JP2023124405A - 破断予測方法及び破断予測装置、並びに破断予測プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のシミュレーション工程を跨いで変形解析を行うに際し、本工程と前工程とで変形経路が変化すると共に、曲げ破断が発生する場合において、その曲げ破断を精度良く予測する。【解決手段】破断予測装置は、応力空間に破断限界線を作成する限界線作成部1と、複数の変形シミュレーションの連成解析を行うシミュレーション部2と、シミュレーション部2で得られた解析結果に基づいて曲げ変形後の板厚、及び鋼板部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて、鋼板部材の曲げの有無を判定し、曲げ部であると判定された要素を抽出して曲げ部の曲げ外側表層ひずみ成分を表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換部3と、材料破断の有無を判定する判定部4とを備えている。【選択図】図1
Description
本発明は、部材(鋼板部材等)の破断予測方法及び破断予測装置、並びに破断予測プログラム及び記録媒体に関するものである。
一般的に鋼板は、その高強度化に伴って延性が低下することが知られており,例えば自動車車体の衝突変形時における材料破断の可能性は高くなると考えられる。特に、引張強度が980MPaを超える超ハイテン材と呼ばれる鋼板においては,衝突変形時の面内引張力による破断に加え、座屈変形、即ち曲げ変形による材料破断(以下、曲げ破断という)が発生することが知られている。
また、自動車車体はプレス成形部材を溶接することにより組み上げられているため、その後の衝突試験時の材料破断の可能性を検討する際には、成形工程でプレス成形部材に導入された予変形の影響を考慮する必要がある。しかしながら、成形工程で導入された変形(ひずみ)の方向と、衝突変形工程での変形(ひずみ)の方向とは同一とは限らないため、いわゆる変形経路の変化が発生する。この変形経路の変化が生じた場合、破断限界も変化することが知られており、従来用いられる手法では破断予測が困難である。
特許文献1では、超ハイテン材の曲げ破断を予測する手法が開示されている。この手法は、板厚表層のひずみ値がひずみ空間の破断限界線を超えるか否かにより破断判定を行うものである。しかしながらこの手法は、あくまで変形経路が一定、即ち同一方向の変形を受け続けた場合の破断を予測する方法であって、上記のように成形工程と衝突変形工程とで変形経路が変化するような場合には適用することはできない。
また、特許文献2では、面内引張力に対して、応力空間内に表記した破断限界線を用いることにより、変形経路によらず破断限界線をほぼ一義的に表現できることを実験及び解析で検証している.これによって、面内引張力が負荷される場合の破断に関しては、成形工程と衝突変形時とで変形経路が変化したとしても、破断を予測できると考えられる。その一方で、超ハイテン材で課題となる曲げ破断は,面内(板厚中心)引張力が非常に小さい状態で、板厚表層で高い引張力が発生して破断に至る現象である。そのため、特許文献2の技術は、曲げ破断の予測には適用することができない。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、複数のシミュレーション工程を跨いで変形解析を行うに際し、本工程と前工程とで変形経路が変化すると共に、曲げ破断が発生する場合において、その曲げ破断を精度良く予測する破断予測方法及び破断予測装置、並びに破断予測プログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸様態に想到した。
1.1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション工程と、
前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換工程と、
前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定工程と、
を有することを特徴とする破断予測方法。
前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換工程と、
前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定工程と、
を有することを特徴とする破断予測方法。
2.前記変換工程は、前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする1.に記載の破断予測方法。
3.応力空間に破断限界線を作成する限界線作成工程を更に有し、
前記判定工程は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする1.又は2.に記載の破断予測方法。
前記判定工程は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする1.又は2.に記載の破断予測方法。
4.前記限界線作成工程は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする3.に記載の破断予測方法。
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする3.に記載の破断予測方法。
5.破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする1.~4.のいずれかに記載の破断予測方法。
6.1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション部と、
