JP2008157882A - Method for predicting fatigue life of spot welding structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法に関し、例えば、自動車のボディにおいて疲労亀裂が発生する可能性のある部位の疲労寿命を予測する方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting fatigue life of a spot welded structure in which a plurality of metal plates are spot-welded at a plurality of locations, for example, predicting fatigue life of a portion where fatigue cracks may occur in an automobile body. On how to do.
自動車の開発において、軽量化、開発期間短縮、試作車両の削減の課題に応えるため、近年コンピュータを用いたＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）による各種性能の予測が積極的に推進されている。車体の強度評価についても例外ではなく、その技術も加速的に進歩しており、構造体の強度解析のためには有限要素法が有用なことがこれまでに検証されている。構造体の中には、自動車のボディのように、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているものがあり、この種のスポット溶接構造体の強度をコンピュータを用いて解析する場合には、スポット溶接部をモデル化し、そのモデルに対して有限要素法を適用するのが一般的である。 In the development of automobiles, in order to meet the challenges of weight reduction, development period shortening, and prototype vehicle reduction, in recent years, various performance predictions by computer aided engineering (CAE) using a computer have been actively promoted. The strength evaluation of the car body is no exception, and the technology is also accelerating, and it has been verified that the finite element method is useful for strength analysis of structures. Some structures, such as automobile bodies, have multiple metal plates spot welded at multiple locations. When analyzing the strength of this type of spot welded structure using a computer, In general, a spot weld is modeled and a finite element method is applied to the model.
例えば、特許文献１には、平板とＬ型板とをあわせてスポット溶接構造としてのＬＰモデルを作成し、ＬＰモデル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溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径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に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論を用いて求め、この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方法が提案されている。ここで、有限要素法解析用シェルモデルは、シェル要素を用いて作成されるものであり、ナゲット部付近をくもの巣状の密なシェル要素に分割するモデルである。 For example, in Patent Document 1, an LP model as a spot welded structure is created by combining a flat plate and an L-shaped plate, a shell model for finite element method analysis is created for the LP model, and the created finite element method analysis Finite element method linear elastic analysis using a shell model for the load, the shared load of the weld nugget at the center of the spot weld, the deflection on the circumference of the diameter D drawn around the weld nugget, and the radial direction The nominal structural stress in the weld nugget is calculated using the disc theory of elasticity based on the calculated shared load, the deflection on the circumference, and the radial tilt, and spot welding is performed from this nominal structural stress. Methods have been proposed to predict the fatigue life of structures. Here, the shell model for the finite element method analysis is created using shell elements, and is a model that divides the vicinity of the nugget portion into dense nest-like shell elements.
また、特許文献２には、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溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上の変位とを算出し、算出した分担荷重及び円周上の変位に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論及び二次元弾性論を用いて求め、この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方法が提案されている。 Further, in Patent Document 2, a finite element method analysis shell model is created for a spot welded structure, a finite element method linear elastic analysis is performed using the created finite element method analysis shell model, and the center of the spot weld is formed. The load distribution of the weld nugget part and the displacement on the circumference of the diameter D drawn around the weld nugget part are calculated, and the nominal structure in the weld nugget part based on the calculated share load and the displacement on the circumference A method has been proposed in which stress is obtained by using elastic disk theory and two-dimensional elasticity theory, and the fatigue life of a spot welded structure is predicted from the nominal structural stress.
さらに、特許文献３には、複数枚のパネルが複数箇所でスポット溶接されて形成されている構造体の亀裂発生危険部位を予測する方法であり、スポット溶接部を共有節点モデルでモデル化する工程と、そのモデルに有限要素法を適用して、共有節点に隣接する節点での面直方向の剥離距離に対応する値を算出する工程と、算出された値を所定値と比較する工程とを備えることによって亀裂発生危険部位を予測する方法が提案されている。
ここで、実際の疲労試験におけるスポット溶接構造体の破壊現象では、疲労寿命に達したスポット溶接部が順次破断していく。そして、スポット溶接構造のスポット溶接部が破断すると、破断したスポット溶接部が負担していた外的負荷を残りのスポット溶接部が負担することとなる。したがって、スポット溶接部の破断が進行すると、残りのスポット溶接部が負担する外的負荷が除々に増大することとなる。 Here, in the fracture phenomenon of the spot welded structure in the actual fatigue test, the spot welded portion that has reached the fatigue life is sequentially broken. When the spot welded portion of the spot welded structure breaks, the remaining spot welded portion bears the external load that was borne by the broken spot welded portion. Therefore, when the breakage of the spot welded portion proceeds, the external load borne by the remaining spot welded portion will gradually increase.
