JP2008217361A

JP2008217361A - 応力表示装置

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Publication number: JP2008217361A
Application number: JP2007053279A
Authority: JP
Inventors: Mitake Ito; 未丈伊藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】複数の互いに異なる材料で形成された複合構造物に対して、各材料の特性を考慮した応力分布表示を可能とする応力表示装置を提供する。
【解決手段】入力手段２により、対象構造物５０の設計情報、拘束条件および荷重条件、部品Ａおよび部品Ｂの材料の種別からなる各種初期条件の入力を行い（Ｓ１）、応力解析処理部５において設計情報に基づいて有限要素法により対象構造物５０の構造解析を行う（Ｓ２）。対象構造物５０を構成する部品Ａおよび部品Ｂの材料特性を材料特性データベース７から抽出し（Ｓ３）、材料別応力最適表示処理部６において同一材料からなる部品をグループ化処理してグループ毎の応力コンター図を作成する（Ｓ４）。材料別応力最適表示処理部６が材料特性に基づいてグループ毎の応力コンターバーの表示上限値を設定し（Ｓ５）、全グループの応力コンター図と応力コンターバーとを出力手段３に表示する（Ｓ６）。
【選択図】図７

Description

本発明は、応力表示装置に係り、特に、複数の互いに異なる材料で形成された複合構造物に対して、各材料の特性を考慮した応力分布表示を可能とする応力表示装置に関する。

従来から、コンピュータを利用した部品設計の分野において、対象構造物にかかる応力の分布状態を解析表示する応力表示装置が知られている。

特許文献１には、対象構造物にかかる応力の大きさを色の違いで示すと共に、応力の向きを格子の方向で示すことで、対象構造物にかかる応力の分布状態を視覚的に認識できるようにした応力表示装置が開示されている。
特開平４−９６１６９号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、対象構造物が単一の材料で構成されている場合に適するものの、例えば、アルミと鉄等の互いに異なる材料で形成された複数の部品からなる複合構造物に対して、各材料の特性を考慮することで構造物全体の強度バランスの認識を可能とする表示手法は検討されていなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、複数の互いに異なる材料で形成された複合構造物に対して、各材料の特性を考慮した応力分布表示を可能とする応力表示装置を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明は、部品単位において単一の材料で形成された複数の部品からなる少なくとも２種類の材料から構成された対象構造物にかかる応力を視覚的に表示する応力表示装置において、前記応力の分布状態を解析する応力解析処理部と、前記応力解析処理部による解析結果を異なる材料毎に異なる基準を用いて表示する材料別応力最適表示処理部とを具備する点に第１の特徴がある。

また、前記応力の分布状態は、前記対象構造物にかかる応力の大小を色彩または模様の違いで示す応力コンター図によって表示され、前記解析結果を表示するための基準の違いを、前記応力コンター図に示される色彩または模様と前記応力の値との対応関係を示す応力コンターバーの表示上限値に対応させ、前記材料別応力最適表示処理部は、前記材料毎に異なる特性に基づいて前記表示上限値を決定すると共に、前記材料毎に異なる応力コンターバーの表示形態に対応させて前記応力の分布状態を表示する点に第２の特徴がある。

さらに、前記材料別応力最適表示処理部は、同一材料の部品をグループ化した後に、該グループ毎の前記応力コンターバーを作成する点に第３の特徴がある。

第１の発明によれば、応力の分布状態を解析する応力解析処理部と、応力解析処理部による解析結果を異なる材料毎に異なる基準を用いて表示する材料別応力最適表示処理部とを具備するので、部品の材料の違いに合わせた応力解析結果の表示が可能となり、対象構造物が複数の材料から構成される場合においても、対象構造物全体にかかる応力の分布状態を適切に把握できるようになる。これにより、１回の応力表示処理によって対象構造物の強度の検討が可能となるので、対象構造物の最終形状を得るまでの作業工数を削減することが可能となる。

