JP2007108138A

JP2007108138A - 板材の破断評価方法、破断評価プログラム及び破断評価装置

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Publication number: JP2007108138A
Application number: JP2005301929A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Watanabe; 憲一渡辺; Yoshie Tachibana; 美枝橘
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP4494323B2

Abstract

【課題】板材のエッジ部分の破断評価を正確に行うことのできる板材の破断評価方法等を提供すること。
【解決手段】この装置の制御部は、板材からなる物体をモデル化するモデル部２１０と、そのＣＡＥモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出するエッジ検出部２１１と、該検出されたエッジ毎の半径の平均値を演算することにより、前記各要素のエッジ側の曲率を求める曲率演算部２１２と、該各要素のエッジ側の曲率と、破断限界ひずみとに基づいて板材のエッジ部分が破断する可能性があるか否かを判定する１次評価部２１３とを備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価方法、破断評価プログラム及び破断評価装置に関するものである。

従来、板材の破断限界ひずみを調べるための手法として、所定の引張試験や、所定の穴広げ試験における各試験片での試験結果から当該板材の破断評価を行うことが一般的である。

また、かかる板材に対して破断評価を行う場合には、それをＣＡＥモデル化して、コンピュータによる衝突解析用汎用ＦＥＭシミュレーションを行うことが多い（例えば、非特許文献１，２参照）。
ＬＳ−ＤＹＮＡ；ＫＥＹＷＯＲＤＵＳＥＲ‘ＳＭＡＮＵＡＬ，ＶｏｌｕｍｅII，Ｖｅｒｓｉｏｎ９７０；ＬｉｖｅｒｍｏｒｅＳｏｆｔｗａｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｒａｒｉｏｎ，邦訳株式会社日本総合研究所，２００３年１２月発行ＰＡＭ−ＣＲＡＳＨＴＭ２００４・ＰＡＭ−ＳＡＦＥＴＭ２００４；ＳＯＬＶＥＲＮＯＴＥＳＭＡＮＵＡＬ，ＰＳＩＤａｔａＳｙｓｔｅｍｓＬｉｍｉｔｅｄ，２００４年９月発行

しかしながら、実際の破断は板材の凹状のエッジ部分で起こることが多く、そのような破断については、前記試験片での試験結果による破断評価だけでは、現実の破断限界ひずみを知ることはきわめて困難であるので、当該エッジ部分の破断評価を正確に行うことができなかった。

また、板材を打ち抜き加工した場合と、レーザ加工した場合と、フライス加工した場合とでは、そのエッジ部分の破断限界ひずみが相違することがあり、前記ＣＡＥモデル化して、コンピュータによる衝突解析用汎用ＦＥＭシミュレーションを行う場合であっても、従来は、かかる加工方法の相違まで考慮した板材のエッジ部分の破断評価は行われていなかったので、当該エッジ部分の破断評価を正確に行うことができなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、エッジ部分の破断評価を正確に行うことのできる板材の破断評価方法、破断評価プログラム及び破断評価装置を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う方法であって、前記板材に対応する材料で作成した穴付き試験片を用いて引張試験を行ったときの該穴付き試験片の破断限界ひずみを測定し、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価を行うことを特徴とするものである。なお、前記凹状のエッジ部分は、板材の周縁に形成された凹状の縁部のほか、板材の中間部に形成された穴縁部分をも含む。また、前記凹状のエッジ部分を有する板材は、単体でもあってもよいし、複数組み合わせたものであってもよい。さらに、その板材を凹状のエッジ部分を有していない他の板材と組み合わせたものであってもよい。

請求項２記載の発明は、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う方法であって、所定の引張試験における試験片の伸びと、所定の穴広げ試験における試験片の限界穴広げ率とに基づいて、前記板材に対応する材料で作成した穴付き試験片を用いて引張試験を行ったときの該穴付き試験片の破断限界ひずみを推定し、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価を行うことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明のように、所定の引張試験における試験片の伸びと、所定の穴広げ試験における試験片の限界穴広げ率と、予め得られた前記伸び及び限界穴広げ率と穴付き試験結果との換算係数とに基づいて、前記穴付き試験片の破断限界ひずみを推定することとしてもよい。

請求項４記載の発明のように、前記板材を所定メッシュでモデル化し、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率と前記破断限界ひずみとに基づいて、前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行うこととしてもよい。

請求項５記載の発明のように、前記１次評価において、前記モデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率と前記破断限界ひずみとの比が所定の閾値を超えたときに、前記板材のエッジ部分が破断する可能性があると判定することとしてもよい。

請求項６記載の発明のように、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを有限要素法を用いて演算し、この各要素のひずみの演算値を前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて前記穴付き試験結果に対応する値に換算し、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行うこととしてもよい。

