JP2007093286A - Method for analyzing spot welding fracture - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法等に関する。 The present invention relates to a fracture analysis method for spot welded portions of three or more plates that are spot welded at a common spot.
従来から、2枚の板をあわせてスポット溶接構造を形成し、該スポット溶接構造に対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央のナゲット部の分担荷重、そのナゲット部を中心に描いた直径Dの円周上のたわみと放射方向の傾斜とを算出し、算出した分担荷重、円周上のたわみ及び放射方向の傾斜とに基づいて前記ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板曲げ理論を用いて求め、該公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測することを特徴とするスポット溶接構造の疲労寿命予測方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部は、例えば、各板を、シェル要素によりモデル化し、各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間を、梁要素を介してそれぞれ接続することでモデル化が可能である。かかる有限要素モデルでは、実質的に2枚の板同士をそれぞれ別々にスポット溶接したモデルとなる。即ち、例えば3枚打ちの場合、中央の板とその両側の板がそれぞれ別々にスポット溶接されたモデルとなる。 By the way, the spot welded portion of three or more plates that are spot-welded at a common spot is, for example, each plate is modeled by a shell element, and between the shell elements corresponding to the spot spot position of each plate, a beam Modeling is possible by connecting each via an element. Such a finite element model is a model in which two plates are substantially spot-welded separately. That is, for example, in the case of three sheets, a model in which the central plate and the plates on both sides thereof are spot-welded separately is obtained.
従って、かかる有限要素モデルを用いる場合には、2枚の板を1組として組毎に、従来からの2枚の板のスポット溶接に関する整合性が確立されている破断判定方法を利用することができる。 Therefore, in the case of using such a finite element model, it is possible to use a conventional fracture determination method in which consistency is established for spot welding of two plates as a set of two plates. it can.
しかしながら、かかる破断解析方法をそのまま利用する場合には、一の組のおける破断解析において他の組の梁要素の要素力が考慮されないことになるので、2つの組に属する中央の板(即ち、2つの板(内側と外側の板)と組をなす中央の板)におけるスポット溶接部の破断の可能性を、適切に解析・予測することができないという問題点がある。 However, when such a fracture analysis method is used as it is, the element force of the beam element of the other set is not considered in the fracture analysis of one set, so that the central plates belonging to the two sets (that is, There is a problem that the possibility of breakage of the spot welded portion in the two plates (the center plate that forms a pair with the inner and outer plates) cannot be analyzed and predicted appropriately.
そこで、本発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の板のスポット溶接部に対して高い精度で破断解析が可能となるスポット溶接部の破断解析方法、及び、それを実行するためのコンピューター読み取り可能なプログラム、並びに、スポット溶接破断解析装置の提供を目的とする。 Thus, the present invention provides a spot welded portion fracture analysis method capable of performing fracture analysis with high accuracy with respect to spot welded portions of three or more plates spot welded at a common spot, and to execute the same. An object of the present invention is to provide a computer-readable program and a spot welding fracture analysis device.
上記目的を達成するため、第1の発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法において、
各板が、それぞれの板に関する第1の板厚情報が付与されたシェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルを用いて、所定の入力荷重条件下で解析を実行する解析ステップと、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、前記第1の板厚情報に基づいて、前記第1の板厚情報とは異なる第2の板厚情報を生成するステップと、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、各組に係る前記第2の板厚情報と、前記解析ステップにより得られる解析結果とを用いて、予測するステップとを含み、
前記第2の板厚情報は、前記第1の板厚情報に対して、前記3枚以上の板のうちの中央の板(4枚以上の板の場合は、中央の2枚の板の少なくとも一方、以下同じ)の板厚が、該中央の板に隣接する他の組の板(複数でもよい、以下同じ)の板厚に応じて増加されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first invention is a fracture analysis method for spot welded portions of three or more sheets that are spot welded at a common spot,
Each plate is modeled by a shell element to which first plate thickness information about each plate is given, and between the shell elements corresponding to the spot hitting positions of each plate of the three or more plates, a beam element is interposed. An analysis step for performing an analysis under a predetermined input load condition using a finite element model connected to each other;
Based on the first plate thickness information, a combination of two plates adjacent to each other among the three or more plates is set as one set, and a second different from the first plate thickness information. Generating thickness information; and
Predicting, for each set, the possibility of spot welding fracture between two plates in each set using the second plate thickness information relating to each set and the analysis result obtained in the analysis step. Including
The second plate thickness information is a central plate of the three or more plates (in the case of four or more plates, at least of the two central plates) with respect to the first plate thickness information. On the other hand, the plate thickness of the same is hereinafter increased in accordance with the plate thickness of another set of plates (which may be plural, the same applies hereinafter) adjacent to the central plate.
第2の発明は、第1の発明に係るスポット溶接破断解析方法において、前記予測ステップでは、梁要素の要素力、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪、該シェル要素に係る板の板厚情報を少なくともパラメータとして、該シェル要素に係る板側の破断の可能性を表す指標値を出力する所与の破断関数が用いられ、
該破断関数には、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪、及び、該シェル要素に係る前記第2の板厚情報が、入力され
前記破断の可能性の予測は、各組において、それぞれ2つの板に係る前記破断関数の出力値に基づいて行われることを特徴とする。
According to a second invention, in the spot weld fracture analysis method according to the first invention, in the prediction step, the element force of the beam element, the distortion of the shell element connected to the beam element, and the plate related to the shell element A given breaking function that outputs an index value representing the possibility of breaking on the plate side of the shell element is used, with at least the plate thickness information as a parameter,
The breaking function is input with the element force of the beam element based on the analysis result, the strain of the shell element connected to the beam element, and the second plate thickness information related to the shell element. The prediction of the possibility of breakage is performed based on the output values of the breakage functions related to two plates in each set.
