JP4810791B2

JP4810791B2 - 破断判定装置及び方法

Info

Publication number: JP4810791B2
Application number: JP2004016090A
Authority: JP
Inventors: 雅之吉川; 理巳平間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: JP2005205467A

Description

本発明は破断判定装置及び方法に関し、特にコンピュータを用いて溶接部位の破断を判定するシミュレーションに関する。

従来より、車両剛性や衝突時の安全性を向上することを目的として、車両衝突現象をコンピュータでシミュレーションする技術が知られている。このようなシミュレーションにおいては、２つの板金をスポット溶接している部位に対し、２つの板金部をシェル要素、結合要素に弾性体のビームあるいはソリッドの要素でモデル化し、結合要素に働く伝達力（ビーム要素の場合には剥離方向及び剪断方向の伝達力）を演算し、この伝達力が予め定義された破断判定値あるいは破断基準値に達するか否かを判定し、達している場合には破断有りと判定して結合を解除し１対のシェル要素間での力の伝達を無くす技術が知られている。

図６には、２つの板金１００，１２０をスポット溶接した場合の様子が示されている。板金１００，１２０はそれぞれシェル要素でモデル化され、図中斜線部分で接続されるものとする。接続部位はビーム要素等でモデル化される。そして、ビーム要素に働く伝達力を演算し、ビーム要素を円柱とみなしたときに円柱の外縁部に伝達される力が予め定めた基準値以上となったときに図７に示されるようにシェル要素とビーム要素との結合を解除して判断発生を示す。

但し、鉄等においては歪速度の増加によりその応力が増大する性質があるため、破断判定に一定の判定値或いは基準値を用いたのでは、衝突現象の中で常に変化する歪速度の下で溶接部位の正確な破断判定ができない問題があった。

そこで、より正確な破断判定を可能とすべく、結合要素自体の物性を弾塑性化し、結合要素の物性値の歪速度依存性を考慮してシミュレーションする技術が提案されている。

下記の文献には、塑性加工材料の歪εの変化率、すなわち歪速度ｄε／ｄｔを逐次算出し、この歪速度に基づいて塑性加工材料の破断を判定することが記載されている。

特開２０００−１０７８１８号公報

結合要素の物性値の歪速度依存性は、例えばクーパー・シモンズ（Cowper-Symonds）の式を用いることで算出できるが、結合要素内における歪速度依存性を演算するためにそのモデル化が詳細となる問題があり、モデルの作成工程の増大及び計算時間の増大を招く問題があった。

本発明の目的は、モデル作成工程や計算時間の大幅な増大を招くことなく、かつ、溶接部位の正確は破断判定を可能とする装置及び方法を提供することにある。

本発明は、溶接部位の破断を判定する破断判定装置であって、溶接を行う２つの板要素及び前記溶接部位は同一材料で接続され、前記２つの板要素及び前記溶接部位をそれぞれ異なる要素でモデル化して入力する入力手段と、前記溶接部位における応力を演算する応力演算手段と、前記溶接部位における破断判定の基準となる基準応力を、前記溶接部位の塑性歪の歪速度依存性に代えて前記板要素の塑性歪の歪速度依存性を用いて演算する基準応力演算手段と、前記応力演算手段で得られた応力と、前記基準応力演算手段で得られた基準応力に基づき、前記溶接部位の破断の有無を判定する判定手段とを有する。

本発明では、溶接部位における破断判定の基準となる基準応力を、従来のように一定値、あるいは溶接部位をモデル化した結合要素を弾塑性化してその物性値に歪速度依存性を与えて基準応力とするのではなく、板要素の歪速度依存性で代用して基準応力とする。板要素は弾塑性体でモデル化され、その歪速度依存性は良く知られている。したがって、板要素の歪速度依存性で代用することで、溶接部位は安価で容易な弾性体としてモデル化でき、モデル工程数の増大及び計算時間の増大を抑えることができる。

