JP2002297670A - 鉄鋼製品の設計方法及び設計システム - Google Patents
鉄鋼製品の設計方法及び設計システムInfo
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Abstract
鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行う方法及び
設計システムを提供する。 【解決手段】 本発明の鉄鋼製品の設計方法は、使用
する材料パラメータをあらかじめ記録するステップと、
少なくとも前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記録
するステップと、前記鉄鋼製品の成形性、剛性、強度を
評価するステップと、前記成形性、剛性、強度の少なく
ともいずれか1つの評価が要求仕様を満足しない場合に
は、前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少なくとも
いずれか1つの修正を行うステップと、前記成形性、剛
性、強度を再評価するステップとを含むものである。
Description
omputer Aided Design)システムやCAE(Computer Aid
ed Engineering) システムなど、コンピュータを利用し
て自動車用部品などの鉄鋼製品の設計を行う方法及び設
計システムに関する。
部品などの鉄鋼製品の設計技術は著しく進展しており、
コンピュータ上で設計した部品が実際にプレスなどの成
形加工ができるか、必要な剛性や強度を有しているかに
ついて、実際に部品を試作して試験しなくても評価でき
るFEM(Finite Element Method)などのソフトウェア
が開発されている。
開示された薄鋼板を用いたバンパー補強材は、上記のよ
うなCADやFEMを用いて設計された自動車用部品で
ある。
ソフトウェアは、成形性、剛性、強度それぞれの単独の
解析用として開発されており、また、CADによる設計
に入る前に材料規格を固定しており、材料規格自体を見
直すことを念頭においていないので、最適化する変更代
が自ずと制限されており、鉄鋼製品の最適設計を実現す
るうえで以下のような問題点があった。
価に用いる材料パラメータがそれぞれ異なっており、各
評価間における整合性が必ずしも取れていないため、成
形性、剛性、強度を総合した最適な鉄鋼製品の設計が実
現できなかった。
に評価するため、剛性や強度で最適な設計値が出たとし
ても結果的に成形性が仕様を満足しない場合には、CA
Dのデータ入力からやり直すという煩雑かつ長時間を要
するワークが発生するばかりか、剛性や強度の解析が無
駄になってしまうという事態が発生していた。
厚減少や加工硬化など実際の部品では避けて通れない現
象を考慮していなかったため、評価精度が低かった。
定したデータとして取り扱っているため、材料の開発に
より解決できる課題を見落とす可能性が大きかった。
点を解決し、コンピュータを利用して自動車用部品など
の鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行う方法及
び設計システムを提供することを目的とする。
発明は、コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計を行う
方法において、使用する材料パラメータをあらかじめ記
録するステップと、少なくとも前記鉄鋼製品の材料規
格、板厚、形状を記録するステップと、前記鉄鋼製品の
成形性、剛性、強度を評価するステップと、前記成形
性、剛性、強度の少なくともいずれか1つの評価が要求
仕様を満足しない場合には、前記鉄鋼製品の材料規格、
板厚、形状の少なくともいずれか1つの修正を行うステ
ップと、前記成形性、剛性、強度を再評価するステップ
とを含むことを特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
製品の材料規格、板厚、形状の少なくともいずれか1つ
の修正によっても、成形性、剛性、強度のいずれかの評
価が要求仕様を満足しない場合には、使用する材料パラ
メータの追加または修正を行うステップを更に含むこと
を特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
て、成形性の評価には伸びが規格許容範囲の下限に一致
する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを、強
度の評価には降伏強度もしくは引張強度が規格許容範囲
の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラ
メータをそれぞれ用いることを特徴とする鉄鋼製品の設
計方法である。
て、材料パラメータに焼付硬化の情報を含むことを特徴
とする鉄鋼製品の設計方法である。
鋼製品の設計を行う方法において、鉄鋼製品毎の材料規
格を含む物理的規格を設定する第1のステップと、前記
鉄鋼製品の成形性を評価する第2のステップと、前記鉄
鋼製品の剛性を評価する第3のステップと、前記鉄鋼製
品の強度を評価する第4のステップとを含み、前記第1
