JP6047136B2 - シミュレーション装置、そのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、樹脂材料などの材料を混練する混練装置、特に材料が収容されるシリンダ内にスクリュを備える押出成形機や射出成形機において溶融可塑化される材料の流動解析を行い、その成形プロセスを予測するシミュレーション装置、そのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムに関するものである。

押出成形機や射出成形機が備えるスクリュが回転することにより溶融可塑化された樹脂材料の速度・圧力分布などの物理量を算出し、混練状態や速度・圧力分布などの物性予測といった成形プロセスを予測するに際し、ＦＡＮ法（Ｆｌｏｗ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍｅｔｈｏｄ）や有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）などの解析手法を用いた解析ソフトウェアが汎用的に用いられている。

ＦＡＮ法は、特許文献１〜３記載の技術に代表されるように、例えば押出成形機を解析対象とした場合、押出成形機の装置構成と運転条件および材料物性から、押出成形機内部の充満率、圧力、温度、固相占有率、滞留時間、トルク、動力等の分布状態予測を押出成形機の軸方向断面の平均値として演算する手法である。この手法を用いた市販型のシミュレーションソフトウェアとしては、(株)日本製鋼所が開発した「ＴＥＸ−ＦＡＮ」、ＰｏｌｙＤｙｎａｍｉｃｓ ＩＮＣ.が開発した「ＥＸＴＲＵＣＡＤ」「ＮＥＸＴＲＵＣＡＤ」、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅの「ＷｉｎＳＳＤ」、ドイツＰａｄｅｒｂｏｒｎ大学の「ＲＥＸ」、Ｃｏｍｐｕｌａｓｔ社の「ＥＸＴＲＵＤＥＲ」、アメリカＡｋｒｏｎ大学が開発した「ＡＫＲＯ−ＣＯ−ＴＷＩＮ ＳＣＲＥＷ」などが知られている。

この手法では、例えば押出成形機を解析対象とした場合、押出成形機が備えるスクリュとシリンダ間に存在する流路をシリンダの円周方向に沿って切り開いた形状をモデル化し、シリンダ壁面とスクリュ表面をそれぞれ上下２枚の平板とし、それがスクリュ溝深さ寸法の間隔で設置された形状に置換した状態で、スクリュ表面に相当する平板がスクリュ回転速度だけ平行移動する条件下での流動状態を演算する手段がとられる。この手法にて、ある断面流路要素に着目した場合、上流から流入される流体（溶融状態にある樹脂材料）量とその要素そのものが有する流体の搬送量とのバランスを解くことで、結果としてその要素内の流体圧力や滞留時間、下流側へ流出される流体量などを算出することができる。この演算を上流から下流へ、あるいはその逆方向への流体要素について順次実施することで最終的に押出成形機全体の物理量が算出される。つまり押出成形機の軸方向に対する物理量が出力されることから、一次元解析（１Ｄ解析）と位置づけされる。

一方、ＦＥＭは、解析対象の流路全体を格子状の要素へ分割し、その要素内の節点を計算点とし、質量保存式や運動量保存式を全節点について離散化し、その連立方程式を同時に解くことで流路全体の物理量を演算させる手法であり、格子要素法の一種として数えられる。格子要素法には、ソフトウェアによってはＦＥＭ法だけでなく有限体積法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＶＭ）や有限差分法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＤＭ）などいくつかの手法が適用される。これらの手法を用いた押出成形機の解析は、非特許文献１に代表される九州大学の研究チームによる事例や、汎用ソフトウェアとしてはＡＮＳＹＳ社の「ＰＯＬＹＦＬＯＷ」やアールフロー社の「ＳＣＲＥＷＦＬＯＷ−ＭＵＬＴＩ」などが知られている。この手法による流動解析は二次元（２Ｄ）もしくは三次元（３Ｄ）で実施され、特に近年ではコンピュータのハードウェア性能が著しい向上を見せていることから、３Ｄ解析を適用することが一般的となっている。

これらＦＡＮ法とＦＥＭによる解析の位置づけとしては、ＦＡＮ法は押出成形機全領域の軸方向物理量の分布が得られるため、押出成形機内部の樹脂物性の変遷傾向把握や、押出樹脂の品質を予測するために用いられることが多い。一方で、ＦＥＭは押出成形機全領域の予測が現在のコンピュータ性能環境でも実施が困難であることから、主に混練部位の二次元断面での予測や混練領域を三次元的に抽出した３Ｄ解析を行うことで、その局所的に抽出した領域の詳細な流動状態を予測することに用いられることが多い。

特許第３６７９３９２号 特許第４４１４４０８号 特開平０９−０２９８１９号公報

Ｋ．Ｆｕｎａｔｓｕ， Ｓ．Ｋｉｈａｒａ， Ｍ．Ｍｉｙａｚａｋｉ， Ｓ．Ｋａｔｓｕｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｋａｊｉｗａｒａ， Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，４２，７０７（２００２）