第２の発明によれば、応力の分布状態は、前記対象構造物にかかる応力の大小を色彩または模様の違いで示す応力コンター図によって表示され、解析結果を表示するための基準の違いを、応力コンター図に示される色彩または模様と応力の値との対応関係を示す応力コンターバーの表示上限値に対応させ、材料別応力最適表示処理部は、材料毎に異なる特性に基づいて表示上限値を決定すると共に、材料毎に異なる応力コンターバーの表示形態に対応させて応力の分布状態を表示するので、材料毎に異なる応力コンター図および応力コンターバーが作成されることで、材料毎の違いを認識しながら対象構造物全体の強度バランスの検討ができるようになる。

第３の発明によれば、材料別応力最適表示処理部は、同一材料の部品をグループ化した後に、該グループ毎の応力コンターバーを作成するので、同一材料で形成された複数の部品毎に応力コンターバーを作成する場合に比して、応力表示処理の高速化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る応力表示装置の構成を示したブロック図である。コンピュータ１には、ＣＡＤ（Computer Aided Design）等による対象構造物の設計情報等が入力される入力手段２と、対象構造物にかかる応力の分布状態を視覚的に出力表示するディスプレイ等の出力手段３とが接続されている。コンピュータ１は、前記設計情報に基づいて有限要素法により対象構造物の構造解析を行う構造解析処理部４と、対象構造物に与えられる拘束条件および荷重条件ならびに前記構造解析結果に基づいて応力の分布状態を解析する応力解析処理部５と、材料毎の特性を収納する材料特性データベース７と、応力解析処理部５による解析結果および前記材料毎の特性に基づいて、材料毎に異なる基準を用いて応力の分布状態を最適な手法で表示する材料別応力最適表示処理部６とを含む。

図２は、応力解析を実行する対象構造物の一例を示す模式図である。対象構造物５０は、アルミニウムで形成された部品Ａと鉄で形成された部品Ｂとを、２組の締結ボルト１０およびナット１１で締結した構成とされる。また、対象構造物５０には、部品Ｂの一端部には拘束部２０による拘束条件が与えられ、一方、部品Ａの一端部には、その上面部に対して鉛直方向上方向きの荷重１００による荷重条件が与えられている。そして、前記入力手段２からは、対象構造物５０の設計情報、前記拘束条件および荷重条件、部品Ａおよび部品Ｂを形成する材料の種別がそれぞれ入力されることとなる。なお、材料の種別は、前記設計情報に含ませておくことで、設計情報の入力時に自動的に読み込まれるようにしてもよい。

図３は、前記構造解析処理部４による対象構造物５０の構造解析結果を示す模式図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。ディスプレイ等からなる出力手段３に表示される構造解析後の対象構造物５０は、その全方向からの観察が可能であるが、この図では、対象構造物の設計情報および拘束条件ならびに荷重条件によって、図示下方側を凸に湾曲させられた状態を示す。なお、対象構造物の各部品の縦弾性係数に基づいて算出される実際の変形量と、表示手段３に表示する変形量との比率は任意に変更することが可能である。

また、この図では、部品Ａおよび部品Ｂに生じる応力の分布状態を見やすくするため、締結ボルト１０およびナット１１を非表示としている。このため、部品Ａには、前記締結ボルト１０が貫通するボルト孔１３が表示され、部品Ｂにも同様の貫通孔（不図示）が表示されることとなる。なお、対象構造物５０表示方法は上記実施形態に限定されず、例えば、締結ボルト１０およびナット１１をそのまま表示してもよい。また、対象構造物を構成する複数の部品同士の固定方法は、設計条件や拘束条件等を変更することで、ボルトやリベットによる締結のほか、溶接による接合、嵌合による組み合わせ等に設定することができる。

構造解析処理部４による構造解析処理が完了すると、応力の大小を色彩や模様の違いで示す応力コンター図およびこの応力コンター図に示される色彩や模様と応力の値との対応関係を示す応力コンターバーの作成が可能な状態となる。この作成段階において、通常は、複数の材料からなる対象構造物に対しても、１つの材料の特性を適用する。図４および図５に、この方式による作成例を示す。

