KR20190046948A - 파단 판정 장치, 파단 판정 프로그램 및 그 방법 - Google Patents

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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

파단 판정 장치(1)는, 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하는 요소 추출부(22)와, 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성하는 기준 성형 한계치 생성부(23)와, 요소 사이즈 및 강재의 인장 강도를 사용하여, 기준 성형 한계치를 변경하여 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하는 열 영향부 성형 한계치 생성부(24)와, 입력 정보를 사용하여 변형 SIM을 실행하고, 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하는 시뮬레이션 실행부(25)와, 변형 정보에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하는 주 변형 결정부(26)와, 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 열 영향부 성형 한계치에 기초하여, 변형 SIM에서 연산된 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는 파단 판정부(27)를 갖는다.

Description

파단 판정 장치, 파단 판정 프로그램 및 그 방법
본 발명은, 파단 판정 장치, 파단 판정 프로그램 및 그 방법에 관한 것이다.
근년, 충돌 안전성 및 경량화의 요청으로부터, 자동차 차체에 대한 고강도 강판의 적용이 급속하게 진전되고 있다. 자동차 차체에 사용되는 고강도 강판은, 판 두께를 증가시키지 않고 충돌 시의 흡수 에너지를 높임과 함께 파괴 강도를 높여준다. 그러나, 강판의 고강도화에 수반하여 강판의 연성이 저하됨으로써, 프레스 성형 시 및 자동차 등의 차량의 충돌 변형 시에 강판이 파단될 우려가 있다. 프레스 성형 시 및 충돌 변형 시의 강판의 상태를 판정하기 위해서, 유한 요소법(Finite Element Method, FEM)에 의한 고정밀도의 충돌 변형 시뮬레이션 및 파단 판정에 대한 요구가 높아지고 있다.
또한, 자동차 등의 차량 조립 공정에 있어서의 강판의 접합 방법으로서, 스폿 용접이 사용되고 있다. 스폿 용접에 의해 조립한 부재는, 스폿 용접부의 주위에 HAZ(Heat affected zone)부라고도 칭해지는 열 영향부가 형성됨이 알려져 있다. HAZ부는, 스폿 용접에 의한 가열의 영향에 의해 강도가 저하되는 경우가 있다. HAZ부의 강도가 저하되면, 충돌 변형 시에 변형이 집중되고, HAZ부로부터 파단이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 충돌 변형 시의 HAZ부의 파단을 고정밀도로 예측할 것이 요구되고 있고, 이에 의해 자동차의 충돌 변형 시뮬레이션의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, HAZ부의 기계적 특성 및 화학 성분 등으로부터 계산되는 재료 파라미터와 변형의 관계를 나타내는 마스터 커브에 기초하여, HAZ부의 파단을 예측하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재하는 기술은, 파단 변형이 미산출인 강종으로 이루어지는 부재에 대해서도, 파단 판정값 산출 프로세스를 실행하지 않고 파단 판정값을 고정밀도로 예측할 수 있다. 그러나, FEM을 사용한 충돌 변형 시뮬레이션에 있어서 HAZ부의 파단을 예측하는 경우, HAZ부의 변형은, 요소 사이즈에 따라 상이하기 때문에, HAZ부가 파단되었다고 판정되는 타이밍이, 요소 사이즈에 따라 상이하다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 요소 사이즈별로 해석 모델을 작성하여, 각각의 모델에서의 파단 변형을 연산하고, 요소 사이즈를 규정하는 파라미터와 파단 변형의 관계로부터 HAZ부의 파단을 예측하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2를 참조). 특허문헌 2에 기재하는 기술은, 요소 사이즈를 규정하는 파라미터와 파단 변형의 관계로부터 요소 사이즈 파라미터의 값을 구함으로써, 요소 사이즈에 관계없이, HAZ부의 파단 변형을 고정밀도로 연산할 수 있다.
일본 특허 공개 제2012-132902호 공보 일본 특허 공개 제2008-107322호 공보
그러나, 특허문헌 2에 기재하는 기술에서는, 파단 변형이 연산되지 않은 강종의 파단 예측을 행할 때, 파단 예측을 행하기 전에 파단 판정값을 연산하는 처리가 필요하기 때문에, 자동차 등의 차량의 충돌 변형 시뮬레이션에 적용하는 것은 용이하지 않다. 파단 판정값을 연산하는 처리는, 다대한 노동력을 필요로 하기 때문에, 자동차 등의 차량의 통상 수천 타점에 달하는 스폿 용접 타점 전체에 대하여 파단 판정값을 결정하는 것은 불가능하다.
그래서, 본 발명은, 자동차 등의 차량과 같은 열 영향부를 많이 포함하는 부재가 충돌 변형할 때의 FEM을 사용한 변형 시뮬레이션에 있어서, 요소 사이즈에 관계없이 열 영향부의 파단을 적절하게 예측 가능한 파단 판정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하는 본 발명은, 이하에 기재하는 파단 판정 장치, 파단 판정 프로그램 및 파단 판정 방법을 요지로 하는 것이다.
(1) 열 영향부를 갖는 강재의 재료 특성 및 판 두께, 그리고 유한 요소법에 의한 강재의 변형 시뮬레이션에 사용하는 해석 모델에 있어서의 요소 사이즈를 나타내는 요소의 입력 정보와, 기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보를 기억하는 기억부와,
강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하는 요소 추출부와,
기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성하는 기준 성형 한계치 생성부와,
강재의 인장 강도를 사용하여 기준 성형 한계치를 변경하고, 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하는 열 영향부 성형 한계치 생성부와,
입력 정보를 사용하여 변형 시뮬레이션을 실행하고, 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하는 시뮬레이션 실행부와,
열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하는 주 변형 결정부와,
주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는 파단 판정부
를 갖는 것을 특징으로 하는 파단 판정 장치.
(2) 요소 추출부는,
두 강재를 접합하는 것을 규정하는 접합 요소를 추출하는 접합 요소 추출부와,
접합 요소와 강재를 형성하는 요소의 접점을 중심점으로 하는 원환을 규정하는 원환 규정부와,
원환에 적어도 일부가 포함되는 요소를, 열 영향부를 형성하는 요소로 결정하는 요소 결정부
를 갖는 (1)에 기재된 파단 판정 장치.
(3) 기준 성형 한계치 생성부는,
접합 요소와 강재를 형성하는 요소의 접점에 인접하는 요소의 재료 특성 및 판 두께를 취득하는 인접 정보 취득부와,
인접 정보 취득부에 의해 취득된 재료 특성으로부터 열 영향부의 재료 특성을 추정하는 재료 특성 추정부와,
재료 특성 추정부에 의해 추정된 재료 특성 및 인접 정보 취득부에 의해 취득된 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성하는 성형 한계치 생성부
를 갖는 (2)에 기재된 파단 판정 장치.
(4) 열 영향부 성형 한계치 생성부는,
열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈를 결정하는 요소 사이즈 결정부와,
강재의 인장 강도를 사용하여, 결정된 요소 사이즈에 따라 기준 성형 한계치를 변경하는 성형 한계치 변경부
를 갖는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 파단 판정 장치.
(5) 요소 사이즈 결정부는,
열 영향부에 포함되는 요소 각각의 요소 사이즈를 추출하는 요소 사이즈 추출부와,
추출된 요소 사이즈 각각으로부터, 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈를 연산하는 요소 사이즈 연산부
를 갖는 (4)에 기재된 파단 판정 장치.
