JP3979492B2 - コンピュータシミュレーションによるプレス部品の成形解析法及びプレス部品を含む構造体の特性解析法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレス成形により製作される部品のコンピュータシミュレーションによるプレス成形解析法及び自動車等のプレス部品を含む構造体の耐衝突性能特性や強度性能特性や剛性特性や振動・音響特性等の特性解析法に関するものである。なお本明細書においてプレス成形とは、冷延鋼板のような板状金属材をブランクとし、これを金型内部で加圧して行われる金属の流れ変形を伴う成形を意味するものであり、曲げ、絞り、型押し等を含むが、打抜きやしごきを含まないものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車車両等のプレス成形金属部品を含む構造体の設計においては、コンピュータシミュレーションによりその構造体の耐衝突性能、強度、剛性や振動・音響特性等の特性に関する各種性能の解析が行なわれている。
【０００３】
プレス成形された金属部品はプレス前の母材（ブランク）と比較して、板厚、残留ひずみ、残留応力等の特性が変化する。また残留ひずみが変化することによる金属部品の加工硬化等により応力−歪み特性も大きく変化する。さらにこれらの変化は同一部品内においても部位によって異なる。従って、プレス成形金属部品を含む構造体の耐衝突性能、強度、剛性や振動・音響特性等の特性に関する解析を精度よく行なうためには、個々の部品のプレス成形による厚さ分布、残留歪み分布、応力−歪み特性の変化等を考慮したコンピュータシミュレーションモデルを作成し、解析する必要がある。
【０００４】
プレス成形される金属部品の成形性や成形後の板厚、残留歪み、応力分布等については、既にコンピュータシミュレーションによる成形解析法が提案されている。その代表的なものは、インクレメンタル(Incremental)法である。インクレメンタル法は、ブランク、金型、ホルダー、パンチ等の形状、材料特性、潤滑条件や押え力等のプレス条件をもとに、プレス加工の工程を微小なタイムステップに区切り、タイムステップ毎の微小変形について順次計算を積み重ねて行く解法であり、比較的高い計算精度が得られる。
【０００５】
このインクレメンタル法によりプレス成形される金属部品のコンピュータシミュレーションによる成形解析を行なうためには、まず金型、ホルダー、パンチ等の金型設計を行い、潤滑条件や押え力等のプレス条件を設定しなければならない。ところが通常の自動車の設計業務では、コンピュータシミュレーションによる耐衝突性能や強度等に関する解析評価を行ないながら部品形状を決定して行く。そして部品形状を決定した後で、プレスのための金型設計に入るのが普通である。従って、設計段階においては金型形状やプレス条件が決定されておらず、インクレメンタル法によるプレス成形解析が出来ない段階で耐衝突性能や強度等に関するコンピュータシミュレーションを行なう必要がある。またインクレメンタル法は一つのプレス部品の解析計算に数時間から数十時間という非常に長時間を要という問題もある。このためインクレメンタル法は主に個々のプレス部品の成型性検討や金型設計等には用いられているが、非常に多くのプレス部品からなる自動車等の構造体の設計段階での耐衝突性能や強度等の検討のためのコンピュータシミュレーションによる解析においてはほとんど行なわれていない。
【０００６】
このほか、プレス後の形状をベースとして解析を行うインバース(Inverse)法がある。この方法はプレス後の最終形状からブランクの初期平面形状を逆解析し、プレスによる各部分の形状変化から板厚、残留歪み、残留応力等の特性を求める方法であり、インクリメンタル法と比較して非常に短時間で解析可能である。製品形状をもとにインバース解析を行えば、金型設計が不要であるうえ長い計算時間を要しないので、インクレメンタル法とは異なり通常の自動車等の構造体の設計段階での耐衝突性能や強度等の検討のためのコンピュータシミュレーション解析に取り入れることが可能である。しかしこの製品形状をもとにしたインバース法はあまりにも計算精度が低いため、実用性がないとされている。
【０００７】
上記したように、既存のコンピュータシミュレーション法にはそれぞれ欠点があり、実用的には用いられていない。そこで一般的には、プレス成形される部品の設計段階ではプレス成形に起因する板厚減少や加工硬化等の特性変化を無視し、プレス成形部材がプレス前の母材と同一の板厚であり、残留歪みもないものとして耐衝突性能や強度等に関する解析評価を行なっている。