JPH0415761A - 冷熱サイクル構造体温度の解析方法および金型装置系の設計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、冷熱サイクル構造体温度の解析方法および金
型装置系の設計装置に関し、さらに詳しくは、例えば射
出成形用金型のように冷熱サイクルの繰り返しのもとで
使用される金型において、その金型の形状や金型に用い
る金属材料の種類、金型冷却管の配管状態や冷却液の流
量、さらには成形品の形状を規定することとなる金型キ
ャビティ形状、およびこれらの金型やその冷却系の運転
条件等、金型装置系全般の構成や運転条件の最適な設計
を行うための解析方法および設計装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、金型装置系等の冷熱サイクル構造体の構成や運
転条件が最適に設計されていないと、成形効率か悪くな
ったり、成形品の不良を多く生じたりする。そしてこの
ような不具合を机上の設計段階で予測することは困難な
場合が多く、又、金型装置系を実際に試作して見てトラ
イアンドエラーで改良することも行われるか、コスト面
や効率面で有利ではない。

このような点から、近時、計算機シミュレーションによ
る解析を利用して最適の設計を得ようとする手法が用い
られている（特開昭６３−４６５１１号公報、特開昭６
３−１６５９７０号公報等参照）。そしてこれらの従来
技術においては解析方法としていわゆる定常解析法や非
定常解析法が用いられ、また非定常解析法の計算手法と
して差分法、有限要素法、あるいは境界要素法が用いら
れている。

〔発明か解決しようとする課題〕

ところで、例えば射出成形用金型のようにサイクリック
な冷熱プロセスの繰り返しのもとで使用される金型を、
その熱的条件面の考慮から最適に設計しようとする場合
、熱流束（単位時間（５ｅｃ）に単位面積（ｃｎ）を通
って出入りする熱量（ｃａｔ））と金型温度とか刻々と
変化する冷熱サイクルを解析する為に非定常解析法が必
要となり、かつその計算手法としては、３次元解析モデ
ルの作成か著しく容易になる点から境界要素法が著しく
有利である。

それにも拘らず、従来、上記のような設計目的で境界要
素法による非定常解析を行う技術は実用化されていなか
った。その理由は、金型温度を解析するためには、定数
として与えられる種々の条件の他に、設定時刻に従って
変化する熱流束を経時的な積分演算によって知る必要か
あり、例えばある設定時刻ｎ＋１での金型温度を知るた
めには設定時刻０〜ｎの全時点についての（ｎ＋１）回
の積分演算を行わなければならないという点にあった。

従って、ある程度以上のサイクル数に渉って金型の冷熱
サイクルを解析しようとする場合、上記設定時刻ｎの値
が太き（なるため、所要計算量が膨大なものとなり、通
常容量の計算機では計算時間か非常に長くなって、設計
工程の遅延か著しく、反面、大容量の計算機はコスト面
で用い難いとの理由から実用化を阻まれていたのである
。

Ｃ本願発明の説明〕 （発明の目的） 本願発明は、・上記の問題点に鑑み、計算機シミュレー
ションを利用した金型装置系等の冷熱サイクル構造体の
設計において、境界要素法による非定常解析を行うこと
の利点を維持したままで、しかも設計工程の短縮、コス
ト低減の面で実用性のある金型装置系の設計方法および
設計装置を提供することを目的とする。

（第１発明および第２発明の構成） 第１発明の構成は、第１図のフローチャートに示すよう
に、ＣＡＥ／ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを用いる解析方法
であって、冷熱サイクル構造体の３次元解析モデルに基
づき、その各冷熱サイクルの特定時刻間の熱流束の平均
値を用いて境界要素法により近似的に積分演算し、構造
体の温度変化を求めることを特徴とする冷熱サイクル構
造体温度の解析方法である。

第２発明の構成は、第２図のブロック図に示すように、
データの入力を行うデータ入力手段１と、前記データ入
力手段により入力された形状データに基づいて金型やそ
の冷却装置の３次元解析モデルを作成するモデリング手
段２と、前記データ入力学段１により入力された条件デ
ータを前記３次元解析モデルに付加して境界要素法によ
り金型のサイクリックな温度変化を設定時刻の経過に従
って順次積分演算する演算手段３と、前記演算手段３に
おける積分演算か各冷熱サイクルの終了時に該当する設
定時刻に至るごとにそれまでの全時刻における熱流束の
平均値を算出する平均熱流束算出手段４と、前記平均熱
流束算出手段４により算出された熱流束の平均値を前記
演算手段３に付加して、次の冷熱サイクルでの積分演算
において、それまでの全時刻に渉る積分演算の結果に１
ステップで代替する熱流束値として用いさせる演算ステ
ップ短縮手段５と、前記演算手段３、平均熱流束算出手
段４、演算ステップ短縮手段５による所要の冷熱サイク
ル数に渉る演算の結果を前記形状データあるいは出力デ
ータと対比させるべく出力する出力手段６とを有する金
型装置系の設計装置である。