前記本シミュレーション部で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換部と、
前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定部と、
を有することを特徴とする破断予測装置。
前記本シミュレーション部で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換部と、
前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定部と、
を有することを特徴とする破断予測装置。
7.前記変換部は、前記本シミュレーション部で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする6.に記載の破断予測装置。
8.応力空間に破断限界線を作成する限界線作成部を更に有し、
前記判定部は、前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする6.又は7.に記載の破断予測装置。
前記判定部は、前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする6.又は7.に記載の破断予測装置。
9.前記限界線作成部は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成する第1作成部と、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成する第2作成部と、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成する第3作成部と、
を有することを特徴とする8.に記載の破断予測装置。
ひずみ空間に成形限界線図を作成する第1作成部と、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成する第2作成部と、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成する第3作成部と、
を有することを特徴とする8.に記載の破断予測装置。
10.破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする6.~9.のいずれかに記載の破断予測装置。
11.1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション手順と、
前記本シミュレーション手順で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換手順と、
前記変換手順で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定手順と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする破断予測プログラム。
前記本シミュレーション手順で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換手順と、
前記変換手順で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定手順と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする破断予測プログラム。
12.前記変換手順は、前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする11.に記載の破断予測プログラム。
13.応力空間に破断限界線を作成する限界線作成手順を更に有し、
前記判定手順は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする11.又は12.に記載の破断予測プログラム。
前記判定手順は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする11.又は12.に記載の破断予測プログラム。
14.前記限界線作成手順は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする13.に記載の破断予測プログラム。
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする13.に記載の破断予測プログラム。
15.破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする11.~14.のいずれかに記載の破断予測プログラム。
16.11.~15.のいずれかに記載の破断予測プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
本発明によれば、複数のシミュレーション工程を跨いで変形解析を行うに際し、本工程と前工程とで変形経路が変化すると共に、曲げ破断が発生する場合において、その曲げ破断を精度良く予測することができる。
[実施形態]
以下、具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態による破断予測装置を示すブロック図である。図1には、当該破断予測装置で実行される破断予測方法の各工程及び各ステップが併記されている。本実施形態では主に、引張強度が980MPa以上の鋼板部材を破断予測判定対象とする。
以下、具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態による破断予測装置を示すブロック図である。図1には、当該破断予測装置で実行される破断予測方法の各工程及び各ステップが併記されている。本実施形態では主に、引張強度が980MPa以上の鋼板部材を破断予測判定対象とする。
