JP7401769B2 - 構造特性解析方法、構造特性解析装置及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
本実施形態における構造特性解析方法は、解析対象となる構造体の構造特性を解析する方法であって、例えば、自動車の車体の全部または一部を構造体とした車体解析に用いられる。構造特性解析方法には、例えば、構造特性として衝突性能を解析する衝突性能解析がある。また、構造特性解析方法には、構造特性として固有振動数を解析する固有値解析や、構造特性として構造体全体の剛性を解析する剛性解析や、構造特性として構造体全体の強度を解析する強度解析や、構造特性として疲労特性を解析する疲労解析や、構造特性として車両の走行時における変形・振動などの特性を解析する走行特性などが挙げられる。本実施形態では、以下、構造特性として衝突性能を解析する衝突性能解析を例にして説明する。解析対象は、例えば、自動車用部品等のプレス成形された後に焼付けされた金属部品を含む構造体である。構造体とは、一または複数の部品によって構成されたものをいい、少なくとも一部品としてプレス成形後に焼付けされた金属部品を含んでいる。構造体は、例えば、自動車である。衝突性能解析方法の解析対象は、必ずしも自動車そのものでなくてもよく、自動車を構成する一部分のみとしてもよい。また、当該金属部品自体が構造体として衝突性能解析方法の解析対象であっても良い。そして、金属部品の例として、自動車用部品では、金属からなる母材をプレス成形して所望の形状に加工した後に、塗装を行う。プレス成形では、曲げ加工、絞り加工などにより、部分によって板厚が変化するとともに、残留歪みが存在し加工硬化が生じている。また、塗装を行う工程では、塗料を、焼き付けることにより金属部品の表面上で硬化させる。この際、金属部品の金属材料自体にも熱が加えられ、これにより金属部品の表面付近では焼き入れが行われた状態となって降伏強さが高くなる。本実施形態の構造特性解析は、このような金属部品のプレス成形時における板厚変化・加工硬化、焼付処理時における降伏強さの変化を考慮した構造特性解析に特徴を有する。なお、金属部品の焼付け処理としては、当該焼付処理によって金属部品の少なくとも一部に降伏強さの変化が生じるものであれば、上記塗装の焼付けに限られない。
図1に示すように、本実施形態の構造特性解析方法は、成形解析ステップS101と、形状データ更新ステップS102と、降伏強さ更新ステップS103と、構造特性解析ステップS104とを備える。成形解析ステップS101では、プレス成形後の金属部品の各位置における板厚と残留歪みとが推定される。形状データ更新ステップS102では、成形解析ステップS101の結果に基づいて、金属部品の形状データが更新される。降伏強さ更新ステップS103では、成形解析ステップS101の結果に基づいて金属部品の各位置における降伏強さが更新される。そして、構造特性解析ステップS104では、形状データ更新ステップS102及び降伏強さ更新ステップS103による更新結果に基づいて、構造特性解析が行われる。以下各ステップの詳細を説明する。
条件1は、加工硬化関係情報が、残留歪量がGという値である場合の加工硬化による降伏強さの変化量をdYP1であると示すという条件である。
条件2は、焼付硬化関係情報が、残留歪量がGという値である場合の焼付硬化による降伏強さの変化量をdYP2であると示すという条件である。
条件3は、成形解析によって得られた衝突解析モデルの位置Pにおける残留歪量はGである、という条件である。
条件4は、焼付前材料情報が示す位置Pの降伏強さはYP0であるという条件である。
条件1、条件2及び条件3が満たされる場合、位置Pにおける降伏強さの変化量は、(dYP1+dYP2)である。条件1、条件2、条件3及び条件4が満たされる場合、位置Pにおける降伏強さは(YP0+YP1+YP2)である。なお、位置Pは、例えば、点群データの一点である。ここまでで衝突解析モデルにおける更新後の降伏強さの具体例の説明を終了する。
以下に詳細に示す。
構造特性解析装置1は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ91とメモリ92とを備える制御部11を備え、プログラムを実行する。構造特性解析装置1は、プログラムの実行によって制御部11、入力部12、記憶部13及び出力部14を備える装置として機能する。より具体的には、プロセッサ91が記憶部13に記憶されているプログラムを読み出し、読み出したプログラムをメモリ92に記憶させる。プロセッサ91が、メモリ92に記憶させたプログラムを実行することによって、構造特性解析装置1は、制御部11、入力部12、記憶部13及び出力部14を備える装置として機能する。
制御部11は、成形解析部111、モデル生成部112、降伏強さ更新部113及び構造特性解析部114を備える。
降伏強さ更新部113は、降伏強さ更新ステップS103を実行する。すなわち、降伏強さ更新部113は、記憶部13に記憶された加工硬化関係情報と焼付硬化関係情報とを取得する。そして、降伏強さ更新部113は、成形解析部111によって算出された成形対象特性量が示す残留歪量を示す情報と、取得した加工硬化関係情報及び焼付硬化関係情報に基づいて、構造特性解析モデルの各位置における降伏強さを更新する。