(6) 변형 시뮬레이션은, 강재에 의해 형성된 차량의 충돌 변형 시뮬레이션인, (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 파단 판정 장치.
(7) 상기 대상 성형 한계치 생성부는, 요소 사이즈 및 강재의 인장 강도의 함수인 성형 한계치 예측식을 사용하여 대상 성형 한계치를 생성하고,
성형 한계치 예측식은, ρ는 변형비이며, M은 FEM에 의한 시뮬레이션에 사용하는 해석 모델의 요소의 크기를 나타내는 요소 사이즈이며, ε1은 요소 사이즈 M에 있어서의 최대 주 변형이며, ε2는 요소 사이즈 M에 있어서의 최소 주 변형일 때, 제1 계수 k1 및 제2 계수 k2에 의해
Figure pct00001
로 표시되고, 제1 계수 k1은, 강판의 재료의 인장 강도 TS 그리고, 계수 γ 및 δ로부터
Figure pct00002
로 표시되고, 제2 계수 k2는, 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형 ε1B 및 계수 η로부터
Figure pct00003
로 표시되는, (1)에 기재된 파단 판정 장치.
(8) 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하고,
기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성하고,
요소 사이즈 및 강재의 인장 강도를 사용하여 기준 성형 한계치를 변경하고, 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하고,
강재의 재료 특성 및 판 두께를 포함하는 유한 요소법에 의한 강재의 변형 시뮬레이션을 위한 입력 정보를 사용하여 변형 시뮬레이션을 실행하고, 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하고,
열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하고,
주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는, 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 파단 판정 방법.
(9) 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하고,
기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성하고,
요소 사이즈 및 강재의 인장 강도를 사용하여 기준 성형 한계치를 변경하고, 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하고,
강재의 재료 특성 및 판 두께를 포함하는 유한 요소법에 의한 강재의 변형 시뮬레이션을 위한 입력 정보를 사용하여 변형 시뮬레이션을 실행하고, 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하고,
열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하고,
주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는, 처리를 컴퓨터에 실행시키는 것을 특징으로 하는 파단 판정 프로그램.
일 실시 형태에서는, 열 영향부를 많이 포함하는 부재의 FEM에 의한 변형 시뮬레이션에 있어서, 요소 사이즈에 관계없이 열 영향부의 파단을 적절하게 예측할 수 있다.
도 1은, 성형 한계치 예측식을 사용하여 생성된 성형 한계선과, 실측값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는, 제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은, 제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 의한 파단 판정 처리의 흐름도이다.
도 4는, 도 3에 나타내는 S103의 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 도 4에 나타내는 처리를 설명하기 위한 도면이고, (a) 및 (b)는 S201의 처리를 설명하기 위한 도면이고, (c)는 S202의 처리를 설명하기 위한 도면이고, (d)는 S203의 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 도 3에 나타내는 S104 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 도 3에 나타내는 S105 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 8은, 제2 실시 형태에 관한 파단 판정 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는, 제2 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 의한 파단 판정 처리의 흐름도이다.
도 10은, 요소 사이즈가 상이할 때의 S103의 처리를 설명하기 위한 도면이고 (a)는 S201의 처리를 설명하기 위한 도면이고, (b)는 S202의 처리를 설명하기 위한 도면이고, (c)는 S203의 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 적용예의 일례인 금형 제조 시스템을 나타내는 도면이다.
도 12는, 측정에 사용한 해트 부재 3점 굽힘 시험 장치를 나타내는 도면이고, (a)는 측면도이고, (b)는 (a)의 A-A' 선을 따르는 단면도이다.
도 13은, 실시예 및 비교예의 스폿 용접 근방의 FEM 시뮬레이션 조건을 나타내는 도면이다.
도 14는, 실물에 의한 실험 결과와 실시예 1 및 2와의 비교를 나타내는 도면이고, (a)는 실물의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (b)는 실시예 1의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (c)는 실시예 2의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (d)는 누름 부재의 누름 거리와 해트 부재에 발생하는 하중의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는, 실물에 의한 실험 결과와 비교예 1 및 2와의 비교를 나타내는 도면이고, (a)는 실물의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (b)는 비교예 1의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (c)는 비교예 2의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (d)는 누름 부재의 누름 거리와 해트 부재에 발생하는 하중의 관계를 나타내는 도면이다.
이하 도면을 참조하여, 파단 판정 장치, 파단 판정 프로그램 및 그 방법에 대하여 설명한다. 단, 본 발명의 기술적 범위는 그것들의 실시 형태에 한정되지 않는다.
(실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 개요)
실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, 실측 등에 의해 작성된 기준 요소 사이즈에 있어서의 기준 성형 한계치 정보와, HAZ부(열 영향부)의 재료 특성 및 판 두께에 의해 결정되는 기준 성형 한계치를, 해석 모델에 있어서의 요소의 크기인 요소 사이즈와 강재의 인장 강도의 함수인 성형 한계치 예측식에 의해 변경한다. 실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, 해석 모델에 있어서의 요소의 크기인 요소 사이즈와 강재의 인장 강도의 함수인 성형 한계치 예측식에 의해 변경된 열 영향부 성형 한계치를 사용함으로써, 인장 강도에 따른 대상 성형 한계치를 사용할 수 있다. 실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, 인장 강도에 따른 대상 성형 한계치를 사용할 수 있으므로, 부재에 포함되는 많은 열 영향부의 파단을 단시간에 예측할 수 있다. 이하, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 대하여 설명하기 전에 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 있어서의 파단 판정 처리의 원리를 설명한다.
본 발명의 발명자들은, 실측 등에 의해 작성된 성형 한계선에 대응하는 기준 요소 사이즈에 있어서의 기준 성형 한계치를, 판정 대상으로 하는 강판의 해석 모델에 있어서의 요소 사이즈와 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형의 관계에 기초하여 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형을 예측하는 성형 한계치 예측식을 알아냈다. 즉, 본 발명의 발명자들은, 기준이 되는 기준 성형 한계선에 대응하는 기준 성형 한계치를, 강재의 인장 강도 및 요소 사이즈의 함수인 성형 한계치 예측식에 의해 변경함으로써 생성되는 대상 성형 한계치를 사용하여 파단의 유무를 판단할 수 있음을 알아냈다. 요소 사이즈에 따라, 성형 한계치 예측식을 사용하여 성형 한계치를 변경함으로써, 요소 사이즈에 따른 파단 판단이 가능해진다.
이하에 나타내는 식 (1)은, 본 발명의 발명자들에 의해 알아내진 성형 한계치 예측식이다.
Figure pct00004
여기서, ρ는 변형비이며, M은 유한 요소법을 사용한 시뮬레이션에 있어서 대상으로 하는 요소의 크기를 나타내는 요소 사이즈〔mm〕이고, ε1은 요소 사이즈 M에 있어서의 최대 주 변형이며, ε2는 요소 사이즈 M에 있어서의 최소 주 변형이다. 요소 사이즈 M의 승수인 k1은 제1 계수이고, 요소 사이즈 M의 지수인 k2는 이하에 나타내는 식 (2) 및 (4)를 참조하여 설명하는 바와 같이 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형에 의존하는 제2 계수이다. 식 (1)은, 요소 사이즈 M과 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형의 관계에 기초하여 요소 사이즈 M에 있어서의 최대 주 변형 ε1을 예측하는 식이다. 식 (1)에 있어서, 요소 사이즈 M에 있어서의 최대 주 변형 ε1은, 제1 계수 k1을 승수, 제2 계수 k2를 지수로 하고 또한 요소 사이즈 M을 밑으로 하는 거듭제곱 연산에 의해 연산되는 연산 결과를 승산하여 생성되는 것이 나타난다.