本実施形態による破断予測装置は、図1に示すように、応力空間に破断限界線を作成する限界線作成部1と、複数の変形シミュレーションの連成解析を行うシミュレーション部2と、シミュレーション部2で得られた解析結果についてひずみ空間から応力空間への変換を行う変換部3と、材料破断の有無を判定する判定部4とを備えている。限界線作成部1、シミュレーション部2、変換部3、及び判定部4は、例えば有限要素法(Finite Element Method:FEM)を用いた解析(FEM解析)を行うことができるパーソナルコンピュータの中央演算装置(CPU)で構成される。
限界線作成部1は、第1作成部11、第2作成部12、及び第3作成部13を備えている。
シミュレーション部2は、1又は複数の前シミュレーション工程と、前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた破断判定対象である鋼板部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、鋼板部材の変形解析を行う本シミュレーション工程とを行う。シミュレーション部2は、前シミュレーション工程を行う前シミュレーション部21と、本シミュレーション工程を行う本シミュレーション部22とを備えている。本実施形態では、前シミュレーション工程として成形工程を、本シミュレーション工程として衝突工程を行う場合を例示する。
変換部3は、曲げ判定部31及び応力変換部32を備えている。
シミュレーション部2は、1又は複数の前シミュレーション工程と、前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた破断判定対象である鋼板部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、鋼板部材の変形解析を行う本シミュレーション工程とを行う。シミュレーション部2は、前シミュレーション工程を行う前シミュレーション部21と、本シミュレーション工程を行う本シミュレーション部22とを備えている。本実施形態では、前シミュレーション工程として成形工程を、本シミュレーション工程として衝突工程を行う場合を例示する。
変換部3は、曲げ判定部31及び応力変換部32を備えている。
本実施形態では、入力情報の取得に、図1に示す破断データベース10を用いる。
破断データベース10には、複数の材料について、材料特性(引張強度特性(応力ひずみ(stress-strain:S-Sカーブ)等)、鋼板部材の板厚、FEMの要素サイズや、鋼板部材の曲げ変形限界(α,R/t)等が蓄積されている。
破断データベース10には、複数の材料について、材料特性(引張強度特性(応力ひずみ(stress-strain:S-Sカーブ)等)、鋼板部材の板厚、FEMの要素サイズや、鋼板部材の曲げ変形限界(α,R/t)等が蓄積されている。
破断データベース10を活用することにより、容易且つ短時間で、破断判定対象となる部材に対応した各種入力情報を効率良く取得することができる。なお、破断データベース10を用いる代わりに、各種引張試験等を行って各種入力情報を得るようにしても良い。
以下、限界線作成部1による破断限界線作成ステップS1について説明する。図2は、ひずみ空間から応力空間に変換される様子を示す特性図であり、(a)がひずみ空間、(b)が応力空間をそれぞれ示す。
限界線作成部1は、引張強度特性等の入力情報を破断データベース10から取得する。
先ず、第1作成部11は、取得された入力情報である引張強度特性に基づいて、Storen-Riceによるくびれ発生基準を拡張した理論式を用いてひずみ空間に成形限界線図(Forming Limit Diagram:FLD)限界線を作成する(ステップS11)。
先ず、第1作成部11は、取得された入力情報である引張強度特性に基づいて、Storen-Riceによるくびれ発生基準を拡張した理論式を用いてひずみ空間に成形限界線図(Forming Limit Diagram:FLD)限界線を作成する(ステップS11)。
続いて、第2作成部12は、取得された入力情報である曲げ変形限界に基づいて、作成されたFLD限界線の平面ひずみ(最小主ひずみ=0)における最大主ひずみ(εmax')を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみ(εmax)と一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成する(ステップS12)。即ち、先ず、平面ひずみの曲げにおける曲げ外側限界最大主ひずみ(εmax)を算出する。次に、ステップS11で作成されたFLD限界線を比例拡大して表層ひずみ破断限界線を作成する。具体的には、「εmax/εmax'」をステップS11で作成されたFLD限界線の最小主ひずみ及び最大主ひずみの値に乗ずる。
続いて、第3作成部13は、ステップS12で作成された表層ひずみ破断限界線を応力空間に変換して表層応力破断限界線を作成する(ステップS13)。ここで、表層ひずみ限界線(縦軸:ε11、横軸:ε22)から表層応力破断限界線(縦軸:σ11、横軸:σ22)に変換するには、(1)体積一定則、(2)Misesの降伏関数、(3)加工硬化則による等方硬化、(4)垂直則、及び(5)平面応力を仮定する。
次いで、シミュレーション部2による連成解析、ここでは成形工程及び衝突工程の連成解析を行う変形シミュレーションステップS2について説明する。図3は、変形シミュレーションステップS2における連成解析を説明するためのコンター図である。
シミュレーション部2は、上記の入力情報を破断データベース10から取得する。
