JP5462201B2 - 成形解析方法、成形解析装置、プログラム、及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、シェル要素を用い、プレス成形による板材の曲げ変形をコンピュータによって解析する技術に関するものである。

ポンチやダイス等の金型（工具）を用いて板材を塑性加工によって成形する技術としてプレス成形が存在する。このプレス成形は、種々の製品を製造するために用いられ、そのような製品の一例として自動車がある。この自動車の製造工程においては、車体のパネルやフレーム、ドアのパネル、サスペンションのアーム等、種々の部品を製造するためにプレス成形が行われる。

近年では、コンピュータを用いて、有限要素法による成形解析（成形シミュレーション）が主流になっており、特にシェル要素を用いた解析は、解析時間短縮の面で有効である。

ここで、金型にドロービードが存在する場合、シェル要素による解析上、ドロービード部分の形状を省略し、数値ドロービードによりドロービード張力を付与する等価ドロービードが設定される。これによれば、ドロービード部分の形状を再現する必要がないため、計算時間を短縮することができる。この方法については、例えば特開２００５−１９３２９２号公報（特許文献１）に記載されている。演算方法としては、静的陰解法、静的陽解法、及び動的陽解法がある。

特開２００５−１９３２９２号公報

しかしながら、上記のような従来の成形解析では、金型のダイ肩Ｒ部におけるＲ形状が正確に再現されておらず、その分、解析精度が低下していた。つまり、計算時間を短縮するためにメッシュを大きくとるため、ダイ肩Ｒ部の形状は、大まか（例えば、直角又は緩やかな曲線の両極端）に表される。換言すると、ダイ肩Ｒ部の形状は、メッシュが粗いため、そのままの曲率では表現できず、例えばＲ部を拡大して表している。

例えば、自動車の大物プレス部品を、一般に普及している性能のコンピュータを用いて数時間程度の実用的な計算時間で解析しようとする場合、３ｍｍ以上のメッシュを用いなければならないため、Ｒ１（曲率半径が１ｍｍ）やＲ２（曲率半径が２ｍｍ）のダイ肩Ｒ部形状は精度良く再現されない。これによれば、ダイ肩Ｒ部で生じる抵抗力は、解析上と実際上とで大きく異なる可能性があり、解析精度向上の面で問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ダイ肩Ｒ部に生じる抵抗力に着目し、解析時間の増加を抑えつつ、解析精度を向上させることができる成形解析方法及び成形解析装置を提供することを目的とする。

本発明は、プレス成形で用いる金型に存在するドロービードを解析上省略し、その代替としてドロービード位置で被加工材にドロービード張力を付与した等価ドロービードが設定された、コンピュータを用いたシェル要素による成形解析方法であって、実験又は計算に基づき予め求められた、前記金型のダイ肩Ｒ部における前記被加工材の通過抵抗力を記憶媒体に記憶する通過抵抗力記憶工程と、成形条件を設定する成形条件設定工程と、前記成形条件に基づいて成形解析演算する演算工程と、を備え、前記成形条件設定工程において、前記記憶媒体に記憶された前記通過抵抗力を前記成形条件に反映させ、前記通過抵抗力は、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、前記通過抵抗力を前記成形条件に反映しないで成形解析した場合に生じる前記ダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値であり、前記仮想通過抵抗力は、粗いメッシュで且つ拡大された前記ダイ肩Ｒ部に生じる抵抗力であることを特徴とする。

本方法によれば、解析上、ダイ肩Ｒ部の形状が大まかに表されていたとしても、実験又は計算に基づいて予め求められた通過抵抗力が解析結果に反映される。メッシュを細かくしていないため計算時間の増加はほぼない。しかも、通過抵抗力を反映するため被加工材の流入量計算を実際の流入量に近づけることができ、結果として成形解析精度は向上する。

また、前記通過抵抗力は、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、前記通過抵抗力を考慮しないで成形解析した場合に生じる前記ダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値である。これによれば、成形条件をより正確に修正することができる。

