JP2005177837A

JP2005177837A - 成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法及びその装置

Info

Publication number: JP2005177837A
Application number: JP2003424638A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Fujii; 和慶藤井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP4415668B2

Abstract

【課題】板材を塑性変形させたときその板材にどの程度の面形状歪みが生じるのかを正確に演算する。
【解決手段】設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工し任意の加工時点における被成形品の応力分布を演算し(S11〜S14)、演算された応力分布に基づいて被成形品の幅縮み量を演算し(S15)、演算された幅縮み量に基づいて被成形品各部の面形状歪み量を演算し、判定結果を表示する(S16〜S20)。
【選択図】図２

Description

本発明は、成形加工シミュレーションにより板材を塑性変形させたとき、その板材にどの程度の面形状歪みが生じるかを正確に演算するための成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法及びその装置に関する。

従来、鍛造、圧延、プレス成形など、材料の塑性変形を伴う成形加工では、的確な素材形状、金型形状、加工条件の選定が要求される。この要求に短期間で効率的かつ安価に応えるために、有限要素法(ＦＥＭ)による数値シミュレーションが用いられる。数値シミュレーションの結果に基づいて、素材形状、金型形状、加工条件を設定すれば、実際の加工を行ったときに、所望の品質を備えた製品が得られる。

例えば、下記特許文献１では、金属板の成形過程を有限要素法で解析してひずみ分布及び応力分布を求め、これらの分布から加工不良の発生の有無や加工不良の発生場所を視覚的に判定し、この判定結果から最適な加工条件が設定できるようにしている。
特開平８−３３９３９６号公報

しかしながら、このような従来の手法では、加工不良として、破断が生じる危険性、しわが生じる危険性を視覚的に把握することはできるが、ひずみの小さな面形状不良(しわ、面ひずみ)は判断することはできないし、ましてやどの程度の面形状歪みが生じるのかを予測することもできない。

本発明は、このような従来の手法の問題点を解消するために成されたものであり、成形加工シミュレーションを用いて板材を塑性変形させたとき、その板材にどの程度の面形状歪みが生じるのかを正確に演算することができる成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法及びその装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法は、設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工し任意の加工時点における前記被成形品の応力分布を演算する段階と、演算された応力分布に基づいて前記被成形品の幅縮み量を演算する段階と、演算された幅縮み量に基づいて前記被成形品各部の面形状歪み量を演算する段階と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置は、成形加工条件を設定する設定手段と、設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工する加工手段と、任意の加工時点における前記被成形品の応力分布を演算する応力分布演算手段と、演算された応力分布を記憶する応力分布記憶手段と、記憶されている応力分布に基づいて前記被成形品の幅縮み量を演算する幅縮み量演算手段と、演算された幅歪み量から前記被成形品各部の面形状歪み量を演算する面形状歪み量演算手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法およびその装置によれば、被成形品を擬似的に加工したときの任意の加工時点における応力分布から直接被成形品各部の面形状歪み量が演算できるようにしたので、成形加工シミュレーションを用いて板材を塑性変形させたとき、その板材に面形状不良が生じるか否かを正確に判定することができ、さらにその板材にどの程度の面形状歪みが生じるのかを正確に予測することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる面形状歪み量演算方法及びその装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる面形状歪み量演算装置のブロック図、図２は、図１の面形状歪み量演算装置によって実行される面形状歪み量演算方法の手順を示すフローチャートである。

本発明にかかる面形状歪み量演算装置は、成形加工条件を入力して設定する設定手段としての加工条件入力部１０、設定された成形加工条件に従って被成形品を擬似的に加工する、すなわち、成形加工シミュレーションを実行する加工手段としての成形加工シミュレーション実行部１５、成形加工シミュレーションを実行したときに得られた成形品各部の応力分布を記憶する応力分布記憶手段としての応力分布記憶部２０、任意の加工時点における被成形品の応力分布を演算し、その応力分布を応力分布記憶部２０に出力するとともに、応力分布に基づいて被成形品の幅縮み量を演算し、演算された幅歪み量から被成形品各部の面形状歪み量を演算する、幅縮み量演算手段および面形状歪み量演算手段としての面形状歪み量演算部２５、面形状歪み量の演算対象領域を指定する領域指定部３０、面形状歪み量演算部２５による面形状不良の有無の判定結果を表示する表示手段としての判定結果表示部３５を備えている。

