JP5942872B2 - 構造体の接合位置の最適化解析方法及び装置 - Google Patents
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Description
このCAE解析では数理最適化、板厚最適化、形状最適化、トポロジー最適化などの最適化技術を用いることによって剛性の向上や軽量化が図られることが知られており、例えばエンジンブロックなどの鋳物の構造最適化によく用いられている。
トポロジー最適化はある程度の大きさの設計空間を設け、当該設計空間に立体要素を組み込み、与えられた条件を満たしかつ必要最小限の立体要素の部分を残すことで当該条件を満たす最適形状とするという方法である。そのため、トポロジー最適化は、設計空間をなす立体要素に直接拘束を行い、直接荷重を加えるという方法が用いられる。
このようなトポロジー最適化に関する技術として、複雑な構造体のコンポーネントのトポロジー最適化のための方法が特許文献1に開示されている。
部品どうしの接合位置を決定する方法としては、均等間隔に設定する方法、経験や勘により設定する方法、応力解析により応力が高い部分に追加する方法などがある。
また、応力解析により応力が大きい部位に溶接位置を追加する方法では、追加前に対して変化はあるものの、溶接位置として追加した部位の近傍のみの特性が向上するものの、別の部位の特性が相対的に低下することになり、全体とし評価したときには溶接位置を最適化しているとはいえない。
このように従来技術は、いずれも特性向上のための最適な位置に設定できるものではない。
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定ステップと、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定ステップと、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定ステップと、前記接合候補に対して最適化解析条件を設定する最適化解析条件設定ステップと、前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補を対象として、前記最適化解析条件設定ステップで設定された最適化解析条件を満たす最適な接合点又は接合部を求める最適化解析ステップと、前記固定接合と前記最適化解析ステップで求めた接合点又は接合部とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定ステップと、前記最適化解析ステップと前記第2固定接合設定ステップとを所定の剛性、または、前記固定接合の数が所定数になるまで繰り返す繰り返しステップとを備えたことを特徴とするものである。
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定ステップと、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定ステップと、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定ステップと、前記固定接合と前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定ステップと、前記第2固定接合設定ステップを所定の剛性、または、前記固定接合の数が所定数になるまで繰り返す繰り返しステップとを備えたことを特徴とするものである。
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定部と、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定部と、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定部と、前記接合候補に対して最適化解析条件を設定する最適化解析条件設定部と、前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補を対象として、前記最適化解析条件設定部で設定された最適化解析条件を満たす最適な接合点又は接合部を求める最適化解析部と、前記固定接合と前記最適化解析部で求めた接合点又は接合部とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定部とを備えたことを特徴とするものである。
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定部と、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定部と、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定部と、前記固定接合と前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定部とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、主に図1に示すブロック図に基づいて、接合最適化解析装置1(以下、単に「接合最適化解析装置1」という)の構成について説明する。
