CN106575314B - 模型设定方法、成型模拟方法、成型用工具的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够高精度且高效地执行金属板的成型模拟的、用于成型模拟的有限元模型的模型设定方法。一种模型设定方法，其利用计算机中具备的处理器设定有限元模型，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，将成型用工具模型中的、与金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，将成型用工具模型中的、支承所述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。

Description

模型设定方法、成型模拟方法、成型用工具的制造方法
技术领域
本发明涉及利用有限元法进行金属板的成型模拟所使用的有限元模型的模型设定方法、使用了设定出来的有限元模型的成型模拟方法、使用了该方法的成型用工具的制造方法、程序、记录有程序的计算机可读取的记录介质以及有限元模型。
背景技术
汽车部件、家用电器中大多使用通过使用成型用工具对金属板进行压制成型、辊轧成型等而成型的部件。这样的部件在成型工序中存在产生裂纹、褶皱等成型不良、伴随着弹性变形回复而产生的尺寸精度不良等情况。为了研究这些情况的对策方法，近年盛行利用有限元法进行的成型模拟。
通常，在利用有限元法进行金属板的成型模拟的情况下，为了缩短分析模型的制作、分析所需要的时间，大多利用壳单元将分析对象模型化并实施计算。此时，通过对成型用工具赋予刚体的特性、对金属板赋予变形体(弹塑性体)的特性，从而使分析模型简单化。
然而，实际上成型用工具也为变形体(弹塑性体)，在实际的金属板的成型中，伴随着成型用工具的弹性变形(在有些情况下为塑性变形)而进行成型。因此，在上述那样的分析模型中，存在成型模拟的分析结果与实际成型品的实测值的一致性降低的问题。特别是，为了谋求部件的轻量化、碰撞功能的提高而盛行使用高强度的材料，在对高强度的金属板进行成型时成型载荷增大，因此，因成型模拟中的成型用工具的弹性变形而产生的影响则变得无法忽视。例如，在成型的过程中在金属板的局部产生了板厚较厚的增厚部的情况下，由于成型用工具为弹塑性体，因此，实际上，成型用工具不仅与金属板的增厚部接触，还与除增厚部以外的部分接触。但是，若将成型用工具假定为刚体而进行模型化，则导致成为成型用工具仅与金属板的增厚部接触这样的模型。因而，为了提高成型模拟的精度，期望考虑成型用工具的弹性变形。
于是，考虑有例如利用实心单元将成型用工具模型化并赋予弹性体或弹塑性体的特性的分析模型。然而，在利用实心单元将成型用工具模型化的情况下，相比于利用壳单元将成型用工具模型化的情况，分析模型的制作(网格划分)和分析执行分别需要大量的工夫和时间。因此，在处理大量的部件开发的量产现场，使用这样的分析模型并不现实。
另外，在专利文献1和专利文献2中公开了这样一种方法：将模具假定为刚体并仅将模具表面作为壳单元模型化，进行板成型模拟，将模具假定为弹性体并作为实心单元模型化，输入根据上述板成型模拟求得的节点反作用力，进行模具刚度模拟，反映由上述模具刚度模拟获得的模具挠曲分布，并再次进行上述板成型模拟。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-138120号公报
专利文献2：日本特开2005-138119号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述专利文献1和专利文献2所记载的方法中，由于在模具刚度模拟中将模具作为实心单元进行模型化，因此，分析模型的制作需要时间。另外，为了获得分析结果，需要经过板成型模拟和模具刚度模拟等较多的步骤，在整个分析上依然需要大量的工夫和时间。另外，在仅有通用有限元法分析软件时，难以简单地执行一系列的步骤。
本发明即是鉴于上述问题点而做成的，本发明的目的在于提供用于能够高精度且高效地执行金属板的成型模拟的、有限元模型的模型设定方法、成型模拟方法、成型用工具的制造方法、程序、记录有程序的计算机可读取的记录介质以及有限元模型。
用于解决问题的方案
为了把握成型用工具在金属板的成型中产生弹性变形的情况，本发明人在利用壳单元将成型用工具模型化并赋予了刚体的特性的情况、和利用实心单元将成型用工具模型化并赋予了弹性体或弹塑性体的特性的情况下，利用有限元法进行金属板的成型模拟，并进行了比较研究。其结果得出，在对成型用工具的有限元模型赋予弹性体或弹塑性体的特性的情况下，不需要将成型用工具整体作为对象，而仅将成型用工具的与金属板接触的表面附近作为对象即可。根据该见解再次深入研究的结果得出，通过利用与金属板接触的表层和支承该表层的基体这样的假想的双层结构将成型用工具模型化，并对表层赋予弹性体或弹塑性体的特性，对基体赋予刚体的特性，能够考虑成型用工具表面的弹性变形，并且，能够在保持成型用工具的整体的形状的同时控制刚体位移，从而完成了本发明。
即，本发明提供一种模型设定方法，其利用计算机中具备的处理器设定有限元模型，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，将上述成型用工具模型中的、与上述金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，将上述成型用工具模型中的、支承上述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。
在上述发明中，上述表层设定为壳单元、厚壁壳单元或实心单元中的任一者。另外，上述基体设定为壳单元、厚壁壳单元或实心单元。
利用上述表层和上述基体表示的上述成型用工具模型通过将上述成型用工具的表面附近的区域沿着上述金属板接触面模型化而成。
另外，期望的是，表层的厚度设定为金属板的母材厚度的0.2倍～5.0倍。另外，也可以是，表层的厚度设定为1.0mm～10mm。另外，在此的“表层的厚度”是指壳单元的假想厚度、或者厚壁壳单元或实心单元的厚度。另外，在此的母材厚度是指利用该成型用工具进行成型前的金属板的厚度。
另外，也可以是，将成型用工具模型中的、在上述金属板成型时相对于上述成型用工具载荷集中的部分设定为上述表层。
也可以是，在将多个成型用工具模型化的情况下，将成型用工具模型中的至少任一者利用具有表层和基体的有限元模型表示。
另外，本发明提供一种成型模拟方法，其使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，该成型模拟方法包括：金属板模型设定步骤，在该金属板模型设定步骤中，设定表示上述金属板的金属板模型；成型用工具模型设定步骤，在该成型用工具模型设定步骤中，设定表示上述成型用工具的成型用工具模型；以及分析步骤，在该分析步骤中，使用上述金属板模型和上述成型用工具模型，模拟利用上述成型用工具进行的上述金属板的成型，上述成型用工具模型设定步骤包含第1设定步骤，该第1设定步骤使用上述的模型设定方法设定第1成型用工具模型。
也可以是，上述成型用工具模型设定步骤包含第2设定步骤，该第2设定步骤设定利用刚体壳单元表示上述成型用工具的第2成型用工具模型，实施使用上述金属板模型和上述第2成型用工具模型进行分析的第1成型模拟，根据利用上述第1成型模拟得到的上述金属板的增厚量和成型载荷，判断是否需要变更上述第2成型用工具模型，在判断为需要变更上述第2成型用工具模型的情况下，实施使用上述第1成型用工具模型进行分析的第2成型模拟。