請求項７記載の発明のように、前記２次評価において、前記ひずみの換算値が前記破断限界ひずみを超えたときに、前記板材のエッジ部分が破断すると判定することとしてもよい。

請求項８記載の発明は、コンピュータを用いて、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行うためのプログラムであって、前記コンピュータを、前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみをメモリに予め記憶しておく手段と、前記板材を所定メッシュでモデル化する手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出する手段と、該エッジ毎の曲率を演算する手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う手段として機能させることを特徴とするものである。

請求項９記載の発明のように、前記コンピュータを、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを有限要素法を用いて演算する手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを前記穴付き試験結果に対応する値に換算する手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う手段としてさらに機能させることとしてもよい。

請求項１０記載の発明は、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う装置であって、前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみを予め記憶しておくメモリと、前記板材を所定メッシュでモデル化するモデル化手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出するエッジ検出手段と、該エッジ毎の曲率を演算する曲率演算手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う１次評価手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項１１記載の発明のように、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを、有限要素法を用いて演算するひずみ演算手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを、前記穴付き試験結果に対応する値に換算するひずみ換算手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う２次評価手段とをさらに備えることとしてもよい。

請求項１に記載の発明によれば、前記板材に対応する材料で作成された穴付き試験片が用いられて引張試験が行われたときの該穴付き試験片の破断限界ひずみが測定され、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価が行われる。本発明の穴付き試験片によれば、その破断限界ひずみにおいて高い相関があるため、板材のエッジ部分についての正確な破断評価が可能となる。

請求項２，３記載の発明によれば、所定の引張試験における試験片の伸びと、所定の穴広げ試験における試験片の限界穴広げ率とに基づいて、前記板材に対応する材料で作成された穴付き試験片が用いられて引張試験が行われたときの該穴付き試験片の破断限界ひずみが推定され、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価が行われる。ところで、本発明者らによる経験では、通常の引張試験の測定結果或いは穴広げ試験の測定結果の一方だけでは、穴付き試験片における穴縁部分の破断限界ひずみとの相関が少ないが、通常の引張試験の測定結果と穴広げ試験の測定結果の両者を組み合わせると、穴付き試験片における穴縁部分の破断限界ひずみとの高い相関があることがわかった。したがって、この発明によれば、穴付き試験片における穴縁部分の破断限界ひずみの測定を実際に行うことなく、通常の引張試験の測定結果と穴広げ試験の測定結果だけで板材のエッジ部分についての正確な破断評価が可能となる。

請求項４，５記載の発明によれば、前記板材が所定メッシュでモデル化され、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率と前記破断限界ひずみとに基づいて、前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価が行われる。ところで、板材をモデル化したときの当該モデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率（曲率半径の逆数）が大きくなるとひずみが集中して破断しやすくなるが、その逆に破断限界ひずみが大きくなると破断しにくくなる。したがって、かかる曲率と破断限界ひずみの両者を加味することで、板材のエッジ部分についての破断評価を簡単に行うことができる。

請求項６，７記載の発明によれば、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみが有限要素法を用いて演算され、この各要素のひずみの演算値が前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて前記穴付き試験結果に対応する値に換算され、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価が行われるので、板材のモデルと、穴付き試験片との形状の違いを相殺して、板材のエッジ部分についての破断評価を正確に行うことができる。

請求項８記載の発明によれば、前記コンピュータを、前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみをメモリに予め記憶しておく手段と、前記板材を所定メッシュでモデル化する手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出する手段と、該エッジ毎の曲率を演算する手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う手段として機能させるので、板材のモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ毎の曲率と、破断限界ひずみとの両者を加味することで、板材のエッジ部分についての破断評価を簡単に行うことができる。

請求項９記載の発明によれば、前記コンピュータを、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを有限要素法を用いて演算する手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを前記穴付き試験結果に対応する値に換算する手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う手段としてさらに機能させるので、板材のモデルと、穴付き試験片との形状の違いを相殺して、板材のエッジ部分についての破断評価を正確に行うことができる。

請求項１０記載の発明によれば、前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみを予め記憶しておくメモリと、前記板材を所定メッシュでモデル化するモデル化手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出するエッジ検出手段と、該エッジ毎の曲率を演算する曲率演算手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う１次評価手段とが備えられたので、板材のモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ毎の曲率と、破断限界ひずみとの両者を加味することで、板材のエッジ部分についての破断評価を簡単に行うことができる。

請求項１１記載の発明によれば、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを、有限要素法を用いて演算するひずみ演算手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを、前記穴付き試験結果に対応する値に換算するひずみ換算手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う２次評価手段とがさらに備えられたので、板材のモデルと、穴付き試験片との形状の違いを相殺して、板材のエッジ部分についての破断評価を正確に行うことができる。

図１は穴付き試験片の平面図、図２（ａ）はハット型試験体の斜視図、図２（ｂ）はそのＡ矢視図、図３は穴付き試験片の破断時の伸びとハット型試験体の伸びとの関係を示す説明図、図４は穴付き試験片と通常の引張試験及び穴広げ試験との関係を示す説明図である。

