JP2021053696A - 鋳造品の弾塑性応力解析方法、解析システム、解析プログラム、及び記録媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
<鋳造品の弾塑性応力解析システム>
本開示に係る鋳造品の弾塑性応力解析システム21は、CAE(Computer Aided Engineering)システムである。弾塑性応力解析システム21は、図1に示すように、記憶装置25(記憶手段)と、演算装置26と、制御装置22と、入力装置23と、出力装置24と、を備える。
以下、本実施形態に係る鋳造品の弾塑性応力解析方法について、図2に示す直列4気筒エンジンのシリンダヘッド900を鋳造品とする場合を例に挙げて説明する。なお、シリンダヘッド900の方向について言及するときは、便宜的に図2に示すとおりとする。シリンダヘッド900は、AC4B相当のアルミニウム合金を主材料とする鋳造品である。本実施形態に係る弾塑性応力解析方法は、上述の弾塑性応力解析システムを用いて行うことができる。
まず、図3及び図4を参照して、鋳造によるシリンダヘッド900の製造方法の一例を説明する。
本実施形態に係る鋳造品の弾塑性応力解析方法は、図5に示すように、解析モデル作成工程S1と、温度変化情報取得工程S2と、基準冷却速度算出工程S3と、機械的特性データ準備工程S4と、選択工程S5と、弾塑性応力解析工程S6と、を備える。
解析モデル作成工程S1は、キャビティ905の形状データを分割して複数の要素からなる解析モデル251を作成する工程である。解析モデルは、演算装置26のモデル作成部により作成される(図1参照)。
温度変化情報取得工程S2は、キャビティ905に溶湯を注入したときの第2解析モデル251Bの各要素の節点における溶湯の温度変化情報を得る工程である。
図10は、ワーク910の鋳造時の各部の温度変化を示している。図10の結果は、上述の製造方法を用いることを前提として、上述の湯流れ解析及び凝固解析により得られた温度変化情報の一例である。
基準冷却速度算出工程S3では、上述の温度変化情報に基づき、第2解析モデル251Bの各節点において溶湯の温度が基準温度KSを通過するときの該溶湯の冷却速度を基準冷却速度VSとして算出する。基準冷却速度VSの算出は、演算装置26の冷却速度算出部により行われる。
図11を参照して、溶湯の冷却速度の算出方法を説明する。任意の節点のN番目のタイムステップNにおいて、当該タイムステップNの開始温度をKN、終了温度をKN+1とすると、溶湯の冷却速度VNは、下記式(1)で表される。
なお、開始温度KN及び終了温度KN+1は、0秒の温度を1番目としたときの、それぞれ、N番目の温度及びN+1番目の温度である。また、式(1)中WNは、タイムステップNの経過時間である。
基準温度KSは、合金の固相線温度よりも高く液相線温度よりも低い温度である。
基準冷却速度VSは、溶湯の温度が基準温度KSを通過するときの溶湯の冷却速度である。基準冷却速度VSが速くなると、溶湯の凝固が開始するときの過冷却が大きく発生する。そうすると、大きな過冷却により、多くの初晶が形成される。結果として微細な結晶粒が多く形成される。すなわち、基準冷却速度VSが速い方が、共晶組織の結晶粒の大きさがより微細で均一となり、鋳造品の機械的強度は高まると考えられる。
基準冷却速度算出工程S3の具体的な手順の一例を図12に示す。まず、第2解析モデル251Bの各節点の温度変化情報を読み込む(S131)。そして、各節点のN番目及びN+1番目の温度情報をロードする(S132)。N番目のタイムステップNの経過時間WNを算出する(S133)。その後、温度確認ループ処理S134を行う。温度確認ループ処理S134は、第2解析モデル251Bの全節点において開始温度KN及び終了温度KN+1の間に基準温度KSが含まれるかどうかを判定するとともに、基準温度KSが含まれる場合には基準冷却速度VSを算出するループ処理である。具体的には、開始温度KN及び終了温度KN+1を確認して(S135)、これらの温度の間に基準温度KSが含まれるかどうかを判定する(S136)。そして、工程S136において、開始温度KN及び終了温度KN+1の間に基準温度KSが含まれると判定された場合には、タイムステップNの冷却速度VNを、この節点における基準冷却速度VSとして算出する(S137)。一方、工程S136において、開始温度KN及び終了温度KN+1の間に基準温度KSが含まれないと判定された場合には、別の節点における温度確認ループ処理S134に進む。このようにして、全節点における温度確認ループ処理S134が終了したら、全節点において基準冷却速度VSを算出したか否かを判定する(S138)。全節点において基準冷却速度VSを算出したと判定された場合は、全節点における基準冷却速度VSのテキストデータを書き出す(S139)。この基準冷却速度VSのテキストデータは、記憶装置25に記憶される。一方、全節点において基準冷却速度VSを算出していないと判定された場合は、次のタイムステップN+1に進み(S140)、工程S132〜工程S138を繰り返す。