また、演算処理部11には、表示装置3と入力装置5と記憶装置7および作業用データメモリ9が接続され、演算処理部11の指令によって各機能を行う。
表示装置3は計算結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。
入力装置5は構造体モデルファイル13の表示指示、操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。
記憶装置7は、ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。記憶装置7内には、少なくとも、構造体モデルファイル13等の各種の情報が格納される。構造体モデルファイル13を表示装置に表示した一例が図5に示されている。構造体モデルは、平面要素のみによって構成されたものでもよいし、あるいは平面要素と立体要素の組合せによって構成されたものでもよい。例えば、構造体モデルの例として図10に示すような車体(ボディ)を例に挙げると、車体は主に薄鋼板によって形成されることから平面要素によって構成される。ただ、例えばエンジンのような鋳物で形成されるブロック体のようなものは立体要素で構成される。また、アーク溶接やボルト溶接のような比較的厚さのある場合も立体要素で現わすことがある。また、点接合はばね、はりなどの一次要素、連続接合は平面要素、立体要素、ばね、はりなどの一次要素で現わすこともある。
作業用データメモリ9は、演算処理部11で使用するデータの一時保存や演算等に用いられ、RAM等で構成される。
演算処理部11はPCのCPUによって構成され、以下に説明する各部はCPUが所定のプログラムを実行することによって実現される。
なお、接合点とはスポット溶接の場合であり、接合部とは連続溶接の場合であるが、以下の説明では主として接合点を例に挙げて説明する。もっとも本発明は連続接合の場合にも適用できるものである。
演算処理部11は、構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定部15と、解析対象部に対して接合点の候補となる接合候補29を設定する接合候補設定部としての接合生成部16と、接合候補29を用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーの高い接合点を部品組毎に1箇所選定して固定接合点31として設定する第1固定接合設定部17と、接合候補29に対して最適化解析条件を設定する最適化解析条件設定部18と、接合候補29のうち固定接合点31の周囲所定範囲を除く接合候補29を対象として、最適化解析条件設定部18で設定された最適化解析条件を満たす最適な接合点を求める最適化解析部19と、固定接合点31と最適化解析部19で求めた接合点とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーの高い接合点を部品組毎に1箇所選定して固定接合点31として設定する第2固定接合設定部20とを備えたことを特徴とするものである。
説明に当たっては、図2に示す板材21とハット断面部材23で構成される構造体モデル25において、板材21とフランジ部23aを有するハット断面部材23とを部品組として接合する場合を例に挙げる。ハット断面部材23は、長さが800mmで、断面の高さおよび幅(フランジ部23aを含まない)がそれぞれ80mmである。板材21は、長さがハット断面部材23と同様に800mmで、板幅がハット断面部材23の両フランジ部23aに亘ってハット断面部材23の開口部を覆う幅に設定されており、板厚1.2mmの鋼板である。スポット溶接は、図2に示すように、板材21とハット断面部材23のフランジ部23aを当接させてこの当接部分に対して行う。なお、接合要素はφ6mmの一次要素を用いる。従って本例では、前記当接部分における最適な接合位置を求める解析を行う。
解析対象部設定部15は、構造体モデル25の一部に最適化の対象となる部分を解析対象部27として設定する。本例においては、図2に示した構造体モデル25全体を解析対象部27として設定する。
接合生成部16は、本発明の接合候補設定部の一態様に相当する。
接合生成部16は、ある2つの部品(以下、それぞれ「部品A」および「部品B」という)の間に接合候補29を設定する。接合候補29の設定の手順を図3に示したフローチャートに基づいて説明する。
まず、各部品上の各平面要素の節点座標から中心点、または重心点を算出し、要素の代表点を決める。FEM解析での積分点座標を用いてもよい(ステップS1)。
次に、部品A上のあるひとつの平面要素aの代表点と、部品B上の全平面要素の代表点の間のそれぞれの点距離を座標値から計算する(ステップS2)。
次に、点間距離がそれぞれの部品の板厚の1/2の和+Xmmのものについて、代表点を結ぶものを連結線として作成する(ステップS3)。点間距離を規定したのは、実際の溶接において接合が可能なもののみを選別するためである。なお、スポット接合の場合X<3mm、レーザー接合の場合X<3mm、アーク接合の場合X<6mm、ウェルドボンド接合の場合X<6mmが好ましい。
