JP2011194472A - プレス加工された板金部品の表面欠陥を数値的に予測する方法およびシステム - Google Patents

プレス加工された板金部品の表面欠陥を数値的に予測する方法およびシステム Download PDF

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Abstract

【課題】プレス加工された板金部品において表面欠陥を数値的に予測する方法およびシステムを開示する。
【解決手段】FEMメッシュは、プレス加工された板金部品を表す複数のシェル要素および複数のノードを有する。部品の少なくとも1つの面を、欠陥に関して検査する必要があり、この検査を、板金部品を形成するダイを調整するために用いることができる。それぞれの面は、グループ−グループ連結スキームにおいてFEMメッシュの部分のノードのすべてを設定することによって生成される。グループは、中心要素とそれに隣接する要素とを含むよう定義される。中心要素と側辺を共有する隣接要素は、常にグループに含まれる。それぞれのグループは、中心要素に加えて少なくとも3つの隣接する要素を含んでいる。少なくとも3つ隣接する要素があるという基準を満たすよう、ノードを共有する要素がそのグループへ追加される。
【選択図】図3

Description

本発明は、概して、プレス加工された金属部品の数値的なシミュレーションに関し、特に、板金プレス加工によって生成された工学部品(例えば車、飛行機などの部品)の表面欠陥を数値的に予測する方法およびシステムに関する。
コンピュータ支援工学(CAE)が、多くのタスクにおいてエンジニアを支援するために用いられている。例えば、構造体あるいは製品設計の手順において、CAE解析、特に有限要素解析法(FEA)あるいは有限要素法(FEM)が、種々の荷重条件(例えば、静的あるいは動的な荷重条件)下での応答(例えば応力、変位など)を評価するために、よく用いられている。
FEAは、三次元の非線形の構造設計および解析など複雑な製品あるいはシステム(例えば車、飛行機など)に関連する工学問題をシミュレートする(つまり、モデル化して解く)ために、産業において広く用いられているコンピュータ化された方法である。FEAの名前は、想定されている対象の幾何学的配置(ジオメトリ)を特定する方法に由来する。幾何学的配置は、要素とノードと(FEMメッシュという)によって定義される。多くのタイプの要素(エレメント)があり、体積あるいは連続体に対応する中実(ソリッド(solid))要素、面に対応する外殻(シェル(shell))要素あるいは板状(プレート(plate))要素と、一次元の構造物に対応する梁状(ビーム(beam))要素あるいは骨組構造物(トラス(truss))要素がある。
板金(シートメタル)加工あるいはプレス加工・プロセスを数値的にシミュレートするために、シェル要素からなるFEMメッシュが、板金(あるいは素材(ブランク(blank)))を表すためにプレス加工動作の最初に用いられる。そして、油圧あるいは機械的に方法で、素材を介してパンチをダイへと押圧することによって、素材が部品へと形成されるすなわちプレス加工される。スプリングバックを含んだ部品が形成された後、その部品の面のある領域は、欠陥(インパーフェクション(imperfection))(サーフェス・ロー(surface low)ともいう)を含んでいることがある。一般に、ストーニング(stoning)オペレーションは、そのような欠陥を検出するために行なわれる。部品の製造業者は、ダイを変えることによってそのような欠陥を排除しようとする。また、ダイを物理的に調整あるいは修正するには、時間および経費の両方がかかる。
したがって、表面欠陥を数値的に予測して高価なダイの修正を最小限にすることができるよう用いることができる方法およびシステムを提供することが望まれよう。
プレス加工された板金部品において表面欠陥を数値的に予測する方法およびシステムを開示する。本発明の一の面では、FEMメッシュが、プレス加工された板金部品を表すよう構成される。FEMメッシュは、複数のシェル要素および複数のノードを有する。部品の少なくとも1つの面の欠陥に関して検査する必要があり、この検査を、板金部品を形成するダイを調整するために用いることができる。それぞれの面は、グループ−グループ連結スキームにおいてFEMメッシュの部分のノードのすべてを設定することによって生成される。グループは、中心要素とそれに隣接する要素とを含むよう定義される。中心要素と側辺を共有する隣接要素は、常にそのグループに含まれる。それぞれのグループは、中心要素に加えて少なくとも3つの隣接する要素を含んでいる。グループにおいて側辺を共有する隣接する要素が3つ未満である場合、少なくとも3つ隣接する要素があるという基準を満たすよう、ノードを共有する要素がそのグループへ追加される。
