JP5919782B2 - 耐デント性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドアパネル、ルーフパネルなどの自動車外板パネルその他のパネルの耐デント性を評価する方法に関する。特に、本発明は、キャラクターラインなどの急峻なパネル面曲率変化の生じる領域における耐デント性を、設計の段階で予め評価可能な技術に関する。

近年、自動車など車両の軽量化を実現するため、ドアやフードなど自動車アウター部品においても薄肉軽量化のニーズが高まっている。しかしながら、パネル部品の薄肉化は、耐デント性や張り剛性の低下を招き、人が触れたときの剛性感や、物が当たったときのくぼみ難さに不利な影響がある。そのため、自動車メーカーにとってパネル板の張り剛性や耐デント性の確保と、部品軽量化との両立が大きな課題となっている。

前記張り剛性は弾性変形挙動に影響されるため、外板のハイテン化（材料強度上昇）では解決しない。そのため近年は、パネル内部に設ける補強部品の変更など、部品全体での対策が主となりつつある。一方、耐デント性は塑性変形のしにくさに影響されるため、基本的にはハイテン化（降伏強度の上昇）による対策がなされる。具体的には、従来、軟鋼板が使用されていた部位に、引張強度ＴＳ３４０ＭＰａ級のハイテンおよび焼付け硬化性を持つＢＨ鋼板を適用する対策がなされている。

しかし、今後さらなる軽量化が要求される場合、張り剛性に関しては、部品内部構造対策のみでは限界があるため、外板にキャラクターライン（一般にパネル面曲率よりも小さい曲率半径を頂点に持ち、且つ車両前後方向に延びる線状の模様）を付与するなどの意匠面の対策が考えられている。ただし、キャラクターラインを設けた部分については、張り剛性は向上するものの、高い荷重を負荷した場合に、「ペコつき」と呼ばれる顕著な飛び移り現象が発生する場合がある。その飛び移り現象が発生する際または発生する前に、山型のキャラクターラインが塑性変形する（潰れる）ため、キャラクターライン自体が変形（デント発生）し、外観品質を損なう問題も生じる。

このような現象は、キャラクターラインのような面形状急峻部位が無い一般曲面では起こらず、山型形状のキャラクターライン部などの曲率が急峻する部位における、特有の顕著な飛び移り現象である。そして、この特有の顕著な飛び移り現象およびその前段階で発生するデント凹みを図面設計段階で予測できれば、新車開発におけるトライアンドエラーに要する工数を削減することが可能である。

自動車外板部品の耐デント性予測および評価方法としては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載の方法がある。
特許文献１においては、プレス成形による板厚減少、加工硬化等材料因子の影響を考慮した耐デント性評価方法について記載されている。
また特許文献２には、部品の荷重点を中心に拡大するたわみ面積と部品の曲率、板厚、材質からたわみ量を算出する方法が開示されている。

特開２０００−２４９６３６号公報 特開２００７−３３０６７号公報

しかし、特許文献１では、適切な材料を選択することが目的であるため、最終とする実部品形状での張り剛性、耐デント性を含めた検討までには至っていない。また特許文献２の技術では、除荷後に永久変形として生じるデント凹みを予測することは出来ない。
また、キャラクターラインのように急峻に曲率が変化する部位では、たわみが非対称形状に成長し、飛び移りとともに急激なたわみ拡大が起きるため、前記従来技術では、急峻に曲率が変化する部位において、初期の部品形状からデントを予測することは困難と考えられる。

ここでキャラクターライン部における耐デント性を事前に予測出来ない場合には、完成車体になった段階で、飛び移り現象に起因するデント発生が明らかになる場合も想定される。その場合、対策として、車体デザインに関与するキャラクターラインを変更することは困難であるため、材料、板厚を変更したり、内部の補強部品、熱硬化型樹脂シートを追加したりなど、工数や材料費の増加および十分な軽量化が達成できないなどデメリットが発生することが考えられる。
本発明は、前記のような点に着目したもので、キャラクターラインなどの急峻に曲率が変化する部位での耐デント性の予測を可能とすることを目的としている。

前記課題を解決するために、本発明のうちの請求項１に記載した発明は、曲率が急峻に変化する面形状急峻部位を有するパネル板における、前記面形状急峻部位の耐デント性の評価方法であって、
前記パネル板のパネル形状条件、前記パネル板に適用する材料条件を用いて、有限要素解析シミュレーションを行なうことにより、前記面形状急峻部位における板表面で塑性ひずみが発生する負荷荷重を求め、当該負荷荷重に基づいて、当該面形状急峻部位での耐デント性を評価し、
前記負荷荷重は、前記面形状急峻部位に対し、曲率が凸となる側の面から板厚方向に荷重を負荷したときの、荷重負荷側の面での負荷荷重であることを特徴とする。
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、前記面形状急峻部位における曲率が凸となる側の板表面で塑性ひずみが発生する負荷荷重に基づき、当該面形状急峻部位でのデント発生時点の負荷荷重を算出することを特徴とする。