另外，本发明提供一种成型用工具的制造方法，其特征在于，使用上述的成型模拟方法设计并制造成型用工具。
另外，本发明提供一种程序，该程序使计算机执行设定有限元模型的处理，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，将上述成型用工具模型中的、与上述金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，将上述成型用工具模型中的、支承上述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。
另外，本发明提供一种记录有程序的计算机可读取的记录介质，该程序用于使计算机执行设定有限元模型的处理，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，将上述成型用工具模型中的、与上述金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，将上述成型用工具模型中的、支承上述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。
另外，本发明提供一种有限元模型，其是用于模拟利用成型用工具进行的金属板的成型的上述成型用工具的有限元模型，其中，上述成型用工具的金属板接触面的至少局部的表层利用弹性体或弹塑性体表示，支承上述表层的基体利用刚体表示。
利用表层和上述基体表示的上述成型用工具的有限元模型通过将上述成型用工具的表面附近的区域沿着上述金属板接触面模型化而成。
也可以是，利用弹性体或弹塑性体表示的上述表层为壳单元、厚壁壳单元或实心单元中的任一者。另外，也可以是，利用刚体表示的上述基体为壳单元、厚壁壳单元或实心单元中的任一者。
另外，也可以是，在上述表层的至少局部包含上述成型用工具的压料圈的至少局部。另外，也可以是，在上述表层的至少局部包含上述成型用工具的凸形状部。另外，也可以是，在用于由上述金属板成型具有弯曲面的成型品的上述成型用工具的有限元模型中，在上述表层的至少局部包含上述成型用工具的与上述成型品的弯曲面相对应的区域。
也可以是，上述表层的厚度设定为1.0mm～10mm。此处的“表层的厚度”还称作壳单元的假想厚度、或者厚壁壳单元或实心单元的厚度。
发明的效果
根据本发明，起到能够高精度且高效地执行金属板的成型模拟的效果。
附图说明
图1是表示成为本发明的一实施方式的成型模拟方法的对象的成型品的一例子的概略立体图。
图2是表示成为本发明的一实施方式的成型模拟方法的对象的成型用工具的一例子的概略剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具模型的一例子的概略剖视图。
图4A是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具的有限元模型的示意图，表示表层为弹性体或弹塑性体的壳单元、基体为刚体壳单元的情况。
图4B是将图4A的局部模式化后的示意图。
图5A是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具的有限元模型的示意图，表示表层为弹性体或弹塑性体的厚壁壳单元或弹性体或弹塑性体的实心单元、基体为刚体壳单元的情况。
图5B是将图5A的局部模式化后的示意图。
图6A是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具的有限元模型的示意图，表示表层为弹性体或弹塑性体的实心单元、基体为刚体的实心单元的情况。
图6B是将图6A的局部模式化后的示意图。
图7A是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具模型的另一例子的概略剖视图，表示成型用工具模型的至少局部由包括表层和基体的模型表示的情况。
图7B是表示本发明的一实施方式的成型模拟方法所使用的成型用工具模型的另一例子的概略剖视图，表示多个成型用工具模型中的至少一个成型用工具模型由包括表层和基体的模型表示的情况。
图8A是表示作为成型品的一例子而具有在高度方向上弯曲的弯曲面的鞍型形状的帽形构件的示意图。
图8B是表示作为成型品的另一例子而具有在宽度方向上弯曲的弯曲面的鞍型形状的帽形构件的示意图。
图9是表示有限元模型的自动判别处理的流程图。
图10是表示比较例1的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图11是表示比较例2的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图12是表示比较例2的成型模拟中的成型用工具的高度方向(Z方向)上的应变分布的等高图。
图13是表示实施例1的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图14是表示实施例2、3、6的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图15是表示实施例4、7的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图16是表示实施例5的成型用工具的有限元模型的概略立体图。
图17是表示比较例1、2以及实施例1～3的成型模拟中的压料圈的表面压力分布的等高图。
图18A是表示比较例1、2以及实施例1～3的成型模拟中的成型品的剖面位置的俯视图。
图18B是图18A的I-I切断线处的剖视图。
图18C是表示比较例1、2以及实施例1～3的成型模拟中的成型品的剖面上的扭转角的图表。
具体实施方式
以下，详细说明本发明的一实施方式的模型设定方法、成型模拟方法以及成型用工具的制造方法。另外，以下所说明的模型设定方法和成型模拟方法能够作为可由用于执行各处理的计算机执行的程序来提供，例如，能够利用计算机等的包括CPU(CentralProcessing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等的信息处理装置来实施该程序。另外，还能够提供存储有这样的程序的、能够由计算机读取的记录介质。记录介质例如有磁盘、光盘、磁光盘、闪存器等。另外，上述的程序还可以不使用记录介质而例如借助网络进行传送。
＜A.模型设定方法和成型模拟方法＞
本发明的一实施方式的模型设定方法利用计算机所具备的处理器设定有限元模型，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型。该模型设定方法的特征在于，在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，将上述成型用工具模型中的、与表示金属板的金属板模型接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，将上述成型用工具模型中的、支承上述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。使用利用模型设定方法设定出来的有限元模型进行金属板的成型模拟。以下，参照图1～图7B说明本发明的一实施方式的模型设定方法和成型模拟方法。
