JP2012141138A

JP2012141138A - 耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法およびその部品

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Publication number: JP2012141138A
Application number: JP2010291851A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwama; 隆史岩間
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP5505295B2

Abstract

【課題】耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法を、該方法により設計された耐デント性に優れた部品と共に提供する。
【解決手段】自動車外板部品のマスチック３接合点と荷重位置の距離が近い少なくとも４点の平均距離Ｄａｖｅを求め、次いで１．６×Ｄａｖｅ〜２．４×Ｄａｖｅの対角線長ＤＩを有しかつ一方向に曲率をもつパネル５を用いる耐デント性検討モデルにて曲率半径の入力値を種々変えて塑性ひずみ発生荷重Ｐｄを算出し、該算出したＰｄと前記曲率半径の入力値との関係からＰｄが最小となる曲率半径Ｒｍｉｎを導出し、前記Ｒｍｉｎを考慮して自動車外板部品の面形状設計を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法およびその部品に関し、詳しくは、特にドア、フードなど自動車外板部品パネルの外板面の曲率半径範囲を規定することで、耐デント性に優れた特性を得る、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法およびその部品に関する。

近年、特に自動車など車両の軽量化を実現するため、ドアやフードなど自動車アウター部品においても薄肉軽量化のニーズが高まっている。しかしながら、パネル部品の薄肉化は耐デント性や張り剛性の低下を招き、人が触れたときの剛性感や、物が当たったときのくぼみ難さに不利な影響がある。そのため、自動車メーカにとって張り剛性や耐デント性の確保と部品軽量化の両立が大きな課題となっている。

張り剛性は弾性変形挙動に影響されるため、外板のハイテン化（材料強度上昇）では解決しない。そのため近年は、内部の補強部品の変更など、部品全体での対策が主となりつつある。一方、耐デント性は塑性変形のしにくさに影響されるため、基本的にはハイテン化（降伏強度の上昇）により解決されてきた。具体的には、従来軟鋼板が使用されていた部位に、ＴＳ３４０ＭＰａ級のハイテンが適用されたり、焼付け硬化性を持つＢＨ鋼板も広く使用されたりしている。しかし、今後の軽量化においては、さらに高強度のハイテンが必要となってくる。その場合、伸びの低下による割れの発生、降伏強度の上昇による面ひずみ、しわ発生の問題が顕在化し、外板適用が非常に困難となる場合があり、それらのトライアンドエラーに要する工数が増大すると考えられる。そこでそれらを低減するために、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering;計算機支援工学）を活用した事前検討が実施される場合が増えてきている。

耐デント性向上を目的とした耐デント性予測および評価方法の例としては、以下に挙げるものがある。
特許文献１には、プレス成形による板厚減少、加工硬化等材料因子の影響を考慮した耐デント性予測方法について記載されている。
特許文献２には、フードの張り剛性およびデント性をＣＡＥで定量的に予測する方法に関する技術が記載されている。

特許文献３には、自動車車体の外板パネルの耐デント性、張り剛性向上のための補強方法について開示されており、インナーとアウター間の空間に発泡剤などの充填材を付与することで、外板パネル強度を高める旨記載されている。
特許文献４には、鋼板に圧延により予変形を与え、降伏強度を高めることで耐デント性を向上させる手法が記載されている。

また、耐デント性を実測にて評価するために通常用いられる方法として、図３に工程を示した方法がある。本発明においても、耐デント性の実測による評価にはこの方法を用いる。
（工程Ａ）成形パネルのフランジ部をクランプ等で拘束し、パネル上面より圧子を介して荷重を負荷する。変位計はパネル下面に配置し、変位量を測定する。圧子が剛体の場合は、圧子の押し込み量を直接測定してもかまわない。荷重による反力をロードセルで、パネルの変形量を変位計により測定し、データロガー等を介し、レコーダーに描画および必要に応じＰＣ（パソコン）へ記録する。
（工程Ｂ）荷重を上げていき、任意の値で負荷し、停止する。
（工程Ｃ）荷重を除荷する。この際、パネルが塑性変形していなければ、パネル形状は工程Ａの状態まで戻る。塑性変形している場合は、凹みが残る。
（工程Ｄ）残留した凹み量をダイヤルゲージにより測定する。

評価方法としては、一定荷重負荷、除荷後の凹み量の大小で判断する場合と、荷重負荷除荷を繰り返し、その際、負荷荷重を徐々に上昇させることでプロットできる荷重-凹み量の曲線で評価する場合がある。いずれも凹み量が大きい方が、耐デント性に劣るという評価をする。