しかしながら、特許文献１から３に提案された方法では、スポット溶接部の破断の進行と残りのスポット溶接部が負担する外的負荷の増大との関係が考慮されておらず、スポット溶接構造の疲労寿命を精度よく予測することができないという問題がある。
本発明は上記した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能なスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を提供することにある。
However, in the methods proposed in Patent Documents 1 to 3, the relationship between the progress of fracture of the spot welded portion and the increase in external load borne by the remaining spot welded portions is not considered, and the fatigue of the spot welded structure is not considered. There is a problem that the life cannot be accurately predicted.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is to accurately simulate the fatigue phenomenon of a spot welded structure by simulating the fracture phenomenon of an actual spot welded structure. An object of the present invention is to provide a fatigue life prediction method for a spot welded structure that can be well predicted.
本願請求項１記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とする。
In the spot welded structure fatigue life prediction method according to claim 1 of the present invention, in each spot welded portion of a finite element model of a spot welded structure in which a plurality of metal plates are spot welded at a plurality of locations, the metal plates are While modeling with shell elements, one weld nugget is modeled with one beam element,
The finite element method is applied to the model, and the force and moment applied to each shared node are calculated from a plurality of shell elements connected to each shared node where the shell element and the beam element are connected in each spot weld. ,
Calculate the evaluation stress of each shared node from the calculated force and moment,
A fatigue life prediction method for a spot welded structure that predicts the fatigue life of each shared node based on a calculated evaluation stress and a fatigue life diagram prepared in advance,
Calculate the damage of each shared node from the predicted fatigue life of each shared node,
A spot weld where the shared node where the calculated damage value has reached the fatigue life is removed from the finite element model, and the calculation of the fatigue life of each shared node is repeated.
また、本願請求項２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、そのモデルに有限要素法を適用して前記スポット溶接構造体の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とする。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
Further, the fatigue life prediction method for a spot welded structure according to claim 2 of the present application is such that, in each spot weld portion of a finite element model of a spot welded structure in which a plurality of metal plates are spot welded at a plurality of locations, the metal A spot welded structure in which a plate is modeled by a shell element, one weld nugget is modeled by one beam element, and the fatigue life of the spot welded structure is predicted by applying a finite element method to the model. The fatigue life prediction method of
Calculating a force and moment applied to each shared node from a plurality of shell elements connected to each shared node to which the beam element is connected to the shell element in each spot weld;
A step of calculating an evaluation stress of each shared node from the calculated force and moment;
Predicting the fatigue life Nf of each shared node based on the calculated evaluation stress and a fatigue life diagram prepared in advance;
Calculating the fatigue life Nfi of each shared node from the predicted fatigue life Nf and the residual damage Dlei according to the following equation (1):
Calculating the shortest fatigue life Nfi min among the calculated fatigue life Nfi of each shared node;
Calculating the damage Di received by each of the shared nodes during the determined shortest fatigue life Nfi min by the following formula (2):
From the calculated damage Di, a step of calculating a residual damage Dlei until each of the shared nodes reaches breakage according to the following formula (3):
Removing the spot weld where the shared node having the calculated residual damage Dlei value of 0 is present from the finite element model,
Each of the steps is repeated until the value of the remaining damage Drei of the preset number of spot welds becomes zero.
Nfi = Nf · Dle (i−1) (1)
Di = Nfi min / Nfi (2)
本願請求項１又は２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、予測された各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、算出されたダメージが破断限界に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返す構成により、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることができ、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。 According to the fatigue life prediction method for a spot welded structure according to claim 1 or 2, the damage of each shared node is calculated from the predicted fatigue life of each shared node, and the calculated damage reaches the fracture limit. By removing the spot weld where the shared node is present from the finite element model and repeatedly calculating the fatigue life of each shared node, it is possible to simulate the fracture phenomenon of the actual spot welded structure, It is possible to accurately predict the fatigue life of the welded structure.