なお、面形状歪み量演算部２５は、幅縮み量と面形状歪み量との対応関係を示すテーブルを有し、このテーブルを参照することによって、演算された幅縮み量から被成形品各部の面形状歪み量を演算している。

面形状歪み量演算装置は、図２のフローチャートに示す手順で面形状歪み量の演算および面形状不良有無判定を行う。まず、操作者は加工条件入力部１０に成形加工条件を設定する。成形加工シミュレーション実行部１５は、シミュレーションプログラムを実行し設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工する。面形状歪み量演算部２５は、成形加工シミュレーション実行部１５によって加工される被成形品の任意の加工時点における応力分布を演算する。例えば、成形加工がプレス加工であれば、プレスの加工終了時（金型の下死点）における被成形品各部の応力分布を演算する。演算された応力分布は応力分布記憶部２０に記憶する(Ｓ１)。

面形状歪み量演算部２５は、応力分布記憶部２０に記憶されている応力分布を取り出し、その応力分布に基づいて被成形品の幅縮み量を演算する。なお、領域指定部３０で幅縮み量の演算対象領域が指定されているときには、面形状歪み量演算部２５は、指定されている演算対象領域に対して幅縮み量を演算する（Ｓ２）。

面形状歪み量演算部２５は、演算された幅縮み量が正であるのか負であるのかを判断し、幅縮み量が負であると判断された場合には被成形品に面形状不良があると判定する一方、幅縮み量が正であると判断された場合には被成形品には面形状不良がないと判定する（Ｓ３）。

面形状歪み量演算部２５は、幅縮み量が負であると判断された場合に幅縮み量に基づいて被成形品各部の面形状歪み量を演算する。面形状歪み量は、幅縮み量と面形状歪み量との対応関係を示すテーブルを参照することによって演算する（Ｓ４）。

面形状歪み量演算部２５は、面形状不良有と判定したときにはその旨を判定結果表示部３５に表示させ、一方、面形状不良無と判定したときにはその旨を判定結果表示部３５に表示させる(Ｓ５)。

本発明にかかる成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法及びその装置の概略の装置構成及び動作は以上のとおりである。次に、板材をプレス加工する場合の面形状歪み量演算装置の動作を、図３に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。

まず、操作者は加工条件入力部１０に成形加工条件を設定する。加工条件入力部１０はキーボードなどの入力端末装置でも良いし、成形加工条件を記憶しているデータベースでも良い。プレス加工の場合、設定される成形加工条件は、板材の材質、厚さ、大きさ、強度、応力−ひずみ特性、プレス速度、加圧力などである。加工条件入力部１０にキーボードなどの入力端末装置を用いる場合には、これらの成形加工条件を操作者が手入力する。また、加工条件入力部１０にデータベースを用いる場合には、これらの成形加工条件をそのデータベースに記憶させておく(Ｓ１１)。成形加工シミュレーション実行部１５は、これから擬似的な加工をしようとする板材の成形加工条件を加工条件入力部１０から入力する(Ｓ１２)。成形加工シミュレーション実行部１５は、プレスのシミュレーションプログラムを実行し入力した成形加工条件で板材を擬似的にプレスする。例えば、図４(Ａ)に示してあるような正方形の板材を、同図(Ｂ)に示すような形状にプレス加工する(Ｓ１３)。