ところで、従来、板材の破断限界ひずみを調べるための手法として、所定の引張試験や、所定の穴広げ試験における各試験片での試験結果から当該板材の破断評価を行うことが一般的であるが、実際の破断は板材の凹状のエッジ部分で起こることが多いので、そのような破断については、前記試験片での試験結果による破断評価だけでは、現実の破断限界ひずみを知ることはきわめて困難である点等は上述した通りである。

そこで、本発明者らは、所謂穴付き試験片を用いて、当該板材のエッジ部分の破断評価を行うこととした。穴付き試験片とは、例えば図１に示すように、評価対象である板材に対応する材料で作られた短冊型試験片ＴＰの中央に例えば円穴ＨＬをあけたものであって、その両端をチャックでつかんで引張試験を行うものである。この穴付き試験片ＴＰの穴加工は、打ち抜き、レーザカット及びフライスによる３種類の加工方法によることとした。

そして、前記板材からなる物体として、図２（ａ）に示すように、例えば車両のＢピラー下部リトラクタ穴周辺形状を簡略化した、いわゆるハット型試験体ＨＴを用いて、側衝突時のＢピラー下部の変形状態を模擬した３点曲げ試験を実施した。具体的には、このハット型試験体ＨＴは、図２（ｂ）に示すように、前記リトラクタ穴を模擬した２つの穴ＨＬ１，ＨＬ２を設けており、このうちの穴ＨＬ１については打ち抜き加工を施しており、穴ＨＬ２についてはレーザ加工を施している。これらの穴ＨＬ１，ＨＬ２を設けたハット型試験体ＨＴをその両端を支持部材Ｂ１，Ｂ２で支持した状態で、その中央を支持部材Ｂ３で押し上げることで、前記３点曲げ試験を実施した。

そのときの穴縁部分の伸びを測定し、その測定値から、図３に示すように、ハット型試験体の伸びと、穴付き試験片の破断時の伸びとの間には高い相関関係があることがわかった。これにより、前記穴付き試験片ＴＰによる評価の妥当性を確認できた。

一方、所定の引張試験や、所定の穴広げ試験における各試験片での試験結果だけを用いて、前記穴付き試験片ＴＰでの伸びの測定値に相当する値を推定することもできることを確認した。すなわち、図４に示すように、通常の引張試験における試験片（ＪＩＳＺ２２０１，２２４１の５号型引張試験片）の伸びＥＬ_５０と、穴広げ試験における試験片（日本鉄道連盟規格ＪＦＳＴ１００１の穴広げ試験片）の限界穴広げ率λとに基づいて穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を演算する。

ここで、
λ＝（ｄ_１−ｄ_０）／ｄ_０×１００（％）・・・（１）
ただし、ｄ_０は初期穴径、ｄ_１は破断時穴径である。

ＥＬ_Ｈ２＝ａ×λ＾^ｂ×ＥＬ_５０＾^ｃ・・・（２）
ただし、各係数（換算係数）ａ，ｂ，ｃは、予め得られた前記伸びＥＬ_５０及び限界穴広げ率λと穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２（穴付き試験結果）との比較（パラメータフィッティング）により求めておいた値であって、例えば打ち抜き加工の場合には、ａ＝０．２３７，ｂ＝０．９４３，ｃ＝０．５０７であり、測定値との相関係数Ｒ＝０．９８である。レーザ加工の場合には、ａ＝１．７７１，ｂ＝０．３９１，ｃ＝０．６１８であり、測定値との相関係数Ｒ＝０．９４である。フライス加工の場合には、ａ＝１．１６９，ｂ＝０．１０４，ｃ＝１．１２４であり、測定値との相関係数Ｒ＝０．９７であって、いずれも高い相関関係を示している。

本発明は、この穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を当該試験片ＴＰの長手方向（引張方向）に２ｍｍのピッチで測定又は推定した値を用いて、板材のエッジ部分の破断評価を行うこととしたものである。上述したように、穴付き試験片ＴＰは、板材のエッジ部分を摸擬できるから、その破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２と、上記板材のエッジ部分の曲率ρとで概略の破断評価（１次評価）を行うこととし、さらに各要素を２ｍｍ×２ｍｍ、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ又は５ｍｍ×５ｍｍの寸法（所定メッシュ）で作成したＣＡＥモデルＭＤに仮想の力を加えたときのひずみε_ｎを有限要素法（ＦＥＭ）により算出し、このひずみε_ｎを前記測定ピッチに対応する値に換算し、この換算値ε_ｎ’と穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２とを比較することにより詳細な破断評価（２次評価）を行うこととしたものである。