以下、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を図面を参照して説明する。
図１は、スポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。図２は、図１に示す有限要素解析モデルのうちのある一つのスポット溶接部の拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法のフローチャートである。図４は、ビーム要素の各端部にシェル要素から加わる力とモーメントを示す図である。図５は、評価応力と疲労寿命との関係を示す疲労寿命線図である。
Hereinafter, a fatigue life prediction method for a spot welded structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a finite element analysis model of a spot welded structure. FIG. 2 is an enlarged view of one spot welded portion of the finite element analysis model shown in FIG. FIG. 3 is a flowchart of a fatigue life prediction method for a spot welded structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the force and moment applied from the shell element to each end of the beam element. FIG. 5 is a fatigue life diagram showing the relationship between the evaluation stress and the fatigue life.
本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、実際のスポット溶接構造体（図示せず）の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測するものである。なお、以下の処理はコンピュータにより行われる。
すなわち、スポット溶接構造体について有限要素法による解析を行うべく、図１に示すスポット溶接構造体モデル（有限要素モデル）１を作成する。
The method for predicting fatigue life of a spot welded structure according to an embodiment of the present invention predicts the fatigue life of a spot welded structure with high accuracy by simulating the fracture phenomenon of an actual spot welded structure (not shown). To do. The following processing is performed by a computer.
That is, the spot welded structure model (finite element model) 1 shown in FIG. 1 is created to analyze the spot welded structure by the finite element method.
スポット溶接構造体モデル１では、図１に示すように、複数枚の鋼板（金属板）２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｅ，２ｆが複数のスポット溶接部（図１において図示せず）でスポット溶接されている。
そして、作成されたスポット溶接構造体モデル１について、所定位置に荷重を引張方向と圧縮方向に与える両振り荷重の条件で、有限要素法による構造解析を行う。
In the spot welded structure model 1, as shown in FIG. 1, a plurality of steel plates (metal plates) 2a, 2b, 2c, 2e, 2f are spot welded at a plurality of spot welds (not shown in FIG. 1). ing.
Then, the created spot welded structure model 1 is subjected to structural analysis by a finite element method under the condition of a swing load that applies a load at a predetermined position in the tension direction and the compression direction.
かかる構造解析においては、まず、図２に示すように、スポット溶接構造体モデル１の各スポット溶接部３において、溶接される２枚の鋼板をシェル要素４でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部５を１本のビーム要素６でモデル化する。ここで、各シェル要素４とビーム要素６の各端とは、共有節点７で接続されている。また、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが繋がっている。なお、本実施形態においては、各シェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは四角形要素であるが、四角形以外の要素であっても構わない。
In such structural analysis, first, as shown in FIG. 2, in each spot welded
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを以下の方法により算出する。ここで、予め設定されるｍの値は、スポット溶接構造体モデル１に存在する全てのスポット溶接部３の数以下であれば任意に設定することが可能である。
まず、図３に示すように、スポット溶接構造体モデル１について有限要素法による構造解析を行い、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７について、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから各共有節点７に加わる力とモーメントを算出する（ステップＳ１０１）。ここで、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、全てのスポット溶接部３が存在するスポット溶接構造体モデル１について構造解析が行われることとなる。
And the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until a fracture occurs in the
First, as shown in FIG. 3, the spot welded structure model 1 is subjected to structural analysis by the finite element method, and the four
この場合、図４に示すように、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから、シェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙが加わる。
そして、算出された力とモーメントとから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における評価応力Δσｓｔを算出する（ステップＳ１０２）。
In this case, as shown in FIG. 4, each shared
Then, an evaluation stress Δσst at each shared
ここで、本実施形態においては、両振り荷重による構造解析を行っているため、評価応力Δσｓｔは、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差により算出される。なお、評価応力Δσｓｔの算出方法は、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差以外の方法により算出する構成としても構わない。
そして、評価応力σｓｔは、有限要素法により算出されたシェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙと下記式（４）とから算出される。
Here, in this embodiment, since structural analysis is performed with a double swing load, the evaluation stress Δσst is the difference between the evaluation stress σst max that is the maximum value of the amplitude and the evaluation stress σst min that is the minimum value of the amplitude. Is calculated by The evaluation stress Δσst may be calculated by a method other than the difference between the evaluation stress σst max that is the maximum value of the amplitude and the evaluation stress σst min that is the minimum value of the amplitude.