ここで、前記成形条件設定工程では、前記ドロービード張力に前記通過抵抗力を加えるようにしてもよい。これによれば、成形条件設定工程において、元々設定されていたドロービード張力を修正するだけでよく、ソフトウェア設計が容易となる。

一方、前記成形条件設定工程では、前記成形条件における前記ダイ肩Ｒ部位置に対して前記通過抵抗力を加えるようにしてもよい。換言すると、本方法では、通過抵抗力を、ドロービード張力同様、成形解析における演算処理の条件としてダイ肩Ｒ部位置に加える。これによれば、通過抵抗力を加える位置が実際に抵抗力が生じる位置と同等になり、より正確な解析が可能となる。

ここで、前記実測通過抵抗力は、前記ダイ肩Ｒ部に生じる摩擦力と、前記被加工材が前記ダイ肩Ｒ部を通過する際の曲げ−曲げ戻し変形で生じる応力との和であることが好ましい。これにより、実状に即した成形解析が可能となる。

また、本方法は、コンピュータを備える成形解析装置としても記載することができる。すなわち、本発明は、プレス成形で用いる金型に存在するドロービードを解析上省略し、その代替としてドロービード位置で被加工材にドロービード張力を付与した等価ドロービードが設定され、シェル要素により成形解析を行う、コンピュータを備えた成形解析装置であって、実験又は計算に基づき予め求められた、前記金型のダイ肩Ｒ部における前記被加工材の通過抵抗力を記憶する通過抵抗力記憶部と、前記通過抵抗力を反映した成形条件を記憶する成形条件記憶部と、前記成形条件に基づいて成形解析演算する演算部と、を備え、前記通過抵抗力は、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、前記通過抵抗力を前記成形条件に反映しないで成形解析した場合に生じる前記ダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値であり、前記仮想通過抵抗力は、粗いメッシュで且つ拡大された前記ダイ肩Ｒ部に生じる抵抗力であることを特徴とする。この構成によれば、本方法と同様の効果が発揮される。上記いずれの方法においても同様に装置として記載できる。

また、本発明は、上記方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラムとしても記載できる。この場合、前記通過抵抗力記憶工程では、ユーザーの操作に応じて、前記通過抵抗力を前記記憶媒体に記憶し、前記成形条件設定工程では、ユーザーの操作に応じて、成形条件を設定する。また、本発明は、このプログラムをコンピュータ読み取り可能に記録した記録媒体としても記載できる。

本発明によれば、解析時間の増加を抑えつつ、解析精度を向上させることができる。

プレス成形を説明するための模式図である。 予備実験を説明するための模式図である。 成形解析方法の処理フローを示す図である。 実施例で用いたプレス品を示す図である。 実施例の解析結果を示す図である。 成形解析装置１を示す模式構成図である。

次に、好ましい実施形態を挙げ、図１〜図６を参照して本発明をより詳しく説明する。

本実施形態の成形解析方法は、ＣＰＵや記憶媒体（メモリ、ハードディスク）等を備えたコンピュータ（成形解析装置）を用いて行うものであり、主に、通過抵抗力記憶工程と、成形条件設定工程と、演算工程と、を備えている。

まず、通過抵抗力記憶工程では、実験又は計算に基づき予め求められた、プレス成形における金型（ダイ）のダイ肩Ｒ部９における被加工材Ｗの通過抵抗力を、コンピュータのメモリ又はハードディスク等の記憶媒体に記憶する。通過抵抗力は、図１に示すように、プレス時に流入しようとする被加工材Ｗに対し、流入を阻止しようとする力（図１の矢印参照）である。ここでの通過抵抗力とは、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、通過抵抗力を考慮しないで成形解析した場合に生じるダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値である。

実測通過抵抗力は、被加工材の流入に対するダイ肩Ｒ部の摩擦力と、被加工材がダイ肩Ｒ部９を通過する際の曲げ−曲げ戻し変形で生じる応力との和である。仮想通過抵抗力は、従来の成形解析のように、通過抵抗力を反映させないで成形解析した場合のダイ肩Ｒ部９の抵抗力である。仮想通過抵抗力は、粗いメッシュで且つ拡大されたダイ肩Ｒ部９に生じる抵抗力、すなわち正確でない抵抗力の値である。メッシュを細かくすることで再現度が高まるが、計算時間が大きくなってしまう。

