JP2009098078A - 穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】穴開きフレームの機械的性能計算において、より簡便な計算法を提供することを課題とする。
【解決手段】穴無しフレーム２８では、第１の見掛け穴無し部２６、２６は見掛けヤング率が１２２ＧＰａで、第２の見掛け穴無し部２７は見掛けヤング率が１０８ＧＰａで、残部の母材穴無し部１８はヤング率が２０６ＧＰａとなる。穴が開いていなければ、分割数は少なくすることができるため、穴無しフレーム２８の撓み、曲げ応力、捻り応力、引張り応力、圧縮応力など機械的性能値を容易に計算することができる。
【効果】穴開きフレームを、穴無しフレームに置き換え、この穴無しフレームで機械的性能計算を行う。穴無しフレームであれば、機械的性能計算は容易であり、計算時間は短くなる。このことは、見掛けの物性値（ヤング率など）を採用することで可能となった。
【選択図】図７

Description

本発明は、小さな穴が多数開けられているフレームの機械的性能値を予測する方法に関する。

車体等の構造物において、軽量化を主目的として、小さな穴が多数開けられているフレームが採用される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−８２７９６公報（図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本構成を説明する図であり、車両のフード１００は、フードアウターパネル１０１に、フードインナーパネル１０２を重ねて構成される。そして、フードインナーパネル１０２は、穴径がＤの小穴１０３がピンチＰで多数開けられた穴開き板を折り曲げ成形したものである。多数の小穴１０３が開けられているため、フードインナーパネル１０２は軽くなる。この結果、フード１００及び車両の軽量化が図れる。

フード１００には、走行風圧などにより、フードアウターパネル１０１側からＦの外力が作用する。部品に作用する外力Ｆの影響を設計段階で事前に予測し、部品の材料厚さ、形状、穴などの仕様を決定する必要がある。

しかし、このように多数の小穴を配置した部品の場合には、以下のような課題がある。
穴開きフレームの機械的性能計算は、有限要素法などの複雑な解析法で計算される。例えば有限要素法では、フレームをメッシュ状に区分して無数のエレメント（要素）を設定することから計算が開始される。メッシュのサイズは小さいほど計算の信頼性が高まると言われている。反面、エレメントの数が莫大になり、計算時間が延びる。

つまり、多数の小穴を部品に設定した場合には、その穴径より小さな要素に分割する必要があり、このことが、穴開きフレームの機械的性能計算を困難にし、穴開きフレームの強度メンバーとしての活用を妨げてきた。

本発明は、穴開きフレームの機械的性能計算において、より簡便な計算法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、薄板を折り曲げ形成し、局部的に多数の小穴を開けてなる穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法であって、
先ず、上下の縁を除いて小穴を開けた長方形形状のテストピースの機械的性能値を実測して得た実測値と、前記テストピースの機械的性能を計算で算出して得た計算値と比較して、この計算値の確からしさが前記実測値で確認できたら、テストピースの上下の幅の変化に応じた機械的性能値を計算により算出した板材の材料幅と機械的性能値との関係図を作成し、
次に、前記関係図を用いて、前記穴開きフレームの小穴形成エリアの上下幅から機械的性能値を得て、その小穴形成エリアの機械的性能値を穴無しフレームの前記小穴形成エリアに該当する箇所の機械的性能値として設定してから、前記穴無しフレームの機械的性能値を計算し、この計算値を穴開きフレームの機械的性能値へ置き換えることにより、穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法が提供する。

請求項２に係る発明は、計算値の確からしさを確認する段階で、計算値と実測値との差異が一定値以上であるときには、実測値を基準にした補正値を算出し、この補正値を計算値に乗じるという補正処理を行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、穴開きフレームを、穴無しフレームに置き換え、この穴無しフレームで機械的性能計算を行う。穴無しフレームであれば、機械的性能計算は容易であり、計算時間は短くなる。このことは、見掛けの物性値（ヤング率など）を採用することで可能となった。

請求項２に係る発明では、計算値の確からしさを確認する段階で、計算値と実測値との差異が一定値以上であるときには、実測値を基準にした補正値を算出し、この補正値を計算値に乗じるという補正処理を行う。この補正により、計算の信頼性をより高めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る穴開きフレームの斜視図であり、穴開きフレーム１０は、厚さがＴの薄い鋼板を折り曲げ形成してなる溝形部材であり、例えば、広幅の平板部１１と、この平板部１１の両端から下げた縦壁部１２、１２と、これらの縦壁部１２、１２の下端から平板部１１に平行に互いに外側へ延ばした張出し部１３、１３とからなり、縦壁部１２、１２に帯状に多数の小穴１４が開けられ、平板部１１にも矩形をなすように多数の小穴１５が開けられている。