角度を規定した理由も上記の点間距離を規定したのと同様に、実際の溶接において接合が可能なもののみを選別するためである。
次に、選出した連結線の中心にポイントを設定し、メッシングソフトにより接合要素を配置し、接合候補29を設定する(ステップS5)。
次に、一度計算をした平面要素a以外の部品A上の全平面要素について、ステップS1〜ステップS5を順次おこなう(ステップS6)。
なお、図4は接合候補29を10mmピッチで設定した例を示している。
第1固定接合設定部17は、接合生成部16で設定された接合候補29を用いて構造体モデル25について剛性解析を行って、応力、ひずみ、ひずみエネルギー、荷重等を算出する。次に、この算出した結果を順位づけし、部品組毎に最もひずみエネルギーの高い接合候補29を1点選定する。ある接合候補29のひずみエネルギーが最も高いということは、その接合候補29が構造体モデル25の剛性を高める上で最も重要であることを意味している。そして、この選出された1点を固定接合点31(図7)として設定する。
剛性解析を行う際の荷重拘束条件の一例を図5に示す。図5は、構造体モデル25の一端を拘束して、他端においては、片側のフランジ部23aにおける端から長さ100mm、幅10mmの範囲に、図5中下向き(図5中の太い矢印を参照)に1N/mm2の力を付加する条件を示したものである。
最適化解析条件設定部18は接合候補29に対して最適化解析条件を設定する。最適化解析条件には、目的条件と制約条件の2種類がある。
目的条件は、構造体モデル25の目的に応じて設定される条件であり、例えば、ひずみエネルギーを最小にする、吸収エネルギーを最大にし発生応力を最小にする等がある。目的条件は1つだけ設定する。
制約条件は、最適化解析を行う上で課す制約であり、例えば、スポット溶接後の構造体モデル25が所定の剛性を有するようにする等がある。制約条件は複数設定可能である。
最適化解析部19は、接合候補29のうち固定接合点31の周囲所定範囲を除く接合候補29を対象として最適化解析を行い、解析対象とした接合候補29のうち、最適化解析条件設定部18で設定された最適化解析条件(目的条件、制約条件)を満たす有意な接合候補29に限定する。
最適化解析部19は、第2固定接合設定部20で、接合候補29の中から固定接合点31を1つ選定する前の粗選定に相当する。
第2固定接合設定部20では、剛性解析を行う際に接合候補29をすべて用いて解析を行うのであるが、その前段階として、上記のように最適化解析部19において、剛性解析で用いる接合候補29の数をある程度絞り込むことで、第2固定接合設定部20でよりスポット溶接後の構造体モデル25の実態に近い状態として剛性解析を行うことができる。
こうすることによって、第2固定接合設定部20において、各接合候補29の中から新たに固定接合点31を選出する際に、既にある固定接合点31の周囲所定範囲内から新たな固定接合点31が選出されることを防止する。従って、前記所定範囲を適切に設定すれば、固定接合点31同士を十分離して設定することができ、それ故、固定接合点31の箇所をスポット溶接する際に、既に溶接済みの箇所に分流することがなく、確実に各固定接合点31の箇所をスポット溶接することができる。
トポロジー最適化で密度法を用いる場合に、中間的な密度が多い場合には離散化が好ましく、式(1)であらわされる。
K(ρ)=ρpK・・・・・(1)
ただし、
K:要素の剛性マトリックスにペナルティを科したマトリックス
K:要素の剛性マトリックス
ρ:密度
p:ペナルティ係数
離散化によく用いられるペナルティ係数は2以上であるが、本発明ではペナルティ係数として4以上の値が接合の最適化に必要であることが明らかになった。
なお、最適化解析部19はトポロジー最適化処理を行うものでもよいし、他の計算方式による最適化処理であってもよい。したがって、最適化解析部19としては、例えば市販されている有限要素を用いた解析ソフトを使用することができる。
第2固定接合設定部20は、まず、構造体モデル25の解析対象部27において、すでに設定された固定接合点31の箇所と、最適化解析部19で上記の周囲の所定範囲を除外して求めた接合点の箇所とがスポット溶接されているものとして構造体モデル25を設定する。そして、この構造体モデル25について剛性解析を行い、最もひずみエネルギーの高い接合点又は接合部を部品組毎に1箇所選定して次の固定接合点31として設定する。
まず、解析対象部設定部15によって構造体モデル25に対して最適化処理の対象となる解析対象部27を設定する(解析対象部設定ステップ、S11)。本例では、構造体モデル25全体を解析対象部27とした(図2参照)。
次に、第1固定接合設定部17によって剛性解析を行い(図5および図6参照)、もっともひずみエネルギーが高い接合候補29を固定接合点31として設定する(図7および図9(a)参照)(第1固定接合設定ステップ、S15)。