仮想通過抵抗力は設定（メッシュ粗さ等）に応じて計算過程で生じる値であるため、当該値を実測通過抵抗力から減算する（差分をとる）ことでより正確な値（通過抵抗力）となる。なお、金型及び被加工材Ｗの材料に応じた通過抵抗力のデータベースをコンピュータに記憶してもよい。実験・計算については後述する。

成形条件設定工程は、ユーザー操作により、成形解析演算の基準となる成形条件を設定するいわゆる前工程の１つである。成形条件設定工程では、ユーザーにより、例えば、摩擦係数、しわ押え力、工具移動速度、移動量、移動方向、各種変位拘束、及び数値ビード力（ドロービード張力）などの境界条件がコンピュータに設定される。また、成形条件設定工程では、例えば、被加工材の縦弾性係数、密度、降伏応力、引張強さ、及びｒ値（塑性ひずみ比、ランクフォード値）などの材料特性値も設定される。

なお、成形解析における他の前工程は、公知の方法と同様である。つまり、前工程は、成形条件設定工程のほかに、例えば、成形工具形状モデリング工程、工具メッシュデータ作成工程、被加工材メッシュデータ作成工程、及びブランクホールド工程などを含んでいる。成形工具形状モデリング工程は、製品形状に対し余肉、しわ押え面、ビードなどの成形に必要な形状を設計する工程である。工具メッシュデータ作成工程は、工具サーフェスデータから金型のメッシュデータを作成する工程である。被加工材メッシュデータ作成工程は、材料サイズ定義や材料メッシュデータを作成する工程である。ブランクホールド工程は、ブランクホルダで板材を挟んだ際の状態を解析する工程である。ブランクホールド工程の解析結果は、成形条件設定工程に反映される。このように、実際の演算処理（後処理）の前には、前処理工程として各種条件等の設定が行われる。

演算工程は、コンピュータが、成形条件に基づいて、公知の静的陰解法等により成形解析演算を行う工程である。これにより、プレス成形後の被加工材の形状や応力分布などがシミュレーションされる。

本実施形態では、演算工程において、通過抵抗力を考慮した成形解析演算が為される。具体的に、コンピュータは、演算工程の前に、メモリ等に記憶された通過抵抗力を成形条件に加える処理を行う（適用工程）。その後、コンピュータは、通過抵抗力が成形条件に反映された状態で、成形解析演算を実行する（演算工程）。なお、適用工程は、メモリ中からユーザーが通過抵抗力を選択して実行するものでもよい。また、順番として、前工程が為された後に、通過抵抗力をメモリ等に記憶し、通過抵抗力を成形条件に反映させてもよい。

ここで、通過抵抗力を求めるための実験（予備実験）の一例について説明する。まず、被加工材と同じ材料の板材を準備する。図２に示すように、板材Ｗ１の中央部分を、成形で用いる金型のダイ肩Ｒ部と同形状の金型９１を支点に曲げる。そして、板材Ｗ１の一方端部Ｙに一定荷重を与えた状態で、板材Ｗ１の他方端部Ｚを一定距離ストロークさせる（図２矢印参照）。その際、当該他方端部Ｚにかかる荷重を測定する。これにより、金型９１（ダイ肩Ｒ部９）に生じる摩擦力と、板材Ｗ１が金型９１（ダイ肩Ｒ部９）を通過する際の曲げ−曲げ戻し変形で生じる応力との和である実測通過抵抗力（実測した通過抵抗力）が得られる。予備実験において一方端部Ｙに与える一定荷重についてはいくつかの条件（荷重値）で行われ、コンピュータ演算時には、一方端部Ｙに相当する部分の荷重を参照して通過抵抗力が選択される。なお、コンピュータは、一方端部Ｙに相当する部分の荷重が実験条件同士間の荷重である場合は、内挿により通過抵抗力を決定する。

