JP2002219523A - プレス成形解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プレス成形の解析に要する時間を抑制しつつ
解析精度を向上させる。 【解決手段】 金型のソリッドモデルにメッシュを生成
する際、金型の所定曲率半径以下のＲ部（ダイ肩やポン
チ肩、絞りビード部などのメッシュが細かくなる部分）
以外の部位に対応するメッシュを、弾性体のソリッド要
素により形成し（Ｓ１０６）、Ｒ部に対応する要素を、
剛体のシェル要素により形成する（Ｓ１０８）。そし
て、Ｒ部の円周に連続して形成された剛体のシェル要素
群とこれに隣接するシェル要素群との間の節点を二重節
点（一方の節点の変位が他方の節点に影響を与えない２
つの節点）とする（Ｓ１１２）。こうして作成された金
型モデルを用いてプレス成形の解析を行なえば、解析時
間を抑えつつ金型のたわみを考慮することができるか
ら、金型全体を剛体のシェル要素で作成したものに比し
て解析精度をより向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレス成形解析方
法に関し、詳しくは、金型により被成形材料をプレス成
形する際に生じる現象をコンピュータ上で有限要素法に
より解析するプレス成形解析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金型（例えば、ポンチやダイス
等）を介して被成形材料を加圧することにより被成形材
料を所望の形状に加工するプレス成形を解析する方法と
しては、金型および被成形材料のモデルを作成し、有限
要素法によりコンピュータ上でシミュレーションを行な
うものがある。かかるシミュレーションでは、シミュレ
ーションに要する時間を少なくするため金型を剛体と仮
定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金型を
剛体と仮定してシミュレーションを行なう従来のプレス
成形解析方法では、シミュレーションの結果と実際に生
じる現象とにずれが生じる場合がある。即ち、実際には
金型は剛体でなく、プレスが行なわれる過程で変形（た
わみ）が生じるため、例えば、複雑な形状からなる自動
車部品を成形する際のスプリングバック量の解析などの
高いシミュレーション精度が要求される場合には、十分
な解析結果が得られない場合がある。これを解決する方
法としては、例えば、金型を弾性体、即ち金型（ダイス
やポンチなど）の各部位に対応する各要素を弾性体のソ
リッド要素により構成して動的陽解法有限要素法により
シミュレーションを行なうことが考えられる。この動的
陽解法有限要素法による解析では、被成形材料の成形開
始から終了までの時間を数万ステップに区切って計算が
行なわれる。このとき、１ステップの時間増分を大きく
とると総ステップ数を少なくすることができるため、繰
り返しの計算回数が減少してシミュレーション時間を少
なくすることができる。この１ステップの時間増分を大
きくとるには、金型の要素（メッシュ）を大きくする必
要があるが、シミュレーションの精度を向上させるため
には、プレス成形中に被成形材料が流入するポンチやダ
イスの肩部のように解析精度が要求される部分で要素を
小さくとらなければならない。したがって、シミュレー
ション精度を向上させるためにポンチ肩やダイス肩など
の部位を含めた金型全体の要素を弾性体のソリッド要素
により構成すると、ポンチ肩やダイス肩などに相当する
部位の要素を小さく形成することになるから、シミュレ
ーションに要する時間が膨大なものとなってしまう。

【０００４】本発明のプレス成形解析方法は、解析に要
する時間を抑えつつ解析精度を向上させることを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明のプレス成形解析方法は、上述の目的を達成するた
めに以下の手段を採った。

【０００６】本発明のプレス成形解析方法は、金型によ
り被成形材料をプレス成形する際に生じる現象をコンピ
ュータ上で有限要素法により解析するプレス成形解析方
法において、前記金型の各部位に対応する要素は、該金
型の所定曲率半径以下の所定のＲ部に対応する部位では
剛体要素により形成されると共に前記Ｒ部以外の部位で
は弾性体要素により形成されたことを特徴とする。

【０００７】この本発明のプレス成形解析方法では、金
型の各部位に対応する要素を、所定曲率半径以下の所定
のＲ部に対応する部位では剛体要素により形成し、Ｒ部
以外の部位では弾性体要素により形成するから、金型を
剛体と仮定してプレス成形の解析を行なうのに比して解
析精度を向上させることができると共に解析に要する時
間の増加を抑制することができる。