このような構造の穴開きフレーム１０の機械的性能値を予測するに当たり、先ず、多数の小穴１４が開けられている部分を、第１の穴開き部１６、１６と規定する。この第１の穴開き部１６は、幅がａで、長さがｂのエリアとなる。

また、多数の小穴１５が開けられている部分を、第２の孔開き部１７と規定する。この第２の穴開き部１７は、幅がｃで、長さがｄのエリアとなる。
第１の穴開き部１６と第２の穴開き部１７とを除外した部分は、穴が開いていないため、母材穴無し部１８と呼ぶことにする。

図２は本発明に係るテストピースの斜視図であり、テストピース２０は、例えば、図１における第１の穴開き部１６と同等の帯鋼である。すなわち、テストピース２０は、厚さがＴで、幅がａで、長さがｂの帯板に、多数の小穴１４が開けられている。

ところで、ヤング率は、縦弾性係数とも呼ばれ、構造物の丈夫さを示す物性値の一つである。そして、ヤング率は、材質と温度によって定まる固有値でもある。
このようなヤング率は、静的試験法、横振動法、又は超音波法で測定することができる。
次図で最も一般的な静的試験法を説明するが、横振動法や超音波法で測定することは差し支えない。

図３はヤング率を測定する方法の原理図であり、２つの支点２１、２１に、梁２２を置き、中央に下向きにＷの負荷を加える。このときに、中央がδだけ撓んだとする。構造力学から次の式が成立する。

（１）式において、δは撓み、Ｗは荷重、Ｌは支点間距離、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。なお、梁２２は、断面が一様で、穴が開いていない部材である。
断面二次モーメントＩは、（２）式で与えられる。幅は図１に示すａ、厚さは図１に示すＴである。（１）式をＥについて変形すると、（３）式が与えられる。

図４は見掛けヤング率を測定する方法の説明図であり、梁（図３の符号２２）をテストピース２０に置き換える。そして、中央に荷重Ｗを掛けたときに、撓みがδ１であったとする。すると、次の（４）式で見掛けヤング率が求まる。

断面二次モーメントＩは、穴が開いていないものを使用する。Ｗ、Ｌ、材質、環境温度は図３と同じである。ヤング率は材質と温度に依存するため、梁２２のヤング率とテストピース２０のヤング率は同一である。
しかし、小穴が多数開いているテストピース２０は、穴が開いていない梁２２よりも大きく撓む。すなわち、δ＜δ１となり、Ｅ１＊＜Ｅとなる。
そこで、Ｅ１＊を「見掛けヤング率」と呼び、「ヤング率」と区別する。

テストピース２０の厚さＴ（図２）が１．６ｍｍで、幅ａが２３ｍｍで、長さｂが２００ｍｍ、上下に各々３ｍｍの縁をおき、残りの１７ｍｍ（＝２３−３＊２）に直径３ｍｍの小穴を５ｍｍピッチで開口率（小穴の面積の合計／穴無し板）が３２％になるように開け、材質が軟鋼であったときに、上記の実測により求めた見掛けヤング率は、１２０ＧＰａであった。なお、常温での軟鋼のヤング率は２０６ＧＰａであるから、この例では見掛けヤング率は、ヤング率の約６０％となる。

次に、図２のテストピース２０の見掛けヤング率を、計算で求める。計算により求めた見掛けヤング率は、１２２ＧＰａであった。
この１２２ＧＰａは、実測により求めた１２０ＧＰａと、ほぼ同一であり、良好に合致している。このことから、計算値の確からしさが確認できた。

図５はその他の計算モデルを説明する図であり、少なくとも１個の計算モデルを想定する。本例では、２個の計算モデル２３、２４を想定する。
計算モデル２３は、厚さが１．６ｍｍで、幅ｅが７３ｍｍで、長さｆが２００ｍｍ、上下に各々３ｍｍの縁をおき、残りの６７ｍｍ（＝７３−３＊２）に直径３ｍｍの小穴を５ｍｍピッチで開口率（小穴の面積の合計／穴無し板）が３２％になるように開け、材質が軟鋼である。この計算モデル２３の見掛けヤング率を計算したところ、１０３ＧＰａであった。