本発明の１つの実施形態では、前記板要素をシェル要素としてモデル化し、前記溶接部位をビーム要素としてモデル化して、有限要素法により前記ビーム要素の外縁部に生じる応力を演算する。また、基準応力をシェル要素の歪速度依存性を用いて演算する。そして、以下の判定式
（σ／σ^F）²＋（τ／τ^F）²−１≧０
を用いてビーム外縁部における破断の有無を判定する。ここで、σはビームの外縁に生じる応力、τはビームの外縁に生じる剪断応力、σ^Fはシェル要素の歪速度の関数として定まるシェル要素の基準応力、τ^Fはシェル要素の歪速度の関数として定まるシェル要素の基準剪断応力である。

また、本発明は、コンピュータを用いて２つの板要素の溶接部位に作用する応力をシミュレーションすることで該溶接部位の破断を判定する方法であって、溶接を行う２つの板要素及び前記溶接部位は同一材料で接続され、前記２つの板要素及び前記溶接部位をそれぞれ異なる要素でモデル化してコンピュータに入力するステップと、前記コンピュータに境界条件を入力するステップと、前記境界条件に基づき、モデル化された溶接部位に作用する応力を演算する応力演算ステップと、モデル化された溶接部位の破断判定の基準となる基準応力を、前記溶接部位の塑性歪の歪速度依存性に代えて前記モデル化された板要素の塑性歪の歪速度依存性を用いて演算する基準値設定ステップと、前記応力演算ステップで得られた応力と、前記基準値設定ステップで得られた基準応力に基づき、前記溶接部位の破断の有無を判定するステップとを有する。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態における破断判定装置１の構成ブロック図が示されている。破断判定装置は、公知のコンピュータシステムで構成される。すなわち、破断判定装置１は、インタフェースＩ／Ｆ１０、キーボードやマウス等の入力装置１２、ＣＲＴや液晶ディスプレイ等の表示装置１４、ＣＰＵ１６、ＲＯＭやＲＡＭ等の内部記憶装置やハードディスク等の外部記憶装置を含むメモリ１８を含んで構成される。もちろん、プリンタ等の出力装置を有しても良く、有線あるいは無線の通信回線を介して他のコンピュータシステムに接続されていてもよい。

入力装置１２はスポット溶接された２つの板金のモデル、及び接合部位のモデルを入力する。有限要素法（ＦＥＭ）を用いてシミュレーションする場合、板金部品はシェル要素でモデル化され、結合要素は弾性体の二次元要素（ビーム要素）あるいは六面体要素（ソリッド要素）でモデル化される。これにより、スポット溶接は、上下の１対のシェル要素が結合要素により結合されて力の伝達が行われるモデルが形成される。板金部品のモデルや結合部位のモデルは、外部記憶装置あるいはＩ／Ｆ１０を介して他のコンピュータシステムから供給してもよい。入力装置１２は、また衝突シミュレーションを行うために必要な条件（境界条件）を入力する。境界条件は、想定衝突時の外部印加力等である。

ＣＰＵ１６は、シェル要素（板金のモデル）及びビーム要素（結合部位のモデル）からなるモデルに対し、有限要素法により結合部位の外縁端部に伝達される力を演算する。ビーム要素には、軸力、剪断、モーメント、ねじりの各力が伝達されるため、ＣＰＵ１６はこれらの力を演算する。

ＣＰＵ１６は、また、結合要素の外縁端部における破断の有無を判定するために、破断判定値（基準値）を演算する。従来の破断シミュレーションでは、一定の判定値を用いるか、あるいは結合要素における物性値の歪速度依存性を考慮して判定値を設定しているが、本実施形態では、結合要素ではなくシェル要素の歪速度依存性を用いて判定値を設定する。すなわち、本来であれば結合要素の歪速度依存性を考慮すべきところ、これに代えてシェル要素の歪速度依存性を用いるのである。ＣＰＵ１６は、シェル要素の歪速度を用いて設定された判定値と、演算された伝達力とを用いて所定の判定式に従い破断の有無を判定する。そして、破断の有無の判定結果は表示装置１４に表示される。表示形態は任意であるが、従来のように破断有りと判定された場合にシェル要素と結合要素との結合が解除され、１対のシェル要素間での力の伝達が無くなるような表示としてもよい。

図２には、本実施形態における破断判定装置の機能ブロック図が示されている。条件入力部２０から板金部のシェル要素や溶接部位のビーム要素からなるモデルデータが入力され、衝突時の外部印加力が与えられる。また、シェル要素の既知の歪速度依存性データが与えられる。

