JP4733850B2

JP4733850B2 - 鉄鋼製品の設計方法、記録媒体及びプログラム

Info

Publication number: JP4733850B2
Application number: JP2001098844A
Authority: JP
Inventors: 俊二樋渡; 康治佐久間; 浩作潮田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002297670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるＣＡＤ(Computer Aided Design)システムやＣＡＥ(Computer Aided Engineering) システムなど、コンピュータを利用して自動車用部品などの鉄鋼製品の設計を行う方法及び設計システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータを利用した自動車用部品などの鉄鋼製品の設計技術は著しく進展しており、コンピュータ上で設計した部品が実際にプレスなどの成形加工ができるか、必要な剛性や強度を有しているかについて、実際に部品を試作して試験しなくても評価できるＦＥＭ(Finite Element Method)などのソフトウェアが開発されている。
【０００３】
例えば、特開平６−３２１０３３号公報に開示された薄鋼板を用いたバンパー補強材は、上記のようなＣＡＤやＦＥＭを用いて設計された自動車用部品である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のソフトウェアは、成形性、剛性、強度それぞれの単独の解析用として開発されており、また、ＣＡＤによる設計に入る前に材料規格を固定しており、材料規格自体を見直すことを念頭においていないので、最適化する変更代が自ずと制限されており、鉄鋼製品の最適設計を実現するうえで以下のような問題点があった。
【０００５】
（１）成形性、剛性、強度のそれぞれの評価に用いる材料パラメータがそれぞれ異なっており、各評価間における整合性が必ずしも取れていないため、成形性、剛性、強度を総合した最適な鉄鋼製品の設計が実現できなかった。
【０００６】
（２）成形性、剛性、強度をそれぞれ独立に評価するため、剛性や強度で最適な設計値が出たとしても結果的に成形性が仕様を満足しない場合には、ＣＡＤのデータ入力からやり直すという煩雑かつ長時間を要するワークが発生するばかりか、剛性や強度の解析が無駄になってしまうという事態が発生していた。
【０００７】
（３）剛性・強度の評価では成形による板厚減少や加工硬化など実際の部品では避けて通れない現象を考慮していなかったため、評価精度が低かった。
【０００８】
（４）材料パラメータは前提条件として固定したデータとして取り扱っているため、材料の開発により解決できる課題を見落とす可能性が大きかった。
【０００９】
そこで本発明は、上記のような従来の問題点を解決し、コンピュータを利用して自動車用部品などの鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行う方法及び設計システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明において、第１の発明は、コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計を行う方法において、前記コンピュータに鉄鋼製品毎の材料規格を含む物理的規格が設定され、前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込み、前記鉄鋼製品の成形性を評価する第１のステップと、前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込むと共に、前記第１のステップによる評価後の板厚、歪及び応力を取り込み、前記鉄鋼製品の剛性を評価する第２のステップと、前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込むと共に、前記第１のステップによる評価後の板厚、歪及び応力を取り込み、前記鉄鋼製品の強度を評価する第３のステップとを含み、前記第１のステップでは、前記コンピュータは、伸びが規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いて成形性を評価し、前記第２のステップでは、前記コンピュータは、弾性変形のシミュレーションを行って要求仕様を満足するか否かで前記鉄鋼製品の剛性を評価し、前記第３のステップでは、前記コンピュータは、降伏強度もしくは引張強度が規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いて強度を評価し、前記物理的規格の設定及び第１〜第３のステップを一連の工程として連続して実行し、前記第１〜第３のステップのうち、少なくともいずれか１つの評価が要求仕様を満足しない場合には、前記物理的規格の少なくともいずれか１つの修正を行った後、前記第１〜第３のステップを再度実行する。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少なくともいずれか１つの修正によっても、成形性、剛性、強度のいずれかの評価が要求仕様を満足しない場合には、使用する材料パラメータの追加または修正を行うステップを更に含むことを特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
【００１３】
第４の発明は、第１〜第３の発明において、材料パラメータに焼付硬化の情報を含むことを特徴とする鉄鋼製品の設計方法である。
【００２０】