図５は本発明の一実施形態に係る板材の破断評価装置の全体構成図である。

図５に示すように、この装置１は、例えばパーソナルコンピュータ、エンジニアリングワークステーション（ＥＷＳ）、スーパーコンピュータ等からなり、装置１の全体の動作を制御する制御部２と、外部からの操作を受け付ける図略のキーボード、マウス等からなる操作部３と、外部に音声を出力するスピーカ４と、外部に画像を出力するモニタ５と、種々の情報を格納するＨＤＤ６と、種々の情報を記録用紙に印刷するプリンタ７とがデータ伝送路であるバスＢＡ１を介して接続されている。

制御部２は、装置１の全体の動作を制御するもので、情報処理部（ＣＰＵ）２１と、処理途中の情報等を一時的に格納するＲＡＭ２２と、ＯＳ（ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）、破断評価用のプログラム及び所定の画像情報等が予め記憶されたＲＯＭ２３とを備えている。ＲＡＭ２２またはＲＯＭ２３に記憶された各種データのうち装着脱可能な記録媒体に記憶され得るデータは、例えばハードディスクドライブ、光ディスクドライブ、フレキシブルディスクドライブ、シリコンディスクドライブ、カセット媒体読み取り機等のドライバで読み取り可能にしてもよく、この場合、記録媒体は、例えばハードディスク、光ディスク、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、半導体メモリ等である。

インターフェイス部３１，６１，７１は、それぞれ操作部３、ＨＤＤ６及びプリンタ７との間のデータの授受を行うためのものである。音声再生部４１は、制御部２からの指示に従って所定の音声（例えば、アラーム、操作ガイダンス用の音声）等をスピーカ４に出力するものである。描画処理部５１は、制御部２からの画像表示指示に従って所要の画像をモニタ５に表示させるもので、ビデオＲＡＭ等を備えている。

なお、板材の破断評価用のプログラムは、ＲＯＭ２３上に記録されており、ＲＡＭ２２上にロードされ、ＣＰＵ２１によりＲＡＭ２２上のプログラムが順次実行されることによって後述する各処理部のそれぞれの機能が実現される。

図６は、制御部の一例を示す機能ブロック図である。図７はＣＡＥモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジの検出方法を示す説明図であって、（ａ）はエッジ部分の模式図、（ｂ）は各要素のコネクタビリティデータ、（ｃ）は各節点の座標データである。図８はＣＡＥモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジの曲率演算方法を示す説明図、図９はひずみ集中係数の決定方法を示す説明図、図１０は破断危険領域にあるか否かの判定方法を示す説明図、図１１はひずみ換算係数の決定方法を示す説明図である。なお、前記図９〜図１１の導出方法は後述する。

図６に示すように、制御部２のＲＡＭ２２は、凹状のエッジ部分を有する板材をモデル化したＣＡＥモデル（モデルに相当する。）ＭＤを記憶しておくモデル記憶部２２１と、穴付き試験片ＴＰの穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を記憶しておくひずみ記憶部（メモリに相当する。）２２２とを備えている。

また、ＣＰＵ２１は、前記ＣＡＥモデルＭＤを作成（又は修正）するモデル作成部（モデル作成手段に相当する。）２１０と、このＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出するエッジ検出部（エッジ検出手段に相当する。）２１１と、前記各要素のエッジ側の曲率ρを求める曲率演算部（曲率演算手段に相当する。）２１２と、該各要素のエッジ側の曲率ρと、当該エッジ部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２とに基づいてエッジ部分の破断についての前記１次評価を行う１次評価部（１次評価手段に相当する。）２１３と、ＣＡＥモデルＭＤに対して仮想の力を加えたときの該ＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のひずみε_ｎを、有限要素法を用いて演算するひずみ演算部（ひずみ演算手段に相当する。）２１４と、前記各要素のエッジ側の長さＬと曲率ρとに基づいて前記各要素のひずみε_ｎを前記測定ピッチに対応する値に換算するひずみ換算部（ひずみ換算手段に相当する。）２１５と、該ひずみε_ｎの換算値ε_ｎ’と前記破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２とを比較して板材のエッジ部分での破断についての前記２次評価を行う２次評価部（２次評価手段に相当する。）２１６とを備えている。

モデル作成部２１０は、例えば図７（ａ）に示すように、要素番号１００、１０１，１０２，１０３，・・・からなる複数の要素からなるＣＡＥモデルＭＤを作成したとすると、その節点番号１０〜１９のうちの隣り合う２つの節点でもって各要素の辺を構成する。なお、各要素内の節点番号の参照順を同図中の丸付き数字１〜４で示しており、例えば図７（ｂ）に示すように、要素番号１００の要素の節点は、節点番号１０，１１，１５，１４の順に参照されるようになっている。

