JP2019078624A

JP2019078624A - ボルト破断解析方法

Info

Publication number: JP2019078624A
Application number: JP2017205520A
Authority: JP
Inventors: 純一猪口; Junichi Inoguchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-05-23

Abstract

【課題】ボルトの破断現象を再現可能なボルト破断解析方法を得る。【解決手段】ボルト２２及びナット２４を締結してブラケット側板金１０Ａと車体側板金１４Ａとを接合した場合の、ボルト２２の座面２２Ｂからナット２４の座面２４Ｂまでのボルト２２の軸部を弾塑性体３０とみなし、応力の作用で弾塑性体３０が塑性変形後、当該応力の集中により弾塑性体３０の一部に弾塑性体３０を破断させる破断節３８が発生すると想定し、弾塑性体３０が破断節３８で破断する際に弾塑性体３０の引張強度に係る項とせん断強度に係る項との和が１になる式（２）に基づき、弾塑性体３０を破断させる破断荷重を算出し、破断と判定された場合には、弾塑性体３０を弾塑性体３４と弾塑性体３６とに破断する。【選択図】図２

Description

本発明は、ボルト破断解析方法に関する。

車両の解体等の際においては、ワイヤハーネス等の配索部材が車体から取り外される。この場合、配索部材を車体から破断なく取り外すことが求められる。

配索部材は、ブラケットによって車体に配設され、ブラケットは車体との接触部位においてボルト及びナットで固定される。図６は、車体１４にブラケット１０が接合された部分を拡大して示す拡大斜視図である。図６に示したように、ブラケット１０は矩形状の鋼板材にプレス加工等が施されることにより形成されており、例えば、車両の水平方向から見て略ハット型断面に形成されている。略ハット型断面の空間には配索部材１２が配設され、ブラケット１０は、上側接合部１８でボルト２２とナット２４とによって、下側接合部２０でボルト２６とナット２８とによって、車体１４に取り付けられる。

重機を用いた車両の解体時には、車体１４とブラケット１０とを締結しているボルト２２、２６を破断させることにより、配索部材１２を回収する。

しかしながら、配索部材１２の破断耐力とボルト２２、２６の破断耐力とが拮抗する場合があり、重機を用いた解体作業で、ボルト２２、２６が破断せずに配索部材１２が破断して、配索部材１２を回収できない場合があった。

配索部材１２を破断せずに車体１４とブラケット１０とを締結しているボルト２２、２６を破断するには、有限要素法（ＦＥＭ）等を用いた構造解析により、ボルト２２、２６の変形をシミュレートすることが行われている。特許文献１には、ビームで表現したボルトのモデルに、初期締付力及び熱膨張等の条件を付与して、ボルトの変形及びボルトに作用する応力をシミュレートする構造物の解析方法の発明が開示されている。

特開２００６−０５３８２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の後続物の解析方法の発明は、ボルトの変形及びボルトに作用する応力をシミュレートするものの、ボルトの破断現象を再現することができないという問題があった。

本発明は上記事実を考慮し、ボルトの破断現象を再現可能なボルト破断解析方法を得ることを目的とする。

請求項１記載のボルト破断解析方法は、ボルト及びナットで対象物を締結した場合の、前記ボルトの座面から前記ナットの座面までの前記ボルトの軸部を弾塑性体とみなし、応力の作用で前記弾塑性体が塑性変形後、該応力の集中により前記弾塑性体の一部に前記弾塑性体を破断させる破断節が発生すると想定し、前記弾塑性体が前記破断節で破断する際に前記弾塑性体の引張強度に係る項とせん断強度に係る項との和が１になる関係式に基づき、前記弾塑性体を破断させる破断荷重を算出し、破断と判定された場合には、前記ボルトを破断させる。

請求項１記載のボルト破断解析方法によれば、弾塑性体とみなしたボルトの軸部の一部に応力集中による破断節が発生すると想定し、当該破断節でボルトが破断する際に弾塑性体の引張強度に係る項とせん断強度に係る項との和が１になる関係式に基づき、弾塑性体であるボルトを破断させる。

本発明に係るボルト破断解析方法は、ボルトの破断現象を再現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態におけるブラケット側板金と車体側板金とを接合するボルトのモデルの一例を示した説明図である。図１に示した本発明の実施の形態におけるブラケット側板金と車体側板金とを接合するボルトのモデルの矢印Ａ方向から見た場合の概略図である。引張破断試験の一例を示した概略図である。せん断破断試験の一例を示した概略図である。剥離破断試験の一例を示した概略図である。車体にブラケットが接合された部分を拡大して示す拡大斜視図である。

図１は、本実施の形態におけるブラケット側板金１０Ａと車体側板金１４Ａとを接合するボルト２２のモデルの一例を示した説明図である。図１に示したように、ボルト２２は、ブラケット側板金１０Ａに設けられた孔部２２Ｈと車体側板金１４Ａの孔部２４Ｈとに挿通され、ナット２４（図６）と共に締結されることにより、ブラケット側板金１０Ａと車体側板金１４Ａとを接合する。