初めに、前シミュレーション部21は成形工程を実行する(ステップS21)。
ステップS21では、前シミュレーション部21は先ず、破断判定対象となる鋼板部材を成形する際の変形シミュレーションを行う(ステップS101)。ステップS101では、上記の入力情報に基づいて、成形対象である鋼板部材を成形する際に、鋼板部材のFEMモデルを用いて変形シミュレーション解析を行う。成形前の鋼板部材111のFEMモデルを図3(a)に、鋼板部材111の成形後におけるハット形状の鋼板部材(ハット部材)112のFEMモデルを図3(b)にそれぞれ示す。
初めに、前シミュレーション部21は成形工程を実行する(ステップS21)。
ステップS21では、前シミュレーション部21は先ず、破断判定対象となる鋼板部材を成形する際の変形シミュレーションを行う(ステップS101)。ステップS101では、上記の入力情報に基づいて、成形対象である鋼板部材を成形する際に、鋼板部材のFEMモデルを用いて変形シミュレーション解析を行う。成形前の鋼板部材111のFEMモデルを図3(a)に、鋼板部材111の成形後におけるハット形状の鋼板部材(ハット部材)112のFEMモデルを図3(b)にそれぞれ示す。
続いて、前シミュレーション部21は、ステップS101の成形シミュレーションにおける最終ステップの情報、ここでは成形工程を経た鋼板部材に導入された変形ひずみ及び板厚の情報が出力される(ステップS102)。
続いて、前シミュレーション部21は、ステップS102において出力された成形シミュレーションにおける最終ステップの情報を、成形工程に続く衝突工程の0ステップにマッピングする(ステップS103)。成形工程に続く衝突工程では、FEM解析に供される鋼板部材には、成形工程で鋼板部材に導入された変形ひずみ(予変形)の情報が初期状態として付与されることになる。
次に、本シミュレーション部22は衝突工程を実行する(ステップS22)。
ステップS22では、成形シミュレーションにおける最終ステップの情報を予変形として引き継いだ鋼板部材(図3(b)の例ではハット部材112)のFEMモデルを用いて変形シミュレーション解析を行う。ここでは、いわゆる3点曲げが行われる。両端で支持部113a,113bにより支持されたハット部材112のFEMモデルにインパクタ114が当接する様子を図3(c)に、衝突後のハット部材112のFEMモデルを図3(d)にそれぞれ示す。
ステップS22では、成形シミュレーションにおける最終ステップの情報を予変形として引き継いだ鋼板部材(図3(b)の例ではハット部材112)のFEMモデルを用いて変形シミュレーション解析を行う。ここでは、いわゆる3点曲げが行われる。両端で支持部113a,113bにより支持されたハット部材112のFEMモデルにインパクタ114が当接する様子を図3(c)に、衝突後のハット部材112のFEMモデルを図3(d)にそれぞれ示す。
本実施形態では、成形工程における最終ステップの情報を引き継いで衝突工程のシミュレーション解析を実行する。成形工程により鋼板部材に付与された予変形の影響が衝突工程のシミュレーション解析に確実に反映されるため、正確な破断予測に寄与することができる。
次いで、変換部3による、シミュレーション部2で得られた解析結果についてひずみ空間から応力空間への変換を行う変換ステップS3について説明する。
変換部3は、シミュレーション部2で得られた解析結果として、鋼板部材の曲げ変形後の板厚、表層ひずみ成分(曲げ外側の周方向ひずみ成分及び曲げ内側の周方向ひずみ成分)の情報をシミュレーション部2から取得する。
変換部3は、シミュレーション部2で得られた解析結果として、鋼板部材の曲げ変形後の板厚、表層ひずみ成分(曲げ外側の周方向ひずみ成分及び曲げ内側の周方向ひずみ成分)の情報をシミュレーション部2から取得する。
先ず、曲げ判定部31は、シミュレーション部2で得られた曲げ変形後の板厚、及び鋼板部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて、鋼板部材の曲げの有無を判定する(ステップS31)。
ステップS31では、以下に示すように、鋼板部材の曲げの有無を判定する。図4は、鋼板部材の変形発生箇所を示す模式図である。
ステップS31では、以下に示すように、鋼板部材の曲げの有無を判定する。図4は、鋼板部材の変形発生箇所を示す模式図である。
ここでは、以下の条件を仮定する。
(1)中立面と鋼板部材の中央面とは一致する(平面応力を仮定したシェル要素では、曲げにより中立面は移動しない)。
(2)曲げ変形前に、はりの軸線に垂直であった平面は、曲げ変形後も平面を保ち、軸線に垂直となる、即ち、せん断変形を考慮しない(Kirchhoffの仮定)。
(1)中立面と鋼板部材の中央面とは一致する(平面応力を仮定したシェル要素では、曲げにより中立面は移動しない)。
(2)曲げ変形前に、はりの軸線に垂直であった平面は、曲げ変形後も平面を保ち、軸線に垂直となる、即ち、せん断変形を考慮しない(Kirchhoffの仮定)。
以上の仮定の下に、図4のように鋼板部材の変形発生箇所における中央面を半径Rnに曲げたとき、中立軸からηの距離での円周方向ひずみεθは以下のように近似することができる。
先ず、線分AB及びそれよりηだけ離れた位置にある線分CDが、曲げ変形後にそれぞれA'B',C'D'となったとする。このとき、
CD=AB=A'B'=RnΔθ
C'D'=(Rn+η)Δθ
であるので、中立軸からηだけ離れた位置にある面の曲げによる円周方向ひずみεθは次式で近似することができる。
εθ≒(C'D'-CD)/CD=η/Rn
先ず、線分AB及びそれよりηだけ離れた位置にある線分CDが、曲げ変形後にそれぞれA'B',C'D'となったとする。このとき、
CD=AB=A'B'=RnΔθ
C'D'=(Rn+η)Δθ