しかしながら、上述したようなＦＡＮ法やＦＥＭを用いた解析ソフトウェアは、それぞれが特徴を有する解析、即ち使い手が得たい情報に合わせた解析に適用されるため、双方の長所を組み込んだ統合化解析を１つのソフトウェアで行うことができない。つまり、同一のソフトウェアで１Ｄ解析といった低次元解析と３Ｄといった高次元解析とを同時に実施することは不可能であるため、低次元解析と高次元解析とを同じ押出成形機の操作条件下で演算を行いたい場合は、それぞれのソフトウェアで同一操作条件となるようなパラメータ設定を手動で行い、出力された結果も個別に整理し、最終的に解析実施者がそれらデータを整理・処理することで、押出成形機全体の樹脂の物理量評価と局所的な混練挙動の評価結果を導き出さなくてはならず、その作業は非常に煩雑なものとなる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、同じ混練装置の操作条件下での低次元流動解析と高次元流動解析とを効率よく実現するシミュレーション装置、そのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、材料の流動解析を行うシミュレーション装置であって、前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行う低次元解析部と、前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付ける選択受付部と、前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出する物理量抽出部と、前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行う高次元解析部とを備える。

また、本発明の一態様は、材料の流動解析を行うシミュレーション装置が実行するシミュレーション方法であって、前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行うステップと、前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付けるステップと、前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出するステップと、前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行うステップとを備える。

また、本発明の一態様は、材料の流動解析をコンピュータに実行させるためのシミュレーションプログラムであって、前記コンピュータを、前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行う低次元解析部と、前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付ける選択受付部と、前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出する物理量抽出部と、前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行う高次元解析部として機能させる。

本発明によれば、同じ混練装置の操作条件下での低次元解析と高次元解析とを効率よく実現することができる。

本実施の形態に係る押出成形機シミュレーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る押出成形機シミュレーション装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 本実施の形態に係る１Ｄ−３Ｄ連成解析処理を示すフローチャートである。 連成解析プログラムの起動画面を示す図である。 スクリュ形状データ作成画面を示す図である。 粘度予測曲線の表示画面を示す図である。 樹脂物性データの設定画面を示す図である。 操作条件の設定画面を示す図である。 各種設定パラメータの確認画面を示す図である。 １Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面を示す図である。 ３Ｄ流動解析処理へ移行するか否かの提示画面を示す図である。 １Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面上での３Ｄ流動解析対象領域の選択および３Ｄ流動解析処理の実行を説明するための図である。 ３Ｄ流動解析処理の解析結果における流路全体の要素分割データの表示画面を示す図である。 ３Ｄ流動解析処理の解析結果におけるスクリュ形状の要素分割データの表示画面を示す図である。 １Ｄ及び３Ｄ流動解析処理双方の解析結果および圧力分布図の表示画面を示す図である。 図１５に示される表示画面において指定された軸方向断面の２Ｄ圧力分布の表示画面を示す図である。 １Ｄ流動解析処理を示すフローチャートである。 ３Ｄ流動解析処理を示すフローチャートである。 第２の１Ｄ−３Ｄ連成解析処理を示すフローチャートである。 連成解析プログラムが情報処理装置に適用される場合を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

本実施の形態においては、２軸スクリュ式の押出成形機を解析対象とし、そのスクリュ混練場（２つのスクリュ及びシリンダ内に形成される流路空間）を演算対象場とし、そこで混練され溶融可塑化される樹脂材料の流動挙動の予測を行う押出成形機シミュレーション装置に本発明を適用した場合を例にとり説明を行う。なお、解析対象は２軸スクリュ式に限定されるものではなく、単軸スクリュ式や３軸以上の多軸スクリュ式をその対象としてもよい。また、解析対象は、押出成形機に限定されるものではなく、混練装置や可塑化装置、射出成形機等、樹脂等の有機物や無機物といった材料を流動させるものであれば、あらゆる装置をその解析対象としてもよい。以下、本実施の形態について図面を参照しつつ、その詳細を説明する。

（装置構成）
図１は、本実施の形態に係る押出成形機シミュレーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図１に示されるように、押出成形機シミュレーション装置１０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１１、記憶部１２、入力部１３、表示部１４、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１５、を有する。

ＣＰＵ１１は記憶部１２上に展開されるＯＳ(Operating System)、ＢＩＯＳ(Basic Input/Output System)、アプリケーション、後述する連成解析プログラム等の各種プログラムを実行し、押出成形機シミュレーション装置１０の制御を行う。記憶部１２は、所謂ＲＡＭ(Random Access Memory)などの揮発性のメモリであり、実行されるプログラムの作業領域として利用される。

入力部１３は、押出成形機シミュレーション装置１０を使用するユーザ（解析実施者）からの入力を受け付けるものであり、例えば、ディスプレイ上の特定の位置を指定するためのポインティングデバイスであるマウスや、文字または特定の機能等が割り当てられた複数のキーが配列されたキーボードである。

表示部１４は、ＯＳおよびＯＳ上で動作するアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）、後述する図４〜図１６に示される設定画面、確認画面、解析結果等をユーザが視覚的に認識可能に表示するディスプレイ等の出力装置である。

ＨＤＤ１５は、連成解析プログラム２０や、後述する１Ｄ−３Ｄ連成解析処理において用いられる各種パラメータ、当該処理により算出される各種物理量といったデータが格納される、所謂不揮発性の記憶領域である。