特開２０００−２４９６３６号公報特開２００８−１８５３４７号公報特開２００２−３７１２２号公報特開２００５−３４９０６号公報

しかしながら、特許文献１では、適切な材料を選択することが目的であるため、部品への適用の可能性（成形性、面ひずみ等）を含めた検討までには至らない。また、特許文献２では、デント性については最大主ひずみ量で合否判断をしているものであり、具体的に、デント性を向上させるための方法については記載が無く、パネルの曲率半径を小さくすることが方向性として記述されているのみである。また、特許文献３に開示された方法では、製造工程材において、発泡剤を充填する工数および材料費の増大、および発泡、収縮による外板形状への影響（ひけ、しわ等）が懸念され、しかも、充填室を確保するため、部品が増加し、重量増へつながる懸念もある。また、特許文献４に記載の手法では、プレス成形前に降伏強度が高くなるため、プレス成形時のしわや面ひずみの発生に不利に作用する危険性が高い。

以上のように、従来技術において、耐デント性を事前に予測し、効率的に対策を立てる方法は無く、この点が未解決の課題であった。実車での検討において、完成車体になった段階で耐デント性不足が明らかになる場合も考えられ、その際には熱硬化型樹脂シートを追加する対策がとられたり、材料変更したりなど、工数、材料費増加のデメリットが発生することが考えられ、最悪の場合、板厚を薄く出来ない（軽量化が出来ない）事態に至ってしまう。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、自動車外板部品の耐デント性を考慮した面形状の設計を効率的に行いうる、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法を、該方法により設計された耐デント性に優れた部品と共に提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、以下の通りである。
（１）自動車外板部品の面形状を設計するにあたり、自動車外板部品のマスチック接合点と荷重位置の距離が近い少なくとも４点の平均距離Ｄａｖｅを求め、次いで１．６×Ｄａｖｅ〜２．４×Ｄａｖｅの対角線長ＤＩを有しかつ一方向に曲率をもつパネルを用いる耐デント性検討モデルにて曲率半径の入力値を種々変えて塑性ひずみ発生荷重Ｐｄを算出し、該算出したＰｄと前記曲率半径の入力値との関係からＰｄが最小となる曲率半径Ｒｍｉｎを導出し、前記Ｒｍｉｎを考慮して、自動車外板部品の面形状設計を行うことを特徴とする、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法。
（２）（１）に記載の方法により設計されてなる、耐デント性に優れた自動車外板部品。

本発明の、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法によれば、インナーのマスチックによる影響も考慮した最小のモデルで、適用する材料、板厚情報も考慮した事前検討することで、耐デント性に有利な面形状の設計が可能である。

本発明の実施形態を示すフロー図ドア部品の一般的な構造を示す模式図耐デント性を実測にて評価する方法を示す工程図荷重負荷位置とＤａｖｅの関係を示す説明図耐デント性検討モデルの１例を示すメッシュ配置図耐デント性検討モデルの実施形態を示す説明図塑性ひずみ発生荷重におよぼすパネル曲率半径および板厚の影響を示すグラフドア部品のデント測定位置（１７箇所）を示す概略図耐デント性検討モデル（六角形状のパネル）を示す模式図

本発明の構成に関して、図面に基づいて説明する。
まず図２に、自動車外板部品の一例として、ドア部品の一般的な構造を示す。アウター１と呼ばれる外板とインナーと呼ばれる内側の張り出した形状の部品で構成される。アウター１の裏面には耐衝突特性に寄与するベルトラインリインフォース２ａ、インパクトビーム２ｃ、および、張り剛性対策用のリインフォース２ｂなど補強部材２が配置される。これら補強部材２は、自動車走行時の振動によるアウター１との干渉を防ぐため、マスチック３と呼ばれる樹脂製の防振材にて拡大図にあるようにアウター１と接着される。

デントはアウターに外力が加わることで形成される永久凹みである。一般に、アウターへ外力が加わるとたわみ（弾性変形）が発生するが、その際、マスチック接着位置がたわみの支持点となり、たわみの拡大を抑制する。さらに外力が過大になると、塑性ひずみが発生し、デントを形成する。塑性ひずみ量とは、０．２％のひずみ量にほぼ相当するものである。そのため、マスチックはデント性へ影響を及ぼすと考えられる。

デント試験は、実部品における耐デント性が懸念される部位において、圧子を介して荷重を負荷し、除荷後の凹み量を測定するものである。しかし、部品設計段階では、実部品（物）が無いため、ＣＡＤデータ等のデジタルデータをベースとして、ＣＡＥで見積もる手段しか無い。さらに、アウターの面形状（デザイン）の決定前段階で、適用材料、板厚の妥当性を予測するために耐デント性解析が必要になるケースもあり、本発明に示す、より簡易的なアウターを模擬した単純モデルでの検討が重要となる。

