JP5240148B2

JP5240148B2 - 衝突性能評価装置および方法、プログラム、記憶媒体

Info

Publication number: JP5240148B2
Application number: JP2009223249A
Authority: JP
Inventors: 智史広瀬
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011067862A

Description

本発明は、板材をプレスにより成形する際の材料に生じる状態変化量により衝突解析をせずに衝突性能計算する装置、プレス成形シミュレーションプログラム、及びそのプログラムを記録した記憶媒体に関する。

構造体の衝突性能は、その構造体を構成する複数の部材ごとの衝突性能に依存する。構造体の衝突性能は実験、または有限要素法（ＦＥＭ）を用いた衝突シミュレーションにより評価される。評価された衝突性能を向上させるためしばしば部材の形状変更がなされる。また個々の部材の多くは板材をプレス等により成形し構造体に組み込まれる。板材の成形の難易（成形性）はコンピュータによる成形シミュレーションにより評価され、成形の難度によってはしばしば形状変更が行われる。したがって、衝突性能と成形性は別々に評価され、それぞれの因子により形状変更が必要となるため、両性能の両立のためには長期的な検討期間を要する。さらに衝突性能評価において、プレス成形により生ずる板厚やひずみ等の状態変化量を考慮することが衝突性能の高精度評価には重要であるため、少ない開発期間で高い衝突性能を有する構造体を生み出すためには、成形シミュレーションのみで衝突性能をある程度評価することが望まれる。なお、衝突性能は一般的に衝突による変形で生じた状態変化量から導かれる衝撃吸収エネルギー量により評価される。

成形シミュレーションに用いられる数値解析手法として、求解アルゴリズムの相異により増分的手法と逆解析的手法に区別される。成形シミュレーションを例にとると、増分的手法は板材を徐々にプレスし最終形状時の材料内部の状態変化量を導く手法であり、逆解析的手法は板材を徐々にプレスすることはせず、最終形状（製品形状）の状態から材料内部の状態変化量を導く手法である。

衝突性能の高精度評価手法として、成形シミュレーションで算出された板厚やひずみ等の状態変化量を衝突シミュレーション時に考慮する方法がある。その例が特許文献１に開示されている。

特開２００６−１１９４９５号公報

この方法は、コンピュータ上で成形性と衝突性能を同時に考慮可能でかつ高精度に衝突性能を評価できる点で有効である。しかし、衝突性能を評価するために用いられる衝突シミュレーションは、解析上の拘束や接触判定等の境界条件の設定に非常に手間を要し、さらに極めて小さい時間増分を設定しなければならない増分的手法であるため、衝突性能評価のために極めて多くの時間を要する。しかも評価される衝突性能は境界条件に大きく依存するため、衝突性能に関する体系的な評価が難しい。

本発明の目的は、多くの時間を要する衝突シミュレーションをせずに、成形シミュレーションのみ実施することで体系的に衝突性能を評価する数値計算装置、計算方法、プログラム、及びそのプログラムを記録した記憶媒体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは、特許請求の範囲に記載した簡易衝突性能評価式を考案した。本発明者らは成形シミュレーションで生じる板厚やひずみ等の状態変化量を考慮した衝突シミュレーションを形状や板厚の異なる複数の部材で実施し、衝突性能、すなわち衝撃吸収エネルギー量を調査した結果、本発明者らが考案した簡易衝突性能評価式と調査結果の傾向が同様であることを見出した。

即ち、上記課題を解決する本発明の要旨は以下の通りである。
（１）板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算手段と、
該状態変化量計算手段で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算手段と、
該平均値計算手段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、式（I）〜（III）により、

単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算手段を有することを特徴とする衝突性能評価装置。
（２）板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算工程と、
該状態変化量計算工程で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算工程と、
該平均値計算工程段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、上記式（I）〜（III）により、単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算工程を有することを特徴とする衝突性能評価方法。
（３）板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算工程と、
該状態変化量計算工程で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算工程と、
該平均値計算工程段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、式（I）〜（III）により、単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算工程と、をコンピューターに実行させることを特徴とする衝突性能評価プログラム。
（４）（３）に記載のプログラムを記録したコンピューターによる読み取り可能な記憶媒体。

