JP3963016B2 - 樹脂部品破壊状態予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車における樹脂部品を破壊して自動車ボディから取り外す際の当該樹脂部品の破壊状態を計算により予測する方法に関するものである。

従来、自動車のインストルメントパネル等の樹脂部品をリサイクルのために破壊する場合、例えば、インストルメントパネルの所定箇所に、所謂Ｊフックを掛けて持ち上げることにより、インストルメントパネルを鋼製の自動車ボディから取り外すようにしている。そして、樹脂部品の破壊が容易に行なわれてボデーから取り外せるように、樹脂部品の設計の段階から破壊状態を予測するようにしている。

ここで、上述した樹脂部品の破壊状態の予測は、所謂動的構造計算により当該樹脂部品の解体をシミュレーション計算するようにしている。具体的には、当該樹脂部品に対応する有限要素モデルを作成する。そして、この有限要素モデルに関して、各有限要素について応力や歪等による規定値を設定する。この状態から所定の節点に対して強制変位を与えることにより、各有限要素における応力及び塑性歪を動的構造計算する。これにより、ある有限要素における応力及び歪が規定値を越えたとき、要素の消失等をすることで当該要素を破壊部位として予測することができる。

なお、自動車のインストルメントパネル等の樹脂部品において、熱変形を解析する技術が知られている（特許文献１，２）。

特開２００２−１４８２３２号公報 特開２００１−１５３８２７号公報

しかしながら、このような樹脂部品破壊状態予測方法においては、破壊部位を精度良く予測するためには、樹脂部品に対応する有限要素モデルの各要素を細かく細分化する必要がある。そして、これに伴って節点及び有限要素の数が著しく増大することから、各要素における応力及び歪を動的計算するための工数が膨大なものとなり、予測計算に時間がかかってしまう。

本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成により、容易に短時間で正確に破壊状態を予測することができるようにした、樹脂部品破壊状態予測方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の樹脂部品破壊状態予測方法は、破壊状態を予測すべき樹脂部品に対応する有限要素モデルに、上記樹脂部品の実装状態に基づいて複数の節点を拘束する第一の段階と、上記有限要素モデルに対して荷重若しくは強制変位を与えて静的構造計算を行なう第二の段階と、上記静的構造計算により得られた各有限要素における塑性歪分布に基づいて、連なる或いは隣接する複数の有限要素の塑性歪が基準値を越え、且つ、塑性歪が基準値を超えた複数の有限要素の中に上記樹脂部品の形状端部に該当する有限要素を含むとき、当該節点を破壊部位と判定する第三の段階と、を含んでいる。

本発明の樹脂部品破壊状態予測方法は、好ましくは、前記破壊部位と判定された節点若しくは有限要素を除去することにより、当該節点若しくは有限要素を分離して前記有限要素モデルを改造する第四の段階と、を含み、さらに、前記第二から第四の段階を繰り返して行なう。

さらに、本発明の樹脂部品破壊状態予測方法においては、すべて節点及び有限要素が分離されるまで、前記第二から第四の段階を繰り返して行なう。

さらに、本発明の樹脂部品破壊状態予測方法は、前記第三の段階において、塑性歪の基準値が、応力の上昇が緩やかで塑性歪が急激に増加することになる塑性歪の大きさの値である。

上記構成によれば、樹脂部品の破壊状態を予測するために、作成した樹脂部品に対応した有限要素モデルの複数の節点を位置拘束した状態で、所定の箇所に対して荷重若しくは強制変位を与えて、静的構造計算を行なって塑性歪分布により破壊部位を判定する。
そして、この破壊部位と判定された節点の位置拘束若しくは有限要素自体を第四の段階にて除去して、再び第二の段階にて上記静的構造計算を行なうことにより、上述した第二乃至第四の段階における静的構造計算及び破壊部位の判定を繰返し行なう。
このように比較的単純な静的構造計算の繰返しによって、樹脂部品の破壊順序を予測することができると共に、すべての位置拘束された節点が分離されることにより荷重に対する塑性歪がなくなり、破壊が完了することになる。

この場合、塑性歪分布を求めるための計算が、従来のような複雑な動的構造計算ではなく、簡単な静的構造計算の繰返しにより行なわれる。また、有限要素モデルもあまり細分化する必要がないことから、節点及び有限要素の数が少なくて済むこともあって、計算工数が大幅に削減され、破壊状態の予測の時間が短縮される。

