KR20170023120A

KR20170023120A - 모델 설정 방법, 성형 시뮬레이션 방법, 성형용 공구의 제조 방법, 프로그램, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 유한 요소 모델

Info

Publication number: KR20170023120A
Application number: KR1020177001897A
Authority: KR
Inventors: 도시야 스즈키; 요시아키 나카자와
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-03-02
Also published as: US20170140081A1; JP6380536B2; KR101893312B1; CN106575314B; WO2016017775A1; CN106575314A; EP3151138A1; EP3151138A4; JPWO2016017775A1

Abstract

금속판의 성형 시뮬레이션을 고정밀도이고 또한 효율적으로 실행 가능한, 성형 시뮬레이션에 사용되는 유한 요소 모델의 모델 설정 방법을 제공한다. 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 컴퓨터에 구비된 프로세서에 의해 설정하는 모델 설정 방법이며, 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서, 성형용 공구 모델 중, 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고, 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정한다.

Description

모델 설정 방법, 성형 시뮬레이션 방법, 성형용 공구의 제조 방법, 프로그램, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 유한 요소 모델{MODEL CONFIGURATION METHOD, FORMING SIMULATION METHOD, MANUFACTURING METHOD FOR FORMING TOOL, PROGRAM, COMPUTER READABLE RECORDING MEDIUM WITH PROGRAM STORED THEREIN, AND FINITE ELEMENT MODEL}

본 발명은, 유한 요소법에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션에 사용하는 유한 요소 모델의 모델 설정 방법, 설정된 유한 요소 모델을 사용한 성형 시뮬레이션 방법, 그것을 사용한 성형용 공구의 제조 방법, 프로그램, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 유한 요소 모델에 관한 것이다.

자동차 부품이나 가정 전기 제품에는, 성형용 공구를 사용해서 금속판을 프레스 성형이나 롤 포밍 등에 의해 성형한 부품이 다용되고 있다. 이와 같은 부품은 성형 공정에 있어서, 깨짐, 주름 등의 성형 불량이나, 스프링백에 수반되는 치수 정밀도 불량 등이 발생하는 경우가 있다. 이들 대책 방법을 검토하기 위해서, 유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션이 최근 활발하게 사용되고 있다.

일반적으로, 유한 요소법에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션에서는, 해석 모델의 작성이나 해석에 요하는 시간의 단축을 위해, 해석 대상을 쉘 요소로 모델화하여 계산을 실시하고 있는 경우가 많다. 이때, 성형용 공구에 강체의 특성, 금속판에 변형체(탄소성체)의 특성을 부여함으로써, 해석 모델을 간소화하고 있다.

그러나, 실제는 성형용 공구도 변형체(탄소성체)이며, 실제의 금속판 성형에 있어서는 성형용 공구의 탄성 변형(경우에 따라서는 소성 변형)을 수반하면서 성형이 진행된다. 이로 인해, 상기와 같은 해석 모델에서는 성형 시뮬레이션의 해석 결과와 실제 성형품의 실측값과의 정합성이 낮아진다는 문제가 있다. 특히, 부품의 경량화나 충돌 기능의 향상을 도모하기 위해서 고강도의 재료를 사용하는 일이 활발히 행해지고 있으며, 고강도의 금속판을 성형할 때에는 성형 하중이 증대되기 때문에, 성형 시뮬레이션에 있어서의 성형용 공구의 탄성 변형에 의한 영향을 무시할 수 없게 되어 있다. 예를 들어, 성형의 과정에서 금속판의 일부에 판 두께가 두꺼운 두께 증가부가 발생한 경우, 성형용 공구는 탄소성체이기 때문에, 실제로는 금속판의 두께 증가부뿐만 아니라 두께 증가부 이외의 부분에도 성형용 공구가 접촉하게 된다. 그러나, 성형용 공구를 강체라 가정하여 모델화하면, 금속판의 두께 증가부에만 성형용 공구가 접촉된다고 하는 모델로 되어버린다. 따라서, 성형 시뮬레이션의 정밀도를 향상시키기 위해서는, 성형용 공구의 탄성 변형을 고려하는 것이 요망된다.

따라서, 예를 들어 성형용 공구를 솔리드 요소로 모델화하고, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하는 해석 모델이 고려된다. 그러나, 성형용 공구를 솔리드 요소로 모델화하는 경우에는, 성형용 공구를 쉘 요소로 모델화하는 경우와 비교하여, 해석 모델의 작성(메시 분할) 및 해석 실행의 각각에 상당한 수고와 시간이 필요해진다. 그로 인해, 많은 부품 개발을 다루는 양산 현장에 있어서, 이와 같은 해석 모델을 사용하는 것은 현실적이지 않다.

또한, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 금형을 강체라 가정하여 금형 표면만을 쉘 요소로서 모델화하고, 판 성형 시뮬레이션을 행하여, 금형을 탄성체라 가정하여 솔리드 요소로서 모델화하고, 상기 판 성형 시뮬레이션으로 구한 절점 반력을 입력하여, 금형 강성 시뮬레이션을 행하고, 상기 금형 강성 시뮬레이션에서 얻어진 금형 휨 분포를 반영시켜서, 상기 판 성형 시뮬레이션을 다시 행하는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허공개 제2005-138120호 공보 일본 특허공개 제2005-138119호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 금형 강성 시뮬레이션에서는 금형을 솔리드 요소로서 모델화하고 있기 때문에, 해석 모델의 작성에 시간을 요한다. 또한, 해석 결과를 얻기 위해서, 판 성형 시뮬레이션 및 금형 강성 시뮬레이션 등, 많은 스텝을 거칠 필요가 있어, 해석 전체에는 여전히 상당한 수고와 시간을 요한다. 또한, 범용 유한 요소법 해석 소프트웨어만으로는, 일련의 스텝을 간편하게 실행하는 것은 곤란하다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 금속판의 성형 시뮬레이션을 고정밀도이고 또한 효율적으로 실행 가능하게 하기 위한, 유한 요소 모델의 모델 설정 방법, 성형 시뮬레이션 방법, 성형용 공구의 제조 방법, 프로그램, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 유한 요소 모델을 제공하는 데 있다.

본 발명자는, 금속판의 성형 중에 성형용 공구가 탄성 변형하는 상태를 파악하기 위해서, 성형용 공구를 쉘 요소로 모델화하고 강체의 특성을 부여한 경우와, 성형용 공구를 솔리드 요소로 모델화하고 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여한 경우에, 유한 요소법에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션을 행하고, 비교 검토하였다. 그 결과, 성형용 공구의 유한 요소 모델에 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하는 경우에는, 성형용 공구 전체를 대상으로 할 필요는 없으며, 성형용 공구의 금속판과 접촉하는 표면 근방만을 대상으로 하면 된다는 것을 알게 되었다. 이 지견에 기초하여 예의 검토를 거듭한 결과, 성형용 공구를 금속판과 접촉하는 표층과 그 표층을 지지하는 기체와의 가상의 2층 구조로 모델화하고, 표층에 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하고, 기체에 강체의 특성을 부여함으로써, 성형용 공구 표면의 탄성 변형을 고려함과 함께, 성형용 공구의 전체적인 형상을 유지하면서 강체 변위를 제어할 수 있다는 것을 알게 되어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 컴퓨터에 구비된 프로세서에 의해 설정하는 모델 설정 방법이며, 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는, 모델 설정 방법을 제공한다.

상기 발명에 있어서는, 상기 표층은, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소 중 어느 하나로 설정된다. 또한, 상기 기체는, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소로 설정된다.

상기 표층 및 상기 기체로 표현된 상기 성형용 공구 모델은, 상기 성형용 공구의 표면 근방의 영역을, 상기 금속판 접촉면을 따라 모델화한 것이다.

또한, 표층의 두께는, 금속판의 모재 두께의 0.2 내지 5.0배로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 표층의 두께는, 1.0 내지 10㎜로 설정해도 된다. 또한, 여기에서의 「표층의 두께」란, 쉘 요소의 가상 두께, 또는 후육 쉘 요소 혹은 솔리드 요소의 두께를 의미한다. 또한, 여기서의 모재 두께란, 당해 성형용 공구에 의한 성형 전의 금속판의 두께이다.

또한, 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판의 성형 시에 상기 성형용 공구에 대하여 하중이 집중되는 부분을, 상기 표층으로서 설정해도 된다.

복수의 성형용 공구를 모델화하는 경우, 성형용 공구 모델 중 적어도 어느 하나를, 표층 및 기체를 갖는 유한 요소 모델로 나타내도 된다.

또한, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하는 성형 시뮬레이션 방법이며, 상기 금속판을 나타내는 금속판 모델을 설정하는 금속판 모델 설정 스텝과, 상기 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델을 설정하는 성형용 공구 모델 설정 스텝과, 상기 금속판 모델과 상기 성형용 공구 모델을 사용하여, 상기 성형용 공구에 의한 상기 금속판의 성형을 시뮬레이트하는 해석 스텝을 포함하고, 상기 성형용 공구 모델 설정 스텝은, 전술한 모델 설정 방법을 이용해서 제1 성형용 공구 모델을 설정하는 제1 설정 스텝을 포함하는, 성형 시뮬레이션 방법이 제공된다.

