具体实施方式
以下,参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。
图1是表示有关本实施方式的断裂判断装置10的功能结构的图。断裂判断装置10具备断裂判断主体部1、输入部2、显示部3。断裂判断主体部1具备变形解析部4、提取部5、断裂解析部6。断裂解析部6具备推测部7、变换部8、断裂判断部9。
本实施方式的断裂判断装置10对金属板、由金属板构成的零件及由金属板构成的构造体(以下,称作金属构造体)的从变形开始到变形结束的一连串的变形进行模拟。断裂判断装置10根据对应于断裂判断模式的任意的定时下的金属构造体的变形状态,提取作为断裂判断的对象的断裂判断对象部位,对该断裂判断对象部位进行断裂判断。
在第1断裂判断模式中,在将金属构造体的从变形开始到变形结束进行变形解析后,根据任意或预先设定的1个以上的步骤的变形状态,提取断裂判断对象部位,对所提取的断裂判断对象部位进行断裂判断。
在第2断裂判断模式中,从金属构造体的变形开始进行变形解析并接着根据该变形状态提取断裂判断对象部位,对所提取的断裂判断对象部位进行断裂判断,在变形结束前重复变形解析和断裂判断。
首先,参照图2所示的流程图对第1断裂判断模式的断裂判断方法进行说明。这里,断裂判断装置10将金属构造体的材料及机械的特性值等预先存储,做好模拟的准备。
变形解析部4假设为对金属构造体的规定的位置施加了规定的应力,根据输入部2的指示开始金属构造体的变形解析(S21)。变形解析部4在每规定的时间或每根据变形的程度设定的各时间的步骤中进行变形解析。此外,变形解析部4对各步骤使用有限元法等的方法,将在金属构造体中发生的应力、应变等的变形状态依次解析,基于该变形状态进行接下来的步骤的变形解析(S22)。例如在金属构造体的一部位中,如后述那样,从弹性状态转移为塑性状态、或从塑性状态回到弹性状态。变形解析部4进行变形解析直到金属构造体的变形结束(S23)。变形解析部4按照各步骤将由变形解析得到的金属构造体的变形状态存储。另外,在实用性的金属构造体的解析中,步骤数为例如几万步骤~几百万步骤。
接着,提取部5根据存储的变形状态,提取任意或预先设定的1个以上的步骤的变形状态,并根据所提取的变形状态,提取任意或预先设定的断裂判断对象部位(S24)。提取的变形状态是从用户经由输入部2任意输入的步骤的变形状态或预先设定的步骤的变形状态。此外,提取的断裂判断对象部位是从用户经由输入部2任意输入的断裂判断对象部位或预先设定的断裂判断对象部位。提取的断裂判断对象部位可以为金属构造体的全部的部位。此外,提取的步骤的变形状态为了弄清断裂状态而优选的是提取全部的步骤的变形状态,但为了提高计算效率而优选的是按照每10步骤~1000步骤进行提取。
断裂解析部6分别进行提取的断裂判断对象部位的断裂判断(步骤S25,S26)。另外,由断裂解析部6进行的断裂判断的详细情况在后面叙述。在断裂解析部6中,将断裂判断对象部位的断裂判断存储,结束断裂判断。
在第1断裂判断模式中,在金属构造体的从变形开始到变形结束的变形解析后,提取1个以上的步骤的变形状态,根据提取出的变形状态,提取任意或预先设定的断裂判断对象部位,对所提取的断裂判断对象部位进行断裂判断。因而,即使金属构造体的断裂判断对象部位是弹性状态及塑性状态,也能够进行任意的步骤下的断裂判断。此外,由于能够进行任意的断裂判断对象部位的断裂判断,所以用户能够掌握金属构造体的局部性的强度。
接着,参照图3所示的流程图对第2断裂判断模式的断裂判断方法进行说明。这里,断裂判断装置10将金属构造体的材料及机械的特性值等预先存储,做好模拟的准备。
变形解析部4假定在金属构造体的规定的位置上施加了规定的应力,按照输入部2的指示,开始金属构造体的变形解析(S31)。变形解析部4在每规定的时间或每根据变形的程度设定的时间的步骤中进行变形解析。此外,变形解析部4对各步骤使用有限元法等的方法,将在金属构造体中发生的应力、应变等的变形状态依次解析,基于其变形状态进行下个步骤的变形解析(S32,S33)。例如在金属构造体的一部位中,如后述那样,从弹性状态转移为塑性状态、或从塑性状态回到弹性状态。变形解析部4按照每个步骤将由变形解析得到的金属构造体的变形状态存储。