であるので、中立軸からηだけ離れた位置にある面の曲げによる円周方向ひずみεθは次式で近似することができる。
εθ≒(C'D'-CD)/CD=η/Rn
次に、鋼板部材の初期板厚をt0、曲げ外側の周方向ひずみ成分をεθ
i、曲げ内側の周方向ひずみ成分をεθ
0とすると、上式から次式が得られる。
εθ 0-εθ i=t0/Rnより、
1/Rn=(εθ 0-εθ i)/t0
ここで、最表層積分点の位置は、板厚方向の積分点数で変化するため、最表層のひずみに換算した値を用いて計算する。
εθ 0-εθ i=t0/Rnより、
1/Rn=(εθ 0-εθ i)/t0
ここで、最表層積分点の位置は、板厚方向の積分点数で変化するため、最表層のひずみに換算した値を用いて計算する。
各成分の表裏面塑性ひずみテンソルから、それに対応した曲率成分を計算する。
κxx=(εxx 0-εxx i)/t0
κyy=(εyy 0-εyy i)/t0
κxy=(εxy 0-εxy i)/t0
κxx=(εxx 0-εxx i)/t0
κyy=(εyy 0-εyy i)/t0
κxy=(εxy 0-εxy i)/t0
曲げが最大となる方向の曲率を求めるために、これらの式から中立面の曲率の主値λ1,λ2を求める。更に、曲率半径R1,R2(=曲率の逆数)を計算する。
λ1,2=1/2(κxx+κyy)±1/2{(κxx-κyy)2+4κxy 2}1/2より、
R1=1/λ1
R2=1/λ2
λ1,2=1/2(κxx+κyy)±1/2{(κxx-κyy)2+4κxy 2}1/2より、
R1=1/λ1
R2=1/λ2
これらの式から、曲率半径が最小となる方向(曲率が最大となる方向)の曲率半径を決定し、曲げ内側の曲率半径Riに変換する。ここで、tは鋼板部材の現在の板厚を示す。
Rn=min(R1,R2)より、
Ri=Rn-t/2
Rn=min(R1,R2)より、
Ri=Rn-t/2
曲げ判定部31は、上式に基づいて算出された鋼板部材の変形発生箇所における曲げ内側の曲率半径Riが、設定された所定の閾値以下の場合、当該変形発生箇所を曲げ部であると判定する。
続いて、応力変換部32は、鋼板部材で曲げ部であると判定されたFEMの要素を抽出する。このときの一例を図5に示す。図5では、鋼板部材が成形されてなるハット部材について3点曲げが行われ、変形発生箇所のうちで曲げ判定部31により曲げ部であると判定された要素を抽出する。応力変換部32は、当該曲げ部の曲げ外側表層ひずみ成分(曲げ外側の周方向ひずみ成分)を表層の最大主応力及び最小主応力に変換し、判定部4に出力する(ステップS32)。
しかる後、判定部4により、変換部3(応力変換部32)で得られた表層の最大主応力及び最小主応力が、破断限界線作成ステップS1(ステップS13)により得られた表層応力破断限界線を越えるか否かで、鋼板部材の曲げ破断の有無が判定される(破断判定ステップS4)。
予変形(成形)後に曲げ変形を受けた要素の板厚最表層の応力による破断判定時の一例を図6に示す。
予変形(成形)後に曲げ変形を受けた要素の板厚最表層の応力による破断判定時の一例を図6に示す。
以上説明したように、複数のシミュレーション工程を跨いで変形解析を行うに際し、本工程と前工程とで変形経路が変化すると共に、曲げ破断が発生する場合、具体的には本実施形態で示したように前工程を成形工程、本工程を衝突工程として、一般的に、成形工程で導入された変形(ひずみ)の方向と衝突変形工程での変形(ひずみ)の方向とが異なる場合においても、変形経路によらず破断限界線をほぼ一義的に表現できる応力を用いた表層応力破断限界線を適用し、表層の最大主応力及び最小主応力がその表層応力破断限界線を越えるか否かで、鋼板部材に生じる曲げ破断の有無を精度良く予測することができる。
[実施例]
以下、実施例について説明する。本実施例では、上述した本実施形態に係る本発明例について、その比較例との比較に基づいて、その奏する作用効果について説明する。
以下、実施例について説明する。本実施例では、上述した本実施形態に係る本発明例について、その比較例との比較に基づいて、その奏する作用効果について説明する。
本実施例では、所定の試験用部材(試験片)を用いて、実験として、引張試験、及びVDAドイツ自動車工業会の試験標準規格(VDA 238-100 "Plate bending test for metallic materials" Validation Rule, 01 June 2017)による、金属材料の曲げ試験(VDA曲げ試験)を行った。本実施例で用いた試験片の形状を図7に示す。長さ単位はmmである。本実施例及び比較例では、前工程に相当する引張試験で生じる試験片の変形経路と、本工程に相当するVDA曲げ試験で生じる試験片の変形経路とが大きく変化するように、VDA曲げ試験において、引張試験における試験片の引張方向(L軸方向)に対して垂直な方向に引張が加わる曲げ方向(L軸曲げ)を選択した。
予変形の付与を目的とした,引張試験の途中止め試験を行った。引張速度は3mm/minとした。試験片の引張量としては、除荷開始変位(最大荷重変位)×50%,80%,100%とし、予変形量を3つの水準で振った。
(VDA曲げ試験)
引張試験により予変形が付与された試験片の中央部から、60(C)×30(L)の試験片を採取し、VDA規格に準拠した曲げ試験3)(L軸曲げ)を実施した。予変形を付与していない試験片でのVDA曲げ試験(L軸曲げ)も併せて行った。
引張試験により予変形が付与された試験片の中央部から、60(C)×30(L)の試験片を採取し、VDA規格に準拠した曲げ試験3)(L軸曲げ)を実施した。予変形を付与していない試験片でのVDA曲げ試験(L軸曲げ)も併せて行った。
(1)本発明例