상기 성형용 공구 모델 설정 스텝은, 상기 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 나타낸 제2 성형용 공구 모델을 설정하는 제2 설정 스텝을 포함하고, 상기 금속판 모델과 상기 제2 성형용 공구 모델을 사용해서 해석하는 제1 성형 시뮬레이션을 실시하고, 상기 제1 성형 시뮬레이션에 의해 얻어진 상기 금속판의 두께 증가량 및 성형 하중에 기초하여, 상기 제2 성형용 공구 모델의 변경의 필요 여부를 판정하고, 상기 제2 성형용 공구 모델의 변경이 필요하다고 판정된 경우, 상기 제1 성형용 공구 모델을 사용해서 해석하는 제2 성형 시뮬레이션을 실시해도 된다.

또한 본 발명은, 전술한 성형 시뮬레이션 방법을 이용해서 성형용 공구를 설계하고, 제조하는 것을 특징으로 하는 성형용 공구의 제조 방법을 제공한다.

또한, 컴퓨터에, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 설정하는 처리를 실행시키기 위한 프로그램이며, 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는, 프로그램이 제공된다.

또한, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 설정하는 처리를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이며, 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.

또한, 성형용 공구에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션에 사용되는 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델이며, 상기 성형용 공구의 금속판 접촉면의 적어도 일부의 표층이 탄성체 또는 탄소성체로 표현되고, 상기 표층을 지지하는 기체가 강체로 표현되고 있는, 유한 요소 모델이 제공된다.

표층 및 상기 기체로 표현된 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 상기 성형용 공구의 표면 근방의 영역을, 상기 금속판 접촉면을 따라 모델화한 것이다.

탄성체 또는 탄소성체로 표현된 상기 표층은, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소 중 어느 하나이어도 된다. 또한, 강체로 표현된 상기 기체는 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소 중 어느 하나이어도 된다.

상기 표층의 적어도 일부에는, 상기 성형용 공구의 블랭크 홀더의 적어도 일부가 포함되어도 된다. 또한, 상기 표층의 적어도 일부에는 상기 성형용 공구의 볼록 형상부가 포함되어도 된다. 또한, 상기 금속판으로부터 만곡면을 갖는 성형품을 성형하기 위한 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델에 있어서, 상기 표층의 적어도 일부에는, 상기 성형품의 만곡면에 대응하는 상기 성형용 공구의 영역이 포함되어도 된다.

상기 표층의 두께는, 1.0 내지 10㎜로 설정해도 된다. 여기에서의 「표층의 두께」도, 쉘 요소의 가상 두께, 또는 후육 쉘 요소 혹은 솔리드 요소의 두께를 의미한다.

본 발명에 의하면, 금속판의 성형 시뮬레이션을 정밀도 좋게 효율적으로 실행하는 것이 가능하다고 하는 효과를 발휘한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법의 대상으로 되는 성형품의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법의 대상으로 되는 성형용 공구의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구 모델의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4a는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 모식도이며, 표층이 탄성체 혹은 탄소성체의 쉘 요소, 기체가 강체 쉘 요소인 경우를 나타낸다.
도 4b는, 도 4a의 일부를 모식화한 모식도이다.
도 5a는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 모식도이며, 표층이 탄성체 혹은 탄소성체의 후육 쉘 요소, 또는 탄성체 혹은 탄소성체의 솔리드 요소, 기체가 강체 쉘 요소인 경우를 나타낸다.
도 5b는, 도 5a의 일부를 모식화한 모식도이다.
도 6a는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 모식도이며, 표층이 탄성체 혹은 탄소성체의 솔리드 요소, 기체가 강체의 솔리드 요소인 경우를 나타낸다.
도 6b는, 도 6a의 일부를 모식화한 모식도이다.
도 7a는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구 모델의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이며, 성형용 공구 모델의 적어도 일부가 표층 및 기체로 이루어지는 모델로 나타내어지는 경우를 나타낸다.
도 7b는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 사용되는 성형용 공구 모델의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이며, 복수의 성형용 공구 모델 중 적어도 하나가 표층 및 기체로 이루어지는 모델로 나타내어지는 경우를 나타낸다.
도 8a는, 성형품의 일례로서, 높이 방향으로 만곡한 만곡면을 갖는 안장형 형상의 햇형 부재를 나타내는 모식도이다.
도 8b는, 성형품의 다른 일례로서, 폭 방향으로 만곡한 만곡면을 갖는 안장형 형상의 햇형 부재를 나타내는 모식도이다.
도 9는, 유한 요소 모델의 자동 판별 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 10은, 비교예 1의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 11은, 비교예 2의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 12는, 비교예 2의 성형 시뮬레이션에 있어서의 성형용 공구의 높이 방향(Z 방향)의 변형 분포를 나타내는 윤곽도이다.
도 13은, 실시예 1의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 14는, 실시예 2, 3, 6의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 15는, 실시예 4, 7의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 16은, 실시예 5의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 나타내는 개략 사시도이다.
도 17은, 비교예 1, 2 및 실시예 1 내지 3의 성형 시뮬레이션에 있어서의 블랭크 홀더의 면압 분포를 나타내는 윤곽도이다.
도 18a는, 비교예 1, 2 및 실시예 1 내지 3의 성형 시뮬레이션에 있어서의 성형품의 단면 위치를 나타내는 평면도이다.
도 18b는, 도 18a의 I-I 절단선에 있어서의 단면도이다.
도 18c는, 비교예 1, 2 및 실시예 1 내지 3의 성형 시뮬레이션에 있어서의 성형품의 단면에서의 비틀림각을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모델 설정 방법, 성형 시뮬레이션 방법 및 성형용 공구의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 모델 설정 방법 및 성형 시뮬레이션 방법은, 각 처리를 실행하기 위한 컴퓨터에 의해 실행 가능한 프로그램으로서 제공 가능하며, 예를 들어 컴퓨터 등의, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory) 등을 구비하는 정보 처리 장치에 의해 실시될 수 있다. 또한, 이와 같은 프로그램이 저장된, 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체도 제공하는 것이 가능하다. 기록 매체는, 예를 들어 자기 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, 플래시 메모리 등일 수 있다. 또한, 상기의 프로그램은, 기록 매체를 사용하지 않고, 예를 들어 네트워크를 통해서 배신되어도 된다.

<A. 모델 설정 방법 및 성형 시뮬레이션 방법>

본 발명의 일 실시 형태에 따른 모델 설정 방법은, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 컴퓨터에 구비된 프로세서에 의해 설정하는 방법이다. 이러한 모델 설정 방법에서는, 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서, 상기 성형용 공구 모델 중, 금속판을 나타내는 금속판 모델과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고, 상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는 것을 특징으로 한다. 모델 설정 방법에 의해 설정된 유한 요소 모델을 사용하여, 금속판의 성형 시뮬레이션이 행해진다. 이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 모델 설정 방법 및 성형 시뮬레이션 방법에 대하여, 도 1 내지 도 7b를 참조하여 설명한다.

도 1은, 금속판을 성형해서 얻어지는 성형품의 일례를 나타내는 개략 사시도이다. 도 1에 도시한 성형품(30)은, 금속판을 프레스 성형해서 얻어지는 햇형 부재이다. 도 1에 도시한 성형품(30)(햇형 부재)은, 금속판을, 예를 들어 도 2에 도시한 성형용 공구를 사용해서 성형함으로써 얻어진다. 도 2는, 성형용 공구의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 2에 도시한 성형용 공구(10A)는, 프레스 성형용 금형이며, 다이(2)와 펀치(3)와 블랭크 홀더(4)를 갖고 있다. 도 1에 도시한 성형품(30)(햇형 부재)은, 예를 들어 도 2에 도시한 성형용 공구(10A)를 사용하여, 금속판(1)을 다이(2)와 블랭크 홀더(4)로 파지하고, 파지된 금속판(1)에 대하여 펀치(3)를 가압함으로써 얻어진다.

본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법은, 도 2에 도시한 바와 같은 성형용 공구를 사용한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 방법이며, 그 시뮬레이션 결과는, 성형용 공구의 설계 등에 이용하는 것이 가능하다. 성형 시뮬레이션에 있어서 이용하는 유한 요소 모델 중, 성형용 공구를 나타내는 모델은, 본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에 의해 설정된다.

도 3은, 본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에 의해 설정된 성형용 공구 모델의 일례이며, 도 2에 도시한 성형용 공구의 모델을 나타내는 개략 단면도이다. 도 3에 도시한 성형용 공구 모델(10B)에 있어서, 다이 모델(12), 펀치 모델(13) 및 블랭크 홀더 모델(14)은, 모두 표층 및 기체의 가상의 2층 구조로 모델화되어 있다. 다이 모델(12)은, 금속판 모델(11)에 접촉하는 표층(12a)과 표층(12a)을 지지하는 기체(12b)를 갖는다. 펀치 모델(13)은, 금속판 모델(11)에 접촉하는 표층(13a)과 표층(13a)을 지지하는 기체(13b)를 갖는다. 블랭크 홀더 모델(14)은, 금속판 모델(11)에 접촉하는 표층(14a)과 표층(14a)을 지지하는 기체(14b)를 갖는다. 표층(12a, 13a, 14a)은 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖고, 기체(12b, 13b, 14b)는 강체의 특성을 갖고 있다. 또한, 도 3에 있어서는, 설명의 편의상, 기체(12b, 13b, 14b)가 두께를 갖고 있지만, 반드시 두께를 가질 필요는 없다.