（第１発明及び第２発明の作用・効果）次に、第１発明
、第２発明の作用、効果を第１図のフローチャート、第
２図のブロック図に基づいて説明する。

まず、冷熱サイクル構造体、例えば、金型やその冷却装
置の形状、構造を規定する形状データか、データ入力手
段１によって計算機に入力される。

かかる形状データとして、金型の成形面や外側面の形状
、冷却管の内径及び外径や配管経路等のデータが挙げら
れる。

次いでモデリング手段２により、上記形状データに基づ
いて金型やその冷却装置の３次元解析モデルか作成され
る。この３次元解析モデルは境界要素法に特有の境界モ
デル、サーフェイスモデル等と称されるものであり、差
分法や有限要素法において作成されるモデルに比し、そ
の作成か著しく容易である。

一方、金型の冷熱サイクルを規定する条件データも前記
データ入力手段１により計算機に入力される。かかる条
件データとしては、金型構成材料の熱伝導度や比熱、被
成形材料の射出時温度や比熱、金型の冷却時間、冷却液
の流量等が挙げられる。

こうして、計算機に入力された条件データか前記３次元
解析モデルに付加され、演算手段３によって積分演算さ
れる。この積分演算は、初期条件として与えられる条件
データを境界要素法に従って所定の熱伝導方程式にあて
はめ、設定時刻の経過に伴う熱流束の変化と、これに基
づく金型温度の変化とを経時的に算出するものである。

但し、上記の通りの演算が行われるのは、第１の冷熱サ
イクルだけである。即ち、第１の冷熱サイクルの終了時
に該当する設定時刻に到ると、平均熱流束算出手段４に
よってそれまでの全時刻における熱流束の平均値（以下
、これを「平均熱流束」という。）か算出され、次いで
演算ステップ短縮手段５によってこの平均熱流束か前記
演算手段３に付加される。

この平均熱流束は、第２の冷熱サイクルでの積分演算の
基礎となるへき、第１の冷熱サイクルの全時刻に渉る積
分演算の結果としての熱流束の値に１ステップで代替す
るものである。従って、例えば第３図に示すように、第
１の冷熱サイクルにｎ点の設定時刻かあった場合、第２
の冷熱サイクルにおける設定時刻ｎ＋１での所要計算量
は、本来ならば設定時刻０〜ｎの全時刻にわたる（ｎ＋
１）回の累積的な積分演算を要するところが、前記平均
熱流束を用いる１回の積分演算で済むこととなる。しか
も平均熱流束はそれまでの全時刻における熱流束の平均
値として与えられるので、実際の熱流束の値と十分に近
似している。

そして、平均熱流束算出手段４と演算ステップ短縮手段
５とによる上記のような演算ステップ短縮処理か各冷熱
サイクルの終了時ごとに行われるので、特に多数の冷熱
サイクルに渉る経時的積分演算を行う場合には、解析結
果の信頼性を維持したままで、その演算ステップ短縮効
果、ひいては計算時間の短縮効果はきわめて大きなもの
となる。

こうして、演算手段３、平均熱流束算出手段４、演算ス
テップ短縮手段５による所要の冷熱サイクル数に渉る演
算か行われ、金型の温度変化が算出される。この演算結
果は出力手段６によって数値化データ、図形化データ等
として出力されるが、非定常解析を行っているため、金
型の任意の部位における経時的な温度変化を示すデータ
や、任意の設定時刻における金型全体の温度分布を示す
データ等、多様なデータの出力が可能である。従って、
金型の冷熱サイクルを多面的かつ有効に解析することが
できる。

そして、これらの出力データに基づき、当初に入力した
形状データや条件データが評価、修正されて、金型装置
系の最適設計が行われるのである。

以上の点から、本願第１発明および第２発明によれば、
計算機シミュレーションを利用した金型装置系の設計に
おいて、境界要素法による非定常解析を行うことの利点
を維持したままで、通常容量の計算機によっても設計工
程の短縮を十分に図ることができる。

（第１発明及び第２発明のその他の発明の説明）第１発
明の「冷熱サイクル構造体」とは、サイクリックな冷熱
変化を伴う一定の構造体を言い、射出成形用金型がその
一例として挙げられるが、これに限定されない。

前記第１発明および第２発明において、データ入力手段
の種類は限定されず、入力用キーボード、平面図形の読
み取り装置、立体図形の認識装置等の任意の手段により
データを入力することができる。