本発明によれば、多くの時間を要する衝突シミュレーションをせずに、成形シミュレーションのみ実施することで体系的に衝突性能を評価する数値計算装置、計算方法、プログラム、及びそのプログラムを記録した記憶媒体を得ることができる。

本発明の一実施形態の衝突性能評価装置の構成を示すブロック図である。入力データ記録装置に記録されているデータの説明図である。解析モデルデータの説明図である。出力データの一例を示した図である。本発明装置の入力手段の説明図である。節点座標データの説明図である。稜線部および稜線に隣接する要素の位置の説明図である。本発明装置のデータ出力手段の説明図である。プログラム記録装置に記録されているプログラムの説明図である。本発明の一実施形態である衝突性能評価方法のフローを示す図である。要素構成データの説明図である。拘束条件データの説明図である。材料特性データの説明図である。実施例の説明図であり対象部材の寸法を示す平面図である。実施例で算出した衝撃吸収エネルギー量の比較図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態である衝突性能評価装置を示す図である。衝突性能評価装置１０は、プログラム記録装置１２、入力データ記録装置１３、出力データ記録装置１４を含み、中央処理装置１１により板材のプレス成形での材料内部に生じる状態変化量が算出される。

図２は、入力データ記録装置に記録されるデータを示す図である。図２に示すように、入力データ記録装置１３には、節点座標データ、要素構成データ、境界条件データを含む解析モデルデータ、及び力学的な材料挙動を指定する材料特性データ等の解析を進める上で必要なデータが記録されている。

図３は、解析モデルデータの説明図であり、有限要素法を適用するため分割された解析対象モデル上の４要素分だけ切り出したものである。括弧囲いの数字は要素番号、数字は節点番号である。

節点データは、節点位置を示すものであり、３次元であるならば１つの節点は３つの座標値を有する。要素構成データは、要素番号とその要素が有する節点番号を示したものである。例えば図３中の（１）の要素は１番、２番、５番、６番節点を有するというデータが記述されている。

境界条件データとは節点の強制変位量あるいは速度を規定するものであり、例えば図３中の要素（１）が全方向に動かない等のデータが記述されている。

材料特性データは材料挙動を示すものであり、例えば、構成方程式中の材料定数データが記述されている。

図４は、出力データ記録装置に記録されるデータを示す図である。出力データ記録装置１４には、中央処理装置１１で算出された解析結果が記録されており、例えば図４に示すように各節点、各要素、積分点での各応力成分値、各ひずみ成分値等が記録されている。解析結果を参照したい場合、出力データ記録装置１４のデータが参照される。要素及び積分点についての詳細は、例えば文献（「マトリックス有限要素法」R.L.テイラー他、（1996））に詳述されている。

図５は、入力データ記録装置にデータを入力する手段を説明する図である。入力データ記録装置１３上の解析対象モデルの形状データ（節点座標データ、節点データともいう）、解析制御パラメータ、境界条件データ、要素構成データ、材料特性データ等の解析に必要なパラメータは、例えば、外部の記録媒体２１に記憶されている磁気ヘッド、レーザ等により、１つもしくは複数のファイルから読み取られ、入力データ記録装置１３へ記憶する。キーボードを用いて必要なパラメータを直接入力データ記録装置１３へ記憶させてもよい。

図６は、節点座標データの入力を説明する図である。例えば図６のような節点座標データが入力データ記録装置１３上にある場合、上から順に記憶し、ある変数値に代入していく。（節点番号iに対応する節点のｘ座標値、ｙ座標値、ｚ座標値は、xcord(i),ycord(i),zcord(i)等々）
必要なデータが入力データ記録装置に入力されると、まず状態変化量計算手段により、板材をプレスにより成形する際の材料に生じる状態変化量が計算される。本明細書で、状態変化量とは、荷重、モーメント、反力、変位、回転角、応力、ひずみ、板厚、剛性の一つ以上を言う。その計算アルゴリズムは、公知の静的陰解法、動的陽解法、静的陽解法、ワンステップ法などを用いることができる。