이하에 나타내는 식 (2)는 식 (1)을 보다 상세하게 나타내는 식이다.
Figure pct00005
여기서, TS는 강판 등의 재료의 인장 강도〔MPa〕를 나타내고, ε1B는 기준 요소 사이즈를 나타내고, γ, δ 및 η는 계수를 나타낸다. γ는 음의 값이고, δ는 양의 값이다. 계수 γ 및 δ는, 변형비 ρ에 따라 변화된다. 계수 η는, 기준 요소 사이즈에 의해 결정된다. 식 (1) 및 식 (2)로부터, 제1 계수 k1은,
Figure pct00006
으로 표시된다. 식 (3)에 있어서, 제1 계수 k1은, 변형비 ρ가 일정한 때 강재의 인장 강도 TS에 비례하는, 즉, 변형비 ρ 및 강재의 항장력의 함수임이 나타난다. 식 (3)은, 제1 계수 k1이 강재의 인장 강도 TS에 비례함을 나타내고 있고, 강재의 인장 강도 TS가 증가함에 따라, 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2가 증가됨을 나타낸다. 제1 계수 k1은, 양의 값이고, γ는 음의 값이고, δ는 양의 값이므로, 강재의 인장 강도 TS가 증가함에 따라 제1 계수 k1은 작아진다. 또한, 식 (1) 및 식 (2)로부터, 제2 계수 k2는,
Figure pct00007
로 표시된다. 식 (4)에 있어서, 제2 계수 k2는, 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형 ε1B 및 제1 계수 k1의 함수임이 나타난다. 보다 상세하게는, 식 (4)에 있어서, 제2 계수 k2는 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형의 대수에 비례함이 나타남과 함께, 제2 계수 k2가 제1 계수 k1의 역수의 대수에 비례함이 나타난다.
도 1은, 식 (1) 내지 식 (4)를 참조하여 설명한 성형 한계치 예측식에 의해 변경된 대상 성형 한계치를 사용하여 생성된 성형 한계선과, 실측값의 관계를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 횡축은 최소 주 변형 ε2를 나타내고, 종축은 최소 주 변형 ε1을 나타낸다. 또한, 동그라미 표시는 게이지 길이가 10〔mm〕일 때의 실측값을 나타내고, 사각 표시는 게이지 길이가 6〔mm〕일 때의 실측값을 나타내고, 삼각 표시는 게이지 길이가 2〔mm〕일 때의 실측값을 나타낸다. 곡선(101)은, 게이지 길이가 10〔mm〕인 실측 데이터로부터 생성된 기준 성형 한계치 정보와 재료 특성 및 판 두께로부터 계산된 기준 성형 한계치를 사용하여 작성한 기준 성형 한계선이다. 곡선(102 및 103)은, 식 (1) 내지 식 (4)를 참조하여 설명한 성형 한계선 예측식에 의해 곡선(101)으로 나타난 기준 성형 한계치로부터 변경된 대상 성형 한계치를 사용하여 생성된 대상 성형 한계선을 나타낸다. 곡선(102)은 게이지 길이가 6〔mm〕일 때의 성형 한계선을 나타내고, 곡선(103)은 게이지 길이가 2〔mm〕일 때의 성형 한계선을 나타낸다. 또한, 도 1에 나타내는 실측 및 성형 한계선의 생성에 사용된, 강판의 재료 특성으로서의 인장 강도는 1180〔MPa〕이고, 판 두께는 1.6〔mm〕이다. 일반적으로, 파단부 근방에서는 변형이 국소화되어 있기 때문에, 파단부에 가까워질수록 높은 변형이 발생한다. 그 때문에, 파단부의 변형을 판독하는 게이지 길이가 짧아질수록, 파단부 근방에서 발생한 높은 변형을 판독하기 위해서, 성형 한계치의 값은 높아진다. 즉, 도 1에 있어서 성형 한계선은 보다 위에 위치한다. 또한, 다른 재료 특성의 강재와 비교했을 경우, 일반적으로 강재의 인장 강도 TS가 커지면 강재의 연성이 저하되므로, 파단부 근방의 변형의 값은 작아진다. 그 때문에 도 1에 있어서의 성형 한계 곡선은 보다 아래에 위치하게 된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 기준 성형 한계선으로부터 기준 성형 한계치를 사용하여 변경된 대상 성형 한계선은, 게이지 길이가 2〔mm〕 및 6〔mm〕인 경우도 모두 실측값과 고정밀도로 일치하고 있고, 본 발명에 관한 성형 한계치 예측식이 높은 정밀도를 가짐이 나타난다.
실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, HAZ부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 따른 성형 한계선에 기초하여 파단될지 여부를 판정하므로, 요소 사이즈에 따라 파단 판정이 가능해진다. 또한, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, HAZ부의 해석 정밀도를 향상시키기 위해서 HAZ부에 포함되는 요소의 요소 사이즈를 다른 요소의 요소 사이즈와 상이하게 한 경우에도, 요소 사이즈에 따라 파단을 판정할 수 있다.
(제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 구성 및 기능)
도 2는, 제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치를 나타내는 도면이다.
파단 판정 장치(1)는, 통신부(11)와, 기억부(12)와, 입력부(13)와, 출력부(14)와, 처리부(20)를 갖는다. 통신부(11), 기억부(12), 입력부(13), 출력부(14) 및 처리부(20)는, 버스(15)를 통해 서로 접속된다. 파단 판정 장치(1)는, 강재의 인장 강도를 사용하는 성형 한계치 예측식에 의해, 기준 성형 한계치를 변경하여 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 나타내는 대상 성형 한계치를 생성함과 함께, FEM에 의한 자동차 등의 차량의 충돌 변형 시뮬레이션을 실행한다. 파단 판정 장치(1)는, 생성한 대상 성형 한계치에 기초하여, 충돌 변형 시뮬레이션에 의해 출력되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 변형으로부터, 요소 각각이 파단될지 여부를 판정한다. 일 예에서는, 파단 판정 장치(1)는, FEM에 의한 시뮬레이션이 실행 가능한 퍼스널 컴퓨터이다.
통신부(11)는, 이더넷(등록 상표) 등의 유선 통신 인터페이스 회로를 갖는다. 통신부(11)는, LAN을 통해 도시하지 않은 서버 등과 통신을 행한다.
기억부(12)는, 예를 들어 반도체 기억 장치, 자기 테이프 장치, 자기 디스크 장치, 또는 광 디스크 장치 중 적어도 하나를 구비한다. 기억부(12)는, 처리부(20)에서의 처리에 사용되는 오퍼레이팅 시스템 프로그램, 드라이버 프로그램, 애플리케이션 프로그램, 데이터 등을 기억한다. 예를 들어, 기억부(12)는, 애플리케이션 프로그램으로서, HAZ부에 포함되는 요소 등 요소 각각의 파단을 판정하는 파단 판정 처리를 실행하기 위한 파단 판정 처리 프로그램을 기억한다. 또한, 기억부(12)는, 애플리케이션 프로그램으로서, FEM을 사용한 충돌 변형 시뮬레이션을 실행하기 위한 충돌 변형 시뮬레이션 프로그램 등을 기억한다. 파단 판정 처리 프로그램 및 충돌 변형 시뮬레이션 프로그램 등은, 예를 들어 CD-ROM, DVD-ROM 등 컴퓨터 판독 가능한 가반형 기록 매체로부터, 공지의 셋업 프로그램 등을 사용하여 기억부(12)에 인스톨되어도 된다.