条件データはモデリング手段２による３次元解析モデル
の作成後に計算機に入力しても良いし、あるいは３次元
解析モデルの作成前（例えば、形状データの入力と同時
あるいはそれ以前）に計算機に入力して、３次元解析モ
デルに付加されるまでの間、読み出し可能な状態で計算
機に記憶させておいても良い。

演算手段３での積分演算は、非定常な熱伝導現象を支配
する適切な方程式に従って行われる。このような方程式
の一例として、後に述べる実施例で記すものか挙げられ
るが、これに限定されるものではなく、設定時刻の経過
に従ってサイクリックな温度変化の経時的な積分演算を
行うための他の適切な方程式であっても用い得る。

出力手段６により出力された演算結果は、これを単に人
為的に評価して形状データや条件データを修正するとい
う方式の他、金型の温度変化や温度分布等の望ましいス
タンダードを予め計算機に記憶させておき、計算機内に
設けた評価手段によって前記演算結果をスタンダードと
の対比で評価させ、その結果から初期の形状データや条
件データか自動的に修正を受けるようにしても良い。更
に、このように修正された形状データや条件データに基
づいて３次元解析モデルやこれに付加される条件データ
が自動的に再構成され、再度積分演算が実施されるよう
に構成しても良い。この場合、上記プロセスが繰り返さ
れるごとにスタンダードとの対比で最適設計に至ったか
否かを評価手段によって判定させ、ＹＥＳの判定信号に
よってのみ演算の停止と出力手段６による演算結果の出
力とか行われるように構成して、金型装置系の最適設計
に到る工程を全自動化することもできる。この場合、工
程短縮化のメリットがとりわけ大きい。

〔実施例〕

次に、本願第１発明および第２発明の一実施例を説明す
る。本実施例は、第４図に示すような固定型７と可動型
８とからなる箱型成形品の射出成形用金型において、両
型７．８の内部にそれぞれ一点鎖線で示す冷却管９、ｌ
Ｏが配置された場合の各冷却管９．１０の最適冷却液流
量を求めるために行ったものである。

そして本実施例の設計装置は、第５図に示すように、メ
インコンピュータ１１、グラフィックコンピュータ１２
、モデル表示装置ｔ１３、出力表示装置１４より構成さ
れる。

メインコンピュータ１１には、前記第２図に示したデー
タ入力手段１、演算手段３、平均熱流束算出手段４、演
算ステップ短縮手段５か含まれ、グラフィックコンピュ
ータ１２にはモデリング手段２が含まれると共に、３次
元解析モデルかモデル表示装ｆｌ１３で表示てきるよう
になっており、出力表示装置１４は前記出力手段６に相
当す、るものである。

本実施例の具体的内容を第６図に基づいて説明すると、
まず、データ入力手段１の条件データ入力回路１５に以
下の■〜■の条件データを入力する。

■　成形条件（冷却時間、成形時間、樹脂温度、大気温
度、冷却液温度・流量） ■　樹脂熱特性データ （熱伝導率、密度、比熱、固化温度、 流動停止温度、潜熱） ■　金型熱特性データ （熱伝導率、密度、比熱） ■　冷却液熱・流動特性データ （熱伝導率、密度、比熱、粘度） これらの条件データは、条件データメモリ１６に保存さ
れる。

次に、データ入力手段１の形状データ入力回路１７に固
定型７、可動型８、およびそれらの冷却管９．１０につ
いての３次元形状のデータか入力され、これらのデータ
は形状データメモリ１８に保存される。

次いて形状データメモリ１８に保存された形状データの
読み込みによってモデリング手段２のモデル作成回路１
９か第７図のような三次元解析モデルを作成し、前記モ
デル表示装置１３にデイスプレィすると共に、この３次
元解析モデルを演算手段３のモデル入力回路２０によっ
て積分演算回路２１に入力する。

一方、前記条件データメモリ１６に保存された条件デー
タも、条件データ付加回路２２によって読み込まれ、積
分演算回路２１に付加される。

ここで、積分演算回路２１が、３次元解析モデルと、こ
れに初期条件として付加された条件データとから演算を
行うにあたり、以下の熱伝導方程式を用いる。

（１）式において、Ｔは温度、ｔは時間、ρは密度、Ｃ
ｐは比熱、λは熱伝導率、２はラプラシアンである。

上記の（１）式に適宜な初期条件と境界条件を与えて時
間依存性の基本解を用い、時刻ｎにおける積分方程式を
求め、それをマトリックス表示すると、次の（２）式か
得られる。

（２）式において、Ｓは設定時刻、Ｈは温度マトリック
ス、Ｇは熱流束マトリックス、Ｑは熱流束、〒。は初期
温度、Ｂは初期温度マトリックスである。

上記（２）式によって熱流束の変化に基づき、積分演算
回路２１か演算を行い、設定時刻の経過に伴う金型温度
のサイクリックな変化を求めるのである。

ところで、（２）式によれば、各設定時刻に於ける金型
温度を求めるには、累積的に積分演算を行う必要がある
ため、特に設定時刻の値がある程度以上に大きくなると
、積分演算の所要計算量か膨大なものとなる。そこで、
次のような演算ステップ短縮処理が行われる。