第3の発明は、第1又は2の発明に係るスポット溶接破断解析方法において、前記第2の板厚情報は、前記3枚以上の板のうちの中央に位置する板の板厚情報のみが増加されることを特徴とする。 A third invention is the spot weld fracture analysis method according to the first or second invention, wherein the second plate thickness information is only plate thickness information of a plate located in the center of the three or more plates. It is characterized by being increased.
第5の発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析装置において、
各板が、それぞれの板に関する第1の板厚情報が付与されたシェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルに基づく動的構造解析の解析結果を取得する手段と、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記第1の板厚情報とは異なる第2の板厚情報と前記解析結果とを用いて、予測する予測手段とを含み、
前記第2の板厚情報は、前記第1の板厚情報に基づいて組毎に生成され、前記第1の板厚情報に対して、前記3枚以上の板のうちの中央の板の板厚が、該中央の板に隣接する他の組の板の板厚に応じて増加されていることを特徴とする。
A fifth invention is a fracture analysis device for spot welded portions of three or more plates that are spot welded at a common spot,
Each plate is modeled by a shell element to which first plate thickness information about each plate is given, and between the shell elements corresponding to the spot hitting positions of each plate of the three or more plates, a beam element is interposed. Means for obtaining the results of dynamic structural analysis based on the connected finite element models,
The combination of two plates adjacent to each other among the three or more plates is regarded as one set, and for each set, the possibility of spot welding breakage between the two plates in each set is indicated by the first thickness information. Predicting means using the second plate thickness information different from the above and the analysis result,
The second plate thickness information is generated for each set based on the first plate thickness information, and a plate of a central plate among the three or more plates is formed with respect to the first plate thickness information. The thickness is increased in accordance with the thickness of another set of plates adjacent to the central plate.
本発明によれば、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の板のスポット溶接部に対して高い精度で破断解析が可能となるスポット溶接部の破断解析方法、及び、それを実行するためのコンピューター読み取り可能なプログラム、並びに、スポット溶接破断解析装置を得ることができる。 According to the present invention, a method for analyzing the fracture of a spot welded portion capable of performing a fracture analysis with high accuracy on a spot welded portion of three or more plates that are spot-welded at a common spot, and for executing the method A computer-readable program and a spot welding fracture analysis device can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係るスポット溶接破断解析装置は、以下詳説する機能(スポット溶接破断解析方法)を実現するソフトウェアが組み込まれたコンピューター(スーパーコンピューターを含む)により実現される。このソフトウェアは、全く新規のソフトウェアとして開発されてもよいが、既存の解析ソフトウェア(例えば、LS−DYNA、PAM−CRASH(共に登録商標)等)をベースにして作成することができる。又は、LS−DYNA、PAM−CRASH等の既存の解析ソフトウェアと協働して追加機能を提供する別のソフトウェアとして開発されてもよい。 The spot welding fracture analysis apparatus according to the present invention is realized by a computer (including a supercomputer) in which software for realizing the function (spot welding fracture analysis method) described in detail below is incorporated. This software may be developed as completely new software, but can be created based on existing analysis software (for example, LS-DYNA, PAM-CRASH (both are registered trademarks), etc.). Or it may be developed as another software which provides an additional function in cooperation with existing analysis software such as LS-DYNA or PAM-CRASH.
ユーザが直接利用するコンピューター端末は、ユーザインターフェースとして例えばマウスやキーボードを有し、解析用モデルや解析結果等を表示するディスプレイを有する。また、このコンピューター端末には、例えば社内LAN等により、負荷の大きな計算を実行するスーパーコンピューターや、解析モデルの基になるCADデータを供給するCAD端末等が接続されてよい。また、このコンピューター端末には、モデル作成用ソフトウェア(例えば、IDEAS、Hyper−Mesh(共に登録商標)等)がインストールされてよい。 A computer terminal used directly by a user has, for example, a mouse and a keyboard as a user interface, and a display for displaying an analysis model, an analysis result, and the like. The computer terminal may be connected to a super computer that executes a calculation with a large load, a CAD terminal that supplies CAD data that is a basis of an analysis model, and the like by an in-house LAN, for example. In addition, model creation software (for example, IDEAS, Hyper-Mesh (both are registered trademarks), etc.) may be installed in the computer terminal.
本発明によるスポット溶接破断解析方法は、その前提となるモデル作成段階を経て、解析段階において実行される。尚、解析段階での解析結果等に応じて、適宜、モデルの修正等がなされる。先ず、モデル作成段階について説明する。 The spot weld fracture analysis method according to the present invention is executed in an analysis stage after a model creation stage as a premise thereof. Note that the model is appropriately corrected according to the analysis result in the analysis stage. First, the model creation stage will be described.
モデル作成段階では、モデル作成用ソフトウェアを用いて、解析対象となる構造物の有限要素モデル(CAE解析モデル)が作成される。解析対象となる構造物は、例えば車両のボデー構造や、ドア単体等任意である。有限要素モデルは、一般的に、これらの構造物のCADデータに基づいて作成される。尚、本発明は、以下で詳説する如く、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析に関するものであるため、他の部分のモデル化手法については適切な手法が選択されていればよい。 In the model creation stage, a finite element model (CAE analysis model) of the structure to be analyzed is created using model creation software. The structure to be analyzed is arbitrary, such as a vehicle body structure or a single door. A finite element model is generally created based on CAD data of these structures. Since the present invention relates to fracture analysis of spot welded portions of three or more plates that are spot-welded at a common spot, as will be described in detail below, the modeling method for other portions is appropriate. As long as the appropriate method is selected.