接着,提取部5根据预先设定的步骤间隔后的金属构造体的变形状态,提取任意或预先设定的断裂判断对象部位(S34)。另外,步骤间隔也可以是1个步骤间隔或任意的步骤间隔,但为了提高计算效率,优选的是每10个步骤~1000个步骤。此外,提取的断裂判断对象部位是从用户经由输入部2任意输入的断裂判断对象部位或预先设定的断裂判断对象部位。提取的断裂判断对象部位可以为金属构造体的全部的部位。另外,在图3所示的流程图中,表示了在两个步骤间隔后进行变形解析的方法。
接着,断裂解析部6进行所提取的断裂判断对象部位的断裂判断(S35)。另外,由断裂解析部6进行的断裂判断的详细情况在后面叙述。断裂解析部6将断裂判断对象部位的断裂判断存储。
之后也同样,提取部5接着规定的步骤间隔后的变形解析(S36,S37),根据金属构造体的变形状态,提取任意或预先设定的断裂判断对象部位(S38)。断裂解析部6进行所提取的断裂判断对象部位的断裂判断(S39),将断裂判断记录,结束断裂判断。
在第2断裂判断模式中,接着从金属构造体的变形开始起到规定的步骤间隔后的变形解析,根据该变形状态,提取任意或预先设定的断裂判断对象部位,对所提取的断裂判断对象部位进行断裂判断。该处理进行到变形结束为止。因而,即使金属构造体的断裂判断对象部位是弹性状态及塑性状态,也能够进行断裂判断。此外,由于能够连续进行断裂判断对象部位的断裂判断,所以用户能够掌握金属构造体是经过怎样的过程而断裂的。
这样,断裂判断装置10能够进行用户希望的变形状态的断裂判断。此外,断裂判断装置10在金属构造体的变形结束后、或金属构造体的从变形开始到变形结束的期间中,随时能够进行断裂判断,所以用户能够对希望的任意的断裂判断方法灵活地应对。
(第1实施方式)
接着,对有关第1实施方式的断裂判断方法进行说明。另外,以下对由提取部5提取出的一个断裂判断对象部位的断裂判断进行说明,但关于其他提取的断裂判断对象部位也同样进行。
断裂解析部6能够进行包括1个以上的变形路径变化的过程中的、断裂判断对象部位的断裂判断。断裂解析部6如上述那样具备推测部7、变换部8、断裂判断部9。推测部7在比例负荷路径中推测应变空间的断裂极限线。变换部8将在比例负荷路径中得到的应变空间的断裂极限线变换为应力空间的断裂极限线(以下,称作断裂极限应力线)。断裂判断部9使用断裂极限应力线计算断裂危险度,根据计算出的断裂危险度进行断裂判断、或将断裂判断的结果显示在显示部3上、或将断裂危险度作为等高线显示。
这里,将由变换部8变换为应力空间的断裂极限应力线表示在图4~图6中。图4~图6是将应力空间表示在(x,y)坐标平面中的图。图4~图6的提取的断裂判断对象部位分别相同,但提取的定时不同。即,图4是提取断裂判断对象部位开始塑性变形前的弹性状态时的应力空间。图5是提取断裂判断对象部位开始塑性变形的塑性状态时的应力空间。图6是提取断裂判断对象部位从塑性状态回到弹性状态的状态时的应力空间。以下,具体地对图4~图6进行说明。
在图4所示的弹性状态的应力空间中,可以在最外侧表示上述断裂极限应力线,在其内侧表示基于金属构造体的材料而推测的初始状态的屈服曲线。此外,图4所示的弹性状态的应力P是在断裂判断对象部位发生的应力P,在x轴可以表示为最小主应力σ2,在y轴可以表示为最大主应力σ1。
在图4中,如果应力P经过比例负荷路径,则能够得到将原点与应力P连结的满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线。该满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与初始状态的屈服曲线交叉的交点为推测的初始塑性应力A。初始塑性应力A是断裂判断对象部位从弹性状态转移到塑性状态时的应力。因而,在断裂判断对象部位,应力P超过初始塑性应力A之前是弹性状态,如果超过初始塑性应力A则开始塑性变形,成为塑性状态。
此外,在图4中,满足上述的y=(σ1/σ2)x的关系的直线与断裂极限应力线交叉的交点为推测的断裂极限应力B。断裂极限应力B是断裂判断对象部位断裂时的应力。因而,在断裂判断对象部位,当应力P达到断裂极限应力B时断裂。
