JP2011221644A - スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接構造体のモデルに有限要素法を適用し、個々のスポット溶接部について得られた算出値を分析して、スポット溶接部の、スポット溶接構造体への剛性寄与度を定量的に分析する方法を提供する。
【解決手段】前記複数の金属板部材を、前記金属板部材毎に分類可能に定義したシェル要素のうち、特定のシェル要素を抽出するステップと、前記シェル要素と剛体バー要素で連結され、１つの前記スポット溶接部を１つの要素で定義したソリッド要素のうち、前記特定のシェル要素と前記剛体バー要素で連結される、特定のソリッド要素を抽出するステップと、前記特定のソリッド要素の個数を出力するステップと、前記特定のソリッド要素それぞれの、有限要素法で得られたひずみエネルギーを統計処理した統計値を出力するステップで、スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度を分析する。
【選択図】図６

Description

本発明は、複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接部で接合したスポット溶接構造体において、複数箇所のスポット溶接部が、スポット溶接構造体の剛性に寄与する度合い（剛性寄与度）を分析する方法に関する。詳しくは、有限要素法で算出した、各スポット溶接部のひずみエネルギーを統計処理して、スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度を分析する方法に関する。

自動車等の開発工数及び開発コスト削減のため、コンピュータを用いたＣＡＥ（Computer Aided Engineering）が積極的に活用されている。

構造体の剛性解析に有限要素法が有用なことは、これまでに検証されており、自動車のボディのように、複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接で接合したスポット溶接構造体の剛性解析にも、有限要素法が適用されている。

スポット溶接構造体を、有限要素法で解析可能なように、スポット溶接構造体をモデル化する方法がいくつか知られているが、必要な解析精度と、モデル作成に要する時間とのバランスによってモデル化の方法は使い分けられており、簡易的な方法も提案されている（特許文献１、参照）。

モデル作成に要する時間が比較的短く、スポット溶接部の変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギー等を精度良く解析できるモデル化方法として、複数の金属板部材をシェル要素で、1つのスポット溶接部を１つのソリッド要素で定義し、これらのシェル要素とソリッド要素とを、剛体バー要素で連結するモデル化方法が使用されている（非特許文献１、参照）。

特開２００２−３５９８６号公報

Daniel Heiserer 他２名、"High Performance, Process Oriented, weld Spot Approach", 1999 MSC Worldwide Automotive Conference Proceedings (#2559), http://www.mscsoftware.com/support/library/conf/auto99/index.cfm

しかしながら、特許文献１に記載されたモデル化方法は、少ないモデル作成工数で、高い解析精度を得ることを検討したもので、ソルバーでの解析が終了した後の解析結果を仔細に検証することについては、全く配慮がなされていない。

また、非特許文献１に記載されるモデル化方法は、シェル要素で十分な解析精度が得られる金属板材部分をシェル要素で定義し、物性値や境界条件を詳細に入力し解析精度を向上させたいスポット溶接部をソリッド要素で定義し、シェル要素とソリッド要素とは、剛体バー要素で連結することで、シェル要素とソリッド要素の間で荷重を伝達するもので、解析精度の向上と、モデル作成時間の短縮の両立を図った、スポット溶接構造体の剛性解析に適したモデル化方法である。

非特許文献１に記載されたモデルを使用する場合において、解析結果は、変形モード、応力、ひずみ、ひずみエネルギーなどを、スポット溶接構造体についてコンター図としてグラフィック表示して、スポット溶接構造体の設計者が、確認・検証を行っていたが、グラフィック表示であるが故に定量的とはいえず、設計者の知見や経験に依存した判断となることが多かった。

スポット溶接構造体の剛性は、スポット溶接部の影響が大きいため、スポット溶接部の変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギーなどを定量的に把握することは重要である。

非特許文献１に記載されたモデル化方法は、スポット溶接部をソリッド要素で定義していることから、スポット溶接部について精度良く解析でき、スポット溶接部の変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギーを定量的に把握するのに有利である。