図1(A)は、解析対象となる構造物の一部、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部を示す。図1では、3枚の板1,2,3が、スポット打点位置Xにて、3枚合わせでスポット溶接されている。以下では、板1,2,3の設計上の板厚は、t1、t2、t3[mm]とする。
FIG. 1A shows a part of a structure to be analyzed, a spot welded portion of three or more plates that are spot welded at a common spot. In FIG. 1, three
図1(B)は、図1(A)に示すスポット溶接部周辺の部分の有限要素モデルの一例を示す斜視図である。各板1,2,3は、シェル要素(板要素)によりモデル化される。即ち、各板1,2,3のサーフェスがシェル要素によりメッシュ分割される。シェル要素の材料特性情報には、例えば、板1,2,3の板厚t1、t2、t3や、板1,2,3の材料に対応した弾性係数E、G、ポアソン比ν、係数C(後に説明)等が入力される。尚、以下では、板1,2,3のスポット打点位置Xに対応する各シェル要素を、“シェル要素S1,S2,S3”とも称する。尚、図1(B)のビューでは、板2,3の溶接部のシェル要素S2,S3は、板1のシェル要素により見えていない。
FIG. 1B is a perspective view showing an example of a finite element model of the portion around the spot weld shown in FIG. Each
図2(A)は、図1のA−A断面を模式的に示し、図2(B)は、スポット溶接部の有限要素モデルの断面を概略的に示す。図2(B)では、各シェル要素S1,S2,S3のノードのうちの2つのノードが模式的に示されている。例えば、図2(B)に示すシェル要素S1の両側のノードは、図1(B)に示すシェル要素S1のノードN1(N2)及びN3(N4)として理解されたい。 2A schematically shows a cross section taken along the line AA of FIG. 1, and FIG. 2B schematically shows a cross section of the finite element model of the spot weld. FIG. 2B schematically shows two nodes among the nodes of the shell elements S1, S2, S3. For example, nodes on both sides of the shell element S1 shown in FIG. 2B should be understood as nodes N1 (N2) and N3 (N4) of the shell element S1 shown in FIG.
図2(B)に示すように、3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素S1,S2,S3間は、梁要素(ビーム要素)B1,B2を介してそれぞれ接続されている。即ち、板1,2のシェル要素S1,S2間は、梁要素B1を介して接続され、板2,3のシェル要素S2,S3は、梁要素B2を介して接続されている。梁要素B1,B2の各ノードは、接続される側のシェル要素S1,S2,S3に対して接合される(この接合は、図2(B)において、点線の丸の囲いにより示される)。この接合は、図3に示すように、例えば特殊なバネ要素SP1〜SP4により、梁要素(B1又はB2)のノードと、接続される側のシェル要素(S1,S2又はS3)の4つのノード(シェル要素が三角形要素の場合は3つのノード)とを接続することでモデル化されてもよい。尚、図3では、シェル要素S1,S2,S3間の隙間Lは、有限要素モデルの説明の便宜上、非常に誇張して大きく示されている。
As shown in FIG. 2B, the shell elements S1, S2 and S3 corresponding to the spot hitting positions on each of three or more plates are connected via beam elements (beam elements) B1 and B2, respectively. ing. That is, the shell elements S1 and S2 of the
尚、梁要素B1,B2の材料特性情報(例えば断面形状や各種弾性率)及びバネ要素SP1〜SP4の材料特性情報(例えば各種弾性率)は、実際のスポット溶接部に対する強度試験等のデータを用いて適切に設定される。特に、梁要素とシェル要素との間の接合は、梁要素のノードとシェル要素のノードとの間に適切な拘束関係がモデル化できている限り、如何なる態様でモデル化されてもよい。 In addition, the material characteristic information (for example, cross-sectional shape and various elastic moduli) of the beam elements B1 and B2 and the material characteristic information (for example, various elastic moduli) of the spring elements SP1 to SP4 are data such as a strength test for an actual spot weld. Is set appropriately. In particular, the connection between the beam element and the shell element may be modeled in any manner as long as an appropriate constraint relationship can be modeled between the node of the beam element and the node of the shell element.
図4は、スポット溶接部の有限要素モデルのその他の実施例を概略的に示す断面視である。上述の図3の例では、梁要素B1,B2は、中央の板2側のノードを共有しているのに対して、図4に示す例では、梁要素B1,B2は、中央の板2側のノードを共有していない。この場合、梁要素B1,B2の板2側の2つノードは、図4に示すような態様で、それぞれ別々に、シェル要素S2に対して接合される。このように、梁要素B1,B2同士は、図3の例のように、直接接続されてもよいし、図4の例のように、シェル要素S2を介して拘束し合う関係でもよい。
FIG. 4 is a sectional view schematically showing another embodiment of the finite element model of the spot weld. In the example of FIG. 3 described above, the beam elements B1 and B2 share the node on the
次に、上述のようにして作成される有限要素モデルを用いた解析段階について説明する。本実施例における解析段階では、板のスポット溶接部に衝撃を伴うような大きな力が作用する入力荷重条件の下、スポット溶接部の破断、即ち板の溶接跡(ナゲット)まわりの破断の可能性が解析/予測される。かかる解析は、板のスポット溶接部単体を評価するために、局所的に板のスポット溶接部だけをモデル化した有限要素モデルに対して実行されてもよいが、解析対象となる構造物全体の有限要素モデルを用いた動的構造解析・非線形構造過渡解析(典型的には、車両全体の衝突時の挙動(変形や衝撃値等)をシミュレートする衝突解析)の中で、当該構造物の含まれる板のスポット溶接部に、破断の可能性があるか否かを評価するために用いられるのが特に有用である。例えば、車両の場合は、何千点ものスポット溶接部があるが、車両全体の有限要素モデルを用いた衝突解析を行うことで、衝突過程のどの段階でどのスポット溶接部にどの程度の破断の可能性があるか評価することができる。 Next, the analysis stage using the finite element model created as described above will be described. In the analysis stage in this embodiment, the spot welded portion may be broken, that is, the plate may be broken around the weld mark (nugget) under an input load condition in which a large force with impact is applied to the spot welded portion of the plate. Is analyzed / predicted. Such an analysis may be performed on a finite element model in which only the spot welded portion of the plate is locally modeled in order to evaluate the spot welded portion of the plate, but the entire structure to be analyzed is analyzed. Dynamic structural analysis and nonlinear structural transient analysis using a finite element model (typically, collision analysis that simulates the behavior (deformation, impact value, etc.) of the entire vehicle during a collision) It is particularly useful to be used to evaluate whether the spot welds of the included plates have a possibility of breakage. For example, in the case of a vehicle, there are thousands of spot welds. By performing a collision analysis using a finite element model of the entire vehicle, at what stage of the collision process, how much breakage occurs in which spot weld. It can be evaluated whether it is possible.