接着,在图5所示的塑性状态的应力空间中,能够表示与图4相同的断裂极限应力线及初始状态的屈服曲线。此外,图5所示的塑性状态的应力P是在断裂判断对象部位发生的应力P,在x轴可以表示为最小主应力σ2,在y轴可以表示为最大主应力σ1。
在图5中,如在图4中上述那样,由于应力P超过初始塑性应力A,所以断裂判断对象部位是塑性状态。此外,可以与塑性状态的应力P变大连动而表示塑性状态下的屈服曲线。
另外,在变形解析中,有例如因与断裂判断对象部位不同的部位屈曲等而断裂判断对象部位被卸除载荷的情况。此时,由于断裂判断对象部位的应力P比塑性状态时的应力P小,所以断裂判断对象部位从塑性状态回到弹性状态。图6表示这样断裂判断对象部位从塑性状态回到弹性状态的情况下的应力空间。
在图6所示的从塑性状态回到弹性状态的情况下的应力空间中,可以表示与图4相同的断裂极限应力线及初始状态的屈服曲线。此外,图6所示的回到弹性状态时的应力P是在断裂判断对象部位发生的应力P,可以在x轴表示为最小主应力σ2,在y轴表示为最大主应力σ1。另外,应力P通过被卸除载荷而变得比图5所示的塑性状态的应力P小。
此外,在图6中,可以表示回到弹性状态时的屈服曲线。回到弹性状态时的屈服曲线与图5所示的塑性状态下的屈服曲线是相同的曲线。以下,将图6的回到弹性状态时的屈服曲线和图5的回到弹性状态时的屈服曲线设为当前的屈服曲线进行说明。即,即使断裂判断对象部位从塑性状态回到了弹性状态,图6所示的当前的屈服曲线也不从图5所示的当前的屈服曲线变化而被维持。因而,图6所示的当前的屈服曲线能够根据图5所示的当前的屈服曲线求出。这里,如图6所示那样回到弹性状态时的应力P在处于当前的屈服曲线的内侧的状态下,是弹性状态。另一方面,从图6所示的状态起,如果断裂判断对象部位的应力P超过当前的屈服曲线,则再次开始塑性变形而成为塑性状态。因此,满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与当前的屈服曲线交叉的交点成为断裂判断对象部位再次开始塑性变形的、推测的再屈服应力R。
到此为止,在使用图4~图6所示的应力空间进行断裂判断的情况下,通过比较断裂极限应力线与在断裂判断对象部位发生的应力P,计算出断裂危险度(或变形余裕度)。具体而言,将断裂危险度通过下述f1式计算。
[数学式1]
比较例:
该f1式以图4~图6所示的应力零的原点为基准,将各图4~图6中的在断裂判断对象部位发生的应力P的到坐标点的距离、与断裂极限应力B的到坐标点的距离之比设为断裂危险度。
在f1式中,在如图5所示的塑性状态那样、塑性状态的应力P与再屈服应力R一致的情况下,能够计算某种程度上正确的断裂危险度。但是,在图6所示的从塑性状态回到了弹性状态的情况下,回到弹性状态时的应力P比再屈服应力R更接近于原点。因此,尽管断裂判断对象部位的塑性发展,但与再屈服应力R相比计算出断裂危险度较小,不能进行正确的断裂判断。此外,在f1式中,由于以计算断裂危险度的基准为原点,所以在图4所示的弹性状态下,弹性状态的应力P不超过初始塑性应力A,尽管不发生断裂危险,但计算出了断裂危险度。
所以,在本实施方式中,当进行断裂判断对象部位的断裂判断时,在图5所示的塑性状态中,使用塑性状态的应力P来计算断裂危险度。此外,在图6所示的从塑性状态回到了弹性状态的情况下,不使用回到弹性状态时的应力P,而使用再屈服应力R来计算断裂危险度。
进而,为了将不发生断裂危险的情况排除地计算断裂危险度,将计算断裂危险度的基准不设为原点、而设为初始塑性应力A。因而,在图4所示的弹性状态下,将断裂危险度计算为0。
即,通过以下的式f2计算断裂危险度。
[数学式2]
本发明例:
弹性状态的情况:f2=0
如果使用上述的式f2,则在图4所示的弹性状态下,将断裂危险度计算为0。此外,在图5所示的塑性状态下,基于塑性状态的应力P的坐标点,将断裂危险度计算为0~1之间的数值。此外,在图6所示的从塑性状态回到了弹性状态的情况下,基于再屈服应力R的坐标点,将断裂危险度计算为0~1之间的数值。