本発明例では、本実施形態の破断予測方法を用い、上記した試験片に関する情報を入力情報として、破断限界線作成ステップS1、変形シミュレーションステップS2、変換ステップS3、及び破断判定ステップS4を順次実行した。
本発明例では、本実施形態の破断予測方法を用い、上記した試験片に関する情報を入力情報として、破断限界線作成ステップS1、変形シミュレーションステップS2、変換ステップS3、及び破断判定ステップS4を順次実行した。
図8は、本発明例における変形シミュレーションステップS2を示す模式図である。引張試験を模した試験片121のFEM解析を図8(a)に、VDA曲げ試験を模したマッピングされた試験片122のFEM解析を図8(b)に、それぞれ示す。
変形シミュレーションステップS2では、FEM解析に例えばLS-DYNAを用い、ステップS21において、上記の引張試験を模した変形シミュレーションを行い、引張試験の試験片に導入された変形ひずみ(予変形)及び板厚の情報をVDA曲げ試験の試験片にマッピングした。ステップS22において、上記のVDA曲げ試験を模した変形シミュレーションを行った。また、予変形を付与していない試験片でのVDA曲げ試験を模したFEMの変形シミュレーションも行った。
変形シミュレーションステップS2では、FEM解析に例えばLS-DYNAを用い、ステップS21において、上記の引張試験を模した変形シミュレーションを行い、引張試験の試験片に導入された変形ひずみ(予変形)及び板厚の情報をVDA曲げ試験の試験片にマッピングした。ステップS22において、上記のVDA曲げ試験を模した変形シミュレーションを行った。また、予変形を付与していない試験片でのVDA曲げ試験を模したFEMの変形シミュレーションも行った。
(2)比較例
比較例では、上記した試験片に関する情報を入力情報として、本実施形態の破断予測方法のうち、破断限界線作成ステップS1ではステップS11,S12のみを行って表層ひずみ破断限界線を得て、変形シミュレーションステップS2では上記と同様にステップS21,22を行い、変換ステップS3ではステップS31のみを行って曲げ部の曲げ外側表層ひずみ成分を得て、破断判定ステップS4を実行した。
比較例では、上記した試験片に関する情報を入力情報として、本実施形態の破断予測方法のうち、破断限界線作成ステップS1ではステップS11,S12のみを行って表層ひずみ破断限界線を得て、変形シミュレーションステップS2では上記と同様にステップS21,22を行い、変換ステップS3ではステップS31のみを行って曲げ部の曲げ外側表層ひずみ成分を得て、破断判定ステップS4を実行した。
(ひずみ空間における破断予測)
図9は、比較例による破断予測の結果を示す特性図である。引張強度980MPa級ハイテン材の試験片の結果を図9(a)に、引張強度1470MPa級ハイテン材の試験片の結果を図9(b)に、それぞれ示す。
図9は、比較例による破断予測の結果を示す特性図である。引張強度980MPa級ハイテン材の試験片の結果を図9(a)に、引張強度1470MPa級ハイテン材の試験片の結果を図9(b)に、それぞれ示す。
比較例では、予変形(引張変形量)を付与していない試験片については、比較例で得られた破断限界(表層ひずみ破断限界線と曲げ外側表層ひずみ成分のひずみ履歴との交点)が上記の実験で得られた曲げ限界(図中×印で示す)と略一致していた。しかしながら、予変形を付与した試験片については、予変形の増加に伴い、比較例で得られた破断限界と上記の実験で得られた曲げ限界との乖離が拡大することが確認された。従って比較例では、予変形が大きいほど実験結果との差異が大きくなることが判った。
(応力空間における破断予測)
図10は、本発明例による破断予測の結果を示す特性図である。引張強度980MPa級ハイテン材の試験片の結果を図10(a)に、引張強度1470MPa級ハイテン材の試験片の結果を図10(b)に、それぞれ示す。
図10は、本発明例による破断予測の結果を示す特性図である。引張強度980MPa級ハイテン材の試験片の結果を図10(a)に、引張強度1470MPa級ハイテン材の試験片の結果を図10(b)に、それぞれ示す。
本発明例では、予変形(引張変形量)を付与していない試験片のみならず、大きな予変形を付与した試験片についても、本発明例で得られた破断限界(表層応力破断限界線と曲げ外側表層ひずみ成分から変換された表層の最大主応力及び最小主応力の応力履歴との交点)が上記の実験で得られた曲げ限界(図中×印で示す)と略一致していた。従って本発明例では、予変形が付与された場合でも実験結果を再現できることが判った。
(本発明例と比較例との比較)
図11は、実験と本発明例及び比較例との比較を示す特性図である。実験による曲げ限界(最大曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(a)に、比較例による破断限界(破断判定曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(b)に、本発明例による破断限界(破断判定曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(c)に、それぞれ示す。
図11は、実験と本発明例及び比較例との比較を示す特性図である。実験による曲げ限界(最大曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(a)に、比較例による破断限界(破断判定曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(b)に、本発明例による破断限界(破断判定曲げ角)の予変形の大きさとの関係を図11(c)に、それぞれ示す。
