JP4826311B2 - 有限要素法を用いた衝突解析装置、衝突解析方法および衝突解析プログラム - Google Patents

Description

本発明は、自動車などの衝突解析装置、衝突解析方法および衝突解析プログラムに関し、特に、動的陽解法を用いた有限要素法による衝突解析すなわち衝突シミュレーションに適用して好適なものである。

交通事故による死傷者が年々増加し、近年、自動車の衝突安全性への関心が高まる中で、全世界的に衝突安全性に関する法規の追加や見直しが行われている。このような状況のもと、自動車メーカーには、新車開発の段階から、衝突安全性を考慮した車体の設計、開発が必要となっている。
一方で、自動車の実際の衝突試験による衝突安全性の評価は、一品生産になるため、コスト負担が大きい。このため、それに代わる方法として、コンピュータを用いた衝突シミュレーションによる評価が積極的に行われている。

現在では、コンピュータの性能の飛躍的な向上と、動的陽解法を用いた有限要素法によるシミュレーションのしかたの進歩により、従来ではモデルサイズの問題から計算不可能であったフルカーモデルの衝突シミュレーションもできるようになっている。このため、衝突シミュレーションによる衝突安全性の評価が自動車の設計段階から取り入れられ、重要な役割を担うようになってきている。

このような状況のもと、フルカーモデルの衝突シミュレーションの精度向上は非常に重要な課題となっており、今後もさらなる衝突シミュレーションの精度向上を図るため、従来は考慮されていなかったスポット溶接部での破断を考慮することが必要になってきている。スポット溶接部での破断が発生すると、自動車の変形のしかたが急に変わるため、スポット溶接部での破断が発生すると、衝突シミュレーション中に予測するか否かによって、衝突シミュレーションの結果は大きく変わり、実際の衝突試験の結果と大きく相違してしまうからである。

また、最近の自動車用鋼材のハイテン化の流れのもと、ハイテン材のスポット溶接に関するデータの蓄積が従来鋼に比べて少ないこともあって、自動車の開発段階におけるスポット溶接部での破断（以下、スポット溶接破断）発生の有無を衝突シミュレーションによって予測することは、非常に重要になっている。
現在の自動車開発で用いられる有限要素法を用いた衝突シミュレーション用のソフトウェアには、市販の汎用ソフトウェアが多く用いられている。これらの市販の汎用ソフトウェアでは、スポット溶接破断の予測機能がサポートされているものもあるが、スポット溶接部の破断する条件、すなわちスポット溶接破断限界の定義はユーザに委ねられていた。

ここで、有限要素法を用いたフルカーモデルの衝突解析シミュレーション用の各汎用ソフトウェアにおけるスポット溶接の定義方法は、各汎用ソフトウェアで多少異なるが、（１）溶接される２つの材料（被溶接材）中の要素を節点どうしで繋ぐタイプ、（２）梁要素を溶接されるシェル要素間に配置して、梁要素と各被溶接材中のシェル要素の間で力を伝達するタイプ、（３）ソリッド要素を溶接されるシェル要素間に配置して、ソリッド要素と各被溶接材中の一つまたは複数のシェル要素の間で力を伝達するタイプがある。もっとも、小規模な衝突では、スポット溶接部を詳細にメッシュ分割して模擬する方法もあるが、フルカーモデルの衝突シミュレーションで用いられる動的陽解法では、メッシュサイズを一部分でも小さくすると、衝突シミュレーション全体のタイムインクリメントを小さくせざるを得ず、解析に要する時間が膨大となってしまう。このため、フルカーモデルの衝突シミュレーションでは、上述した３種類の方法が主に用いられている。

また、例えば、特許文献１には、材料強度、板厚、スポット溶接部のナゲット径、継ぎ手の板幅、引張試験の継ぎ手の回転角から、スポット溶接部の破断強度パラメータを算出し、この破断強度パラメータを、有限要素法によりスポット溶接周りの変形をモデル化した破断予測式に導入してスポット溶接部の破断を判定することにより、自動車の衝突変形時に部材のスポット溶接破断をコンピュータによる計算にて予測する方法が開示されている。
特開２００５−３２６４０１号公報

しかしながら、スポット溶接破断を含む有限要素法を用いた衝突シミュレーションにおいて、スポット溶接が破断するときの荷重として、ラボの実験にて測定された値をそのまま有限要素法を用いたフルカーモデルの衝突シミュレーションに適用した場合、スポット溶接が破断するときの変位として、実験にて測定された値よりも非常に早い段階、すなわち、小さな値でスポット溶接破断が発生する。