接着,断裂判断部9能够使用计算出的断裂危险度作为断裂判断指标进行断裂判断。具体而言,断裂判断部9基于由用户经由输入部2预先输入的安全系数进行断裂判断。断裂判断部9在断裂危险度为0的情况下,判断为“没有发生断裂的可能性”,在断裂危险度比0大、不到安全系数的情况下,判断为“断裂的危险性低”,在断裂危险度是安全系数以上、比1小的情况下,判断为“断裂的危险性高”,在断裂危险度是1的情况下,判断为“已断裂”。例如像安全系数是0.9那样,用户可以在0到1的范围中任意地设定。
接着,参照图7所示的流程图对计算上述的断裂危险度的方法进行说明。这里,推测部7已经推测应变空间的断裂极限线,变换部8将推测出的应变空间的断裂极限线变换为应力空间的断裂极限应力线,并表示在图4~图6所示那样的(x,y)坐标平面中。同样,变换部8将初始状态的屈服曲线、以及根据情况而将图5及图6所示的当前的屈服曲线都表示在(x,y)坐标平面中。
首先,断裂判断部9判断断裂判断对象部位是否已开始塑性变形(S71)。断裂判断部9只要在由变形解析部5进行的变形解析中存储有塑性应变的情况下判断为已开始塑性变形就可以。
在断裂判断对象部位已开始塑性变形的情况下,断裂判断部9判断断裂判断对象部位是塑性状态、还是从塑性状态回到了弹性状态的状态(S72)。断裂判断部9在图5及图6所示的应力空间中、应力P达到了当前的屈服曲线的情况下,判断为是塑性状态,在应力P没有达到当前的屈服曲线的情况下,判断为是从塑性状态回到了弹性状态的状态。
另外,对当前的屈服曲线而言,在上述图2及图3所示的变形解析的过程中,变形解析部5将断裂判断对象部位的塑性应变存储,推测部7及变换部8能够使用该塑性应变来表示在(x,y)坐标平面中。该处理与变换部8将推测部7推测出的应变空间的断裂极限线变换为断裂极限应力线、表示在(x,y)坐标平面中的处理是同样的。
在断裂判断对象部位是从塑性状态回到了弹性状态的状态的情况下,断裂判断部9推测再屈服应力R(S73)。具体而言,如在图6中上述那样,断裂判断部9将满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与当前的屈服曲线交叉的交点计算为再屈服应力R。
接着,断裂判断部9计算断裂判断对象部位的断裂危险度(S74)。在断裂判断对象部位被判断为是开始塑性变形前的情况下(将S71前进到NO的情况下),断裂判断部9判断为断裂判断对象部位是弹性状态,通过上述式f2将断裂危险度计算为0。
此外,在断裂判断对象部位是塑性状态的情况下(将S72前进到塑性状态的情况下),断裂判断部9将塑性状态的应力P、初始塑性应力A、断裂极限应力B用在上述式f2中,计算断裂危险度。另外,如在图5中上述那样,断裂判断部9计算满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与初始状态的屈服曲线交叉的交点,作为初始塑性应力A。此外,断裂判断部9计算满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与断裂极限应力线交叉的交点,作为断裂极限应力B。
在断裂判断对象部位从塑性状态回到了弹性状态的情况下(从S73前进到S74的情况下),断裂判断部9将在步骤S73中推测出的再屈服应力R、初始塑性应力A、断裂极限应力B用在上述式f2中,计算断裂危险度。另外,初始塑性应力A及断裂极限应力B可以与塑性状态的情况同样地计算。
这样,断裂判断部9在断裂判断对象部位从塑性状态回到弹性状态的情况下,使用再屈服应力R计算断裂危险度。因而,当在应力空间内进行断裂判断时,在断裂判断对象部位从塑性状态回到了弹性状态的情况下,能够避免断裂危险度变化的问题。
此外,通过将计算断裂危险度的基准不设为原点、而以初始塑性应力A为基准,能够将不发生断裂危险的情况排除地计算断裂危险度。
另外,上述的断裂判断方法是从在断裂判断对象部位没有发生塑性变形的状态开始的说明,但在金属构造体的一部分中已经发生了塑性变形的情况下,也同样能够进行断裂判断。即,断裂判断装置10对例如进行冲压成形等而发生了塑性变形的金属构造体也能够进行断裂判断。