成形解析ステップS101における成形解析の方法は、離散曲率計算によって板厚及び残留歪量を推定する方法であってもよい。離散曲率計算は、メッシュによって解析対象を分割し、各節点における離散曲率を用いて解析対象の板厚及び残留歪量を推定する有限要素法である。具体的には、離散曲率計算では、まず、解析前形状データが三角形のメッシュによって複数の領域に分割される。次に、離散曲率計算では、離散曲率の公式を用いてメッシュ上の各節点ごとに離散曲率が算出される。離散曲率計算では次に、Mindlin-Reissnerの板理論(参考文献1参照)又はKirchhoffの方法(参考文献2参照)に基づいて各節点における板厚及び残留歪量が推定される。
参考文献1:R. D. Mindlin, Influence of rotatory inertia and shear on flexural motions of isotropic elastic plates, Journal of Applied Mechanics, Transaction of American Society of Mechanical Engineers, 1951,Vol. 18, No.1, pp. 31-38
参考文献2:S.Timoshenko, S. Woinowsky-Krieger, Theory of Plates and Shells, McGRAW-HILL BOOK COMPANY, 2012年1月19日(added date)
上記実施形態では、予め構造特性解析モデル(衝突解析モデル)が準備されていて、成形解析ステップS101、形状データ更新ステップS102及び降伏強さ更新ステップS103を実施することで、上記構造特性解析モデルの金属部品部分の形状データ及び降伏強さを更新するものとしたが、これに限られない。図9及び図10は変形例2を示している。なお、上記実施形態と同様の部分については説明を省略し、同じ符号をつけるものとする。
Claims (6)
- プレス成形後に焼付された金属部品を含む一または複数の部品によって構成された構造体の構造特性を解析する構造特性解析方法であって、
前記プレス成形前の母材の形状データと前記プレス成形後の母材の焼付け前の材料特性を示す情報であって、前記プレス成形前の前記母材の各位置における降伏強さを示す情報を含む焼付前材料情報とを含む入力情報に基づいて、前記プレス成形後の前記金属部品の各位置における板厚と残留歪みの歪量とを推定する成形解析ステップと、
前記成形解析ステップにおいて推定された前記歪量と、前記金属部品の母材に対する焼付けによって生じる焼付硬化による前記母材の降伏強さの変化である第1降伏強さ変化を示す第1降伏強さ変化情報と、前記金属部品の母材に対する加工硬化によって生じる前記母材の降伏強さの変化である第2降伏強さ変化を示す第2降伏強さ変化情報と、に基づいて、数値解析モデルにおける前記金属部品の各位置における降伏強さを更新する降伏強さ更新ステップと、
前記成形解析ステップにおいて推定された板厚及び前記歪量に基づいて前記形状データを更新する形状データ更新ステップと、
更新後の前記形状データと更新後の前記降伏強さと前記成形解析ステップにおいて推定された前記歪量とを有する数値解析モデルに対して構造特性解析を行い、前記構造体の構造特性を算出する構造特性解析ステップと、
を有し、
前記第1降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第1降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記第2降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第2降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記降伏強さ更新ステップでは、前記成形解析ステップにおいて推定された前記歪量に基づき、前記第1降伏強さ変化及び前記第2降伏強さ変化を求め、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さを、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さと、前記第1降伏強さ変化の変化量と、前記第2降伏強さ変化の変化量の和に更新する、構造特性解析方法。 - プレス成形後に焼付された金属部品を含む一または複数の部品によって構成された構造体の構造特性を解析する構造特性解析方法であって、
前記プレス成形前の母材の形状データと前記プレス成形後の母材の焼付け前の材料特性を示す情報であって、前記プレス成形前の前記母材の各位置における降伏強さを示す情報を含む焼付前材料情報とを含む入力情報に基づいて、前記プレス成形後の前記金属部品の各位置における板厚と残留歪みの歪量とを推定する成形解析ステップと、
前記成形解析ステップにおいて推定された前記歪量と、前記金属部品の母材に対する焼付けによって生じる焼付硬化による前記母材の降伏強さの変化である第1降伏強さ変化を示す第1降伏強さ変化情報と、前記金属部品の母材に対する加工硬化によって生じる前記母材の降伏強さの変化である第2降伏強さ変化を示す第2降伏強さ変化情報と、に基づいて、前記金属部品の各位置における降伏強さを取得する降伏強さ取得ステップと、
前記成形解析ステップにおいて推定された板厚及び前記歪量に基づいて前記プレス成形後の前記金属部品の形状データを取得する形状データ取得ステップと、
取得された前記金属部品の各位置における降伏強さと、前記プレス成形後の前記金属部品の形状データとを含む数値解析モデルを生成するモデル生成ステップと、
前記数値解析モデルに対して構造特性解析を行い、前記構造体の構造特性を算出する構造特性解析ステップと、
を有し、
