Transcript 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

2
研究の背景と目的
新たな応用
・Multimedia
・Entertainment
Movie
Animation
・CAE
(Computer Aided Engineering)
FEM
VR (Virtual Reality)
３DCG (Computer
Graphics)
CAD
CAM
3
3次元CADへの応用

ゴム型による新しい注型成形法
4
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
5
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
6
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）
ゴム型
（注型成形）
7
RP(Rapid Prototyping)

シート（紙など）造形の場合
8
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
9
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

10
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
11
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） d
12
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）

（３
）
（２
）
（１
）
13
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
14
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
15
引張り離型試験
・引張り試験機16
離型試験
17
離型穴拡張試験
φ15mmTP使用
18
離型時の変形図
(TSE3503)
19
離型時の変形図
(TSE3504)
20
相当応力分布(TSE3503)
21
相当応力分布(TSE3504)
22
引張り離型試験結果
d(mm)
２０
１５
Ｘ
１０
Ｘ
Ｘ
TSE3503 TSE3504
23
離型穴試験結果
L (mm)
L (mm)
Ｘ
Ｘ
Ｘ
L (mm)
29
27
ＸＸ
25
Ｘ
d=φ15
TSE3503 TSE3504
24
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

25
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

26
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
27
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
28
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

29
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
骨の構造
（解剖学）
筋肉の動き
皮膚：シリコーンゴム
頭蓋骨：剛体
（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）
表情表現手法の検討
30
頭部の筋
（笑いの表情）
大頬骨筋
上唇鼻翼挙筋
上唇挙筋
小頬骨筋
口角挙筋
笑筋
表情筋：頭蓋の骨を起点とし皮膚に停止し皮膚を動かす
31
選択した表情筋
名称
機能
上唇鼻翼挙筋 鼻翼と上唇を引き上げる
上唇挙筋
鼻翼と上唇を引き上げる
小頬骨筋
上唇を上後方に引く
口角挙筋
口角をあげる
大頬骨筋
口角を上外側に引く
笑筋
口角を外側に引きえくぼをつくる
32
表情筋の起始・停止点
名称
起始
停止
上唇鼻翼挙筋
内眼角の近く
上唇の皮膚
上唇挙筋
眼窩口下縁のすぐ下
上唇の皮膚
小頬骨筋
頬骨外面
上唇の皮膚
口角挙筋
犬歯窩
口角，下唇の皮膚（一
部）
大頬骨筋
頬骨側頭縫合
口角，上唇・下唇
笑筋
広頚筋顔面部の上
口角の皮膚
33
表情筋による皮膚の変位方向
34
ラテックスによる模型
35
エクボの生成（笑筋による）
36
口を開く（口角挙筋による）
37
笑いによる顔の変化（１）
38
笑いによる顔の変化（２）
39
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）

40
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
項目
外観
比重（23℃）
硬さ（タイプA）
引張り強さ
伸び
特性値（硬化後）
白色ゴム状
1.20
30
1.5MPa
220%
41
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
42
変位を設定した領域
43
解析の変位条件
領域
A1
A2
A3
A4
A5
A6
最大変位量
X
-8
8
-10
10
*
*
Y Z
12
*
12
*
12
*
12
*
6
3
6
3
単位 (mm)
＊：変位拘束設定なし
44
解析計算による笑いの表情（正面視）
45
解析計算による笑いの表情（斜視）
46
程度の異なる笑いの表情
47
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
48
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
49
怒り顔

ギリシャ･ローマや中国・日本の神々
50
怒り顔の特徴
怒りの形相の仏像より
不動明王
広目天
うん
仁王（吽形）
51
頭部の筋
（怒り顔）
大頬骨筋
頬筋
笑筋
前頭筋
皺眉筋
眼輪筋
鼻根筋
上唇鼻翼挙筋
上唇挙筋
小頬骨筋
口角挙筋
口輪筋
下唇下制筋
オトガイ筋
口角下制筋
表情筋：頭蓋の骨を起点とし皮膚に停止し皮膚を動かす
52
選択した表情筋
名称
機能
鼻根筋
皺眉筋
前頭筋
上唇鼻翼挙筋
上唇挙筋
小頬骨筋
口角下制筋
下唇下制筋
オトガイ筋
眉間の皮膚を引き下げる
眉間に皺を作る
眉を引き上げる
鼻翼・上唇を引き上げる
上唇を引き上げる
上唇を外側に引き上げる
口角を下方に引く
下唇を外側下方に引く
オトガイ部の皮膚を挙げて隆起を作る
53
表情筋による皮膚の変位方向
54
変位を設定した領域
55
解析の変位条件
領域
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
設定変位量
X
Y
Z
7
6
4
-4
-6
-7
＊
＊
＊
＊
-6
-6
＊
＊
3
3
5
7
＊
＊
7
5
4
4
領域
A9
A10
A11
A12
A13
A14
設定変位量
X
Y
Z
＊
＊
6
1
-1
6
-7
-7
-7
＊
＊
-7
＊
＊
＊
6
6
＊
単位 (mm)
＊：変位拘束設定なし
100%の怒り顔
56
解析計算による怒り顔
57
3次元CGへの応用のまとめ

有限要素法の解析計算の応用
（解析モデルの変形形状で）
笑い顔
怒り顔
50%の怒り顔
100%の怒り顔
様々な種類・程度の表情の生成
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3次元CGへの応用の今後の課題
 頭部の筋の動きや骨の構造を詳細に
反映した表情生成
 筋の変化量等と様々な表情との関係
付けの数値化
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