在这样的金属构造体的情况下,根据断裂判断对象部位,从开始变形解析前起,如图6所示,当前的屈服曲线存在于初始状态的屈服曲线的外侧。对该当前的屈服曲线而言,通过使用变形解析部5在冲压成形等的变形解析中存储的塑性应变,变换部8能够表示在应力空间的(x,y)坐标平面中。
(第2实施方式)
接着,参照图8对有关第2实施方式的断裂判断方法进行说明。
在第2实施方式中,断裂判断部9将在第1实施方式中使用应力空间计算出的再屈服应力R和断裂极限应力B分别换算为相当应力,使用图8所示的相当应力-相当塑性应变曲线,求出相当塑性应变εeq P和断裂极限相当塑性应变εeq B,计算断裂危险度。图8所示的相当应力-相当塑性应变曲线是基于金属构造体的材料的曲线,预先存储在断裂判断装置10中。此外,与第1实施方式同样,在断裂判断对象部位的应力P超过初始塑性应力A之前的弹性状态下,将断裂危险度计算为0。
具体而言,在图5所示的塑性状态下,断裂判断部9计算塑性状态的应力P,作为再屈服应力R。此外,断裂判断部9根据满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与断裂极限应力线交叉的交点,计算断裂极限应力B。
此外,在图6所示的从塑性状态回到了弹性状态的情况下,断裂判断部9根据满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与当前的屈服曲线交叉的交点,计算再屈服应力R。此外,断裂判断部9根据满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与断裂极限应力线交叉的交点,计算断裂极限应力B。
断裂判断部9将计算出的再屈服应力R和断裂极限应力B分别换算为相当应力,使用图8所示的相当应力-相当塑性应变曲线,求出相当塑性应变εeq P和断裂极限相当塑性应变εeq B。这里,无论是图5所示的塑性状态还是图6所示的从塑性状态回到了弹性状态的情况下,再屈服应力R都相同,断裂极限应力B也相同,所以求出的相当塑性应变εeq P相同,断裂极限相当塑性应变εeq B也相同。断裂判断部9通过将所求出的相当塑性应变εeq P和断裂极限相当塑性应变εeq B代入到下述f3式中来计算断裂危险度。
[数学式3]
本发明例:
弹性状态的情况:f3=0
在图8所示的相当应力-相当塑性应变曲线中,由于相当塑性应变的变化量相对于相当应力的变化量较大,所以通过使用相当塑性应变和断裂极限相当塑性应变来计算断裂危险度,精度提高。此外,能够抑制因应力与应变的非线性而造成通过应力观察的断裂危险度与通过应变观察的断裂危险度背离的情况。
另外,与第1实施方式同样,断裂判断部9能够使用计算出的断裂危险度和安全系数进行断裂判断。
(第3实施方式)
接着,对有关第3实施方式的断裂判断方法进行说明。
在第3实施方式中,计算第1实施方式或第2实施方式中记载的断裂危险度,并且不论断裂判断对象部位是图4~图6所示那样的弹性状态、塑性状态或从塑性状态回到了弹性状态的情况,都将在断裂判断对象部位中发生的应力P和断裂极限应力B用在上述比较例f1中来计算断裂危险度。在此情况下,断裂判断部9按照用户的经由输入部2的指示,将通过第1实施方式或第2实施方式的方法计算出的断裂危险度、和通过比较例计算出的断裂危险度的至少某个显示于显示部3。
具体而言,断裂判断部9以应力零的原点为基准,在图4~图6中计算在断裂判断对象部位发生的应力P的到坐标点的距离、与断裂极限应力B的到坐标点的距离之比,作为断裂危险度。另外,断裂判断部9根据满足y=(σ1/σ2)x的关系的直线与断裂极限应力线交叉的交点,计算断裂极限应力B。
在用户有想要提高在断裂判断对象部位中使用的材料的余裕等的目的的情况下,通过第1实施方式或第2实施方式计算出的断裂危险度成为更有益的指标。另一方面,在用户有想要抑制断裂判断对象部位的应力等的目的的情况下,不论断裂判断对象部位的状态,都想要掌握在断裂判断对象部位发生的应力。在这样的情况下,通过上述比较例f1计算出的断裂危险度成为更有益的指标。因而,通过计算基于第1实施方式或第2实施方式的方法的断裂危险度、和基于比较例的方法的断裂危险度这两者,能够按照(1)提高作为材料的余裕、(2)抑制应力等的目的来区分使用。即,能够在区分使用作为材料的余裕确保和作为应力状态的余裕确保的同时来设计金属构造体。