その後、固定接合点31の数が、スポット溶接後に構造体モデル25が所定の剛性に至ったか、または、剛性を得るのに十分な数(所定数)であるかどうかを確認する(S23)。所定の剛性または所定数であれば処理を終了する。所定の剛性または所定数に達していなければ、再度、最適化解析ステップ(S19)および第2固定接合設定ステップ(S21)を繰り返して、固定接合点31の数を1つずつ増やしていく(繰返しステップ、図9(c)参照)。
上記のように固定接合点31を設定しているので、固定接合点31に基づいて接合すれば、構造体の特性を向上することができる。
また、固定接合点31同士を任意の距離以上離れるように設定することができるので、各固定接合点31を互いに十分に離れるように設定すれば、固定接合点31の位置に従ってスポット溶接する際に、分流が発生することがなく、確実に各固定接合点31の箇所をスポット溶接することができる。
次に、剛性解析を行って固定接合点31を1点設定する(第1固定接合設定ステップ、S15)。剛性解析条件は、図12に示すように、構造体モデル41を支持する4箇所(a、b、c、d)のうち3箇所を拘束し、残りの1箇所に荷重を付加するものとした。
図13は剛性解析の結果に基づいて、部品組毎にひずみエネルギーが最大の接合候補29を1点選出し、それぞれを固定接合点31として設定した状態を示す図である。図13(a)は、構造体モデル41の全体を示し、図13(b)は構造体モデル41における一つの部品組の当接部分の一部を拡大して示している。なお、図の複雑化を避けるため、図13(a)においては、接合候補29の図示を省略し、他方、図13(b)においては、図9と同様に、接合候補29を白丸で、固定接合点31を黒丸でそれぞれ示している。
図16は、剛性解析の結果に基づいて、各部品組について固定接合点31を一つ追加した状態を示す図であり、図13と同様に、図16(a)は全体を示し、図16(b)は一部を拡大して示している。なお、図16(a)においては、図13と同様に、接合候補29の表示を省略している。また、図16(b)においては、最適化解析ステップ(S19)で削除された接合候補29を破線の丸で示している。
上記のように、最適化解析ステップ(S19)と第2固定接合設定ステップ(S21)を繰り返して固定接合点31を1点ずつ増やしていき、固定接合点31の数が所定数に達した状態(所定の剛性を得た状態)を図19に示す。図19においては、図13と同様に、図19(a)は全体を示し、図19(b)は一部を拡大して示している。
実験は様々な条件で構造体モデル41(車体、図10参照)における接合位置の最適化を行い、その結果に基づいてスポット溶接の設定をした構造体モデル41について剛性解析を行い、剛性向上率を比較するというものである。
解析に用いた構造体モデル41(車体)の寸法は、幅1200mm、長さ3350mm、高さ1060mmで、板厚0.65mmから2.0mmの鋼板および鋼材を用いた。基準の重量は110kgであり、元の形状でのねじり剛性の平均値は30.7(kN*m/deg)である。
なお、本実施例では鋼ベースの材料を用いたが、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム、ガラス、樹脂、ゴム等、種種の材料を用いても何ら問題はない。
発明例1〜発明例4では、接合候補設定ステップにおいて10mmピッチで接合候補29を24124個設定した。第1固定接合設定ステップで設定された固定接合点31の数は142個であり、所定の剛性を得るのに十分な固定接合点31が1003個になるまで処理を繰り返した。
スポット間隔(固定接合点31同士の間隔)は短い方が剛性は向上するが、短すぎると溶接時に分流が発生してしまうため、スポット間隔は溶接機の性能に応じて所定値以上に設定する必要がある。そこで、本実施例では、スポット間隔が前記所定値以上になるように設定した。
具体的には、発明例1〜発明例3では、スポット間隔がそれぞれ30mm超、40mm超、50mm超になるように、最適化解析ステップにおいて固定接合点31の周囲30mm、40mm、50mm以内の接合候補29を候補から除外した。発明例で4は、スポット間隔が30mm超になるように、第2固定接合設定ステップにおいて固定接合点31の周囲30mm以内の接合候補29を候補から除外した。
発明例1〜発明例4および比較例についての条件および剛性解析の結果をまとめたものを表1に示す。
表1に示すように、比較例では剛性向上率が1.4%低下している。他方、発明例1〜発明例4では、すべてにおいて剛性向上率が大幅に向上している。
以上のことから、本発明による接合位置の最適化が適切であることが実証された。
なお、発明例1と発明例4は同一スポット間隔でも、最適化解析ステップを実施した発明例1の方が、剛性向上率が向上しており、より好適である。これは、上述したとおり、接合候補29の数をある程度絞り込んだ方が、第2固定接合設定ステップにおいてより実態に近い状態で剛性解析を行うことができるため解析の精度がより高いからである。
3 表示装置
5 入力装置
7 記憶装置
9 作業用データメモリ
11 演算処理部
13 構造体モデルファイル