以下、図面に示した実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る樹脂部品破壊状態予測方法は、従来知られているような、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクなどの記憶部と、キーボード，ポインティングデバイスなどの操作部と、操作部等からの指示により、記憶部に格納されたデータやソフトウェアを処理する中央処理装置（ＣＰＵ）と、処理結果等を表示するディスプレイなどを備えた汎用のコンピュータ及び有限要素ソフトウェア等で行われる。そして、以下に説明する工程で取り扱われたり設定されたりする情報などは逐一記憶部に格納され、又、各工程における処理においては、必要な情報を記憶部から読み出して行われるようになっている。

図１は本発明による樹脂部品破壊状態予測方法の一実施形態を示している。図１において、ステップＳＴ１にて、破壊状態を予測すべき樹脂部品、例えばインストルメントパネル等に対応する比較的大きな要素から成る有限要素モデル（以下、初期モデルという）１０を作成する。

本発明の実施形態において、初期モデル１０は、ヤング率，ポアソン比，応力−塑性歪線図，部材の形状，部材の支持状態などの有限要素法により計算するのに必要な条件を、計算ソフトウェアに入力して作成されるようになっている。

この場合、初期モデル１０は、従来の動的構造計算による破壊予測を行なう場合のような詳細モデルとする必要はなく、図２に示すように、比較的粗いモデルでよい。

続いて、ステップＳＴ２にて、初期モデル１０の複数の節点Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４（図２（Ａ）参照）を位置拘束した状態で、初期モデル１０の所定の節点（初期荷重点）Ｂに対して強制変位Ｗ（若しくは荷重）を与えて静的構造計算を行なう。ここで、位置拘束する複数の節点Ａ１乃至Ａ４は、破壊状態を予測すべき樹脂部品の実装状態に基づいて選定され、初期荷重点Ｂは、例えばＪフックを掛ける位置に基づいて選定される。

静的構造計算は、図２（Ｂ）に示すように、各要素における塑性歪分布を求めるようになっている。なお、静的構造計算は、線形計算ではなく非線形計算により行なわれ、樹脂部品、即ち初期モデル１０の強制変位による変形に関して弾性領域だけでなく塑性領域についても対応する。

次に、ステップＳＴ３にて、求められた各要素における塑性歪分布に基づいて、基準値、例えば塑性歪が所定値Ｘを越えた要素が形状の端部まで到達したときの関連拘束節点、例えば図２（Ａ）にて節点Ａ１について破壊部位と判定して、当該節点Ａ１における形状割れを予測する。
ここで、一般的に応力に対する塑性歪は、例えば図３に示すように、応力の上昇に伴って増加するが、ある値、例えばＸを越えると応力の上昇が緩やかで塑性歪が急激に増加することになるので、このＸを基準値とすることが好ましい。よって、要素の塑性歪の大きさの値が、基準値Ｘを越えるか否かで破断を判断するようになっている。なお、この基準値Ｘは、樹脂部品の材質によってそれぞれ設定される値である。
なお、関連拘束節点とは、例えば、連なる或いは隣接する複数の要素（有限要素モデル中の一つの要素から樹脂部品の端部に該当する要素に至るまでの複数の要素）において、それらの塑性歪が基準値を越えた場合に、破壊部位と判断された複数の要素の何れかが位置拘束された節点により構成されていれば、該拘束された節点を関連拘束点として取り扱う。
ここで、図２（Ｂ）において、符号Ｓ１で示すように、節点Ａ１に隣接して四つの要素が基準値を越えた要素に該当する。そして、節点Ａ１に隣接する要素が樹脂部品の端部にまで至っているので、当該領域中の節点Ａ１を破壊部位と判定する。

その後、ステップＳＴ４にて、初期モデル１０に関して、破壊部位と判定された節点Ａ１の位置拘束を除去し、当該節点Ａ１を分離することにより、初期モデル１０の改造を行ない、改造モデル１１を作成する。ここでは、上記のように関連拘束点Ａ１に関して拘束を除去することとしたが、連なる或いは隣接した複数の要素（樹脂部品の端部に該当する要素を含む）において、それらの塑性歪が基準値を越えている場合であって、それらの要素を構成する節点の何れもが拘束されていないときには、塑性歪の基準値を越えた要素を除去して有限要素モデルの改良を行い、次のステップＳＴ５に移行する。