その結果、大きな解析誤差が生じており、コンピュータシュミレーションだけでは十分な精度での設計が行えないため、実験による耐衝突性能や強度等の確認と設計修正を何度も繰り返すことが必要になり設計を行なう上でのコスト増、設計工期増等の要因となっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、コンピュータシミュレーションにより、金型設計を必要とせずかつ短時間で部品の最終形状から精度よくプレス成形部品の板厚、残留歪み、残留応力等の特性を求めることができるコンピュータシミュレーションによるプレス部品の成形解析法と、さらに構造体の耐衝突性能特性や強度性能特性や剛性特性や振動・音響特性等の特性解析を高精度に行うことができるプレス部品を含む構造体の特性解析法を提供するためになされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明者等は検討を重ねた結果、製品形状をもとにしたインバース解析の計算精度が低いのことの主たる原因は、プレス成形の過程での金属の流れに対する移動抵抗が実際の現象と大きく異なっている点にあるのではないかと考えた。そして部品の最終形状の外周部に移動抵抗力を付加して解析を行なえば、短時間で精度の高いプレス成形解析が行なえることを究明した。
【００１０】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものであって、請求項１の発明のコンピュータシミュレーションによる部品のプレス成形解析法は、板状金属材をブランクとし、金型内部で加圧して曲げや絞りなどの金属の流れ変形を伴うプレス成形を行って製作されるか、もしくは前記プレス成形と合わせて穴明け加工やトリム加工や曲げ加工等の一つもしくは複数の加工を行って製作されるプレス部品の板厚分布や残留ひずみ分布等の特性をコンピュータシミュレーションにより解析するにあたって、プレス部品の加工後の最終部品形状のデータをもとに、その最終部品形状の外周部にフランジもしくはドロービードを有しているフランジを追加したフランジ追加形状のデータを作成し、このフランジ追加形状のデータについてインバース解析法によりプレス成形解析を行なうことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２の発明のコンピュータシミュレーションによる部品のプレス成形解析法は、板状金属材をブランクとし、金型内部で加圧して曲げや絞りなどの金属の流れ変形を伴うプレス成形を行うとともに、このプレス成形と合わせて穴明け加工やトリム加工や曲げ加工等の一つもしくは複数の加工を行って製作されるプレス部品の内その加工工程としてプレス成形後に穴明け加工を行うプレス部品の板厚分布や残留ひずみ分布等の特性をコンピュータシミュレーションにより解析するにあたって、プレス部品の加工後の最終部品形状のデータをもとにそのプレス成形後にあけられた穴部を埋めた穴埋め形状のデータを作成し、その穴埋め形状の外周部にフランジもしくはドロービードを有しているフランジを追加したフランジ追加形状のデータを作成し、このフランジ追加形状のデータについてインバース解析法によりプレス成形解析を行なうことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、請求項３、４に示すように、最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部に追加されるフランジもしくはドロービードを有しているフランジの方向を、部品のプレス方向に対して垂直もしくは、最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部の延長方向とすることができる。
【００１３】
また請求項５の発明のコンピュータシミュレーションによる構造体の耐衝突性能や強度性能や剛性特性や振動・音響特性等の特性解析法は、構造体に含まれるプレス部品の全てもしくは一部について請求項１、２、３または４に記載のプレス成形解析法により得られたプレス後の板厚分布や残留歪み分布を含むデータを用い、構造体の耐衝突性能特性や強度性能特性や剛性特性や振動・音響特性等の特性解析を連成的に行なうことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項１，２，３，４の発明によれば、インバース解析法によりプレス成形解析を短時間で精度良く行なうことができ、プレス後の板厚分布や残留歪み分布を正確に知ることができる。また請求項５の発明によれば、インバース解析法の結果を利用して連成解析を行ない、構造体の耐衝突性能特性、強度性能特性、剛性特性または振動・音響特性等の特性を精度良く求めることができる。従って本発明によれば、構造体の設計段階において、耐衝突性能特性、強度性能特性剛性特性または振動・音響特性等に関する解析評価を実用的なレベルで行なうことができる。
以下に本発明をその実施形態とともに更に詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態のフローを示すブロック図である。また図３は本発明の工程中で作成される形状データを、画像として模式的に示す斜視図である。図３の形状は画面上に表示されるだけのものであって、実物が存在するわけではない。なお、本発明において解析の対象とするのは、プレス成形によりもしくはプレス成形あわせてトリム加工及や穴開け加工により最終形状とされる金属部品であり、自動車の金属部品の多くはこれに該当する。この実施形態では、自動車ボディに用いられる図３Ａに示す形状１１の部品を解析対象とする。
