JP6380536B2 - モデル設定方法、成形シミュレーション方法、プログラム、及びプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
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Description
Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備える情報処理装置によって実施され得る。また、このようなプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することが可能である。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどであり得る。また、上記のプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信されてもよい。
本発明の一実施形態に係るモデル設定方法は、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定する方法である。かかるモデル設定方法では、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、上記成形用工具モデルのうち、金属板を表す金属板モデルと接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、上記成形用工具モデルのうち、上記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定することを特徴とする。モデル設定方法により設定された有限要素モデルを用いて、金属板の成形シミュレーションが行われる。以下、本発明の一実施形態に係るモデル設定方法および成形シミュレーション方法について、図1〜図7Bを参照して説明する。
本発明の実施形態に係る成形用工具の有限要素モデルは、成形用工具の金属板接触面の少なくとも一部の表層が弾性体又は弾塑性体で表現され、前記表層を支持する基体が剛体で表現されているモデルである。表層および基体を合わせて一つの成形用工具の有限要素モデルが構成される。
本実施形態においては、上記のモデル設定方法により設定された成形用工具の有限要素モデルを用いて、有限要素法による金属板の成形シミュレーションを行う。成形シミュレーションには、汎用有限要素法解析ソフトが用いられる。また、成形用工具の有限要素モデルにおいては、対になる表層および基体は合わせて一つの成形用工具を表現するものであるため、基体が表層を支持し、かつ、表層と一体となって剛体変位ができるように、基体と表層との間に拘束条件を設定して基体と表層とを結合する。
上述のように、本実施形態に係る成形シミュレーション方法で用いる成形用工具の有限要素モデルは、金属板と接触し、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層と、上記表層を支持し、剛体の特性を有する基体とを有する。これにより、金属板の成形シミュレーションを高精度かつ効率的に実行できる。一方で、成形シミュレーションで用いる有限要素モデルは、成形シミュレーション結果に要求される精度や、成形用工具の有限要素モデルの作成時間、計算時間等を考慮して、最適なモデルであるのが望ましい。
本発明の実施形態に係る成形用工具の製造方法は、上述の成形シミュレーション方法を用いて成形用工具を設計し、製造する方法である。
比較例1として、図10に示すプレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。ダイモデル22、パンチモデル23およびブランクホルダモデル24は剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素でモデル化した。
比較例2として、図11に示すプレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。ダイモデル22、パンチモデル23およびブランクホルダモデル24は弾性体のソリッド要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素でモデル化した。ブランクホルダモデル24の下側には、クッションピン25が配置されており、金属板モデル11に負荷されるしわ押さえ圧は、ブランクホルダモデル24を介してクッションピン25により負荷される。なお、クッションピン25は剛体としてモデル化した。
実施例1として、表層を弾性体シェル要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例1の有限要素モデルを図13に示す。実施例1では、図13に示すように、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のシェル要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、厚さの中心にシェル要素を配置した。基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層のシェル要素の仮想厚さは2mm、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り0mmとした。
実施例2として、表層を弾性体厚肉シェル要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例2の有限要素モデルを図14に示す。実施例2では、図14に示すように、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体の厚肉シェル要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。なお、図14では、表示上、ブランクホルダモデル14の基体14bは表層14aによって隠れているため示されていない。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bとの間には剛体拘束条件を設定した。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り0mmとした。