本発明によれば、キャラクターライン部等、急峻な面曲率変化部（面形状急峻部位）を含むパネル部品において、急峻な面曲率変化部でのデント発生を正確に評価することが可能となる。
特に、板表面の塑性ひずみが発生する負荷荷重は、シミュレーション解析によって求めることが可能であるので、パネル形状の設計段階でデントが発生する荷重を予測することが可能となる。
すなわち、図面設計の段階で耐デント性を評価出来るので、例えば新車開発におけるトライアンドエラーを低減させることが可能となる。

曲率が急峻に変化していない部位でのデント発生を説明する断面模式図である。 面形状急峻部位でのデント発生を説明する断面模式図である。 シミュレーション解析での解析モデルを説明する図である。 実験に使用する板及びその拘束を説明する図である。 塑性ひずみ量と負荷荷重との関係を示す図である。 荷重−変位の関係を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る処理フローを説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係るＦＥＭ解析モデルを説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る材料の真応力−真ひずみデータを説明する図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明に基づくデント予測方法の妥当性について説明する。
図１は、自動車用外板部品のアウターパネルにおける曲率が急峻に変化していない非急峻部位（面形状急峻部位以外の位置）でのデント発生を説明する断面模式図である。図２は、自動車用外板部品のアウターパネルにおける面形状急峻部位２でのデント発生を説明する断面模式図である。

図１のように曲率が急峻に変化する面形状急峻部位とは別の部位である非急峻部位を対象として、パネル１の凸側の面から板厚方向に、圧子によって、当該パネル１に塑性変形が発生するまで荷重を負荷した場合、パネル１のオモテ面１ａ（曲率の凸側の面、図１では上側）には圧縮ひずみが発生すると共に、ウラ面１ｂ（曲率が凹側の面、図１では下側）には引張ひずみが発生する。アウターパネル形状が基本とする全体のプロフィールの曲率半径は、通常５００〜１００００ｍｍ程度の範囲に設計されているなど比較的緩い場合が多い。また、外板に使用される鋼板の板厚は０．６〜０．８ｍｍと比較的薄い。このために、板厚方向に荷重を負荷した場合、パネル１のオモテ面１ａとウラ面１ｂと間のひずみ量差は小さいことから、板厚方向中心位置または板厚平均のひずみ量で耐デント性を評価しても問題は無い。

一方、曲率が急峻に変化する面形状急峻部位２となるキャラクターライン部に対し、図２に示すように、キャラクターラインの凸部側のオモテ面１ａ（図２では上面）から、図１と同様に、圧子によって、キャラクターラインを中心に荷重を負荷した場合、上述の非急峻部位と同様に、オモテ面１ａに圧縮ひずみが、ウラ面１ｂには引張ひずみが発生する。

しかし、図１のような非急峻部位と比較し、面形状急峻部位２でのデント発生は、一種の曲げ戻し変形に近い状態と考えられるため、デント（永久凹み）が発生するだけの荷重を負荷した場合、パネル１のオモテ面１ａに発生するひずみ量とウラ面１ｂに発生するひずみ量との差であるひずみ量差は大きいと考えられる。このため、面形状急峻部位２におけるデント量は、オモテ面１ａの圧縮ひずみ量およびウラ面１ｂの引張ひずみ量に応じて変化すると思われるため、板厚中心または板厚平均のひずみ量で評価すると、実際のデント生成現象をシミュレーションできないと推定される。

次に、前記推定を検証するため、図３に示す、キャラクターラインを模擬した単純形状モデルを設定して、ＦＥＭ解析によるシミュレーション、及び実験を行った。
まずＦＥＭ解析について説明する。
前記モデルは、平板２枚を１７０度の角度で突合せにて組み合わせ、その２枚の平板間の連結部分にＲ＝５ｍｍの曲率半径の曲率曲面形状を形成した三角屋根形状のモデルである。ここで、平面部分の大きさは４００ｍｍ×６００ｍｍとした。そして、この三角屋根形状のモデルの稜線部分がキャラクターラインを模擬したものとなる。