静的陰解法、動的陽解法については、「塑性の有限要素法」D. R. J. Owen他（1980）に記載され、静的陽解法については、「静的解法ＦＥＭ−板成形」牧野内昭武他（2004）に記載されている。

また、ワンステップ法については、「Int. J. Numerical Methods in Engineering」Vol.30, 1385-1401 (1990) に記載されている。

次に平均値計算手段により、板材のプレス成形により生じた稜線部の状態変化量の平均値が算出される。具体的には前記状態変化量計算手段により算出された稜線部にかかる各節点、または各要素、または各積分点での状態変化量の平均値を算出する。

図７は、稜線部を説明する図である。図７のように、四隅の曲率半径が０である矩形断面を有する薄肉中空柱状部材の場合、太い実線が稜線、細い実線が要素の外形線を示す。稜線上の各節点での状態変化量の平均値、または図７の網掛け部の各要素での状態変化量の平均値、または図中の網掛け部の各要素中の積分点での状態変化量の平均値が算出される。したがって、稜線部とは、稜線と稜線に隣接する要素を含む。稜線とは、図７のようにプレス成形により生じた折れ曲がり部のことであり、座屈安定性の観点から外部荷重に対する反力の主だった発生箇所にあたることが知られている（「Theory of Elastic Stability」Stephen P. Timoshenko et al, (1961)参照）。

すなわち、稜線部での状態変化量の平均値は、衝突等の外部荷重に対する反力の大きさを規定する代表値となる。

次に衝突性能評価手段により、上記平均値計算手段で計算された状態変化量平均値から式（I）〜（III）により衝撃吸収エネルギーを算出する。

Ａは状態変化量計算手段と平均値計算手段で計算された状態変化量平均値から計算される応力値、Ｂは状態変化量計算手段と平均値計算手段で計算された板厚値、Ｅは単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーに相当する。

本発明者らは成形シミュレーションで生じる板厚やひずみ等の状態変化量を考慮した衝突シミュレーションを形状や板厚の異なる複数の部材で実施し、衝突性能、すなわち衝撃吸収エネルギー量を調査した結果、稜線部の状態変化量の平均値を基に本発明者が考案した簡易衝突性能評価式（I）〜（III）で衝突解析をせずに算出したものと、衝突解析を実施して具体的に算出したものが同様の傾向を示すことを見出した。

式（I）は平均値計算手段で算出される応力値、またはひずみから導出される弾性限界応力値であり、式（II）はプレス成形により減厚した板厚値の平均値であることから、式（III）は対象の成形部材の衝突等の外部荷重に対する平均的な反力に相当する。衝撃吸収エネルギー量は反力と変形量により算出されるため、平均反力の大きさを部材ごとに評価することで部材単体の有する衝突性能が式（III）により評価されることに相当する。

複数の部材を組み合わせた構造体の衝突では、各部材への外部荷重方向は非常に複雑であり、上記で評価された衝撃吸収エネルギー量は直ちに構造体の衝突性能を示すものではない。しかし、構造体の衝突性能は、構造体を構成する複数の部材ごとの衝突性能に依存することから、プレス成形解析から直ちに衝突性能の目安を得ることは、衝突性能と成形性を同時に考慮できる点で非常に有効である。

図８は、本発明によるデータ出力を説明する図である。図８に示すように、解析依頼者もしくは解析実行者が求めたい状態変化量が出力データ記録装置１４上のファイル２５もしくは画面２６上に出力される。例えば図４のように積分点番号、節点番号、要素番号順にｘ、ｙ、ｚ方向の応力とひずみの値を出力していく。