前記第1降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第1降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記第2降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第2降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記降伏強さ取得ステップでは、前記成形解析ステップにおいて推定された前記歪量に基づき、前記第1降伏強さ変化及び前記第2降伏強さ変化を求め、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さと、前記第1降伏強さ変化の変化量と、前記第2降伏強さ変化の変化量の和を取得する、構造特性解析方法。 - 前記成形解析ステップでは、前記プレス成形前の前記形状データがメッシュによって複数の領域に分割され、前記メッシュ上の各節点の位置における離散曲率が算出され、前記構造体の各位置における前記板厚及び前記歪量は、算出された各節点の前記離散曲率に基づいて推定される、
請求項1または2に記載の構造特性解析方法。 - プレス成形後に焼付された金属部品を含む一または複数の部品によって構成された構造体の構造特性を解析する構造特性解析装置であって、
前記プレス成形前の母材の形状データと前記プレス成形後の母材の焼付け前の材料特性を示す情報であって、前記プレス成形前の前記母材の各位置における降伏強さを示す情報を含む焼付前材料情報とを含む入力情報に基づいて、前記プレス成形後の前記金属部品の各位置における板厚と残留歪みの歪量とを推定する成形解析部と、
前記成形解析部において推定された前記歪量と、前記金属部品の母材に対する焼付けによって生じる焼付硬化による前記母材の降伏強さの変化である第1降伏強さ変化を示す第1降伏強さ変化情報と、前記金属部品の母材に対する加工硬化によって生じる前記母材の降伏強さの変化である第2降伏強さ変化を示す第2降伏強さ変化情報と、に基づいて、数値解析モデルにおける前記母材の各位置における降伏強さを更新する降伏強さ更新部と、
前記成形解析部において推定された板厚及び前記歪量に基づいて前記形状データを更新する形状データ更新部と、
更新後の前記形状データと更新後の前記降伏強さと前記成形解析部において推定された前記歪量とを有する数値解析モデルに対して構造特性解析を行い、前記構造体の構造特性を算出する構造特性解析部と、を備え、
前記第1降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第1降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記第2降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第2降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記降伏強さ更新部は、前記成形解析部により推定された前記歪量に基づき、前記第1降伏強さ変化及び前記第2降伏強さ変化を求め、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さを、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さと、前記第1降伏強さ変化の変化量と、前記第2降伏強さ変化の変化量の和に更新する、構造特性解析装置。 - プレス成形後に焼付された金属部品を含む一または複数の部品によって構成された構造体の構造特性を解析する構造特性解析装置であって、
前記プレス成形前の母材の形状データと前記プレス成形後の母材の焼付け前の材料特性を示す情報であって、前記プレス成形前の前記母材の各位置における降伏強さを示す情報を含む焼付前材料情報とを含む入力情報に基づいて、前記プレス成形後の前記金属部品の各位置における板厚と残留歪みの歪量とを推定する成形解析部と、
前記成形解析部において推定された前記歪量と、前記金属部品の母材に対する焼付けによって生じる焼付硬化による前記母材の降伏強さの変化である第1降伏強さ変化を示す第1降伏強さ変化情報と、前記金属部品の母材に対する加工硬化によって生じる前記母材の降伏強さの変化である第2降伏強さ変化を示す第2降伏強さ変化情報と、に基づいて、前記母材の各位置における降伏強さを取得する降伏強さ取得部と、
前記成形解析部において推定された板厚及び前記歪量に基づいて前記プレス成形後の前記金属部品の形状データを取得する形状データ取得部と、
取得された前記金属部品の各位置における降伏強さと、前記プレス成形後の前記金属部品の形状データとを含む数値解析モデルを生成するモデル生成部と、
前記数値解析モデルに対して構造特性解析を行い、前記構造体の構造特性を算出する構造特性解析部と、を備え、
前記第1降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第1降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記第2降伏強さ変化情報は、前記歪量と、前記第2降伏強さ変化の関係を示す情報であり、
前記降伏強さ取得部は、前記成形解析部により推定された前記歪量に基づき、前記第1降伏強さ変化及び前記第2降伏強さ変化を求め、前記数値解析モデルの各位置における降伏強さと、前記第1降伏強さ変化の変化量と、前記第2降伏強さ変化の変化量の和を取得する、構造特性解析装置。 - 請求項4または5に記載の構造特性解析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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