또한, 기억부(12)는, 파단 판정 처리 및 충돌 변형 시뮬레이션에서 사용되는 여러 가지 데이터를 기억한다. 예를 들어, 기억부(12)는, 파단 판정 처리 및 충돌 변형 시뮬레이션에서 사용되는 입력 정보(120) 및 기준 성형 한계치 정보(121) 등을 기억한다.
입력 정보(120)는, 강재의 재료 특성 및 판 두께, 및 유한 요소법에 의한 충돌 변형 시뮬레이션에 있어서의 요소의 크기를 나타내는 요소 사이즈를 포함한다. 강재의 재료 특성은, 응력 변형(stress-strain, S-S) 곡선, S-S곡선의 피팅에 사용되는 Swift의 식에 있어서의 각 계수, 영률, 푸아송비 및 밀도 등을 포함한다. 기준 성형 한계치 정보(121)는, 기준이 되는 요소 사이즈를 나타내는 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계선에 대응하는 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치를 재료 특성 및 판 두께별로 규정할 때 사용된다. 일 예에서는, 기준 성형 한계치 정보(121)는, 재료 특성 및 판 두께마다 실측된 기준 성형 한계선 대응하는 성형 한계치를 포함한다. 또한, 다른 예에서는, 기준 성형 한계선 정보(121)는, Storen-Rice의 이론식으로부터 얻어진 성형 한계선이, 실측된 기준 성형 한계선과 일치하도록 보정한 기준 성형 한계선 대응하는 성형 한계치를 포함한다.
또한, 기억부(12)는, FEM에 의한 충돌 변형 시뮬레이션의 입력 데이터를 기억한다.
또한, 스폿 용접에 의해 형성되는 HAZ부의 재료 특성의 상관관계를 나타내는 HAZ부 특성 테이블(122)을 기억한다. 일 예에서는, 여러 가지 강재에 있어서의 HAZ부의 미소 인장 시험을 실시하고, 모재의 강재의 재료 그레이드와, HAZ부의 재료 특성의 관계를 구하여, HAZ부 특성 테이블(122)에 기억한다. HAZ부의 재료 특성은, 응력 변형 곡선 혹은, 응력 변형 곡선을 Swift의 식으로 피팅함으로써 얻어지는, Swift계수 등으로 기억한다. HAZ부 특성 테이블(122)이 모재의 강재의 재료 그레이드와 HAZ부의 재료 특성의 관계를 기억함으로써, 모재의 강재의 재료 그레이드에 따른 HAZ부의 재료 특성이 명확히 정의된다. 또한, 기억부(12)는, 소정의 처리에 관계되는 일시적인 데이터를 일시적으로 기억해도 된다.
입력부(13)는, 데이터의 입력이 가능하다면 어떤 디바이스여도 되고, 예를 들어 터치 패널, 키보드 등이다. 작업자는, 입력부(13)를 사용하여, 문자, 숫자, 기호 등을 입력할 수 있다. 입력부(13)는, 작업자에 의해 조작되면, 그 조작에 대응하는 신호를 생성한다. 그리고, 생성된 신호는, 작업자의 지시로서, 처리부(20)에 공급된다.
출력부(14)는, 영상이나 화상 등의 표시가 가능하다면 어떤 디바이스여도 되고, 예를 들어 액정 디스플레이 또는 유기 EL(Electro-Luminescence) 디스플레이 등이다. 출력부(14)는, 처리부(20)로부터 공급된 영상 데이터에 따른 영상이나, 화상 데이터에 따른 화상 등을 표시한다. 또한, 출력부(14)는, 종이 등의 표시 매체에, 영상, 화상 또는 문자 등을 인쇄하는 출력 장치여도 된다.
처리부(20)는, 하나 또는 복수개의 프로세서 및 그 주변 회로를 갖는다. 처리부(20)는, 파단 판정 장치(1)의 전체적인 동작을 통괄적으로 제어하는 것이며, 예를 들어 CPU이다. 처리부(20)는, 기억부(12)에 기억되어 있는 프로그램(드라이버 프로그램, 오퍼레이팅 시스템 프로그램, 애플리케이션 프로그램 등)에 기초하여 처리를 실행한다. 또한, 처리부(20)는, 복수의 프로그램(애플리케이션 프로그램 등)을 병렬로 실행할 수 있다.
처리부(20)는, 정보 취득부(21)와, 요소 추출부(22)와, 기준 성형 한계치 생성부(23)와, 열 영향부 성형 한계치 생성부(24)와, 시뮬레이션 실행부(25)와, 주 변형 결정부(26)와, 파단 판정부(27)와, 시뮬레이션 결과 출력부(28)를 갖는다. 요소 추출부(22)는, 접합 요소 추출부(221)와, 원환 규정부(222)와, 요소 결정부(223)를 갖는다. 기준 성형 한계치 생성부(23)는, 인접 정보 취득부(231)와, 재료 특성 추정부(232)와, 성형 한계치 생성부(233)를 갖는다. 열 영향부 성형 한계치 생성부(24)는, 요소 사이즈 추출부(241)와, 요소 사이즈 연산부(242)와, 성형 한계치 변경부(243)를 갖는다. 이들 각 부는, 처리부(20)가 구비하는 프로세서에서 실행되는 프로그램에 의해 실현되는 기능 모듈이다. 혹은, 이들 각 부는, 펌웨어로서 파단 판정 장치(1)에 실장되어도 된다.
(제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 의한 파단 판정 처리)
도 3은, 파단 판정 장치(1)가 충돌 변형 시뮬레이션된 HAZ부의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는 파단 판정 처리의 흐름도이다. 도 3에 나타내는 파단 판정 처리는, 미리 기억부(12)에 기억되어 있는 프로그램에 기초하여, 주로 처리부(20)에 의해 파단 판정 장치(1)의 각 요소와 협동하여 실행된다.
먼저, 정보 취득부(21)는, 인장 강도 등의 재료 특성, 판 두께 및 요소 사이즈를 포함하는 입력 정보(120)를 기억부(12)로부터 취득함(S101)과 함께, 기준 성형 한계치 정보(121)를 기억부(12)로부터 취득한다(S102).
이어서, 요소 추출부(22)는, 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 HAZ부에 포함되는 요소를 추출한다(S103).
이어서, 기준 성형 한계치 생성부(23)는, S102의 처리에서 취득된 기준 성형 한계치 정보(121)에 기초하여, HAZ부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성한다(S104).
이어서, 열 영향부 성형 한계치 생성부(24)는, 식 (1) 내지 식 (4)에 나타내는 성형 한계치 예측식에 의해, S104의 처리에서 생성된 기준 성형 한계치를 변경하고, HAZ부의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 나타내는 열 영향부 성형 한계치를 생성한다(S105).