エッジ検出部２１１は、前記図７（ｂ）に示すように、モデル記憶部２２１に記憶されたＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のコネクタビリティから、各節点がどの要素に共有されているかをチェックし、各要素の辺を構成する２つの節点が、隣り合う要素間で共有されているかをチェックし、隣り合う要素間で共有されていれば、エッジではなく、板材内部の辺であると判定し、隣り合う要素間で共有されていなければ、エッジであると判定するように構成されている。なお、図７（ｃ）は、各節点の３次元の座標データであり、例えば節点番号１０のＸ座標が１２４．５、Ｙ座標が２８６．２、Ｚ座標が１１．０である場合を示している。

曲率演算部２１２は、例えば図８に示すように、破断を判定する要素の一側と隣り合う要素の両側とを構成する３点の節点を通る円弧の半径ｒ_１を求めるともに、破断を判定する要素の他側と隣り合う要素の両側とを構成する３点の節点を通る円弧の半径ｒ_２を求めて、両半径ｒ_１，ｒ_２の平均値ｒ_ａｖｅを演算するものである。また、曲率演算部２１２は、この平均値ｒ_ａｖｅの逆数（１／ｒ_ａｖｅ）である曲率ρを、図９に代入して、いわゆるひずみ集中係数αを決定するものでもある。ここで、ひずみ集中係数αとは、後述する図１５に示すように、穴付き試験片ＴＰにおいて、ひずみ分布検出範囲における平均ひずみε_ａｖｅに対する最大ひずみε_ｍａｘの割合である。

１次評価部２１３は、曲率ρを破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２で除して破断危険度γを演算し、この破断危険度γを、図１０に代入して破断危険領域にあるか否かを判定するものである。

なお、ＲＡＭ２２のひずみ記憶部２２２に記憶された破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２は、以下のように求めるものとする。例えば、前記図１に示すような穴付き試験片ＴＰを用いてその穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を求める。

或いは、前述したように、通常の引張試験における板状試験片（ＪＩＳＺ２２０１，２２４１の５号型引張試験片）の伸びＥＬ_５０と、穴広げ試験における板状試験片（鉄連規格ＪＦＳＴ１００１の穴広げ試験片）の限界穴広げ率λとを前記（２）式に代入することにより、前記穴付き試験片ＴＰの穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を推定する。

ひずみ演算部２１４は、ＣＡＥモデルＭＤを所定メッシュで要素に分けて、そのＣＡＥモデルＭＤに対して仮想の力を加えたときに、当該ＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のひずみε_ｎを、有限要素法を用いて演算するものである。

ひずみ換算部２１５は、前記各要素のエッジ側の長さＬと曲率ρとを図９に代入して換算係数βを求めるものである。ひずみ換算部２１５は、この各要素のひずみε_ｎにひずみ換算係数βを乗算して、前記穴付き試験片の穴縁部分のひずみの測定ピッチに対応する値ε_ｎ’に換算するものでもある。

２次評価部２１６は、ひずみ換算部２１５による換算値ε_ｎ’が破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えたか否かを判定するものであって、換算値ε_ｎ’が破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えたときに板材のエッジ部分が破断すると判定し、超えないときには破断しないと判定するものである。

図１２は、制御部２の動作の一例を表すフローチャートである。

図１２において、まず制御部２のモデル作成部２１０は、凹状のエッジを有する板材のＣＡＥモデルＭＤを作成し、モデル記憶部２２１に記憶する（ステップＳ１）。このとき、車両などの複数の板材からなるものについては、フレームやピラーといった部品単位でモデル化して記憶しておく。ついで、その車両の各部品の鋼板規格、板厚を設定し、この設定値についても、前記モデル記憶部２２１に記憶する（ステップＳ２）。ここでは前記表１で示した鋼板（鋼種がＪＡＣ４４０Ｗであって、板厚ｔ＝１．４ｍｍである。）を使用するものとする。

穴付き試験片ＴＰの穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を算出（推定）又は測定し、ひずみ記憶部２２２に記憶する（ステップＳ３）。ここでは、所定の引張試験と穴広げ試験とによる測定結果から、穴付き試験片ＴＰの穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を推定するものとする。この穴付き試験片ＴＰの鋼種がＪＡＣ４４０Ｗで、例えば打ち抜き加工である場合には、ＥＬ_５０＝３６％、λ＝５７である。したがって、前記（２）式にこれらの値を代入すると、ＥＬ_Ｈ２＝０．２３７×５７^{０．９４３}×３６^{０．５０７}＝６６となるが、実際の穴付き試験片を用いて破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を測定してもほぼ同様の値を得ることができる。

しかる後、検出部２１１は、ＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出する（ステップＳ４）。具体的には、モデル記憶部２２１に記憶されたＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のコネクタビリティを示す図７（ｂ）から、各節点がどの要素に共有されているかをチェックし、各要素の辺を構成する２点の節点が、隣り合う要素間で共有されているかをチェックする。例えば節点１１，１５のように隣り合う要素１００，１０１間で共有されていれば、エッジではなく、内部の辺＃１であると判定し、節点１１，１２のように、隣り合う要素１００，１０１（１０１，１０２）間で共有されていなければ、エッジ＃２であると判定する。