本発明の他の目的、特徴および利点は、添付した図面を参照し、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明を考察することによって明らかとなろう。
本発明のこれらおよび他の特徴、面および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付した図面を考慮してより理解されよう。図面は次の通りである。
本発明の一の実施形態にかかるプレス加工された板金部品の面を表す例示的なFEMメッシュの二次元図である。 図1AのFEMメッシュの断面を示す図である。 表面欠陥をチェックするためのストーニング方向を加えた図1AのFEMメッシュの二次元図である。 図1Cのストーニング方向における欠陥のない面の断面を示している。 図1Cのストーニング方向における欠陥のある面の断面を示している。 本発明の一の実施形態にかかる、面の生成のために用いられる例示的ないくつかのグループの隣接要素を示す図である。 本発明の一の実施形態にかかる、面の生成のために用いられる例示的ないくつかのグループの隣接要素を示す図である。 本発明の一の実施形態にかかる、面の生成のために用いられる例示的ないくつかのグループの隣接要素を示す図である。 本発明の一の実施形態にかかる、面の生成のために用いられる例示的ないくつかのグループの隣接要素を示す図である。 本発明の一の実施形態にかかる、面の生成のために用いられる例示的ないくつかのグループの隣接要素を示す図である。 本発明の一の実施形態にかかるプレス加工された板金部品の表面欠陥を予測する例示的なプロセスを示すフローチャートである。 本発明の実施形態を実現可能である演算処理装置の主要な部品を示す機能図である。
本発明の実施形態を、図1A乃至図4を参照して、ここに説明する。しかしながら、当業者には、これらの図面を参照するここでの詳細な説明が、例示の目的のためであって、本発明がこれらの限られた実施形態よりも広いことは、すぐに理解されよう。
まず図1Aを参照して、プレス加工された板金部品(例えば車のドアパネル)の一部を表す例示的なFEMメッシュ100を示す。FEMメッシュ100は多数のシェル要素101を備える。プレス加工された板金部品は一般に非平面であるので、FEMメッシュ100の断面120は曲線である。しかしながら、FEMメッシュ100におけるそれぞれのシェル要素101は平面を有する。したがって、図1Bに示す断面120はスムーズな曲線ではない。断面120は、要素の辺における交点である点110a〜110gの間の複数の直線セグメント111a〜111fを含んでいる。FEMの結果は、要素のノード点(例えば要素101に関するノード101a〜101d)において計算される。断面120がプレス加工された板金部品のスムーズな面を表すことを保証するために、スムーズな曲線122が、ノード点110a〜110gのすべてから一義的に生成される。すべてのノード点110a〜110gは、スムーズな曲線122に含まれる。
FEMメッシュ100を、無限の数の断面で切断することができる。特定の方向130を、FEMメッシュ100にわたる傾斜した線として示す。図1Cに示す特定の方向130に注目する。この特定の方向130を、表面欠陥が存在するか否かをチェックする方向とする。方向130は、金属プレス加工・プロシージャにおけるストーニング方向である。あらゆる表面欠陥を数値的に予測するようFEMメッシュを用いるために、方向130に沿った要素辺交点132a〜132nが、一義的なスムーズな曲線(図示しないが曲線122と同様)を生成するように用いられる。そして、一義的なスムーズな曲線は、表面欠陥があるか否かを判断するのに用いられる。
複数の要素辺交点132a〜132nからスムーズな曲線を一義的に生成するために、少なくとも3つの隣接の要素に基づいた系統的アプローチが用いられる。例えば、点132aおよび132bは、要素141の辺での交点である。スムーズな面を生成するために、3つの隣接要素として要素142、152および153が含められる。隣接の要素の選択を、図2A乃至図2Eに図形によって示す。言いかえれば、要素141、142、152および153のノード点が、面(図2Cに示す)を生成するために用いられる。多くの既知のプロシージャ、例えばBスプライン(B−spline)、スムーズパッチ(smooth patch)等を、曲線を当てはめる(カーブ・フィッティング(curve fitting))プロシージャを達成するために用いることができる。