連成解析プログラム２０は、ユーザにより起動選択されることにより記憶部１２に展開されるアプリケーションソフトウェアプログラムであり、当該展開により、１Ｄ−３Ｄ連成解析処理が実行される。１Ｄ−３Ｄ連成解析処理は、ＦＡＮ法解析による１Ｄ解法と、ＦＥＭ解析による３Ｄ解法を連成したものである。即ち、連成解析プログラム２０は、同一のソフトウェアにて、１Ｄ流動解析機能と３Ｄ流動解析機能とを有する演算手法を搭載している。具体的には、１Ｄ−３Ｄ連成解析処理は、１Ｄ流動解析後に、その解析結果から演算対象場の一部領域を抽出し、１Ｄ解析実施時に設定した樹脂の供給量（押出量）やスクリュ回転数、シリンダの設定温度などの操作条件や粘度モデル式とそのパラメータなどの樹脂物性をそのまま３Ｄ流動解析条件へ自動設定する。また、さらには３Ｄ流動解析に必要な境界条件を１Ｄ流動解析によって得られた樹脂温度や樹脂圧力などの結果をそのまま抽出して自動設定を行うことで３Ｄ流動解析を実行するものである。したがって、連成解析プログラム２０を適用することにより、１Ｄ流動解析と３Ｄ流動解析とを同一の演算条件下で実施することが可能となり、１Ｄ流動解析で得られた領域の一部分を局所的に三次元的な評価を行うことができるため、押出成形機全体の樹脂の物理量評価と局所的な混練挙動の評価を同時に行えることが可能となる。

（機能構成）
次に、連成解析プログラム２０を組み込んだ押出成形機シミュレーション装置１０の機能構成を説明する。図２は、本実施の形態に係る押出成形機シミュレーション装置の機能構成を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、押出成形機シミュレーション装置１０は、表示部１４に各種画面を表示し、そこに入力される設定パラメータを取得する画面出力部１０１と、後述する１Ｄ流動解析処理を行う１Ｄ解析部１０２と、各種処理における判定処理を行う判定処理部１０３と、後述する３Ｄ流動解析対象領域の選択を受け付ける領域選択部１０４と、後述する３Ｄ流動解析処理を行う３Ｄ解析部１０５とを、機能として有する。これら機能は、連成解析プログラム２０に基づいてＣＰＵ１１や記憶部１２等の前述したハードウェア資源が協働することにより実現される。

（１Ｄ−３Ｄ連成解析処理）
次に、押出成形機シミュレーション装置１０の前述した各機能により実行される１Ｄ−３Ｄ連成解析処理について、図３〜図１６を用いてその詳細を説明する。図３は、本実施の形態に係る１Ｄ−３Ｄ連成解析処理を示すフローチャートである。本実施の形態においては、１Ｄ−３Ｄ連成解析処理は、押出成形機シミュレーション装置１０が起動され、連成解析プログラム２０が実行されることをトリガとしている。先ず、連成解析プログラム２０が起動すると、画面出力部１０１は、図４に示されるような起動画面（Ｔｅｘ−Ｆａｎのウィンドウ）を表示装置１４に表示する（Ｓ１）。この起動画面においてユーザから「新規解析」の項目が選択されると、画面出力部１０１は、図５に示されるようなスクリュ形状データ作成画面（Ｔｅｘ−Ｇｅｏ−［ｍｏｄｅｌ，ｓｃｗ］のウィンドウ）を表示部１４に表示し、１Ｄ流動解析に必要なスクリュの構成データの入力を受け付ける（Ｓ２）。「新規解析」の項目は、例えば、図４に示される「ファイル」の項目がユーザにより選択押下されることにより、選択可能に表示される。

本実施の形態においては、スクリュ形状データ作成画面では、本出願人の保有する特許第３７９５８５２号の技術を適用して、後述する１Ｄ流動解析の演算対象場に関するスクリュ形状データを作成するようにしている。簡単に説明すると、画面出力部１０１は、図５に示されるスクリュを構成する各種部品を示す部品ピース５ａを入力部１３によるクリック選択可能に表示し、ユーザがクリックしたまま画面右側へドラッグしドロップすることにより各種部品ピース５ａを連結してスクリュ形状データ５ｂを表示する。各部品ピース５ａのドロップの際、それぞれでプロパティウィンドウ５ｃが表示され、構成データの入力が受け付けられる。本実施の形態においては、構成データとして、Ｌ／Ｄ、リード、角度、外径、フライト位置、刻印番号、スクリュ材質、スペア、端面ズラシ角等が入力される。なお、スクリュ形状によっては、即ち、選択する部品ピース５ａによっては、シリンダ径や溝深さ等を入力するようにしてもよい。なお、この技術に限定されるものではなく、スクリュ形状を形成できる手法であればあらゆる手段を用いてもよいが、後述する３Ｄ流動解析対象領域を選択するステップを鑑みると、ユーザが視覚的に認識且つ選択可能なスクリュ形状データを作成可能な手法が好ましい。

構成データが入力され、ユーザにより「次へ」が選択されると、画面出力部１０１は、別ウィンドウとして「解析ウィザード」を表示し、そこに図示しない樹脂材料の粘度データの入力画面、図６に示されるような粘度予測曲線の表示画面、図７に示されるような樹脂物性データの設定画面等を表示し、１Ｄ流動解析に必要な各種樹脂物性データの入力を受け付ける（Ｓ３）。図６に示される粘度予測曲線は、当該粘度予測曲線の表示画面に先立って表示された粘度データの入力画面において入力された樹脂材料の粘度データに基づいて自動パラメータフィッティングを行った粘度モデル式の予測曲線である。なお、入力される粘度データとしては、例えば、少なくとも２水準の温度条件下において予め測定された、各水準で少なくとも３種類以上の剪断速度における剪断粘度データが挙げられる。図７では、粘度モデル式としてＣｒｏｓｓ ｍｏｄｅｌが選択されている。また、本実施の形態においては、図７に示される設定画面にて、樹脂物性データとして、固体密度、固体熱伝導率、固体比熱、溶融体密度、溶融体熱伝導率、溶融体比熱、融解熱量、融点等が入力される。これら粘度データの入力画面、表示画面、設定画面は、「解析ウィザード」に設けられた「次へ」のボタンが選択されることで推移する。また、「キャンセル」が選択されれば、本ウィンドウが閉じられ、「戻る」が選択されれば、直前の各種画面に戻る。