ついで、曲げ演算部２１２は、ＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素に対して、エッジの長さＬ、半径ｒ_１，ｒ_２、その平均値ｒ_ａｖｅをそれぞれ算出する（ステップＳ５）。例えば図８に示すように、破断を判定する要素の一側と隣り合う要素の両側とで構成される３点の節点を通る円弧の半径ｒ_１を求めるとともに、破断を判定する要素の他側と隣り合う要素の両側とで構成される３点の節点を通る円弧の半径ｒ_２を求めて、両半径ｒ_１，ｒ_２の平均値ｒ_ａｖｅを演算する。そして、この平均値ｒ_ａｖｅの逆数であるエッジの曲率ρを決定するとともに、この曲率ρを、さらに図９に代入して、いわゆるひずみ集中係数αを決定する（ステップＳ６）。

ついで、１次評価部２１３は、ＣＡＥモデルＭＤにおける破断危険度γ（＝ρ／ＥＬ_Ｈ２）を算出し、この破断危険度γを、図１０に代入してそれが破断危険領域にあるか否かを推定する。すなわち、１次評価部２１３は、破断危険度γが閾値（γ＝１．０）を超えたか否かを判定する（ステップＳ７）。この閾値は、発明者らの経験により設定した危険領域から決定されたものである。ここで、破断危険度γが閾値を超えたと判定されると、破断の危険があるとの１次評価を行い、ステップＳ１に戻って、そのＣＡＥモデルを修正する。ＣＡＥモデルの修正は、モデル作成部２１０により部品単位で行う。一方、１次評価部２１３によって、破断危険度γが閾値を超えていないと判定されると、破断の危険性が低いとの１次評価を行い、次のステップに進む。

ついで、ひずみ換算部２１５は、要素のエッジの長さＬと、曲率ρとを図１１に代入してひずみ換算係数βを求め（ステップＳ８）、ひずみ演算部２１５は、ＣＡＥモデルＭＤに仮想の力を加えて有限要素法によるひずみ計算を行って（ステップＳ９）、各要素のひずみε_ｎを出力する（ステップＳ１０）。ひずみ換算部２１５は、前記ひずみ換算係数βを用いてエッジ要素のひずみε_ｎを前記測定ピッチに対応する値に換算する（ステップＳ１１）。

ついで、２次評価部２１６は、この換算値ε_ｎ’が前記破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えたか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで、換算値ε_ｎ’が前記破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えたと判定されると、破断するとの２次評価を行い、ステップＳ１戻って、そのＣＡＥモデルＭＤを修正する。ＣＡＥモデルの修正は、モデル作成部２１０により部品単位で行う。一方、２次評価部２１６によって、換算値ε_ｎ’が前記破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えていないと判定されると、破断しないとの２次評価を行い、全ての評価を終了する。

以下、鋼板のエッジ部分の破断評価を実施する際に必要な各種係数の検討結果を示す。なお、ここでは各種係数を導出するための穴付き試験片のモデルを、前記ＣＡＥモデルと区別するために解析モデルという。

解析モデルの使用材料は、例えば鋼材ＪＡＣ４４０Ｗであって、その鋼板の機械的性質（ＪＩＳ５号引張試験）を表１に示す。また有限要素法に使用するＳｗｉｆｔパラメータ（Ｆ，Ｅ_０，ｎ）は表２に示す通りである。これはＪＩＳ５号引張試験で得られた応力（σ）−ひずみ（ε）線図を、Ｓｗｉｆｔの式（σ＝Ｆ（Ｅ_０＋ε）^ｎ）でパラメータフィッティングしたものである。

前記解析モデルとその拘束条件を図１３に示した。すなわち、解析モデルとしての穴付き試験片は、１５０ｍｍ×４０ｍｍの短冊型試験片の中央に幅１０ｍｍ、長さ７，１０，１５，２０，４０ｍｍの楕円穴又は円穴を設けたものである。要素サイズは、２ｍｍ、３．５ｍｍ及び５ｍｍである。なお、穴付き試験片の穴形状を、円形を含む楕円としたのは、当該試験片の大きさを同じにして、穴縁側の半径だけを変化させることができるからである。

その試験片の一端側を同図中のＸ，Ｙ方向に拘束した上で、他端側に対してはＹ方向への変位δ＝３ｍｍを与えた。

このときのひずみと曲率ρとを図１４のようにして求めた。すなわち、例えば要素サイズが２ｍｍで、Ｈ＝７ｍｍの場合に最大に検出できる範囲（ひずみ分布検出範囲：１４ｍｍ）における最大ひずみε_ｍａｘと平均ひずみε_ａｖｅとの比でひずみ集中係数αを示すことができる。