機械的特性データ準備工程S4は、予め試験的に求めておいた基準冷却速度VSと鋳造品の機械的特性との相関関係に基づいて、基準冷却速度VSに応じた複数の機械的特性データを準備する工程である。
基準冷却速度VSと鋳造品の機械的特性との相関関係は、例えば、CAE解析の結果と実試験の結果とを照合させること等の試験的方法により予め算出できる。具体的には例えば、検証用のワーク910について、上述のごとくCAE解析により算出した基準冷却速度VSデータと、ワーク910の各部から切り出した試験片の機械的特性データとを照合する。以下、具体例について説明する。
図18は、図5に示す各工程において得られるデータの流れを示している。なお、図18中A、B及びCの符号は、図6の符号A及びB、並びに、図12の符号Cと対応している。
図18に示すように、選択工程S5では、各節点における基準冷却速度VSの値に基づいて、上述のごとく準備された複数の応力−ひずみ特性の温度依存性データから所定の応力−ひずみ特性の温度依存性データ(所定の機械的特性データ)を選択する。選択工程S5は、演算装置26の選択部により行われる。
図18に示すように、弾塑性応力解析工程S6では、第2解析モデル251Bの各節点の温度変化情報を温度荷重データとする。そして、当該温度荷重データと、上述のごとく選択された所定の応力−ひずみ特性の温度依存性データとに基づいて、第2解析モデル251Bの各要素における残留応力値を算出する。弾塑性応力解析工程S6は、演算装置26の弾塑性応力解析部により行われる。
以上の弾塑性応力解析方法の各工程は、弾塑性応力解析プログラムとしてプログラム化されている。すなわち、本実施形態に係る弾塑性応力解析プログラムは、コンピュータに、上記各工程のうち、例えば解析モデル作成工程S1の手順と、温度変化情報取得工程S2の手順と、基準冷却速度算出工程S3の手順と、選択工程S5の手順と、弾塑性応力解析工程S6の手順と、を実行させるプログラムである。この弾塑性応力解析プログラムは、記憶装置25に格納された状態で、制御装置22及び演算装置26により実行され得る。また、当該弾塑性応力解析プログラムは、記憶装置25に格納された状態に限らず、例えば光ディスク媒体や磁気テープ媒体など、コンピュータ読み取り可能な種々の周知の記録媒体に記録させておくことができる。そして、このような記録媒体を制御装置22の読み出し装置に装着して弾塑性応力解析プログラムを読み出すことにより、当該プログラムを実行可能である。
以下、本開示に係る他の実施形態について詳述する。なお、これらの実施形態の説明において、上記実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
22 制御装置
23 入力装置
24 出力装置
25 記憶装置(記憶手段)
26 演算装置(モデル作成手段、冷却速度算出手段、選択手段、弾塑性応力解析手段)
251 解析モデル
251A 第1解析モデル
251B 第2解析モデル
900 シリンダヘッド
901 鋳型
902 第1砂型(砂型)
903 金型
904 第2砂型(砂型)
905 キャビティ
910 ワーク
910a 第1面(一部)
910b 第2面(他部)
910c 第3面(他部)
910d 中央部(他部)
S1 解析モデル作成工程
S2 温度変化情報取得工程
S3 基準冷却速度算出工程
S4 機械的特性データ準備工程
S5 選択工程
S6 弾塑性応力解析工程
KN 開始温度
KN+1 終了温度
KS 基準温度
VS 基準冷却速度
WN 経過時間
Claims (9)
- 鋳型のキャビティに合金の溶湯を注入して得られる鋳造品の弾塑性応力解析方法であって、
前記キャビティの形状データを分割して複数の要素からなる解析モデルを作成する工程と、
前記キャビティに前記溶湯を注入したときの前記各要素の節点における該溶湯の温度変化情報を取得する工程と、
前記温度変化情報に基づき、前記各節点において前記溶湯の温度が前記合金の固相線温度よりも高く液相線温度よりも低い基準温度を通過するときの該溶湯の冷却速度を基準冷却速度として算出する工程と、
予め試験的に求めておいた前記基準冷却速度と前記鋳造品の機械的特性との相関関係に基づいて、前記基準冷却速度に応じた複数の機械的特性データを準備する工程と、
前記基準冷却速度に基づいて、前記複数の機械的特性データから所定の機械的特性データを選択する工程と、
前記温度変化情報と前記所定の機械的特性データとに基づいて、前記各要素における残留応力値を算出する工程と、を備えた
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 請求項1において、