樹脂物性データが入力され、ユーザにより「次へ」が選択されると、画面出力部１０１は、「解析ウィザード」のウィンドウにおいて図８に示されるような操作条件（解析条件）の設定画面を表示し、１Ｄ流動解析に必要な各種操作条件の入力を受け付ける（Ｓ４）。本実施の形態においては、操作条件として、Ｅｘｔｒｕｄｅｒ Ｔｙｐｅ、押出量、スクリュ回転速度、スクリュ先端圧力、原料樹脂温度、スクリュの各要所におけるシリンダ温度が入力される。また、図８に示されるように、スクリュの各要所をユーザが視覚的に捉えられるよう、ステップＳ２の構成データの受付処理で作成したスクリュ形状データ５ｂも併せて表示することが好ましい。なお、スクリュ形状によっては、即ち、選択する部品ピース５ａによっては、Ｓｌｏｔ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ、シリンダ径、チップクリアランス、軸間距離、溝深さ等も順次入力する。

操作条件が入力され、ユーザにより「次へ」が選択されると、画面表示部１０１は、「解析ウィザード」のウィンドウにおいて、図９に示されるように今までに設定した各種設定パラメータの確認画面を表示し、ユーザに確認を促す（Ｓ５）。

ユーザが確認を終え、「完了」が選択されると、画面出力部１０１により「解析ウィザード」のウィンドウが閉じられ、１Ｄ解析部１０２、判定処理部１０３により１Ｄ流動解析処理が実行される（Ｓ６）。１Ｄ流動解析処理においては、各種設定パラメータに基づいて１Ｄ流動解析が実行され、解析後に図１０に示されるような１Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面（Ｔｅｘ−Ｆａｎ−［結果．ｆａｎ］）が表示される。図１０に示されるように、本実施の形態においては、１Ｄ流動解析処理の結果として、Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ（滞留時間）、Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ（充満率）、Ｔｅｍｐ（樹脂材料温度）、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（樹脂圧力）が出力される。これら物理量は、その下方に配置したスクリュ形状データ５ｂの対応する各位置における断面の平均値、即ち、各グラフの横軸がスクリュ形状データ５ｂに対応付けられており、その軸方向に直行する断面の平均値である。１Ｄ流動解析処理の詳細については後述する。

１Ｄ流動解析処理後、画面出力部１０１は、図１１に示されるように別のウィンドウとして「ＹＥＳ」及び「ＮＯ」のボタンが含まれる「ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ」を表示し、そこに３Ｄ流動解析処理へ移行するか否かの提示画面を表示して３Ｄ流動解処理を実行するか否かをユーザに選択させる（Ｓ７）。なお、この「ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ」は、１Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面が表示されている状態で表示されており、「ＹＥＳ」及び「ＮＯ」のボタンが何れも未選択の状態では、各グラフのスケールや表示倍率等を自由に変更することができる。

「ＮＯ」が選択された場合（Ｓ７，ＮＯ）、再度１Ｄ流動解析処理を実行するために、ステップＳ２の構成データの受付処理へ移行する。なお、当該ステップＳ２へ移行せず、１Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面が表示されたまま「ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ」のウィンドウが閉じられるようにしてもよい。

一方、「ＹＥＳ」が選択された場合（Ｓ７，ＹＥＳ）、領域選択部１０４は、１Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面におけるスクリュ形状データ５ｂ上で３Ｄ流動解析対象領域の選択を可能にすると共に、その選択を受け付けて３Ｄ流動解析の実行を可能にし、ユーザに当該選択および当該実行を促す（Ｓ８）。３Ｄ流動解析対象領域は、３Ｄ流動解析の対象となる演算対象場を示す領域であり、図１２において１２ａとして示される。本実施の形態においては、スクリュ形状データ５ｂ上で例えばマウスのドラッグなどで、その領域の一部（または全部）を選択することで３Ｄ流動解析対象領域１２ａの選択形成を可能としている。領域選択部１０４は、３Ｄ流動解析対象領域１２ａが選択されると、１Ｄ流動解析処理の解析結果の表示画面上のツールバーに設けられたアイコンボタン１２ｂを選択（クリック）可能とする。

アイコンボタン１２ｂが選択されると、３Ｄ解析部１０５により３Ｄ流動解析処理が実行され（Ｓ９）、本フローは終了となる。３Ｄ流動解析処理においては、１Ｄ流動解析で用いた各種設定パラメータと、１Ｄ流動解析の解析結果とに基づいて３Ｄ流動解析が実行され、解析後に新たな３Ｄ流動解析結果を表示するウィンドウが表示される。このウィンドウでは、例えば図１３に示されるような流路全体の要素分割データや図１４に示されるようなスクリュ形状の要素分割データ、図１５の画面右下に示される圧力分布データ、その他樹脂温度分布などを３Ｄ形状で表示することができる。この状態では、図１０に示される１Ｄ流動解析処理の解析結果のウィンドウと、図１３及び図１４に示される３Ｄ流動解析処理の解析結果のウィンドウの双方が表示されている。これは、同一のソフトウェア（連成解析プログラム２０）上での動作環境下にあることから、双方の解析結果の同時リンクを可能としているためである。