图1是表示对金属板进行成型而获得的成型品的一例子的概略立体图。图1所示的成型品30是对金属板进行压制成型而获得的帽形构件。图1所示的成型品30(帽形构件)通过使用例如图2所示的成型用工具对金属板进行成型而获得。图2是表示成型用工具的一例子的剖视图。图2所示的成型用工具10A为压制成型用模具，具有冲模2、冲头3以及压料圈4。使用例如图2所示的成型用工具10A，利用冲模2和压料圈4把持金属板1，向被把持着的金属板1推压冲头3，从而获得图1所示的成型品30(帽形构件)。
本实施方式的成型模拟方法用于模拟使用了图2所示的成型用工具的金属板的成型，该模拟结果能够应用于成型用工具的设计等。成型模拟中所利用的有限元模型中的、表示成型用工具的模型能够利用本实施方式的模型设定方法来设定。
图3是利用本实施方式的模型设定方法设定出来的成型用工具模型的一例子，是表示图2所示的成型用工具的模型的概略剖视图。在图3所示的成型用工具模型10B中，冲模模型12、冲头模型13以及压料圈模型14均以表层和基体的假想的双层结构被模型化。冲模模型12具有与金属板模型11接触的表层12a和支承表层12a的基体12b。冲头模型13具有与金属板模型11接触的表层13a和支承表层13a的基体13b。压料圈模型14具有与金属板模型11接触的表层14a和支承表层14a的基体14b。表层12a、13a、14a具有弹性体或弹塑性体的特性，基体12b、13b、14b具有刚体的特性。另外，在图3中，为了方便说明，基体12b、13b、14b具有厚度，但并不一定需要具有厚度。
后述的图13和图14中表示了图3所示的成型用工具模型的有限元模型的一结构例。在图13的区域A的局部放大图所示的成型用工具的有限元模型中，表层12a、13a、14a利用弹性体或弹塑性体的壳单元模型化，基体12b、13b、14b利用刚体的壳单元模型化。另外，金属板模型11利用壳单元模型化。另外，利用成对的表层和基体表示一个成型用工具。例如，利用成对的表层12a和基体12b表示冲模。于是，由于利用表层12a和基体12b表示一个作为成型用工具的冲模，因此，在成型模拟中，通过在表层12a与基体12b之间设定预定的约束条件，从而表现出基体12b支承表层12a且与表层12a成为一体地产生刚体位移。另外，在表层13a与基体13b之间、以及表层14a与基体14b之间也同样地设定约束条件。作为此处的约束条件，例如可以在表层与基体之间设定刚体约束条件，也可以通过在有限元模型的表示表层的单元与表示基体的单元之间共用构成各单元的至少一部分的节点而使其一体化。
另外，在图14的区域A的局部放大图所示的成型用工具的有限元模型中，表层12a、13a、14a利用弹性体或弹塑性体的厚壁壳单元、或实心单元模型化，基体12b、13b、14b利用刚体的壳单元模型化。另外，金属板模型11利用壳单元模型化。另外，在成型模拟中，与上述相同，在表层12a与基体12b彼此之间、表层13a与基体13b彼此之间以及表层14a与基体14b彼此之间分别设定约束条件。另外，在图14中，在显示上，压料圈模型14的基体14b被表层14a遮挡，因此，并未图示。
在本实施方式的模型设定方法中，利用与金属板接触的表层和支承该表层的基体这样的假想的双层结构将成型用工具模型化，并对表层赋予弹性体或弹塑性体的特性，对基体赋予刚体的特性。由此，能够考虑成型用工具的与金属板接触的表面的弹性变形，并且，能够在保持成型用工具的整体的形状的同时控制刚体位移。因而，能够提高成型模拟的精度。
在此，由于基体具有刚体的特性，因此，通常能够作为壳单元。另外，表层设定为成型用工具中的与金属板接触的金属板接触面的至少局部，且仅设定于表面附近的区域。另外，金属板接触面是指成型用工具模型中的与表示金属板的金属板模型接触的面整体。另外，成型用工具的表面附近的区域是指自成型用工具的表面朝向工具内部去直到预定的厚度为止的区域。因此，即使例如利用实心单元将表层模型化，相比于利用实心单元将成型用工具整体模型化的情况，也能够缩短成型用工具的有限元模型的制作时间。另外，对表层赋予弹性体或弹塑性体的特性，相比于利用弹性体或弹塑性体的实心单元将成型用工具整体模型化的情况，能够在短时间内进行成型模拟。因而，能够高精度且高效地进行金属板的成型模拟。
以下，详细说明本实施方式的模型设定方法和成型模拟方法。
[1.成型用工具的有限元模型]
本发明的实施方式的成型用工具的有限元模型是成型用工具的金属板接触面的至少局部的表层由弹性体或弹塑性体表示、支承所述表层的基体由刚体表示的模型。表层和基体一起构成一个成型用工具的有限元模型。
在有限元模型中，表层可以是壳单元、厚壁壳单元以及实心单元中的任一者，但其中优选为壳单元。这是因为，能够缩短成型用工具的有限元模型的制作时间。另外，在表层为实心单元或厚壁壳单元的情况下，厚度方向上的划分数量能够根据后述的表层的厚度等适当选择。实心单元或厚壁壳单元的厚度方向上的划分数量越少越为优选，例如，优选为划分数量为1～2左右。这是因为，能够缩短成型用工具的有限元模型的制作时间和分析时间。
表层设定有厚度。表层的厚度根据金属板的材料、板厚、大小、成型用工具的材料、成型载荷等适当设定。例如，可以是，通过利用弹性体或弹塑性体的实心单元将成型用工具模型化并进行成型模拟，来预先确定表层的厚度。具体而言，可以是，利用弹性体或弹塑性体的实心单元将成型用工具模型化并进行成型模拟，分析成型用工具的表面附近的厚度方向上的应变分布，将会产生应变的厚度设定为表层的厚度。
另外，通常的壳单元始终将板厚方向上的垂直应力假定为零并被公式化，而无法表现应力的平衡。然而，近年提出有能够考虑板厚方向上的应力的壳单元，通过使用该壳单元，能够提高对于在板厚方向上被施加压缩变形的加工的分析精度。对于本实施方式的模型设定方法中的有限元模型的表层，也能够使用该能够考虑板厚方向上的应力的壳单元。
另一方面，在有限元模型中，通常，为了缩短成型用工具的有限元模型的制作时间，而将基体设为壳单元。但是，本发明并不限定于该例子，基体还可以设为例如在厚度方向上划分数量为一个的实心单元或厚壁壳单元。另外，还能够将基体设为上述的能够考虑板厚方向上的应力的壳单元，但由于赋予刚体的特性而无法利用该壳单元的特征，因此，基体不需要使用能够考虑板厚方向上的应力的壳单元。
设定上述那样的表层和基体而呈现出的成型用工具的有限元模型是将成型用工具的表面附近的区域沿着金属板接触面模型化而成的。本实施方式的利用表层和基体呈现出的成型用工具的有限元模型并不是将成型用工具整体模型化而成的，而是例如图3所示那样仅将成型用工具的表面附近的区域模型化而成的。由此，能够使有限元模型的设定简单，并且，能够设定精度比以往的利用刚体壳单元呈现出的模型的精度高的模型，因此，能够精度良好且高效地执行金属板的成型模拟。
具体而言，例如，在制作表层为壳单元、基体为壳单元的情况下的成型用工具的有限元模型的情况下，如图4A和图4B所示，作为表层15a而配置假想厚度为t的壳单元，作为基体15b而例如与表层15a相接触地配置假想厚度为零的壳单元。此时，作为壳单元的表层15a例如设为配置于自表示成型用工具的表面的虚线位置直到基体15b为止的假想厚度t的厚度方向中心。另外，基体15b的假想厚度为零，但在图4A中利用粗线表示。如图4B所示，一个壳单元例如表示为连结四个节点而形成的面。另外，在此，将基体15b的假想厚度设为零，但本发明并不限定于此，还能够对于基体15b的假想厚度设定预定的厚度。