実験による曲げ限界は、予変形の増加に伴って減少する傾向にある。これに対して、比較例による破断限界は、予変形の増加に伴って増加する傾向、即ち実験結果とは逆の傾向にある。一方、本発明例による破断限界は、実験結果と同様に、予変形の増加に伴って減少する傾向にある。以上より、本発明例による応力空間での破断限界では、比較例によるひずみ空間での破断限界と異なり、実験における曲げ限界の予変形増加による傾向を正確に再現していることが確認された。
[その他の実施形態]
上述した破断予測装置の構成要素である、図1に示した限界線作成部1(第1作成部11、第2作成部12、及び第3作成部13)、シミュレーション部2(前シミュレーション部21及び本シミュレーション部22)、変換部3(曲げ判定部31及び応力変換部32)、及び判定部4の各構成要素は、専用のハードウェアにより実現されるものであっても良い。また、上記の各構成要素は、メモリ及びCPU(中央演算装置)により構成され、各構成要素の諸機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであっても良い。
上述した破断予測装置の構成要素である、図1に示した限界線作成部1(第1作成部11、第2作成部12、及び第3作成部13)、シミュレーション部2(前シミュレーション部21及び本シミュレーション部22)、変換部3(曲げ判定部31及び応力変換部32)、及び判定部4の各構成要素は、専用のハードウェアにより実現されるものであっても良い。また、上記の各構成要素は、メモリ及びCPU(中央演算装置)により構成され、各構成要素の諸機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであっても良い。
また、上記の各構成要素の諸機能を実現するためのプログラム(図1に示した破断限界線作成ステップS1(ステップS11~S13)、変形シミュレーションステップS2(ステップS21(ステップS101~S103)~S22)、変換ステップS3(ステップS31~S32)、及び破断判定ステップS4をコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、上記の各構成要素の処理を実行しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものでも良い。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものでも良い。また上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、更に前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものでも良い。また上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、更に前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
一具体例として、本実施形態に示した破断予測方法は、図12に示すようなコンピュータ機能300により実施される。
コンピュータ機能300は、CPU301と、ROM302と、RAM303とを備える。また、操作部(CONS)309のコントローラ(CONSC)305と、CRTやLCD等の表示部としてのディスプレイ(DISP)310のディスプレイコントローラ(DISPC)306とを備える。更に、ハードディスク(HD)311、及びフレキシブルディスク等の記憶デバイス(STD)312のコントローラ(DCONT)307と、ネットワークインタフェースカード(NIC)308とを備える。それら機能部301,302,303,305,306,307,308は、システムバス304を介して互いに通信可能に接続された構成としている。
コンピュータ機能300は、CPU301と、ROM302と、RAM303とを備える。また、操作部(CONS)309のコントローラ(CONSC)305と、CRTやLCD等の表示部としてのディスプレイ(DISP)310のディスプレイコントローラ(DISPC)306とを備える。更に、ハードディスク(HD)311、及びフレキシブルディスク等の記憶デバイス(STD)312のコントローラ(DCONT)307と、ネットワークインタフェースカード(NIC)308とを備える。それら機能部301,302,303,305,306,307,308は、システムバス304を介して互いに通信可能に接続された構成としている。
CPU301は、ROM302又はHD311に記憶されたソフトウェア、又はSTD312より供給されるソフトウェアを実行することで、システムバス304に接続された各構成部を総括的に制御する。即ち、CPU301は、上述したような動作を行うための処理プログラム(破断予測プログラム)を、ROM302、HD311、又はSTD312から読み出して実行することで、本実施形態における動作を実現するための制御を行う。RAM303は、CPU301の主メモリ又はワークエリア等として機能する。
CONSC305は、CONS309からの指示入力を制御する。DISPC305は、DISP310の表示を制御する。DCONT307は、ブートプログラム、種々のアプリケーション、ユーザファイル、ネットワーク管理プログラム、及び本実施形態における上記の処理プログラム等を記憶するHD311及びSTD312とのアクセスを制御する。NIC508はネットワーク313上の他の装置と双方向にデータをやりとりする。
なお、通常のコンピュータ端末装置を用いる代わりに、破断予測装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。
なお、通常のコンピュータ端末装置を用いる代わりに、破断予測装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。
1 限界線作成部
2 シミュレーション部
3 変換部
