決定する繊維配向装置であって、前記成形物の形状と負荷状態とに応じて荷重経路を算出する荷重経路設定部と、前記成形物の応力を指標化したPointing Stress Vectorを算出するPointing Stress Vector算出部と、前記荷重経路と前記Pointing Stress Vectorとに基づいて繊維配向を決定する繊維配向部とを備える、という構成を採用する。 As a first means related to a fiber orientation device, a fiber orientation device for determining the fiber orientation of a molding of a material containing fibers, wherein the load path is calculated according to the shape and load state of the molding A setting unit, a pointing stress vector calculating unit that calculates a pointing stress vector indexing the stress of the molding, and a fiber orientation unit that determines fiber orientation based on the load path and the pointing stress vector, configuration is adopted.
繊維配向装置に係る第2の手段として、前記Pointing Stress Vector算出部は、前記Pointing Stress Vectorを応力テンソルに基づいて算出する、という構成を採用する。 As a second means related to the fiber orientation device, a configuration is adopted in which the Pointing Stress Vector calculator calculates the Pointing Stress Vector based on a stress tensor.
本発明によれば、荷重経路及びPointing Stress Vectorに基づいて繊維配向を決定する。したがって、成形品の繊維配向が荷重経路及びPointing Stress Vectorと近しくなり、成形品において荷重を繊維に沿って伝達することが可能であり、すなわち成形品の剛性と強度を高めることが可能である。また、荷重経路及びPointing Stress Vectorは、それぞれ負荷点から支持点に向けて連続的につながる。したがって、荷重経路に基づいて連続的に繊維配向を決定することが容易である。 According to the present invention, the fiber orientation is determined based on the load path and the Pointing Stress Vector. Therefore, the fiber orientation of the molded article is closer to the load path and the pointing stress vector, allowing the load to be transmitted along the fibers in the molded article, i.e. increasing the stiffness and strength of the molded article. . Also, the load path and the pointing stress vector are continuously connected from the load point to the support point. Therefore, it is easy to continuously determine the fiber orientation based on the load path.
以下、図面を参照して、本発明に係る繊維配向方法及び繊維配向装置の一実施形態について説明する。 An embodiment of a fiber orientation method and a fiber orientation device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
本実施形態に係る繊維配向装置1は、応力解析部2と、剛性指標算出部3と、荷重経路設定部4と、Pointing Stress Vector算出部5と、繊維配向部6と、収束判定部7と、繊維配向出力部8とを備えている。なお、繊維配向装置1は、CPU、ハードディスク及びメモリを有するコンピュータの一機能として備えられている。このような繊維配向装置1は、3DプリンタやAFP装置およびATL装置等により成形される樹脂及び繊維により構成される複合材料によって成形品を成形する際に繊維配向を決定する。
The
応力解析部2は、成形物の設計形状と、その成形物にかかる荷重等とを取得し、この成形物の応力状態を解析する。
The
剛性指標算出部3は、ひずみエネルギに基づいて、成形物の設計形状と、成形品の負荷状態とにおいて定められる全節点の応力を解析し、剛性指標U*を算出する。具体的には、図2に示すように、荷重点A及び支持点Bを定め、図2(a)に示すようにC点を固定しないときのひずみエネルギUと、図2(b)に示すようにC点を固定したときのひずみエネルギU’とを有限要素法等の手法を用いて算出することにより、任意点C(節点)の剛性指標U*が下式(1)のように表される。剛性指標U*は、荷重点Aと任意点Cとの結合の強さを示すパラメータである。剛性指標算出部3は、下式(1)に基づいて、全ての節点における剛性指標U*を算出する。 Based on the strain energy, the stiffness index calculator 3 analyzes the stress at all nodes determined by the design shape of the molded product and the load state of the molded product, and calculates the stiffness index U*. Specifically, as shown in FIG. 2, the load point A and the support point B are determined, and the strain energy U when the point C is not fixed as shown in FIG. By calculating the strain energy U' when point C is fixed using a method such as the finite element method, the stiffness index U* at an arbitrary point C (node) is expressed as in the following equation (1). be done. The stiffness index U* is a parameter that indicates the strength of the connection between the load point A and the arbitrary point C. The stiffness index calculation unit 3 calculates stiffness indices U* at all nodes based on the following equation (1).