このため、図１５に示されるように、３Ｄ流動解析対象領域１２ａの断面を指定するスライドバー１５ａを左右に移動することで、図１５の左側に位置する１Ｄ流動解析結果上に配置されたスライドライン１５ｂをリンクさせて左右に移動することができ、したがって１Ｄ流動解析結果と３Ｄ流動解析結果の双方でその対応断面を表示することができ、延いては押出成形機全体での位置情報を把握すると共にその断面の詳細物性分布の評価を行うことが可能となる。また、図１５に示されている３Ｄ流動解析結果の表示画面（図１３、図１４を参照）は、ユーザの選択（対応するアイコンの選択等）に応じて、図１６に示されるようにスライドバー１５ａの位置に対応するスクリュ断面での２Ｄ分布図に切り替えることができるため、１Ｄ流動解析断面での詳細物性分布を分析することも可能となる。

（１Ｄ流動解析処理）
次に、上述した１Ｄ流動解析処理について説明する。本実施の形態に係る１Ｄ流動解析処理は、ＦＡＮ法を適用した１Ｄ流動解析であり、本実施の形態においては、本出願人の保有する特許第３６７９３９２号の技術を適用して解析を行うようにしている。なお、１Ｄ流動解析処理としてはＦＡＮ法に限定されるものではない。例えば、有限差分法や境界要素法を用いてもよく、押出成形機の演算対象場（流路領域）における各種物理量を算出できる手法であればどのような手法でもよい。以下、図１７を用いて１Ｄ流動解析処理を簡単に説明する。

図１７は、１Ｄ流動解析処理を示すフローチャートである。図１７に示されるように、先ず、１Ｄ解析部１０２は、圧力Ｐ０および原料樹脂温度Ｔ０を初期化、具体的にはＰ０＝０、Ｔ０＝樹脂材料温度とし（Ｓ６０１）、前述した各種設定パラメータに基づいて押出特性パラメータ、粘性発熱パラメータを算出する（Ｓ６０２）。これら特性パラメータの算出後、１Ｄ解析部１０２は、押出特性の式を導入し（Ｓ６０３）、前述した設定パラメータ、特性パラメータに基づいて物理量として圧力Ｐ、充満率ｆ、滞留時間ｔを算出する（Ｓ６０４）。算出後、エネルギーバランスの式を導入し（Ｓ６０５）、設定パラメータ、特性パラメータに基づいて物理量として発熱量および樹脂材料温度Ｔを算出する（Ｓ６０６）。算出後、１Ｄ解析部１０２は、収束判定のために、押出成形機全流路領域（スクリュ形状データ５ｂで示される領域）に対し、差圧ΔＰ＝Ｐ−Ｐ０、温度差ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０の計算を行い、差圧ΔＰおよび温度差ΔＴを算出する（Ｓ６０７）。

算出後、判定処理部１０３は、押出成形機全流路領域における差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの所定の収束値未満であるか否かを判定する（Ｓ６０８）。押出成形機全流路領域における差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの収束値未満であると判定された場合（Ｓ６０８，ＹＥＳ）、画像出力部は、解析結果を出力、例えば充満率ｆ、圧力（樹脂材料圧力）Ｐ、滞留時間ｔ、樹脂材料温度Ｔ等の物理量を、前述した図１０に示されるようなグラフおよび数値形式で表示出力し（Ｓ６０９）、本フローは終了となる。一方、押出成形機全流路領域における差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの収束値未満でないと判定された場合（Ｓ６０８，ＮＯ）、判定処理部１０３は、Ｐ０＝Ｐ、Ｔ０＝Ｔとし（Ｓ６１０）、再度ステップＳ６０２の各種特性パラメータの算出処理へと移行する。

上述した特性パラメータの算出方法や、押出特性の式、エネルギーバランスの式、これらの式を用いた物理量の算出等は、前述した特許第３６７９３９２号の手法と同様であるため、その詳細は省略する。

（３Ｄ流動解析処理）
次に、上述した３Ｄ流動解析処理について説明する。本実施の形態に係る３Ｄ流動解析処理は、ＦＥＭを適用した３Ｄ流動解析である。なお、３Ｄ流動解析処理としてはＦＥＭに限定されるものではない。例えば、有限体積法や有限差分法などを用いてもよく、３Ｄ流動解析対象領域１２ａにおける各種物理量を算出できる手法であればよい。以下、図１８を用いて３Ｄ流動解析処理を詳細に説明する。