そして、有限要素法を用いたフルカーモデルの衝突シミュレーションにて、スポット溶接破断が実際よりも早く発生すると、スポット溶接破断したと予測される部分では、以降の有限要素法の計算が、荷重の伝達が行われなくものとして行われる。このため、スポット溶接破断したと予測される部分とは別の部分に大きな荷重がかかり、衝突シミュレーションの結果として得られる自動車などの変形のしかた大きく変わることから、フルカーモデルの衝突シミュレーションの精度が思うように向上しないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、スポット溶接破断時の変位が実験の結果と一致するようにした上で、スポット溶接破断を考慮しながら有限要素法を用いた衝突シミュレーションを行うことが可能な有限要素法を用いた衝突解析装置、衝突解析方法および衝突解析プログラムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。請求項１記載の有限要素法を用いた衝突解析装置は、スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算するスポット溶接解析手段と、実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対する変位を求め、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位と荷重との関係から、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位が前記実験にて測定された変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定するスポット溶接破断限界設定手段と、前記スポット溶接破断限界設定手段にて設定された前記スポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行う衝突解析手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の有限要素法を用いた衝突解析装置は、請求項１記載の有限要素法を用いた衝突解析装置において、前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定することを特徴とする。

また、請求項３記載の有限要素法を用いた衝突解析方法は、スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算する処理と、スポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位を実験にて測定する処理と、前記有限要素法にて計算された変位と荷重との関係から、前記有限要素法にて計算された変位が前記実験にて測定された変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定する処理と、前記設定されたスポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行う処理とを行うことを特徴とする。

また、請求項４記載の有限要素法を用いた衝突解析方法は、請求項３記載の有限要素法を用いた衝突解析方法において、前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記有限要素法にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定することを特徴とする。

また、請求項５記載の有限要素法を用いた衝突解析プログラムは、スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算するステップと、前記有限要素法にて計算された変位と荷重との関係から、前記有限要素法にて計算された変位が実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定するステップと、前記設定されたスポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行うステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

また、請求項６記載の有限要素法を用いた衝突解析プログラムは、請求項５記載の有限要素法を用いた衝突解析プログラムにおいて、前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記有限要素法にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定するステップを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、衝突シミュレーションにおけるスポット溶接破断時の変位が実験の結果と一致するようにした上で、スポット溶接部を含むスポット溶接構造体の衝突シミュレーションを行うことができるようになるため、衝突解析すなわち有限要素法を用いた衝突シミュレーションの結果として得られる自動車などの変形のしかたを、実際のものにより近いかたちで予測することが可能になることから、フルカーモデルなどの衝突シミュレーションの精度を向上させることができる。

以下、本発明の一つの実施の形態に係る衝突解析装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、治具を用いた実験でのスポット溶接破断時の荷重Ｐと変位Ｌとの関係を示す図、図１（ｂ）は、有限要素法を用いた衝突解析におけるスポット溶接破断時の荷重Ｆと変位Ｌとの関係を示す図である。
図１（ａ）において、治具を用いた実験では、スポット溶接部の荷重Ｐと変位Ｌとの関係Ｒ１は、荷重Ｐに伴って変位Ｌが増加し、スポット溶接破断時には、荷重Ｐ₀に対して変位がＬ₀となる。

一方、図１（ｂ）において、有限要素法を用いた衝突解析では、メッシュサイズにもよるが、スポット溶接部に力が集中するように計算される結果、実験よりもスポット溶接部に大きな力がはたらくように予測されるため、スポット溶接部の荷重Ｆと変位Ｌとの関係Ｒ２は、荷重Ｆに伴って変位Ｌが実験よりも急激に増加する。このため、有限要素法を用いた衝突解析によるスポット溶接破断において、実験によるスポット溶接破断時の荷重Ｐ _０ をそのまま適用すると、実験の結果得られるスポット溶接破断時の変位Ｌ_０よりも小さな値Ｌ_１となる。この結果、スポット溶接破断時の荷重として実験の結果得られる値Ｐ_０をそのままフルカーモデルの衝突シュミレーションに適用した場合、実験の結果得られるスポット溶接破断時の変位Ｌ_０よりも非常に早い段階、すなわち、小さな値でスポット溶接破断が発生する。

そこで、実験にて測定されたスポット溶接破断時の変位Ｌ₀に対応する荷重Ｐ_virtualを、図１（ｂ）の有限要素法にて計算されたスポット溶接部での変位Ｌと荷重Ｆとの関係Ｒ２から求める。そして、図１（ｂ）のスポット溶接部での変位Ｌと荷重Ｆとの関係Ｒ２から求めた荷重Ｐ_virtualをスポット溶接破断限界として設定し、このスポット溶接破断限界に基づいてスポット溶接破断を考慮しながら、自動車などのスポット溶接構造体の衝突解析を行う。
これにより、実験にて測定されたスポット溶接破断時の変位に、有限要素法にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定し、以降の有限要素解析を行うようにすることができる。