후술하는 도 13 및 도 14에, 도 3에 도시한 성형용 공구 모델의 유한 요소 모델의 일 구성예를 나타내고 있다. 도 13의 영역 A의 부분 확대도로 나타내는 성형용 공구의 유한 요소 모델에 있어서, 표층(12a, 13a, 14a)은 탄성체 또는 탄소성체의 쉘 요소, 기체(12b, 13b, 14b)는 강체의 쉘 요소로 모델화하고 있다. 또한, 금속판 모델(11)은 쉘 요소로 모델화하고 있다. 또한, 쌍으로 이루어지는 표층 및 기체에 의해, 하나의 성형용 공구가 표현된다. 예를 들어, 쌍으로 이루어지는 표층(12a) 및 기체(12b)에 의해, 다이가 표현되어 있다. 따라서, 하나의 성형용 공구인 다이를 표층(12a) 및 기체(12b)에 의해 표현하기 위해서, 성형 시뮬레이션에서는, 표층(12a) 및 기체(12b)의 사이에 소정의 구속 조건을 설정함으로써, 기체(12b)가 표층(12a)을 지지하고, 또한 표층(12a)과 일체로 되어 강체 변위하는 것을 표현하고 있다. 또한, 표층(13a) 및 기체(13b)와, 표층(14a) 및 기체(14b)에 대해서도, 마찬가지로 구속 조건이 설정된다. 여기에서의 구속 조건으로서는, 예를 들어 표층과 기체의 사이에 강체 구속 조건을 설정해도 되며, 또한 유한 요소 모델의 표층을 나타내는 요소와 기체를 나타내는 요소의 사이에서, 각 요소를 구성하는 적어도 일부의 절점을 공유함으로써 일체화해도 된다.

또한, 도 14의 영역 A의 부분 확대도로 나타내는 성형용 공구의 유한 요소 모델에 있어서, 표층(12a, 13a, 14a)은 탄성체 또는 탄소성체의 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소, 기체(12b, 13b, 14b)는 강체의 쉘 요소로 모델화하고 있다. 또한, 금속판 모델(11)은 쉘 요소로 모델화하고 있다. 또한, 성형 시뮬레이션에 있어서는, 상기와 마찬가지로, 표층(12a) 및 기체(12b), 표층(13a) 및 기체(13b)와, 표층(14a) 및 기체(14b)에 대하여, 각각 서로의 사이에 구속 조건이 설정된다. 또한, 도 14에서는, 표시상, 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 표층(14a)에 의해 숨겨져 있기 때문에 도시되어 있지 않다.

본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에 있어서는, 성형용 공구를, 금속판과 접촉하는 표층과 그 표층을 지지하는 기체의 가상의 2층 구조로 모델화하고, 표층에 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하고, 기체에 강체의 특성을 부여하고 있다. 이에 의해, 성형용 공구의 금속판과 접촉하는 표면의 탄성 변형을 고려함과 함께, 성형용 공구의 전체적인 형상을 유지하면서 강체 변위를 제어할 수 있다. 따라서, 성형 시뮬레이션의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 기체는, 강체의 특성을 갖기 때문에, 통상 쉘 요소로 할 수 있다. 또한, 표층은, 성형용 공구 중 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부에 설정되는 것이며, 표면 근방의 영역에만 설정된다. 또한, 금속판 접촉면은, 성형용 공구 모델 중 금속판을 나타내는 금속판 모델과의 접촉하는 면 전체를 의미한다. 또한, 성형용 공구의 표면 근방의 영역이란, 성형용 공구의 표면으로부터 공구 내부를 향해서 소정의 두께까지의 영역을 의미한다. 따라서, 가령 표층을 솔리드 요소로 모델화한다고 해도, 성형용 공구 전체를 솔리드 요소로 모델화하는 경우와 비교하여, 성형용 공구의 유한 요소 모델의 작성 시간을 단축할 수 있다. 또한, 표층에는 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하지만, 성형용 공구 전체를 탄성체 또는 탄소성체의 솔리드 요소로 모델화하는 경우와 비교하여, 단시간에 성형 시뮬레이션을 행할 수 있다. 따라서, 금속판의 성형 시뮬레이션을 고정밀도이고 또한 효율적으로 행하는 것이 가능하다.

이하, 본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법 및 성형 시뮬레이션 방법에 대하여 상세히 설명한다.

[1. 성형용 공구의 유한 요소 모델]

본 발명의 실시 형태에 따른 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 성형용 공구의 금속판 접촉면의 적어도 일부의 표층이 탄성체 또는 탄소성체로 표현되고, 상기 표층을 지지하는 기체가 강체로 표현되어 있는 모델이다. 표층 및 기체를 합쳐서 하나의 성형용 공구의 유한 요소 모델이 구성된다.

유한 요소 모델에 있어서, 표층은, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 및 솔리드 요소 중 어느 하나이어도 되지만, 그 중에서도 쉘 요소인 것이 바람직하다. 성형용 공구의 유한 요소 모델의 작성 시간을 단축할 수 있기 때문이다. 또한, 표층이 솔리드 요소 또는 후육 쉘 요소인 경우, 두께 방향의 분할 수는 후술하는 표층의 두께 등에 따라서 적절히 선택된다. 솔리드 요소 또는 후육 쉘 요소의 두께 방향의 분할 수는, 적을수록 바람직하고, 예를 들어 1 내지 2분할 정도인 것이 바람직하다. 성형용 공구의 유한 요소 모델의 작성 시간 및 해석 시간을 단축할 수 있기 때문이다.

표층은, 두께가 설정된다. 표층의 두께는, 금속판의 재료, 판 두께, 크기나, 성형용 공구의 재료, 성형 하중 등에 따라서 적절히 설정되는 것이다. 예를 들어, 성형용 공구를 탄성체 또는 탄소성체의 솔리드 요소로 모델화해서 성형 시뮬레이션을 행함으로써, 표층의 두께를 미리 결정해도 된다. 구체적으로는, 성형용 공구를 탄성체 또는 탄소성체의 솔리드 요소로 모델화해서 성형 시뮬레이션을 행하고, 성형용 공구의 표면 근방의 두께 방향의 변형 분포를 해석하고, 변형이 발생할 수 있는 두께를 표층의 두께로 설정해도 된다.

또한, 일반적인 쉘 요소는, 판 두께 방향의 수직 응력을 항상 제로라 가정하여 정식화되어 있으며, 응력의 균형을 표현할 수 없다. 그러나, 최근에는 판 두께 방향의 응력을 고려 가능한 쉘 요소가 제안되어 있으며, 이 쉘 요소의 사용에 의해 판 두께 방향으로 압축 변형이 부여되는 가공에 대한 해석 정밀도를 향상시킬 수 있다. 본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에 있어서의 유한 요소 모델의 표층에 대해서도, 이 판 두께 방향의 응력을 고려 가능한 쉘 요소를 사용하는 것이 가능하다.

한편, 유한 요소 모델에 있어서, 기체는, 통상 성형용 공구의 유한 요소 모델의 작성 시간의 단축을 위해서, 쉘 요소로 된다. 그러나, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않고, 기체는, 예를 들어 두께 방향으로 1분할된 솔리드 요소 혹은 후육 쉘 요소로 해도 된다. 또한, 기체를 전술한 판 두께 방향의 응력을 고려 가능한 쉘 요소로 하는 것도 가능하지만, 강체의 특성을 부여함으로써, 이 쉘 요소의 특징을 살릴 수는 없기 때문에, 기체로의 판 두께 방향의 응력을 고려 가능한 쉘 요소의 사용은 불필요하다.

전술한 바와 같이 표층 및 기체를 설정해서 표현된 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 성형용 공구의 표면 근방의 영역을, 금속판 접촉면을 따라 모델화한 것이다. 본 실시 형태에 따른 표층 및 기체에 의해 표현된 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 성형용 공구 전체를 모델화한 것이 아니며, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 성형용 공구의 표면 근방의 영역만을 모델화한 것이다. 이에 의해, 유한 요소 모델의 설정을 간편하게 할 수 있음과 함께, 종래의 강체 쉘 요소로 표현된 모델보다도 높은 정밀도의 모델을 설정할 수 있기 때문에, 금속판의 성형 시뮬레이션을 정밀도 좋게 효율적으로 실행하는 것이 가능하게 된다.

구체적으로는, 예를 들어 표층이 쉘 요소, 기체가 쉘 요소인 경우의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 작성하는 경우에는, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 표층(15a)으로서 가상 두께 t의 쉘 요소가 배치되고, 기체(15b)로서 가상 두께 제로의 쉘 요소가 예를 들어 표층(15a)에 접해서 배치된다. 이때, 쉘 요소인 표층(15a)은, 예를 들어 성형용 공구의 표면을 나타내는 파선 위치에서 기체(15b)까지의 가상 두께 t의 두께 방향 중심으로 배치되어 있는 것으로 한다. 또한, 기체(15b)는, 가상 두께 제로이지만, 도 4a에 있어서는 굵은 선에 의해 표현되어 있다. 1개의 쉘 요소는, 도 4b에 도시한 바와 같이, 예를 들어 4개의 절점을 연결해서 형성되는 면으로서 표현된다. 또한, 여기에서는 기체(15b)의 가상 두께를 제로로 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니라, 기체(15b)의 가상 두께로 소정의 두께를 설정하는 것도 가능하다.

