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技術 円筒の設計シミュレーション方法

出願人 東レ株式会社
発明者 加藤寛之谷角勇介
出願日 2016年5月25日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2016-104085
公開日 2017年11月30日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2017-211804
状態 未査定
技術分野 CAD 打球具 ゴルフクラブ 型の被覆による成形、強化プラスチック成形
主要キーワード 円筒モデル FEM解析モデル 材料物性値 静的特性 変数入力 FEMモデル マンドレル外径 有限要素法解析
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年11月30日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

有限要素法解析シミュレーションにおけるプリプレグ積層体硬化されてなる繊維強化プラスチック製円筒有限要素モデルの作成では、厳密に積層の重なりを再現するとモデル化に時間がかかるため、モデル作成の効率化が課題となっている。

解決手段

複数のプリプレグマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成ステップと、マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップを含むことを特徴とする。

概要

背景

炭素繊維ガラス繊維強化繊維とする繊維強化プラスチック(以下FRPと記す)は、その比強度比弾性率の高さから、航空機用途、一般産業用途スポーツ用途等の様々な分野で多く利用されている。製品形状に成形するために強化繊維をプリプレグとして用いることが一般的である。プリプレグとは強化繊維に樹脂含浸した成形用中間材料であり、理想的な機械特性を得るために繊維強化方向を変えながら複数の層を積み重ねる積層体として使用されることが一般的である。

近年、ゴルフシャフト釣竿自転車フレームなどに用いられる円筒に、高強度、軽量化を目的としプリプレグの使用が普及している。

円筒の設計では、異種のプリプレグを異方向にマンドレルに巻きつけ成形する方法により製造されている。そのため、円筒の周方向でプリプレグの巻き数が異なる場合が生じる。また、ゴルフシャフトや釣竿などは、円筒の軸方向で外径が異なるため、巻き数は軸方向においても異なる場合がある。そのため、非常に複雑なプリプレグ積層体からなる円筒の開発は、設計と実験を繰り返すため多大な時間と労力を費やしてきた。

近年、プリプレグ積層体からなる円筒の開発設計には、有限要素法解析(Finite Element Method、以下FEM)によるシミュレーションの使用が普及している。FEMによるシミュレーションを用いることにより、実験の過程を省き、曲げ強度曲げ剛性ねじり特性などの特性評価を行うことが可能である。

有限要素法による解析手法を用いてゴルフシャフトの静的物性値シミュレーション方法として、例えば特許文献1の方法が開示されている。

概要

有限要素法解析シミュレーションにおけるプリプレグ積層体が硬化されてなる繊維強化プラスチック製の円筒の有限要素モデルの作成では、厳密に積層の重なりを再現するとモデル化に時間がかかるため、モデル作成の効率化が課題となっている。複数のプリプレグをマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成ステップと、マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップを含むことを特徴とする。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

複数のプリプレグマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体硬化されてなる繊維強化プラスチック製円筒静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成テップと、マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップと、を含むことを特徴とする円筒の設計シミュレーション方法。

請求項2

積層状態予測ステップにおいて、二層目以降の積層状態をマンドレルの外径とプリプレグの巻き数および厚さに基づいて予測する、請求項1に記載の円筒の設計シミュレーション方法。

請求項3

プリプレグが炭素繊維強化プリプレグまたはガラス繊維強化プリプレグである、請求項1または2に記載の円筒の設計シミュレーション方法。

請求項4

繊維強化プラスチック製の円筒が、ゴルフシャフト釣竿テニスラケットフレームまたはシャフト野球用バット自転車フレームのいずれかである、請求項1〜3のいずれかに記載の円筒の設計シミュレーション方法。

技術分野

0001

本発明は、プリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製円筒静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法に関する。

背景技術

0002

炭素繊維ガラス繊維強化繊維とする繊維強化プラスチック(以下FRPと記す)は、その比強度比弾性率の高さから、航空機用途、一般産業用途スポーツ用途等の様々な分野で多く利用されている。製品形状に成形するために強化繊維をプリプレグとして用いることが一般的である。プリプレグとは強化繊維に樹脂含浸した成形用中間材料であり、理想的な機械特性を得るために繊維強化方向を変えながら複数の層を積み重ねる積層体として使用されることが一般的である。