そうすれば、衝突シミュレーションにおけるスポット溶接破断時の変位Ｌ₀が実験の結果と一致するように荷重Ｐ_virtualを設定した上で、スポット溶接部を含む自動車などのスポット溶接構造体の衝突シミュレーションを精度よく行うことができるようになる。従って、スポット溶接が破断するときの荷重として、ラボの実験にて測定された値Ｐ₀をそのまま有限要素法を用いたフルカーモデルの衝突シミュレーションに適用する必要がなくなり、実験にて測定されたスポット溶接破断時の変位Ｌ₀よりも非常に早い段階、すなわち、小さな値で、スポット溶接破断が発生してしまうと予測するのを防止することができる。その結果、以降の有限要素法の計算が、荷重の伝達が行われなくなるものとして行われるのを防止することができ、衝突シミュレーションにて得られる自動車などの変形のしかたを、実際のものにより近いたかたちで予測することが可能になることから、フルカーモデルなどの衝突シミュレーションの精度を向上させることができる。

図２（ａ）は、本発明の一つの実施の形態に係るスポット溶接破断限界を求める方法を示すフローチャート、図２（ｂ）は、本発明の一つの実施の形態に係るスポット溶接破断限界が適用された有限要素法による衝突解析方法を示すフローチャートである。
図２（ａ）において、スポット溶接破断の実験および有限要素法を用いた衝突解析を行うためのスポット溶接条件を設定し（ステップＳ１）、スポット溶接破断を起こさせるための後出図３における引張方向傾斜角θを設定する（ステップＳ２）。なお、スポット溶接条件としては、材質、板厚、ナゲット径を設定することができる。
次に、ステップＳ１、Ｓ２で設定された条件に従ってスポット溶接破断の実験を実施し（ステップＳ３）、スポット溶接破断時の変位Ｌ₀および荷重Ｐ₀を求める（ステップＳ４）。

図３は、本発明の一つの実施の形態に係る引張方向傾斜角に対する軸方向加重Ｆａと剪断方向荷重Ｆｓとの関係を示す図である。
図３において、鋼板Ｇ１、Ｇ２はスポット溶接部ＳＰを介してスポット溶接されている。そして、鋼板Ｇ２を傾斜角θで引っ張り方向Ｆに荷重をかけることにより、スポット溶接部ＳＰには、軸方向加重Ｆａおよび剪断方向荷重Ｆｓがかかり、スポット溶接破断時の変位Ｌ₀および荷重Ｐ₀を実験にて求めることができる。なお、スポット溶接破断時の変位Ｌ₀および荷重Ｐ₀を実験にて求めるための治具としては、例えば、図４に示すような傾斜角θの異なる複数の傾斜十字引張試験装置を用いることができる。

図５は、本発明の一つの実施の形態に係る板厚に対する軸方向加重Ｆａと剪断方向荷重Ｆｓとの関係を示す図である。
図５において、引張方向Ｆの傾斜角θを傾斜角θ１、θ２、θ３と変えながら引張方向Ｆに荷重をかけることにより、スポット溶接破断時の変位Ｌ₀および荷重Ｐ₀を求めることができ、板厚に対する軸方向加重Ｆａと剪断方向荷重Ｆｓとの関係で規定されたスポット溶接破断限界線Ｌ１〜Ｌ４を実験にて求めることができる。

一方、図２（ａ）において、有限要素法を用いた衝突解析を行うための条件（ＦＥＭ解析条件）を設定する（ステップＳ５）。なお、有限要素法を用いた衝突解析を行うための条件としては、メッシュサイズ、スポット溶接タイプを設定することができる。
次に、ステップＳ５で設定された条件に従って、スポット溶接破断の実験と同じ条件に相当する有限要素法を用いた衝突解析（ＦＥＭ解析）を行い（ステップＳ６）、変位Ｌとスポット溶接部にかかる荷重Ｆとの関係を求める（ステップＳ７）。

次に、実験にて測定されたスポット溶接破断時の変位Ｌ₀に対応する荷重Ｐ_virtualを、有限要素法にて計算されたスポット溶接部での変位Ｌと荷重Ｆとの関係から求める（ステップＳ８）。
次に、有限要素法を用いた衝突解析によるスポット溶接部での変位Ｌと荷重Ｆとの関係から求めた荷重Ｐ_virtualを、破断条件ｉのときのスポット溶接破断限界力Ｆ_virtualとする（ステップＳ９）。