実施例3として、表層を厚さ方向1分割の弾性体ソリッド要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例3の有限要素モデルは、図14に示す実施例2の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例3では、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のソリッド要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層は、厚さ方向1分割のソリッド要素とした。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り0mmとした。
実施例4として、表層を厚さ方向1分割の弾性体ソリッド要素、基体を厚さ方向1分割の剛体ソリッド要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例4の有限要素モデルを図15に示す。実施例4では、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のソリッド要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のソリッド要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、基体のソリッド要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層は、厚さ方向に1分割のソリッド要素とした。また、基体は、厚さ方向に1分割のソリッド要素とし、厚さは2mmとした。
実施例5として、表層を弾性体シェル要素、基体を剛体シェル要素とし、表層と基体のシェル要素の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例5の有限要素モデルを図16に示す。なお、図16では表示上、表層と基体とは重なっており、区別されていない。実施例5では、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のシェル要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bは互いに節点を共有するように有限要素モデルを作成した。なお、この有限要素モデルでは、表層の金属板と接触する片側の仮想表面が弾性変形の対象となるため、表層の仮想厚さを実施例1に対して2倍の4mmとし、当該仮想厚さの中心にシェル要素を配置した。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り0mmとした。
実施例6として、表層を厚さ方向1分割の弾性体ソリッド要素、基体を剛体シェル要素とし、表層のソリッド要素の一部の節点と基体のシェル要素の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例6の有限要素モデルは、図14に示す実施例2および実施例3の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例6では、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のソリッド要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のシェル要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、基体のシェル要素は表層の金属板接触面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bは、表層のソリッド要素のうち基体と接する面の節点と基体のシェル要素の節点とを互いに共有するように有限要素モデルをそれぞれ作成した。また、表層は、厚さ方向1分割のソリッド要素とした。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り0mmとした。
実施例7として、表層を厚さ方向1分割の弾性体ソリッド要素、基体を厚さ方向1分割の剛体ソリッド要素とし、表層のソリッド要素の一部の節点と基体のソリッド要素の一部の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例7の有限要素モデルは、図15に示す実施例4の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例7では、ダイモデル12の表層12a、パンチモデル13の表層13aおよびブランクホルダモデル14の表層14aは弾性体のソリッド要素、ダイモデル12の基体12b、パンチモデル13の基体13bおよびブランクホルダモデル14の基体14bは剛体のソリッド要素、金属板モデル11は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを2mmとし、基体のソリッド要素は表層の金属板接触面とは反対側の面に接するように配置した。表層12aと基体12b、表層13aと基体13b、表層14aと基体14bは、互いに接する面の節点を共有するように有限要素モデルをそれぞれ作成した。また、表層は、厚さ方向1分割のソリッド要素とした。また、基体は、厚さ方向に1分割のソリッド要素とし、厚さは2mmとした。
汎用有限要素法解析ソフトを用い、比較例1、2および実施例1〜7の金型の有限要素モデルを用いて金属板の有限要素モデルをプレス成形し、図1に示すような成形品(ハット部材)を得る成形シミュレーションを行った。解析モデルは、成形品の対称性を考慮して1/2対称モデルとした。上記の図13〜図16の領域Aの部分拡大図に示される断面が対称面である。