또한, 표층을 쉘 요소, 기체를 쉘 요소로 하는 경우에는, 해석 모델의 구축 시간과 해석 시간의 단축을 위해서, 표층의 쉘 요소를 구성하는 절점과 기체의 쉘 요소를 구성하는 절점을 공유해서 일체화해서 모델화해도 된다. 이때, 표층(15a)을 나타내는 쉘 요소에 탄성체 또는 탄소성체의 특성이 부여되고, 기체(15b)를 나타내는 쉘 요소에 강체의 특성이 부여된다. 표층과 기체의 일체화에 의해, 표층과 기체 사이의 구속 조건이 충족된다. 이 경우에는, 도 4a, 도 4b에 도시한 경우와는 달리, 표층(15a)과 기체(15b)는 겹쳐서 배치된다. 또한, 표층과 기체를 절점 공유가 없는 다른 모델로서 작성한 경우에도, 표층(15a)과 기체(15b)의 사이에 예를 들어 강체 구속 등의 소정의 구속 조건을 설정하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션에 사용하는 유한 요소 모델을 설정하는 것이 가능하다.

표층(15a)의 가상 표면에 가해지는 하중을 받아서, 표층(15a)을 나타내는 탄성체 혹은 탄소성체의 쉘 요소의 금속판과 접하는 가상 표면은 변형된다. 한편, 기체(15b)를 나타내는 강체의 쉘 요소는, 강체 변위 이외의 변형은 하지 않는다. 또한, 도 4a 및 도 4b에 있어서, 표층 및 기체가 설정되는 표면 근방의 영역은, 금속판 접촉면으로부터 두께 t의, 금속판 접촉면을 따른 영역으로 된다.

또한, 예를 들어 표층이 솔리드 요소, 기체가 쉘 요소인 경우의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 작성하는 경우에는, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 표층(15a)으로서 두께 t의 솔리드 요소가 배치되고, 기체(15b)로서 가상 두께 제로의 쉘 요소가 표층(15a)에 접해서 배치된다. 도 5a 및 도 5b에 있어서도, 기체(15b)는, 가상 두께 제로이지만, 굵은 선에 의해 표현되어 있다. 1개의 솔리드 요소는, 도 5b에 도시한 바와 같이, 예를 들어 8개의 절점을 연결해서 형성되는 입체로서 표현된다. 솔리드 요소의 표층(15a)은 두께 방향으로 1분할된 것이어도 되며, 도 5b에 도시한 바와 같이 두께 방향으로 복수로 분할해서 구축해도 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 일반적으로, 분할 수가 많아질수록 모델 구축이나 시뮬레이션에 요하는 시간은 커지게 된다. 또한, 도 5a 및 도 5b에 있어서도, 표층 및 기체가 설정되는 표면 근방의 영역은, 금속판 접촉면으로부터 두께 t의, 금속판 접촉면을 따른 영역으로 된다. 또한, 여기에서는 기체(15b)의 두께를 제로로 하고 있지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니라, 기체(15b)의 두께에 소정의 두께를 설정하는 것도 가능하다.

표층을 솔리드 요소, 기체를 쉘 요소로 하는 경우에는, 해석 모델의 구축 시간 및 해석 시간의 단축을 위해서, 표층의 솔리드 요소 중 기체에 마주 대하는 솔리드 요소의 면 절점과, 기체의 쉘 요소의 절점을 공유해서 일체화함으로써 모델화해도 된다. 이때, 표층(15a)을 나타내는 솔리드 요소에 탄성체 혹은 탄소성체의 특성이 부여되고, 기체(15b)를 나타내는 쉘 요소에 강체의 특성이 부여된다. 이 경우, 표층의 솔리드 요소와 기체의 쉘 요소와의 일체화에 의해, 표층과 기체와의 사이의 구속 조건이 충족된다. 또한, 솔리드 요소에 의한 표층과 쉘 요소에 의한 기체를 절점 공유가 없는 다른 모델로서 작성한 경우에도, 표층(15a)과 기체(15b)의 사이에 예를 들어 강체 구속 등의 소정의 구속 조건을 설정하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션에 사용하는 유한 요소 모델을 설정하는 것이 가능하다. 또한 표층을 후육 쉘 요소로 하는 경우도 마찬가지이다. 표층(15a)이 탄성체 혹은 탄소성체의 솔리드 요소로 표현되는 경우에도, 표층(15a)의 표면에 가해지는 하중을 받아서, 표층(15a)을 나타내는 탄성체 또는 탄소성체의 솔리드 요소는 변형된다. 한편, 기체(15b)를 나타내는 강체의 쉘 요소는, 강체 변위 이외의 변형은 하지 않는다.

또한, 예를 들어 표층이 솔리드 요소, 기체가 솔리드 요소인 경우의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 작성하는 경우에는, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 표층(15a)으로서 두께 t의 솔리드 요소가 배치되고, 기체(15b)로서 두께 tb의 솔리드 요소가 표층(15a)에 접해서 배치된다. 이 경우도, 솔리드 요소의 표층(15a)은 두께 방향으로 1분할된 것이어도 되며, 도 6b에 도시한 바와 같이 두께 방향으로 복수로 분할해서 구축해도 된다. 또한, 솔리드 요소의 기체(15b)도 두께 방향으로 복수로 분할해도 되지만, 강체의 특성을 부여하기 위해서 1분할로 충분하다.

또한, 표층을 솔리드 요소, 기체를 솔리드 요소로 하는 경우에는, 해석 모델의 구축 시간 및 해석 시간의 단축을 위해서, 예를 들어 도 6b에 도시한 바와 같이, 성형용 공구의 금속판과 접촉하는 표면 근방의 영역을 두께 방향으로 적어도 2분할 이상의 솔리드 요소로 모델화하고, 금속판 접촉면측에 위치하는 적어도 1분할 이상의 솔리드 요소를 표층(15a)으로서 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 부여하고, 금속판 접촉면측과는 반대측에 위치하는 나머지의 솔리드 요소를 기체(15b)로서 강체의 특성을 부여해도 된다.

이때, 표층(15a)으로서 기능하는 솔리드 요소와 기체(15b)로서 기능하는 솔리드 요소를 연속한 일체의 유한 요소 모델로서 구성한다. 여기에서의 일체의 유한 요소 모델이란, 마주 대하는 표층(15a)과 기체(15b)의 솔리드 요소에 대하여, 마주 대하는 면 및 절점을 서로 공유시킴으로써 일체화해서 형성된 연속하는 모델이다. 표층(15a)의 솔리드 요소와 기체(15b)의 솔리드 요소의 일체화에 의해, 표층(15a)과 기체(15b)의 사이의 구속 조건이 충족된다. 이 경우에도, 전술한 바와 같이, 기체(15b)에는 강체의 특성을 부여하기 위해서, 기체(15b)는 두께 방향으로 1분할하면 충분하다.

또한, 솔리드 요소에 의한 표층(15a)과 기체(15b)를 절점을 공유하지 않는 다른 모델로서 작성한 경우에도, 표층(15a)과 기체(15b)의 사이에 예를 들어 강체 구속 등의 소정의 구속 조건을 설정하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션에 사용하는 유한 요소 모델을 설정하는 것이 가능하다. 표층(15a)이 탄성체 혹은 탄소성체의 솔리드 요소로, 기체(15b)가 강체의 솔리드 요소로 표현되는 경우에도, 표층(15a)의 표면에 가해지는 하중을 받아서, 표층(15a)을 나타내는 탄성체 혹은 탄소성체의 솔리드 요소는 변형된다. 한편, 기체(15b)를 나타내는 강체의 솔리드 요소는 강체 변위 이외의 변형은 하지 않는다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 있어서, 표층 및 기체가 설정되는 표면 근방의 영역은, 금속판 접촉면으로부터 두께 t+tb의, 금속판 접촉면을 따른 영역이 된다.

이와 같은 성형용 공구의 모델화 시에, 표층(15a)의 두께 t는, 금속판의 모재 두께의 0.2 내지 5.0배 정도로 하는 것이 좋다. 표층(15a)의 두께 t가 금속판의 모재 두께의 0.2배보다 얇으면, 해석을 행하는 데 있어서, 두께 증가부에 기인하는 금형 표면이 국소적인 변형을 충분히 고려할 수 없게 된다. 한편, 표층(15a)의 두께 t가 금속판의 모재 두께의 5.0배보다 두꺼우면, 성형용 공구의 능선 R부 등의 볼록 형상부에 있어서 표층이나 기체를 면 내 방향으로 원활하게 연속된 요소군으로서 모델화하는 것이 곤란해지는 경우나, 요소수의 증대에 수반되어 해석 시간이 길어지는 경우가 있다. 또한, 여기에서의 모재 두께라 함은, 당해 성형용 공구에 의한 성형 전의 금속판의 두께이다. 예를 들어, 표층(15a)의 두께 t는, 1.0 내지 10㎜로 설정된다. 전술한 바와 같이, 표층(15a)의 두께 t를 1.0㎜보다 얇게 설정하면, 해석을 행하는 데 있어서, 두께 증가부에 기인하는 금형 표면이 국소적인 변형을 충분히 고려할 수 없게 된다. 또한, 표층(15a)의 두께 t가 10㎜보다 커지면 성형용 공구의 능선 R부 등의 볼록 형상부에 있어서 표층이나 기체를 면 내 방향으로 원활하게 연속된 요소군으로서 모델화하는 것이 곤란해지는 경우나, 요소수의 증대에 수반되어 해석 시간이 길어지는 경우가 있다. 또한, 여기에서의 「표층(15a)의 두께 t」는, 표층(15a)이 쉘 요소인 경우에는, 표층(15a)의 가상 두께 t를 가리키는 것으로 한다.