另外，在将表层设为壳单元、将基体设为壳单元的情况下，为了缩短分析模型的构建时间和分析时间，还可以共用构成表层的壳单元的节点和构成基体的壳单元的节点而将表层和基体一体化地模型化。此时，对表示表层15a的壳单元赋予弹性体或弹塑性体的特性，对表示基体15b的壳单元赋予刚体的特性。利用表层和基体的一体化，能够满足表层与基体之间的约束条件。在该情况下，与图4A、图4B所示的情况不同，表层15a和基体15b重叠配置。另外，在将表层和基体制作成不共用节点的其他的模型的情况下，若在表层15a与基体15b之间设定例如刚体约束等预定的约束条件，也能够设定本发明的实施方式的成型模拟所使用的有限元模型。
表示表层15a的弹性体或弹塑性体的壳单元的与金属板接触的假想表面因承受被施加于表层15a的假想表面的载荷而产生变形。另一方面，表示基体15b的刚体的壳单元不产生刚体位移以外的变形。另外，在图4A和图4B中，设定有表层和基体的表面附近的区域是指距金属板接触面的距离为厚度t的、沿着金属板接触面的区域。
另外，例如在制作表层为实心单元、基体为壳单元的情况下的成型用工具的有限元模型的情况下，如图5A和图5B所示，作为表层15a而配置厚度t的实心单元，作为基体15b而与表层15a相接触地配置假想厚度为零的壳单元。在图5A和图5B中也是，基体15b的假想厚度为零，但利用粗线表示。如图5B所示，一个实心单元例如表示为连结八个节点而形成的立体。实心单元的表层15a既可以是在厚度方向上的划分数量为一个，也可以是如图5B所示地在厚度方向上的划分数量为多个地进行构建。另外，如上所述，通常，划分数量变得越多，模型构建、模拟所需的时间则变得越多。另外，在图5A和图5B中，设定有表层和基体的表面附近的区域也是距金属板接触面的距离为厚度t的、沿着金属板接触面的区域。另外，在此，将基体15b的厚度设定为零，但本发明并不限定于此，还能够将基体15b的厚度设定为预定的厚度。
在将表层设为实心单元、将基体设为壳单元的情况下，为了缩短分析模型的构建时间和分析时间，还可以是，通过共用表层的实心单元中的与基体相对的实心单元的面的节点、和基体的壳单元的节点而一体化，从而进行模型化。此时，对表示表层15a的实心单元赋予弹性体或弹塑性体的特性，对表示基体15b的壳单元赋予刚体的特性。该情况下，利用表层的实心单元和基体的壳单元的一体化，能够满足表层与基体之间的约束条件。另外，在将利用实心单元的表层和利用壳单元的基体制作成不共用节点的其他的模型的情况下，若在表层15a与基体15b之间设定例如刚体约束等预定的约束条件，也能够设定本发明的实施方式的成型模拟所使用的有限元模型。另外，将表层设为厚壁壳单元的情况也相同。在表层15a由弹性体或弹塑性体的实心单元表示的情况下，表示表层15a的弹性体或弹塑性体的实心单元也因承受被施加于表层15a的表面的载荷而产生变形。另一方面，表示基体15b的刚体的壳单元不产生刚体位移以外的变形。
另外，例如在制作表层为实心单元、基体为实心单元的情况下的成型用工具的有限元模型的情况下，如图6A和图6B所示，作为表层15a而配置厚度t的实心单元，作为基体15b而与表层15a相接触地配置厚度tb的实心单元。该情况下也是，实心单元的表层15a既可以是在厚度方向上的划分数量为一个，也可以是如图6B所示地在厚度方向上的划分数量为多个地进行构建。另外，实心单元的基体15b也可以是在厚度方向上的划分数量为多个，但由于赋予刚体的特性，划分数量为一个即足矣。
另外，在将表层设为实心单元、将基体设为实心单元的情况下，为了缩短分析模型的构建时间和分析时间，例如图6B所示，还可以是，利用在厚度方向上的划分数量为至少两个以上的实心单元将成型用工具的与金属板接触的表面附近的区域模型化，将位于金属板接触面侧的划分数量为至少一个以上的实心单元作为表层15a并赋予弹性体或弹塑性体的特性，将位于与金属板接触面侧相反的一侧的剩余的实心单元作为基体15b并赋予刚体的特性。
此时，构成使作为表层15a发挥功能的实心单元和作为基体15b发挥功能的实心单元连续而成的一体的有限元模型。在此，一体的有限元模型是指通过使相对的表层15a的实心单元和基体15b的实心单元彼此共用相对的面和节点从而一体化地形成的连续的模型。利用表层15a的实心单元和基体15b的实心单元的一体化，能够满足表层15a与基体15b之间的约束条件。该情况下，如上所述，由于对基体15b赋予刚体的特性，因此，基体15b在厚度方向上的划分数量为一个即足矣。
另外，在将利用实心单元的表层15a和利用实心单元的基体15b制作成不共用节点的其他的模型的情况下，只要在表层15a与基体15b之间设定刚体约束等预定的约束条件，就也能够设定本发明的实施方式的成型模拟所使用的有限元模型。在表层15a利用弹性体或弹塑性体的实心单元表示、基体15b利用刚体的实心单元表示的情况下，表示表层15a的弹性体或弹塑性体的实心单元也因承受被施加于表层15a的表面的载荷而产生变形。另一方面，表示基体15b的刚体的实心单元不产生刚体位移以外的变形。另外，在图6A和图6B中，设定有表层和基体的表面附近的区域是指距金属板接触面的距离为厚度t+tb的、沿着金属板接触面的区域。
在将这样的成型用工具模型化时，表层15a的厚度t设为金属板的母材厚度的0.2倍～5.0倍左右较好。若表层15a的厚度t薄于金属板的母材厚度的0.2倍，在进行分析时，则无法充分地考虑由增厚部引起的模具表面的局部变形。另一方面，若表层15a的厚度t厚于金属板的母材厚度的5.0倍，则存在难以在成型用工具的棱线倒圆R部等的凸形状部将表层、基体作为在面内方向上平滑地连续的单元组而模型化的情况、随着单元数量的增多而分析时间变长的情况。另外，在此的母材厚度是指利用该成型用工具进行成型前的金属板的厚度。例如，表层15a的厚度t设定为1.0mm～10mm。如上所述，若将表层15a的厚度t设定为薄于1.0mm，在进行分析时，则无法充分地考虑由增厚部引起的模具表面的局部变形。另外，若表层15a的厚度t大于10mm，则存在难以在成型用工具的棱线倒圆R部等的凸形状部将表层、基体作为在面内方向上平滑地连续的单元组而模型化的情况、随着单元数量的增多而分析时间变长的情况。另外，在此的“表层15a的厚度t”为在表层15a为壳单元的情况下指表层15a的假想厚度t。
另外，本实施方式的成型模拟中使用的成型用工具的有限元模型在该模型的金属板接触面的至少局部具有表层即可。例如图3所示，可以将成型用工具模型10B的与金属板模型11接触的部分全部设为表层12a、13a、14a。或者，例如图7A、图7B所示，还可以将成型用工具模型10B的与金属板模型11接触的部分中的局部设为表层12a、13a、14a。
更具体而言，在将成型用工具的与金属板接触的部分中的局部作为双层结构而模型化的情况下，如图7A所示，可以将成型用工具模型10B的与金属板模型11接触的部分中的局部的部分设为表层12a、13a、14a。在将成型用工具的与金属板接触的部分中的局部作为双层结构而模型化的情况下，优选的是，将成型时成型载荷、表面压力等集中的部分设为双层结构。这是因为，考虑到成型金属板时的成型用工具的弹性变形，能够精度良好地进行成型模拟。例如，在拉深成型中，成型载荷、表面压力等在冲模的倒圆R部和冲头的倒圆R部以及压料圈的内侧集中的情况较多。由此，在图7A所示的例子中，设为在冲模模型12的R部及其附近具有表层12a、在冲头模型13的R部及其附近具有表层13a、在压料圈模型14的内侧具有表层14a的双层结构。