이어서, 시뮬레이션 실행부(25)는, S101의 처리에서 취득된 입력 정보에 기초하여, 기억부(12)에 기억되는 메시 데이터를 사용하여, 강재에 의해 형성된 자동차 등의 차량의 충돌 변형 시뮬레이션을 FEM에 의해 실행한다(S106). 시뮬레이션 실행부(25)는, 시뮬레이션의 실행 결과로서, 접점의 변위, 요소의 변형 및 요소의 응력을 포함하는 변형 정보를 요소마다 순차 출력한다.
이어서, 주 변형 결정부(26)는, HAZ부의 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2를 결정한다(S107). 일 예에서는, 주 변형 결정부(26)는, S106의 처리에서 출력된 변형 정보에 포함되는 요소 각각의 변형 성분으로부터 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2를 결정한다.
이어서, 파단 판정부(27)는, S107의 처리에서 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2와, S104의 처리에서 생성된 대상 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, HAZ부의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정한다(S108). 파단 판정부(27)는, 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2가 열 영향부 성형 한계선에서 부여되는 역치를 초과하지 않았을 때, 요소가 파단되지 않는다고 판정하고, 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2가 열 영향부 성형 한계선에서 부여되는 역치를 초과했을 때, 요소가 파단된다고 판정한다. 일 예에서는, 열 영향부 성형 한계선은, 대상 성형 한계치의 근사식으로서 연산된다.
이어서, 파단 판정부(27)는, HAZ부의 요소가 파단되었다고 판정하면(S108-"예"), 요소가 파단된 것을 나타내는 요소 파단 정보를 시뮬레이션 실행부(25)에 출력한다(S109). 시뮬레이션 실행부는, 파단이라고 판정된 요소를 소거, 즉 충돌 변형 시뮬레이션용 데이터로부터 삭제할 수도 있다.
기준 성형 한계치 생성부(23), 열 영향부 성형 한계치 생성부(24), 주 변형 결정부(26) 및 파단 판정부(27)의 처리에 대응하는 처리는, HAZ부 이외의 강판의 요소에 대해서도 실행된다. 즉, 기준 성형 한계치 생성부(23)는, 기준 성형 한계치 정보(121)에 기초하여 HAZ부 이외의 요소의 재료 특성 및 판 두께에 따른 기준 성형 한계치를 생성한다. 또한, 도시하지 않은 대상 성형 한계치 생성부는, 성형 한계치 예측식에 의해 기준 성형 한계치를 변경하여 HAZ부 이외의 소자의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 나타내는 대상 성형 한계치를 생성한다. 또한, 주 변형 결정부(26)는, HAZ부 이외의 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2를 결정한다. 그리고, 파단 판정부(27)는, HAZ부 이외의 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2와, S103의 처리에서 생성된 대상 성형 한계치에 기초하여, HAZ부 이외의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정한다.
시뮬레이션 결과 출력부(28)는, 시뮬레이션 실행부(25)가 순차 출력한 변형 정보를 출력한다(S110). 이어서, 시뮬레이션 실행부(25)는, 소정의 시뮬레이션 종료 조건이 성립했는지 여부를 판정한다(S111). 시뮬레이션 종료 시간은, 입력 데이터로부터 취득된다. 시뮬레이션 종료 조건이 성립하였다고 판정할 때까지, 처리가 반복된다.
도 4는, S103의 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 5는 도 4에 나타내는 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 5의 (a) 및 (b)는 S201의 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 5의 (c)는 S202의 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 5의 (d)는 S203의 처리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 접합 요소 추출부(221)는, 두 강재를 접합하는 것을 규정하는 접합 요소를 추출한다(S201).
도 5의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 복수의 제1 셸 요소(410)로 형성되는 제1 강재(401)와, 복수의 제2 셸 요소(420)로 형성되는 제1 강재(401)는, 바 요소(430)를 통해 접합된다. 바 요소(430)는, 빔 요소라고도 칭해지고, 제1 강재(401)와 제2 강재(402)를 결합하는 접합 요소이다. 바 요소(430)는, 제1 단부점(431)에서 제1 강재(401)에 접합되고, 제2 단부점(432)에서 제2 강재(402)에 접합된다.
이어서, 도 5의 (c)에 나타내는 바와 같이, 원환 규정부(222)는, 바 요소(430)의 일단부와 제1 강재(401)의 제1 셸 요소(410)의 접점인 제1 단부점(431)을 중심점으로 하는 원환(440)을 규정한다(S202). 원환(440)의 내경은 입력 정보에 나타나 있는, 스폿 용접에 의한 용접부인 너깃의 너깃 직경에 상당한다. 그 때문에, 원환(440)의 내경은, 너깃 직경 내지 너깃 직경 +0.1 내지 2.0〔mm〕 정도로 하는 것이 바람직하고, 이것에 의해, 원환(440)과 교차하는 영역은 스폿 용접에 의해 발생하는 HAZ부라 정의할 수 있다. 일 예에서는, HAZ부의 폭은 0.1〔mm〕 내지 2〔mm〕 정도이다.
그리고, 도 5의 (d)에 있어서 사선을 쳐서 나타내는 바와 같이, 요소 결정부(223)는, 원환(440)에 적어도 일부가 포함되는 제1 셸 요소(410)를, HAZ부를 형성하는 셸 요소(450)로 결정한다(S203).
도 6은, S104의 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다.
먼저, 인접 정보 취득부(231)는, 접합 요소인 바 요소(403)의 일단부와 제1 강재(401)를 형성하는 제1 셸 요소(410)의 접점인 제1 단부점(431)에 인접하는 제1 셸 요소(411)의 재료 특성 및 판 두께를 취득한다(S301).
인접 정보 취득부(231)는, 도 5의 (b)에 있어서 사선이 쳐진 제1 셸 요소(411)를, 제1 단부점(431)에 인접하는 제1 셸 요소(411)라 판정하고, 인접하는 제1 셸 요소(411)의 재료 특성 및 판 두께를 기억부(12)에 기억되는 입력 정보(120)로부터 취득한다. 일 예에서는, 인접 정보 취득부(231)는, 입력 정보(120)에 포함되는 응력 변형 곡선 혹은, Swift의 식에 나타나는 Swift 계수에 기초하여, 제1 강재(401)의 인장 강도 TS를 이론적으로 계산하여, 인접하는 제1 셸 요소(410)의 재료 그레이드를 취득한다.
이어서, 재료 특성 추정부(232)는, 기억부(12)에 기억되는 HAZ부 특성 테이블(122)을 참조하여, 인접 정보 취득부(231)에 의해 취득된 재료 특성으로부터, HAZ부를 형성하는 셸 요소(450)의 재료 특성을 추정한다(S302).