〜第4のステップを一連の工程として連続して実行し、
前記第2〜第4のステップのうち、少なくともいずれか
1つの評価が要求仕様を満足しない場合には、前記第1
のステップで前記物理的規格の少なくともいずれか1つ
の修正を行った後、前記第2〜第4のステップを再度実
行することを特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
の前記第2〜第4のステップの実行によっても、前記要
求仕様を満足しない場合には、前記第1のステップを再
度実行し、使用する材料パラメータの追加または修正を
行うことを特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
鋼製品の設計を行う設計システムにおいて、使用する材
料パラメータをあらかじめ記録しておき、少なくとも前
記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記録し、前記鉄鋼
製品の成形性、剛性、強度を評価し、前記成形性、剛
性、強度の少なくともいずれか1つの評価が要求仕様を
満足しない場合には、前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、
形状の少なくともいずれか1つの修正を行って、前記成
形性、剛性、強度を再評価することを特徴とする鉄鋼製
品の設計システムである。
製品の材料規格、板厚、形状の少なくともいずれか1つ
の修正によっても、成形性、剛性、強度のいずれかの評
価が要求仕様を満足しない場合には、使用する材料パラ
メータの追加または修正を行うことを特徴とする鉄鋼製
品の設計システムである。
て、成形性の評価には伸びが規格許容範囲の下限に一致
する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを、強
度の評価には降伏強度もしくは引張強度が規格許容範囲
の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラ
メータをそれぞれ用いることを特徴とする鉄鋼製品の設
計システムである。
て、材料パラメータに焼付硬化の情報を含むことを特徴
とする鉄鋼製品の設計システムである。
鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに
実行させるためのプログラムを記録したことを特徴とす
るコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに
実行させるためのプログラムである。
ンピュータを利用して自動車用部品などの鉄鋼製品の設
計を正確・的確かつ効率良く行う方法を提供することを
目的とする。
る。
明によると、使用する材料パラメータをあらかじめ記録
するので、成形性、剛性、強度を共通の材料パラメータ
を用いて評価できるため、各評価間の整合性を確実に取
ることができる。
厚、形状を記録するので、成形性、剛性、強度の評価の
対象とする鉄鋼製品をコンピュータ上で特定することに
より、各評価対象の同一性を確保することができる。
などの成形加工を加えた製品をいい、製品の一部に樹脂
やアルミを含んでもよい。例えば自動車用の部品などが
これに該当する。
めた鉄鋼製品の規格番号をいう。板厚とは、鉄鋼製品に
使用される材料の厚みをいう。また、形状とは、寸法に
より特定される鉄鋼製品の形をいう。更に、成形性と
は、鉄鋼製品を製造する過程で加えられる成形加工時に
割れなどの欠陥が発生しない性質をいう。更に、剛性と
は、曲げ、ねじれ、振動などによる弾性変形に耐えられ
る性質をいう。更に、強度とは、衝撃荷重などによる塑
性変形を受けたときの吸収エネルギーや変形量等をい
う。
が要求仕様を満足しない場合には、前記鉄鋼製品の形
状、板厚、材料のいずれか1以上の修正を行なったうえ
で、成形性、剛性、強度を再評価するので、鉄鋼製品の
最適設計を実現できる。
製品の材料規格、板厚、形状のいずれか1以上の修正に
よっても成形性、剛性、強度のいずれかの評価が要求仕
様を満足しない場合には、使用する材料パラメータの追
加・修正を行うので、材料に対する新たな要求仕様を満
足する材料特性を設定することができるので、新たな材
料開発への展開を実現することができる。
価には伸びが規格許容範囲の下限に一致する材料の応力
−歪み関係から求めたパラメータを用いるため、加工成
形時の破断が生じにくい安全サイドの設計を簡便に行う
ことができる。
張強度が規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪
み関係から求めたパラメータを用いるため、実際に鉄鋼
製品を製造した場合に強度不足が生じない安全サイドの
設計を簡便に行うことができる。
メータに焼付硬化の情報を含むので、成形性の評価には
焼付塗装前の降伏強度もしくは引張強度を用い、剛性や
強度の評価には、焼付硬化後の降伏強度もしくは引張強
度を用いることができるので、自動車用部品などにおい
て焼付塗装が施される場合の剛性や強度の評価をさらに
正確に行うことができる。ここに、焼付硬化とは、焼付
塗装時の入熱による材料の強度上昇をいう。