0003

近年、ゴルフシャフト釣竿自転車フレームなどに用いられる円筒に、高強度、軽量化を目的としプリプレグの使用が普及している。

0004

円筒の設計では、異種のプリプレグを異方向にマンドレルに巻きつけ成形する方法により製造されている。そのため、円筒の周方向でプリプレグの巻き数が異なる場合が生じる。また、ゴルフシャフトや釣竿などは、円筒の軸方向で外径が異なるため、巻き数は軸方向においても異なる場合がある。そのため、非常に複雑なプリプレグ積層体からなる円筒の開発は、設計と実験を繰り返すため多大な時間と労力を費やしてきた。

0005

近年、プリプレグ積層体からなる円筒の開発設計には、有限要素法解析(Finite Element Method、以下FEM)によるシミュレーションの使用が普及している。FEMによるシミュレーションを用いることにより、実験の過程を省き、曲げ強度曲げ剛性ねじり特性などの特性評価を行うことが可能である。

0006

有限要素法による解析手法を用いてゴルフシャフトの静的物性値のシミュレーション方法として、例えば特許文献1の方法が開示されている。

先行技術

0007

特開2003−58584号公報

発明が解決しようとする課題

0008

特許文献1の解析手法では、ゴルフシャフトを周方向に1等分以上12等分以下に分割し、分割領域ごとに積層状態を入力しシミュレーションにおけるシャフトモデルを作成する。

0009

しかし、プリプレグ積層体の円筒は、周方向、軸方向に積層状態が異なっており、シミュレーションのモデル化において、要素ごとに異なった入力をしなければならない。そのため、従来通り要素ごとに積層状態を入力すると膨大な時間がかかることが予想され、時間短縮としてのシミュレーションの意味を成さなくなる。

0010

そのため、プリプレグ積層体からなる円筒の設計シミュレーションにおいて、厳密なモデル化の効率化が求められている。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するために、本設計シミュレーションではマンドレル寸法とプリプレグ寸法・厚さから自動で分割領域ごとの積層状態を計算し、モデリングを行う方法を考案した。

0012

すなわち、本発明の円筒の設計シミュレーション方法は、複数のプリプレグをマンドレルに巻きつけて形成されるプリプレグ積層体が硬化されてなる繊維強化プラスチック製の円筒の静的特性値を予測するための円筒の設計シミュレーション方法であって、
解析対象である円筒を軸方向および周方向に分割して有限要素モデルを作成するモデル作成テップと、
マンドレルの外径とプリプレグの寸法に基づいて分割領域毎に自動で積層状態を予測する積層状態予測ステップと、
分割領域毎に円筒構成のデータであるプリプレグの材料物性値と積層状態予測ステップで得た積層状態に基づいて有限要素法解析によりシミュレーションを行い、円筒の静的特性値を予測する予測ステップと、
を含むことを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明により、従来手入力によりモデルを作成していた過程を、本発明の設計シミュレーション方法により省くことで、従来の解析シミュレーションのモデル作成より大幅に時間を短縮することができ、プリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック製の円筒の開発の効率化に繋がる。

図面の簡単な説明

0014

円筒の設計シミュレーション方法のシミュレーションフローを示す概念図である。
プリプレグ積層体からなる円筒の積層構成の模式図である。
プリプレグ積層体からなる円筒の断面図である。

実施例

0015

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれら図面によって何ら制限されるものではない。

0016

図1に示すシミュレーション方法1の構成は、キーボードマウスからなる入力部2、液晶ディスプレイ装置印刷装置等からなる出力部3、作業者が入力部2を操作して対象構造物FEM解析モデルを生成するFEMモデル形成部4、作業者がFEMモデル形成部4にて形成したモデルに拘束条件荷重条件などを定義する解析条件定義部5、FEMモデル形成部4および解析条件定義部5において形成されたFEM解析モデルのFEM解析を実施するFEM解析部6を備えている。FEMモデル形成部4およびFEM解析部5は、公知のFEMモデル生成ソフトウェアやFEM解析ソフトウェア等を用いることができる。本発明は、FEMモデル形成部4における効率化を目的としており、シミュレーションにおけるプリプレグ積層体からなる円筒のモデルを自動計算により作成する方法である。本発明はFEMモデル形成部4において、マンドレル変数入力部7、プリプレグ材料物性入力部8、使用プリプレグ寸法入力部9、プリプレグ材料角度入力部10、積層構成自動計算部11、円筒モデル自動作成部12で構成されている。