しかしながら、スポット溶接構造体、例えば、自動車ボディの場合、スポット溶接部の個数は、数千点にものぼり、有限要素法によって得られた個々のスポット溶接部の変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギーなどの算出値を抽出して、スポット溶接構造体の剛性への寄与度を分析することは大変困難であった。

したがって、非特許文献１に記載されたモデル化方法を使用することによって、個々のスポット溶接部の変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギーなどを精度良く解析することができても、解析結果を定量的に分析するには至っていなかった。

本発明は、上記の実情に鑑み、複数の金属板部材をシェル要素で定義し、１つのスポット溶接部を１つのソリッド要素で定義し、シェル要素とソリッド要素を剛体バー要素で連結したスポット溶接構造体のモデルに、有限要素法を適用して得られた、個々のスポット溶接部についての算出値を分析して、スポット溶接部の、スポット溶接構造体への剛性寄与度を定量的に分析する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成すべく、複数の金属板部材をシェル要素で定義し、１つのスポット溶接部を１つのソリッド要素で定義し、シェル要素とソリッド要素を剛体バー要素で連結したモデルに有限要素法を適用し、個々のスポット溶接部について算出された変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギー等について、種々の分析を行い、検討を重ねた。

その結果、ひずみエネルギーの発生が高いスポット溶接部は、スポット溶接構造体への剛性寄与度が高いことを見出し、スポット溶接構造体の特定範囲内における個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを統計処理した統計値を出力し、この統計値を、スポット溶接構造体の種々の特定範囲内で比較検討をすることにより、スポット溶接部の、スポット溶接構造体への剛性寄与度を分析することができることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づき、さらに改良を加えて完成されたもので、その要旨は次の通りである。

（１）複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接部で接合したスポット溶接構造体のモデルに有限要素法を適用し、得られた算出値に基づいて、前記複数箇所のスポット溶接部の、前記スポット溶接構造体への剛性寄与度を分析する方法において、
前記複数の金属板部材を、前記金属板部材毎に分類可能に定義したシェル要素のうち、特定のシェル要素を抽出するステップと、
前記シェル要素と剛体バー要素で連結され、１つの前記スポット溶接部を１つの要素で定義したソリッド要素のうち、前記特定のシェル要素と前記剛体バー要素で連結される、特定のソリッド要素を抽出するステップと、
前記特定のソリッド要素の個数を出力するステップと、
前記特定のソリッド要素それぞれの、有限要素法で得られたひずみエネルギーを統計処理した統計値を出力するステップと、
を有することを特徴とする、スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。

（２）前記スポット溶接構造体の、前記複数の金属板部材の一部で構成される部位の金属板部材を定義するシェル要素を、前記特定のシェル要素として指定するステップを有することを特徴とする、上記（１）に記載のスポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。

（３）前記スポット溶接構造体の、２つの前記金属板部材で構成される部位の金属板部材のシェル要素を、前記特定のシェル要素として指定するステップを有することを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載のスポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。

本発明によれば、有限要素法を適用して得られた、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーの算出値を、スポット溶接構造体の特定範囲毎に統計処理した統計値を比較検証することで、スポット溶接部の、スポット溶接構造体への剛性寄与度を定量的に分析することができ、スポット溶接部の位置や個数、金属板部材の板厚や形状を最適化して、スポット溶接構造体を合理的に設計することができる。

そして、本発明によれば、自動車ボディ等のスポット溶接構造体の設計において、スポット溶接構造体の剛性への寄与度が小さいスポット溶接部を省略することで、スポット溶接部の個数を削減することができ、併せて、スポット溶接部で接合する金属板部材の板厚も薄肉化することができることから、スポット溶接構造体を軽量化し、製造コストを低減することができる。