図5は、本発明によるスポット溶接破断解析方法の主要な処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing the main processing flow of the spot weld fracture analysis method according to the present invention.
ステップ100では、上述のようにして作成される有限要素モデル及び入力荷重条件が解析モデルとして入力される。入力荷重条件は、上述の如く例えば車両衝突をモデル化したものであってよい。
In
ステップ110では、破断すると判定された場合のスポット溶接部の、その後の解析(動的構造解析)における取り扱い方法が設定される。本実施例では、破断すると判定されたスポット溶接部を分断する取り扱い方法と、そのまま分断させない取り扱い方法の、2通りの取り扱い方法の何れかがユーザにより選択される。各取り扱い方法については後に詳説する。 In step 110, a handling method in the subsequent analysis (dynamic structure analysis) of the spot welded portion when it is determined to break is set. In the present embodiment, the user selects one of two handling methods: a handling method for dividing a spot welded portion determined to break, and a handling method for preventing the spot welded portion from being divided as it is. Each handling method will be described in detail later.
ステップ120では、上記のステップ100で入力される解析モデルに係るシェル要素の板厚情報(以下、「第1の板厚情報」又は単に「板厚情報」という)に基づいて、3枚の板1,2,3のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、第2の板厚情報を生成する。本例では、3枚の板1,2,3であるので、中央の板2と外側の板1の組と、中央の板2と内側の板3の組との2組があり、それぞれの組毎に、第2の板厚情報が生成される。このとき、第2の板厚情報は、第1の板厚情報に対して、3枚の板1,2,3のうちの中央の板2の板厚t2が、該中央の板2に隣接する他の組の板1又は板3の板厚に応じて増加される。
In
具体的には、中央の板2と外側の板1の第1組に関しては、シェル要素S2とシェル要素S1に対する第2の板厚情報(t2’、t1’)が生成され、シェル要素S1の第2の板厚情報t1’は、第1の板厚情報t1と同じであるが、シェル要素S2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板3の第1の板厚情報t3が付加される(即ち、t2’=t2+t3)。従って、第1組に係る第2の板厚情報は、(t2+t3、t1)となる。同様に、中央の板2と内側の板3の第2組に関しては、シェル要素S2とシェル要素S3に対する第2の板厚情報(t2’、t3’)が生成され、シェル要素S3の第2の板厚情報t3’は、第1の板厚情報t3と同じであるが、シェル要素S2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板1の第1の板厚情報t1が付加される(即ち、t2’=t2+t1)。従って、第2組に係る第2の板厚情報は、(t2+t1、t3)となる。
Specifically, for the first set of the
ステップ130では、上記ステップ100で入力された解析モデルを用いて解析が実行される。以下、このステップ130の解析を「動的構造解析」ともいう。この動的構造解析が実行されると、所定の演算周期毎に時系列的な解析結果が出力される。尚、例えば大規模な限要素モデルを用いた衝突解析等においては、膨大な数の演算周期で演算が実行される。解析結果は、解析目的に応じて多様なパラメータの解析値を含みうるが、シェル要素の歪ε、歪速度dε/dtや、シェル要素に対して梁要素を介して伝達される要素力(力F,モーメントM)が含まれる。尚、歪εは、相当塑性歪(equivalent plastic strain)である。シェル要素に対して梁要素を介して伝達される要素力(以下、単に「梁要素の要素力」という)に関しては、力Fは、梁要素の軸方向の軸力Fa、及び、せん断力Fsを含み、モーメントMは、梁要素に加わる曲げモーメントを含む。これら梁要素の要素力(Fa,Fs,M)は、図6に模式的に示すように、2枚の板の間の各スポット溶接部に作用する軸力Fa、せん断力Fs、曲げモーメントMに相当する。尚、図6において、Fa,Fs,Mの記号の後に付されている数字は、組(梁要素)の番号に対応する。
In step 130, the analysis is executed using the analysis model input in
尚、ここで、注意すべきこととして、このステップ130の動的構造解析では、上記ステップ120で生成された第2の板厚情報は用いられない。即ち、ステップ130の動的構造解析は、実際の構造物の板厚情報(又は設計図上の板厚情報)に忠実な第1の板厚情報に基づいて実行される(上記ステップ120で生成された第2の板厚情報は、以下の破断解析のためだけに用いられる)。
Here, it should be noted that the second plate thickness information generated in
ステップ140では、上記のステップ130で得られる解析結果と、上記のステップ190で得られる比較結果とに基づいて、スポット溶接部の破断の可能性が解析/予測される。以下、このステップ140の解析を「破断解析」ともいう。
In
本ステップ140において、本実施例では、図7に模式的に示すように、組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性が解析/予測される。本例では、上述の如く、3枚の板1,2,3であるので、中央の板2と外側の板1の組と、中央の板2と内側の板3の組との2組があり、それぞれの組において、互いに独立した態様で、2つの板間のスポット溶接の破断解析がなされる。
In this
具体的には、梁要素の板厚情報(板の板厚t)、梁要素の要素力F,M、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪ε、歪速度dε/dt、材料特性に依存する係数Cを、入力パラメータ(変数)として、該シェル要素に係る板の破断の可能性を表す指標値を出力する破断関数F(t,F,M,ε,dε/dt,C)が用いられる。破断関数Fには、シェル要素の既知の板厚情報(板の板厚t)と、動的構造解析の解析結果に基づいて得られる解析値(F,M,ε,dε/dt)が入力パラメータとして入力され、そのときの破断関数Fの出力値と所与の基準値Fcr(破断判定値Fcr)との比較結果に基づいて、破断の可能性が解析/予測される。各組において、2つの板間のスポット溶接の破断は、それぞれの板側で別々に発生しうるため、破断関数Fは、各組において、それぞれの板に対して別々に適用される(即ち各組において、それぞれの板側で、計2つの破断関数Fの出力値が得られる)。 Specifically, the plate thickness information of the beam element (plate thickness t), the element forces F and M of the beam element, the strain ε of the shell element connected to the beam element, the strain rate dε / dt, the material Fracture function F (t, F, M, ε, dε / dt, C) that outputs an index value representing the possibility of breakage of the plate related to the shell element, with coefficient C depending on characteristics as an input parameter (variable). ) Is used. The fracture function F is input with known plate thickness information of the shell element (plate thickness t) and analysis values (F, M, ε, dε / dt) obtained based on the analysis results of the dynamic structural analysis. The possibility of breakage is analyzed / predicted based on the comparison result between the output value of the breakage function F at that time and a given reference value Fcr (breakage determination value Fcr). In each set, the spot weld break between two plates can occur separately on each plate side, so the break function F is applied separately to each plate in each set (ie, each A total of two break function F output values are obtained on each plate side in the set).