成形シミュレーションにより、金属板にダイおよびブランクホルダでしわ押さえ圧を負荷しながら絞り成形を実施した際のブランクホルダ面上の面圧分布について解析を行った。図17(a)〜(e)にそれぞれ比較例1、比較例2、実施例1、実施例2、実施例3のプレス成形用金型の有限要素モデルを用いた場合の成形シミュレーションにおけるブランクホルダの面圧分布を示す。比較例1では、成形品において増厚が大きい縮みフランジ側の長手方向中央部にのみ面圧が集中しているのに対し、比較例2、実施例1、実施例2、実施例3では、伸びフランジ側も含めて長手方向に面圧が分布していることが確認できた。なお、図17には記載していないが、実施例4〜7についても、比較例2、実施例1、実施例2、実施例3と同様、伸びフランジ側も含めて長手方向に面圧が分布していることが確認できた。
成形シミュレーションにより、成形後のスプリングバック解析を行った。図18Aおよび図18Bに示すような成形品の天板面の中央を基準としたときの天板面端部の捻れ角θを計算した。図18Cに、成形シミュレーションにおける捻れ角および実測値を示す。図18Cに示すように、成形用工具を弾性体ソリッド要素によりモデル化した比較例2と、上述の本実施形態に係る成形シミュレーション方法により成形用工具をモデルした実施例1〜3とは、いずれも成形用工具を剛体シェル要素によりモデル化した比較例1よりも捻れ角が低減した。また、実施例1〜3の解析精度は、いずれも比較例2と同等で、比較例1よりも実測値に近い値を示した。
成形シミュレーションでの解析時間を下記表1に示す。表1において、実施例1〜4は、表層と基体との間に剛体拘束条件を設定して成形用工具をモデル化した場合の結果であり、実施例5〜7は、表層と基体とで節点を共有することで一体化して成形用工具をモデル化した場合の結果である。
2 ダイ
3 パンチ
4 ブランクホルダ
10A 成形用工具
10B 成形用工具モデル
11 金属板モデル
12、22 ダイモデル
12a ダイモデルの表層
12b ダイモデルの基体
13、23 パンチモデル
13a パンチモデルの表層
13b パンチモデルの基体
14、24 ブランクホルダモデル
14a ブランクホルダモデルの表層
14b ブランクホルダモデルの基体
30 成形品
Claims (11)
- 有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定するモデル設定方法であって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定し、
前記表層の厚さは、前記金属板の母材厚さの0.2〜5.0倍、あるいは、1.0〜10mmに設定される、モデル設定方法。 - 前記表層は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素である、請求項1に記載のモデル設定方法。
- 前記基体は、シェル要素である、請求項1または2に記載のモデル設定方法。
- 前記基体は、ソリッド要素または厚肉シェル要素である、請求項1または2に記載のモデル設定方法。
- 前記表層および前記基体で表現された前記成形用工具モデルは、前記成形用工具の表面近傍の領域を、前記金属板接触面に沿ってモデル化したものである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のモデル設定方法。
- 前記成形用工具モデルのうち、前記金属板の成形時に前記成形用工具に対して荷重が集中する部分を、前記表層として設定する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のモデル設定方法。
- 複数の前記成形用工具をモデル化する場合、前記成形用工具モデルのうち少なくともいずれか1つを、前記表層および前記基体を有する有限要素モデルで表す、請求項1〜6のいずれか1項に記載のモデル設定方法。
- コンピュータに備えられたプロセッサにより実行される、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートする成形シミュレーション方法であって、
前記金属板を表す金属板モデルを設定する金属板モデル設定ステップと、
前記成形用工具を表す成形用工具モデルを設定する成形用工具モデル設定ステップと、
前記金属板モデルと前記成形用工具モデルとを用いて、前記成形用工具による前記金属板の成形をシミュレートする解析ステップと、
を含み、
前記成形用工具モデル設定ステップは、請求項1〜7のいずれか1項に記載のモデル設定方法を用いて第1の成形用工具モデルを設定する第1設定ステップを含む、成形シミュレーション方法。 - 前記成形用工具モデル設定ステップは、前記成形用工具を剛体シェル要素で表した第2の成形用工具モデルを設定する第2設定ステップを含み、
前記金属板モデルと前記第2の成形用工具モデルとを用いて解析する第1成形シミュレーションを実施し、
前記第1成形シミュレーションにより得られた前記金属板の増厚量および成形荷重に基づいて、前記第2の成形用工具モデルの変更の要否を判定し、
前記第2の成形用工具モデルの変更が必要と判定された場合、前記第1の成形用工具モデルを用いて解析する第2成形シミュレーションを実施する、
請求項8に記載の成形シミュレーション方法。 - コンピュータに、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理を実行させるためのプログラムであって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定し、
前記表層の厚さを、前記金属板の母材厚さの0.2〜5.0倍、あるいは、1.0〜10mmに設定する、プログラム。 - 有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定し、
前記表層の厚さを、前記金属板の母材厚さの0.2〜5.0倍、あるいは、1.0〜10mmに設定するプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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