【００１６】
最終形状のデータ１による形状を図３Ａに示す。ここで形状データとしてはＣＡＤデータを用いてもまたＦＥＭのメッシュデータを用いることが出来る。図３Ａから分かるように、この部品１１はプレス後に複数の穴部１２を加工されたものである。本発明では穴開け前のプレス成形解析を行なうのであるから、最終形状のデータ１から穴部１２を埋めた穴埋め形状のデータ３を作成する。その形状を図３Ｂに示す。
【００１７】
次にこのデータ３にはプレス成形中における金属の流れによる移動抵抗の要素が含まれていないため、穴埋め形状の外周部にドロービード１４を含むフランジ部１３を追加する処理４を行いフランジを追加した形状データ５を得る。
【００１８】
また、もしプレス部品がプレス成形後に穴あけされていなければ、穴埋め処理２を省略して、最終製品形状１に直接フランジもしくはドロービードを含むフランジを追加すればよく、この場合の実施形態のフローを図２に示す。
【００１９】
この実施形態ではフランジの方向を、部品のドロービードを含むプレス方向に対して垂直とすることにより図３Ｃに示す様な形状を得たが、フランジの方向を最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部の延長方向とした図３ｄに示す様な形状をしてもよい。またドロー含むフランジ部の代わりにドロービードの無いフランジとしてもよい。このようなにフランジを付けることにより、プレス成形中の金属流れの移動抵抗を形状に置き換えることができる。
【００２０】
フランジの長さやドロービードのサイズ、位置については、部品サイズに対して一定割合とするか、部品サイズに応じて一定量とするか、構造断面の縦・横長さに応じて設定する方法等がある。データの蓄積によりフランジ長さの最適な決定法を確立できるが、解析者が経験的に設定を行なうようにしてもよい。この実施形態では、穴埋め形状の外周部に一定長さのフランジを設定しその中央にドロービードを設定している。
【００２１】
ここで、最終形状に対しておこなう穴埋め、フランジやドロービードの追加などの形状修正はＣＡＤデータベースでおこなっても、ＦＥＭのメッシュデータベースで行ってもよい。
【００２２】
このようにして金属の流れに対する移動抵抗を考慮するためのフランジ追加形状データ５を作成したうえ、このフランジ追加形状データ５に材料特性６を加えたインバース解析モデル７を作成し、公知のインバース解析法によりプレス成形解析を行なう。前記したようにインバース解析法は金型データ等を必要とせず、部品形状からブランクの初期平面形状を逆算し、板厚、残留歪み、残留応力等の特性を求める方法である。本発明では部品の最終形状ではなく、フランジ追加形状をもとにインバース解析を行なうため、短時間でしかも精度よくプレス後の板厚、残留歪み、残留応力等の解析結果データ８を求めることができる。
【００２３】
構造体の耐衝突性能や強度性能や剛性特性や振動・音響特性等の性能特性解析を行なう請求項５の発明においては、構造体のを構成する個々のプレス部品に対し、それぞれ上記のようにしてプレス成形解析法により得られたプレス後の板厚分布や残留歪み分布を含む解析結果データ８を、特性解析モデル９の個々のプレス部品にマッピングして、公知特性解析を連成的に行なう。この特性解析プログラム自体は既存のものであるが、特性解析モデル９の個々のプレス部品に板厚分布や残留歪み分布等が正確にマッピングされているため、従来に比較して精度の高い衝突強度の解析が可能となる。
【００２４】
また、構造体を構成する全てのプレス部品に対しプレス後の板厚分布や残留歪み分布を考慮する必要が無い場合は、全てのプレス部品に対してプレス成形解析を行う必要はなく、板厚分布や残留歪み分布の考慮が必要な部材についてのみプレス成形解析と解析データのマッピングを行って連成連成解析を行えばよい。
【００２５】
また図４のような２つのプレス部品からなる潰れビードを持つ箱形構造の落重による耐衝突特性について、実験と本発明による解析結果を表１に示す。本発明による解析では２つのプレス部材のそれぞれの製品形状の外周に40mmのフランジを外周部の延長方向に追加して形状データを作成し、このフランジをインバース解析して板厚分布および残留ひずみ分布を求めて耐衝突性能特性モデルにマッピングして特性解析を行った。表１から判るように、プレス部材のプレスによる板厚分布や残留ひずみ分布を無視した耐衝突特性は実験値に比べ大きな誤差が生じているが、本発明による解析の結果は実験値に非常近い値となっており、特性解析の大幅な精度向上がはかられている。なお図４のモデルは、高さ２１６ｍｍ×幅１２０ｍｍ×奥行き６０ｍｍのサイズのもので、材質は板厚１．６ｍｍ、最大強度５９０Ｍｐａの冷延鋼板であり、落重衝突条件は落重質量１１０ｋｇｆ、落重速度１２．９ｍ／ｓである。
【００２６】