図４は、部品Ａの材料を基準に作成した応力コンター図および応力コンターバーである。応力コンター図は、対象構造物５０にかかる応力の大小を、その表面に示された模様や色彩によって識別可能とするものであり、これと対をなす応力コンターバーは、応力コンター図に示された模様や色彩と応力の値との対応関係を示す棒グラフである。図４に示す応力コンターバー３０は、部品Ａを形成する所定のアルミ部材の降伏応力である１００ＭＰａを表示上限値として作成されており、応力コンター図に表示される５段階（無地→粗な点模様→密な点模様→斜線→格子模様→黒塗りつぶし）の模様の違いが、０〜１００ＭＰａの応力の違いに対応することを示している。このような表示形態によれば、対象構造物にかかる応力の分布状態、換言すれば、降伏応力に対する強度の余裕度を認識することができ、部品強度の過不足を把握することが可能となる。なお、応力コンターバー３０を適用した場合、１００ＭＰａを大幅に上回る、例えば、２００ＭＰａがかかる部分が存在しても、１００ＭＰａと同様の黒塗りつぶし表示がされるのみとなる。

ここで、アルミ製の部品Ａに注目すると、ボルト孔１３の近傍に、アルミの降伏応力に近い、または降伏応力を超える応力が生じており、この部分の強度が不足傾向にあることが容易に判断できる。しかしながら、鉄で形成された部品Ｂにおいては、表面全体が黒塗りつぶし表示となり、応力の分布状況を認識することは困難である。これは、部品Ｂの表面全体に、アルミの降伏応力に近い、または降伏応力を超える応力が生じているためで、降伏応力が３００ＭＰａの所定の鉄部材から形成された部品Ｂの強度の過不足を検討することは難しい。

図５は、部品Ｂの材料を基準に作成した応力コンター図および応力コンターバーである。図５に示す応力コンターバー４０は、部品Ｂを形成する所定の鉄部材の降伏応力である３００ＭＰａを表示上限値として作成されており、応力コンター図に表示される５段階（無地→粗な点模様→密な点模様→斜線→格子模様→黒塗りつぶし）の模様の違いが、０〜３００ＭＰａの応力の違いに対応することを示している。ここで、鉄製の部品Ｂに注目すると、応力の分布状態を良好に認識することができる。しかしながら、アルミで形成された部品Ａでは、図４において、降伏応力に近いまたは降伏応力を超える応力が生じていることが認識できたボルト孔１３の近傍においても、部品の強度に余裕があるように見えてしまい、この表示形態では、部品Ａの強度不足箇所が認識されない可能性がある。

上記したように、複数の材料からなる対象構造物に対して、１つの材料の特性に基づいた応力コンター図および応力コンターバーを適用すると、構造物全体における強度の過不足状態を的確に認識できない可能性がある。これに対し、本発明に係る応力表示装置は、材料毎の特性を考慮して応力コンターバーの表示上限値を決定すると共に、材料毎の応力コンターバーの表示形態に対応させた応力コンター図を表示することで、複数の異なる材料で形成された複数の部品からなる構造物全体に対して同時に最適な応力表示を可能とするものである。

図６は、前記材料特性データベースに収納される材料特性を示す一覧表の一例である。本実施形態においては、複数の材料種別およびその材料特性としての降伏応力（降伏点）が記憶されている。これにより、対象構造物５０が複数の材料から構成される場合でも、対応する複数の材料特性が収納されていれば、各材料の特性を考慮した最適な応力表示処理が可能となる。なお、材料特性は降伏応力に限られず、疲労破壊を想定しての所定の繰り返し応力等に設定してもよい。また、各材料特性は、入力手段２から入力することも可能である。

図７は、本実施形態に係る応力表示装置が実行する材料別応力最適表示処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、入力手段２によって、対象構造物５０の設計情報、前記拘束条件および荷重条件、部品Ａおよび部品Ｂの材料の種別からなる各種初期条件の入力が行われる。なお、材料の種別は、設計情報に含ませておくことで、設計情報の入力によって自動的に読み込まれるようにしてもよい。続くステップＳ２では、応力解析処理部５において、前記設計情報に基づいて有限要素法により対象構造物５０の構造解析が行われる。

ステップＳ３では、対象構造物５０を構成する部品Ａおよび部品Ｂの材料特性を材料特性データベース７から抽出する。続くステップＳ４では、材料別応力最適表示処理部６において、同一材料からなる部品をグループ化処理し、グループ毎の応力コンター図を作成する。ステップＳ５では、材料別応力最適表示処理部６が、材料特性データベースを参照してグループ毎の応力コンターバーの表示上限値を設定する。そして、ステップＳ６において、全グループの応力コンター図と応力コンターバーとを同時に出力手段３に表示し、一連の処理を終了する。