このひずみ集中係数αを求めた結果を図１５に示した。ここでは、最大ひずみε_ｍａｘが０．２５、平均ひずみε_ａｖｅが０．１５となっているから、ひずみ集中係数α＝０．２５／０．１５＝１．６７となっている。

また、ひずみ換算係数βは要素サイズが２ｍｍの破断判定要素のひずみを、要素サイズが３．５ｍｍ又は５ｍｍの破断判定要素のひずみで除したものである。穴付き試験片はもともと長手方向に２ｍｍのピッチで測定等しているので、このひずみ換算係数βによって、他の要素サイズで作成したＣＡＥモデルを用いて算出されたひずみε_ｎであっても、穴付き試験片の穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２との比較が、同じ要素サイズ（穴付き試験片の測定ピッチに対応する値ε_ｎ’）で行うことができるようになる。

前記解析モデルを用いた解析結果より、前記解析条件毎のひずみ集中係数αと、各要素の破断危険部の曲率ρとを導出して前記図９を作成した。また、各要素の破断危険部の曲率ρと、その破断限界ひずみＥＨ_Ｈ２とを導出して前記図１０を作成した。さらに、各要素の要素エッジ部の長さＬと、換算係数βとを導出して前記図１１を作成した。

以上説明したように、本実施形態によれば、穴付き試験片ＴＰの穴縁部分の破断限界ひずみＥＨ_Ｈ２を測定又は推定して、その値をひずみ記憶部２２２に記憶しておくとともに、制御部２のモデル作成部２１０によって所定メッシュで作成されたＣＡＥモデルをモデル記憶部２２１に記憶しておき、このモデル記憶部２２１に記憶しておいたＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分を構成する各要素のエッジをエッジ検出部２１１によって検出し、曲率演算部２１２によって、前記検出されたエッジ毎の半径ｒの平均値ｒ_ａｖｅを演算することにより、前記各要素のエッジ側の曲率ρを求め、１次評価部２１３によって、その各要素のエッジ側の曲率ρと、前記ひずみ記憶部２２２に記憶しておいた破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２とに基づいてＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分の破断に関する１次評価を行うので、簡単に板材のエッジ部分の破断評価を行うことができる。

さらに、制御部２のひずみ演算部２１４によって、ＣＡＥモデルＭＤに対して仮想の力を加えたときの該ＣＡＥモデルＭＤを構成する各要素のひずみε_ｎを、有限要素法を用いて演算し、ひずみ換算部２１５によって、前記各要素のエッジ側の長さＬと曲率ρとに基づいて該各要素のひずみε_ｎを、前記穴付き試験片ＴＰにおけるひずみの測定ピッチに対応する値ε_ｎ’に換算し、２次評価部２１６によって、そのひずみの換算値ε_ｎ’をひずみ記憶部２２２に記憶しておいた前記破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を超えたか否かでＣＡＥモデルＭＤのエッジ部分の破断に関する２次評価が行われるので、正確に板材のエッジ部分の破断評価を行うことができる。

なお、上記実施形態では、車両のＢピラーに関する解析例を示したが、その他電車、飛行機、家電製品等の板材からなるあらゆる部品等についても本発明を適用できることはいうまでもない。また、板材は鋼板に限定されず、その他の金属であってもよいし、さらには非金属製の板材であってもよい。

また、上記実施形態では、所定の引張試験による試験片の伸びＥＬ_５０と、所定の穴広げ試験による試験片の限界穴広げ率λとの積で、前記板材と同一材料製の試験片の中央に所定径の円穴をあけた穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を測定ピッチで推定しているが、所定の引張試験による試験片の伸びＥＬ_５０と、所定の穴広げ試験による試験片の限界穴広げ率λとの和で、前記板材と同一材料製の穴付き試験片ＴＰにおける穴縁部分の破断限界ひずみＥＬ_Ｈ２を所定メッシュで推定してもよい。

また、上記実施形態では、穴付き試験片ＴＰの測定ピッチを２ｍｍとし、ＣＡＥモデルＭＤの各要素のメッシュを２ｍｍ、３．５ｍｍ、５ｍｍのいずれかとしているが、いずれについても、その他のサイズを採用してもよい。さらに、ＣＡＥモデルＭＤの各要素を四角形としているが、三角形等であってもよいし、そのメッシュにしても、均一なものとせず、エッジ側の要素を中心側の要素よりも小さいメッシュとして演算時間を節約することとしてもよい。