要素142に関しては、隣接要素は、図2Bに図形によって示すように、要素141、143および153である。要素153に関しては、図2Aが、どのように隣接要素142、163、152および154が選択されるかを例示するスキームを示している。
表面欠陥のない例示的なスムーズな面172を図1Dに示す。言いかえれば、外方に曲面状あるいは円弧状である面を凸面という。図1Eは、表面欠陥を有する例示的な窪んだ面182を示している。表面欠陥184は図示のために拡大されている。
図示の簡単化のために、FEMメッシュ100は、行と列に整列して配置された同じサイズの四角形要素を用いて示す。実際には、要素は、サイズおよび/または向きおよび/またはタイプ(例えば三角形の要素)において不規則とすることもできる。本発明は、FEMメッシュにおける要素が、どのようなタイプ、形状および/または向きであるかについて限定されない。
FEMメッシュ100は四辺形の要素のみを含んでいるが、本発明は他のタイプのシェル要素(例えば三角形の要素)を含んでいてもよい。三角形要素の隣接要素の選択スキームを図2D乃至図2Eに示す。
図3は、本発明の一の実施形態にかかる、FEMメッシュを用いた、プレス加工された板金部品の表面欠陥を数値的に予測する例示的なプロセス300を示すフローチャートである。プロセス300は、好ましくはソフトウェアで実行される。
プロセス300は、ステップ302でコンピュータシステムにおいてFEMメッシュモデルを受け取ることによってスタートする。FEMモデルは、プレス加工された板金部品を表す。モデルは、複数のノードおよび複数のシェル要素(例えば四角形および/または三角形の要素)を有している。次に、ステップ304において、1グループの隣接要素が、FEMメッシュモデルにおけるそれぞれの要素(マスター要素あるいは中心要素という)に対して定義される。初期の定義において、そのグループは、側辺(サイド(side))を共有するすべての要素あるいは辺(エッジ(edge))を共有するすべての要素を有している。言いかえれば、このステップで、そのグループにおける隣接する要素のそれぞれは、マスター要素と1つの側辺あるいは辺を共有する。その後、プロセス300は、少なくとも3つの隣接する要素がそのグループ内にあるか否かをチェックする判断306に移行する。少なくとも3つの隣接する要素がそのグループ内になければ、プロセス300は、1つ以上のノードを共有する隣接要素を3つ未満の隣接する要素を有するそのグループへ追加するステップ308に移行する。少なくとも3つの隣接する要素がそのグループ内にあれば、プロセス300は、判断306の「yes」分岐へと続いて、それぞれのグループにおけるエレメントのすべてのノードを取り囲むスムーズな面を生成するステップ310に移行する。スムーズな面は、グループ−グループ連結スキーム(group−to−group scheme)において生成される。曲率がグループ間で連続的であることを保証するために、グループ間で調整がなされる。スムーズな面が構成されるすなわち生成されると、プロセス300は、ステップ312において、ストーニングの1つ以上の方向における断面を用いて、表面欠陥があるか否かを判定する。表面欠陥あるいはサーフェス・ローは、窪んだ断面(例えば図1Eに示すサーフェス・ロー184)として定義することができる。
一の面において、本発明は、ここに説明した機能を実行可能な1つ以上のコンピュータシステムに対してなされたものである。コンピュータシステム400の一例を、図4に示す。コンピュータシステム400は、プロセッサ404など1つ以上のプロセッサを有する。プロセッサ404は、コンピュータシステム内部通信バス402に接続されている。種々のソフトウェアの実施形態を、この例示的なコンピュータシステムの点から説明する。この説明を読むと、いかにして、他のコンピュータシステムおよび/またはコンピューターアーキテクチャーを用いて、本発明を実行するかが、関連する技術分野に習熟している者には明らかになるであろう。