図１８は、３Ｄ流動解析処理を示すフローチャートである。図１８に示されるように、先ず、３Ｄ解析部１０５は、１Ｄ流動解析処理時と同様の前述した各種設定パラメータを取得し、解析条件パラメータとして設定すると共に（Ｓ９０１）、１Ｄ流動解析の解析結果から、境界条件データを抽出し、これを設定する（Ｓ９０２）。本実施の形態においては、境界条件データは、３Ｄ流動解析対象領域１２ａの上流側端部に位置する境界位置の樹脂材料温度Ｔと、当該領域の下流側端部に位置する境界位置の樹脂材料圧力Ｐである。１Ｄ流動解析の解析結果は、断面平均値として出力されるため、本実施の形態に係る３Ｄ流動解析では、３Ｄ流動解析対象領域１２ａの最上流部と最下流部の断面全節点にこれら１Ｄ流動解析の解析結果を一様に与える。このため、３Ｄ流動解析の解析結果でも３Ｄ流動解析対象領域１２ａの最上流断面の樹脂材料温度Ｔと最下流断面の樹脂材料圧力Ｐは均一データのまま出力される。しかしながら、それらの断面よりも３Ｄ流動解析対象領域１２ａ内における１節点分下流側または上流側の断面での節点データは分布を有するので、この境界条件データの設定で極めて妥当な解析を行うことができる。

境界条件データの設定後、３Ｄ解析部１０５は、３Ｄ流動解析対象領域１２ａのスクリュ形状を３次元で再現する（Ｓ９０３）。スクリュ形状の再現を簡単に説明すると、一般的な樹脂流動解析と同様に、３Ｄ流動解析対象領域１２ａの最上流部（流体流入部）に流体（樹脂材料）の流入量（設定された押出量）あるいは流速を与え、当該領域内のいずれかの部位（一般的には流出口）に境界条件データにおける樹脂材料圧力Ｐを設定する。なお、熱解析を実施する場合には外部からの伝熱量の設定が施される。これらの設定値をもとに、スクリュ形状を具体的に再現する。スクリュ形状の詳細な再現方法は、一般的な手法であるため、その詳細は省略する。

スクリュ形状の再現後、３Ｄ解析部１０５は、演算対象場である３Ｄ流動解析対象領域１２ａの流路領域を予め設定された三次元形状の格子要素に分割する（Ｓ９０４）。この分割する格子要素の形状は、演算時間とその精度の観点から、四面体が好ましく、六面体がより好ましい。分割後、３Ｄ解析部１０５は、計算点（格子要素の節点）に与える物理量を算出するために圧力Ｐ０および原料樹脂温度Ｔ０を初期化、具体的にはＰ０＝境界条件データにおける樹脂材料圧力、Ｔ０＝境界条件データにおける樹脂材料温度とし（Ｓ９０５）、全計算点において圧力（樹脂材料圧力）Ｐ、速度ｖ、滞留時間ｔ、樹脂材料温度Ｔ等の物理量を算出する（Ｓ９０６）。具体的には、３Ｄ解析部１０５は、設定パラメータ等の各種パラメータに基づき、質量保存の法則、運動量保存の法則を用いて各計算点における圧力Ｐ、速度ｖ、滞留時間ｔを算出し、エネルギー方程式を用いて各計算点における樹脂材料温度Ｔを算出する。当該算出方法は、一般的な手法であるため、その詳細は省略する。なお、温度解析を行わない場合には、樹脂材料温度Ｔの算出を省いてもよい。

例えば、圧力Ｐ、速度ｖを算出する場合を簡単に説明すると、以下の（１）および（２）式を各計算点に適用し、各計算点での速度ｖと圧力Ｐを算出する。

上記式においては、ｖ：速度ベクトル、Ｐ：圧力、η：剪断粘度、Ｄ：ひずみ速度テンソルである。剪断粘度ηは、設定されたスクリュ回転数Ｎ、シリンダ直径Ｄ_Ｂから以下の（３）式を用いてスクリュが回転することにより定められる剪断速度を求め、その剪断速度を用いて粘度モデル式から剪断粘度ηを算出する。

この（３）式においては、Ｄ_Ｂ：シリンダ径、Ｈ：溝深さ、Ｎ：スクリュ回転数、である。剪断粘度ηは樹脂材料を対象とした非ニュートン流体のモデル式を適用して算出することが好ましい。非ニュートンのモデル式は複数種類が提案されているが、例えば、そのうちの代表モデルであるＰｏｗｅｒ−ｌａｗモデルを例にすると、以下の（４）式により求めることができる。

この（４）式においては、η：剪断粘度、ｍ，ｎ：物性パラメータ、である。（１）式と（２）式を三次元成分に展開すると、（１）式は１つの式のままであるが、速度ｖは(ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）になるため、（２）式はｘ，ｙ，ｚ成分に展開したそれぞれの３つの式になる。求めた剪断粘度ηを（２）式に代入すると、（１）式と（２）式との不確定パラメータは圧力Ｐと速度(ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の４つとなるため、方程式が（１）〜（４）の４つであることから、これらを連立させて解くことで圧力Ｐ、速度ｖを算出することができる。なお、各計算点の物理量を求められる方程式であれば、何れの方程式を用いてもよい。

物理量算出後、３Ｄ解析部１０５は、収束判定のために、３Ｄ流動解析対象領域１２ａにおける計算点に対し、差圧ΔＰ＝Ｐ−Ｐ０、温度差ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０の計算を行い、差圧ΔＰおよび温度差ΔＴを算出する（Ｓ９０７）。なお、ここでのＰ及びＴは、ステップＳ９０６における物理量算出の処理により算出された樹脂材料圧力Ｐ、樹脂材料温度である。