The evaluation stress σst includes the shear forces Fx and Fy in the shell element plane calculated by the finite element method, the stress Fz in the direction perpendicular to the shell element plane, the bending moment Mx and My acting on the shell element plane, and It is calculated from equation (4).
ただし、ｄは図２に示す溶接ナゲット部５の溶接ナゲット径、ｔは鋼板の板厚、θは図２及び図４に示す角度である。
However, d is the weld nugget diameter of the
次に、予め実験によって作成しておいた評価応力Δσｓｔと疲労寿命との関係を示すデータを格納したデータベースとに基づいて、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。ここで、本実施形態においては、算出された評価応力Δσｓｔと、予め準備された図５に示す疲労寿命線図とに基づき疲労寿命Ｎｆを予測する。なお、疲労寿命Ｎｆは、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に評価応力Δσｓｔを繰り返し作用した場合の、各共有節点７が破断するまでの繰り返し数（サイクル）として予測される。
Next, the fatigue life Nf of each shared
そして、予測された疲労寿命Ｎｆから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する（ステップＳ１０４）。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
ここで、ｉの値は１からｍまで順次設定され、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時にはｉ＝１となる（以下同様）。
Then, the fatigue life Nfi of each shared
Nfi = Nf · Dle (i−1) (1)
Here, the value of i is sequentially set from 1 to m, and i = 1 when calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the first spot welded
また、有限要素法による構造解析を開始する前のスポット溶接構造体モデル１では、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７はダメージを受けていない状態となっている。したがって、この場合、各共有節点７のダメージの値は０となるため、後述する各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ０の値は１となる。よって、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１が下記式（５）により算出されることとなる。
Ｎｆ１＝Ｎｆ ・・・（５）
Further, in the spot welded structure model 1 before starting the structural analysis by the finite element method, each shared
Nf1 = Nf (5)
また、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎが求められる。
Moreover, the shortest fatigue life Nfi min is calculated | required among the fatigue life Nfi of each shared
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the first spot welded
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
And the damage Di which each shared
Di = Nfi min / Nfi (2)
ここで、本実施形態においては、ダメージＤｉは、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎ間に各共有節点７に作用した各評価応力Δσｓｔの繰り返し数の、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉに対する比として算出している。よって、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７のダメージＤｉの値は１となる。そして、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされる。
Here, in the present embodiment, the damage Di is calculated as a ratio of the number of repetitions of each evaluation stress Δσst applied to each shared
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ１が下記式（６）により算出されることとなる。
Ｄ１＝Ｎｆ１ｍｉｎ／Ｎｆ１ ・・・（６）
また、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the first spot welded
D1 = Nf1 min / Nf1 ··· ( 6)
Further, the residual damage Dlei until each shared
ここで、上述したように、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされることから、残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった共有接点７は破断が生じたものとされる。
Here, as described above, since the shared
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、残存ダメージＤｌｅ１が下記式（７）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ１＝１−Ｄ１ ・・・（７）
そして、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３は破断が生じたものとされる。
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the first spot welded
Dle1 = 1−D1 (7)
Then, the spot welded
次に、ｉ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを下記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
Next, the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the spot welded
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（９）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ ・・・（９）
The fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the
Nfst = Nf1 min (9)
次に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かの判定が行われる（ステップＳ１０９）。
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたと判定された場合には処理を終了する。
一方、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６をスポット溶接構造体モデル１から取り除く（ステップＳ１１０）。
Next, it is determined whether or not fracture has occurred in the
And when it determines with the fracture | rupture having arisen in the m
On the other hand, when it is determined that no fracture has occurred in the
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９を繰り返す。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１から取り除かれる。
Then, returning to step S101, the structural analysis is performed again on the spot welded structure model 1 from which the
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the first spot welded
そして、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出が行われる。
この場合、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に加わる力とモーメントを算出し（ステップＳ１０１）、各共有節点７における評価応力Δσｓｔを改めて算出する（ステップＳ１０２）。