ＦＥＭ解析では、荷重負荷の圧子は剛体（サイズ２０ｍｍ幅×６０ｍｍ長さ×５ｍｍ厚さ）に設定し、荷重負荷位置をキャラクターライン直上のパネル中央部に設定した。ＦＥＭ解析では、図８のＦＥＭモデルに示すように、メッシュサイズを５ｍｍ（但し、圧子接触部とその近傍１００ｍｍ角ではメッシュサイズを２ｍｍ）に設定し、ソルバーとしてＬＳＴＣ社（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のＬＳ−ＤＹＮＡ ｖｅｒ９．７１を使用して、静的陰解法にて実施した。また、飛び移り現象を計算するため、圧子を０．０１ｍｍピッチで押し込む変位増分による解析にて行った。このとき境界条件として、モデルの４辺をＸ、Ｙ、Ｚ方向に対し並進方向の移動のみ拘束した。
材料条件としては、以下に説明する実験で使用した鋼板（降伏強度ＹＰ１６３ＭＰａ、引張強度ＴＳ２９３ＭＰａ、伸びＥｌ５０％）の引張試験結果から得られた、図９に示す真応力−真ひずみデータを使用した。ヤング率は２０６ＧＰａ、板厚は０．８ｍｍである。
そして、ＦＥＭ解析にて、圧子が接触するパネル部分（キャラクターライン稜線部分）のメッシュ２０個についての塑性ひずみ量を、板厚中心部、板表面（オモテ側、及びウラ側）について、それぞれ算出した。

次に、実験について説明する。
実験では、前記ＦＥＭ解析で設定した圧子の条件と同様のサイズの鋼製圧子を使用した。材料は前記に述べた特性であり、鋼板（降伏強度ＹＰ１６３ＭＰａ、引張強度ＴＳ２９３ＭＰａ、伸びＥｌ５０％）の約４００ｍｍ×６００ｍｍの平板（板厚０．８ｍｍ）を採用した。
そして、図４に示すように、前記平板の板中央部を予曲げした後、その予曲げによって稜線部分（頂角１７０度）を形成した板の４辺を治具に拘束することで、ＦＥＭ解析で設定したモデルと同じ構成を実現した。なお、鋼板の４辺を治具に溶接にて接合することで拘束した。そして、前記予曲げによって形成された稜線部分に当該稜線の凸側（図４では上側）から、前記圧子で板厚方向に荷重負荷を実施した。荷重の負荷条件は、負荷する荷重を１０Ｎピッチで増加させながら、各荷重毎に、荷重の負荷、除荷、及び除荷後の凹み量測定を繰り返し、前記凹み量が１０μｍ発生した時点の負荷荷重をデント発生荷重とした。なお、凹み量は、ゲージ長さ５０ｍｍの３点ゲージを使用して測定した。

図５に、ＦＥＭ解析によって求めた板厚中心部、板表面（オモテ側、及びウラ側）における塑性ひずみ量と負荷荷重との関係を示す。また、実験で求められたデント発生荷重は３５０Ｎであったので、図５には、その数値（デント発生荷重）も追記している。
また図６に、その時の実験で求めた荷重−変位の曲線を示す。この図６から分かるように、この実験では、飛び移り荷重が４７０Ｎであった。
以上の結果から分かるように、ＦＥＭ解析によるシミュレーション解析において、板厚ウラ面１ｂでは、飛び移り荷重（４７０Ｎ）に到達するとともに塑性ひずみが発生しているが、板厚オモテ面１ａではそれよりも低い約３２０Ｎで塑性ひずみが発生し始めていることが分かる。
実際にデントが発生したときのデント発生荷重が３５０Ｎであることから、キャラクターライン部では、板厚オモテ面１ａの塑性ひずみが重要であることが分かった。

更に、前記稜線部分の曲率半径を５ｍｍから１００ｍｍに変更（組み合わせる平板間の角度は１７０度である）し、他の条件を上述と同じ条件として、ＦＥＭ解析によるシミュレーション及び実験について実施してみた。この実験では、デント発生荷重は３２０Ｎであり、飛び移り荷重が４６０Ｎであった。そして、前記と同様に、ＦＥＭ解析による板厚オモテ面１ａでの塑性ひずみの発生荷重は約３２０Ｎであり、板厚ウラ面１ｂでの塑性ひずみ開始荷重が約４６０Ｎであった。
以上のようなシミュレーション解析及び実験から、発明者らは、曲率が急峻に変化するキャラクターライン部などの面形状急峻部位２にあっては、シミュレーション解析におけるオモテ面１ａでの塑性ひずみが発生し始めるときの負荷荷重が、その部位によるデントが初めて発生したときの荷重であるとの知見を得た。