図８は、本実施形態に係る材料別応力最適表示処理を用いて出力された応力コンター図および応力コンターバーである。本実施形態では、部品Ａに対しては、アルミ部材を基準とした応力コンター図および応力コンターバー３０が作成され、また、部品Ｂに対しては、鉄部材を基準とした応力コンター図および応力コンターバー４０が作成されている。この表示例によれば、部品Ａのボルト孔１３の近傍に、アルミ部材の降伏応力に近い、または降伏応力を超える応力が生じて部品強度が不足傾向にあることが認識できると共に、部品Ｂにかかる応力の分布状態も適切に認識することが可能となる。これにより、一回の応力表示処理によって、対象構造物５０の全体の強度バランスを検討することが可能となる。また、各応力コンターバーが、対応する部品の近傍に表示されているので、それぞれの材料種別および材料特性を認識しながら構造物全体の検討が可能となる。

上記したように、本発明に係る応力表示装置によれば、応力解析処理部による解析結果を、材料毎に異なる材料特性に基づいた応力コンター図および応力コンターバーによって表示するので、対象構造物が複数の材料から構成される場合においても、対象構造物全体にかかる応力の分布状態を適切に把握できるようになる。これにより、１回の応力表示処理によって対象構造物の強度の検討が可能となり、最終形状を得るまでの作業工数を削減することが可能となる。

なお、入力手段および入力手段から入力される情報の形態、出力手段の形態、コンピュータ内の各処理部の構成、有限要素法による構造解析に使用するプログラム、各材料毎の特性を示す数値の種別、応力コンター図および応力コンターバーの表示形態等は、上記した実施形態に限られず、種々の変形が可能であることは勿論である。例えば、応力コンター図および応力コンターバーは、単色による模様や濃淡のほか、複数色の違いで表示してもよい。例えば、赤→橙→黄→緑→青→紺のような多段階または無段階の色彩の違いで示すことで、より細かな応力の差異を読み取ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る応力表示装置の構成を示したブロック図である。応力解析を実行する対象構造物の一例を示す模式図である。構造解析処理部による対象構造物の構造解析結果を示す模式図である。部品Ａの材料を基準に作成した応力コンター図および応力コンターバーである。部品Ｂの材料を基準に作成した応力コンター図および応力コンターバーである。材料特性データベースに収納される材料特性を示す一覧表の一例である本発明の一実施形態に係る材料別応力最適表示処理の手順を示すフローチャートである。材料別応力最適表示処理を用いて出力された応力コンター図および応力コンターバーである。

符号の説明

１…コンピュータ、２…入力手段、３…出力手段、４…構造解析処理部、５…応力解析処理部、６…材料別応力最適表示処理部、７…材料特性データベース、１０…ボルト、１１…ナット、１３…ボルト孔、２０…拘束部（拘束条件）、５０…対象構造物、１００…荷重（荷重条件）、Ａ…部品（アルミ製）、Ｂ…部品（鉄製）

Claims

部品単位において単一の材料で形成された複数の部品からなる少なくとも２種類の材料から構成された対象構造物にかかる応力を視覚的に表示する応力表示装置において、
前記応力の分布状態を解析する応力解析処理部と、
前記応力解析処理部による解析結果を材料毎に異なる基準を用いて表示する材料別応力最適表示処理部とを具備することを特徴とする応力表示装置。
前記応力の分布状態は、前記対象構造物にかかる応力の大小を色彩または模様の違いで示す応力コンター図によって表示され、
前記解析結果を表示するための基準の違いを、前記応力コンター図に示される色彩または模様と前記応力の値との対応関係を示す応力コンターバーの表示上限値に対応させ、
前記材料別応力最適表示処理部は、前記材料毎に異なる特性に基づいて前記表示上限値を決定すると共に、前記材料毎に異なる応力コンターバーの表示形態に対応させて前記応力の分布状態を表示することを特徴とする請求項１に記載の応力表示装置。
前記材料別応力最適表示処理部は、同一材料の部品をグループ化した後に、該グループ毎の前記応力コンターバーを作成することを特徴とする請求項２に記載の応力表示装置。