荷重経路設定部4は、成形物の設計形状と全節点の剛性指標U*とに基づいて、荷重経路を算出する。荷重経路設定部4は、成形物の設計形状及び負荷状態における剛性指標U*の分布に基づき、荷重の伝達経路(荷重経路)を算出する。具体的には、荷重経路設定部4は、図4に白の破線で示すように、荷重点との結合の強い箇所(剛性指標U*の値が大きい場所)を順次結んだ線を荷重経路として設定する。図4において、色の濃度は剛性指標U*の値の大きさを示しており、色が薄い(白い)程、剛性指標U*が大きい。このような荷重経路は、荷重点から支持点に向けて連続的に形成される。なお、荷重経路は、各節点におけるベクトルとして出力される。
The load
Pointing Stress Vector算出部5は、成形物の設計形状と負荷状態から各節点における応力テンソル(式(2)参照))に基づいて、Pointing Stress Vectorを算出する。具体的には、Pointing Stress Vector算出部5は、成形物の設計形状と負荷状態に基づく各節点の応力テンソルから、式(3)に示すベクトル式Vx、Vy、Vzを導出する。そして、Pointing Stress Vector算出部5は、ベクトル式Vx、Vy、Vzに沿う方向をPointing Stress Vectorとして定義する。このようなPointing Stress Vectorは、成形物の強度を最適化するために算出されるパラメータであり、応力がどのように集中するかを可視化するものである。したがって、Pointing Stress Vectorに沿って繊維を配向することで、成形物における強度を向上することが可能である。
The pointing stress
繊維配向部6は、算出された荷重経路に基づいて繊維配向を決定する。具体的には、繊維配向部6は、荷重経路とPointing Stress Vectorとを下式(4)に基づいて重み付けした繊維配向ベクトルを算出する。なお、式(4)において、Vustarは荷重経路を表し、VstressはPointing Stress Vectorを表している。また、式(4)における重み付け係数αは、例えば、応力成分とされ、成形物における座標ごとに変化する変数で表される関数が用いられる。さらに、繊維配向部6は、繊維配向ベクトルに沿って繊維を配向した際の繊維の曲率半径を算出する。そして、繊維配向部6は、繊維の強度を損なわない程度に設計形状に配向するため、繊維の曲率半径が、予め定められた最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する。
The
収束判定部7は、繊維配向部6により決定された繊維配向における変形量を算出すると共に記憶し、前回算出された変形量と今回計算した変形量との変化率(収束パラメータ)を算出する。そして、収束判定部7は、変形量の変化率が予め定められた判定値よりも小さいか否かを判定する。
The
繊維配向出力部8は、決定した繊維配向をモニタへと出力する。また、繊維配向出力部8は、3DプリンタやAFP装置およびATL装置等の制御装置に対して、繊維配向のデータを出力する。
The fiber
このような本実施形態に係る繊維配向装置1による繊維配向方法について説明する。
まず、繊維配向装置1は、応力解析部2により成形物の応力を解析し、剛性指標算出部3において、上式(1)に基づいて、剛性指標U*を算出する(ステップS1)。そして、繊維配向装置1は、荷重経路設定部4において、剛性指標U*に基づいて荷重経路を算出する(ステップS2)。なお、ステップS2は、本発明における荷重経路算出工程に相当する。
A fiber orientation method by the
First, in the
そして、繊維配向装置1は、Pointing Stress Vector算出部5において、応力テンソルを算出する(ステップS3)。そして、繊維配向装置1は、Pointing Stress Vector算出部5において、上式(3)に基づいて、Pointing Stress Vectorを算出する(ステップS4)。なお、ステップS3、S4は、本発明におけるPointing Stress Vector算出工程に相当する。
Then, the
続いて、繊維配向装置1は、繊維配向部6において、荷重経路とPointing Stress Vectorとを上式(4)に基づいて重み付けして繊維配向ベクトルを算出する(ステップS5)。さらに、繊維配向装置1は、繊維配向部6において、定義された繊維配向ベクトルの曲率半径が最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する(ステップS6)。そして、繊維配向ベクトルの曲率半径が最小曲率半径よりも小さい場合、すなわち、判定がNOの場合には、新たな剛性指標U*及びPointing Stress Vectorを算出して繊維配向を変更するため、再度ステップS1へと戻る。なお、ステップS7は、本発明における曲率判定工程に相当する。
Subsequently, the
また、繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも大きい場合、すなわち、判定がYESの場合には、繊維配向装置1は、収束判定部7において、繊維配向が収束しているか否かを判定する(ステップS7)。具体的には、収束判定部7は、前回算出された繊維配向による変形量からの変化率を算出する。収束判定部7は、この変形量の変化率が所定の値以下となった場合に繊維配向が収束したと判定する。例えば、図5に示すように、繊維配向は、ステップS1~S8のフローを繰り返すたびに徐々に変形量が一定となる。そして、繊維配向が収束していない場合、すなわち、ステップS7の判定がNOの場合には、新たな剛性指標U*及びPointing Stress Vectorを算出して繊維配向を変更するため、再度ステップS1へと戻る。なお、ステップS7は、本発明における収束判定工程に相当する。また、ステップS6は、本発明における繊維配向工程に相当する。
When the curvature radius of the fiber orientation is larger than the minimum curvature radius, that is, when the determination is YES, the
また、繊維配向が収束した場合、すなわち、ステップS7の判定がYESの場合には、繊維配向装置1は、繊維配向出力部8において、図6(a)、(b)の破線に示すように、定義された繊維Fの配向を表示すると共に、外部装置へと出力する(ステップS8)。なお、図6においては、略半球状かつ球面に複数の開口を有する成形品に対して、繊維Fを配向した場合を示しており、上段が断面斜視図であり、下段が全体斜視図である。
繊維配向装置1は、このようなステップS1~S8のフローを繰り返すことにより、成形品の繊維配向を決定する。
When the fiber orientation converges, that is, when the determination in step S7 is YES, the
The
このような本実施形態に係る繊維配向方法によれば、荷重経路とPointing Stress Vectorとに基づいて繊維配向を決定する。したがって、成形品の繊維配向が荷重経路に近しくなると共に応力が集中する部位において密に配向されるようになる。これにより、成形品において、荷重を繊維に沿って伝達できると共に、応力が集中する部位において変形を防止することが可能であり、すなわち成形品の剛性及び強度を高めることが可能である。 According to the fiber orientation method according to this embodiment, the fiber orientation is determined based on the load path and the pointing stress vector. Therefore, the fiber orientation of the molded product becomes close to the load path and densely oriented at the site where stress is concentrated. As a result, in the molded article, the load can be transmitted along the fibers, and deformation can be prevented in areas where stress is concentrated, ie, the rigidity and strength of the molded article can be increased.