또한, 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션에 있어서 사용되는 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 당해 모델의 금속판 접촉면의 적어도 일부에 표층을 갖고 있으면 된다. 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 성형용 공구 모델(10B)의 금속판 모델(11)과 접촉하는 부분을 모두 표층(12a, 13a, 14a)으로 해도 된다. 또는, 예를 들어 도 7a, 도 7b에 도시한 바와 같이, 성형용 공구 모델(10B)의 금속판 모델(11)과 접촉하는 부분 중 일부를 표층(12a, 13a, 14a)으로 해도 된다.

보다 구체적으로는, 성형용 공구의 금속판과 접촉하는 부분 중 일부를 2층 구조로서 모델화하는 경우, 도 7a에 도시한 바와 같이, 성형용 공구 모델(10B)의 금속판 모델(11)과 접촉하는 부분의 동안 국소적인 부분을 표층(12a, 13a, 14a)으로 해도 된다. 성형용 공구의 금속판과 접촉하는 부분 중 일부를 2층 구조로서 모델화하는 경우에는, 성형 시에 성형 하중이나 면압 등이 집중되는 부분을 2층 구조로 하는 것이 바람직하다. 금속판의 성형 시 성형용 공구의 탄성 변형을 고려하여, 정밀도 좋게 성형 시뮬레이션을 행할 수 있기 때문이다. 예를 들어 드로잉 성형에 있어서는, 다이 및 펀치의 R부와 블랭크 홀더의 내측에 성형 하중이나 면압 등이 집중하는 경우가 많다. 이것으로부터, 도 7a에 도시한 예에 있어서는, 다이 모델(12)의 R부 및 그 근방에 표층(12a), 펀치 모델(13)의 R부 및 그 근방에 표층(13a), 블랭크 홀더 모델(14)의 내측에 표층(14a)을 갖는 2층 구조로 하고 있다.

또한, 예를 들어 성형용 공구가 복수의 성형용 공구를 구비하는 경우에는, 도 7b에 도시한 바와 같이, 복수의 성형용 공구 중 적어도 하나의 성형용 공구를 표층 및 기체의 2층 구조로 모델화해도 된다. 도 7b에 도시한 예에 있어서는, 다이 모델(12), 펀치 모델(13) 및 블랭크 홀더 모델(14) 중, 다이 모델(12) 및 블랭크 홀더 모델(14)만을 표층(12a, 14a) 및 기체(12b, 14b)의 2층 구조로 모델화하고 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같은 만곡 형상을 갖는 햇형 부재를 성형할 때에는, 다이 및 블랭크 홀더의 탄성 변형 영향이 커지는 경우가 있다. 이와 같은 성형품의 성형 시뮬레이션에서는, 도 7b에 도시한 바와 같이, 다이 모델(12) 및 블랭크 홀더 모델(14)을 표층(12a, 14a) 및 기체(12b, 14b)의 2층 구조로 하는 것이 좋다. 또한, 도 7b에서는, 다이 모델(12) 및 블랭크 홀더 모델(14)을 표층(12a, 14a) 및 기체(12b, 14b)의 2층 구조로 하였지만, 다이 모델(12) 및 블랭크 홀더 모델(14) 중 적어도 어느 한쪽을 2층 구조로 해도 된다.

또한, 도 7b에서는 다이 모델(12)과 블랭크 홀더 모델(14)의 예를 들었지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않고, 표층 및 기체로 이루어지는 2층 구조의 모델로 하는 성형용 공구는, 예를 들어 부재 형상, 모재 두께, 모재 강도 등에 따라서 적절히 선택하면 된다. 예를 들어, 성형용 공구를 사용해서 금속판을 프레스 성형하고, 도 8a 또는 도 8b에 도시한 바와 같은, 플랜지(32, 34)와, 천장판면(36)과, 플랜지(32, 34)와 천장판면(36)을 연결하는 측벽면(33, 35)으로 이루어지는 햇형 부재(30A, 30B)를 얻는 경우를 고려한다. 도 8a에 도시한 바와 같이, 햇형 부재(30A)의 천장판면(36)이 길이 방향(Y 방향)으로, 평탄면(36a)과 높이 방향(Z 방향)으로 오목 형상으로 만곡한 만곡면(36b)을 갖는 안장형 형상을 갖는 경우에는, 천장판면(36)의 만곡면(36b) 또는 당해 만곡면(36b)에 연속하는 측벽면(33b, 35b)에 두께 증가부가 발생하기 쉽다. 따라서, 적어도, 펀치 모델(13)의, 햇형 부재(30A)의 높이 방향으로 오목 형상으로 오목해진 만곡면(36b) 및 만곡면(36b)에 연속하는 측벽면(33b, 35b)에 대응하는 영역과, 또한 다이 모델(12)의, 햇형 부재(30A)의 만곡면(36b) 및 측벽면(33b, 35b)에 대응하는 영역을 표층(12a, 13a)으로 설정하고, 그리고, 표층(12a, 13a)을 지지하는 부분을 기체(12b, 13b)로 설정하고, 2층 구조의 다이 모델(12) 및 펀치 모델(13)을 설정해도 된다. 또한, 다이 모델(12) 및 펀치 모델(13) 중 어느 한쪽을, 표층 및 기체에 의해 표현되는 2층 구조의 유한 요소 모델로 하여도 된다.

또한, 예를 들어 도 8b에 도시한 바와 같이, 햇형 부재(30B)의 측벽면(33, 35)이 길이 방향(Y 방향)으로, 평탄면(33a, 35a)과 폭 방향(X 방향) 내부를 향해서 오목 형상으로 만곡한 만곡면(33b, 35b)을 갖는 안장형 형상을 갖는 경우에는, 측벽면(33)의 만곡면(33b, 35b) 또는 당해 만곡면(33b, 35b)에 연속하는 천장판면(36b)에 두께 증가부가 발생하기 쉽다. 이 경우에도, 성형용 공구 중 적어도 측벽면(33, 35)의 만곡면(33b, 35b)과, 만곡면(33b, 35b)에 연속하는 천장판면(36b)에 대응하는 영역을 표층으로 설정하고, 그리고, 표층을 지지하는 부분을 기체로 설정하고, 2층 구조의 성형용 공구의 유한 요소 모델을 설정하면 된다.

성형용 공구의 종류로서는, 금속판의 성형 방법에 따라서 적절히 선택되는 것이다. 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법은, 후술하는 바와 같이, 드로잉 성형이나 굽힘 성형 등의 프레스 성형, 롤 포밍 등에 적용할 수 있으며, 성형용 공구로서는, 예를 들어 금형, 롤 등을 들 수 있다. 성형용 공구의 구성은, 일반적인 성형용 공구와 마찬가지이다. 그 중에서도, 성형용 공구의 강도나 탄성 계수가 비교적 낮은 경우에 본 발명은 바람직하다. 예를 들어 성형용 공구에 주물이나 아연 합금을 사용하는 경우에는, 강도나 탄성계수가 비교적 낮기 때문에, 금속판의 성형 시 성형용 공구의 탄성 변형이나 경우에 따라서는 소성 변형의 영향이 커지게 된다. 이와 같은 경우, 정밀도 좋게 성형 시뮬레이션을 행할 수 있는 본 발명은 유용하다.

[2. 성형 시뮬레이션]

본 실시 형태에 있어서는, 상기의 모델 설정 방법에 의해 설정된 성형용 공구의 유한 요소 모델을 사용하여, 유한 요소법에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션을 행한다. 성형 시뮬레이션에는, 범용 유한 요소법 해석 소프트웨어가 사용된다. 또한, 성형용 공구의 유한 요소 모델에 있어서는, 쌍으로 이루어지는 표층 및 기체는 합쳐서 하나의 성형용 공구를 표현하는 것이기 때문에, 기체가 표층을 지지하고 또한 표층과 일체로 되어 강체 변위가 가능하도록, 기체와 표층의 사이에 구속 조건을 설정해서 기체와 표층을 결합한다.