破断関数Fの出力値に基づく破断の可能性が解析/予測は、原則的に、破断関数Fの出力値が破断判定値Fcrを超えた場合には、当該組の板間のスポット溶接の破断が起こると判定するものであってよい。例えば、中央の板2と外側の板1の第1組に関しては、何れかの破断関数Fの出力値が破断判定値Fcrを超えた場合には、中央の板2と外側の板1との間のスポット溶接の破断が起こると判定するものであってよい。この場合、破断の可能性は、ゼロ%又は100%の何れかで評価されることになる。但し、例えば、破断関数Fの出力値の破断判定値Fcrに対する比を負荷率と定義して、破断の可能性をリニアに評価することも可能である。
The possibility of fracture based on the output value of the fracture function F is analyzed / predicted. In principle, if the output value of the fracture function F exceeds the fracture judgment value Fcr, the fracture of spot welding between the pair of plates May be determined to occur. For example, regarding the first set of the
ここで、破断関数F(係数C、及び、破断判定値Fcr)は、2枚板のスポット溶接部の破断試験結果に対して回帰等により適合されたものが用いられる(尚、破断関数Fの一例については、後に説明する。)。これは、3枚以上の板のスポット溶接部に対しても、上述の如く組毎に破断解析を行うことで、2枚板のスポット溶接部に対して確立された破断評価手法を流用できるためである(この場合、3枚以上の板のスポット溶接部に対して、新たに試験データを蓄積して、破断関数Fや破断判定値Fcrの適合を行う必要がなくなる)。 Here, the fracture function F (coefficient C and fracture judgment value Fcr) is adapted to the fracture test result of the spot welded portion of the two plates by regression or the like (note that the fracture function F of An example will be described later.) This is because, even for spot welded portions of three or more plates, the fracture evaluation method established for the spot welded portion of two plates can be used by performing the fracture analysis for each set as described above. (In this case, it is not necessary to newly accumulate test data for spot welded portions of three or more plates and adapt the fracture function F and the fracture judgment value Fcr).
しかしながら、かかる2枚板の破断試験結果に対して適合された破断関数Fを、そのまま3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用すると、中央の板2に係る破断解析を適切に行うことができない。これは、中央の板2はあたかも単独の板であるかのように破断関数Fが適用されることになるが、実際には、中央の板2の破断現象は両側の板の影響を受けるためである。
However, when the break function F adapted to the break test result of the two plates is applied to the break analysis for the spot welded portion of three or more plates as it is, the break analysis relating to the
そこで、本実施例では、図8に模式的に示すように、破断関数Fを3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用する際、上述の如く中央の板2の板厚情報が実際の板厚よりも大きく補正された第2の板厚情報を用いて、当該組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価する。尚、図8において、t,ε,εドット(=dε/dt),Cの記号の後に付されている数字は、板の番号に対応する。
Therefore, in this embodiment, as schematically shown in FIG. 8, when the fracture function F is applied to the fracture analysis for the spot welded portion of three or more plates, the thickness information of the
このように本実施例では、ある組における2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価する際、当該組における板のうち、他の組の板と梁要素を介して接続される板(本例では板2)に対しては、当該他の組の板の板厚が足し込まれるので(当該他の組の板と一体的な板と看做されるので)、他の組の板の影響(板厚)を考慮した破断解析が可能となる。これにより、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても、2枚板のスポット溶接部に対して確立された破断評価手法を利用しつつ、高い解析精度を維持することができる。 As described above, in this embodiment, when evaluating the possibility of breakage of spot welding between two plates in a certain set, among the plates in the set, the plates connected to other sets of plates via beam elements. (In this example, plate 2), because the plate thickness of the other set of plates is added (because it is considered as a plate integrated with the other set of plates), Fracture analysis considering the influence (plate thickness) of the plate is possible. Thereby, also in the fracture analysis of the spot welded portion of three or more plates, high analysis accuracy can be maintained while utilizing the fracture evaluation method established for the spot welded portion of the two plates.