算出後、判定処理部１０３は、差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの所定の収束値未満であるか否かを判定する（Ｓ９０８）。差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの収束値未満であると判定された場合（Ｓ９０８，ＹＥＳ）、画像出力部は、解析結果を出力、例えば物理量として圧力Ｐを、前述した図１５の画面右上側に示されるようなグラフ、画面右下側に示されるような３Ｄ形式の圧力分布図として表示出力し（Ｓ９０９）、本フローは終了となる。一方、差圧ΔＰおよび温度差ΔＴがそれぞれの収束値未満でないと判定された場合（Ｓ９０８，ＮＯ）、判定処理部１０３は、Ｐ０＝Ｐ、Ｔ０＝Ｔとし（Ｓ９１０）、再度ステップＳ９０６の物理量算出の処理へと移行する。

本実施の形態によれば、低次元の１Ｄ流動解析時に設定した設定パラメータを高次元の３Ｄ流動解析に自動的に流用することができ、その境界条件においても３Ｄ流動解析対象領域１２ａを選択するのみで１Ｄ流動解析の解析結果から自動的に抽出することができるため、手作業で設定、算出する場合に比べて極めて効率よく低次元流動解析と高次元流動解析とを実現することが可能となる。また、その双方の解析結果をリンクさせて表示、選択することができるため、ユーザの理解を深めることができると共に容易にその評価を行うことが可能となる。

また、本実施の形態のように、３Ｄ流動解析実施時に格子要素（メッシュ）の分割数を予めルール化させておけば、３Ｄ流動解析対象領域１２ａを選択する以外に、解析条件を入力・設定することを不要とすることが可能となる。したがって、解析に必要なデータの大部分は連成解析プログラム２０内で自動転送および設定することが可能となる。これらにより、従来の１Ｄ流動解析であるＦＡＮ法ソフトウェアを用いた一般的な二軸押出成形機シミュレーションでは、条件設定から解析終了までの時間が１条件でおよそ５分程度であったが、本実施の形態のように３Ｄ流動解析を自動リンクさせて解析を実施しても定常解析であればプラス１０分程度で終了することができるため、実際の成形プロセスの最適化検討解析に用いる際にも十分実用範囲の消費時間に収まることができ、その作業時間からくるコストを大幅に低減することができる。

また、１Ｄ流動解析のみを単独で実行することもできるため、仮にユーザが１Ｄ流動解析後に３Ｄ流動解析が不要と判断した場合は、３Ｄ流動解析の実行を回避することができる。したがって、先に１Ｄ流動解析を数例実施し要求値を満たすスクリュ全体構成あるいは操作条件の最適化を実施することができ、その最適化が完了した時点で３Ｄ解析を実行し、より詳細な混練性能を評価することも可能となる。

なお、本実施の形態においては、各種画面でユーザの入力を促し、入力された設定パラメータを取得すると説明したが、これに限定されるものではない。１Ｄ解析部１０２及び３Ｄ解析部１０５が、解析時に予めＨＤＤ１５に格納された各種パラメータを適宜取得するようにしてもよい。

（応用例）
本実施の形態では、３Ｄ流動解析の実行が選択された場合に３Ｄ流動解析対象領域１２ａの選択をしており、１Ｄ流動解析終了後にその結果を評価した上で、３Ｄ流動解析対象領域１２ａを選択し、３Ｄ流動解析を実行している。つまり、１Ｄ流動解析をまず実施した後に３Ｄ流動解析を実行する手順となる。しかしながら、これらは同一のソフトウェア（連成解析プログラム２０）内で実施可能であるため、１Ｄ流動解析を実施する前に３Ｄ流動解析対象領域１２ａを予め設定することで１Ｄ流動解析と３Ｄ流動解析とを直列で実行（１Ｄ流動解析終了後に３Ｄ流動解析を自動実行）するようにしてもよい。

図１９は、１Ｄ流動解析と３Ｄ流動解析とを直列で実行する第２の１Ｄ−３Ｄ連成解析処理を示すフローチャートである。なお、図１９において図３と同一符号のものは図３に示される処理と同様の処理を行うものであり、その詳細は省略する。図１９に示されるように、この場合、ステップＳ８の３Ｄ流動解析対象領域１２ａの選択処理がステップＳ２の構成データの入力受付の処理の後に設けられ、その後、ステップＳ３の樹脂物性データの入力受付の処理が実行される。また、この場合、ステップＳ９の３Ｄ流動解析処理に含まれるステップＳ９０９の解析結果出力の処理では、図１４に示されるように、１Ｄ流動解析結果と３Ｄ流動解析結果とが同時に出力（表示）される。

図１９に示されるように、第２の１Ｄ−３Ｄ連成解析処理においても、３Ｄ流動解析を実施するために必要な設定項目は１Ｄ流動解析実施前に設定した押出成形機全体のスクリュ構成をもとに３Ｄ流動解析対象領域１２ａを選択抽出するだけである。また、解析条件パラメータは１Ｄと３Ｄの解析で共有し、３Ｄ流動解析に必要な境界条件データは１Ｄ流動解析の解析結果から自動抽出する点は、図３に示される１Ｄ−３Ｄ連成解析処理と共通である。