面形状歪み量演算部２５は、成形加工シミュレーション実行部１５によってプレスされる板材において、金型が下死点に達したときの応力分布を演算する。応力分布は平面状の直交する２方向について求める。板材各部の１方向の応力はσ１として、また他方向の応力はσ２として求める。金型が下死点にあるときは板材に最大の応力がかかっており、プレスされた板材の形状は金型の形状に沿う形状であるので、下死点の応力分布は金型形状の修正をする場合のデータとしてはきわめて有用なものとなる。演算した応力分布は応力分布記憶部２０に記憶する。領域指定部３０で応力分布の演算対象領域が指定されているときには、面形状歪み量演算部２５は、指定されている演算対象領域に対して演算する。なお、成形加工シミュレーションにおいて演算する応力分布は従来から一般的に用いられている方法を用いているので、その方法の詳しい説明は省略する（Ｓ１４）。

面形状歪み量演算部２５は、応力分布記憶部２０に記憶されている応力分布σ１、σ２を取り出し、この応力分布から下死点の伸び分布変化率、すなわち幅縮み量Δε_２を求める。応力分布σ１、σ２から幅縮み量Δε_２を求めるためには、理論的な関係式、実験などから得られた経験式などを用いることができる。本実施の形態では、下記のような理論的な関係式を用いて幅縮み量Δε_２を算出した。

上記の各関係式から最終的に幅縮み量Δε_２を算出するためには、次のような手順で求める。

まず、σ１、σ２からαの値を求め、あらかじめ与えられているｒ値からＲの値を求める。次に、求められたαの値とＲの値とに基づいてβの値を演算する。さらに、Ｒの値、βの値、あらかじめ与えられているｎ値、ｕｅｌ値、ＴＳ値に基づいてＫ（β）の値を求め。そして、求められたＫ（β）の値、σ１、ｎ値に基づいてΔε_１の値を求め、求められたΔε_１の値とβの値とからΔε_２の値を求める（Ｓ１５）。

面形状歪み量演算部２５は、板材の各部（微小部分）について、求めた幅縮み量Δε_２が正であるか負であるかを判断する（Ｓ１６）。幅縮み量Δε_２が正であると判断されたときには（Ｓ１６：ＹＥＳ）、板材のその微小部分では歪みが時間の進行とともにその板材を引き伸ばす方向に生じてきたと考えられるので、正常なプレスが行われたことになり、面形状不良はないと判定する（Ｓ１７）。一方、幅縮み量Δε_２が負であると判断されたときには（Ｓ１６：ＮＯ）、板材のその微小部分では歪みが時間の進行とともにその板材を縮める方向に生じてきたと考えられるので、異常なプレスが行われたことになり、面形状不良があると判定する（Ｓ１８）。

面形状歪み量演算部２５は、面形状不良（しわや面ひずみなど）があると判定したときには、その面形状歪み量がどの程度あるかを演算する。この演算は次のようにして行う。面形状歪み量演算部２５は、自己が有している図５に示すような幅縮み量Δε_２と面形状歪み量Ｈとの対応関係を示すテーブルを参照し、求められた幅縮み量Δε_２に対応する面形状歪み量Ｈを求める。たとえば、図５に示すように、幅縮み量Δε_２の値がＡであったとした場合、このＡの値に対応するＨ_Ａがその面形状歪み量の値となる。したがって、幅縮み量Δε_２の値から面形状歪み量Ｈの値を定量的に求めることができる（Ｓ１９）。

面形状歪み量演算部２５は、面形状不良なしと判定したときにはその旨を判定結果表示部３５に表示させ、面形状不良（しわや面ひずみなど）があると判定したときには、その旨と面形状歪み量を判定結果表示部３５に表示させる（Ｓ２１）。この表示は、板材の微小部分ごとに分けて行われる。例えば、自動車の車体パネルをプレスするシミュレーションに対して本発明の方法を適用すると、判定結果表示部３５には、図６に示すように面形状不良発生の有無が面形状不良なしと判定された部分と面形状不良ありと判定された部分が色分けされた画像として表示され、そして面形状不良が発生している部分については図７のように面形状歪み量の程度に応じて色が異なる画像として表示される（Ｓ２０）。