4 判定部
10 破断データベース
11 第1作成部
12 第2作成部
13 第3作成部
21 前シミュレーション部
22 本シミュレーション部
31 曲げ判定部
32 応力変換部
111 鋼板部材
112 ハット部材
121,122 試験片
2 シミュレーション部
3 変換部
4 判定部
10 破断データベース
11 第1作成部
12 第2作成部
13 第3作成部
21 前シミュレーション部
22 本シミュレーション部
31 曲げ判定部
32 応力変換部
111 鋼板部材
112 ハット部材
121,122 試験片
Claims (16)
- 1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション工程と、
前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換工程と、
前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定工程と、
を有することを特徴とする破断予測方法。 - 前記変換工程は、前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする請求項1に記載の破断予測方法。
- 応力空間に破断限界線を作成する限界線作成工程を更に有し、
前記判定工程は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の破断予測方法。 - 前記限界線作成工程は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする請求項3に記載の破断予測方法。 - 破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の破断予測方法。
- 1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション部と、
前記本シミュレーション部で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換部と、
前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定部と、
を有することを特徴とする破断予測装置。 - 前記変換部は、前記本シミュレーション部で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする請求項6に記載の破断予測装置。
- 応力空間に破断限界線を作成する限界線作成部を更に有し、
前記判定部は、前記変換部で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする請求項6又は7に記載の破断予測装置。 - 前記限界線作成部は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成する第1作成部と、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成する第2作成部と、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成する第3作成部と、
を有することを特徴とする請求項8に記載の破断予測装置。 - 破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする請求項6~9のいずれか1項に記載の破断予測装置。
- 1又は複数の前シミュレーション工程を経て最終ステップで得られた部材のひずみ、応力、板厚を引き継いで初期値としてマッピングし、前記部材の変形解析を行う本シミュレーション手順と、
前記本シミュレーション手順で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を、表層の最大主応力及び最小主応力に変換する変換手順と、
前記変換手順で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力を用いて、前記部材の破断を判定する判定手順と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする破断予測プログラム。 - 前記変換手順は、前記本シミュレーション工程で得られた前記部材の変形中における表層ひずみ成分を用いて前記部材の曲げの有無を判定し、前記部材で曲げ部と判定された要素の曲げ外側表層ひずみ成分を前記表層の最大主応力及び最小主応力に変換することを特徴とする請求項11に記載の破断予測プログラム。
- 応力空間に破断限界線を作成する限界線作成手順を更に有し、
前記判定手順は、前記変換工程で得られた前記表層の最大主応力及び最小主応力が前記破断限界線を越えるか否かで破断を判定することを特徴とする請求項11又は12に記載の破断予測プログラム。 - 前記限界線作成手順は、
ひずみ空間に成形限界線図を作成するステップと、
前記成形限界線図の平面ひずみの値を、曲げ変形時の限界表層最大主ひずみと一致するまでオフセットして表層ひずみ限界線を作成するステップと、
前記表層ひずみ限界線を応力空間に変換して表層応力の前記破断限界線を作成するステップと、
を有することを特徴とする請求項13に記載の破断予測プログラム。 - 破断判定対象である前記部材は、引張強度が980MPa以上の鋼板であることを特徴とする請求項11~14のいずれか1項に記載の破断予測プログラム。
- 請求項11~15のいずれか1項に記載の破断予測プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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