本発明が対象とするスポット溶接構造体の一例である、自動車ボディを示す斜視図である。 図１の自動車ボディのうち、ドア周りの側面構造を構成する部品を示す斜視図である。 図２に示したドア周りの側面構造を構成する部品のうち、相互にスポット溶接される９つの金属板部材を示す。 スポット溶接構造体をモデル化する方法のうち、本発明が対象とするモデル化方法を示す説明図である。 自動車ボディをモデル化したとき、有限要素法の入力ファイル中における、シェル要素、ソリッド要素、剛体バー要素に関する記述内容を模式的に示した説明図である。 本発明の剛性寄与度分析方法を説明するフローチャートである。 フロントピラー、センターピラーアッパー、センターピラーロアーそれぞれの部位について、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に合計した値、及び、それぞれの部位に存在するスポット溶接部の個数の合計値を示すグラフである。 フロントピラー、センターピラーアッパー、センターピラーロアーそれぞれの部位について、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に平均した値、及び、スポット溶接部のひずみエネルギーを自動車ボディ全体について合計した値に対する、スポット溶接部のひずみエネルギーを対象部位について合計した値の割合を百分率で示したグラフである。 図３に示した９つの金属板部材を相互にスポット溶接する２つの金属部材の組合せそれぞれについて、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に合計した値を示すグラフである。 図３に示した９つの金属板部材を相互にスポット溶接する２つの金属部材の組合せそれぞれについて、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に平均した値を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明が対象とするスポット溶接構造体の一例である、自動車ボディを示す斜視図である。図１中、符号１０は、自動車ボディを示す。

自動車ボディ１０は、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３などに部位を分けることができる。

また、自動車ボディ１０は、複数のプレス加工された金属板部材を有する。図２は、図１の自動車ボディ１０のうち、ドア周りの側面構造を構成する部品を示す斜視図である。

図３は、図２に示したドア周りの側面構造を構成する部品のうち、相互にスポット溶接される９個の金属板部材を示す。

金属板部材２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９それぞれは、複数箇所のスポット溶接部で相互に接合される。

このように、複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接部で相互に接合することで、自動車ボディ１０となる。したがって、前述したように、自動車ボディ１０は、数千個にも達する非常に多くのスポット溶接部を有する。

そして、このような非常に多くのスポット溶接部を有するスポット溶接構造体に有限要素法を適用して剛性解析をする場合においては、前述したように、種々のモデル化方法がある。

図４は、自動車ボディ１０のようなスポット溶接構造体をモデル化する方法のうち、本発明が対象とするモデル化方法を示す説明図である。

なお、図４は、フロントピラー２１を構成する、金属板部材２１−１と金属板部材２１−２との間に多数存在するスポット溶接部の一部である、スポット溶接部４０−１、４０−２、４０−３を示す。なお、図４は、フロントピラー２１について示したものであるが、フロントピラー１３以外の部位についても同様である。

また、実際のスポット溶接部は、２枚の金属板部材２１−１、２１−２を接合しているが、図４においては、説明のため、スポット溶接部４０−１、４０−２、４０−３を挟んで金属板部材２１−１の反対側にある、金属板部材２１−２を省略している。

フロントピラー２１の図４で示した部分は、金属板部材２１−１、２１−２をシェル要素で、スポット溶接部４０−１、４０−２、４０−３を、それぞれソリッド要素４０−１Ｓ、４０−２Ｓ、４０−３Ｓで定義する。

そして、シェル要素とソリッド要素とを剛体バー要素で連結する。シェル要素とソリッド要素との連結方法は、ソリッド要素４０−１Ｓについて、以下に説明するが、すべてのソリッド要素で同様である。また、図４で示した部分以外についても同様に、金属板部材をシェル要素で、スポット溶接部をソリッド要素で定義する。

図４に示すように、ソリッド要素４０−１Ｓは、８個の節点Ｎ１〜Ｎ８を有する。なお、節点Ｎ３は、ソリッド要素４０−１Ｓと重なっており、図示されていないが、節点Ｎ７の金属板部材２１−１側（図４では、節点Ｎ７の下側）に存在する。