計算モデル２４は、厚さが１．６ｍｍで、幅ｅが１０９ｍｍで、長さｆが２００ｍｍ、上下に各々３ｍｍの縁をおき、残りの１０３ｍｍ（＝１０９−３＊２）に直径３ｍｍの小穴を５ｍｍピッチで開口率（小穴の面積の合計／穴無し板）が３２％になるように開け、材質が軟鋼である。この計算モデル２４の見掛けヤング率を計算したところ、１００ＧＰａであった。

図６は材料幅と見掛けヤング率との相関を示す相関図であり、横軸は材料幅、縦軸は見掛けヤング率を示すと、右下がりのグラフを得ることができた。

上記相関図の利用形態を次に説明する。
図１に戻って、第１穴開き部１６の幅ａが、２５ｍｍであったとする。この場合には、図６から材料幅２５ｍｍに対応する値として、見掛けヤング率１２０ＧＰａを得る。
次に、第２穴開き部１７の幅ｃが、６０ｍｍであったとする。この場合には、図６から材料幅６０ｍｍに対応する値として、見掛けヤング率１０８ＧＰａを得る。

図７は本発明に係る穴無しフレームの斜視図であり、小穴は開いていないが見掛けヤング率が１２０ＧＰａである第１の見掛け穴無し部２６、２６を、第１の穴開き部１６、１６（図１）に置き換える。同様に、見掛けヤング率が１０８ＧＰａである第２の見掛け穴無し部２７を、第２の穴開き部１７（図１）に置き換える。これで、母材穴無し部１８と見掛け穴無し部２６、２６、２７とで構成される穴無しフレーム２８を得ることができた。

すなわち、穴無しフレーム２８では、第１の見掛け穴無し部２６、２６は見掛けヤング率が１２０ＧＰａで、第２の見掛け穴無し部２７は見掛けヤング率が１０８ＧＰａで、残部の母材穴無し部１８はヤング率が２０６ＧＰａとなる。
穴が開いていなければ、分割数は少なくすることができるため、穴無しフレーム２８の撓み、曲げ応力、捻り応力、引張り応力、圧縮応力など機械的性能値を容易に計算することができる。

図８は撓みを示す図であり、（ａ）に示すように、本発明の穴無しフレーム２８（ヤング率、見掛けヤング率が混在した梁）を片持ち支持し、先端にＦの荷重を加える。この条件で、計算したところ、先端にδ３の撓みが発生した。この計算は、極めて簡単に実施できる。

次に、図１に示した穴開きフレーム１０を、図８（ｂ）に示すように、片持ち支持し、先端にＦの荷重を加える。この条件で、有限要素法を用いて電子計算機で計算したところ、先端にδ４の撓みが発生した。この計算は、前述の見掛けヤング率を採用したモデルに比較して、長い時間がかかった。

そして、得られた撓みδ４と上記撓みδ３とは、差が５％以下であり、差異は少なかった。したがって、本発明によれば、電子計算機で行う複雑な解析と同程度の機械的性能計算を、極めて短時間で、簡単に行うことができる。

以上の説明から、本発明は次のようにまとめることができる。なお、上記実施例では、穴開き部は、第１の穴開き部１６、１６と第２の穴開き部１７としたが、穴開き部は１個でも複数個でも差し支えない。そこで、以下では穴開き部は１個の場合として説明する。

すなわち、本発明は、薄板を折り曲げ形成し、局部的に多数の小穴１４を開けてなる穴開きフレーム１０の機械的性能値を予測する方法であって、
先ず、上下の縁を除いて小穴を開けた長方形形状のテストピース（図４）の機械的性能値を実測して得た実測値と、前記テストピースの機械的性能を計算で算出して得た計算値と比較して、この計算値の確からしさが前記実測値で確認できたら、テストピースの上下の幅の変化（図５）に応じた機械的性能値を計算により算出した板材の材料幅と機械的性能値との関係図を作成し（図６）、
次に、前記関係図を用いて、前記穴開きフレームの小穴形成エリアの上下幅から機械的性能値を得て、その小穴形成エリアの機械的性能値を穴無しフレームの前記小穴形成エリアに該当する箇所の機械的性能値として設定してから、前記穴無しフレームの機械的性能値を計算し、この計算値を穴開きフレームの機械的性能値へ置き換えることにより、穴開きフレームの機械的性能値を予測する。