그리고, 성형 한계치 생성부(233)는, 재료 특성 추정부(232)에 의해 추정된 재료 특성 및 인접 정보 취득부(231)에 의해 취득된 판 두께에 대응하는 기준 성형 한계치를 생성한다(S303). 구체적으로는, 기준 성형 한계치 생성부(22)는, 예를 들어 기억부(12)에 기억된 복수 군의 기준 성형 한계치 중에서 입력 정보(120)에 포함되는 재료 특성 및 판 두께의 조합에 기초하여, 한 무리의 기준 성형 한계치를 선택함으로써, 당해 재료 특성 및 판 두께에 대응하는 기준 성형 한계치를 생성한다. 이 경우, 기준 성형 한계치 정보(121)에 포함되는 복수 군의 기준 성형 한계치는 실측값이다. 또한, 기준 성형 한계치 생성부(22)는, 예를 들어 기억부(12)에 기억된 한 무리의 기준 성형 한계치를 재료 특성 및 판 두께에 따른 실측값으로 보정함으로써 재료 특성 및 판 두께에 대응하는 기준 성형 한계치를 생성한다. 이 경우, 성형 한계선 생성부(233)는, 먼저, Storen-Rice의 이론식으로부터 성형 한계선에 대응하는 성형 한계치를 생성한다. 이어서, 성형 한계치 생성부(233)는, 재료 특성 및 판 두께에 따른 시프트량으로서 기억부(12)에 기억되어 있는 실측값에 기초하여, Storen-Rice의 이론식으로부터 생성한 성형 한계치를 실측값에 따라 시프트하여 당해 재료 특성 및 판 두께에 대응하는 기준 성형 한계치를 생성한다.
도 7은, S105의 처리의 보다 상세한 처리를 나타내는 흐름도이다.
먼저, 요소 사이즈 추출부(241)는, 기억부(12)에 기억되는 메시 데이터로부터, HAZ부에 포함되는 셸 요소(450) 각각의 요소 사이즈를 추출한다(S401).
이어서, 요소 사이즈 연산부(242)는, 요소 사이즈 추출부(241)에 의해 추출된 요소 사이즈 각각으로부터, HAZ부에 포함되는 셸 요소(450)의 요소 사이즈를 연산한다(S402). 일 예에서는, 요소 사이즈 연산부(242)는, 요소 사이즈 추출부(241)에 의해 추출된 요소 사이즈의 평균값을, HAZ부에 포함되는 셸 요소(450)의 요소 사이즈로서 연산한다.
요소 사이즈 추출부(241) 및 요소 사이즈 연산부(242)는, HAZ부에 포함되는 셸 요소(450)의 요소 사이즈를 결정하는 요소 사이즈 결정부로서 기능한다.
그리고, 성형 한계치 변경부(243)는, 성형 한계치 예측식에 의해, 요소 사이즈 연산부(242)에 의해 연산된 요소 사이즈에 따라 기준 성형 한계치를 변경하고, 열 영향부 성형 한계치를 생성한다(S403).
(제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 작용 효과)
파단 판정 장치(1)는, 성형 한계치 예측식에 의해 요소 사이즈에 따라 변경된 열 영향부 성형 한계치를 사용하여 HAZ부가 파단되었는지 여부를 판정하기 위해서, 요소 사이즈에 의존하지 않고 정확하게 HAZ부의 파단 예측을 행할 수 있다.
파단 판정 장치(1)에 의해 정확한 HAZ부의 파단 예측을 행할 수 있으므로, 실제 자동차 부재에서의 충돌 시험의 횟수를 대폭으로 삭감할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 실제 자동차 부재에서의 충돌 시험을 생략하는 것이 가능해진다.
또한, 파단 판정 장치(1)에 의해 정확한 HAZ부의 파단 예측을 행함으로써, 충돌 시의 파단을 방지하는 부재를 컴퓨터 상에서 설계할 수 있기 때문에, 대폭적인 비용 삭감, 개발 기간의 단축에 기여할 수 있다.
(제2 실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 구성 및 기능)
도 8은, 제2 실시 형태에 관한 파단 판정 장치를 나타내는 도면이다.
파단 판정 장치(2)는, 처리부(30)가 처리부(20) 대신에 배치됨이 제1 실시 형태에 관한 파단 판정 장치(1)와 상이하다. 처리부(30)는, 열 영향부 성형 한계 응력 생성부(34) 및 변형 응력 변환부(35)를 갖는 것, 그리고 파단 판정부(36)가 파단 판정부(27) 대신에 배치됨이 처리부(30)와 상이하다. 열 영향부 성형 한계 응력 생성부(34), 변형 응력 변환부(35) 및 파단 판정부(36) 이외의 파단 판정 장치(2)의 구성 요소의 구성 및 기능은, 동일 부호가 붙여진 파단 판정 장치(1)의 구성 요소의 구성 및 기능과 동일하므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
(제2 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에 의한 파단 판정 처리)
도 9는, 파단 판정 장치(2)가 충돌 변형 시뮬레이션된 HAZ부 요소의 각각이 파단될지 여부를 판정하는 파단 판정 처리의 흐름도이다. 도 9에 나타내는 파단 판정 처리는, 미리 기억부(12)에 기억되어 있는 프로그램에 기초하여, 주로 처리부(30)에 의해 파단 판정 장치(2)의 각 요소와 협동하여 실행된다.
S501 내지 S505의 처리는, S101 내지 S105의 처리와 마찬가지이므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다. 열 영향부 성형 한계 응력 생성부(34)는, S505의 처리에서 생성된 기준 성형 한계치를 변경하여 열 영향부 성형 한계 응력을 생성한다(S506).
이어서, 시뮬레이션 실행부(25)는, 유한 요소법을 사용하고, 기억부(12)에 기억되는 메시 데이터를 사용하여, 소정의 충돌이 발생했을 때의 충돌 변형 시뮬레이션을 FEM에 의해 실행한다(S507). 이어서, 주 변형 결정부(26)는, HAZ부의 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2를 결정한다(S508).
이어서, 변형 응력 변환부(35)는, S508의 처리에서 출력된 결정된 HAZ부의 요소 각각의 최대 주 변형 ε1 및 최소 주 변형 ε2를 최대 주응력 및 최소 주응력으로 변환한다(S509).
이어서, 파단 판정부(36)는, S509의 처리에서 변환된 요소 각각의 최대 주응력 및 최소 주응력과, S506의 처리에서 생성된 열 영향부 성형 한계 응력에 기초하여, HAZ부의 요소를 포함하는 요소 각각이 파단될지 여부를 판정한다(S510). 파단 판정부(36)는, 최대 주응력 및 최소 주응력이 열 영향부 성형 한계 응력을 초과하지 않았을 때, 요소가 파단되지 않는다고 판정하고, 최대 주응력 및 최소 주응력이 열 영향부 성형 한계 응력을 초과했을 때, 요소가 파단된다고 판정한다. S511 내지 S513의 처리는, S109 내지 S111의 처리와 마찬가지이므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
(실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 변형예)
파단 판정 장치(1 및 2)는, 차량의 충돌 변형 시뮬레이션에 있어서의 파단 판정 처리를 실행하지만, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, 강판을 프레스 성형 시의 변형 시뮬레이션 등의 다른 시뮬레이션에 있어서 파단 판정 처리를 실행해도 된다. 또한, 설명한 예에서는, 해석 모델의 요소 사이즈가 균일한 경우를 예로 하여 설명되었지만, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치는, 부위에 따라 요소 사이즈가 상이한 해석 모델을 사용해도 된다. 즉, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치가 사용하는 요소 모델은, 복수의 요소 사이즈를 포함하는 것이어도 된다.
또한, 파단 판정 장치(1 및 2)에서는, 바 요소가 제1 강재(401) 및 제2 강재(402)를 결합하는 접합 요소로서 사용되지만, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에서는, 셸 요소, 솔리드 요소 등 다른 요소를 한 쌍의 강재를 접합하는 접합 요소로서 사용해도 된다.
또한, 파단 판정 장치(1 및 2)에서는, 제1 셸 요소(410) 및 제2 셸 요소(420) 각각은, 동일한 요소 사이즈를 갖지만, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치에서는, 요소의 요소 사이즈는, 요소별로 상이해도 된다.