より詳細には、例えば図6に示すように、2つの梁要素B1,B2のそれぞれの要素力(力F1,F2,モーメントM1,M2)が中央の板2に作用する場合、同要素力が互いに独立に中央の板2に作用する場合に比べて、中央の板2における破断の可能性は小さいはずである。これは、中央の板2に作用する梁要素の要素力は、一方の側の梁要素の要素力が、他の側の梁要素を介して他の組のシェル要素にも伝達されるからである。それにも拘らず、破断関数Fを、そのまま3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用すると、中央の板2側におけるスポット溶接部の破断の可能性は、一方の側の梁要素の要素力しか考慮されずに評価されるので、誤って高く評価されてしまう。従って、この中央の板2側の評価結果をそのまま採用すると、破断解析の精度の悪化を招くことになる。
More specifically, for example, as shown in FIG. 6, when the element forces (forces F1, F2, moments M1, M2) of the two beam elements B1, B2 act on the
これに対して、本実施例では、一方の組の破断解析において用いられる中央の板2の板厚情報が他の組の板の板厚分だけ増加されるので、一方の組の梁要素の要素力が他の組の梁要素を介して他の組のシェル要素にも伝達される実現象を補償した破断解析が可能となり、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても高い解析精度を維持することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the plate thickness information of the
図5に戻る。上述のようにしてスポット溶接部の破断の可能性が解析/予測され、ある組の板間のスポット溶接の破断が起こると判定された場合には、ステップ150に進む。例えば、中央の板2のシェル要素S2の第2の板厚情報t2’、歪ε2、梁要素B1の要素力F2、M2等を破断関数Fに入力して得られる出力値が、破断判定値Fcrを超えたか、若しくは、外側の板1のシェル要素S1の第2の板厚情報t1’、歪ε1、梁要素B1の要素力F1、M1等を破断関数Fに入力して得られる出力値が、破断判定値Fcrを超えた場合には、中央の板2と外側の板1との間に、スポット溶接の破断が起こると判定され、ステップ150に進む。
Returning to FIG. If the possibility of spot weld fracture is analyzed / predicted as described above and it is determined that spot weld fracture between a set of plates will occur, the process proceeds to step 150. For example, the output value obtained by inputting the second plate thickness information t2 ′ of the shell element S2 of the
ステップ150では、上記ステップ110で選択された取り扱い方法に従って、破断すると判定されたスポット溶接部が分断され、又は、分断されずに維持される。 In step 150, according to the handling method selected in step 110, the spot weld determined to break is divided or maintained without being divided.
具体的には、スポット溶接部を分断する取り扱い方法が選択された場合には、スポット溶接部を分断して解析モデルが更新される。このとき、3枚の板のスポット溶接部の分断は、例えば、破断すると判定された組の梁要素だけを消去することで実現される。この場合、次の演算周期から当該梁要素が存在しない解析モデルで上記ステップ130の動的構造解析が実行されることになる。例えば、中央の板2と外側の板1の第1組の破断解析の結果、これら2つの板間のスポット溶接に破断が発生すると判定された場合には、梁要素B1だけが消去され、以後、中央の板2のシェル要素S2と内側の板3のシェル要素S3との間のスポット溶接だけが有効な解析モデルより、上記ステップ130の動的構造解析が継続されることになる。これにより、スポット溶接の破断の可能性を解析するだけでなく、スポット溶接破断後の構造物の挙動(破断による影響)をも解析することができる。
Specifically, when a handling method for dividing the spot welded portion is selected, the spot welded portion is divided and the analysis model is updated. At this time, the division of the spot welded portions of the three plates is realized, for example, by deleting only a set of beam elements determined to be broken. In this case, the dynamic structural analysis in step 130 is executed from the next calculation cycle using an analysis model in which the beam element does not exist. For example, as a result of the first set of fracture analysis of the
一方、スポット溶接部を分断しない取り扱い方法が選択された場合には、梁要素を消去することなくステップ160に進む。このような取り扱い方法は、例えばスポット溶接の破断が許容されない構造物の動的構造解析において有用であり、また、動的構造解析の不安定化を防止できる点でも有用である。スポット溶接の破断が許容されない構造物では、例えばスポット溶接が破断すると判定された場合には、当該スポット溶接の周辺に新たなスポット溶接を追加する等の対策が講じられ、再度、当該対策がモデル化された解析モデルにより動的構造解析及び破断解析が実行されることになる。 On the other hand, if a handling method that does not divide the spot weld is selected, the process proceeds to step 160 without deleting the beam element. Such a handling method is useful in, for example, dynamic structural analysis of a structure in which spot welding fracture is not allowed, and is also useful in that it can prevent instability of dynamic structural analysis. For structures that do not allow spot welding breakage, for example, when it is determined that spot welding breaks, measures such as adding a new spot weld around the spot weld are taken, and the measures are again modeled. The dynamic structural analysis and the fracture analysis are executed by the converted analysis model.
尚、車両全体が解析対象の構造物である場合、複数のスポット溶接部が存在するが、この場合、スポット溶接部毎に、スポット溶接部の破断判定後の取り扱い方法を設定できるようにしてもよい。 In addition, when the whole vehicle is a structure to be analyzed, there are a plurality of spot welds. In this case, for each spot weld, it is possible to set a handling method after determining the breakage of the spot weld. Good.