鋼等の金属で構成されたボルト２２は、応力が作用すると、弾性変形を開始し、当該応力が大きくなると塑性変形を開始する。さらに当該応力が大きくなると、ボルト２２は破断する。

本実施の形態では、ボルト２２を一種のばね又はビームである弾塑性体３０とみなし、応力が作用してボルト２２が破断する場合には、弾塑性体３０の一部に応力が集中して破断節３８が生じ、弾塑性体３４と弾塑性体３６とに破断する。

図２は、図１に示した本実施の形態におけるブラケット側板金１０Ａと車体側板金１４Ａとを接合するボルト２２のモデルの矢印Ａ方向から見た場合の概略図である。ボルト２２及びナット２４は、ブラケット側板金１０Ａの厚さと車体側板金１４Ａの厚さとの略合計であるボルト−ナット間距離Ｄでブラケット側板金１０Ａと車体側板金１４Ａとを接合する。ボルト−ナット間距離Ｄは、ボルト２２の座面２２Ｂからナット２４の座面２４Ｂまでのボルト２２の軸部（首下）の長さでもある。

破断節３８は、例外もあるが、ボルト−ナット間距離Ｄの一部、一例としてボルト−ナット間距離Ｄの略中間で発生しやすい。また、破断節３８は、ボルト−ナット間距離Ｄに対して微小な距離ΔＤの間で発生すると本実施の形態では想定する。距離ΔＤは、様々な値が考えられるが、一例として０．０２ｍｍである。

また、破断節３８によって弾塑性体３０が破断する場合には、下記の式（１）の関係が認められる。

式（１）中の、Ｆ_rは計算軸力であり、Ｆ_sは計算せん断力である。Ｆ_r及びＦ_sは、共にボルト２２の破断に係る計算値である。

式（１）中の、Ｆ_rfailは引張荷重でボルト２２が破断するか否かの閾値である軸力閾値であり、Ｆ_sfailはせん断による荷重でボルト２２が破断するか否かの閾値であるせん断力閾値であり、ｐはボルト２２の破断における計算軸力Ｆ_rの寄与に係る軸力定数であり、ｑはボルト２２の破断における計算せん断力Ｆ_sの寄与に係るせん断力定数である。式（１）中のＦ_rfail、Ｆ_sfail、ｐ及びｑの各々はボルト２２の仕様に固有の定数であり、後述するボルト破断基礎試験を通じて決定される。

また、実物のボルト２２が破断する状態では、式（１）の両辺を等号で結んだ下記の式（２）の関係が認められる。

ここで式（１）、（２）の意味について説明する。式（１）、（２）の左辺において、第１項はボルト２２の引張強度に係る項であり、第２項はボルト２２のせん断強度に係る項である。ボルト２２が破断する状態では、ボルト２２の引張強度に係る項とボルト２２のせん断強度に係る項との和が１に等しくなる。

仮に、ボルト２２に引張荷重Ｗ１（図３）が作用し、せん断による荷重Ｗ２、Ｗ３（図４）及び剥離荷重Ｗ４（図５）が作用しないのであれば、ボルト２２が破断する状態では、|Ｆ_r|＝Ｆ_rfailかつ|Ｆ_ｓ|＝０であり、ｐ＝１である。また、仮に、ボルト２２に後述するせん断による荷重Ｗ２、Ｗ３が作用し、引張荷重Ｗ１及び剥離荷重Ｗ４が作用しないのであれば、ボルト２２が破断する状態では、|Ｆ_r|＝０かつ|Ｆ_ｓ|＝Ｆ_sfailであり、ｑ＝１である。

しかしながら重機による車両解体作業でのボルト２２の破断では、引張荷重Ｗ１のみ、またはせん断による荷重Ｗ２、Ｗ３のみがボルト２２に作用することはあり得ず、引張荷重Ｗ１、せん断による荷重Ｗ２、Ｗ３さらには剥離荷重Ｗ４の各々がボルト２２には作用する。

本実施の形態では、ボルト２２の破断における、計算軸力Ｆ_rの寄与の程度を冪指数である軸力定数ｐで、計算せん断力Ｆ_sの寄与の程度を冪指数であるせん断力定数ｑで、各々調整することにより、重機を用いた車両解体作業におけるボルト２２の破断荷重を算出する。

本実施の形態では、ボルト２２の仕様（Ｍ６−６．８、Ｍ８−８．８等）毎にボルト破断基礎試験を行って、Ｆ_rfail、Ｆ_sfail、ｐ及びｑの各々の定数を決定する。後述するように、本実施の形態におけるボルト破断基礎試験は、引張破断試験（図３）、せん断破断試験（図４）及び剥離破断試験（図５）の３つである。軸力閾値Ｆ_rfailは引張破断試験の試験結果から、せん断力閾値Ｆ_sfailはせん断破断試験結果から、軸力定数ｐ、せん断力定数ｑは剥離破断試験結果から、各々算出される。Ｆ_rfail、Ｆ_sfail、ｐ及びｑの各々の定数の算出は、既知の計算手法に基づくものなので、詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、決定した定数の各々を式（２）に適用して、ボルト２２が破断するまでの弾塑性体３４、３６の特性を決定してもよい。例えば、式（２）を満たす計算軸力Ｆ_r及び計算せん断力Ｆ_sに至るまで、ボルト２２に作用する軸力及びせん断力が増大するに従ってボルト２２が塑性変形を始め、最終的には式（１）が示す状態に達し破断節３８でボルト２２が破断すると推計することができる。