施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
て、本実施形態の鉄鋼製品の設計方法及びその設計シス
テムを説明する。自動車部品を設計するに当たり、まず
当該自動車の形・構造を設定した後(ステップS1)、
部品毎の材料規格・板厚を設定する(ステップS2)。
以下の表1に材料規格の例を示す。
設定し(ステップS3)、図3のような3次元の部品形
状をコンピュータ上に記録する。
かどうか評価するために、金型CADにて金型を設計し
(ステップS4,S5)、目的に応じてソフトを選択し
てコンピュータ上に記録する(ステップS6)。
ering)により成形性の評価を行う。
ている材料パラメータとして、応力−歪と3方向のr値
のデータを取り込み(ステップS7)、板厚・歪み・応
力を計算する(ステップS8)。従来は、成形性の評価
を行う際にこれらのデータを入力していたが、あらかじ
め登録されている材料パラメータを用いることにより、
剛性・強度の評価に用いる材料パラメータとの整合性を
確実に確保することができる。
図4のように、成形加工された自動車用部品の板厚分布
がどのように変化するかシミュレーションが可能とな
り、割れ、しわなどの欠陥や、スプリングバックなどの
形状不良を発生せしめることなく成形することができる
かどうか評価できる。
値)、歪モード(横歪,縦歪)に基づき(ステップS
9)、成形性の評価(ステップS10)の結果、割れな
どが発生する場合には、材料・金型・プレス条件・部品
形状を変更して、再度、成形性の評価を行い、それでも
割れなどの不具合がなくならなければ、材料規格・板厚
を変更して、再評価を実施する(ステップS12)。
割れなどの不具合が生じなかった場合には、成形後の板
厚・歪み・応力を出力する(ステップS11)ことによ
り、成形CAEの処理を完了して、剛性CAEに移る。
し、鉄鋼製品を製造した場合を想定する。材料の板厚は
プレス成形により例えば場所によっては0.5mmに減肉す
ることもあれば、逆に0.9mmに増肉することもあるだろ
う。また、このとき、材料に塑性歪みが導入され、加工
硬化が生じた結果、場所によっては降伏強度が20%程
度増加することもあり得る。このような板厚や降伏応力
の変化は鉄鋼製品の剛性や強度に影響を及ぼすため、設
計時に考慮しておく必要がある。成形シミュレーション
後の板厚や歪みなどの材料状態を次の剛性CAEまたは
強度CAEの入力データに引き継ぐことで、これらの影
響を考慮したシミュレーションを実行することができ
る。
比べて計算時間が短時間で済むので、後段の解析により
計算し直しの事態を考慮して剛性CAEを先に実行す
る。
らかじめ登録されている材料パラメータの中から、密度
・板厚・ヤング率のデータを取り込む(ステップS1
3)。従来は、板厚はCADで使用した板厚を入力して
いたが、本発明においては、成形加工により減厚された
板厚データを取り込むことにより、成形加工による減厚
や加工硬化を剛性・強度の評価に反映させることができ
る。
・ねじれ・振動などの弾性変形のシミュレーションを行
い(ステップS14)、要求仕様を満足する剛性が得ら
れるかどうか評価し(ステップS15)、不満足の場合
には、板厚・溶接方法・補強材などを変更し、再度、剛
性の評価を実施する(ステップS16)。具体的には、
自動車の車体の長手方向の位置における捻れ角や撓みな
どの変形量を計算し、各部材の入力荷重に対する変形量
や振動モードが許容範囲内かどうかを検証し、許容範囲
内であれば、次に強度CAEを実施する。
けるねじれ角の変化を図5に示す。また、自動車のセン
タースプリング部の後方において水平・垂直方向に車体
を固定しつつ、ショックタワーフロントに1000Nの
負荷を加えたときの車体の変形した様子を図6に示す。
を満足する剛性が得られない場合には、材料規格・板厚
を変更して、再度、成形性・剛性の評価を行う。
は、剛性CAEの処理を終了する。
ず成形性の評価結果を装置ごとの板厚や歪みの分布を有
する入力データに変換し(ステップS17)、あらかじ
め登録されている材料DBの材料パラメータの中から、
板厚・密度・弾性係数・応力−歪のデータを取り込む
(ステップS18)。塗装焼付けによる強度上昇も考慮
し、それに対応する応力−歪み関係のデータも取り込
む。
部品の吸収エネルギーや客室側への塑性変形量、加速
度、時々刻々の塑性変形量のシミュレーションを実施す
る(ステップS19)。具体的には、自動車用部品を組
み立てた状態で、衝突の際に例えば、運転者に与える加
速度が許容範囲内かの検討、及び、運転席(客室)のス
ペースの変形が許容範囲内かなどの検討を行う(ステッ
プS20)。
吸収エネルギーを図7に、客室側への塑性変形量(各部
位の変形量を相対値で表示する。)を図8に、加速度の
時間変化を図9にそれぞれ示す。また、強度CAEの評
価の例として、自動車が衝突した場合の時々刻々の変形
過程を図10に示す。
荷重を求めることもできる。
度が得られなければ、部品の構造や板厚を変更して再
度、成形性・剛性・強度の評価を行い、それでも要求仕
様を満足しなければ材料規格・板厚を変更してCADデ
ータ入力からやり直す(ステップS21)。
強度が得られた場合には、強度CAEの処理を完了す