前記温度変化情報は、前記鋳型への前記溶湯の注入完了時点から前記鋳造品の完成時点までの時間を複数のタイムステップに分割したときの、該タイムステップ毎の温度情報であり、
前記溶湯の冷却速度は、任意の前記タイムステップにおける開始温度と終了温度との差を当該タイムステップの経過時間で除して得られ、
前記基準冷却速度は、前記開始温度と前記終了温度との間に前記基準温度が初めて含まれる前記タイムステップにおける前記冷却速度である
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 請求項1又は請求項2において、
前記温度変化情報は、前記鋳造品について湯流れ解析及び凝固解析を行うことにより得られる情報であり、
前記解析モデルを作成する工程は、
複数の第1要素からなる第1解析モデルを作成する工程と、
複数の第2要素からなる第2解析モデルを作成する工程と、を備え、
前記温度変化情報を得る工程は、
前記第1解析モデルを用いて前記湯流れ解析及び凝固解析を行うことにより、前記各第1要素の温度変化情報を得る工程と、
前記第1要素と前記第2要素とを対応させたときに、前記各第1要素に含まれる前記各第2要素の節点に、該第1要素の温度変化情報を、該節点の温度変化情報として設定する工程と、を備えた
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 請求項1〜3のいずれか1つにおいて、
前記合金は、凝固過程において初晶としてデンドライト結晶が形成されるアルミニウム合金であり、
前記基準冷却速度と前記鋳造品の機械的特性との前記相関関係は、前記基準冷却速度と前記デンドライト結晶のデンドライト2次アーム間隔(DAS)との関係、及び、前記DASと前記鋳造品の機械的特性との関係に基づいて、求める
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 請求項1〜4のいずれか1つにおいて、
前記鋳型は、前記鋳造品の一部を形成する金型と、該鋳造品の他部を形成する砂型と、を備えた
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 請求項5において、
前記鋳造品は、エンジンのシリンダヘッドであり、
前記金型は、前記一部として前記シリンダヘッドの燃焼室を形成し、
前記砂型は、前記他部として前記燃焼室以外の部分を形成する
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析方法。 - 鋳型のキャビティに合金の溶湯を注入して得られる鋳造品の弾塑性応力解析システムであって、
モデル作成手段と、冷却速度算出手段と、記憶手段と、選択手段と、弾塑性応力解析手段と、を備え、
前記モデル作成手段は、前記キャビティの形状データを分割して複数の要素からなる解析モデルを作成し、
冷却速度算出手段は、前記キャビティに前記溶湯を注入したときの前記各要素の節点における該溶湯の温度変化情報に基づき、前記各節点において前記溶湯の温度が前記合金の固相線温度よりも高く液相線温度よりも低い基準温度を通過するときの該溶湯の冷却速度を基準冷却速度として算出し、
前記記憶手段は、前記解析モデルと、前記温度変化情報と、前記基準冷却速度と、該基準冷却速度と前記鋳造品の機械的特性との相関関係に基づいて準備された複数の機械的特性データと、を記憶し、
前記選択手段は、前記基準冷却速度に基づいて、前記複数の機械的特性データから所定の機械的特性データを選択し、
前記弾塑性応力解析手段は、前記温度変化情報と前記所定の機械的特性データとに基づいて、前記各要素における残留応力値を算出する
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析システム。 - 鋳型のキャビティに合金の溶湯を注入して得られる鋳造品の弾塑性応力解析プログラムであって、
コンピュータに、
前記キャビティの形状データを分割して複数の要素からなる解析モデルを作成する手順と、
前記キャビティに前記溶湯を注入したときの前記各要素の節点における該溶湯の温度変化情報を取得する手順と、
前記温度変化情報に基づき、前記各節点において前記溶湯の温度が前記合金の固相線温度よりも高く液相線温度よりも低い基準温度を通過するときの該溶湯の冷却速度を基準冷却速度として算出する手順と、
前記基準冷却速度に応じて予め設定された複数の機械的特性データから、前記基準冷却速度に基づいて、所定の機械的特性データを選択する手順と、
前記温度変化情報と前記所定の機械的特性データとに基づいて、前記各要素における残留応力値を算出する手順と、を実行させる
ことを特徴とする鋳造品の弾塑性応力解析プログラム。 - 請求項8に記載された鋳造品の弾塑性応力解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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