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、Pointing Stress Vectorは、応力テンソルに基づいて算出される。すなわち、剛性指標U*の算出に用いられる節点に基づいて、Pointing Stress Vectorを算出することが可能である。したがって、成形物のPointing Stress Vectorの算出が容易である。 Moreover, according to the fiber orientation method according to the present embodiment, the Pointing Stress Vector is calculated based on the stress tensor. That is, it is possible to calculate the pointing stress vector based on the nodes used to calculate the stiffness index U*. Therefore, it is easy to calculate the pointing stress vector of the molding.
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、Pointing Stress Vectorと荷重経路との重み付け係数αは、成形物における座標により変化する関数である。これにより、例えば、応力が集中している位置においては、Pointing Stress Vectorに重み付けがなされ、応力が小さい位置においては、荷重経路に重み付けがなされるため、成形物における位置により、適切な繊維配向とすることが可能である。したがって、成形品の剛性及び強度を適切に高めることが可能である。 Further, according to the fiber orientation method according to the present embodiment, the weighting factor α between the pointing stress vector and the load path is a function that changes according to the coordinates in the molded article. This, for example, weights the Pointing Stress Vector at locations where stress is concentrated, and weights the load path at locations where stress is low, so that the location in the molding determines the proper fiber orientation and orientation. It is possible to Therefore, it is possible to appropriately increase the rigidity and strength of the molded product.
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、繊維配向の曲率半径が最小曲率半径よりも大きいか否かを判定する曲率判定工程を備えている。繊維は所定の曲率を超えて屈曲されると荷重を伝達することができず、成形品の剛性を損なうこととなる。しかしながら、本実施形態に係る繊維配向方法では、繊維の屈曲可能な曲率半径を超えた繊維配向となることがない。したがって、繊維の剛性を損なうことなく配向することができ、すなわち成形品の剛性及び強度を高めることが可能である。 Moreover, according to the fiber orientation method according to the present embodiment, the curvature determination step of determining whether or not the radius of curvature of the fiber orientation is larger than the minimum radius of curvature is provided. When the fibers are bent beyond a certain curvature, they are unable to transmit the load, compromising the stiffness of the molded article. However, in the fiber orientation method according to the present embodiment, the fiber orientation does not exceed the bendable radius of curvature of the fibers. Therefore, it is possible to orient the fibers without impairing their rigidity, that is, to increase the rigidity and strength of the molded product.
また、本実施形態に係る繊維配向方法によれば、繊維配向の変形量が収束したか否かを判定する収束判定工程を備えている。これにより、繊維配向は、変形量が最適となるように決定される。さらに、収束判定工程を曲率判定工程の後段に備えることにより、無理のない繊維配向としつつ、好適な剛性及び強度を有する繊維配向とすることが可能である。 Moreover, according to the fiber orientation method according to the present embodiment, it is provided with a convergence determination step of determining whether or not the amount of deformation of the fiber orientation has converged. Thereby, the fiber orientation is determined so as to optimize the amount of deformation. Furthermore, by providing the convergence determination step after the curvature determination step, it is possible to obtain a fiber orientation having suitable rigidity and strength while achieving a reasonable fiber orientation.