図９は、プログラム記録装置に格納されているプログラムを説明する図である。プログラム記録装置１２に、記録されているプログラムのうち、解析モデル入力プログラム、材料特性入力プログラム、基礎データ作成プログラム、状態変化量計算プログラムは、状態変化量を計算する工程で用いられる。平均値計算プログラム、衝突性能計算プログラムは、それぞれ平均値を計算する工程、衝突性能を計算する工程に用いられる。

プログラム記録装置１２に記録されているプログラムは、中央処理装置のメインメモリに読み込まれて、中央処理装置に所定の手順を実行させる。

図１０は、本発明の一実施形態である衝突性能評価方法のフローを示す図である。

解析モデルデータ入力工程Ｐ１１及び材料特性データ入力工程Ｐ１２で、図２に示す入力データ記録装置に記録された解析モデルデータ及び材料特性データ等の解析を進める上で必要なデータを読み込む。解析モデルデータ内の節点座標データは節点番号と節点位置を対応させるためのデータであり、例えば図６で示すように節点番号とデカルト座標系に従った節点の位置情報が記録されている。

図１１は、要素構成データの一例を示す図である。要素構成データは、解析モデルを形作る複数の要素とその要素の有する複数の節点の情報を対応させるためのデータであり、例えば図１１で示すように、要素番号とその要素が有する４つの節点番号の情報が記録されている。図１１中で示した要素番号１の要素の情報は、図３で示した要素（１）についての情報に対応している。

図１２は、境界条件データの一例を示す図である。

境界条件データは、特定の節点に対し変位量または速度を規定するためのデータであり、例えば図１２で示すように、節点番号、規定したい方向の制御パラメーター、及び変位量または速度の情報が記録されている。図１２中で示した節点番号１の節点の情報は、図３で示した節点１を完全に固定したい場合の情報に対応している。

図１３は、材料特性データの一例を示す図である。

材料特性データは材料の力学的特性を表現するためのデータであり、構成方程式を利用する場合は材料定数値、実験データそのものを利用する場合は実験結果値の情報が記録されている。例えば図１３のように材料番号、ヤング率、ポアソン比、ｎ乗則（σ＝Ｋ×ε^Ｎ）に従うとした場合のＫ値、Ｎ値といった材料定数が記録されている。ここで、σ、εはともに材料内部の状態変化量である。なお、図１３のデータは、材料番号１のヤング率が206000[MPa]、ポアソン比が0.3333、Ｋ値が800[MPa]、Ｎ値が0.2であることを示している。

次に、節点座標データと要素構成データに基づいて、基礎データ作成工程Ｐ１３の基礎データ作成プログラムにより解析上必要となる解析用基礎データが作成される。例えば、任意の節点や要素の法線方向ベクトルはプレス成形解析上板厚の影響を考慮するために必要であることから本工程Ｐ１３により作成される。

次に、状態変化量計算工程Ｐ１４で、静的陰解法、動的陽解法、静的陽解法、ワンステップ法の内の１つ、もしくは複数のアルゴリズムに従い板材のプレス成形時の状態変化量が算出される。

次に、平均値計算工程Ｐ１５で、板材のプレス成形により生じた稜線部の状態変化量の平均値が算出される。具体的には前記状態変化量計算手段により算出された稜線部にかかる各節点、または各要素、または各積分点での状態変化量の平均値が算出される。

次に、衝突性能計算工程Ｐ１６で、平均値計算工程Ｐ１５で算出された稜線部の状態変化量の平均値を基に式（１）〜（３）により単位面積あたりの衝撃吸収エネルギー量が算出される。

次に出力工程Ｐ１７で、図４に示すような各節点、各要素、積分点での各応力成分値、各ひずみ成分値等の材料内部の状態変化量が出力される。なお、図４中のｘ方向の応力又はひずみとはｙｚ面からｘ方向に発生する応力またはひずみを指す。ｙ方向、ｚ方向も同様である。また、図４中の出力例はｘ方向応力についての出力であり、１番の積分点で１００MPa、節点１で１００MPa、要素１で１００MPaが発生していることが確認できる。