接着,对上述的基于推测部7、变换部8及断裂判断部9的具体的计算方法进行说明。
推测部7并用例如根据单轴拉伸试验得到的应力-应变曲线的近似式
[数学式4]
、局部缩颈(日本语:局部くびれ)模型
[数学式5]
、和扩散缩颈(日本语:拡散くびれ)模型
[数学式6]
,求出应变空间的缩颈发生极限,在比例负荷路径中推测应变空间的断裂极限线。
推测部7也可以使用:根据单轴拉伸试验得到的应力-应变曲线的近似式
[数学式7]
、作为塑性应变增量法则而塑性应变增量张量的方向依赖于应力增量张量的结构式、规定塑性应变增量张量的方向的材料参数Kc、和施特朗-莱斯(日本语:ツユテ一レン一ライス)的局部缩颈模型,来求出应变空间的缩颈发生极限,在比例负荷路径中推测应变空间的断裂极限线。这里,推测部7基于1个以上的最大断裂极限应变ε1及最小断裂极限应变ε2的测量值,确定材料参数Kc。
另外,在本例中,例示了使用推测部7在理论上推测应变空间的断裂极限线的情况,但也可以不使用推测部7而实验性地测量应变空间的断裂极限线。具体而言,应变空间的断裂极限线可以在对金属板通过比例负荷实验求出多个面内应变比后,使用各个应变比下的最大断裂极限应变ε1及最小断裂极限应变ε2的测量值得到。
变换部8当将应变空间的断裂极限线变换为应力空间的断裂极限应力线时,作为塑性应变的增量法则而使用屈服曲面的垂直法则进行上述变换。具体而言,如上述那样,使用作为相当塑性应变εeq与各应变成分εij的关系式的Mises的屈服函数
[数学式8]
断裂判断部9通过比较由变换部8变换后的应力空间的断裂极限应力线、与塑性变形过程的根据有限元法的模拟的结果得到的各部位的应变状态的位置关系,来进行评价,当变形过程的应变达到该极限应变时,判断为“已断裂”或“断裂的危险性高”等。这里,作为变形解析的手法而使用作为有限元法之一的动态显式方法,将通过动态显式方法得到的塑性应变变换为应力,将该应力与应力空间的断裂极限应力线比较。
另外,断裂判断部9也可以代替进行上述的模拟,而将根据由实验评价出的金属构造体的变形状态得到的应变换算为应力,使用应力空间的断裂极限应力线定量地评价断裂发生的有无。
这里,在如汽车部件的碰撞解析那样、在金属构造体中发生高速变形的情况下,断裂判断部9考虑金属构造体的变形应力的速度依赖性而执行变形解析。断裂判断部9将根据该变形解析得到的塑性应变进行变换来计算基准应变速度下的应力,将该应力与对应于基准应变速度的应力空间的断裂极限应力线进行比较。
接着,参照图9所示的流程图,对上述图2所示的S25、S26、图3所示的S35、S39的进行断裂判断的处理进行说明。图9是在金属构造体、具体而言在金属板的成形过程中进行断裂判断的情况下的流程图。
首先,推测部7基于预先存储的金属板的材料及机械的特性值(t(金属板的厚度)、YP(屈服强度)、TS(拉伸强度)、El(总伸长)、U.El(均匀伸长)、r值(兰克福特值)、n次幂硬化法则/Swift硬化法则),在比例负荷路径中推测应变空间的断裂极限线(S91)。
接着,变换部8例如使用Mises的屈服函数,将实验性地测量的应变空间的断裂极限线变换为应力空间的断裂极限应力线(S92)。
接着,断裂判断部9使用由变换部8变换后的断裂极限应力线、在断裂判断对象部位发生的应力、当前的屈服曲线、初始状态的屈服曲线,计算断裂判断对象部位的断裂危险度,进行断裂判断(S93)。在断裂判断中,如上述那样使用断裂危险度和安全率,进行“不可能发生断裂”、“断裂的危险性低”、“断裂的危险性高”、“已断裂”等的判断。此外,计算断裂危险度的处理相当于上述图7所示的流程图。
在步骤S93中,断裂判断部9使用断裂判断对象部位的断裂危险度和安全率,在判断为“已断裂”或“断裂的危险性高”的情况下,执行以下的各处理(日本语:緒処理)(S94)。
即,断裂判断部9将要素ID、金属板的板厚、应变、应力信息输出到日志文件中。根据情况,断裂判断部9将已断裂的要素删除,变形解析部4继续断裂后的变形解析。