即ち、第１の冷熱サイクルの終了時に該当する設定時刻
に至ると、平均熱流束算出手段４の設定時刻判定回路２
３かこのことを検出し、平均熱流束算出回路２４を作動
させる。そして、平均熱流束算出回路２４は平均熱流束
、即ちそれまでの全時刻における熱流束の平均値を算出
して、演算ステップ短縮手段５の平均熱流束付加回路２
５を通じ、この平均熱流束の値を積分演算回路２１に付
加する。更に、初期値変更回路２６か作動して、積分演
算回路２１における第２の冷熱サイクルの積分演算にあ
たり、本来の初期条件に基づく設定時刻０からの積分演
算に代え、平均熱流束を用いてＩステップの演算で代替
する。

以後、各冷熱サイクルの終了時ごとにこのような演算ス
テップ短縮処理か行われる。

なお、設定時刻の進行に伴う積分演算の進行は、常に演
算終了判定回路２７によりチエツクされ、予め解析の終
了時点として定められた設定時刻に至った時は、積分演
算が停止され、出力手段６のデータ出力回路２８を介し
てデータ出力装置２９に所望のデータ形態の解析データ
か出力される。

第８図は本実施例における固定型７および可動型８の経
時的な金型温度の変化の解析結果を示し、点線が計算値
、実線が金型試作品に熱電対を取り付けて実測した実験
値を示す。図に示すように、計算値は実測値と良好な対
応を示している。第８図の結果から、可動型８は固定型
７に比して常に高い温度域にあり、可動型８の冷却を強
化する必要のあることが判明したので、可動型８の冷却
管１０における冷却液流量を増加させるように運転条件
の設計を修正した。

第９図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第５、第１８の冷熱サ
イクルにおける可動型８の表面温度の分布を等混線で示
した解析結果である。これらの図によれば、可動型８の
表面温度は、特に上側の突出した角部３０において高い
ことが認められ、この角部３０を有効に冷却できるよう
に冷却管１０の配管の設計を修正した。

なお、本実施例における第１８の冷熱サイクルまでの解
析に要した計算時間は、同様の解析を演算ステップ短縮
処理なして行った場合に比し、約１／３０てあった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１発明を説明するフローチャート、第２
図は本願第２発明のクレーム対応ブロック図、第３図は
演算ステップ短縮処理を説明する図、第４図は実施例に
おいて解析対象とした金型とその冷却系とを示す斜視図
、第５図は本願第２発明のシステム構成図、第６図は実
施例のブロック図、第７図は実施例において作成された
３次元解析モデルを示す図、第８図は金型温度の経時的
変化の解析データを示す図、第９図（ａ）、（ｂ）はそ
れぞれ、第５及び第１８の冷熱サイクルにおける可動型
の表面温度の分布の解析データを示す図である。 データ入力手段 モデリング手段 演算手段 平均熱流束算出手段 演算ステップ短縮手段 出力手段 固定型 可動型 冷却管 冷却管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＣＡＥ／ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを用いる解析方
   法であって、 冷熱サイクル構造体の３次元解析モデルに基づき、その
   各冷熱サイクルの特定時刻間の熱流束の平均値を用いて
   境界要素法により近似的に積分演算し、 構造体の温度変化を求める、 ことを特徴とする冷熱サイクル構造体温度の解析方法。
2. （２）データの入力を行うデータ入力手段と、前記デー
   タ入力手段により入力された形状データに基づいて金型
   やその冷却装置の３次元解析モデルを作成するモデリン
   グ手段と、 前記データ入力手段により入力された条件データを前記
   ３次元解析モデルに付加して、境界要素法により金型の
   サイクリックな温度変化を設定時刻の経過に従って順次
   積分演算する演算手段と、前記演算手段における積分演
   算が各冷熱サイクルの終了時に該当する設定時刻に至る
   ごとにそれまでの全時刻における熱流束の平均値を算出
   する平均熱流束算出手段と、 前記平均熱流束算出手段により算出された熱流束の平均
   値を前記演算手段に付加して、次の冷熱サイクルでの積
   分演算においてそれまでの全時刻に渉る積分演算の結果
   に１ステップで代替する熱流束値として用いさせる演算
   ステップ短縮手段と、前記演算手段、平均熱流束算出手
   段、演算ステップ短縮手段による所要の冷熱サイクル数
   に渉る演算の結果を前記形状データあるいは出力データ
   と対比させるべく出力する出力手段と、 を有することを特徴とする金型装置系の設計装置。