また、上記方法は、ステップを追うことで次のように表すこともできる。
本発明は、薄板を折り曲げ形成し、局部的に多数の小穴１４を開けてなる穴開きフレーム１０の機械的性能値を予測する方法であって、
先ず、上下の縁を除いて小穴を開けた長方形形状のテストピースを作製するステップと、
このテストピースを実測することで機械的性能実測値を求めるステップと、
前記テストピースの同形のモデルを計算することで機械的性能計算値を求めるステップと、
得られた機械的性能計算値を、前記機械的性能実測値と比較して計算値の確からしさを確認するステップと、
計算値の確からしさが確認できたら、上下幅の異なるモデルを想定し、想定したモデルについて計算することにより機械的性能計算値を求めるステップと、
複数個の機械的性能計算値により、板材の材料幅と機械的性能値との関係図を作成するステップと、
前記関係図を用いて、前記穴開きフレームの小穴形成エリアの上下幅から機械的性能値を得て、その小穴形成エリアの機械的性能値を穴無しフレームの前記小穴形成エリアに該当する箇所の機械的性能値として設定するステップと、
得られた穴無しフレームを計算するステップとからなり、穴無しフレームを計算することで穴開きフレームの機械的性能値を予測することを特徴とする。

次に、計算値の確からしさを確認するステップ（段階）で、計算値と実測値との差異が一定値（例えば５％）以上であるときには、次のように処理することが望ましい。
実測値から得た見掛けヤング率と、計算で得た見掛けヤング率が次の表に示す値であったとする。

両値の差は、（１２２−１１３）／１１３＝０．０８の計算によれば、８％の差異がある。
この場合は、（実測値から得た見掛けヤング率）／（計算で得た見掛けヤング率）＝補正値に基づいて補正値を決める。本例では、１１３／１２２＝０．９３の計算により、補正値は０．９３となる。
材料幅が２３ｍｍ、７３ｍｍ、１０９ｍｍについて計算して得た見掛けヤング率が次の表に示す値であれば、これらに補正値（０．９３）を乗じることにより、補正した見かけのヤング率を、簡単に求めることができる。

上記表の第１行の材料幅を横軸、最終行の見掛けヤング率を縦軸に取ることで、図６の補正グラフを得ることができる。

尚、本発明の機械的性能値予測方法は、車両の構成部材の機械的性能値検討に好適であるが、一般の構造物に適用する多孔板の機械的性能計算に適用することは差し支えない。

本発明の機械的性能値予測方法は、車両の構成部材の機械的性能値検討に好適である。

本発明に係る穴開きフレームの斜視図である。 本発明に係るテストピースの斜視図である。 ヤング率を測定する方法の原理図である。 見掛けヤング率を測定する方法の説明図である。 その他の計算モデルを説明する図である。 材料幅と見掛けヤング率との相関を示す相関図である。 本発明に係る穴無しフレームの斜視図である。 撓みを示す図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１０…穴開きフレーム、１４、１５…小穴、１６、１７…穴開き部、１８…母材穴無し部、２０…テストピース、２６、２７…見掛け穴無し部、２８…穴無しフレーム。

Claims (2)

1. 薄板を折り曲げ形成し、局部的に多数の小穴を開けてなる穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法であって、
   先ず、上下の縁を除いて小穴を開けた長方形形状のテストピースの機械的性能値を実測して得た実測値と、前記テストピースの機械的性能を計算で算出して得た計算値と比較して、この計算値の確からしさが前記実測値で確認できたら、テストピースの上下の幅の変化に応じた機械的性能値を計算により算出した板材の材料幅と機械的性能値との関係図を作成し、
   次に、前記関係図を用いて、前記穴開きフレームの小穴形成エリアの上下幅から機械的性能値を得て、その小穴形成エリアの機械的性能値を穴無しフレームの前記小穴形成エリアに該当する箇所の機械的性能値として設定してから、前記穴無しフレームの機械的性能値を計算し、この計算値を穴開きフレームの機械的性能値へ置き換えることにより、穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法。
2. 前記計算値の確からしさを確認する段階で、前記計算値と実測値との差異が一定値以上であるときには、実測値を基準にした補正値を算出し、この補正値を前記計算値に乗じるという補正処理を行うことを特徴とする請求項１記載の穴開きフレームの機械的性能値を予測する方法。

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