そして、ステップＳＴ５にて、初期荷重点Ｂが拘束されている節点とつながっている有限要素を構成している節点か否かを判定して、分離された節点でない場合には、再びステップＳＴ２に戻って、改造モデル１１の複数の節点Ａ２，Ａ３，Ａ４（図２（Ｃ）参照）を位置拘束した状態で、荷重０及び変位０から初期荷重点Ｂに対して強制変位Ｗを与えて、静的構造計算を行なって塑性歪分布を求める。

続いて、再びステップＳＴ３にて、求められた各節点における塑性歪分布に基づいて、要素が形状端部まで到達したときの関連拘束節点、例えば図２（Ｄ）にて節点Ａ２について破壊部位と判定して、当該節点Ａ２における形状割れを予測する。ここで、図２（Ｄ）において、符号Ｓ２で示すように、節点Ａ２に隣接しつつ連なった複数の要素が、基準値を越えた要素に該当する。そして、節点Ａ２に隣接する要素が樹脂部品の端部にまで至っているので、当該領域中の節点Ａ２を破壊部位と判定する。

その後、再びステップＳＴ４にて、前記改造モデル１１に関して破壊部位と判定された節点Ａ２の位置拘束を除去し、当該節点Ａ２を分離することにより、改造モデル１１の改造を行なって、再改造モデル１２（図２（Ｅ）参照）を作成する。

このようにして、すべての位置拘束された節点Ａ１乃至Ａ４が分離されるまで、上記静的構造計算，塑性歪分布による破壊部位の判定及び節点の分離を繰り返して、初期モデル１を順次に改造することにより、当該初期モデル１０における破壊順序及び部位を予測することができる。そして、すべての位置拘束された節点Ａ１乃至Ａ４が分離されることにより、強制変位Ｗによって塑性歪が発生しなくなり、当該樹脂部品の初期モデルにおける破壊が完了することになる。

このようにして、本発明実施形態による樹脂部品破壊状態予測方法によれば、従来のような複雑な動的構造計算を行なう必要がなく、単純な静的構造計算の繰返しによって、樹脂部品の破壊状態の予測を行なうことができる。さらに、静的構造計算では、細分化された有限要素モデルが不要であることから、比較的大きな要素から成る比較的粗い構成の有限要素モデルにより静的構造計算を行なうことになるので、節点及び要素の数が大幅に減少して計算工数が大幅に減少し、計算時間が著しく短縮され得ることになる。

上述した実施形態においては、初期モデル１０にて位置拘束する節点を四箇所としたが、これに限らず、２，３又は５以上の任意の数の節点を位置拘束するようにしてもよい。また、上述した実施形態においては、インストルメントパネルの破壊予測の場合について説明したが、これに限らず、他の樹脂部品の破壊予測に関して本発明を適用し得ることは明らかである。

本発明による樹脂部品破壊状態予測方法の一実施形態の構成を示すフローチャートである。 図１に示した樹脂部品破壊状態予測方法による初期モデルにおける位置拘束，荷重及び塑性歪の変化を順次に示す図である。 応力に対する塑性歪の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 初期モデル
１１ 改造モデル
１２ 再改造モデル
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ 位置拘束された節点
Ｂ 初期荷重点

Claims (4)

1. 破壊状態を予測すべき樹脂部品に対応する有限要素モデルに、上記樹脂部品の実装状態に基づいて複数の節点を拘束する第一の段階と、
   上記有限要素モデルに対して荷重若しくは強制変位を与えて、静的構造計算を行なう第二の段階と、
   上記静的構造計算により得られた各有限要素における塑性歪分布に基づいて、連なる或いは隣接する複数の有限要素の塑性歪が基準値を越え、且つ、塑性歪が基準値を超えた複数の有限要素の中に上記樹脂部品の形状端部に該当する有限要素を含むとき、当該節点を破壊部位と判定する第三の段階と、を含む、樹脂部品破壊状態予測方法。
2. 前記破壊部位と判定された節点若しくは有限要素を除去することにより、当該節点若しくは有限要素を分離して前記有限要素モデルを改造する第四の段階と、を含み、
   さらに、前記第二から第四の段階を繰り返して行なうことを特徴とする、請求項１に記載の樹脂部品破壊状態予測方法。
3. すべての節点若しくは有限要素が分離されるまで、前記第二から第四の段階を繰り返して行なうことを特徴とする、請求項２に記載の樹脂部品破壊状態予測方法。
4. 前記第三の段階において、塑性歪の基準値が、応力の上昇が緩やかで塑性歪が急激に増加することになる塑性歪の大きさの値であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の樹脂部品破壊状態予測方法。

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