る。
場合であっても、例えば使用材料規格を見直すことによ
り、材料車体全体の重量が軽くなる方向、全体のコスト
が安くなる方向に最適値を探索することができる。
し、次に、剛性CAE、強度CAEを行い、このサイク
ルを何回か繰り返し最適な材料、及び設計値を求めるも
のである。
り、あったとしても紙の資料だったので、詳細な解析が
できず、作業が煩雑になり、最適値を求めるのに長時間
を要したのに対し、本発明の方法では、各CAEに共通
で使用可能な材料パラメータを収納した材料DBを電子
データとして保有するために、各解析をどの順番でも実
施でき、また、何度でも繰り返し検討ができるので、各
部品について最適鋼材の割り当てが可能であり、また、
途中、人間が介入することも必要なく、最適値を得るこ
とができる。
例で詳細説明したが、同様に多数の部品が組み合わせら
れて一つの製品を構成するものなら如何なるものにでも
適用可能である。
の設計方法は、コンピュータのRAMやROMなどに記
憶されたプログラムが動作することによって実現でき
る。このプログラム及び当該プログラムを記録したコン
ピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明の実施形態に
含まれる。
−ROMのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒
体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラム
を記録する記録媒体としては、CD−ROM以外に、フ
ロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、磁気
テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用
いることができる。他方、上記プログラムの伝送媒体と
しては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給
するためのコンピュータネットワーク(LAN、インタ
ーネットの等のWAN、無線通信ネットワーク等)シス
テムにおける通信媒体(光ファイバ等の有線回線や無線
回線等)を用いることができる。
ムを実行することにより上述の実施形態の機能が実現さ
れるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおい
て稼働しているOS(オペレーティングシステム)ある
いは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実
施形態の機能が実現される場合や、供給されたプログラ
ムの処理の全てあるいは一部がコンピュータの機能拡張
ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形
態の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発
明の実施形態に含まれる。
ステムによれば、コンピュータを利用して自動車用部品
などの鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行うこ
とが実現でき、具体的には、以下の効果を奏する。
通の材料パラメータを用いるので、各評価間における整
合性が確実に取れ、成形性、剛性、強度を総合した最適
な鉄鋼製品の設計が実現できる。
ずれかで要求仕様を満足しない場合は、材料規格、板
厚、形状のいずれかを修正するため、CADのデータ入
力をやり直す必要がなく、個々の解析が無駄にはならな
い。
め、成形による板厚減少や加工硬化など実際の部品では
避けて通れない現象を含めて評価することができる。
り、新たな材料開発への展開を図ることができる。
のユーザが、自己完結的に、軽量化、及びコスト低減を
究極的に突き詰めることができ、また鉄鋼メーカーとし
ても開発した新材料の即時提供が可能となり、メーカー
と需要家が互いに大きなメリットを享受できる。
図である。
図である。
特性図である。
水平・垂直方向に車体を固定しつつ、ショックタワーフ
ロントに1000Nの負荷を加えた様子を示す模式図で
ある。
ーを示す特性図である。
式図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計
を行う方法において、 使用する材料パラメータをあらかじめ記録するステップ
と、 少なくとも前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記録
するステップと、 前記鉄鋼製品の成形性、剛性、強度を評価するステップ
と、 前記成形性、剛性、強度の少なくともいずれか1つの評
価が要求仕様を満足しない場合には、 前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少なくともいず
れか1つの修正を行うステップと、 前記成形性、剛性、強度を再評価するステップとを含む
ことを特徴とする鉄鋼製品の設計方法。 - 【請求項2】 鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少な