금속판의 성형 방법으로서는, 예를 들어 드로잉 성형이나 굽힘 성형 등의 프레스 성형, 롤 포밍 등을 들 수 있다. 그 중에서도 프레스 성형, 특히 드로잉 성형의 경우에 본 발명은 바람직하다. 드로잉 성형에서는 다이 및 블랭크 홀더로 금속판에 주름 누름압을 부하하면서 성형하기 때문에, 성형 하중이나 면압 등이 커지기 쉬워, 금속판의 성형 시 성형용 공구의 탄성 변형 영향이 커지게 된다. 이와 같은 드로잉 성형에 있어서도, 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법을 이용함으로써 정밀도 좋게 성형 시뮬레이션을 행할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 금속판의 성형 시뮬레이션 방법은, 어떠한 형상에도 적용 가능하며, 성형 시뮬레이션의 대상으로 되는 성형품으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 성형의 진행에 수반되어 부분적으로 판 두께의 증가나 감소가 발생하는 성형품에의 적용이 바람직하다. 이와 같은 성형품으로서는, 예를 들어 햇형 단면을 갖는 성형품에 있어서는, 길이 방향으로, 폭 방향 또는 높이 방향의 만곡 형상을 갖는 햇형 부재를 들 수 있다. 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같은, 길이 방향으로, 폭 방향의 만곡 형상을 갖는 햇형 부재에서는, 만곡의 내측 플랜지(32)는, 성형의 진행에 수반되어 길이 방향으로 인장 변형을 받는 신장 플랜지가 된다. 한편, 만곡의 외측 플랜지(34)는, 길이 방향으로 압축 변형을 받는 수축 플랜지가 된다. 신장 플랜지에서는 판 두께 감소가 발생하고, 수축 플랜지에서는 판 두께 증가가 발생한다. 이와 같이 부분적으로 판 두께의 변화가 발생하면 면압 분포도 발생하여, 금속판의 성형 시 성형용 공구의 탄성 변형 영향이 커지게 된다. 따라서, 이와 같은 부분적으로 판 두께의 변화가 발생하는 성형품에 있어서도, 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법을 이용함으로써 정밀도 좋게 성형 시뮬레이션을 행할 수 있다.

[3. 유한 요소 모델의 자동 판별]

전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에서 사용하는 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 금속판과 접촉하고, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층과, 상기 표층을 지지하고, 강체의 특성을 갖는 기체를 갖는다. 이에 의해, 금속판의 성형 시뮬레이션을 고정밀도이고 또한 효율적으로 실행할 수 있다. 한편, 성형 시뮬레이션에서 사용하는 유한 요소 모델은, 성형 시뮬레이션 결과에 요구되는 정밀도나, 성형용 공구의 유한 요소 모델의 작성 시간, 계산 시간 등을 고려하여, 최적의 모델인 것이 바람직하다.

예를 들어, 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 모델화했을 때, 그 시뮬레이션 결과의 정밀도가 허용 범위 내이면, 단시간에 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있으므로 당해 모델을 사용하면 된다. 그러나, 계산 시간은 짧더라도, 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 구축한 유한 요소 모델을 사용했을 때의 시뮬레이션 결과의 정밀도가 허용 범위 밖이라면, 보다 정밀도 좋게 해석할 수 있도록, 유한 요소 모델을 구축할 필요가 있다. 따라서, 예를 들어 이하와 같이, 어떤 성형용 공구의 유한 요소 모델을 사용하거나, 자동 판별하도록 해도 된다.

도 9에, 유한 요소 모델의 자동 구축 처리의 일례를 나타낸다. 이러한 유한 요소 모델의 자동 구축 처리에서는, 우선, 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 모델화하고, 성형 시뮬레이션을 실시한다(S100: 제1 성형 시뮬레이션). 스텝 S100에서 사용하는 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 종래 이용되고 있는 것이며, 구축이 용이해서, 시뮬레이션의 계산 부하를 낮게 할 수 있다. 그러나, 실제의 금속판 성형에 있어서는 성형용 공구의 탄성 변형(혹은 소성 변형)이 발생하고 있기 때문에, 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 모델화한 경우, 시뮬레이션 결과와 실측값과의 차가 커지고, 기대되는 정밀도가 얻어지지 않을 가능성도 있다.

따라서, 스텝 S100에서 구축된 성형용 공구의 유한 요소 모델에 의해 기대되는 정밀도가 얻어지고 있는지 여부를 판정하고, 모델의 변경 필요 여부를 판정한다(S110). 스텝 S110의 판정은, 모재 강도 및 성형품 사이즈에 대하여 미리 설정된 평가 임계값과, 예를 들어 스텝 S100에서 얻어진 두께 증가량과 성형 하중에 기초하여 산출되는 평가 지표를 비교해서 행해도 된다. 평가 지표는, 예를 들어 두께 증가량과 성형 하중과의 적산에 의해 얻어지는 값이어도 된다.

스텝 S110에서, 스텝 S100에서 구축된 유한 요소 모델을 변경할 필요는 없다고 판정된 경우(예를 들어, 평가 지표가 평가 임계값 이하인 경우)에는, 스텝 S100에서 구축된 유한 요소 모델을 사용해서 성형 시뮬레이션을 행하는 것을 결정한다. 한편, 스텝 S100에서 구축된 유한 요소 모델을 변경할 필요가 있다고 판정된 경우(예를 들어, 평가 지표가 평가 임계값을 초과한 경우)에는, 본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에 기초하여, 유한 요소 모델을 재구축한다.

본 실시 형태에 따른 모델 설정 방법에서는, 성형용 공구를, 표층과 기체로 이루어지는 유한 요소 모델로서 설정한다. 따라서, 우선, 성형용 공구의 유한 요소 모델의 표층 두께를 결정한다(S120). 표층의 두께는, 예를 들어 스텝 S100에서 얻어진 두께 증가량과 금형 치수 요건에 기초하여 결정해도 된다. 그리고, 스텝 S120에서 결정된 표층의 두께로 성형용 공구의 유한 요소 모델을 재구축하고, 성형 시뮬레이션을 실시한다(S130: 제2 성형 시뮬레이션).

이와 같이, 성형용 공구의 유한 요소 모델의 정밀도를 평가하고, 성형 시뮬레이션에 사용하는 유한 요소 모델을 자동으로 결정할 수 있도록 함으로써, 유한 요소 모델의 선택 부하를 경감할 수 있다.

<B. 성형용 공구의 제조 방법>

본 발명의 실시 형태에 따른 성형용 공구의 제조 방법은, 전술한 성형 시뮬레이션 방법을 이용하여 성형용 공구를 설계하고, 제조하는 방법이다.

전술한 성형 시뮬레이션 방법에서는, 금속판의 성형 시뮬레이션을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 이로 인해, 실제로 성형용 공구를 사용해서 금속판을 성형한 상태에 가까운 상태를 재현할 수 있다. 따라서, 전술한 성형 시뮬레이션 방법을 이용함으로써, 성형용 공구 제작의 공정수나 리드 타임, 비용을 삭감할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 예를 들어 성형 시뮬레이션 방법에 있어서, 금속판의 성형에 수반되는 깨짐, 주름 등의 성형 불량이나, 성형 후의 금형으로부터의 이형 시의 스프링백에 기인하는 치수 정밀도 불량 등을 해석하고, 그것들의 해석 결과에 기초하여 성형용 공구를 설계하고, 제조하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는, 해석 결과에 기초하여 깨짐이나 주름이 발생하지 않도록, 또한 스프링백이 작아지도록 성형용 공구의 형상 등을 설계하고, 제조하는 것이 가능하게 된다.

성형용 공구의 종류에 대해서는, 전술한 바와 같이, 금속판의 성형 방법에 따라서 적절히 선택되고, 예를 들어 드로잉 성형이나 굽힘 성형 등의 프레스 성형, 롤 포밍 등에 사용되는 금형, 롤 등이 있다. 이들 성형용 공구의 구성은, 일반적인 성형용 공구와 마찬가지이다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이라면, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는, 도 1에 도시한 햇형 부재를 성형품으로 하였다. 이 성형품인 햇형 부재의 단면 형상은, 펀치의 폭(양 측벽 간의 수평 방향 거리) 80㎜, 높이(천장판면과 플랜지면의 수직 방향 거리) 60㎜로 하였다. 또한, 성형 전의 금속판의 폭 240㎜로 하였다. 햇형 부재의 길이는 700㎜이며, 수평면 내의 펀치의 폭 중앙에 있어서 곡률 반경 R1000㎜의 곡률을 갖는 형상으로 하였다. 금속판에는, 인장 강도가 780MPa급으로 판 두께가 1.2㎜의 냉연 강판을 사용하였다.

[비교예 1]

비교예 1로서, 도 10에 도시한 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 다이 모델(22), 펀치 모델(23) 및 블랭크 홀더 모델(24)은 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 모델화하였다.

[비교예 2]

비교예 2로서, 도 11에 도시한 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 다이 모델(22), 펀치 모델(23) 및 블랭크 홀더 모델(24)은 탄성체의 솔리드 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 모델화하였다. 블랭크 홀더 모델(24)의 하측에는, 쿠션 핀(25)이 배치되어 있고, 금속판 모델(11)에 부하되는 주름 누름압은, 블랭크 홀더 모델(24)을 개재해서 쿠션 핀(25)에 의해 부하된다. 또한, 쿠션 핀(25)은 강체로서 모델화하였다.

여기서, 범용 유한 요소법 해석 소프트웨어를 사용하고, 비교예 2의 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 사용해서 금속판의 유한 요소 모델을 프레스 성형하고, 도 1에 도시한 바와 같은 성형품(햇형 부재)을 얻는 드로잉 성형의 성형 시뮬레이션을 행하였다. 해석 모델은, 성형품의 대칭성을 고려하여 1/2 대칭 모델로 하였다. 상기의 도 10 및 도 11의 영역 A의 부분 확대도로 나타내는 단면이 대칭면이다.