另外，例如，在成型用工具包括多个成型用工具的情况下，如图7B所示，可以利用表层和基体的双层结构将多个成型用工具中的至少一个成型用工具模型化。在图7B所示的例子中，仅将冲模模型12、冲头模型13和压料圈模型14中的、冲模模型12和压料圈模型14进行了模型化，利用表层12a和基体12b的双层结构将冲模模型12进行了模型化，利用表层14a和基体14b的双层结构将压料圈模型14进行了模型化。例如，在成型图1所示的那样的具有弯曲形状的帽形构件时，存在冲模和压料圈的弹性变形的影响变大的情况。在这样的成型品的成型模拟中，如图7B所示，优选将冲模模型12设为表层12a和基体12b的双层结构，将压料圈模型14设为表层14a和基体14b的双层结构。另外，在图7B中，将冲模模型12设为了表层12a和基体12b的双层结构，将压料圈模型14设为了表层14a和基体14b的双层结构，但还可以将冲模模型12和压料圈模型14中的至少一个模型设为双层结构。
另外，在图7B中列举了冲模模型12和压料圈模型14的例子，但本发明并不限定于该例子，采用包括表层和基体的双层结构的模型的成型用工具例如根据构件形状、母材厚度、母材强度等适当选择即可。例如，考虑如下情况，使用成型用工具对金属板进行压制成型，获得图8A或图8B所示的那样的、包括凸缘32、34、顶板面36以及连结凸缘32、34和顶板面36的侧壁面33、35的帽形构件30A、30B。如图8A所示，在帽形构件30A的顶板面36在长度方向(Y方向)上具有包括平坦面36a和沿高度方向(Z方向)以凹形状弯曲而成的弯曲面36b的鞍型形状的情况下，在顶板面36的弯曲面36b或与该弯曲面36b连续的侧壁面33b、35b容易产生增厚部。于是，可以是，通过至少将冲头模型13的、与沿帽形构件30A的高度方向以凹形状凹陷的弯曲面36b和与弯曲面36b连续的侧壁面33b、35b相对应的区域设定为表层13a，另外将冲模模型12的、与帽形构件30A的弯曲面36b和侧壁面33b、35b相对应的区域设定为表层12a，然后，将支承表层12a的部分设定为基体12b，将支承表层13a的部分设定为基体13b，从而设定双层结构的冲模模型12和冲头模型13。另外，还可以将冲模模型12和冲头模型13中的任一者设定为利用表层和基体表示的双层结构的有限元模型。
另外，例如，如图8B所示，在帽形构件30B的侧壁面33、35在长度方向(Y方向)上具有包括平坦面33a、35a和沿宽度方向(X方向)朝向内部以凹形状弯曲而成的弯曲面33b、35b的鞍型形状这样的情况下，在侧壁面33的弯曲面33b、35b或与该弯曲面33b、35b连续的顶板面36b容易产生增厚部。该情况下，也如下进行设定即可，即，通过将成型用工具中的、至少与侧壁面33、35的弯曲面33b、35b相对应的区域和与同弯曲面33b、35b连续的顶板面36b相对应的区域设定为表层，然后，将支承表层的部分设定为基体，从而设定双层结构的成型用工具的有限元模型。
作为成型用工具的种类，能够根据金属板的成型方法适当选择。如下所述，本实施方式的成型模拟方法能够应用于拉深成型、弯曲成型等压制成型、辊轧成型等，作为成型用工具，例如可列举模具、辊等。成型用工具的结构与通常的成型用工具相同。其中，在成型用工具的强度、弹性系数比较低的情况下，本发明较为合适。例如，在成型用工具使用铸件、锌合金的情况下，由于强度、弹性系数比较低，因此，成型金属板时的成型用工具的弹性变形、有些情况下的塑性变形的影响变大。在这样的情况下，能够精度良好地进行成型模拟的本发明是有用的。
[2.成型模拟]
在本实施方式中，使用利用上述的模型设定方法设定出来的成型用工具的有限元模型，进行利用有限元法进行的金属板的成型模拟。成型模拟能够使用通用有限元法分析软件。另外，在成型用工具的有限元模型中，由于成对的表层和基体一起表示一个成型用工具，因此，为了使基体支承表层且与表层成为一体地产生刚体位移，而在基体与表层之间设定约束条件地将基体和表层结合。
作为金属板的成型方法，例如可列举有拉深成型、弯曲成型等压制成型、辊轧成型等。其中，在压制成型、特别是拉深成型的情况下，本发明较为合适。在拉深成型中，由于一边利用冲模和压料圈对金属板施加防皱压板压力一边进行成型，因此，成型载荷、表面压力等容易变大，成型金属板时的成型用工具的弹性变形的影响也变大。在这样的拉深成型中，通过使用本实施方式的成型模拟方法，也能够精度良好地进行成型模拟。
本发明的实施方式的金属板的成型模拟方法能够应用于任何形状，作为成为成型模拟的对象的成型品，没有特殊限定，但优选应用于伴随着成型的进行而在局部产生板厚的增加、减少的成型品。作为这样的成型品，例如在具有帽形截面的成型品中可列举有在长度方向上具有沿宽度方向或高度方向的弯曲形状的帽形构件。例如在图1所示的、在长度方向上具有沿宽度方向的弯曲形状的帽形构件中，弯曲的内侧的凸缘32伴随着成型的进行而成为在长度方向上承受拉伸变形的伸长凸缘。另一方面，弯曲的外侧的凸缘34成为在长度方向上承受压缩变形的收缩凸缘。在伸长凸缘上产生板厚减少，在收缩凸缘上产生板厚增加。若这样地局部产生板厚的变化，则还产生表面压力分布，而使成型金属板时的成型用工具的弹性变形的影响变大。因而，在这样的局部产生板厚的变化的成型品中，通过使用本实施方式的成型模拟方法，也能够精度良好地进行成型模拟。
[3.有限元模型的自动判别]
如上所述，本实施方式的成型模拟方法中使用的成型用工具的有限元模型具备与金属板接触并具有弹性体或弹塑性体的特性的表层和支承上述表层并具有刚体的特性的基体。由此，能够高精度且高效地执行金属板的成型模拟。另一方面，成型模拟中使用的有限元模型期望为考虑到成型模拟结果所要求的精度、成型用工具的有限元模型的制作时间、计算时间等而最佳的模型。
例如，在利用刚体壳单元将成型用工具模型化时，若该模拟结果的精度在容许范围内，则能够在短时间内获得模拟结果，因此，使用该模型即可。但是，即使计算时间较短，若使用将成型用工具利用刚体壳单元构建而成的有限元模型时的模拟结果的精度在容许范围外，为了能够以更高的精度进行分析，则需要构建有限元模型。于是，例如以下所述，可以自动判别使用哪种成型用工具的有限元模型。
图9中表示有限元模型的自动构建处理的一例子。在该有限元模型的自动构建处理中，首先，利用刚体壳单元将成型用工具模型化，并实施成型模拟(S100：第1成型模拟)。步骤S100中使用的成型用工具的有限元模型为以往利用的成型用工具的有限元模型，容易构建，并能够降低模拟的计算负荷。但是，在实际的金属板的成型中，由于产生有成型用工具的弹性变形(或塑性变形)，因此，在利用刚体壳单元将成型用工具模型化的情况下，模拟结果与实测值之间的差变大，还可能无法获得期望的精度。
于是，判断利用在步骤S100中构建的成型用工具的有限元模型是否获得了期望的精度，并判断是否需要变更模型(S110)。对于步骤S110的判断而言，可以通过比较对母材强度和成型品尺寸预先设定的评价阈值、和例如根据在步骤S100中获得的增厚量和成型载荷计算出的评价指标来进行。评价指标例如可以设定为通过累计增厚量和成型载荷而得到的值。
在步骤S110中，在判断为不需要对在步骤S100中构建的有限元模型进行变更的情况(例如，评价指标为评价阈值以下的情况)下，确定使用在步骤S100中构建的有限元模型进行成型模拟。另一方面，在判断为需要对在步骤S100中构建的有限元模型进行变更的情况(例如，评价指标超过了评价阈值的情况)下，根据本实施方式的模型设定方法，重新构建有限元模型。