また、通過抵抗力を求めるための計算の一例は、ダイ肩Ｒ部９についての実験（図２の実験）を再現した成形解析演算（シミュレーション）によって求める方法である。例えば、ソリッド要素を用いて、ダイ肩Ｒ部９についてのみシミュレーションを行う。ユーザーは摩擦係数や板材の材料モデル（応力とひずみの関係）を特定し、コンピュータがソリッド要素で計算する。これによっても実測通過抵抗力を求めることができる。

ここで、処理フローについて簡単に説明する。図３に示すように、まず、予備実験又は計算により実測通過抵抗力を求める（Ｓ１０１）。続いて、通過抵抗力を加えない状態で成形解析した場合に生じる解析上の通過抵抗力（仮想通過抵抗力）を求め、実測通過抵抗力から仮想通過抵抗力を引き（減算し）、通過抵抗力を求める（Ｓ１０２）。

続いて、求めた通過抵抗力をコンピュータの記憶部（例えばメモリ）に記憶させる（Ｓ１０３）。続いて、前工程を行い、各種成形条件を設定する（Ｓ１０４）。続いて、設定した成形条件に対し、記憶部に記憶された通過抵抗力を反映させる（Ｓ１０５）。具体的に、ここでは、ドロービード張力に通過抵抗力を加算する。

続いて、通過抵抗力が反映された成形条件に基づき、コンピュータが動的陽解法を用いて成形解析演算を行う（Ｓ１０６）。演算終了後、ディスプレイ等の表示装置に解析結果を表示する（Ｓ１０７）。通過抵抗力は、同じ材料で成形解析する場合、新たに予備実験等をすることなく適用することができる。

（実施例）
ここで、本方法にて実際に成形解析した結果（本発明）と、通過抵抗力を考慮しない従来方法で成形解析した結果（従来）とを比較する。図４に示すようなプレス品に対して、フランジ部分の長さを比較することで、材料の流入量を比較する。本方法にあっては、Ｂ側（伸び側）のダイ肩Ｒ部がＲ１（曲率半径が１ｍｍ）でメッシュが１．５ｍｍであるため、Ｒ部形状をＲ３（曲率半径が３ｍｍ）に拡大している。そして、Ｒ１とＲ３の通過抵抗力の差をＢ側のドロービード張力に加算して成形解析した。

図５に示すように、本発明によれば、Ａ側（縮み側）の中央及び端において、従来よりも実際にプレス成形した実験値に近似した値が算出された。また、Ｂ側の中央及び端においても、従来よりも実験値に近似した値が算出された。今回の解析において、本発明はＢ側に通過抵抗力を適用しており、Ｂ側の精度が従来よりも遥かに向上している。Ｂ側の精度が向上することで、Ａ側の精度も向上し、全体として解析精度が向上した。

このように、本実施形態によれば、メッシュ粗さを細かくせずとも解析精度を向上させることができる。つまり、本実施形態によれば、解析時間の増加を抑えつつ、解析精度を向上させることができる。

なお、上記実施例では、ドロービード張力に通過抵抗力を加えていたが、ダイ肩Ｒ部９位置に加えるように設計してもよい。この方法は、例えば、等価ドロービード設定においてビード位置にドロービード張力を加えるように、ダイ肩Ｒ部９位置に通過抵抗力を加える設定を行うことで実現することができる。これによれば、実際に抵抗力が生じるダイ肩Ｒ部９位置に対して通過抵抗力が設定されるため、より高精度な成形解析が可能となる。この方法は、例えば、ビード部８とダイ肩Ｒ部９の位置が大きく離れている場合に特に有効である。

また、本実施形態は、図６に示すように、コンピュータを備えた成形解析装置１を用いて実行している。成形解析装置１は、主に、データ等を記憶する記憶部２と、演算処理を実行する演算部３と、を備えている。記憶部２は、メモリ又はハードディスク等の記憶媒体であって、通過抵抗力、成形条件、及びプログラム等を記憶している。ユーザーの選択又は演算部３のプログラム処理により、通過抵抗力は成形条件に組み込まれる。