도 10은, 요소 사이즈가 상이할 때의 S103의 처리를 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (a)는 S201의 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 10의 (b)는 S202의 처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 10의 (c)는 S203의 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 (a)에 나타내는 바와 같이, S201의 처리에 의해 접합 요소 추출부(221)에 의해 추출된 접합 요소의 제1 단(531)은, 네 셸 요소(510)로 형성되는 팔각형의 중심에 위치한다. 네 셸 요소(510)로 형성되는 팔각형의 외측에 위치하는 사다리꼴 형상의 네 셸 요소(510)는, HAZ부에 대응하도록, 도시하지 않은 설계자에 의해 배치된다.
도 10의 (b)에 나타내는 바와 같이, S202의 처리에 의해 원환 규정부(222)에 의해, 원환(540)이 네 셸 요소(510)로 형성되는 팔각형 외측에 위치하는 사다리꼴 형상의 네 셸 요소(510)에 포함되게 배치된다.
그리고, 도 10의 (c)에 나타내는 바와 같이, S202의 처리에 의해 요소 결정부(223)에 의해 HAZ부를 형성하는 셸 요소(550)가 결정된다.
(실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 적용예)
도 11은, 실시 형태에 관한 파단 판정 장치의 적용예의 일례인 금형 제조 시스템을 나타내는 도면이다.
금형 제조 시스템(100)은, 파단 판정 장치(1)와, 금형 설계 장치(111)와, 금형 제조 장치(112)를 갖는다. 금형 설계 장치(111)는, 예를 들어 자동차의 바디를 제조하기 위한 금형을 설계하는 장치이며, 파단 판정 장치(1)와 LAN(113)을 통해 접속되는 전기 계산기이다. 금형 설계 장치(111)는, 파단 판정 장치(1)에 의한 파단 판정을 사용하여, 원하는 금형을 나타내는 금형 데이터를 생성한다. 도 8에서는, 금형 설계 장치(111)는, 파단 판정 장치(1)와 별개의 장치로서 배치되지만, 다른 예에서는 파단 판정 장치(1)와 일체화되어도 된다.
금형 제조 장치(112)는, 도시하지 않은 방전 가공기, 밀링 커터 및 연마기 등의 금형 제조 설비를 갖고, 도시하지 않은 교환기에 의해 광역 통신 회선 망인 통신 네트워크(114)를 통해 금형 설계 장치(111)에 접속된다. 금형 제조 장치(102)는, 금형 설계 장치(111)로부터 송신된 금형 데이터에 기초하여, 금형 데이터에 대응하는 금형을 제조한다.
[실시예]
도 12는 측정에 사용한 해트 부재 3점 굽힘 시험 장치를 나타내는 도면이고, 도 12의 (a)는 측면도이며, 도 12의 (b)는 도 12의 (a)의 A-A' 선을 따르는 단면도이다.
해트 부재 3점 굽힘 시험 장치(600)는, 피시험 부재인 해트 부재(601)와, 누름 지그(602)와, 제1 지지 지그(603)와, 제2 지지 지그(604)를 갖는다. 해트 부재(601)는, 해트형으로 프레스 성형된 플랜지부를 갖는 해트 패널(611)과, 해트 패널(611)의 플랜지부에서 스폿 용접부(613)를 통해 접합된 클로징 플레이트(612)로 구성되어 있다. 해트 패널(611)은, 재질의 인장 강도가 1.5〔GPa〕이고 또한 판 두께가 1.6〔mm〕인 핫 스탬프재이다. 클로징 플레이트(612)는, 재질 인장 강도가 440〔MPa〕이고 또한 판 두께가 1.2〔mm〕이다. 해트 부재의 높이는, 60〔mm〕, 폭은, 80〔mm〕이다. 해트 패널(611)의 플랜지부와 클로징 플레이트(612)를 길이 방향으로 50〔mm〕 피치로 스폿 용접함으로써, 스폿 용접부(613)는, 해트 부재(601)의 플랜지부의 길이 방향으로 50〔mm〕 피치로 배치된다.
누름 지그(602)는, 반경이 150〔mm〕인 원기둥형의 부재이며, 해트 부재(601)의, 클로징 플레이트(612)와 대향하는 해트 패널(611)의 표면을 누른다. 제1 지지 지그(603) 및 제2 지지 지그(604)는, 300〔mm〕 이격하여 배치되고, 클로징 플레이트(612)의 이면에서 해트 부재(601)를 지지한다.
도 13은, 실시예 및 비교예의 스폿 용접 근방의 FEM 시뮬레이션 조건을 나타내는 도면이다.
실시예 1에서는, 메쉬 형상은 거미줄형이고, HAZ부의 정의는 본 발명에 의해 HAZ부에 대응하는 요소를 추출한 후에 재료 특성을 규정하고 있다. HAZ부의 평균 요소 사이즈는 1.1〔mm〕이고, 성형 한계선은 본 발명의 예측식에 의한 것이다.
실시예 2에서는, 메쉬 형상은 격자형이고, HAZ부의 정의는 본 발명에 의해 HAZ부에 대응하는 요소를 추출한 후에 재료 특성을 규정하고 있다. HAZ부의 평균 요소 사이즈는 1.3〔mm〕이고, 성형 한계선은 본 발명의 예측식에 의한 것이다.
비교예 1에서는, 메쉬 형상은 거미줄형이고, HAZ부는 정의되지 않고, 성형 한계선은 본 발명의 예측식에 의한 것이다.
비교예 2에서는, 메쉬 형상은 거미줄형이고, HAZ부의 정의는 본 발명에 의해 HAZ부에 대응하는 요소를 추출한 후에 재료 특성을 규정하고 있다. HAZ부의 평균 요소 사이즈는 1.1〔mm〕이고, 성형 한계선은 종래의 Storen-Rice의 이론식에 의한 것이다.
실시예 1 및 2 및 비교예 1 및 2에 있어서, 해트 부재(601)의 모재부의 Swift 계수는, K=2000〔MPa〕, n=0.05, ε0==0.0001이다. 한편, 해트 부재(601)의 HAZ부의 Swift 계수는, K=1400〔MPa〕, n=0.04, ε0==0.0002이다.
도 14는, 실물에 의한 실험 결과와 실시예 1 및 2의 FEM 시뮬레이션 결과의 비교를 나타내는 도면이다. 도 14의 (a)는 실물의 실험 후의 해트 부재를 나타내는 도면이고, 도 14의 (b)는 실시예 1의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 14의 (c)는 실시예 2의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 14의 (d)는 누름 지그(602)의 누름 거리와 누름 반력의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14의 (d)에 있어서, 횡축은 누름 부재(602)의 누름 거리, 즉 스트로크〔mm〕를 나타내고, 종축은 누름 지그에 발생하는 반력, 즉 하중〔kN〕을 나타낸다.