くともいずれか1つの修正によっても、成形性、剛性、
強度のいずれかの評価が要求仕様を満足しない場合に
は、 使用する材料パラメータの追加または修正を行うステッ
プを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の鉄鋼製
品の設計方法。 - 【請求項3】 成形性の評価には伸びが規格許容範囲の
下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメ
ータを、強度の評価には降伏強度もしくは引張強度が規
格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から
求めたパラメータをそれぞれ用いることを特徴とする請
求項1又は2に記載の鉄鋼製品の設計方法。 - 【請求項4】 材料パラメータに焼付硬化の情報を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の
鉄鋼製品の設計方法。 - 【請求項5】 コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計
を行う方法において、 鉄鋼製品毎の材料規格を含む物理的規格を設定する第1
のステップと、 前記鉄鋼製品の成形性を評価する第2のステップと、 前記鉄鋼製品の剛性を評価する第3のステップと、 前記鉄鋼製品の強度を評価する第4のステップとを含
み、 前記第1〜第4のステップを一連の工程として連続して
実行し、前記第2〜第4のステップのうち、少なくとも
いずれか1つの評価が要求仕様を満足しない場合には、
前記第1のステップで前記物理的規格の少なくともいず
れか1つの修正を行った後、前記第2〜第4のステップ
を再度実行することを特徴とする鉄鋼製品の設計方法。 - 【請求項6】 再度の前記第2〜第4のステップの実行
によっても、前記要求仕様を満足しない場合には、 前記第1のステップを再度実行し、使用する材料パラメ
ータの追加または修正を行うことを特徴とする請求項5
に記載の鉄鋼製品の設計方法。 - 【請求項7】 コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計
を行う設計システムにおいて、 使用する材料パラメータをあらかじめ記録しておき、少
なくとも前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記録
し、前記鉄鋼製品の成形性、剛性、強度を評価し、前記
成形性、剛性、強度の少なくともいずれか1つの評価が
要求仕様を満足しない場合には、前記鉄鋼製品の材料規
格、板厚、形状の少なくともいずれか1つの修正を行っ
て、前記成形性、剛性、強度を再評価することを特徴と
する鉄鋼製品の設計システム。 - 【請求項8】 鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少な
くともいずれか1つの修正によっても、成形性、剛性、
強度のいずれかの評価が要求仕様を満足しない場合に
は、 使用する材料パラメータの追加または修正を行うことを
特徴とする請求項7に記載の鉄鋼製品の設計システム。 - 【請求項9】 成形性の評価には伸びが規格許容範囲の
下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメ
ータを、強度の評価には降伏強度もしくは引張強度が規
格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から
求めたパラメータをそれぞれ用いることを特徴とする請
求項7又は8に記載の鉄鋼製品の設計システム。 - 【請求項10】 材料パラメータに焼付硬化の情報を含
むことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載
の鉄鋼製品の設計システム。 - 【請求項11】 請求項1〜4に記載の鉄鋼製品の設計
方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるため
のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ
読み取り可能な記録媒体。 - 【請求項12】 請求項1〜4に記載の鉄鋼製品の設計
方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるため
のプログラム。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001098844A JP4733850B2 (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 鉄鋼製品の設計方法、記録媒体及びプログラム |
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Publication Number | Publication Date |
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