コンピュータシステム400は、また、メインメモリ408好ましくはランダムアクセスメモリ(RAM))を有しており、そして二次メモリ410を有することもできる。二次メモリ410は、例えば、1つ以上のハードディスクドライブ412、および/またはフレキシブルディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブなどを表わす1つ以上のリムーバブルストレージドライブ414を有することができる。リムーバブルストレージドライブ414は、よく知られている方法で、リムーバブルストレージユニット418を読み取りおよび/またはリムーバブルストレージユニット418に書き込む。リムーバブルストレージユニット418は、リムーバブルストレージドライブ414によって読み取り・書き込みされるフレキシブルディスク、磁気テープ、光ディスクなどを表わす。以下にわかるように、リムーバブルストレージユニット418は、コンピューターソフトウェアおよび/またはデータを内部に記憶しているコンピュータ可読媒体を有している。
代替的な実施形態において、二次メモリ410は、コンピュータプログラムあるいは他の命令をコンピュータシステム400にロードすることを可能にする他の同様な手段を有することもできる。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット422とインタフェース420とを有することができる。そのようなものの例には、プログラムカートリッジおよびカートリッジのインタフェース(ビデオゲーム機に見られるようなものなど)と、リムーバブルメモリチップ(消去可能なプログラマブルROM(EPROM)、ユニバーサルシリアルバス(USB)フラッシュメモリ、あるいはPROMなど)および関連するソケットと、ソフトウェアおよびデータをリムーバブルストレージユニット422からコンピュータシステム400に転送することを可能にする他のリムーバブルストレージユニット422およびインタフェース420と、が含まれうる。一般に、コンピュータシステム400は、プロセススケジューリング、メモリ管理、ネットワーキングおよびI/Oサービスなどのタスクを行なうオペレーティングシステム(OS)ソフトウェアによって、制御され連係される。
通信用インタフェース424も、また、バス402に接続することができる。通信用インタフェース424は、ソフトウェアおよびデータをコンピュータシステム400と外部装置との間で転送することを可能にする。通信用インタフェース424の例には、モデム、ネットワークインターフェイス(イーサネット(登録商標)・カードなど)、コミュニケーションポート、PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)スロットおよびカードなど、が含まれうる。
コンピュータ400は、専用のセットの規則(つまりプロトコル)に基づいて、データネットワーク上の他の演算装置と通信する。一般的なプロトコルのうちの1つは、インターネットにおいて一般に用いられているTCP/IP(伝送コントロール・プロトコル/インターネット・プロトコル)である。一般に、通信インタフェース424は、データファイルをデータネットワーク上で伝達される小さいパケットへのアセンブリングを管理し、あるいは受信したパケット元のデータファイルへと再アセンブルする。さらに、通信インタフェース424は、正しい宛先に届くようそれぞれのパケットのアドレス部分に対処し、あるいはコンピュータ400が宛先となっているパケットを他に向かわせることなく受信する。
この書類において、「コンピュータが記録可能な記憶媒体」、「コンピュータが記録可能な媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、リムーバブルストレージドライブ414および/またはハードディスクドライブ412に組み込まれたハードディスクなどの媒体を概ね意味して用いられている。これらのコンピュータプログラム製品は、コンピュータシステム400にソフトウェアを提供する手段である。本発明は、このようなコンピュータプログラム製品に対してなされたものである。
コンピュータシステム400は、また、コンピュータシステム400をアクセスモニタ、キーボード、マウス、プリンタ、スキャナ、プロッタなどに提供する入出力(I/O)インタフェース430を有することができる。