図３は、引張破断試験の一例を示した概略図である。図３に示したように、引張破断試験では、引張治具４０の孔部（図示せず）と固定治具４２の孔部（図示せず）にボルト２２を挿通し、ナット２４を締結することにより引張治具４０と固定治具４２とを接合し、固定治具４２を固定した状態で引張治具４０に引張荷重Ｗ１を作用させる。

図４は、せん断破断試験の一例を示した概略図である。図４に示したように、せん断破断試験では、引張治具４４の孔部４４Ｈと引張治具４６の孔部４６Ｈにボルト２２を挿通し、ナット２４を締結することにより引張治具４４と引張治具４６とを接合する。そして、図４に示した状態で、引張治具４４に荷重Ｗ２を、引張治具４６に荷重Ｗ３を、各々作用させる。

図５は、剥離破断試験の一例を示した概略図である。図５に示したように、剥離破断試験では、引張治具４８の孔部（図示せず）と固定治具５０の孔部（図示せず）にボルト２２を挿通し、ナット２４を締結することにより引張治具４８と固定治具５０とを接合し、固定治具５０を固定した状態で引張治具４８に剥離荷重Ｗ４を作用させる。

以上説明したボルト破断基礎試験により、ボルト２２の仕様に固有の定数であるＦ_rfail、Ｆ_sfail、ｐ及びｑの各々を決定する。

下記にボルト２２がＭ８−８．８の場合の式（１）の一例を示す。下記の式（３）で示したように、ｐ＝０．６、ｑ＝１．６であり、軸力閾値Ｆ_rfail＝３２．６ｋＮ、せん断力閾値Ｆ_sfail＝２３．８ｋＮである。

本実施の形態では、Ｆ_rfail、Ｆ_sfail、ｐ及びｑの各々の定数をボルト２２の仕様毎に算出してライブラリ化することにより、多様な仕様のボルト２２の破断荷重を算出して、ボルト２２の破断現象を再現する。

以上説明したように、本実施の形態では、ボルト２２のモデルにおいて、ボルト２２をばね又はビームのような弾塑性体３４、３６とみなすと共に、弾塑性体３４、３６に応力が集中する破断節３８を想定し、破断節３８で、破断した状態を式（１）で示すことにより、ボルトの破断現象を再現することができる。

本実施の形態に係るボルト破断解析方法では、車両解体時を想定したが、車両の衝突解析に本実施の形態に係るボルト破断解析方法を適用してもよい。例えば、衝突解析で板金間等を接合するボルトの破断が問題となる場合は、本実施の形態に係るボルト破断解析方法の適用が考えられる。

衝突解析で用いられる微分方程式の解法には、有限要素法の一種である陽解法が用いられる場合があるが、陽解法は演算負荷が大きく、演算処理に時間がかかるという難点がある。本実施の形態に係るボルト破断解析方法を適用すればボルトの破断荷重の算出が容易となり、衝突解析における全体の演算処理を軽減し、計算時間を短縮することが可能になる。

また、本実施の形態に係るボルト破断解析方法は、車体の強度解析に適用してもよい。例えば、車体の強度解析で板金間等を接合するボルトの破断が問題となる場合は、本実施の形態に係るボルト破断解析方法の適用が考えられる。車体の強度解析で用いられる微分方程式の解法には、有限要素法の一種である陰解法が用いられる場合があるが、本実施の形態に係るボルト破断解析方法を適用すればボルトの破断荷重の算出が容易となり、強度解析における全体の演算処理を軽減し、計算時間を短縮することが可能になる。

なお、特許請求の範囲に記載のボルトはボルト２２に、同ナットはナット２４に、同弾塑性体は弾塑性体３０、３４、３６に、同破断節は破断節３８に、同関係式は式（２）に各々対応する。

１０Ａブラケット側板金
１４Ａ車体側板金
２２ボルト
２２Ｂ座面
２４ナット
２４Ｂ座面
３０、３４、３６弾塑性体
３８破断節
Ｆ_r 計算軸力
Ｆ_rfail 軸力閾値
Ｆ_s 計算せん断力
Ｆ_sfail せん断力閾値
ｐ軸力定数
ｑせん断力定数

Claims

ボルト及びナットで対象物を締結した場合の、前記ボルトの座面から前記ナットの座面までの前記ボルトの軸部を弾塑性体とみなし、応力の作用で前記弾塑性体が塑性変形後、該応力の集中により前記弾塑性体の一部に前記弾塑性体を破断させる破断節が発生すると想定し、前記弾塑性体が前記破断節で破断する際に前記弾塑性体の引張強度に係る項とせん断強度に係る項との和が１になる関係式に基づき、前記弾塑性体を破断させる破断荷重を算出し、破断と判定された場合には、前記ボルトを破断させるボルト破断解析方法。