ソリッド要素４０−１Ｓが有する各接点Ｎ１〜Ｎ８は、節点を内部に含むシェル要素を構成する４個の節点と剛体バー要素を介して連結されることで、シェル要素とソリッド要素とを関連づけており、シェル要素に生じた変位や荷重等が、剛体バー要素を介してソリッド要素に伝えられる。

例えば、ソリッド要素４０−１Ｓの節点Ｎ１で説明すると、節点Ｎ１は、図４に示すように、金属板部材２１−１を定義したシェル要素のうちの１つであるシェル要素３０−１の内部に含まれる。そして、シェル要素３０−１は、節点Ｍ１〜Ｍ４を有し、節点Ｍ１と節点Ｎ１、節点Ｍ２と節点Ｎ１、節点Ｍ３と節点Ｎ１、節点Ｍ４と節点Ｎ１とは、それぞれ、剛体バー要素５０−１、５０−２、５０−３、５０−４を介して連結される。

なお、剛体バー要素５０−４は、ソリッド要素４０−１Ｓと重なっているため、図示を省略している。

次に、シェル要素、ソリッド要素、剛体バー要素が、有限要素法の入力ファイル中でどのように記述されているかについて説明する。

図５は、自動車ボディ１０をモデル化したとき、有限要素法の入力ファイル中における、シェル要素、ソリッド要素、剛体バー要素に関する記述内容を模式的に示した説明図である。

シェル要素は、自動車ボディ１０を構成する金属板部材毎に分類されて記述されている。これに対し、ソリッド要素は、１つのスポット溶接部に１つのソリッド要素で定義されているだけで、金属板部材毎には全く分類されていない。

しかしながら、剛体バー要素は、シェル要素のどの節点と、ソリッド要素のどの節点とが連結されているかについて記述されているため、この連結に関する記述を介して、１つのソリッド要素、即ち、１つのスポット溶接部が、どの金属板部材とどの金属板部材とを接合しているのかを検索し、判別することができる。

例えば、スポット溶接部４０−１を定義したソリッド要素４０−１Ｓは、図５に示すように、節点Ｎ１〜Ｎ８を有する。節点Ｎ１は、剛体バー要素５０−１、５０−２、５０−３、５０−４と連結されており、これらの剛体バー要素は、節点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４で構成されるシェル要素３０−１と連結されている。シェル要素３０−１は、図５に示すように、金属板部材２１−１を定義したシェル要素のうちの１つである。

つまり、どのスポット溶接部が、どの金属板部材を接合しているのか、剛体バー要素における、シェル要素のどの節点と、ソリッド要素のどの節点とが連結されているかについての記述によって検索し、判別することができる。

このような記述がされた有限要素法の入力ファイルを使用して、モデル化した自動車ボディ１０に、有限要素法を適用して得られた算出値に基づいて、スポット溶接部の、自動車ボディへの剛性寄与度を分析する方法について説明する。

図６は、本発明のスポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法を説明するフローチャートである。以下、図６に示すステップ毎に説明する。なお、以下の説明は、図１に示した自動車ボディ１０を例として説明するが、他のスポット溶接構造体、例えば、スポット溶接で構成された鉄道車両の車体等についても同様である。

（ステップＳ１）
図４に示したモデル化方法により作成した自動車ボディ１０の有限要素モデル（以下、「自動車ボディモデル」という。）について、市販のソルバーを使用して剛性解析を実施する。なお、本発明においては、弾性域での剛性解析を対象とする。

（ステップＳ２）
自動車ボディモデルのシェル要素は、図５に示したように、金属板部材毎に分類することができるように定義されている。これらの金属板部材毎に分類可能に定義したシェル要素のうち、特定のシェル要素を抽出する。