すなわち、対象とするパネル１の材料条件とパネル形状とに基づき、面形状急峻部位２について荷重負荷による板オモテ面１ａでの塑性ひずみが発生する最小負荷荷重である第１負荷荷重を求める事で、その面形状急峻部位２については、第１負荷荷重以上の荷重を負荷するとデントが発生し、デント発生荷重が設計段階で予測することが出来るという知見を得た。
なお、面形状急峻部位２以外、つまり曲率が急峻に変化していない部分についても、ＦＥＭ解析におけるオモテ面１ａでの塑性ひずみが発生し始めるときの負荷荷重をデント発生荷重としても良い。

次に、本発明に基づく耐デント性評価方法について説明する。
図７は、耐デント性予測の処理手順を説明する図である。
まず、ステップＳ１０にて、対象とするパネル１の材料条件及び、目的とするパネル形状に対応するモデルを解析者が設定する。例えば、材料条件としては、真応力−真ひずみ曲線、ヤング率、板厚、圧子情報（形状）を、パネル形状の条件としては、パネルサイズ（長さ、幅）パネル面の曲率半径、面形状急峻部位の頂点曲率半径、頂角、さらに拘束条件（並進移動の可否、回転移動の可否）を設定する。

次に、ステップＳ２０にて、前記モデルについてコンピューターがシミュレーション解析を行い、面形状急峻部位２に対し、曲率が凸となる側の面から板厚方向に荷重を負荷したときの、荷重負荷側の面であるオモテ面１ａで塑性ひずみが発生し始めるときの負荷荷重を第１負荷荷重として解析者が求める。
シミュレーション解析は、例えば、上述のように静的陰解法を用いたＦＥＭ解析等を採用すればよい。

次に、ステップＳ３０では、デント発生荷重である第１負荷荷重が予め設定した目標デント発生荷重Ｔ１未満であるか否かを解析者が判定する。
前記ステップＳ３０の条件を満足する場合（つまり、第１負荷荷重が目標デント発生荷重Ｔ１未満である場合）には、目標とする耐デント性を得ることが出来ないとして、ステップＳ４０に移行する。一方、前記条件を満足しない場合（つまり、第１負荷荷重が目標デント発生荷重Ｔ１以上である場合）には、目標とする耐デント性を得ることが出来るとして、ステップＳ５０に移行する。

ステップＳ４０では、前記第１負荷荷重を対象とする面形状急峻部位２のデント発生荷重、飛び移り現象発生荷重として表示すると共に、解析者がパネルの条件変更の要求を行い、その要求に応じて設定されたパネル形状や材料条件の変更情報の入力を取得して更新する処理をコンピューターが行った後に、前記ステップＳ２０に移行して、前記処理をコンピューターおよび解析者が繰り返す。例えば、材料条件の変更情報として、真応力−真ひずみ曲線、板厚などを、パネル形状の条件の変更情報として、パネル面の曲率半径、面形状急峻部位の頂点の曲率半径、頂角などを入力する。
ステップＳ５０では、前記第１負荷荷重を対象とする面形状急峻部位２のデント発生荷重として表示して、終了する。
なお、前記処理は、面形状急峻部位２毎に実施するが、面形状急峻部位２が連続する場合には、その代表点や予め設定した距離間隔に評価点を解析者が設定し、その各評価点毎に実施すれば良い。

以上のように、本実施形態では、キャラクターライン部等、急峻な面曲率変化部を含むパネル１において、急峻な面曲率変化部でのデント発生を正確に予測することが可能となる。しかも、シミュレーション解析の時点で予測することが可能である。
そして、予測したデント発生荷重によって、図面の設計段階で目的とするデント発生荷重以上となるように、設計の変更が可能となる。
なおこのとき、シミュレーション解析において、弾性変形挙動に関する評価値である張り剛性の解析および飛び移り現象発生荷重の評価にも適用するようにしても良い。

１ パネル
１ａ オモテ面
１ｂ ウラ面
２ 面形状急峻部位

Claims (2)

1. 曲率が急峻に変化する面形状急峻部位を有するパネル板における、前記面形状急峻部位の耐デント性の評価方法であって、
   前記パネル板のパネル形状条件、前記パネル板に適用する材料条件を用いて、有限要素解析シミュレーションを行なうことにより、前記面形状急峻部位における板表面で塑性ひずみが発生する負荷荷重を求め、当該負荷荷重に基づいて、当該面形状急峻部位での耐デント性を評価し、
   前記負荷荷重は、前記面形状急峻部位に対し、曲率が凸となる側の面から板厚方向に荷重を負荷したときの、荷重負荷側の面での負荷荷重であることを特徴とする耐デント性評価方法。
2. 前記面形状急峻部位における曲率が凸となる側の板表面で塑性ひずみが発生する負荷荷重に基づき、当該面形状急峻部位でのデント発生時点の負荷荷重を算出することを特徴とする請求項１に記載した耐デント性評価方法。

Images