0017

ここで、本発明に係る繊維強化プラスチックについて説明する。

0018

本発明におけるシミュレーション対象は、比強度、比弾性率の高い炭素繊維やガラス繊維を強化繊維とするプリプレグ積層体からなる繊維強化プラスチック(以下FRPと記す)製の円筒であり、好ましくは、図2に示すマンドレル13に、強化繊維に樹脂を含浸した成形用中間材料であるシート状のプリプレグ14〜20を、繊維強化方向を変え複数の層を積み重ね積層板とし、樹脂を硬化させたものである。

0019

このようなプリプレグを積層することにより製造される円筒は、使用態様によっては、図3に示すようにプリプレグの重なりにより軸方向・周方向に積層状態の違いが生じる。積層構成測定位置21では一層目が2ply、二層目が2ply、三層目が1plyの積層構成になっている。それに対し、積層構成測定位置22では一層目が1ply、二層目が2ply、三層目が2plyの積層構成になっており、円筒の周方向の位置により積層構成が異なる場合が生じる。

0020

ゴルフシャフトの静的物性値のシミュレーションにおける(特許文献1)に記載の方法では、作成したゴルフシャフトモデルを分割し、積層状態を入力する。分割した領域ごとの積層状態を計算し、積層状態を入力するため、この方法では膨大な時間がかかってしまうことは明らかである。

0021

しかし、本発明は図1における符号7〜10の必要物性を入力することで、分割領域ごとの積層数、厚さなどの積層状態が自動計算され円筒のモデリングが自動で行われる。

0022

自動でモデリングを行う設計シミュレーション方法を具体的に記載する。まず、プリプレグを巻きつけるマンドレルの情報を入力する。マンドレルの長さ、軸方向からの距離における外径を入力し、プリプレグの巻き始め位置を入力する。このパラメータは、実験、または生産過程で用いる値を入力する。次に、使用する各プリプレグの硬化物弾性率や強度などの材料物性値を材料ごとに入力する。次にプリプレグの寸法情報を入力する。プリプレグは図2のように軸方向からの距離により、幅が異なる多角形のプリプレグを用いる場合が多い。巻き始め位置を0としプリプレグの寸法を入力する。入力パラメータは、巻き始め位置からの距離においての幅を、形状変化ごとに入力する。次に、プリプレグの材料角度を入力し、使用プリプレグの硬化物の材料物性値(厚さ・比重剛性・強度など)を入力する。多層積層の場合は、他のプリプレグの情報も同様に入力する。積層構成の自動計算方法は、1層目の積層構成はマンドレルの外径とプリプレグの寸法から巻き数を計算する。2層目以降は、マンドレル外径と積層済みのプリプレグの厚みから外径を計算し、1層目と同様、外径とプリプレグの寸法から積層構成を計算する。

0023

マンドレル外径をD、一層目のプリプレグ厚さをT1、二層目のプリプレグ厚さをT2(三層目以降はT3、T4…)、一層目の特定の分割領域におけるプリプレグ巻き数をX1、二層目の特定の分割領域におけるプリプレグ巻き数をX2(三層目以降はX3、X4…)と定義すると、一層目の積層構成の計算に用いる外径はD、2層目はD+T1X1、n層目はD+T1X1+…Tn−1Xn−1となり、分割領域ごとに積層構成の自動計算を行う。

0024

以上の計算により、プリプレグ積層体からなる円筒のモデルが自動計算により作成され、このモデルを用いてFEMによる解析シミュレーションを行う。

0025

本発明の円筒の設計シミュレーション方法は、繊維強化プラスチック製の円筒の設計シミュレーション方法として利用することでき、例えばゴルフシャフト、釣竿、テニスラケットのフレームまたはシャフト野球用バット自転車フレームなどの円筒の設計シミュレーション方法として好ましく利用することできる。

0026

本発明は、プリプレグ積層体からなる円筒の設計シミュレーションに有用であり、プリプレグ積層体からなる円筒の開発に有用である。

0027

1シミュレーション方法
2 入力部
3 出力部
4FEMモデル形成部
5解析条件定義部
6FEM解析部
7マンドレル変数入力部
8プリプレグ材料物性入力部
9プリプレグ寸法入力部
10 プリプレグ材料角度入力部
11積層構成自動計算部
12円筒モデル自動作成部
13 マンドレル
14 一層目プリプレグ
15二層目プリプレグ
16 三層目プリプレグ
17 四層目プリプレグ
18 五層目プリプレグ
19 六層目プリプレグ
20 七層目プリプレグ
21 積層構成測定位置
22 積層構成測定位置

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