15 解析対象部設定部
16 接合生成部
17 第1固定接合設定部
18 最適化解析条件設定部
19 最適化解析部
20 第2固定接合設定部
21 板材
23 ハット断面部材
23a フランジ部
25 構造体モデル
27 解析対象部
29 接合候補
31 固定接合点
41 構造体モデル
43 フロントピラー
45 センターピラー
47 ルーフサイドレール
49 ルーフパネル
51 解析対象部
61 接合点
Claims (6)
- 平面要素及び/または立体要素からなる構造体モデルを構成する複数部品を部品組として接合するのに用いられる点接合または連続接合の最適化を、コンピュータによって構成される最適化解析装置が以下の各ステップを行う最適化解析方法であって、
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定ステップと、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定ステップと、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、ひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの最も高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定ステップと、前記接合候補に対して最適化解析条件を設定する最適化解析条件設定ステップと、前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補を対象として、前記最適化解析条件設定ステップで設定された最適化解析条件を満たす最適な接合点又は接合部を求める最適化解析ステップと、前記固定接合と前記最適化解析ステップで求めた接合点又は接合部とを用いて剛性解析を行って、最もひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定ステップと、前記最適化解析ステップと前記第2固定接合設定ステップとを所定の剛性、または、前記固定接合の数が所定数になるまで繰り返す繰り返しステップとを備えたことを特徴とする構造体の接合位置の最適化解析方法。 - 前記最適化解析ステップは、密度法によるトポロジー最適化を行うものであり、ペナルティ係数を4以上に設定して離散化を行うことを特徴とする請求項1に記載の構造体の接合位置の最適化解析方法。
- 前記接合候補設定ステップは、前記接合点又は前記接合部を生成する接合生成ステップを有し、該接合生成ステップは、部品を構成する各平面要素の節点座標から要素の代表点を決定するステップと、前記部品の一つの平面要素を基準にして、他部品の平面要素に対し、それぞれの代表点同士の点間距離を座標値から計算し、溶接接合が可能な距離の平面要素間に接合要素を配置するステップとを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の構造体の接合位置の最適化解析方法。
- 平面要素及び/または立体要素からなる構造体モデルを構成する複数部品の接合に用いられる点接合または連続接合の最適化解析装置であって、
前記構造体モデルおける解析対象部を設定する解析対象部設定部と、前記解析対象部に対して接合点又は接合部の候補となる接合候補を設定する接合候補設定部と、前記接合候補を用いて剛性解析を行って、ひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの最も高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第1固定接合設定部と、前記接合候補に対して最適化解析条件を設定する最適化解析条件設定部と、前記接合候補のうち前記固定接合の周囲所定範囲を除く前記接合候補を対象として、前記最適化解析条件設定部で設定された最適化解析条件を満たす最適な接合点又は接合部を求める最適化解析部と、前記固定接合と前記最適化解析部で求めた接合点又は接合部とを用いて剛性解析を行って、ひずみエネルギーまたは応力またはひずみまたは荷重のいずれかの最も高い接合点又は接合部を前記部品組毎に1箇所選定して固定接合として設定する第2固定接合設定部とを備えたことを特徴とする構造体の接合位置の最適化解析装置。 - 前記最適化解析部は、密度法によるトポロジー最適化を行うものであり、ペナルティ係数を4以上に設定して離散化を行うことを特徴とする請求項4に記載の構造体の接合位置の最適化解析装置。
- 前記接合候補設定部は、前記接合点又は前記接合部を生成する接合生成部を有し、該接合生成部は、部品を構成する各平面要素の節点座標から要素の代表点を決定し、前記部品の一つの平面要素を基準にして、他部品の平面要素に対し、それぞれの代表点同士の点間距離を座標値から計算し、溶接接合が可能な距離の平面要素間に接合要素を配置することを特徴とする請求項4又は5に記載の構造体の接合位置の最適化解析装置。
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