応力演算部２２は、溶接部位のモデル（シェル要素とビーム要素からなるモデル）を用いてビーム要素の外縁端部に伝達される力を演算する。図３には、溶接部位のモデルが概念的に示されている。２次元のビーム要素（弾性体）１４０には、軸力（axial）、剪断（shear）、モーメント（moment）、ねじり（torsion）の各力が伝達されるため、応力演算部２２はこれらの力をそれぞれ演算し、ビーム要素１４０を円柱とみなした場合の外縁部に生じる応力を演算する。具体的には、axial：軸力、shear-s：ｓ方向の剪断力、shear-t：ｓ方向に垂直なｔ方向の剪断力、moment-s：ｓ方向のモーメント、moment-t：ｔ方向のモーメント、torsion：ねじりとすると、

であり、したがって、外縁部に生じる応力σ及び剪断応力τは、

となる。ここで、ｄを円柱の直径、すなわちスポット溶接の溶接径とすると、断面積Ａ及び断面係数Ｚはそれぞれ

である。応力演算部２２では、上式を用いてビーム要素の外縁部のσ及びτを演算する。
演算されたσ及びτは破断判定部２４に供給される。

破断判定部２４は、応力演算部２２から供給されたσ、τ及び破断判定の判定値あるいは基準値を用いて破断の有無を判定する。破断の有無を判定する判定式は、

が用いられる。ここで、左辺の分母σ^F、τ^Fが判定値あるいは基準値であり、一定値ではなく塑性歪εの時間変化率ε（・）（ドット）、すなわち歪速度ｄε／ｄｔの関数となっていることに留意されたい。なお、静的に負荷が印加される現象においては、歪依存性はないため分母の判定値は一定値でよいことになる。上記の判定式を満たす場合に、ビーム要素の外縁部に基準値以上の応力が印加されて破断が生じたと判定される。判定値あるいは基準値は、破断判定値演算部２６から供給される。

破断判定値演算部２６は、条件入力部２０から与えられた、シェル要素１００，１２０の歪速度依存性を用いてビーム要素の判定値を演算する。シェル要素の歪速度依存性は公知のデータを用いることができ、一例としてクーパー・シモンズ（Cowpe-symonds）の式を用いると、

となる。ここで、ｃ及びｐは材料により定まる定数であり、シェル要素１００，１２０の値をそのまま援用する。また、σ^F（ｃ＝ｐ＝０）、τ^F（ｃ＝ｐ＝０）もシェル要素の固定値をそのまま用いることができる。シェル要素は弾塑性体であり、歪速度依存性の物性値が従来から既知であるため、この値を入力することは容易である。得られた判定値は、破断判定部２４に供給される。

以上のようにして、破断判定部２４では、ビーム要素の外縁部に伝達されるσ及びτと、シェル要素の歪速度依存性で代用した判定値σ^F、τ^Fを用いて破断判定を行う。本実施形態の判定式において、分子にはビーム要素の値が用いられ、分母にはシェル要素の値が用いられることになる。本願出願人は、このようにビーム要素から応力を演算し、シェル要素から判定値を演算して用いるにもかかわらず、厳密で計算時間を要する方法で得られる判定とほとんど等しい判定が得られることを確認している。

図４には、本実施形態の判定処理のフローチャートが示されている。まず、モデル及び各種条件を破断判定装置１（コンピュータ）に入力する（Ｓ１０１）。破断判定装置１のＣＰＵ１６は、シェル要素１００、１２０の既知の歪速度依存性を用いて判定値σ^F、τ^Fを演算する（Ｓ１０２）。また、破断判定装置１のＣＰＵ１６は、結合要素であるビーム要素１４０の外縁部の応力σ、τを演算する（Ｓ１０３）。そして、これらの値を用いて上記の判定式に従い破断判定を実行する（Ｓ１０４）。上記の判定式（不等式）を満たさない場合には破断が生じておらず、判定式を満たす場合には破断が生じたと判定する。破断の有無を判定した後、その判定結果を表示装置１４その他の出力装置に出力する（Ｓ１０５）。