コンピュータプログラム(コンピュータ制御ロジックともいう)は、メインメモリ408および/または二次メモリ410にアプリケーションモジュール406として記憶される。コンピュータプログラムを、通信用インタフェース424を介して受け取ることもできる。このようなコンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、コンピュータシステム400がここに説明した本発明の特徴を実行することが可能になる。詳細には、コンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、プロセッサ404が本発明の特徴を実行することが可能になる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム400のコントローラを表わしている。
ソフトウェアを用いて発明が実行される実施形態において、ソフトウェアをコンピュータプログラム製品に記憶でき、リムーバブルストレージドライブ414、ハードドライブ412あるいは通信用インタフェース424を用いてコンピュータシステム400へとロードすることができる。アプリケーションモジュール406は、プロセッサ404によって実行された時、アプリケーションモジュール406によって、プロセッサ404がここに説明した本発明の機能を実行する。
所望のタスクを達成するために、I/Oインタフェース430を介したユーザ入力によってあるいはよることなしに、1つ以上のプロセッサ404によって実行することができる1つ以上のアプリケーションモジュール406を、メインメモリ408に、ロードすることもできる。動作においては、少なくとも1つのプロセッサ404がアプリケーションモジュール406のうちの1つが実行されると、結果が演算されて二次メモリ410(つまりハードディスクドライブ412)に記憶される。時間進行工学シミュレーション(例えば、変形ビームエレメント、変形表面およびそれらの相対的な位置等)の状況は、テキストあるいはグラフィックの表現で、I/Oインタフェース430を介してユーザに報告される。
本発明を具体的な実施形態を参照しながら説明したが、これらの実施形態は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。開示した例示的な実施形態に対する種々の変更あるいは変形を、当業者は思いつくであろう。例えば、バケットソーティングアルゴリズム(bucket sorting algorithm)を用いるグローバル検索(global searching)スキームを説明し示したが、他の同等な手法を同じことを達成するために用いることができる。さらに、面メッシュは円形形状を有する有限要素メッシュとして示したが、他のタイプの面メッシュを用いることができる。更に、面メッシュを例示の簡単化ために二次元で示したが、面メッシュは任意の形状の三次元物体の表面とできる。つまり、発明の範囲は、ここで開示した具体的で例示的な実施形態に限定されず、当業者が容易に想到するあらゆる変更が、本願の精神および認識範囲そして添付の特許請求の範囲の権利範囲に含まれる。
100 FEMメッシュ
101 シェル要素
120 断面
110a〜110g 交点
111a〜111f 直線セグメント
101a〜101d ノード
122 スムーズな曲線
110a〜110g ノード点
130 特定の方向(ストーニング方向)
132a〜132n 要素辺交点
141、142、152、153、163 要素
400 コンピュータシステム
402 バス
404 プロセッサ
406 アプリケーションモジュール
408 メインメモリ
410 二次メモリ
412 ハードディスクドライブ
414 リムーバブルストレージドライブ
418 リムーバブルストレージユニット
420 インタフェース
422 リムーバブルストレージユニット
424 通信インタフェース
430 I/Oインタフェース

Claims (12)

  1. プレス加工された板金部品のストーニング作業において、表面欠陥を有限要素法(FEM)メッシュモデルを用いて数値的に予測する方法であって、
    コンピュータシステムにおいるアプリケーションモジュールによって、プレス加工された板金部品を表すFEMメッシュを受け取るステップであって、該FEMメッシュは複数のノードおよび複数の二次元有限要素を含んでおり、該二次元有限要素のそれぞれはコーナーノードとそれぞれの隣接しているペアのコーナーノード間の辺によって定義されているステップと、
    前記アプリケーションモジュールによって、FEMメッシュに対するストーニング方向を選択するステップであって、該ストーニング方向がストーニング作業の方向のうちの1つに対応しているステップと、
    前記アプリケーションモジュールによって、ストーニング方向と交差する二次元有限要素のそれぞれに対する1グループの隣接要素を設定するステップと、