以上、本発明にかかる成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法およびその装置によれば、成形加工シミュレーションを用いて板材を塑性変形させたとき、その板材に面形状不良が生じるか否かを正確に判定することができるのみならず、どの程度の面形状不良が発生しているのかを定量的に求めることができる。

また、応力分布の演算対象領域を指定した場合には、演算の対象領域が制限されるので、面形状不良有無および面形状不良の程度の判定の処理を高速化することができる。

さらに、判定結果を表示するようにした場合には、面形状不良が生じる恐れのある領域と面形状不良が生じることのない領域を一目瞭然に表示することができるので、金型製作に入る前に金型形状の変更が必要な部分および変更の程度を詳細に判断することができる。

板材を塑性変形させたときにその板材にどの程度の面形状歪みが生じるのかを正確に演算することができるので、成形加工シミュレーションにおいてプレス金型の形状を微調整する場合に有用である。

本発明にかかる面形状歪み量演算装置のブロック図である。図１の面形状歪み量演算装置によって実行される面形状歪み量演算方法の手順を示すフローチャートである。板材をプレス加工する場合の面形状歪み量演算装置の動作を示すフローチャートである。プレス成形の一例を示す図である。面形状歪み量Ｈと幅縮み量Δε_２との関係を示すテーブルの模式図である。面形状不良発生有無の表示例を示す図である。面形状歪み量の表示例を示す図である。

符号の説明

１０加工条件入力部、
１５成形加工シミュレーション実行部、
２０応力分布記憶部、
２５面形状歪み量演算部、
３０領域指定部、
３５判定結果表示部。

Claims

設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工し任意の加工時点における前記被成形品の応力分布を演算する段階と、
演算された応力分布に基づいて前記被成形品の幅縮み量を演算する段階と、
演算された幅縮み量に基づいて前記被成形品各部の面形状歪み量を演算する段階と、
を含むことを特徴とする成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法。
前記任意の加工時点は、前記被成形品の加工終了時であることを特徴とする請求項１に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法。
前記面形状歪み量は、前記幅縮み量と前記面形状歪み量との対応関係を示すテーブルを参照することによって演算することを特徴とする請求項１に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法。
前記面形状歪み量を演算する段階は、
演算された幅縮み量が正であるのか負であるのかを判断する段階と、
幅縮み量が負であると判断された場合に前記面形状歪み量を演算する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法。
前記幅縮み量が負であると判断された場合には前記被成形品に面形状不良があると判定する一方、前記幅縮み量が正であると判断された場合には前記被成形品に面形状不良がないと判定する段階と、
前記面形状不良の有無の判定結果を表示する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算方法。
成形加工条件を設定する設定手段と、
設定された成形加工条件で被成形品を擬似的に加工する加工手段と、
任意の加工時点における前記被成形品の応力分布を演算する応力分布演算手段と、
演算された応力分布を記憶する応力分布記憶手段と、
記憶されている応力分布に基づいて前記被成形品の幅縮み量を演算する幅縮み量演算手段と、
演算された幅歪み量から前記被成形品各部の面形状歪み量を演算する面形状歪み量演算手段と、
を有することを特徴とする成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置。
面形状歪み量演算手段は、
前記幅縮み量と前記面形状歪み量との対応関係を示すテーブルを有し、
当該テーブルを参照することによって前記演算された幅縮み量から前記被成形品各部の面形状歪み量を演算することを特徴とする請求項６に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置。
前記面形状歪み量演算手段は、
演算された幅縮み量が負である場合に前記面形状歪み量を演算することを特徴とする請求項６に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置。
前記面形状歪み量演算手段は、
演算された幅縮み量が負である場合に前記被成形品に面形状不良があると判定する一方、前記幅縮み量が正で場合に前記被成形品には面形状不良がないと判定する機能をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置。
前記面形状歪み量演算手段による面形状不良の有無の判定結果を表示する表示手段をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の成形加工シミュレーションにおける面形状歪み量演算装置。