도 12에 성형 시뮬레이션에 있어서의 금형 표면의 높이 방향(Z 방향)의 변형 분포를 나타낸다. 도 12는, 도 11에 도시한 다이 모델(22)의 R부(도 11의 파선부 B)에 상당하며, 도 11의 상하 좌우를 반전시킨 도면이다. 도 12로부터, 금속판의 성형 시에는 금형의 표면으로부터 2㎜ 두께 정도까지 변형이 발생하는 것을 알게 되었다. 이러한 점에서, 금속판에 접촉하는 성형용 공구의 표면 근방만을 탄성체 또는 탄소성체로서 모델화함으로써, 성형용 공구의 탄성 변형을 고려한 성형 시뮬레이션을 행할 수 있다는 것이 확인되었다.

[실시예 1]

실시예 1로서, 표층을 탄성체 쉘 요소, 기체를 강체 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 1의 유한 요소 모델을 도 13에 나타낸다. 실시예 1에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 쉘 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 두께의 중심으로 쉘 요소를 배치하였다. 기체의 쉘 요소는 표층의 금속판과 접하는 면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b) 사이에는 강체 구속 조건을 설정하였다. 또한, 표층의 쉘 요소의 가상 두께는 2㎜, 기체의 쉘 요소의 가상 두께는 전술한 바와 같이 0㎜로 하였다.

[실시예 2]

실시예 2로서, 표층을 탄성체 후육 쉘 요소, 기체를 강체 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 2의 유한 요소 모델을 도 14에 도시한다. 실시예 2에서는, 도 14에 도시한 바와 같이, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 후육 쉘 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 또한, 도 14에서는, 표시상, 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 표층(14a)에 의해 가려져 있기 때문에 나타나 있지 않다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 기체의 쉘 요소는 표층의 금속판과 접하는 면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)의 사이에는 강체 구속 조건을 설정하였다. 또한, 기체의 쉘 요소의 가상 두께는 전술한 바와 같이 0㎜로 하였다.

[실시예 3]

실시예 3으로서, 표층을 두께 방향 1분할의 탄성체 솔리드 요소, 기체를 강체 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 3의 유한 요소 모델은, 도 14에 도시한 실시예 2의 금형 유한 요소 모델과 표시상은 동일해졌다. 실시예 3에서는, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 솔리드 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 기체의 쉘 요소는 표층의 금속판과 접하는 면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)의 사이에는 강체 구속 조건을 설정하였다. 또한, 표층은, 두께 방향 1분할의 솔리드 요소로 하였다. 또한, 기체의 쉘 요소의 가상 두께는 전술한 바와 같이 0㎜로 하였다.

[실시예 4]

실시예 4로서, 표층을 두께 방향 1분할의 탄성체 솔리드 요소, 기체를 두께 방향 1분할의 강체 솔리드 요소로 하고, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 4의 유한 요소 모델을 도 15에 도시한다. 실시예 4에서는, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 솔리드 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 솔리드 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 기체의 솔리드 요소는 표층의 금속판과 접하는 면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)의 사이에는 강체 구속 조건을 설정하였다. 또한, 표층은, 두께 방향으로 1분할의 솔리드 요소로 하였다. 또한, 기체는, 두께 방향으로 1분할의 솔리드 요소로 하고, 두께는 2㎜로 하였다.

[실시예 5]

실시예 5로서, 표층을 탄성체 쉘 요소, 기체를 강체 쉘 요소로 하고, 표층과 기체의 쉘 요소의 절점을 공유함으로써 일체화하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 5의 유한 요소 모델을 도 16에 나타낸다. 또한, 도 16에서는 표시상, 표층과 기체와는 겹쳐 있어, 구별되지 않는다. 실시예 5에서는, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 쉘 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)는 서로 절점을 공유하도록 유한 요소 모델을 작성하였다. 또한, 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 금속판과 접촉하는 편측의 가상 표면이 탄성 변형의 대상으로 되기 때문에, 표층의 가상 두께를 실시예 1에 비하여 2배의 4㎜로 하고, 당해 가상 두께의 중심으로 쉘 요소를 배치하였다. 또한, 기체의 쉘 요소의 가상 두께는 전술한 바와 같이 0㎜로 하였다.

[실시예 6]

실시예 6으로서, 표층을 두께 방향 1분할의 탄성체 솔리드 요소, 기체를 강체 쉘 요소로 하고, 표층의 솔리드 요소의 일부 절점과 기체의 쉘 요소의 절점을 공유함으로써 일체화하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 6의 유한 요소 모델은, 도 14에 도시한 실시예 2 및 실시예 3의 금형 유한 요소 모델과 표시상은 동일해졌다. 실시예 6에서는, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 솔리드 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 쉘 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 기체의 쉘 요소는 표층의 금속판 접촉면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)는 표층의 솔리드 요소 중 기체와 접하는 면의 절점과 기체의 쉘 요소의 절점을 서로 공유하도록 유한 요소 모델을 각각 작성하였다. 또한, 표층은, 두께 방향 1분할의 솔리드 요소로 하였다. 또한, 기체의 쉘 요소의 가상 두께는 전술한 바와 같이 0㎜로 하였다.

[실시예 7]

실시예 7로서, 표층을 두께 방향 1분할의 탄성체 솔리드 요소, 기체를 두께 방향 1분할의 강체 솔리드 요소로 하고, 표층의 솔리드 요소의 일부 절점과 기체의 솔리드 요소의 일부 절점을 공유함으로써 일체화하고, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 작성하였다. 실시예 7의 유한 요소 모델은, 도 15에 도시한 실시예 4의 금형 유한 요소 모델과 표시상은 동일해졌다. 실시예 7에서는, 다이 모델(12)의 표층(12a), 펀치 모델(13)의 표층(13a) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 표층(14a)은 탄성체의 솔리드 요소, 다이 모델(12)의 기체(12b), 펀치 모델(13)의 기체(13b) 및 블랭크 홀더 모델(14)의 기체(14b)는 강체의 솔리드 요소, 금속판 모델(11)은 탄소성체의 쉘 요소로 하여, 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 구축하였다. 이 유한 요소 모델에서는, 표층의 두께를 2㎜로 하고, 기체의 솔리드 요소는 표층의 금속판 접촉면과는 반대측의 면에 접하도록 배치하였다. 표층(12a)과 기체(12b), 표층(13a)과 기체(13b), 표층(14a)과 기체(14b)는 서로 접하는 면의 절점을 공유하도록 유한 요소 모델을 각각 작성하였다. 또한, 표층은, 두께 방향 1분할의 솔리드 요소로 하였다. 또한, 기체는, 두께 방향으로 1분할의 솔리드 요소로 하고, 두께는 2㎜로 하였다.

[평가]

범용 유한 요소법 해석 소프트웨어를 사용하고, 비교예 1, 2 및 실시예 1 내지 7의 금형 유한 요소 모델을 사용해서 금속판의 유한 요소 모델을 프레스 성형하고, 도 1에 도시한 바와 같은 성형품(햇형 부재)을 얻는 성형 시뮬레이션을 행하였다. 해석 모델은, 성형품의 대칭성을 고려하여 1/2 대칭 모델로 하였다. 상기의 도 13 내지 도 16의 영역 A의 부분 확대도로 나타내는 단면이 대칭면이다.

(1) 성형 시뮬레이션에 있어서의 블랭크 홀더의 면압 분포

성형 시뮬레이션에 의해, 금속판에 다이 및 블랭크 홀더로 주름 누름압을 부하하면서 드로잉 성형을 실시했을 때의 블랭크 홀더면 위의 면압 분포에 대하여 해석을 행하였다. 도 17의 (a) 내지 (e)에 각각 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 프레스 성형용 금형의 유한 요소 모델을 사용한 경우의 성형 시뮬레이션에 있어서의 블랭크 홀더의 면압 분포를 나타낸다. 비교예 1에서는, 성형품에 있어서 두께 증가가 큰 수축 플랜지측의 길이 방향 중앙부에만 면압이 집중되어 있는 것에 비하여, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에서는, 신장 플랜지측도 포함해서 길이 방향으로 면압이 분포되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 17에는 기재하지 않았지만, 실시예 4 내지 7에 대해서도, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3과 마찬가지로, 신장 플랜지측도 포함해서 길이 방향으로 면압이 분포되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.

(2) 스프링백 해석

성형 시뮬레이션에 의해, 성형 후의 스프링백 해석을 행하였다. 도 18a 및 도 18b에 도시한 바와 같은 성형품의 천장판면의 중앙을 기준으로 했을 때의 천장판면 단부의 비틀림각 θ를 계산하였다. 도 18c에, 성형 시뮬레이션에 있어서의 비틀림각 및 실측값을 나타낸다. 도 18c에 도시한 바와 같이, 성형용 공구를 탄성체 솔리드 요소로 모델화한 비교예 2와, 전술한 본 실시 형태에 따른 성형 시뮬레이션 방법에 의해 성형용 공구를 모델화한 실시예 1 내지 3은, 모두 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 모델화한 비교예 1보다도 비틀림각이 저감하였다. 또한, 실시예 1 내지 3의 해석 정밀도는, 모두 비교예 2와 동등하여, 비교예 1보다도 실측값에 가까운 값을 나타냈다.