ステップ160では、上記ステップ130で実行される動的構造解析の終了条件がチェックされる。この終了条件は、適宜設定されるが、例えば動的構造解析として衝突解析を行う場合は、車両の衝突が終了した段階であってよい。動的構造解析の終了条件が満たされない限り、ステップ130に戻り、次の演算周期の動的構造解析が実行され、以後、同様に繰り返される。尚、上記ステップ140の破断解析(上記ステップ190の比較処理も同様)は、動的構造解析の演算周期毎に、当該演算周期で出力される動的構造解析の解析結果を用いて実行されてもよいし、動的構造解析の演算周期によりも長い周期毎に、当該周期で出力される動的構造解析の解析結果を用いて実行されてもよい。
In
以上説明したように、本実施例によれば、動的構造解析の解析結果を用いて、各組の2つのシェル要素のうち、他の組にも属するシェル要素に対しては板厚を余分に足し込んで破断解析を行うので、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても高い解析精度を維持することができる。 As described above, according to the present embodiment, using the analysis result of the dynamic structural analysis, an extra plate thickness is added to the shell elements belonging to the other group among the two shell elements of each group. Therefore, it is possible to maintain high analysis accuracy even in break analysis of spot welded portions of three or more plates.
次に、上述の実施例において用いられてよい破断関数F(破断判定方法)の一例を説明する。 Next, an example of the break function F (break determination method) that may be used in the above-described embodiment will be described.
破断判定方法は、梁要素の軸力Fa及びモーメントMに起因するスポット溶接部(ナゲット)まわりの最大せん断応力τと、梁要素のせん断力Fsに起因するスポット溶接部(ナゲット)の最大引張応力σとに基づいて、以下の判定式で定義される。 The fracture determination method includes the maximum shear stress τ around the spot weld (nugget) caused by the axial force Fa and moment M of the beam element and the maximum tensile stress of the spot weld (nugget) caused by the shear force Fs of the beam element. Based on σ, it is defined by the following judgment formula.
τ=Fa/(2π・t・r)+M/(α・t・r2)であり、
σ=Fs/(1/2π・t・r)である。係数αは、シェル要素(板)の弾塑性特性(弾性〜全塑性の間の特性)に依存する値であり、破断関数Fのパラメータである係数Cに含まれる。
また、左辺の分母のσF及びτFは、限界応力を表し、共に、歪速度dε/dtに依存した関数となる。σF及びτFは、一例としてクーパー・シモンズの式を用いて、以下で定義される。
τ = Fa / (2π · t · r) + M / (α · t · r 2 )
σ = Fs / (1 / 2π · t · r). The coefficient α is a value that depends on the elastic-plastic characteristics (characteristics between elasticity and total plasticity) of the shell element (plate), and is included in the coefficient C that is a parameter of the fracture function F.
Further, σ F and τ F in the denominator on the left side represent limit stress, and both are functions depending on the strain rate dε / dt. σ F and τ F are defined below using the Cooper-Simmons equation as an example.
この例では、結局、上記の数1の項(−1)を右辺に移項すると、破断関数Fとなり、破断判定値Fcrは1である(他言すると、破断判定値Fcrを1にして、各係数を適合させる)。
In this example, when the term (-1) in the
この場合、中央の板2と外側の板1の第1組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B1の要素力F1(Fa1、Fs1),M1、及び、シェル要素S2の歪速度dε/dt(歪ε2の前回値と今回値の差分を1演算周期で除して得られる歪ε2の微分値、以下同様)、第2の板厚情報t2’(=t2+t3)及び係数C2(α2、c2、p2)が入力され、外側の板1の側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B1の要素力F1(Fa1、Fs1),M1、及び、シェル要素S1の歪速度dε/dt(歪ε1の微分値)、第2の板厚情報t1’(=t1)及び係数C1(α1、c1、p1)が入力されることになる。そして、本実施例では、上述の如く、いずれか大きい方の破断関数Fの出力値と、破断判定値Fcrとの関係に基づいて、中央の板2と外側の板1の間のスポット溶接の破断の可能性が評価されることになる。
In this case, in the case of the first set of the
同様に、中央の板2と内側の板3の第2組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B2の要素力F2(Fa2、Fs2),M2、及び、シェル要素S2の歪速度dε/dt、第2の板厚情報t2’(=t2+t1)及び係数C2が入力され、内側の板3側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B2の要素力F2(Fa2、Fs2),M2、及び、シェル要素S3の歪速度dε/dt(歪ε3の微分値)、第2の板厚情報t3’(=t3)及び係数C3(α3、c3、p3)が入力されることになる。そして、本実施例では、上述の如く、いずれか大きい方の破断関数Fの出力値と、破断判定値Fcrとの関係に基づいて、中央の板2と内側の板3の間のスポット溶接の破断の可能性が評価されることになる。
Similarly, in the case of the second set of the
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
例えば、上述した実施例では、動的構造解析と破断解析が同時並行的に実行されているが、動的構造解析の解析結果を用いて、後処理として破断解析を実行することも可能である。 For example, in the above-described embodiment, the dynamic structural analysis and the fracture analysis are performed in parallel, but it is also possible to perform the fracture analysis as post-processing using the analysis result of the dynamic structural analysis. .