在本实施方式的模型设定方法中，将成型用工具设定为包括表层和基体的有限元模型。于是，首先，确定成型用工具的有限元模型的表层的厚度(S120)。表层的厚度例如可以根据在步骤S100中得到的增厚量和模具尺寸要素来确定。然后，以在步骤S120中确定的表层的厚度重新构建成型用工具的有限元模型，并实施成型模拟(S130：第2成型模拟)。
由此，通过评价成型用工具的有限元模型的精度并形成为能够自动地确定成型模拟所使用的有限元模型，能够减轻有限元模型的选择负荷。
＜B.成型用工具的制造方法＞
本发明的实施方式的成型用工具的制造方法为使用上述的成型模拟方法设计成型用工具并进行制造的方法。
在上述的成型模拟方法中，能够精度良好地进行金属板的成型模拟。因此，能够再现与实际使用成型用工具对金属板进行了成型的状态接近的状态。因而，通过使用上述的成型模拟方法，能够削减成型用工具制作的工时、准备时间、成本。
在本实施方式中，例如在成型模拟方法中，能够分析伴随着金属板的成型而产生的裂纹、褶皱等成型不良、由成型后的自模具脱模时的弹性变形回复引起的尺寸精度不良等，并根据该分析结果进行设计且制造成型用工具。具体而言，能够根据分析结果，以不产生裂纹、褶皱的方式或以弹性变形回复变小的方式设计成型用工具的形状等，并进行制造。
如上所述，成型用工具的种类能够根据金属板的成型方法适当选择，例如，存在拉深成型、弯曲成型等压制成型、辊轧成型等所使用的模具、辊等。这些成型用工具的结构与通常的成型用工具相同。
以上，参照附图详细地说明了本发明的较佳的实施方式，但本发明并不限定于该例子。明确的是，若是具有本发明所属的技术领域的通常的知识的人员，则在权利要求书所记载的技术思想的范围内，能够想到各种变更例或修正例，应该了解的是，这些变更例或修正例当然也属于本发明的保护范围。
实施例
以下，列举实施例具体地说明本发明。在本实施例中，将图1所示的帽形构件作为成型品。该作为成型品的帽形构件的截面形状形成为冲头的宽度(两侧壁之间的水平方向距离)为80mm、高度(顶板面与凸缘面之间的垂直方向距离)为60mm。另外，成型前的金属板的宽度为240mm。帽形构件的长度为700mm，形成为在水平面内的冲头的宽度中央具有曲率半径R为1000mm的曲率的形状。金属板使用拉伸强度为780MPa级且板厚为1.2mm的冷轧钢板。
[比较例1]
作为比较例1，制作了图10所示的压制成型用模具的有限元模型。冲模模型22、冲头模型23以及压料圈模型24由刚体的壳单元模型化，金属板模型11由弹塑性体的壳单元模型化。
[比较例2]
作为比较例2，制作了图11所示的压制成型用模具的有限元模型。冲模模型22、冲头模型23以及压料圈模型24利用弹性体的实心单元模型化，金属板模型11利用弹塑性体的壳单元模型化。在压料圈模型24的下侧配置有缓冲销25，施加于金属板模型11的防皱压板压力经由压料圈模型24施加于缓冲销25。另外，缓冲销25作为刚体而模型化。
在此，使用通用有限元法分析软件，使用比较例2的压制成型用模具的有限元模型压制成型金属板的有限元模型，进行获得图1所示那样的成型品(帽形构件)的拉深成型的成型模拟。分析模型考虑到成型品的对称性而设为1/2对称模型。上述的图10和图11的区域A的局部放大图所示的截面为对称面。
图12中表示成型模拟中的模具表面的高度方向(Z方向)上的应变分布。图12相当于图11所示的冲模模型22的倒圆R部(图11的虚线部B)，是使图11的上下左右翻转而成的图。根据图12可知，在金属板的成型时自模具的表面起到2mm厚度左右产生应变。由此，确认的是，通过仅将与金属板接触的成型用工具的表面附近作为弹性体或弹塑性体模型化，就能够进行考虑到了成型用工具的弹性变形的成型模拟。
[实施例1]
作为实施例1，将表层设为弹性体壳单元、将基体设为刚体壳单元，而制作了压制成型用模具的有限元模型。将实施例1的有限元模型表示在图13中。在实施例1中，如图13所示，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的壳单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的壳单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，在厚度的中心配置有壳单元。基体的壳单元配置为与和表层的金属板相接触的面的相反侧的面接触。在表层12a与基体12b之间、表层13a与基体13b之间、表层14a与基体14b之间设定了刚体约束条件。另外，表层的壳单元的假想厚度设为2mm，基体的壳单元的假想厚度如上所述地设为0mm。
[实施例2]
作为实施例2，将表层设为弹性体厚壁壳单元、将基体设为刚体壳单元，而制作了压制成型用模具的有限元模型。将实施例2的有限元模型表示在图14中。在实施例2中，如图14所示，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的厚壁壳单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的壳单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。另外，在图14中，在显示时，由于压料圈模型14的基体14b被表层14a遮盖，因此，并未示出。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，基体的壳单元配置为与和表层的金属板相接触的面的相反侧的面接触。在表层12a与基体12b之间、表层13a与基体13b之间、表层14a与基体14b之间设定了刚体约束条件。另外，基体的壳单元的假想厚度如上所述地设为0mm。
[实施例3]
作为实施例3，将表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的弹性体实心单元、将基体设为刚体壳单元，而制作了压制成型用模具的有限元模型。实施例3的有限元模型与图14所示的实施例2的模具的有限元模型在显示上相同。在实施例3中，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的实心单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的壳单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，基体的壳单元配置为与和表层的金属板相接触的面的相反侧的面接触。在表层12a与基体12b之间、表层13a与基体13b之间、表层14a与基体14b之间设定有刚体约束条件。另外，表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元。另外，基体的壳单元的假想厚度如上所述设为0mm。
[实施例4]
作为实施例4，将表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的弹性体实心单元，将基体设为在厚度方向上的划分数量为一个的刚体实心单元，而制作了压制成型用模具的有限元模型。将实施例4的有限元模型表示在图15中。在实施例4中，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的实心单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的实心单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，基体的实心单元配置为与和表层的金属板相接触的面的相反侧的面接触。在表层12a与基体12b之间、表层13a与基体13b之间、表层14a与基体14b之间设定有刚体约束条件。另外，表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元。另外，基体设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元，厚度设为2mm。