또한, 도 18c에는 기재되지 않았지만, 표층을 탄성체의 솔리드 요소, 기체를 강체의 솔리드 요소로 한 실시예 4는, 동일하게 표층을 탄성체의 솔리드 요소로 한 실시예 3과 동일한 비틀림각으로 되었다. 또한, 표층과 기체로 절점을 공유함으로써 일체화해서 유한 요소 모델을 작성하고, 표층을 탄성체의 쉘 요소, 기체를 강체의 쉘 요소로 한 실시예 5는, 동일하게 표층을 탄성체의 쉘 요소, 기체를 강체의 쉘 요소로 한 실시예 1과 동일한 비틀림각으로 되었다. 또한, 표층이 솔리드 요소, 기체가 쉘 요소인 실시예 6은, 동일하게 표층이 솔리드 요소, 기체가 쉘 요소인 실시예 3과 동일한 비틀림각으로 되고, 표층이 솔리드 요소, 기체가 솔리드 요소인 실시예 7은, 동일하게 표층이 솔리드 요소, 기체가 솔리드 요소인 실시예 4와 동일한 비틀림각이 되었다. 즉, 실시예 4 내지 7의 해석 정밀도도, 모두 비교예 2과 동등하여, 비교예 1보다도 실측값에 가까운 값을 나타냈다.

(3) 계산 시간

성형 시뮬레이션에서의 해석 시간을 하기 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 실시예 1 내지 4는, 표층과 기체의 사이에 강체 구속 조건을 설정해서 성형용 공구를 모델화한 경우의 결과이며, 실시예 5 내지 7은, 표층과 기체로 절점을 공유함으로써 일체화해서 성형용 공구를 모델화한 경우의 결과이다.

	금형의 유한 요소 모델	계산 시간
비교예 1	강체 쉘 요소	1시간 30분
비교예 2	탄성체 솔리드 요소	23시간 30분
실시예 1	탄성체 쉘 요소 +강체 쉘 요소	7시간 50분
실시예 2	탄성체 후육 쉘 요소 +강체 쉘 요소	5시간 40분
실시예 3	탄성체 솔리드 요소(1분할) +강체 쉘 요소	5시간 50분
실시예 4	탄성체 솔리드 요소(1분할) +강체 솔리드 요소(1분할)	6시간 25분
실시예 5	탄성체 쉘 요소 +강체 쉘 요소 [표층 - 기체 일체화 모델]	5시간 10분
실시예 6	탄성체 솔리드 요소(1분할) +강체 쉘 요소 [표층 - 기체 일체화 모델]	4시간 50분
실시예 7	탄성체 솔리드 요소(1분할) +강체 솔리드 요소(1분할) [표층- 기체 일체화 모델]	5시간 20분

해석 결과에 대해서는, 성형용 공구를 강체 쉘 요소에 의해 모델화한 비교예 1이 최단으로 되고, 성형용 공구를 탄성체 솔리드 요소로 모델화한 비교예 2가 최장으로 되었다. 이에 반하여, 표층을 탄성체 쉘 요소, 탄성체 후육 쉘 요소 또는 탄성체 솔리드 요소 중 어느 하나로 하고, 기체를 강체 쉘 요소로 하여, 표층과 기체의 사이에 강체 구속 조건을 설정해서 성형용 공구를 모델화한 실시예 1 내지 3 및 표층을 탄성체 솔리드 요소, 기체를 강체 솔리드 요소로 하여, 표층과 기체의 사이에 강체 구속 조건을 설정해서 성형용 공구를 모델화한 실시예 4에서는, 비교예 2에 비하여 계산 시간을 크게 단축할 수 있었다. 또한, 표층과 기체에 의해 절점을 공유함으로써 일체화해서 성형용 공구를 모델화한 실시예 5 내지 7에서는, 실시예 1 내지 4에 대하여 계산 시간을 더욱 단축할 수 있었다.

1: 금속판
2: 다이
3: 펀치
4: 블랭크 홀더
10A: 성형용 공구
10B: 성형용 공구 모델
11: 금속판 모델
12, 22: 다이 모델
12a: 다이 모델의 표층
12b: 다이 모델의 기체
13, 23: 펀치 모델
13a: 펀치 모델의 표층
13b: 펀치 모델의 기체
14, 24: 블랭크 홀더 모델
14a: 블랭크 홀더 모델의 표층
14b: 블랭크 홀더 모델의 기체
30: 성형품

Claims

유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 컴퓨터에 구비된 프로세서에 의해 설정하는 모델 설정 방법이며,
성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는, 모델 설정 방법.
제1항에 있어서,
상기 표층은, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소인, 모델 설정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기체는, 쉘 요소인, 모델 설정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기체는, 솔리드 요소 또는 후육 쉘 요소인, 모델 설정 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층 및 상기 기체로 표현된 상기 성형용 공구 모델은, 상기 성형용 공구의 표면 근방의 영역을, 상기 금속판 접촉면을 따라 모델화한 것인, 모델 설정 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층의 두께는, 상기 금속판의 모재 두께의 0.2 내지 5.0배로 설정되는, 모델 설정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층의 두께는, 1.0 내지 10㎜인, 모델 설정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판의 성형 시에 상기 성형용 공구에 대하여 하중이 집중되는 부분을, 상기 표층으로서 설정하는, 모델 설정 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 상기 성형용 공구를 모델화하는 경우, 상기 성형용 공구 모델 중 적어도 어느 하나를, 상기 표층 및 상기 기체를 갖는 유한 요소 모델로 나타내는, 모델 설정 방법.
유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하는 성형 시뮬레이션 방법이며,
상기 금속판을 나타내는 금속판 모델을 설정하는 금속판 모델 설정 스텝과,
상기 성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델을 설정하는 성형용 공구 모델 설정 스텝과,
상기 금속판 모델과 상기 성형용 공구 모델을 사용하여, 상기 성형용 공구에 의한 상기 금속판의 성형을 시뮬레이트하는 해석 스텝
을 포함하고,
상기 성형용 공구 모델 설정 스텝은, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 모델 설정 방법을 이용하여 제1 성형용 공구 모델을 설정하는 제1 설정 스텝을 포함하는, 성형 시뮬레이션 방법.
제10항에 있어서,
상기 성형용 공구 모델 설정 스텝은, 상기 성형용 공구를 강체 쉘 요소로 나타낸 제2 성형용 공구 모델을 설정하는 제2 설정 스텝을 포함하고,
상기 금속판 모델과 상기 제2 성형용 공구 모델을 사용해서 해석하는 제1 성형 시뮬레이션을 실시하고,
상기 제1 성형 시뮬레이션에 의해 얻어진 상기 금속판의 두께 증가량 및 성형 하중에 기초하여, 상기 제2 성형용 공구 모델의 변경 필요 여부를 판정하고,
상기 제2 성형용 공구 모델의 변경이 필요하다고 판정된 경우, 상기 제1 성형용 공구 모델을 사용해서 해석하는 제2 성형 시뮬레이션을 실시하는, 성형 시뮬레이션 방법.
제10항 또는 제11항에 기재된 성형 시뮬레이션 방법을 이용해서 성형용 공구를 설계하고, 제조하는, 성형용 공구의 제조 방법.
컴퓨터에, 유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 설정하는 처리를 실행시키기 위한 프로그램이며,
성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는, 프로그램.
유한 요소법을 이용하여 성형용 공구에 의한 금속판의 성형을 시뮬레이트하기 위한 유한 요소 모델을 설정하는 처리를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이며,
성형용 공구를 나타내는 성형용 공구 모델의 설정에 있어서,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 금속판과 접촉하는 금속판 접촉면의 적어도 일부를, 탄성체 또는 탄소성체의 특성을 갖는 표층으로 설정하고,
상기 성형용 공구 모델 중, 상기 표층을 지지하는 부분을, 강체의 특성을 갖는 기체로 설정하는, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
성형용 공구에 의한 금속판의 성형 시뮬레이션에 사용되는 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델이며,
상기 성형용 공구의 금속판 접촉면의 적어도 일부의 표층이 탄성체 또는 탄소성체로 표현되고, 상기 표층을 지지하는 기체가 강체로 표현되어 있는, 유한 요소 모델.
제15항에 있어서,
상기 표층 및 상기 기체로 표현된 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델은, 상기 성형용 공구의 표면 근방의 영역을, 상기 금속판 접촉면을 따라 모델화한 것인, 유한 요소 모델.
제15항 또는 제16항에 있어서,
탄성체 또는 탄소성체로 표현된 상기 표층은, 쉘 요소, 후육 쉘 요소 또는 솔리드 요소인, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
강체로 표현된 상기 기체는 쉘 요소인, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
강체로 표현된 상기 기체는, 솔리드 요소 또는 후육 쉘 요소인, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층의 적어도 일부에는, 상기 성형용 공구의 블랭크 홀더의 적어도 일부가 포함되는, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층의 적어도 일부에는 상기 성형용 공구의 볼록 형상부가 포함되는, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속판으로부터 만곡면을 갖는 성형품을 성형하기 위한 상기 성형용 공구의 유한 요소 모델에 있어서, 상기 표층의 적어도 일부에는, 상기 성형품의 만곡면에 대응하는 상기 성형용 공구의 영역이 포함되는, 유한 요소 모델.
제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표층의 두께는, 1.0 내지 10㎜인, 유한 요소 모델.