接着,断裂判断部9在显示部3上进行以下的各种显示(步骤S95)。即,断裂判断部9将在金属板上发生断裂的断裂危险度用标量进行等高线显示、或在应力空间中显示断裂危险部位的应力履历及断裂极限应力线。同时,断裂判断部9将金属板上的褶皱发生的危险性也进行等高线显示。这里,也可以对出厂试验值的规格内的偏差(平均值、下限值)显示断裂的危险性。
另一方面,在步骤S93中,断裂判断部9在判断为各断裂判断对象部位“没有发生断裂的可能性”或“断裂的危险性低”的情况下,将该意思显示在显示部3上(S96)。
图10是接着图9的金属板的成形过程中的断裂判断、进行由金属板经过成形过程而构成的金属板构成的构造体的碰撞过程中的断裂判断的情况下的流程图。
在此情况下,接着使用在图9的步骤S92中变换得到的断裂极限应力线。断裂判断部9考虑由金属板构成的构造体的变形应力的速度依赖性来执行变形解析。断裂判断部9将根据该变形解析得到的塑性应变进行变换来计算基准应变速度下的应力,将该应力与和基准应变速度对应的断裂极限应力线比较,计算断裂判断对象部位的断裂危险度,进行断裂判断(S103)。在断裂判断中,如上述那样使用断裂危险度和安全率,进行“没有发生断裂的可能性”、“断裂的危险性低”、“断裂的危险性高”、“已断裂”等的判断。此外,计算断裂危险度的处理相对于上述图7所示的流程图。
在该步骤S103中,断裂判断部9将在图9的成形过程中变形解析得到的金属板的变形状态作为碰撞过程中的变形解析的初始条件继续。该变形状态是金属板的板厚及相当塑性应变、或者金属板的板厚、相当塑性应变、应力张量及应变张量。
在步骤S103中,断裂判断部9使用断裂判断对象部位的断裂危险度和安全率,在判断为“已断裂”或“断裂的危险性高”的情况下,执行以下的各处理(日本语:緒処理)(步骤S104)。
即,断裂判断部9将要素ID、金属板的板厚、应变、应力信息输出到日志文件中。根据情况,断裂判断部9将已断裂的要素删除,变形解析部4继续断裂后的变形解析。
接着,断裂判断部9在显示部3上进行以下的各种显示(步骤S105)。即,断裂判断部9将在由金属板构成的构造体上发生断裂的断裂危险度用标量进行等高线显示、或在应力空间中显示断裂危险部位的应力履历及断裂极限应力线。同时,断裂判断部9将由金属板构成的构造体上的褶皱发生的危险性也进行等高线显示。这里,也可以对出厂试验值的规格内的偏差(平均值、下限值)显示断裂的危险性。
另一方面,在步骤S103中,断裂判断部9在判断为各断裂判断对象部位“没有发生断裂的可能性”或“断裂的危险性低”的情况下,将该意思显示在显示部3上(S106)。
如以上说明,根据本实施方式,在进行金属构造体的断裂判断时,能够容易且高效率地求出断裂极限应力线、高精度地进行断裂判断。由此,能够定量地评价冲压成形及碰撞时的断裂的危险性,能够实现同时考虑到材料、施工方法、构造的汽车车体等的高效率、高精度的设计。
构成上述断裂判断装置10的各构成部件(除了显示部3、输入部2以外)的功能可以通过存储在计算机的RAM或ROM等中的程序动作来实现。同样,变形解析及断裂判断的各步骤(图2、图3、图7、图9、图10的流程图)可以通过存储在计算机的RAM或ROM等中的程序动作来实现。该程序及记录有该程序的计算机可读取的存储介质包含在本发明中。
具体而言,上述程序记录到例如CD-ROM那样的记录介质中、或经由各种传送介质向计算机提供。作为记录上述程序的记录介质,除了CD-ROM以外,可以使用软盘、硬盘、磁带、光磁盘、非易失性存储卡等。另一方面,作为上述程序的传送介质,可以使用用来将程序信息作为传输波传送而供给的、计算机网络系统中的通信介质。这里,所谓计算机网络,是LAN、互联网等的WAN、无线通信网络等,所谓通信介质,是光纤等的有线线路或无线线路等。
此外,作为包含在本发明中的程序,并不仅仅是通过计算机执行被供给的程序而实现上述实施方式的功能那样的结构。例如,在该程序与在计算机中工作的OS(操作系统)或其他应用软件等共同实现上述实施方式的功能的情况下,这样的程序也包含在本发明中。此外,在被供给的程序的处理的全部或一部分由计算机的功能扩展板或功能扩展单元进行而实现上述实施方式的功能的情况下,这样的程序也包含在本发明中。