[实施例5]
作为实施例5，将表层设为弹性体壳单元、将基体设为刚体壳单元，并通过共用表层与基体的壳单元的节点从而一体化，而制作了压制成型用模具的有限元模型。将实施例5的有限元模型表示在图16中。另外，在图16中，在显示上，表层与基体重叠，而并未区别。在实施例5中，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的壳单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的壳单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。以表层12a和基体12b互相共用节点、表层13a和基体13b互相共用节点、表层14a和基体14b互相共用节点的方式制作了有限元模型。另外，在该有限元模型中，由于表层的与金属板接触的单侧的假想表面成为弹性变形的对象，因此，将表层的假想厚度设为实施例1的2倍即4mm，并在该假想厚度的中心配置有壳单元。另外，基体的壳单元的假想厚度如上所述地设为0mm。
[实施例6]
作为实施例6，将表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的弹性体实心单元，将基体设为刚体壳单元，通过共用表层的实心单元的一部分的节点和基体的壳单元的节点从而一体化，而制作了压制成型用模具的有限元模型。实施例6的有限元模型在显示上与图14所示的实施例2和实施例3的模具的有限元模型相同。在实施例6中，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的实心单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的壳单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，基体的壳单元配置为与和表层的金属板接触面相反侧的面接触。以表层12a和基体12b互相共用表层的实心单元中的与基体接触的面的节点和基体的壳单元的节点、表层13a和基体13b互相共用表层的实心单元中的与基体接触的面的节点和基体的壳单元的节点、表层14a和基体14b互相共用表层的实心单元中的与基体接触的面的节点和基体的壳单元的节点的方式分别制作了有限元模型。另外，表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元。另外，基体的壳单元的假想厚度如上所述地设为0mm。
[实施例7]
作为实施例7，将表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的弹性体实心单元，将基体设为在厚度方向上的划分数量为一个的刚体实心单元，通过共用表层的实心单元的一部分的节点和基体的实心单元的一部分的节点而一体化，制作了压制成型用模具的有限元模型。实施例7的有限元模型在显示上与图15所示的实施例4的模具的有限元模型相同。在实施例7中，冲模模型12的表层12a、冲头模型13的表层13a以及压料圈模型14的表层14a设为弹性体的实心单元，冲模模型12的基体12b、冲头模型13的基体13b以及压料圈模型14的基体14b设为刚体的实心单元，金属板模型11设为弹塑性体的壳单元，而构建了压制成型用模具的有限元模型。在该有限元模型中，将表层的厚度设为2mm，基体的实心单元配置为与表层的金属板接触面的相反侧的面接触。以表层12a和基体12b共用相互接触的面的节点、表层13a和基体13b共用相互接触的面的节点、表层14a和基体14b共用相互接触的面的节点的方式分别制作有限元模型。另外，表层设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元。另外，基体设为在厚度方向上的划分数量为一个的实心单元，厚度设为2mm。
[评价]
使用通用有限元法分析软件，并使用比较例1、2以及实施例1～7的模具的有限元模型压制成型金属板的有限元模型，进行了获得图1所示那样的成型品(帽形构件)的成型模拟。分析模型考虑到成型品的对称性而设为1/2对称模型。上述的图13～图16的区域A的局部放大图所示的截面为对称面。
(1)成型模拟中的压料圈的表面压力分布
利用成型模拟，对在一边对金属板利用冲模和压料圈施加防皱压板压力一边实施拉深成型时的压料圈面上的表面压力分布进行了分析。在图17的(a)～图17的(e)中分别表示使用了比较例1、比较例2、实施例1、实施例2、实施例3的压制成型用模具的有限元模型的情况下的成型模拟中的压料圈的表面压力分布。能够确认的是，在比较例1中，在成型品中，仅在增厚较大的收缩凸缘侧的长度方向中央部集中有表面压力，相对于此，在比较例2、实施例1、实施例2、实施例3中，包含伸长凸缘侧在内地在长度方向上分布有表面压力。另外，在图17中并未记载，但能够确认的是，在实施例4～7中，也与比较例2、实施例1、实施例2、实施例3相同，包含伸长凸缘侧在内地在长度方向上分布有表面压力。
(2)弹性变形回复分析
利用成型模拟，进行了成型后的弹性变形回复分析。计算将图18A和图18B所示的成型品的顶板面的中央设为基准时的顶板面端部的扭转角θ。图18C中表示成型模拟中的扭转角和实测值。如图18C所示，与利用刚体壳单元将成型用工具模型化的比较例1的扭转角相比，利用弹性体实心单元将成型用工具模型化的比较例2的扭转角、和利用上述的本实施方式的成型模拟方法将成型用工具模型化的实施例1～3的扭转角均减小。另外，实施例1～3的分析精度均表示为与比较例2相等且比比较例1接近实测值的值。
另外，在图18C中并未记载，将表层设为弹性体的实心单元且将基体设为刚体的实心单元的实施例4的扭转角与同样地将表层设为弹性体的实心单元的实施例3的扭转角相同。另外，通过在表层和基体共用节点从而一体化而制作有限元模型并将表层设为弹性体的壳单元、将基体设为刚体的壳单元的实施例5的扭转角与同样地将表层设为弹性体的壳单元、将基体设为刚体的壳单元的实施例1的扭转角相同。另外，表层为实心单元、基体为壳单元的实施例6的扭转角与同样地表层为实心单元、基体为壳单元的实施例3的扭转角相同，表层为实心单元、基体为实心单元的实施例7的扭转角与同样地表层为实心单元、基体为实心单元的实施例4的扭转角相同。即，实施例4～7的分析精度也均表示为与比较例2相等并比比较例1接近实测值的值。
(3)计算时间
将成型模拟中的分析时间表示在下述表1中。在表1中，实施例1～4为在表层与基体之间设定刚体约束条件地将成型用工具模型化的情况下的结果，实施例5～7表示在表层和基体共用节点从而一体化地将成型用工具模型化的情况下的结果。
表1
Figure GDA0002082969530000281