以上のように、第２の１Ｄ−３Ｄ連成解析処理を実施する場合、３Ｄ流動解析実施に必要な条件設定はすべて１Ｄ流動解析実施前に完了させ、１Ｄ流動解析終了後に自動的に３Ｄ流動解析を実行させるため、連成解析を行うための演算時間を大幅に短縮できる。そのため、既に構築されている押出成形プロセスの評価検証や押出成形機のサイズを変更した場合のスケールアップ解析などについて、押出成形機全体の物性検証と局所的な混練性能検証が効率的に実施できる。なお、１Ｄ−３Ｄ連成解析処理の実行前に、図３に示される本実施の形態に係る１Ｄ−３Ｄ連成解析処理と、図１９に示される第２の１Ｄ−３Ｄ連成解析処理との何れを採用するかをユーザ側で選択決定できるコマンドを、例えば起動画面に設定しておけば、連成解析の目的に応じた演算が実施可能となる。

本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

また、実施の形態にて述べた連成解析プログラム２０を、図２０に示されるような、コンピュータにより読み取り可能な可搬型の記録媒体８に記憶させ、当該記録媒体８を情報処理装置９に読み込ませることにより、前述した機能を情報処理装置９に実現させることができる。例えば、情報処理装置９に連成解析プログラム２０を読み込んだ場合、当該プログラムを起動するためのアイコンが表示部１４に表示され、これをユーザが選択することにより、図４に示されるような起動画面が表示される。記録媒体８としては、例えば、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク等）、磁気ディスク（ハードディスクドライブ等）、フラッシュメモリ、ＩＣカード、更にネットワークを介することで伝送可能な媒体等、コンピュータで読み取りや実行が可能な全ての媒体が含まれる。

なお、特許請求の範囲に記載のシミュレーション装置は、例えば、前述の実施の形態における押出成形機シミュレーション装置１０であり、シミュレーション方法は、例えば１Ｄ−３Ｄ連成解析処理であり、シミュレーションプログラムは、例えば連成解析プログラム２０である。低次元解析部は、例えば１Ｄ解析部１０２及び判定処理部１０３であり、選択受付部は、例えば領域選択部１０４である。物理量抽出部は、例えば３Ｄ解析部１０５であり、高次元解析部は、例えば判定処理部１０３及び３Ｄ解析部１０５である。データ表示部は、例えば画面出力部１０１であり、表示装置は、例えば表示部１４である。スライドバーは、例えばスライドバー１５ａである。

１０ 押出成形機シミュレーション装置、１０１ 画面出力部、１０２ １Ｄ解析部、１０３ 判定処理部、１０４ 領域選択部、１０５ ３Ｄ解析部。

Claims (6)

1. 材料の流動解析を行うシミュレーション装置であって、
   前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行い、解析結果として少なくとも材料温度および材料圧力を算出する低次元解析部と、
   前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付ける選択受付部と、
   前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出する物理量抽出部と、
   前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行う高次元解析部と
   を備え、
   前記選択された対象領域に関する前記材料の物理量は、該対象領域の上流側端部に位置する境界位置の材料温度と、該対象領域の下流側端部に位置する境界位置の材料圧力であることを特徴とするシミュレーション装置。
2. 前記低次元の解析は、ＦＡＮ法を適用した１次元解析であり、前記高次元の解析は、格子要素法を適用した３次元解析であることを特徴とする請求項１記載のシミュレーション装置。
3. 前記演算対象場に関するスクリュ形状を示す形状データを表示装置に表示するデータ表示部を更に備え、
   前記選択受付部は、前記表示装置に表示された形状データ上で選択された領域を前記対象領域として取得することを特徴とする請求項１または請求項２記載のシミュレーション装置。
4. 前記データ表示部は、ユーザからの操作に応じて前記形状データ上を移動可能なスライドバーを前記表示装置に表示し、該スライドバーが置かれた位置に対応する演算対象場における断面の前記低次元の流動解析の解析結果と前記高次元の流動解析の解析結果とを対応付けて表示することを特徴とする請求項３記載のシミュレーション装置。
5. 材料の流動解析を行うシミュレーション装置が実行するシミュレーション方法であって、
   前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行い、解析結果として少なくとも材料温度および材料圧力を算出するステップと、
   前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付けるステップと、
   前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出するステップと、
   前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行うステップと
   を備え、
   前記選択された対象領域に関する前記材料の物理量は、該対象領域の上流側端部に位置する境界位置の材料温度と、該対象領域の下流側端部に位置する境界位置の材料圧力であることを特徴とするシミュレーション方法。
6. 材料の流動解析をコンピュータに実行させるためのシミュレーションプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記材料の物性と、前記材料を混練する混練装置の構成データ及び操作条件とを含む設定情報に基づいて、前記混練装置の演算対象場における前記材料の低次元の流動解析を行い、解析結果として少なくとも材料温度および材料圧力を算出する低次元解析部と、
   前記低次元の流動解析後または前記低次元の流動解析に先立って、前記演算対象場における高次元の流動解析の対象となる対象領域の選択を受け付ける選択受付部と、
   前記低次元の流動解析結果から、前記対象領域に関する前記材料の物理量を抽出する物理量抽出部と、
   前記抽出された物理量と、前記設定情報とに基づいて、前記対象領域における前記材料の高次元の流動解析を行う高次元解析部
   として機能させ、
   前記選択された対象領域に関する前記材料の物理量は、該対象領域の上流側端部に位置する境界位置の材料温度と、該対象領域の下流側端部に位置する境界位置の材料圧力であることを特徴とするシミュレーションプログラム。