【０００８】こうした本発明のプレス成形解析方法にお
いて、前記剛体要素により形成された金型の要素は、前
記Ｒ部の円周に連続して形成されたシェル要素群とこれ
に隣接するシェル要素群との間を相対的に移動自在に形
成されたものとすることが好適である。こうすれば、Ｒ
部の円周に連続して形成されたシェル要素群とこれに隣
接するシェル要素群との相対的な移動の自由度を確保す
ることができる。この結果、プレス成形の解析精度をよ
り向上させることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１はブランク材２０を成形する
金型の断面を例示する断面図である。図１において金型
は、凹型のダイ２２と凸型のポンチ２４とブランクホル
ダ２６とから構成され、ダイ２２およびブランクホルダ
２６による被成形材料としてのブランク材２０を狭持す
る面には、絞り成形の際にブランク材２０に張力を付与
する凹凸形状の絞りビード部（図１中Ｃ位置）が形成さ
れている。以下に、図２を参照しながら、こうした金型
により被成形材料を成形する際に生じる現象をコンピュ
ータ上でシミュレーションを行なうときの処理手順を、
このシミュレーションに用いられる金型モデルの作成処
理の手順を中心に説明する。

【００１０】図２は、プレス成形の処理の一例を示すフ
ローチャートである。まず、予めＣＡＤシステムにより
作成された製品形状（例えば、自動車のパネルの形状）
のデータ（３次元のワイヤーフレームによるＣＡＤデー
タ）から作成される金型の３次元形状データを入力、即
ち、金型のダイフェースに関するデータおよび型構造に
関するデータを入力する（ステップＳ１００）。このダ
イフェースに関するデータは、製品形状部分と余肉部
分、皺押さえ部分、絞りビード部などの金型の表面形状
に関するデータであり、３次元のワイヤーフレームと一
部の面（フィレット面など）とにより形成されるデータ
である。また、型構造に関するデータは、ダイフェース
に関するデータ以外の型の強度や剛性に関するデータで
ある。そして、入力されたダイフェースに関するデータ
と型構造に関するデータとから金型のソリッドモデルを
生成する（ステップＳ１０２）。

【００１１】つぎに、金型のソリッドモデルにメッシュ
（要素）を生成するが、このとき、金型のＲ部を判別す
る処理を実行する（ステップＳ１０４）。このＲ部は、
金型を構成する各部位のうちで所定の曲率半径以下で形
成された所定の部位、即ち、シミュレーションの解析精
度が必要な部位（メッシュが細かくなる部位）である。
実施例では、図１に示すダイ肩（Ａ位置）やポンチ肩
（Ｂ位置）、絞りビード部（Ｃ位置）などがＲ部に相当
する。これらの部位は、プレス成形中に被成形材料が流
入する部位である。プレス成形シミュレーションの精度
を向上させるためには、被成形材料の流入方向に亘って
メッシュを細かくする必要があるから、この部位のメッ
シュを後述する弾性体のソリッド要素により形成する
と、シミュレーションに要する時間が膨大となるためで
ある。このＲ部の判別は、金型の所定曲率半径以下のＲ
部を自動的に判別するものとしてもよいし、オペレータ
により入力されたＲ部に関するデータを用いて判別する
ものとしても構わない。こうしてＲ部が判別されると、
金型のＲ部以外の部位に対応するメッシュ（要素）を弾
性体のソリッド要素により形成し（ステップＳ１０
６）、金型のＲ部に対応する部位のメッシュを剛体のシ
ェル要素により形成する（ステップＳ１０８）。即ち、
金型メッシュを構成する節点のうち、弾性体のソリッド
要素を構成する節点は相対的に変位可能に構成し、剛体
のシェル要素を構成する節点は相対的に変位不可能に構
成するのである。なお、弾性体のソリッド要素と剛体の
シェル要素とを接続する節点は、剛体要素に引きずられ
て相対的に変位不可能となる。図３は、金型メッシュの
生成例を示す図である。図３において、金型の各要素
を、ハッチングした部位（Ｒ部）では剛体のシェル要素
として形成し、ハッチングしていない部位（Ｒ部以外の
部位）では、弾性体のソリッド要素として形成してい
る。金型のソリッドモデルに要素（メッシュ）が生成さ
れると、オペレータが必要に応じて入力された修正デー
タに基づいてソリッド要素とシェル要素との接続部位の
修正が行なわれる（ステップＳ１１０）。そして、Ｒ部
の円周に連続して形成された剛体のシェル要素群とこれ
に隣接するシェル要素群との間の接点（図３中Ｘ位置の
節点）を２重節点化する（ステップＳ１１２）。これ
は、隣接するシェル要素群が相対的に移動自在となるよ
うに節点を形成する処理であり、実施例では、図３に示
すように隣接するシェル要素群間の各節点を互い独立し
た（一方の節点の変位が他方の節点に影響を受けない）
２つの節点により形成したものである。即ち、Ｒ部の円
周に連続して形成された１つの剛体のシェル要素群を構
成するすべての節点は、相対的に変位不可能に形成され
るが、この剛体のシェル要素群に隣接するシェル要素群
を構成する節点との間では、相対的に変位可能（互いに
独立）とするのである。これにより、Ｒ部の円周に連続
して形成されたシェル要素群とこれに隣接するシェル要
素群との相対的な移動の自由度を確保できる。