次に、スポット溶接破断限界力Ｆ_virtualと引張方向傾斜角θとから、軸方向分力Ｆａと剪断方向分力Ｆｓを決定する（ステップＳ１０）。
そして、ステップＳ２〜Ｓ１０までの処理を十分な境界条件数に達するまで行ったら（ステップＳ１１）、各傾斜角θの軸方向分力Ｆａと剪断方向分力Ｆｓとをつなぎ合わせることにより、図５に示すように、スポット溶接条件ｉかつ有限要素法を用いた衝突解析を行うための条件（ＦＥＭ解析条件）のときの仮想的なスポット溶接破断限界線ＬＶを設定する（ステップＳ１２）。

次に、図２（ｂ）において、各スポット溶接部において、ステップＳ１２で求めた仮想的なスポット溶接破断限界線ＬＶを設定する（ステップＳ２１）。なお、図５中に示したスポット溶接破断限界線ＬＶは、板厚が０．８ｍｍのものに対応する。
次に、ステップＳ２１で設定された仮想的なスポット溶接破断限界線ＬＶに基づいてスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた自動車などのスポット溶接構造体の衝突解析を行う（ステップＳ２２）。

なお、ステップＳ６、Ｓ２２の有限要素法を用いた衝突解析は、これらの処理を実行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータにて実行させることにより行うことができる。そして、このプログラムをＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶しておけば、コンピュータに記憶媒体を装着し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、ステップＳ６、Ｓ２２の有限要素法を用いた衝突解析を行うことができる。また、このプログラムを通信網を介してダウンロードすることにより、このプログラムを容易に普及させることができる。
また、ステップＳ６、Ｓ２２の有限要素法を用いた衝突解析を実行させる命令が記述されたプログラムをコンピュータにて実行させる場合、スタンドアロン型コンピュータで実行させるようにしてもよく、ネットワークに接続された複数のコンピュータにて分担して実行させるようにしてもよい。

図１（ａ）は、治具を用いた実験でのスポット溶接破断時の変位Ｌと荷重Ｆとの関係を示す図、図１（ｂ）は、有限要素法を用いた衝突解析でのスポット溶接破断時の変位Ｌと荷重Ｆとの関係を示す図である。 図２（ａ）は、本発明の一つの実施の形態に係るスポット溶接破断限界を求める方法を示すフローチャート、図２（ｂ）は、本発明の一つの実施の形態に係るスポット溶接破断限界が適用された有限要素法を用いた衝突解析方法を示すフローチャートである。 本発明の一つの実施の形態に係る引張方向傾斜角に対する軸方向加重Ｆａと剪断方向荷重Ｆｓとの関係を示す図である。 傾斜十字引張試験装置について説明するための図である。 本発明の一つの実施の形態に係る板厚に対する軸方向加重Ｆａと剪断方向荷重Ｆｓとの関係を示す図である。

符号の説明

Ｇ１、Ｇ２ 鋼板
ＳＰ スポット溶接部

Claims (6)

1. スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算するスポット溶接解析手段と、
   実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対する変位を求め、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位と荷重との関係から、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位が前記実験にて測定された変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定するスポット溶接破断限界設定手段と、
   前記スポット溶接破断限界設定手段にて設定された前記スポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行う衝突解析手段とを備えることを特徴とする有限要素法を用いた衝突解析装置。
2. 前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記スポット溶接解析手段にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定することを特徴とする請求項１記載の有限要素法を用いた衝突解析装置。
3. スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算する処理と、
   スポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位を実験にて測定する処理と、
   前記有限要素法にて計算された変位と荷重との関係から、前記有限要素法にて計算された変位が前記実験にて測定された変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定する処理と、
   前記設定されたスポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行う処理とを行うことを特徴とする有限要素法を用いた衝突解析方法。
4. 前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記有限要素法にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定することを特徴とする請求項３記載の有限要素法を用いた衝突解析方法。
5. スポット溶接部での変位と荷重との関係を有限要素法にて計算するステップと、
   前記有限要素法にて計算された変位と荷重との関係から、前記有限要素法にて計算された変位が実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位となるときの荷重を求め、当該荷重をスポット溶接破断限界として設定するステップと、
   前記設定されたスポット溶接破断限界に基づくスポット溶接破断を考慮しながら、有限要素法にてスポット溶接構造体の衝突解析を行うステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする有限要素法を用いた衝突解析プログラム。
6. 前記実験にて測定されたスポット溶接破断時の最大荷重に対応する変位に、前記有限要素法にて計算された変位が達したことを以って、スポット溶接破断すると判定するステップを備えたことを特徴とする請求項５記載の有限要素法を用いた衝突解析プログラム。

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