第１１の発明は、第１〜第４の発明による鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるための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である。
【００２１】
第１２の発明は、第１〜第４の発明による鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００２２】
本発明は、その概要を図１に示す通り、コンピュータを利用して自動車用部品などの鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行う方法を提供することを目的とする。
【００２３】
以下に、各請求項毎に本発明の特徴を述べる。
【００２４】
第１，第５，第７，第１１及び第１２の発明によると、使用する材料パラメータをあらかじめ記録するので、成形性、剛性、強度を共通の材料パラメータを用いて評価できるため、各評価間の整合性を確実に取ることができる。
【００２５】
また、少なくとも鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記録するので、成形性、剛性、強度の評価の対象とする鉄鋼製品をコンピュータ上で特定することにより、各評価対象の同一性を確保することができる。
【００２６】
ここに、鉄鋼製品とは、鉄鋼材料にプレスなどの成形加工を加えた製品をいい、製品の一部に樹脂やアルミを含んでもよい。例えば自動車用の部品などがこれに該当する。
【００２７】
材料規格とは、JIS、業界、各社などで定めた鉄鋼製品の規格番号をいう。
板厚とは、鉄鋼製品に使用される材料の厚みをいう。また、形状とは、寸法により特定される鉄鋼製品の形をいう。更に、成形性とは、鉄鋼製品を製造する過程で加えられる成形加工時に割れなどの欠陥が発生しない性質をいう。更に、剛性とは、曲げ、ねじれ、振動などによる弾性変形に耐えられる性質をいう。更に、強度とは、衝撃荷重などによる塑性変形を受けたときの吸収エネルギーや変形量等をいう。
【００２８】
前記成形性、剛性、強度のいずれかの評価が要求仕様を満足しない場合には、前記鉄鋼製品の形状、板厚、材料のいずれか１以上の修正を行なったうえで、
成形性、剛性、強度を再評価するので、鉄鋼製品の最適設計を実現できる。
【００２９】
第２，第６及び第８の発明によると、鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状のいずれか１以上の修正によっても成形性、剛性、強度のいずれかの評価が要求仕様を満足しない場合には、使用する材料パラメータの追加・修正を行うので、材料に対する新たな要求仕様を満足する材料特性を設定することができるので、新たな材料開発への展開を実現することができる。
【００３０】
第３及び第９の発明によると、成形性の評価には伸びが規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いるため、加工成形時の破断が生じにくい安全サイドの設計を簡便に行うことができる。
【００３１】
また、強度の評価には降伏強度もしくは引張強度が規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いるため、実際に鉄鋼製品を製造した場合に強度不足が生じない安全サイドの設計を簡便に行うことができる。
【００３２】
第４及び第１０の発明によると、材料パラメータに焼付硬化の情報を含むので、成形性の評価には焼付塗装前の降伏強度もしくは引張強度を用い、剛性や強度の評価には、焼付硬化後の降伏強度もしくは引張強度を用いることができるので、自動車用部品などにおいて焼付塗装が施される場合の剛性や強度の評価をさらに正確に行うことができる。
ここに、焼付硬化とは、焼付塗装時の入熱による材料の強度上昇をいう。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適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。
【００３４】
図２を用いて、自動車部品の設計を例として、本実施形態の鉄鋼製品の設計方法及びその設計システムを説明する。
自動車部品を設計するに当たり、まず当該自動車の形・構造を設定した後（ステップＳ１）、部品毎の材料規格・板厚を設定する（ステップＳ２）。以下の表１に材料規格の例を示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
次に、ＣＡＤを用いて自動車部品の形状を設定し（ステップＳ３）、図３のような３次元の部品形状をコンピュータ上に記録する。
【００３７】
ここで、金型を用いてプレス加工ができるかどうか評価するために、金型ＣＡＤにて金型を設計し（ステップＳ４，Ｓ５）、目的に応じてソフトを選択してコンピュータ上に記録する（ステップＳ６）。
【００３８】
次に、成形ＣＡＥ(Computer Aided Engineering)により成形性の評価を行う。
【００３９】
まず、材料ＤＢから、あらかじめ登録されている材料パラメータとして、応力−歪と３方向のr値のデータを取り込み（ステップＳ７）、板厚・歪み・応力を計算する（ステップＳ８）。従来は、成形性の評価を行う際にこれらのデータを入力していたが、あらかじめ登録されている材料パラメータを用いることにより、剛性・強度の評価に用いる材料パラメータとの整合性を確実に確保することができる。
【００４０】
この成形ＣＡＥを行うことにより、例えば図４のように、成形加工された自動車用部品の板厚分布がどのように変化するかシミュレーションが可能となり、割れ、しわなどの欠陥や、スプリングバックなどの形状不良を発生せしめることなく成形することができるかどうか評価できる。
【００４１】