【００１２】こうして、金型の３次元のソリッドモデル
にメッシュが生成されて金型モデルが作成されると、こ
の金型モデルと入力された被成形材料に関するデータや
プレス条件に関するデータなどに基づいてプレス成形の
シミュレーションを行なう（ステップＳ１１４）。この
シミュレーションでは、有限要素法動的陽解法により行
なう。なお、この動的陽解法によるシミュレーションの
方法は、周知の技術であるから、説明は省略する。この
シミュレーションによる被成形材料モデルの成形の過程
での金型モデルの変形（たわみ）の様子を図４に示す。

【００１３】以上説明した実施例のプレス成形解析方法
によれば、金型の各部位に対応するメッシュを、金型の
ダイ肩、ポンチ肩、絞りビード部などのＲ部以外に対応
する部位では弾性体のソリッド要素として形成し、Ｒ部
に対応する部位では剛体のシェル要素として形成した金
型モデルを用いてプレス成形のシミュレーションを行な
うから、シミュレーションに要する時間が増加するのを
抑制しつつ金型のたわみを考慮することができ、シミュ
レーション精度をより向上させることができる。しか
も、Ｒ部の円周に連続して形成されたシェル要素群とこ
れに隣接するシェル要素群との間の節点を二重節点（一
方の節点の変位が他方の節点に影響を与えない２つの節
点）として隣接するシェル要素群間を相対的に移動自在
に形成したから、Ｒ部の円周に連続して形成されたシェ
ル要素群とこれに隣接するシェル要素群との相対的な移
動の自由度を確保することができる。この結果、金型モ
デルのたわみをより実際のものと近づけることができ、
プレス成形の解析精度をより向上させることができる。

【００１４】実施例のプレス成形解析方法では、Ｒ部の
円周に連続して形成されたシェル要素群とこれに隣接す
るシェル要素群との間を相対的に移動自在に節点を形成
するものとしたが、移動自在にしないものであっても構
わない。

【００１５】また、実施例のプレス成形解析方法では、
Ｒ部の円周に連続して形成されたシェル要素群とこれに
隣接するシェル要素群との間の節点を二重節点とした
が、隣接するシェル要素群の間をなす部位に所定の方向
（例えば、Ｒ部の円周に直交する方向）にのみ移動可能
な専用要素を設けるものとしても構わない。このときの
金型のＲ部分に対応する部位に形成されたシェル要素の
例を図５に示す。図５において、専用要素は、プレス成
形のシミュレーション過程で金型モデルと被成形材料モ
デルとの接触している際、弾性体のソリッド要素を構成
する節点の変化に応じてＲ部の円周に直交する方向にの
み相対的に移動可能な節点により構成された要素であ
り、他方向の変位に対しては剛体要素として扱われるも
のである。

【００１６】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明のこうした実施例に何ら限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ブランク材を成形する金型の断面を例示する
断面図である。

【図２】 プレス成形の処理の一例を示すフローチャー
トである。

【図３】 金型メッシュの生成例を示す図である。

【図４】 シミュレーションにより金型モデルが変形す
る様子を示す説明図である。

【図５】 金型のＲ部に対応する部位におけるメッシュ
生成の他の例を示す図である。

【符号の説明】

２０ ブランク材、２２ ダイ、２４ ポンチ、２６
ブランクホルダ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金型により被成形材料をプレス成形する
   際に生じる現象をコンピュータ上で有限要素法により解
   析するプレス成形解析方法において、 前記金型の各部位に対応する要素は、該金型の所定曲率
   半径以下のＲ部に対応する部位では剛体要素により形成
   されると共に前記Ｒ部以外の部位では弾性体要素により
   形成されることを特徴とするプレス成形解析方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプレス成形解析方法であ
   って、 前記剛体要素により形成された金型の要素は、前記Ｒ部
   の円周に連続して形成された剛体要素群とこれに隣接す
   る剛体要素群との間で相対的に移動自在に形成されたこ
   とを特徴とするプレス成形解析方法。