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above embodiments. The various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiment are merely examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
上記実施形態においては、収束判定工程において、変形量の変化率により収束を判定するものとしたが、本発明はこれに限定されない。収束判定工程においては、収束パラメータとして剛性の変化率により収束を判定するものとしてもよい。また、収束判定工程において、応力の変化率により収束を判定するものとしてもよい。また、収束判定工程において、破壊指数の変化率により収束を判定するものとしてもよい。この場合については、収束判定部7は、決定された繊維配向に基づく剛性や応力、破壊指数を算出し、同様に前回の剛性や応力、破壊指数からの変化率に基づいて収束を判定する。
In the above embodiment, in the convergence determination step, convergence is determined based on the change rate of the deformation amount, but the present invention is not limited to this. In the convergence determination step, the convergence may be determined using the stiffness change rate as the convergence parameter. Further, in the convergence determination step, the convergence may be determined based on the stress change rate. Further, in the convergence determination step, the convergence may be determined based on the change rate of the fracture index. In this case, the
上記実施形態においては、重み付け係数αは、応力成分としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、重み付け係数αは、破壊指数を用いることも可能である。破壊指数は、複合応力場の応力の度合いを示す変数であり、応力成分と同様に、成形物における応力が大きい位置の値が大きく、成形物における応力が小さい位置の値が小さくなる。これによっても、応力が集中している位置においては、Pointing Stress Vectorに重み付けがなされ、応力が小さい位置においては、荷重経路に重み付けがなされるため、成形物における位置により、適切な繊維配向とすることが可能である。 In the above embodiment, the weighting factor α is the stress component, but the present invention is not limited to this. For example, the weighting factor α can also use the breaking index. The fracture index is a variable that indicates the degree of stress in a composite stress field. Similar to the stress component, the value is large at locations where stress is high in the molded product, and the value is small at locations where stress is low in the molded product. As a result, the pointing stress vector is weighted at the position where the stress is concentrated, and the load path is weighted at the position where the stress is small. It is possible.
上記実施形態においては、曲率判定工程を実施するものとしたが、成形品の形状によっては省略するものとしてもよい。 In the above embodiment, the curvature determination step is performed, but it may be omitted depending on the shape of the molded product.
上記実施形態においては、繊維配向装置の動作として繊維配向方法を説明したが、本発明はこれに限定されない。繊維配向方法は、3DプリンタやAFP装置、ATL装置、または成形品の設計を行うコンピュータにおける一機能とすることも可能である。 In the above embodiments, the fiber orientation method was described as the operation of the fiber orientation device, but the present invention is not limited to this. The fiber orientation method can also be a function in a 3D printer, AFP machine, ATL machine, or computer that designs the part.
1 繊維配向装置
2 応力解析部
3 剛性指標算出部
4 荷重経路設定部
5 Pointing Stress Vector算出部
6 繊維配向部
7 収束判定部
8 繊維配向出力部
A 荷重点
B 支持点
C 任意点
F 繊維
1
Claims (10)
前記成形物の形状と負荷状態とに応じて荷重経路を算出する荷重経路算出工程と、
前記成形物の応力を指標化したPointing Stress Vectorを算出するPointing Stress Vector算出工程と、
前記荷重経路と前記Pointing Stress Vectorとに基づいて繊維配向を決定する繊維配向工程と
を備えることを特徴とする繊維配向方法。 A fiber orientation method for determining the fiber orientation of a molding of a fiber-containing material, comprising:
a load path calculation step of calculating a load path according to the shape and load state of the molding;
a Pointing Stress Vector calculating step of calculating a Pointing Stress Vector indexing the stress of the molding;
and a fiber orientation step of determining the fiber orientation based on the load path and the pointing stress vector.
前記成形物の形状と負荷状態とに応じて荷重経路を算出する荷重経路設定部と、
前記成形物の応力を指標化したPointing Stress Vectorを算出するPointing Stress Vector算出部と、
前記荷重経路と前記Pointing Stress Vectorとに基づいて繊維配向を決定する繊維配向部と
を備えることを特徴とする繊維配向装置。 A fiber orientation device for determining the fiber orientation of a molding of a material containing fibers,
a load path setting unit that calculates a load path according to the shape and load state of the molding;
a Pointing Stress Vector calculator that calculates a Pointing Stress Vector indexing the stress of the molding;
A fiber orientation device, comprising: a fiber orientation unit that determines fiber orientation based on the load path and the pointing stress vector.
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