例えば、フロントピラー２１の剛性解析結果について詳細に分析したい場合には、図１中の範囲Ｐを、自動車ボディ１０の先頭部を基準とする座標で指定し、フロントピラー２１を構成する９つの金属板部材２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９において、フロントピラー２１に相当する部位（図３において破線で囲まれた部位）を定義したシェル要素を検索し、特定のシェル要素として抽出する。なお、座標の基準は自動車ボディ１０の先頭部に限られず、任意に設定してよい。

（ステップＳ３）
複数の金属板部材を定義したシェル要素のうちの一部は、剛体バー要素を介して、１つのスポット溶接部を１つの要素で定義したソリッド要素と連結されている。これらの、シェル要素と剛体バー要素で連結され、１つのスポット溶接部を１つの要素で定義したソリッド要素のうち、ステップＳ２で抽出された特定のシェル要素と剛体バー要素で連結される、特定のソリッド要素を抽出する。

例えば、ステップＳ２で抽出した特定のシェル要素は、上記のように、金属板部材２１−１、２１−２、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９において図３の破線で囲まれた範囲を定義したシェル要素である。ここで、金属板部材２１−１において図３の破線で囲まれた範囲を定義したシェル要素のうちの１つである、シェル要素３０−１について説明する。なお、金属板部材２１−１、２１−２、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９を定義した、他のシェル要素についても同様である。

シェル要素３０−１は、図４及び図５に示すように、４つの節点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を有する。これら４つの節点は、図５に示した有限要素法の入力ファイル中の記述から、剛体バー要素５０−１、５０−２、５０−３、５０−４を介して、ソリッド要素４０−１Ｓが有する８個の節点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６、Ｎ７、Ｎ８のうちの１つである節点Ｎ１で、ソリッド要素４０−１Ｓと連結されていることが判別され、特定のソリッド要素として抽出される。

同様の要領で、ステップＳ２で抽出された特定のシェル要素すべてについて、連結されているソリッド要素が判別され、特定のソリッド要素を抽出する。

（ステップＳ４）
ステップＳ３で抽出されたソリッド要素の個数が求められ、出力される。上記の説明の例では、ステップＳ２で、フロントピラー２１の剛性解析結果を分析したい場合として、特定のシェル要素を抽出していることから、自動車ボディ１０のフロントピラー２１の部位が有するスポット溶接部のソリッド要素の個数が出力される。

（ステップＳ５）
剛性解析後の有限要素法の出力ファイル中には、すべてのソリッド要素それぞれについて、変位、応力、ひずみ、ひずみエネルギー等の算出値が記述されている。これらのすべてのソリッド要素についての算出値のうち、ステップＳ４で抽出された特定のソリッド要素それぞれについてのひずみエネルギーを統計処理し、その統計値を出力する。ここで、統計値とは、特定のソリッド要素それぞれについて、ひずみエネルギーの最大値、最小値、合計値、平均値、標準偏差などである。なお、ステップＳ４で出力されたソリッド要素の個数は、平均値や標準偏差を求める統計処理を行うときにも使用される。

そして、これまでに説明したステップＳ１からステップＳ５を、本発明の、スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法では、有限要素法での解析後に、すべて自動で行うことができる。

ステップＳ１〜ステップＳ５は、本発明の必須構成要素であるが、必要に応じて、以下に述べるステップＡ及びステップＢを適宜加えてもよい。

（ステップＡ）
スポット溶接構造体の、複数の金属板部材の一部で構成される部位の金属板部材を定義するシェル要素を、特定のシェル要素として指定するステップを別途設けて、ステップＡとしてもよい。

例えば、自動車ボディ１０を剛性解析する場合、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３などの部位に含まれる金属板部材を定義するシェル要素を、特定のシェル要素として指定するステップＡを別途設けてもよい。

フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３などの部位は、自動車ボディ１０の先頭部を基準とした座標で入力される。なお、座標の基準は自動車ボディ１０の先頭部に限られず、任意に設定してよい。