図１に、本発明の各工程を表すフロー図を示す。
最初の工程（Ａ１）では、アウターを模擬した、一方向のみ曲率を有するかまぼこ状矩形状パネル（以下、単にパネルともいう）５のサイズを決定する。その要領を図４に示す。部品の荷重負荷位置を任意に選定し、そこからマスチック接合点までの距離で、１〜４番目に近い距離ｄ１〜ｄ４を求め、それらの平均値Ｄａｖｅを算出する。パネル５はＤＩ＝（１．６〜２．４）×Ｄａｖｅの対角線長ＤＩを持つことで、実際の部品における荷重負荷位置からマスチックまでの距離に近くなり、実測値に近い、より精度の高い解析結果が期待できる。パネル５のＤＩを１．６×Ｄａｖｅより小さくとるのでは、同一変位で比較した場合、荷重が高くなり、２．４×Ｄａｖｅより大きくとるのでは、荷重が低くなり、いずれの場合も解析精度が低下する。よって、パネル５のＤＩは（１．６〜２．４）×Ｄａｖｅの範囲に限定する。

また、荷重負荷位置から距離の近いマスチック接合点が６点ある場合は、距離ｄ１〜ｄ６を求め、それらの平均値Ｄａｖｅ（＝（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４＋ｄ５＋ｄ６）／６）を算出する。図９に示すように、六角形状のパネル６はＤＩ＝（１.６〜２．４）×Ｄａｖｅの対角線長ＤＩを持つことで、部品における荷重負荷位置からマスチックまでの距離に近くなり、実測値に近い、より精度の高い解析結果が期待できる。

荷重負荷によるパネルのたわみは概ね線対称に拡がることを考慮すると、モデルパネルは線対称となる偶数角形状であることが望ましい。そのため、荷重負荷位置から距離の近いマスチック点数が８以上の偶数Ｎの場合はＮ角形状のパネルでそれぞれパネル６に対応した考え方にて解析を行うことができる。
パネル５、６のＤＩを１．６×Ｄａｖｅより小さく取るのでは、同一変位で比較した場合、荷重が高くなり、２．４×Ｄａｖｅより大きく取るのでは、荷重が低くなり、いずれの場合も解析精度が低下する。よって、パネル５、６のＤＩは（１.６〜２．４）×Ｄａｖｅの範囲に限定する。

第２工程（Ａ２）では、かまぼこ状矩形状パネルの曲率半径を変えたパネルごとにＦＥＭ（有限要素法）で解析を行い、塑性ひずみ発生荷重Ｐｄをそれぞれ算出する。適用材料の０．２％耐力（０．２％の塑性ひずみが生じる真応力）に等しい応力がパネルに負荷された時点における負荷荷重を塑性ひずみ発生荷重Ｐｄとする。計算に用いるメッシュのとり方の例を図５に示す。図示のとおり、対角線長ＤＩのモデルにおいて、メッシュサイズは５ｍｍとし、圧子が接触する中央部を中心として５０ｍｍ角部は１．５ｍｍ、その周囲１６０ｍｍφ領域は１．５〜５ｍｍでメッシュサイズは徐変している。ソルバーはＬＳ−ＤＹＮＡ（Livermore Software Technology Corporation製ＬＳ−ＤＹＮＡ ver.9.71）を用い、静的陰解法（時間の要素を含まず、且つ、逆行列を求める過程を含む解法）にて解いた。曲率半径の水準は、Ｐｄの最小値が見出せれば数は問わないが、最小値近傍では１００ｍｍ程度のピッチとするのが好ましい。

第３工程（Ａ３）では、Ａ２工程で得られるパネルの曲率半径とＰｄの関係より、Ｐｄが最小となる曲率半径Ｒｍｉｎを算出する。
第４工程（Ａ４）では、実際の部品における荷重負荷位置の曲率半径がＲｍｉｎ±１０％(換言すると、０．９×Ｒｍｉｎ〜１．１×Ｒｍｉｎ)の範囲に入るか否かの判定を行い、入らなければ合格とし、入る場合は実際の部品における曲率半径の変更を行う。

上記検討の一例を図６に示す。これは、２８６ｍｍ角のカマボコ形状（曲率半径Ｒ＝１００、３００、５００、６００、７００、１０００、１２００、２０００、３０００、５０００、１００００[ｍｍ]）のＦＥＭモデルである。圧子は剛体で球頭（先端半径５０ｍｍ）であり、パネル中央部を押し込んだ際の圧子パネル接触部（パネルの、圧子との接触部）の塑性ひずみ発生荷重を計算した。材料は０．２％耐力（ＹＳ）２３０ＭＰa(真応力)、引張強度（ＴＳ）３４０ＭＰａのＢＨ（焼付け硬化型）鋼板（３４０ＢＨ）とし、板厚は０．７０ｍｍおよび０．６５ｍｍとした。モデル用パネルの各辺の境界条件は、ｘ,ｙ,ｚ各軸に対して並進方向の動きを拘束する並進拘束条件とした。

