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超弾性体の変位問題の 3 次元 CAD および CG への応用

超弾性体の変位問題の 3 次元 CAD および CG への応用. システム開発工学専攻 鈴木　峰生. 超弾性体. 非常に大きな復元可能な弾性変形を示す 数百パーセントオーダーのひずみ 荷重履歴に依存しない ゴム材等 シリコーンゴム. 研究の背景と目的. 新たな応用. ・ Multimedia ・ Entertainment. ・ CAE (Computer Aided Engineering). FEM. Movie. Animation. CAD. CAM. VR (Virtual Reality).

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超弾性体の変位問題の 3 次元 CAD および CG への応用

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Presentation Transcript

  1. 超弾性体の変位問題の3次元CADおよびCGへの応用超弾性体の変位問題の3次元CADおよびCGへの応用 システム開発工学専攻 鈴木　峰生

  2. 超弾性体 • 非常に大きな復元可能な弾性変形を示す • 数百パーセントオーダーのひずみ • 荷重履歴に依存しない • ゴム材等 • シリコーンゴム

  3. 研究の背景と目的 新たな応用 ・Multimedia ・Entertainment ・CAE (Computer Aided Engineering) FEM Movie Animation CAD CAM VR (Virtual Reality) ３DCG (Computer Graphics)

  4. 3次元CADへの応用 • ゴム型による新しい注型成形法

  5. 3次元CGへの応用 • 皮膚をシリコーンゴムで仮定したモデルでの表情生成 • 笑い顔 • 怒り顔

  6. 背　景 • 金型による大量生産環境の変化 • 少量多品種生産 • RTVシリコーンゴムの利用 • 美術工芸品等 • CAD, CAMの普及 • CAEの活用

  7. ゴム型 （注型成形） 樹脂成形品の生産 マスターモデル ＣＡＤデータ 紙 粉体 金型 (ex.射出成形）

  8. RP(Rapid Prototyping) • シート（紙など）造形の場合

  9. 金型とゴム型 • 金型 • アンダーカットは基本的に不可能 • 抜き勾配 • スライドコア • ゴム型 • 弾性により離型が可能になることが期待できる

  10. 目　的 • RTVシリコーンゴム型の型設計指針を明らかにする • 少量多種生産 • 試行生産

  11. 本研究の目標 数理的解析 有限要素法プログラム ANSYS Ver5.6 RTVシリコーンゴム型を用いた型設計の指針 物理試験 （TP強度試験）TP離型試験

  12. d 解析モデル • 超弾性材料の構造非線形解析 • 節点数1600~3000，要素数6000~13000 • d=φ10，φ15，φ20 （d：球の取出し穴直径）

  13. （３） （１） （２） 解析の荷重条件 • 円筒底面の自由度の拘束・・・（１） • 球の取り出し方向への変位・・・（２） • 円筒上面の底面側への変位・・・（３）

  14. 強度試験用ＴＰ • 強度試験 • JIS K6251等に準ずる試験法 • 有限要素法の解析に利用 • Mooney-Rivlin定数 • 引張り強度

  15. 離型試験用TP • 離型試験 • φ30アルミ球 • φ10，φ15，φ20穴 • 空気の影響を排除

  16. 引張り離型試験 ・引張り試験機

  17. 離型試験

  18. 離型穴拡張試験 φ15mmTP使用

  19. 離型時の変形図 (TSE3503)

  20. 離型時の変形図 (TSE3504)

  21. 相当応力分布(TSE3503)

  22. 相当応力分布(TSE3504)

  23. d(mm) ２０ Ｘ １５ Ｘ Ｘ １０ TSE3503 TSE3504 引張り離型試験結果

  24. L (mm) L (mm) Ｘ 29 Ｘ Ｘ 27 Ｘ Ｘ L (mm) 25 Ｘ d=φ15 TSE3503 TSE3504 離型穴試験結果

  25. 3次元CADへの応用のまとめ • 有限要素法でゴム型からの離型を数理的に解析できることが確認できた • しかし，超弾性体の構造非線形解析は収束解を得にくい場合がある • 数値解析結果とＴＰによる試験結果で変形の状態に同様な傾向が見られる • ゴム型の離型性を考えるとき硬度（軟らかさ）だけでなく強度も必要である

  26. 3次元CADへの応用の今後の課題 • 様々な変形条件での解析 • 有限要素法結果とＴＰ試験結果との詳細な比較検討 • より複雑なゴム型形状での解析

  27. 3次元CGへの応用 • 皮膚をシリコーンゴムで仮定したモデルでの表情生成 • 笑い顔 • 怒り顔

  28. 背　景 • 人類学，心理学分野 • 表情の工学的アプローチ • CG,アニメーション分野 • 医療分野 • CG,CAD, CAMの普及 • CAEの活用

  29. 目　的 • リアルな人の表情の自動生成 • 表情の数量化（ex.10%の笑い） • CGやアニメーション • リアルな表現，自動化（効率化） • ロボットなどへの応用

  30. 皮膚：シリコーンゴム 頭蓋骨：剛体 骨の構造 筋肉の動き （解剖学） （解析モデル） 汎用有限要素法プログラム ANSYS Ver5.6 （数理的解析） 本研究の目標 • 人の顔の表情を有限要素法の計算結果で表現 表情表現手法の検討

  31. 頭部の筋 （笑いの表情） 表情筋：頭蓋の骨を起点とし皮膚に停止し皮膚を動かす

  32. 選択した表情筋

  33. 表情筋の起始・停止点

  34. 表情筋による皮膚の変位方向

  35. ラテックスによる模型

  36. エクボの生成（笑筋による）

  37. 口を開く（口角挙筋による）

  38. 笑いによる顔の変化（１）

  39. 笑いによる顔の変化（２）

  40. 解析モデル 皮膚をシリコーンゴム 頭蓋骨を紡錘形剛体 • 3次元10節点四面体U-P （変位-圧力）混合超弾性ソリッド • 節点数3890（中間節点無し），要素数11000 • 超弾性材料の構造非線形解析（接触問題）

  41. 皮膚の近似 • RTVシリコーンゴム • 美術品の型取りなどに利用 • 室温で架橋 • Room Temperature Vulcanizable

  42. 強度試験用ＴＰ • 強度試験 • JIS K6251等に準ずる試験法 • 有限要素法の解析に利用 • Mooney-Rivlin定数 • 引張り強度

  43. 変位を設定した領域

  44. 解析の変位条件 単位 (mm) ＊：変位拘束設定なし

  45. 解析計算による笑いの表情（正面視）

  46. 解析計算による笑いの表情（斜視）

  47. 程度の異なる笑いの表情

  48. 笑い顔の生成のまとめ • 有限要素法の数値計算を応用し表情の生成ができることの確認ができた • 笑いの一表情

  49. 3次元CGへの応用 • 皮膚をシリコーンゴムで仮定したモデルでの表情生成 • 笑い顔 • 怒り顔

  50. 怒り顔 • ギリシャ･ローマや中国・日本の神々

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