ステップＡを加える場合には、ステップＳ１とステップＳ２の間に加えることが好ましい。

（ステップＢ）
スポット溶接構造体は、複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接部で接合して構成されるが、その最小単位は、２つの金属板部材で構成される。剛性解析結果を分析する際、この最小単位で分析することができると好都合である。

そこで、スポット溶接構造体の、２つの金属板部材で構成される部位の金属板部材を定義するシェル要素を、特定のシェル要素として指定するステップを別途設けて、ステップＢとしてもよい。ドア周りの側面構造を構成する部品のうち、相互にスポット溶接されるのは、図３に示すように、９つの金属板部材２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９であるが、その最小単位は、例えば、金属板部材２１−１と金属板部材２１−２の組合せである。

ステップＢを加える場合には、ステップＳ１とステップＳ２の間に加えることが好ましい。また、ステップＡの後に、ステップＢを加えて、ステップＡの実施によって、スポット溶接構造体において、大まかにどの部位の剛性が低いかの見当をつけ、その後に、ステップＢを実施して、剛性が低いと見当をつけた部位について、２つの金属板部材の組合せ毎に、詳細に剛性解析結果を分析することもできる。

次に、本発明を実施例でさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
図１に示した自動車ボディ１０において、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３のうち、どの部位のスポット溶接部が、自動車ボディ１０への剛性寄与度が大きいかを分析した。

自動車ボディ１０を、図４に示したモデル化方法により、自動車ボディモデルを作成し、ステップＳ１→ステップＡ→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５の順で、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３それぞれについて実施した。なお、実施例１ではステップＡで、剛性寄与度分析する部位、即ち、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３それぞれの部位を、自動車ボディ１０の先頭部を基準とする座標で指定した。

結果を図７及び図８に示す。図７は、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３それぞれの部位について、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルに記述された個々のソリッド要素のひずみエネルギー、即ち、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に合計した値、及び、それぞれの部位に存在するソリッド要素の個数の合計値、即ち、それぞれの部位に存在するスポット溶接部の個数の合計値を示す。

図８は、フロントピラー２１、センターピラーアッパー２２、センターピラーロアー２３それぞれの部位について、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルに記述された個々のソリッド要素のひずみエネルギー、即ち、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に平均した値、及び、スポット溶接部のひずみエネルギーを自動車ボディ全体について合計した値に対する、スポット溶接部のひずみエネルギーを対象部位について合計した値の割合を百分率で示したグラフである。

図７及び図８から明らかなように、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に合計した値においては、フロントピラー２１が、最も高い値を示し、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの部位毎に平均した値においても、フロントピラー２１が、最も高い値を示す。

このように、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、自動車ボディ１０の部位毎に統計処理した統計値（合計値、平均値等）で、スポット溶接部の自動車ボディ１０への剛性寄与度を定量的に比較・検討することにより、剛性解析結果を詳細に分析することができる。

これに対し、従来のように、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、自動車ボディ１０全体について、コンター図としてグラフィック表示した場合には、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、自動車ボディ１０の部位毎に合計値や平均値を出力して定量的に比較・検討し、剛性解析結果を詳細に分析することは不可能である。

また、図７から明らかなように、個々の部位のスポット溶接部の個数は、最小個数のセンターピラーロアー２３部でも１０８個であり、本発明の方法を用いずに、手動で、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルから、センターピラーロアー２３部が有する個々のソリッド要素（個々のスポット溶接部）に記述されているひずみエネルギーの算出値を抽出して合計値及び平均値を求めることは、膨大な時間がかかるのはもちろんのこと、事実上、非常に困難である。

（実施例２）
フロントピラー２１に存在するスポット溶接部の、自動車ボディ１０への剛性寄与度をさらに詳細に分析するため、フロントピラー２１を構成する最小単位で、ひずみエネルギーの合計値及び平均値を比較・検討した。