そして、限界歪（ソフト計算値，実験値）、歪モード（横歪，縦歪）に基づき（ステップＳ９）、成形性の評価（ステップＳ１０）の結果、割れなどが発生する場合には、材料・金型・プレス条件・部品形状を変更して、再度、成形性の評価を行い、それでも割れなどの不具合がなくならなければ、材料規格・板厚を変更して、再評価を実施する（ステップＳ１２）。
【００４２】
成形性の評価（ステップＳ１０）の結果、割れなどの不具合が生じなかった場合には、成形後の板厚・歪み・応力を出力する（ステップＳ１１）ことにより、成形ＣＡＥの処理を完了して、剛性ＣＡＥに移る。
【００４３】
例えば、板厚0.7mmの鋼板をプレス成形し、鉄鋼製品を製造した場合を想定する。材料の板厚はプレス成形により例えば場所によっては0.5mmに減肉することもあれば、逆に0.9mmに増肉することもあるだろう。また、このとき、材料に塑性歪みが導入され、加工硬化が生じた結果、場所によっては降伏強度が２０％程度増加することもあり得る。このような板厚や降伏応力の変化は鉄鋼製品の剛性や強度に影響を及ぼすため、設計時に考慮しておく必要がある。成形シミュレーション後の板厚や歪みなどの材料状態を次の剛性ＣＡＥまたは強度ＣＡＥの入力データに引き継ぐことで、これらの影響を考慮したシミュレーションを実行することができる。
【００４４】
剛性ＣＡＥの方が、後述する強度ＣＡＥに比べて計算時間が短時間で済むので、後段の解析により計算し直しの事態を考慮して剛性ＣＡＥを先に実行する。
【００４５】
剛性ＣＡＥでは、まず、材料ＤＢから、あらかじめ登録されている材料パラメータの中から、密度・板厚・ヤング率のデータを取り込む（ステップＳ１３）。従来は、板厚はＣＡＤで使用した板厚を入力していたが、本発明においては、成形加工により減厚された板厚データを取り込むことにより、成形加工による減厚や加工硬化を剛性・強度の評価に反映させることができる。
【００４６】
剛性ＣＡＥにおいては、部品にかかる曲げ・ねじれ・振動などの弾性変形のシミュレーションを行い（ステップＳ１４）、要求仕様を満足する剛性が得られるかどうか評価し（ステップＳ１５）、不満足の場合には、板厚・溶接方法・補強材などを変更し、再度、剛性の評価を実施する（ステップＳ１６）。具体的には、自動車の車体の長手方向の位置における捻れ角や撓みなどの変形量を計算し、各部材の入力荷重に対する変形量や振動モードが許容範囲内かどうかを検証し、許容範囲内であれば、次に強度ＣＡＥを実施する。
【００４７】
ここで、Ｘ軸方向（車体の長手方向）におけるねじれ角の変化を図５に示す。また、自動車のセンタースプリング部の後方において水平・垂直方向に車体を固定しつつ、ショックタワーフロントに１０００Ｎの負荷を加えたときの車体の変形した様子を図６に示す。
【００４８】
ＣＡＤデータの修正によっても、要求仕様を満足する剛性が得られない場合には、材料規格・板厚を変更して、再度、成形性・剛性の評価を行う。
【００４９】
要求仕様を満足する剛性が得られた場合には、剛性ＣＡＥの処理を終了する。
【００５０】
最後に、強度ＣＡＥの処理を行う際に、まず成形性の評価結果を装置ごとの板厚や歪みの分布を有する入力データに変換し（ステップＳ１７）、あらかじめ登録されている材料ＤＢの材料パラメータの中から、板厚・密度・弾性係数・応力−歪のデータを取り込む（ステップＳ１８）。塗装焼付けによる強度上昇も考慮し、それに対応する応力−歪み関係のデータも取り込む。
【００５１】
強度ＣＡＥでは、自動車の衝突時における部品の吸収エネルギーや客室側への塑性変形量、加速度、時々刻々の塑性変形量のシミュレーションを実施する（ステップＳ１９）。具体的には、自動車用部品を組み立てた状態で、衝突の際に例えば、運転者に与える加速度が許容範囲内かの検討、及び、運転席（客室）のスペースの変形が許容範囲内かなどの検討を行う（ステップＳ２０）。
【００５２】
ここで、自動車の衝突時における各部品の吸収エネルギーを図７に、客室側への塑性変形量（各部位の変形量を相対値で表示する。）を図８に、加速度の時間変化を図９にそれぞれ示す。また、強度ＣＡＥの評価の例として、自動車が衝突した場合の時々刻々の変形過程を図１０に示す。
【００５３】
更に、各部材の変形量や各部材が受け持つ荷重を求めることもできる。
【００５４】
強度ＣＡＥの結果、要求仕様を満足する強度が得られなければ、部品の構造や板厚を変更して再度、成形性・剛性・強度の評価を行い、それでも要求仕様を満足しなければ材料規格・板厚を変更してＣＡＤデータ入力からやり直す（ステップＳ２１）。
【００５５】
強度ＣＡＥによって、要求仕様を満足する強度が得られた場合には、強度ＣＡＥの処理を完了する。
【００５６】
上記各ＣＡＥの結果、全て仕様を満足した場合であっても、例えば使用材料規格を見直すことにより、材料車体全体の重量が軽くなる方向、全体のコストが安くなる方向に最適値を探索することができる。
【００５７】
このように、ＣＡＤ後、成形ＣＡＥを実施し、次に、剛性ＣＡＥ、強度ＣＡＥを行い、このサイクルを何回か繰り返し最適な材料、及び設計値を求めるものである。
【００５８】
従来の方法では、この材料ＤＢがなかったり、あったとしても紙の資料だったので、詳細な解析ができず、作業が煩雑になり、最適値を求めるのに長時間を要したのに対し、本発明の方法では、各ＣＡＥに共通で使用可能な材料パラメータを収納した材料ＤＢを電子データとして保有するために、各解析をどの順番でも実施でき、また、何度でも繰り返し検討ができるので、各部品について最適鋼材の割り当てが可能であり、また、途中、人間が介入することも必要なく、最適値を得ることができる。
【００５９】
以上、本発明の実施形態を、自動車部品の例で詳細説明したが、同様に多数の部品が組み合わせられて一つの製品を構成するものなら如何なるものにでも適用可能である。
【００６０】