また、衝突性能評価用プログラムは、ＣＤ、ＤＶＤ、フロッピー（登録商標）ディスク、ＭＯディスク、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、メモリーカード等の記録媒体に記憶しておくことができる。

本発明者らは、成形解析、衝突解析、本発明の簡易衝突性能式を用いて衝突性能を評価した。対象部材の寸法を図１４に示す。成形解析は、ワンステップ法を採用した。仮想ビード力を複数変更した成形解析により成形時に発生する状態変化量を変化させ、成形の衝突性能に関する影響を調査した。仮想ビード力が大きいほど成形解析時に生じる状態変化量の変動が大きくなる。衝突性能は２つの方法により評価した。ひとつは、成形解析で算出された状態変化量中、板厚とひずみを衝突解析モデルにマッピング（ＭＰ）し衝突解析実施により評価する方法。具体的には７２０ｋｇの落錘を５ｍ／ｓの速度で部材の軸方向に衝突させ衝撃吸収エネルギー量を求めた。もうひとつは成形解析で算出された状態変化量中、板厚とひずみの稜線部での平均値を発明（１）の式（I）〜（III）に当てはめることにより算出した。なお、ひずみ ε はSwift式（下式（IV））により応力に換算した。

σ = K ( ε₀ + ε ) ⁿ （IV）
想定材料は、JSC590Y相当鋼（K=1000 MPa, ε₀ = 0.0015, n = 0.20）とした。また比較のため、成形の影響を考慮せず（ＭＰなし）、衝突解析および式（I）〜（III）により衝撃吸収エネルギー量を求めた。

図１５に衝撃吸収エネルギー量を比較したものを示す。衝撃吸収エネルギー量は式（I）〜（III）で算出した単位面積あたりの衝撃吸収エネルギーに部材長さを乗じることにより求めた。

図１５の点線および実線は、成形の影響を考慮せずに（ＭＰなし）衝突解析および式（I）〜（III）により算出した衝撃吸収エネルギーであり、成形の影響を考慮していないため、仮想ビード力の影響は当然受けていない。また○印および△印は、成形の影響を考慮して（ＭＰあり）衝突解析および式（I）〜（III）により算出した衝撃吸収エネルギーである。衝撃吸収エネルギー量の絶対値は一致していないが、傾向は一致しており、多くの手間・時間・コストを要する衝突解析をしなくとも、成形による衝突性能の変化を確認することができた。

成形条件を変更した場合の衝突性能の変化、または部材形状を変更した場合の衝突性能の変化を多くの手間と時間・コストを要する衝突解析をしなくとも簡易的に評価できるため、衝突性能のより優れた構造体の開発と、開発期間・コストの削減への貢献が期待される。

１０衝突性能評価装置
１１中央処理装置
１２プログラム記録装置
１３入力データ処理装置
１４出力データ記録装置

Claims

板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算手段と、
該状態変化量計算手段で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算手段と、
該平均値計算手段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、式（I）〜（III）により、

単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算手段を有することを特徴とする衝突性能評価装置。
板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算工程と、
該状態変化量計算工程で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算工程と、
該平均値計算工程段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、式（I）〜（III）により、

単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算工程を有することを特徴とする衝突性能評価方法。
板材のプレス成形品の解析対象モデルを所定の形状に展開する際の各点の変位量および応力・ひずみ・板厚を含む状態変化量を計算する状態変化量計算工程と、
該状態変化量計算工程で計算された状態変化量から該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値を算出する平均値計算工程と、
該平均値計算工程段で計算された該プレス成形品の稜線部の状態変化量平均値から応力値σ、板厚値ｔを求め、式（I）〜（III）により、

単位面積当たりの衝撃吸収エネルギーＥを算出する衝突性能計算工程と、をコンピューターに実行させることを特徴とする衝突性能評価プログラム。
請求項３に記載のプログラムを記録したコンピューターによる読み取り可能な記憶媒体。