Then, the structural analysis is performed again on the spot welded structure model 1 from which the
In this case, the force and moment applied to each shared
また、改めて算出された評価応力Δσｓｔと図５に示す疲労寿命線図とに基づき、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における、改めて算出された評価応力Δσｓｔに対応する疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。この場合、ここで予測された各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における疲労寿命Ｎｆは、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの間に各共有節点７が既に受けたダメージＤ１を考慮していないものとなっている。
Further, based on the newly calculated evaluation stress Δσst and the fatigue life diagram shown in FIG. 5, the fatigue life corresponding to the newly calculated evaluation stress Δσst at each shared
そこで、算出された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅ１とから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２を上記式（１）により改めて算出する（ステップＳ１０４）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２が下記式（１０）により算出されることとなる。
Ｎｆ２＝Ｎｆ・Ｄｌｅ１ ・・・（１０）
Therefore, from the calculated fatigue life Nf and the remaining damage Dle1, the fatigue life Nf2 of each shared
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the second spot welded
Nf2 = Nf · Dle1 (10)
また、改めて算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ２を上記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
Moreover, the shortest fatigue life Nf2 min is calculated | required among the fatigue life Nf2 of each shared
Then, the damage D2 received by each shared
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が受けるダメージＤ２が下記式（１１）により算出されることとなる。
Ｄ２＝Ｎｆ２ｍｉｎ／Ｎｆ２ ・・・（１１）
さらに、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２を上記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the second spot welded
D2 = Nf2 min / Nf2 ··· ( 11)
Further, the residual damage Dle2 until each shared
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２が下記式（１２）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ２＝１−（Ｄ１＋Ｄ２） ・・・（１２）
When calculating the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the second spot welded
Dle2 = 1− (D1 + D2) (12)
次に、２箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを上記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（１３）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ＋Ｎｆ２ｍｉｎ ・・・（１３）
Next, the fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until fracture occurs in the two
The fatigue life Nfst of the spot welded structure model 1 until the second spot welded
Nfst = Nf1 min + Nf2 min (13)
さらに、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かが判定され（ステップＳ１０９）、ｎ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１からさらに取り除かれる（ステップＳ１１０）。
Further, it is determined whether or not breakage has occurred in the m spot welded
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がさらに取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９が繰り返される。
以上の構成により、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、実際のスポット溶接構造体の疲労試験でみられる、スポット溶接部３に順次破断が生じながらスポット溶接構造体が破壊されていくスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることが可能となり、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。
Then, returning to step S101, the structural analysis is performed again on the spot welded structure model 1 from which the
With the above configuration, according to the fatigue life prediction method for a spot welded structure according to the embodiment of the present invention, spot welding is performed while the spot welded
次に、本発明の実施例に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を用いてスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合と、比較例に係る従来の手法である、全てのスポット溶接部がスポット構造体に存在した状態でスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合とを比較してその効果を説明する。
図６は、本実施例の解析対象のスポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
Next, when the fatigue life of the spot welded structure is calculated using the method for predicting the fatigue life of the spot welded structure according to the embodiment of the present invention, and all the spot welds that are the conventional technique according to the comparative example The effect will be described by comparing with the case where the fatigue life of the spot welded structure is calculated in a state where the is present in the spot structure.
FIG. 6 is a diagram showing a finite element analysis model of the spot welded structure to be analyzed according to this embodiment.
本実施例においては、図６に示すように、図１に示すスポット溶接構造体モデル１の４箇所のスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに破断が生じるまでの疲労寿命を算出した。
スポット溶接構造体モデルにおける各溶接部の疲労寿命の算出結果を表１に示す。なお、表１では、各スポット溶接部の疲労寿命について、本発明例により算出した疲労寿命、比較例により算出した疲労寿命及び実際の疲労寿命を示している。
In this example, as shown in FIG. 6, the fatigue life until fracture occurred in the four spot welded portions A, B, C, D of the spot welded structure model 1 shown in FIG. 1 was calculated.