なお、図２に示した本発明による鉄鋼製品の設計方法は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明の実施形態に含まれる。
【００６１】
具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フロッピーディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、上記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
【００６２】
また、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全てあるいは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明の実施形態に含まれる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の鉄鋼製品の設計方法及び設計システムによれば、コンピュータを利用して自動車用部品などの鉄鋼製品の設計を正確・的確かつ効率良く行うことが実現でき、具体的には、以下の効果を奏する。
【００６４】
成形性、剛性、強度のそれぞれの評価に共通の材料パラメータを用いるので、各評価間における整合性が確実に取れ、成形性、剛性、強度を総合した最適な鉄鋼製品の設計が実現できる。
【００６５】
成形性、剛性、強度を順次評価し、そのいずれかで要求仕様を満足しない場合は、材料規格、板厚、形状のいずれかを修正するため、ＣＡＤのデータ入力をやり直す必要がなく、個々の解析が無駄にはならない。
【００６６】
成形性、剛性、強度を総合的に評価するため、成形による板厚減少や加工硬化など実際の部品では避けて通れない現象を含めて評価することができる。
【００６７】
材料パラメータを追加・修正することにより、新たな材料開発への展開を図ることができる。
【００６８】
結果として、自動車メーカーなど鉄鋼材料のユーザが、自己完結的に、軽量化、及びコスト低減を究極的に突き詰めることができ、また鉄鋼メーカーとしても開発した新材料の即時提供が可能となり、メーカーと需要家が互いに大きなメリットを享受できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概要を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施形態を示すフロー図である。
【図３】本発明に使用するＣＡＤデータの例を示す模式図である。
【図４】本発明の成形ＣＡＥの評価結果の例を示す模式図である。
【図５】車体の長手方向におけるねじれ角の変化を示す特性図である。
【図６】自動車のセンタースプリング部の後方において水平・垂直方向に車体を固定しつつ、ショックタワーフロントに１０００Ｎの負荷を加えた様子を示す模式図である。
【図７】自動車の衝突時における各部品の吸収エネルギーを示す特性図である。
【図８】客室側への塑性変形量を示す特性図である。
【図９】加速度の時間変化を示す特性図である。
【図１０】本発明の強度ＣＡＥの評価結果の例を示す模式図である。

Claims

コンピュータを利用して鉄鋼製品の設計を行う方法において、
前記コンピュータに鉄鋼製品毎の材料規格を含む物理的規格が設定され、
前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込み、前記鉄鋼製品の成形性を評価する第１のステップと、
前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込むと共に、前記第１のステップによる評価後の板厚、歪及び応力を取り込み、前記鉄鋼製品の剛性を評価する第２のステップと、
前記コンピュータは、データベースから材料パラメータを取り込むと共に、前記第１のステップによる評価後の板厚、歪及び応力を取り込み、前記鉄鋼製品の強度を評価する第３のステップと
を含み、
前記第１のステップでは、前記コンピュータは、伸びが規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いて成形性を評価し、
前記第２のステップでは、前記コンピュータは、弾性変形のシミュレーションを行って要求仕様を満足するか否かで前記鉄鋼製品の剛性を評価し、
前記第３のステップでは、前記コンピュータは、降伏強度もしくは引張強度が規格許容範囲の下限に一致する材料の応力−歪み関係から求めたパラメータを用いて強度を評価し、
前記物理的規格の設定及び第１〜第３のステップを一連の工程として連続して実行し、
前記第１〜第３のステップのうち、少なくともいずれか１つの評価が要求仕様を満足しない場合には、前記物理的規格の少なくともいずれか１つの修正を行った後、前記第１〜第３のステップを再度実行することを特徴とする鉄鋼製品の設計方法。
再度の前記第１〜第３のステップの実行によっても、前記要求仕様を満足しない場合には、使用する材料パラメータの追加または修正を行うことを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼製品の設計方法。
材料パラメータに焼付硬化の情報を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄鋼製品の設計方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるための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。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄鋼製品の設計方法の前記各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。