    前記アプリケーションモジュールによって、先に設定された前記1グループの隣接要素を用いてグループ−グループ連結スキームにおいて連続的でスムーズな面を作成するステップと、
    前記アプリケーションモジュールによって、表面欠陥があるか否か判断するようストーニング方向における前記連続的でスムーズな面の断面を検査するステップであって、その断面情報が記憶装置に記憶されるとともにユーザの指示に応じてモニタに図表によって表示されるステップと、
    を備える方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、前記二次元有限要素は四辺形のシェル要素を備える方法。
  3. 請求項1に記載の方法であって、前記二次元有限要素は三角形のシェル要素を備える方法。
  4. 請求項1に記載の方法であって、1グループの隣接要素を設定する前記ステップは、さらに、ストーニング方向と交差した二次元有限要素の前記それぞれに対する辺を共有するすべての隣接要素を前記グループにまず含めるステップを備える方法。
  5. 請求項4の方法であって、さらに、前記アプリケーションモジュールによって、辺を共有する隣接要素の数が3未満である場合、ノードを共有する1以上の隣接要素を前記グループに追加するステップを備える方法。
  6. 請求項1に記載の方法であって、グループ−グループ連結スキームにおいて連続的でスムーズな面を作成する前記ステップは、さらに、前記アプリケーションモジュールによって、スムーズな面を、それぞれのグループにおけるすべてのエレメントのコーナーノードを取り囲むよう当てはめるステップを備える方法。
  7. 請求項6の方法であって、さらに、前記アプリケーションモジュールによって、一のグループから他のグループまでのスムージングオペレーションを行うステップを備える方法。
  8. 請求項1に記載の方法であって、前記表面欠陥は窪んだ面によって示される方法。
  9. プレス加工された板金部品のストーニング作業において、表面欠陥を有限要素法(FEM)メッシュモデルを用いて数値的に予測するシステムであって、
    アプリケーションモジュールに関するコンピュータ可読コードを記憶するメモリに機能的に連結される少なくとも1つのプロセッサを備えており、
    該少なくとも1つのプロセッサが、前記メモリ内の前記コンピュータ可読コードを実行して、前記アプリケーションモジュールに、方法に基づいてオペレーションを実行させるシステムであって、該方法が、
    プレス加工された板金部品を表すFEMメッシュを受け取るステップであって、該FEMメッシュは複数のノードおよび複数の二次元有限要素を含んでおり、該二次元有限要素のそれぞれはコーナーノードとそれぞれの隣接しているペアのコーナーノード間の辺によって定義されているステップと、
    FEMメッシュに対するストーニング方向を選択するステップであって、該ストーニング方向がストーニング作業の方向のうちの1つに対応しているステップと、
    ストーニング方向と交差する二次元有限要素のそれぞれに対する1グループの隣接要素を設定するステップと、
    先に設定された1グループの隣接要素を用いてグループ−グループ連結スキームにおいて連続的でスムーズな面を作成するステップと、
    表面欠陥があるか否か判断するようストーニング方向における前記連続的でスムーズな面の断面を検査するステップであって、その断面情報が記憶装置に記憶されるとともにユーザの指示に応じてモニタに図表によって表示されるとともに、前記記憶装置およびモニタが前記少なくとも1つのプロセッサに機能的に連結されているステップと、
    を備えるシステム。
  10. 請求項9に記載のシステムであって、前記1グループの隣接要素を設定するステップは、さらに、前記グループにおいてストーニング方向と初期に交差した二次元有限要素の前記それぞれに対する辺を共有するすべての隣接要素を含めるステップを備えるシステム。
  11. 請求項10のシステムであって、前記方法がさらに、辺を共有する隣接要素の数が3未満である場合、ノードを共有する1以上の隣接要素を前記グループに追加するステップ
    を備えるシステム。
  12. 請求項1の方法によってプレス加工された板金部品のストーニング作業において、表面欠陥を有限要素法(FEM)メッシュモデルを用いて数値的に予測するコンピュータシステムを制御する命令を備えるコンピュータ可読媒体。
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