【表１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の部品のプレス成形解析法によれば、最終部品形状にフランジもしくはドロービードを有しているフランジを追加することによって金属の流れの移動抵抗を考慮し、それをインバース法により解析することによって、部品の最終形状のデータから金型設計を必要とせずかつ非常に短時間でプレス成形部品の板厚、残留歪み、残留応力等の特性を求めることができる。
【００２８】
また本発明の構造体の耐衝突性能特性、強度性能特性剛性特性または振動・音響特性等部品の特性解析法によれば、プレス後の板厚分布や残留歪み分布を含むデータをマッピングした特性解析モデルを用いて衝突解析を連成的に行なうので、従来に比較して精度の高い特性解析が可能となる。
【００２９】
このように本発明によれば、自動車等のプレス部品を含む構造体の設計業務において、金型設計等の膨大な追加業務を伴うことなく、コンピュータシミュレーションによってプレス部品を含む構造体の特性に関する解析評価を非常に高精度で行なうことができるので、実験による耐衝突性能や強度等の確認や設計修正を大幅に減らすことができ、自動車等の構造体の設計を行なう上での低コスト化や設計工期短縮をはかることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のフローを示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態のフローを示すブロック図である。
【図３】本発明の工程中で作成される形状データの画像を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例で行った落重による衝突モデルである。
【符号の説明】
１ 最終部品形状データ
２ 穴埋め処理
３ 穴埋め形状データ
４ フランジもしくはドロービードを含むフランジを追加する処理
５ フランジ追加形状データ
６ 材料特性
７ インバース解析モデル
８ インバース解析結果
９ 特性解析モデル
１０ 連成特性解析
１１ 最終部品形状
１２ 穴部
１３ フランジ
１４ ドロービード
Claims (5)
- 板状金属材をブランクとし、金型内部で加圧して曲げや絞りなどの金属の流れ変形を伴うプレス成形を行って製作されるか、もしくは前記プレス成形と合わせて穴明け加工やトリム加工や曲げ加工等の一つもしくは複数の加工を行って製作されるプレス部品の板厚分布や残留ひずみ分布等の特性をコンピュータシミュレーションにより解析するにあたって、プレス部品の加工後の最終部品形状のデータをもとに、その最終部品形状の外周部にフランジもしくはドロービードを有しているフランジを追加したフランジ追加形状のデータを作成し、このフランジ追加形状のデータについてインバース解析法によりプレス成形解析を行なうことを特徴とするコンピュータシミュレーションによるプレス部品の成形解析法。
- 板状金属材をブランクとし、金型内部で加圧して曲げや絞りなどの金属の流れ変形を伴うプレス成形を行うとともに、このプレス成形と合わせて穴明け加工やトリム加工や曲げ加工等の一つもしくは複数の加工を行って製作されるプレス部品の内その加工工程としてプレス成形後に穴明け加工を行うプレス部品の板厚分布や残留ひずみ分布等の特性をコンピュータシミュレーションにより解析するにあたって、プレス部品の加工後の最終部品形状のデータをもとにそのプレス成形後にあけられた穴部を埋めた穴埋め形状のデータを作成し、その穴埋め形状の外周部にフランジもしくはドロービードを有しているフランジを追加したフランジ追加形状のデータを作成し、このフランジ追加形状のデータについてインバース解析法によりプレス成形解析を行なうことを特徴とするコンピュータシミュレーションによるプレス部品の成形解析法。
- 最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部に追加されるフランジもしくはドロービードを有しているフランジの方向を、部品のプレス方向に対して垂直とする請求項１または２に記載のコンピュータシミュレーションによる部品のプレス成形解析法。
- 最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部に追加されるフランジもしくはドロービードを有しているフランジの方向を、最終形状の外周部もしくは穴埋め形状の外周部の延長方向とする請求項１または２に記載のコンピュータシミュレーションによるプレス部品の成形解析法。
- 一つもしくは複数のプレス部品から構成されるか、一つもしくは複数のプレス部品を含んで構成される構造体の耐衝突性能や強度性能や剛性特性や振動・音響特性等の性能特性解析を行うにあたって、構造体に含まれるプレス部品の全てもしくは一部について請求項１、２、３または４に記載のプレス成形解析法により得られたプレス部品の板厚分布や残留歪み分布を含むデータを用いて、構造体の耐衝突性能特性や強度性能特性や剛性特性や振動・音響特性等の特性解析を連成的に行なうコンピュータシミュレーションによるプレス部品を含む構造体の特性解析法。
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