上述したように、ドア周りの側面構造を構成する部品のうち、相互にスポット溶接される部品は、９つの金属板部材２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９である。そして、フロントピラー２１を構成する最小単位となる２つの金属板部材の組合せは、金属板部材２１−１と金属板部材２１−２、金属板部材２１−３と金属板部材２１−１、金属板部材２１−３と金属板部材２１−２、金属板部材２１−４と金属板部材２１−３、金属板部材２１−４と金属板部材２１−５、金属板部材２１−４と金属板部材２１−８、金属板部材２１−５と金属板部材２１−１、金属板部材２１−５と金属板部材２１−３、金属板部材２１−５と金属板部材２１−８、金属板部材２１−６と金属板部材２１−１、金属板部材２１−６と金属板部材２１−３、金属板部材２１−６と金属板部材２１−４、金属板部材２１−６と金属板部材２１−５、金属板部材２１−６と金属板部材２１−８、金属板部材２１−６と金属板部材２１−９、金属板部材２１−７と金属板部材２１−３、金属板部材２１−７と金属板部材２１−６、金属板部材２１−９と金属板部材２１−１、金属板部材２１−９と金属板部材２１−２、金属板部材２１−９と金属板部材２１−３、金属板部材２１−９と金属板部材２１−５の２１個の組合せである。

なお、記述を簡単にするために、以下の説明では、金属板部材２１−１と金属板部材２１−２、金属板部材２１−３と金属板部材２１−１、金属板部材２１−３と金属板部材２１−２、金属板部材２１−４と金属板部材２１−３、金属板部材２１−４と金属板部材２１−５、金属板部材２１−４と金属板部材２１−８、金属板部材２１−５と金属板部材２１−１、金属板部材２１−５と金属板部材２１−３、金属板部材２１−５と金属板部材２１−８、金属板部材２１−６と金属板部材２１−１、金属板部材２１−６と金属板部材２１−３、金属板部材２１−６と金属板部材２１−４、金属板部材２１−６と金属板部材２１−５、金属板部材２１−６と金属板部材２１−８、金属板部材２１−６と金属板部材２１−９、金属板部材２１−７と金属板部材２１−３、金属板部材２１−７と金属板部材２１−６、金属板部材２１−９と金属板部材２１−１、金属板部材２１−９と金属板部材２１−２、金属板部材２１−９と金属板部材２１−３、金属板部材２１−９と金属板部材２１−５の組合せを、それぞれ、１−２、３−１、３−２、４−３、４−５、４−８、５−１、５−３、５−８、６−１、６−３、６−４、６−５、６−８、６−９、７−３、７−６、９−１、９−２、９−３、９−５というものとする（例えば、金属板部材２１−１と金属板部材２１−２の組合せの場合、「金属板部材２１−」を省略し、「と」を「−」に言い換えて、１−２とした）。

実施例１と同一の自動車ボディモデルで、ステップＳ１→ステップＢ→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５の順で、上記の２１個の組合せについて実施した。なお、実施例２ではステップＢで、金属板部材の組合せ、即ち、１−２、３−１、３−２、４−３、４−５、４−８、５−１、５−３、５−８、６−１、６−３、６−４、６−５、６−８、６−９、７−３、７−６、９−１、９−２、９−３、９−５を指定した。

結果を図９及び図１０に示す。図９は、それぞれの組合せについて、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルに記述された個々のソリッド要素のひずみエネルギー、即ち、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に合計した値を示す。

図１０は、それぞれの組合せについて、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルに記述された個々のソリッド要素のひずみエネルギーの平均値を、それぞれの組合せ毎に平均した値、即ち、有限要素法で算出した個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に平均した値を示す。

図９及び図１０から明らかなように、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に合計した値、及び、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、それぞれの組合せ毎に平均した値のいずれも、７−３の組合せ、即ち、金属板部材２１−７と金属板部材２１−３の組合せが、最も高い値を示した。