上記計算により得られたパネル曲率半径と塑性ひずみ発生荷重の関係を図７に示す。いずれの板厚でも塑性ひずみ発生荷重Ｐｄには最小値が存在し、その値は板厚によって変化することが分かる。そのため予測精度の観点から、実際に使用する材料データによる解析が必要であることが分かる。そして、Ｒｍｉｎの近傍を外れる曲率半径を設計値として採用すれば、耐デント性に優れた自動車外板部品が得られるといえる。このＲｍｉｎの近傍として通常とられる範囲として、本発明では、Ｒｍｉｎ±１０％(換言すると、０．９×Ｒｍｉｎ〜１．１×Ｒｍｉｎ)の範囲をＲｍｉｎの近傍とする。

なお、実際の外板部品を構成するアウターの曲率半径はおおよそ３００〜５０００ｍｍである。ドア中央部などの緩曲面では曲率半径の増加に伴い、耐デント性は向上するが、取っ手周りなど凸形状が顕著な部位では、逆に、曲率半径の増加に伴い耐デント性が低下する場合も考えられる。

フロントドアＡＳＳＹ部品（サイズ約１０５０ｍｍ×１２００ｍｍ）において、図８に示すアウターの１７箇所（Ｎｏ.(１)〜Ｎｏ.(１７)）において耐デント性試験を行った。１７箇所は、耐デント性が一般に弱いとされるドア中央部を中心に選択した。アウターに使用されている鋼板は、引張強度（ＴＳ）３４６ＭＰａ、降伏強度（ＹＳ）２３７ＭＰａ（０．２％耐力（真応力））、伸び（Ｅｌ）４１％の機械的特性を有するＢＨ（焼付硬化型）鋼板で板厚０．６５ｍｍである。圧子は鋼製、先端曲率半径５０ｍｍの球頭形状を用い、外板面に垂直方向に荷重を負荷した。荷重は１０Ｎピッチで増加させた。荷重負荷の都度除荷し、標点距離５０ｍｍの３点ゲージにて凹み量を測定した。凹み量が発生する最低の荷重をデント発生荷重とした。

さらに解析については、測定に供したドアの試験位置からのマスチック４点との平均距離Ｄａｖｅを算出し、対角線長ＤＩが１．６〜２．４倍のＤａｖｅの範囲に入る大きさの（一部比較のため意図的に１．６〜２．４倍のＤａｖｅの範囲に入らない）かまぼこ状矩形状パネルにて実施した。パネルの曲率半径は、１００〜１００００ｍｍまで変化させた。荷重負荷解析は、パネル中央部において、パネル面に垂直方向に先端曲率半径５０ｍｍの球頭（剛体）を押し込んで行った。パネル中央部に０．２％塑性ひずみが発生する真応力（０．２％耐力）に等しい応力が付与された時点の負荷荷重を塑性ひずみ発生荷重とし、それが最小となるパネル曲率半径Ｒｍｉｎを求めた。

Ｒｍｉｎより、デント測定位置において、上記結果を考慮し最終的な曲率半径Ｒを決定、試作し、デント発生荷重を図３に示した方法にて測定した。そして、デント発生荷重が１００Ｎ以上で○（合格）、１００Ｎ未満で×（不合格）と判定した。その結果を表１に示す。ドアのマスチック平均距離Ｄａｖｅを考慮した対角線長ＤＩの大きさのパネルを用いた耐デント性検討モデルにて検討した、不利な曲率半径範囲０．９×Ｒｍｉｎ〜１．１×Ｒｍｉｎを回避することで、耐デント性を確保することが可能であった。

１アウター
２補強部材（２ａ：ベルトラインリインフォース，２ｂ：リインフォース，２ｃ：インパクトビーム）
３マスチック
５パネル（かまぼこ状矩形状パネル）
６六角形状のパネル

Claims

自動車外板部品の面形状を設計するにあたり、自動車外板部品のマスチック接合点と荷重位置の距離が近い少なくとも４点の平均距離Ｄａｖｅを求め、次いで１．６×Ｄａｖｅ〜２．４×Ｄａｖｅの対角線長ＤＩを有しかつ一方向に曲率をもつパネルを用いる耐デント性検討モデルにて曲率半径の入力値を種々変えて塑性ひずみ発生荷重Ｐｄを算出し、該算出したＰｄと前記曲率半径の入力値との関係からＰｄが最小となる曲率半径Ｒｍｉｎを導出し、前記Ｒｍｉｎを考慮して、自動車外板部品の面形状設計を行うことを特徴とする、耐デント性に優れた自動車外板部品の面形状設計方法。
請求項１に記載の方法により設計されてなる、耐デント性に優れた自動車外板部品。