図５には、本実施形態のようにシェル要素の物性値で代用して得られる破断応力と、ビーム要素の物性値をそのまま用いて得られる破断応力（厳密解あるいは理論解）との関係が示されている。図において、実線３００が理論解、すなわちクーパー・シモンズの歪速度依存性の式σ＝σ₀［１＋（１／ｃ・ｄε／ｄｔ）^1/p］において、ｃ値、ｐ値、σ₀として弾塑性体であるビーム要素の物性値を用いた場合の解である。また、図中黒丸４００が本実施形態の破断応力である。なお、静的現象（歪速度依存性のない）における破断応力は符号５００で示されている。本実施形態の破断応力（破断と判定された応力）は厳密解と良く一致しており、実用上問題ない精度で破断判定を行うことができる。

このように、本実施形態ではビーム要素を弾塑性体ではなく弾性体として処理し、弾塑性体のシェル要素の既知の歪速度依存性を用いて判定値を設定することで高精度の破断判定を行っているが、シェル要素の物性値で代用できるのは、シェル要素とビーム要素は同一材料で接続されているため両者の間には関連があり、ビーム要素の歪速度依存性とシェル要素の歪速度依存性にはある程度の同一性が存在するからと考えられる。

なお、本実施形態においてビーム要素の歪速度依存性をシェル要素で代用しているが、図３に示されるようにビーム要素１４０の上下には１対のシェル要素１００が存在するため、シェル要素１００の歪速度依存性で代用した判定式と、シェル要素１２０の歪速度依存性で代用した判定式を用いて破断判定を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態について車両衝突を例にとり説明したが、本発明は溶接部位に対して動的な（応力の歪速度依存性がある）破壊が生じる任意の現象に適用できる。

破断判定装置の全体構成図である。破断判定装置の機能ブロック図である。１対の板金をスポット溶接した場合の結合要素たるビーム要素に働く力の説明図である。実施形態の破断判定処理フローチャートである。実施形態の破断応力と厳密解の破断応力との関係を示すグラフ図である。１対の板金をスポット溶接した場合のモデル図である。図６における破断判定説明図である。

符号の説明

１破断判定装置、１０インターフェース（Ｉ／Ｆ）、１４表示装置、１６ＣＰＵ、１８メモリ、２０条件入力部、２２応力演算部、２４破断判定部、２６破断判定値演算部、１００，１２０シェル要素（板金）、１４０ビーム要素（結合要素）。

Claims

溶接部位の破断を判定する破断判定装置であって、
溶接を行う２つの板要素及び前記溶接部位は同一材料で接続され、
前記２つの板要素及び前記溶接部位をそれぞれ異なる要素でモデル化して入力する入力手段と、
前記溶接部位における応力を演算する応力演算手段と、
前記溶接部位における破断判定の基準となる基準応力を、前記溶接部位の塑性歪の歪速度依存性に代えて前記板要素の塑性歪の歪速度依存性を用いて演算する基準応力演算手段と、
前記応力演算手段で得られた応力と、前記基準応力演算手段で得られた基準応力に基づき、前記溶接部位の破断の有無を判定する判定手段と、
を有することを特徴とする破断判定装置。
請求項１記載の装置において、
前記板要素をシェル要素としてモデル化し、
前記溶接部位をビーム要素としてモデル化し、
前記応力演算手段は、有限要素法により前記ビーム要素の外縁部に生じる応力を演算し、
前記基準応力演算手段は、前記シェル要素の歪速度依存性を用いて演算する
ことを特徴とする破断判定装置。
コンピュータを用いて２つの板要素の溶接部位に作用する応力をシミュレーションすることで該溶接部位の破断を判定する方法であって、
溶接を行う２つの板要素及び前記溶接部位は同一材料で接続され、
前記２つの板要素及び前記溶接部位をそれぞれ異なる要素でモデル化してコンピュータに入力するステップと、
前記コンピュータに境界条件を入力するステップと、
前記境界条件に基づき、モデル化された溶接部位に作用する応力を演算する応力演算ステップと、
モデル化された溶接部位の破断判定の基準となる基準応力を、前記溶接部位の塑性歪の歪速度依存性に代えて前記モデル化された板要素の塑性歪の歪速度依存性を用いて演算する基準値設定ステップと、
前記応力演算ステップで得られた応力と、前記基準値設定ステップで得られた基準応力に基づき、前記溶接部位の破断の有無を判定するステップと、
を有することを特徴とする破断判定方法。