Table 1 shows the calculation results of the fatigue life of each weld in the spot welded structure model. Table 1 shows the fatigue life calculated by the present invention example, the fatigue life calculated by the comparative example, and the actual fatigue life of each spot welded portion.
その結果、表１に示すように、最初に破断が生じると予測されるスポット溶接部Ａの寿命については、本発明例と比較例とで同一の疲労寿命が算出されており、実際の疲労寿命とほぼ一致している。
一方、２箇所目以降に破断が生じるスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄについては、本発明例と比較例とで算出される疲労寿命に差異が生じ、本発明例により算出された疲労寿命の方が従来例により算出された疲労寿命より短くなっており、実際の疲労寿命に近似していることがわかる。
As a result, as shown in Table 1, with respect to the life of the spot welded portion A that is predicted to break first, the same fatigue life is calculated in the present invention example and the comparative example, and the actual fatigue life is calculated. Is almost the same.
On the other hand, for spot welds B, C, and D where fracture occurs at the second and subsequent locations, there is a difference in the fatigue life calculated between the inventive example and the comparative example, and the fatigue life calculated by the inventive example Is shorter than the fatigue life calculated by the conventional example, and it can be seen that it approximates the actual fatigue life.
これは、本発明例では疲労寿命に至ったスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃをスポット溶接構造体モデル１から順次取り除くため、残ったスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄにかかる荷重が順次増大していくためである。これは、実際のスポット溶接構造体の疲労試験においてみられる破壊現象に対応しており、従来の手法では考慮することが出来なかった点である。 This is because the spot welds A, B, and C that have reached the fatigue life are sequentially removed from the spot welded structure model 1 in the example of the present invention, and the load applied to the remaining spot welds B, C, and D increases sequentially. It is to go. This corresponds to a fracture phenomenon observed in a fatigue test of an actual spot welded structure, and cannot be taken into consideration by the conventional method.
１ スポット溶接構造体モデル
２ａ，２ｂ，２ｃ 鋼板
３ スポット溶接部
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ シェル要素
５ 溶接ナゲット部
６ ビーム要素
７ 共有節点
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ スポット溶接部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spot welded
Claims (2)
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。 In each spot weld portion of a finite element model of a spot welded structure in which a plurality of metal plates are spot-welded at a plurality of locations, the metal plate is modeled by a shell element and one weld nugget portion is formed by one Model with beam elements,
The finite element method is applied to the model, and the force and moment applied to each shared node are calculated from a plurality of shell elements connected to each shared node where the shell element and the beam element are connected in each spot weld. ,
Calculate the evaluation stress of each shared node from the calculated force and moment,
A fatigue life prediction method for a spot welded structure that predicts the fatigue life of each shared node based on a calculated evaluation stress and a fatigue life diagram prepared in advance,
Calculate the damage of each shared node from the predicted fatigue life of each shared node,
A spot welded structure characterized by repeating the calculation of the fatigue life of each shared node by removing from the finite element model the spot weld where the shared node where the calculated damage value has reached the fatigue life is present Fatigue life prediction method.
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
Calculating a force and moment applied to each shared node from a plurality of shell elements connected to each shared node to which the beam element is connected to the shell element in each spot weld;
A step of calculating an evaluation stress of each shared node from the calculated force and moment;
Predicting the fatigue life Nf of each shared node based on the calculated evaluation stress and a fatigue life diagram prepared in advance;
Calculating the fatigue life Nfi of each shared node from the predicted fatigue life Nf and the residual damage Dlei according to the following equation (1):
Calculating the shortest fatigue life Nfi min among the calculated fatigue life Nfi of each shared node;
Calculating the damage Di received by each of the shared nodes during the determined shortest fatigue life Nfi min by the following formula (2):
From the calculated damage Di, a step of calculating a residual damage Dlei until each of the shared nodes reaches breakage according to the following formula (3):
Removing the spot weld where the shared node having the calculated residual damage Dlei value of 0 is present from the finite element model,
A method for predicting a fatigue life of a spot welded structure, characterized in that the steps are repeated until the value of the residual damage Dlei of the preset number of spot welds becomes zero.
Nfi = Nf · Dle (i−1) (1)
Di = Nfi min / Nfi (2)
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