また、上述した実施例において、ある板に係る係数Cは、当該板と組をなす他の板の材料特性に応じて変化してもよい。例えば、中央の板2と内側の板3の第2組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、上述の各種パラメータの他、板3の材料特性に依存する係数C2が入力されてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the coefficient C relating to a certain plate may change according to the material characteristics of the other plate paired with the plate. For example, in the case of the second set of the
また、上述した実施例では、第1組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板3の第1の板厚情報t3がそのまま(100%)足し込まれ、第2組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板1の第1の板厚情報t1がそのまま(100%)足し込まれているが、本発明はこれに限られず、例えば、第1組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板3の板厚情報t3の所定比率(例えば95%)が足し込まれ、第2組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’は、他の組の板1の板厚情報t1の所定比率(例えば95%)が足し込まれてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the second plate thickness information t2 ′ of the
また、上述した実施例は、代表的な例として3枚の板のスポット溶接に関するものであったが、図9に示すように、4枚の板1,2,3,4を同一打点で打つスポット溶接部に対しても、3つの組を生成して、組毎に、他の組の板の板厚情報を足し込んだ第2の板厚情報(中央に位置する板の板厚情報のみが増加された第2の板厚情報)を生成し、同様に、2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価することができる。この場合、例えば、第1組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’は、板3の第1の板厚情報t3及び板4の第1の板厚情報t4をそのまま(100%)足し込んだものであってよく(t2’=t2+t3+t4)、或いは、適切な重み付け係数w1、w2(w1>w2)を用いて、t2’=t2+w1・t3+w2・t4としてもよい。同様に、第3組に係る中央の板3の第3の板厚情報t3’は、板2の第1の板厚情報t2及び板1の第1の板厚情報t1をそのまま(100%)足し込んだものであってよく(t3’=t3+t2+t1)、或いは、適切な重み付け係数w1、w2(w2>w1)を用いて、t3’=t3+w1・t2+w2・t1としてもよい。また、第2組に係る中央の板3の第3の板厚情報t3’は、上述と同様、板4の第1の板厚情報t4を所定比率w3(0<w3≦1)だけ足し込んだものであってよく(t3’=t3+w3・t4)、第2組に係る中央の板2の第2の板厚情報t2’についても、板1の第1の板厚情報t1を所定比率w3(0<w3≦1)だけ足し込んだものであってよい(t2’=t2+w3・t1)。
The above-described embodiment relates to spot welding of three plates as a representative example, but as shown in FIG. 9, four
1,2,3 3枚の板
S1,S2,S3 3枚の板のスポット溶接部のシェル要素
B1,B2 シェル要素間に接続される梁要素
1, 2, 3 3 plates S1, S2, S3 Shell elements of spot welds of 3 plates B1, B2 Beam elements connected between shell elements
Claims (5)
各板が、それぞれの板に関する第1の板厚情報が付与されたシェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルを用いて、所定の入力荷重条件下で解析を実行する解析ステップと、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、前記第1の板厚情報に基づいて、前記第1の板厚情報とは異なる第2の板厚情報を生成するステップと、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、各組に係る前記第2の板厚情報と、前記解析ステップにより得られる解析結果とを用いて、予測するステップとを含み、
前記第2の板厚情報は、前記第1の板厚情報に対して、前記3枚以上の板のうちの中央の板の板厚が、該中央の板に隣接する他の組の板の板厚に応じて増加されていることを特徴とする、スポット溶接破断解析方法。 In the fracture analysis method of spot welds of three or more plates that are spot welded at a common spot,
Each plate is modeled by a shell element to which first plate thickness information about each plate is given, and between the shell elements corresponding to the spot hitting positions of each plate of the three or more plates, a beam element is interposed. An analysis step for performing an analysis under a predetermined input load condition using a finite element model connected to each other;
Based on the first plate thickness information, a combination of two plates adjacent to each other among the three or more plates is set as one set, and a second different from the first plate thickness information. Generating thickness information; and
Predicting, for each set, the possibility of spot welding fracture between two plates in each set using the second plate thickness information relating to each set and the analysis result obtained in the analysis step. Including
The second plate thickness information is obtained by comparing the first plate thickness information with a plate thickness of a central plate of the three or more plates being another set of plates adjacent to the central plate. A spot welding fracture analysis method characterized by being increased in accordance with a plate thickness.
該破断関数には、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪、及び、該シェル要素に係る前記第2の板厚情報が、入力され
前記破断の可能性の予測は、各組において、それぞれ2つの板に係る前記破断関数の出力値に基づいて行われる、請求項1に記載のスポット溶接破断解析方法。 In the prediction step, the element side force of the beam element, the strain of the shell element connected to the beam element, and the plate thickness information of the plate related to the shell element are used as parameters at least, and the fracture of the plate side related to the shell element is determined. Given a break function that outputs an index value that represents the possibility,
The breaking function is input with the element force of the beam element based on the analysis result, the strain of the shell element connected to the beam element, and the second plate thickness information related to the shell element. The spot weld fracture analysis method according to claim 1, wherein prediction of the possibility of fracture is performed based on output values of the fracture function related to two plates in each group.
各板が、それぞれの板に関する第1の板厚情報が付与されたシェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルに基づく動的構造解析の解析結果を取得する手段と、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記第1の板厚情報とは異なる第2の板厚情報と前記解析結果とを用いて、予測する予測手段とを含み、
前記第2の板厚情報は、前記第1の板厚情報に基づいて組毎に生成され、前記第1の板厚情報に対して、前記3枚以上の板のうちの中央の板の板厚が、該中央の板に隣接する他の組の板の板厚に応じて増加されていることを特徴とする、スポット溶接破断解析装置。 In a break analysis device for spot welds of three or more sheets that are spot welded at a common spot,
Each plate is modeled by a shell element to which first plate thickness information about each plate is given, and between the shell elements corresponding to the spot hitting positions of each plate of the three or more plates, a beam element is interposed. Means for obtaining the results of dynamic structural analysis based on the connected finite element models,
The combination of two plates adjacent to each other among the three or more plates is regarded as one set, and for each set, the possibility of spot welding breakage between the two plates in each set is indicated by the first thickness information. Predicting means using the second plate thickness information different from the above and the analysis result,
The second plate thickness information is generated for each set based on the first plate thickness information, and a plate of a central plate among the three or more plates is formed with respect to the first plate thickness information. A spot weld fracture analysis device characterized in that the thickness is increased according to the thickness of another set of plates adjacent to the central plate.
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