例如,图11是表示断裂判断装置10的内部结构的示意图。在图11中,1200是具备CPU1201的个人计算机(PC)。PC1200执行存储在ROM1202或硬盘(HD)1211中的、或者由软盘驱动器(FD)1212供给的设备控制软件。该PC1200总地控制连接在系统总线1204上的各设备。
通过存储在PC1200的CPU1201、ROM1202或硬盘(HD)1211中的程序,实现图2、图3、图7、图9、图10的流程图的各步骤的次序等。1203是RAM,作为CPU1201的主存储器、工作区等发挥功能。1205是键盘控制器(KBC),控制来自键盘(KB)1209或未图示的设备等的指示输入。
1206是CRT控制器(CRTC),控制CRT显示器(CRT)1210的显示。1207是盘控制器(DKC)。DKC1207控制存储引导程序、多个应用、编辑文件、用户文件及网络管理程序等的硬盘(HD)1211及软盘(FD)1212的访问。这里,所谓引导程序,是起动程序:是开始个人计算机的硬件及软件的执行(动作)的程序。
1208是网络接口卡(NIC),经由LAN1220与网络打印机、其他的网络设备、或其他PC进行双向的数据的交换。
接着,参照图12~图14说明用等高线显示将金属板冲压成形时的断裂危险度的例子。
图12是表示用等高线显示使用比较例f1计算出的断裂危险度的结果的图。如图12所示,断裂危险度最高的顶端附近的等高线变粗,不能确定断裂危险部位。另一方面,尽管长度方向两端部的变形极小,但由于从塑性状态回到弹性状态时的应力具有分布地被施加,所以形成密的等高线。
图13及图14是用等高线显示通过本实施方式的方法计算出的断裂危险度的结果的图。通过将由第1实施方式及第2实施方式计算出的断裂危险度进行等高线显示,能够将正确的断裂危险度可视化。
图13是用等高线显示通过第1实施方式的方法计算出的断裂危险度的图。如图13所示,容易理解地显示了在金属板的中央的顶端附近断裂危险度高的情况。此外,图13所示的等高线与图12相比,长度方向两端部的变形小的部位处的等高线变粗,可知断裂危险度低。
图14是用等高线显示通过第2实施方式的方法计算出的断裂危险度的图。在图14所示的等高线中,能够将金属板的中央的顶端附近的断裂危险度的分布更详细地显示,可知在比顶端稍稍靠外侧处断裂危险度高。此外,图14所示的等高线可知,在长度方向两端部的变形小的部位处断裂危险度极小。在这一点上可知与以往经验在感觉上一致。
图15是将图12~图14所示的等高线沿着图12所示那样的从起点s到顶端t的路径表示的图。另外,图15表示从图12~图14所示的变形状态进一步变形得到的状态的等高线。横轴是从起点s到顶端t的位置,纵轴是断裂危险度。如图15所示,实际断裂的位置是顶端附近的位置。在使用比较例f1计算出的断裂危险度的等高线中,难以正确地确定断裂的位置。另一方面,在使用第1实施方式计算出的断裂危险度的等高线中,在某种程度上能够进行断裂的位置的确定,与实际上通过实验断裂的位置一致。进而,在使用第2实施方式计算出的断裂危险度的等高线中,断裂位置与其以外的断裂危险度的差较明确,能够更正确地进行断裂的位置的确定。
这样,在本实施方式中,在伴随着复杂的变形的情况下也能够将断裂危险度的程度按照断裂判断对象部位高精度地评价。此外,通过使断裂危险度可视化,能够帮助直观性的理解,所以对于对策研究是有益的。
此外,即使发生卸除载荷,断裂危险度也不会变化,能够获知实质上残留的延性。此外,也可以将断裂危险度变换为变形余裕度而显示,能够帮助更直观的理解。
本实施方式的具体的效果是以下这样的。
(1)能够根据金属构造体受到的损伤计算断裂危险度,在卸除载荷时不会发生已从损伤恢复的误解。
(2)通过变换为相当塑性应变,能够更详细地评价断裂的危险性高的部位。此外,由于能够使断裂危险度低的部位处的等高线变粗,所以能够减少对于断裂的危险性的与以往经验的背离。
以上,结合各种实施方式说明了本发明,但本发明并不仅限定于这些实施方式,能够在本发明的范围内进行变更等。另外,对于有关本实施方式的断裂判断而言,能够适合于如下情况,即:关于金属构造体的断裂判断对象部位,发生沿着由x轴及y轴构成的平面的应变及应力、而可以将分别与x轴及y轴正交的z轴方向的应变及应力忽视。
工业实用性
本发明能够用于汽车的碰撞模拟及零件的成形模拟等。