关于分析时间，利用刚体壳单元将成型用工具模型化的比较例1的分析时间最短，利用弹性体实心单元将成型用工具模型化的比较例2的分析时间最长。相对于此，在将表层设为弹性体壳单元、弹性体厚壁壳单元或弹性体实心单元中的任一者、将基体设为刚体壳单元并在表层与基体之间设定刚体约束条件而将成型用工具模型化的实施例1～3、以及将表层设为弹性体实心单元、将基体设为刚体实心单元并在表层与基体之间设定刚体约束条件而将成型用工具模型化的实施例4中，相对于比较例2能够大幅度缩短计算时间。另外，在通过在表层和基体共用节点从而一体化而将成型用工具模型化的实施例5～7中，相对于实施例1～4，能够进一步缩短计算时间。
附图标记说明
1、金属板；2、冲模；3、冲头；4、压料圈；10A、成型用工具；10B、成型用工具模型；11、金属板模型；12、22、冲模模型；12a、冲模模型的表层；12b、冲模模型的基体；13、23、冲头模型；13a、冲头模型的表层；13b、冲头模型的基体；14、24、压料圈模型；14a、压料圈模型的表层；14b、压料圈模型的基体；30、成型品。

Claims (24)

1.一种模型设定方法，其利用计算机中具备的处理器设定有限元模型，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，
在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，
将所述成型用工具模型中的、与所述金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，
对于所述成型用工具模型中的具有所述表层的所述成型用工具，将支承所述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。
2.根据权利要求1所述的模型设定方法，其中，
所述表层为壳单元。
3.根据权利要求1所述的模型设定方法，其中，
所述表层为实心单元或厚壁壳单元。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
所述基体为壳单元。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
所述基体为实心单元或厚壁壳单元。
6.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
利用所述表层和所述基体表示的所述成型用工具模型通过将所述成型用工具的表面附近的区域沿着所述金属板接触面模型化而成。
7.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
所述表层的厚度设定为所述金属板的母材厚度的0.2倍～5.0倍。
8.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
所述表层的厚度为1.0mm～10mm。
9.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
将所述成型用工具模型中的、在所述金属板成型时相对于所述成型用工具载荷集中的部分设定为所述表层。
10.根据权利要求1~3中任一项所述的模型设定方法，其中，
在将多个所述成型用工具模型化的情况下，将所述成型用工具模型中的至少任一者利用具有所述表层和所述基体的有限元模型表示。
11.一种成型模拟方法，其使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，
该成型模拟方法包括：
金属板模型设定步骤，在该金属板模型设定步骤中，设定表示所述金属板的金属板模型；
成型用工具模型设定步骤，在该成型用工具模型设定步骤中，设定表示所述成型用工具的成型用工具模型；以及
分析步骤，在该分析步骤中，使用所述金属板模型和所述成型用工具模型，模拟利用所述成型用工具进行的所述金属板的成型，
所述成型用工具模型设定步骤包含第1设定步骤，该第1设定步骤使用权利要求1～10中任一项所述的模型设定方法设定第1成型用工具模型。
12.根据权利要求11所述的成型模拟方法，其中，
所述成型用工具模型设定步骤包含第2设定步骤，该第2设定步骤设定利用刚体壳单元表示所述成型用工具的第2成型用工具模型，
实施使用所述金属板模型和所述第2成型用工具模型进行分析的第1成型模拟，
根据利用所述第1成型模拟得到的所述金属板的增厚量和成型载荷，判断是否需要变更所述第2成型用工具模型，
在判断为需要变更所述第2成型用工具模型的情况下，实施使用所述第1成型用工具模型进行分析的第2成型模拟。
13.一种成型用工具的制造方法，其中，
使用权利要求11或12所述的成型模拟方法设定并制造成型用工具。
14.一种记录有程序的计算机可读取的记录介质，该程序用于使计算机执行设定有限元模型的处理，该有限元模型用于使用有限元法模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，
在设定表示成型用工具的成型用工具模型时，
将所述成型用工具模型中的、与所述金属板接触的金属板接触面的至少局部设定为具有弹性体或弹塑性体的特性的表层，
对于所述成型用工具模型中的具有所述表层的所述成型用工具，将支承所述表层的部分设定为具有刚体的特性的基体。
15.一种包含用于设定成型用工具的有限元模型的处理器的装置，该成型用工具的有限元模型用于模拟利用成型用工具进行的金属板的成型，其中，
所述成型用工具的金属板接触面的至少局部的表层利用弹性体或弹塑性体表示，支承所述表层的基体利用刚体表现。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，
利用所述表层和所述基体表示的所述成型用工具的有限元模型通过将所述成型用工具的表面附近的区域沿着所述金属板接触面模型化而成。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
利用弹性体或弹塑性体表示的所述表层为壳单元。
18.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
利用弹性体或弹塑性体表示的所述表层为实心单元或厚壁壳单元。
19.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
利用刚体表示的所述基体为壳单元。
20.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
利用刚体表示的所述基体为实心单元或厚壁壳单元。
21.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
在所述表层的至少局部包含所述成型用工具的压料圈的至少局部。
22.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
在所述表层的至少局部包含所述成型用工具的凸形状部。
23.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
在用于由所述金属板成型具有弯曲面的成型品的所述成型用工具的有限元模型中，在所述表层的至少局部包含所述成型用工具的与所述成型品的弯曲面相对应的区域。
24.根据权利要求15或16所述的装置，其中，
所述表层的厚度为1.0mm～10mm。
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