穴付き試験片の平面図である。（ａ）はハット型試験体の斜視図、（ｂ）はそのＡ矢視図である。穴付き試験片の破断時の伸びとハット型試験体の伸びとの関係を示す説明図である。穴付き試験片と、通常の引張試験及び穴広げ試験との関係を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る板材の破断評価装置の全体構成図である。制御部の一例を示す機能ブロック図である。ＣＡＥモデルを構成する各要素のエッジ検出方法を示す説明図であって、（ａ）はエッジ部分の模式図、（ｂ）は各要素のコネクタビリティデータ、（ｃ）は各節点の座標データである。ＣＡＥモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジの曲率演算方法を示す説明図である。ひずみ集中係数の決定方法を示す説明図である。破断危険領域にあるか否かの判定方法を示す説明図である。ひずみ換算係数の決定方法を示す説明図である。制御部の動作を示すフローチャートである。解析条モデル及び拘束条件を示す説明図である。ひずみと、曲率とを検出する方法を示す説明図である。ひずみ集中係数の算出方法を示す説明図である。

符号の説明

１装置（板材の破断評価装置に相当する。）
２制御部
２１ＣＰＵ
２１０モデル作成部（モデル作成手段に相当する。）
２１１エッジ検出部（エッジ検出手段に相当する。）
２１２曲率演算部（曲率演算手段に相当する。）
２１３１次評価部（１次評価手段に相当する。）
２１４ひずみ演算部（ひずみ演算手段に相当する。）
２１５ひずみ換算部（ひずみ換算手段に相当する。）
２１６２次評価部（２次評価手段に相当する。）
２２ＲＡＭ
２２１モデル記憶部
２２２ひずみ記憶部（メモリに相当する。）
２３ＲＯＭ
ＴＰ穴付き試験片
ＭＤＣＡＥモデル（モデルに相当する。）

Claims

凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う方法であって、
前記板材に対応する材料で作成した穴付き試験片を用いて引張試験を行ったときの該穴付き試験片の破断限界ひずみを測定し、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価を行うことを特徴とする板材の破断評価方法。
凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う方法であって、
所定の引張試験における試験片の伸びと、所定の穴広げ試験における試験片の限界穴広げ率とに基づいて、前記板材に対応する材料で作成した穴付き試験片を用いて引張試験を行ったときの該穴付き試験片の破断限界ひずみを推定し、この破断限界ひずみに基づいて前記板材のエッジ部分の破断評価を行うことを特徴とする板材の破断評価方法。
所定の引張試験における試験片の伸びと、所定の穴広げ試験における試験片の限界穴広げ率と、予め得られた前記伸び及び限界穴広げ率と穴付き試験結果との換算係数とに基づいて、前記穴付き試験片の破断限界ひずみを推定することを特徴とする請求項２記載の板材の破断評価方法。
前記板材を所定メッシュでモデル化し、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率と前記破断限界ひずみとに基づいて、前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の板材の破断評価方法。
前記１次評価において、前記モデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジ側の曲率と前記破断限界ひずみとの比が所定の閾値を超えたときに、前記板材のエッジ部分が破断する可能性があると判定することを特徴とする請求項４記載の板材の破断評価方法。
前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを有限要素法を用いて演算し、この各要素のひずみの演算値を前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて前記穴付き試験結果に対応する値に換算し、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行うことを特徴とする請求項４又は５記載の板材の破断評価方法。
前記２次評価において、前記ひずみの換算値が前記破断限界ひずみを超えたときに、前記板材のエッジ部分が破断すると判定することを特徴とする請求項６記載の板材の破断評価方法。
コンピュータを用いて、凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行うためのプログラムであって、
前記コンピュータを、前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみをメモリに予め記憶しておく手段と、前記板材を所定メッシュでモデル化する手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出する手段と、該エッジ毎の曲率を演算する手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う手段として機能させることを特徴とする板材の破断評価プログラム。
前記コンピュータを、前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを有限要素法を用いて演算する手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを前記穴付き試験結果に対応する値に換算する手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う手段としてさらに機能させることを特徴とする請求項８記載の板材の破断評価プログラム。
凹状のエッジ部分を有する板材の破断評価を行う装置であって、
前記請求項１又は２記載の板材の破断評価方法によって求められた破断限界ひずみを予め記憶しておくメモリと、前記板材を所定メッシュでモデル化するモデル化手段と、このモデルのエッジ部分を構成する各要素のエッジを検出するエッジ検出手段と、該エッジ毎の曲率を演算する曲率演算手段と、該各要素のエッジ側の曲率と前記メモリに記憶しておいた破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての１次評価を行う１次評価手段とを備えたことを特徴とする板材の破断評価装置。
前記モデルに対して仮想の力を加えたときの該モデルのエッジ部分を構成する各要素のひずみを、有限要素法を用いて演算するひずみ演算手段と、前記各要素のエッジ側の長さと曲率とに基づいて該各要素のひずみを、前記穴付き試験結果に対応する値に換算するひずみ換算手段と、該ひずみの換算値と前記破断限界ひずみとに基づいて前記板材のエッジ部分の破断についての２次評価を行う２次評価手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１０記載の板材の破断評価装置。