よって、金属板部材２１−７と金属板部材２１−３を接合するスポット溶接部が、自動車ボディ１０への剛性寄与度が大きい。

このように、フロントピラー２１を構成する最小単位毎、即ち、自動車ボディ１０を構成する最小単位毎に統計処理した統計値（合計値、平均値等）で、スポット溶接部の自動車ボディ１０への剛性寄与度を定量的に比較・検討することにより、剛性解析結果を詳細に分析することができる。

これに対し、従来のように、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、自動車ボディ１０全体について、コンター図としてグラフィック表示した場合には、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーを、自動車ボディ１０の最小単位の組合せ毎に合計値や平均値を出力して定量的に比較・検討し、剛性解析結果を詳細に分析することは不可能である。

また、本発明の方法を用いずに、手動で、フロントピラー２１を構成する最小単位の組合せ毎に、剛性解析後の有限要素法の出力ファイルから、個々のソリッド要素（個々のスポット溶接部）について記述されているひずみエネルギーの算出値を抽出して、合計値及び平均値を求めることは、膨大な時間がかかるのはもちろんのこと、事実上、非常に困難である。

なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、特許請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。

前述したように、本発明によれば、有限要素法を適用して得られた、個々のスポット溶接部のひずみエネルギーの算出値を、スポット溶接構造体の特定範囲毎に統計処理した統計値を比較検証することで、スポット溶接部の、スポット溶接構造体への剛性寄与度を定量的に分析することができ、スポット溶接部の位置や個数、金属板部材の板厚や形状を最適化して、スポット溶接構造体を合理的に設計することができる。本発明は、工業上、利用価値の高いものである。

また、本発明によれば、自動車ボディ等のスポット溶接構造体の設計において、スポット溶接構造体の剛性への寄与度が小さいスポット溶接部を省略することで、スポット溶接部の個数を削減することができ、併せて、スポット溶接部で接合する金属板部材の板厚も薄肉化することができることから、スポット溶接構造体を軽量化し、製造コストを低減することができ、工業上、顕著な効果を奏するものである。

１０ 自動車ボディ（スポット溶接構造体）
２１ フロントピラー
２１−１、２１−２、２１−３、２１−４、２１−５、２１−６、２１−７、２１−８、２１−９、２１−１０、２１−１１、２１−１２、２１−１３、２１−１４、２１−１５ 金属板部材
２２ センターピラーアッパー
２３ センターピラーロアー
３０−１ シェル要素
４０−１、４０−２、４０−３ スポット溶接部
４０−１Ｓ、４０−２Ｓ、４０−３Ｓ ソリッド要素
５０−１、５０−２、５０−３、５０−４ 剛体バー要素
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８ 節点
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６、Ｎ７、Ｎ８ 節点

Claims (3)

1. 複数の金属板部材を、複数箇所のスポット溶接部で接合したスポット溶接構造体のモデルに有限要素法を適用し、得られた算出値に基づいて、前記複数箇所のスポット溶接部の、前記スポット溶接構造体への剛性寄与度を分析する方法において、
   前記複数の金属板部材を、前記金属板部材毎に分類可能に定義したシェル要素のうち、特定のシェル要素を抽出するステップと、
   前記シェル要素と剛体バー要素で連結され、１つの前記スポット溶接部を１つの要素で定義したソリッド要素のうち、前記特定のシェル要素と前記剛体バー要素で連結される、特定のソリッド要素を抽出するステップと、
   前記特定のソリッド要素の個数を出力するステップと、
   前記特定のソリッド要素それぞれの、有限要素法で得られたひずみエネルギーを統計処理した統計値を出力するステップと、
   を有することを特徴とする、スポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。
2. 前記スポット溶接構造体の、前記複数の金属板部材の一部で構成される部位の金属板部材を定義するシェル要素を、前記特定のシェル要素として指定するステップを有することを特徴とする、請求項１に記載のスポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。
3. 前記スポット溶接構造体の、２つの前記金属板部材で構成される部位の金属板部材のシェル要素を、前記特定のシェル要素として指定するステップを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のスポット溶接部のスポット溶接構造体への剛性寄与度分析方法。

Images