演算部３は、ＣＰＵ等であり、解析プログラムにそって演算処理を実行する。具体的に、演算部３は、記憶部２に記憶され且つ通過抵抗力が反映された成形条件に基づき、解析プログラムに従って成形解析演算をする。これにより、本方法が実行され、上記効果が発揮される。本発明の方法は、それを実施するために各工程が規定されたプログラムにより、コンピュータにより実行できる。このプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶されていてもよい。なお、本実施形態では、成形解析装置１は、ディスプレイ等の表示装置４と、キーボード等の入力装置５と、をさらに備えている。また、通過抵抗力やプログラム等は、それぞれＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体（記憶部２に相当する）に記憶されていてもよい。通過抵抗力と成形条件とは別々の記憶媒体に保存されていてもよい。

１：成形解析装置、 ２：記憶部、 ３：演算部、
８：ビード部、 ９：ダイ肩Ｒ部、 Ｗ：被加工材

Claims (7)

1. プレス成形で用いる金型に存在するドロービードを解析上省略し、その代替としてドロービード位置で被加工材にドロービード張力を付与した等価ドロービードが設定された、コンピュータを用いたシェル要素による成形解析方法であって、
   実験又は計算に基づき予め求められた、前記金型のダイ肩Ｒ部における前記被加工材の通過抵抗力を記憶媒体に記憶する通過抵抗力記憶工程と、
   成形条件を設定する成形条件設定工程と、
   前記成形条件に基づいて成形解析演算する演算工程と、
   を備え、
   前記成形条件設定工程において、前記記憶媒体に記憶された前記通過抵抗力を前記成形条件に反映させ、
   前記通過抵抗力は、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、前記通過抵抗力を前記成形条件に反映しないで成形解析した場合に生じる前記ダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値であり、
   前記仮想通過抵抗力は、粗いメッシュで且つ拡大された前記ダイ肩Ｒ部に生じる抵抗力であることを特徴とする成形解析方法。
2. 前記成形条件設定工程では、前記ドロービード張力に前記通過抵抗力を加える請求項１に記載の成形解析方法。
3. 前記成形条件設定工程では、前記成形条件における前記ダイ肩Ｒ部位置に対して前記通過抵抗力を加える請求項１に記載の成形解析方法。
4. 前記実測通過抵抗力は、前記ダイ肩Ｒ部に生じる摩擦力と、前記被加工材が前記ダイ肩Ｒ部を通過する際の曲げ−曲げ戻し変形で生じる応力との和である請求項１〜３の何れか一項に記載の成形解析方法。
5. プレス成形で用いる金型に存在するドロービードを解析上省略し、その代替としてドロービード位置で被加工材にドロービード張力を付与した等価ドロービードが設定され、シェル要素により成形解析を行う、コンピュータを備えた成形解析装置であって、
   実験又は計算に基づき予め求められた、前記金型のダイ肩Ｒ部における前記被加工材の通過抵抗力を記憶する通過抵抗力記憶部と、
   前記通過抵抗力を反映した成形条件を記憶する成形条件記憶部と、
   前記成形条件に基づいて成形解析演算する演算部と、
   を備え、
   前記通過抵抗力は、実験又は計算により求められた実測通過抵抗力から、前記通過抵抗力を前記成形条件に反映しないで成形解析した場合に生じる前記ダイ肩Ｒ部における仮想通過抵抗力を減算した値であり、
   前記仮想通過抵抗力は、粗いメッシュで且つ拡大された前記ダイ肩Ｒ部に生じる抵抗力であることを特徴とする成形解析装置。
6. 請求項１〜４の何れか一項に記載の方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラムであって、
   前記通過抵抗力記憶工程では、ユーザーの操作に応じて、前記通過抵抗力を前記記憶媒体に記憶し、
   前記成形条件設定工程では、ユーザーの操作に応じて、前記成形条件を設定することを特徴とするプログラム。
7. 請求項６に記載のプログラムをコンピュータ読み取り可能に記録した記録媒体。