도 14의 (a)에 있어서 화살표 A 및 B로 나타내는 바와 같이, 실물에 의한 실험 결과에서는, 두 HAZ부에 있어서 파단이 발생하였다. 또한, 도 14의 (b)에 있어서 화살표 C 및 D로 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, 실물에 의한 실험 결과와 같은 두 HAZ부에 있어서 파단이 발생하였다. 또한, 도 14의 (c)에 있어서 화살표 E 및 F로 나타내는 바와 같이, 실시예 2에서는, 실물에 의한 실험 결과와 같은 두 HAZ부에 있어서 파단이 발생하였다. 또한, 도 14의 (d)에 나타내는 바와 같이, 실험에 있어서, 파단 발생 직후에 하중이 약간 저하됨을 알 수 있지만, 실시예 1 및 2에 있어서 파단이 발생하는 타이밍은, 실물에 의한 실험에 있어서 파단이 발생하는 타이밍과 대략 동일하고, 또한 파단 발생 직후에 약간 하중이 저하되는 현상도 재현한 것이다.
실시예 1 및 2는, 실물에 의한 실험에 있어서 발생한 HAZ부에서의 파단 위치 및 파단 발생 타이밍을 정확하게 예측할 수 있었다. 또한, 스폿 용접 주위의 메쉬 절단의 방법으로서, 거미줄형으로 자른 실시예 1 및 격자형으로 자른 실시예 2 중 어느 것에 있어서도, 실험 결과를 고정밀도로 예측할 수 있음이 확인되었다.
도 15는, 실물에 의한 실험 결과와 비교예 1 및 2의 FEM 시뮬레이션 결과의 비교를 나타내는 도면이다. 도 15의 (a)는 실물의 실험 후의 해트 부재를 나타내는 도면이고, 도 15의 (b)는 비교예 1의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 15의 (c)는 비교예 2의 FEM 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 15의 (d)는 누름 부재(602)의 누름 거리와 누름 반력의 관계를 나타내는 도면이다. 도 15의 (a)에 나타나는 도면은, 도 14의 (a)에 나타나는 도면과 동일하다. 도 15의 (d)에 있어서, 횡축은 누름 부재(602)의 누름 거리, 즉 스트로크〔mm〕를 나타내고, 종축은 누름 지그에 발생하는 반력 즉, 하중〔kN〕을 나타낸다.
도 15의 (a)에 있어서 화살표 A 및 B로 나타내는 바와 같이, 실물에 의한 실험 결과에서는, 두 HAZ부에 있어서 파단이 발생하였다. 또한, 도 15의 (b)에 나타내는 바와 같이, 비교예 1에서는, 실기로 행한 실험에 있어서의 누름 거리의 범위에서는, 파단은 발생하지 않았다. 또한, 도 15의 (c)에 있어서 화살표 C 내지 F로 나타내는 바와 같이, 비교예 2에서는, 실물에 의한 실험 결과보다도 많은 네 HAZ부에 있어서 파단이 발생하였다. 또한, 도 15의 (d)에 나타내는 바와 같이, 비교예 1은, 파단이 발생하지 않으므로, 누름 거리(스트로크)의 증가에 따라 하중이 증가한다. 한편, 비교예 2에 있어서 파단이 발생하는 타이밍은, 실물에 의한 실험에 있어서 파단이 발생하는 타이밍보다도 이르다. 또한, 비교예 2에서는, 파단 후의 하중의 저하량이, 실물에 의한 실험에 있어서의 파단 후의 하중의 저하량보다도 크다.
비교예 1에서는, HAZ부의 추출 및 재료 특성의 정의가 행해지지 않기 때문에, 실험에 있어서 발생한 HAZ부로부터의 파단을 예측할 수 없어, 전혀 파단이 발생하지 않는 결과가 되고, 실험에 비해 과대한 하중을 발생시키는 결과가 되었다. 또한, 비교예 2에서는, HAZ부의 특성은 정의되어 있기는 하지만, 종래의 Storen-Rice의 이론식에 의한 한계선을 사용하고 있기 때문에, 실험에 비해 과잉으로 파단을 예측하는 결과가 되어, 파단 발생수가 배증되고, 실험과 비교하여 대폭적인 하중 저하가 일어나는 결과가 되었다.

Claims (9)

  1. 열 영향부를 갖는 강재의 재료 특성 및 판 두께, 그리고 유한 요소법에 의한 상기 강재의 변형 시뮬레이션에 사용하는 해석 모델에 있어서의 요소 사이즈를 나타내는 요소의 입력 정보와, 기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보를 기억하는 기억부와,
    상기 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하는 요소 추출부와,
    상기 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 상기 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 상기 기준 성형 한계치를 생성하는 기준 성형 한계치 생성부와,
    상기 강재의 인장 강도를 사용하여 상기 기준 성형 한계치를 변경하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하는 열 영향부 성형 한계치 생성부와,
    상기 입력 정보를 사용하여 상기 변형 시뮬레이션을 실행하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하는 시뮬레이션 실행부와,
    상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하는 주 변형 결정부와,
    상기 주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 상기 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 상기 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는 파단 판정부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 파단 판정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소 추출부는,
    두 강재를 접합하는 것을 규정하는 접합 요소를 추출하는 접합 요소 추출부와,
    상기 접합 요소와 상기 강재를 형성하는 요소의 접점을 중심점으로 하는 원환을 규정하는 원환 규정부와,
    상기 원환에 적어도 일부가 포함되는 요소를, 상기 열 영향부를 형성하는 요소로 결정하는 요소 결정부
    를 갖는 파단 판정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 성형 한계치 생성부는,
    상기 접합 요소와 상기 강재를 형성하는 요소의 접점에 인접하는 상기 요소의 재료 특성 및 판 두께를 취득하는 인접 정보 취득부와,
    상기 인접 정보 취득부에 의해 취득된 재료 특성으로부터 상기 열 영향부의 재료 특성을 추정하는 재료 특성 추정부와,
    상기 재료 특성 추정부에 의해 추정된 재료 특성 및 상기 인접 정보 취득부에 의해 취득된 판 두께에 따른 상기 기준 성형 한계치를 생성하는 성형 한계치 생성부
    를 갖는 파단 판정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 영향부 성형 한계치 생성부는,
    상기 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈를 결정하는 요소 사이즈 결정부와,
    상기 요소 사이즈 및 상기 강재의 인장 강도를 사용하여, 상기 결정된 요소 사이즈에 따라 상기 기준 성형 한계치를 변경하는 성형 한계치 변경부
    를 갖는 파단 판정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 요소 사이즈 결정부는,
    상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 요소 사이즈를 추출하는 요소 사이즈 추출부와,
    상기 추출된 요소 사이즈 각각으로부터, 상기 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈를 연산하는 요소 사이즈 연산부
    를 갖는 파단 판정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 시뮬레이션은, 상기 강재에 의해 형성된 차량의 충돌 변형 시뮬레이션인 파단 판정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대상 성형 한계치 생성부는, 상기 요소 사이즈 및 상기 강재의 인장 강도의 함수인 성형 한계치 예측식을 사용하여 상기 대상 성형 한계치를 생성하고,
    상기 성형 한계치 예측식은, ρ는 변형비이며, M은 FEM에 의한 시뮬레이션에 사용하는 해석 모델의 요소의 크기를 나타내는 요소 사이즈를 나타내는 요소 사이즈이며, ε1은 요소 사이즈 M에 있어서의 최대 주 변형이며, ε2는 요소 사이즈 M에 있어서의 최소 주 변형일 때, 제1 계수 k1 및 제2 계수 k2에 의해
    Figure pct00008

    로 표시되고, 제1 계수 k1은, 상기 강판의 재료의 인장 강도 TS 그리고, 계수 γ 및 δ로부터
    Figure pct00009

    로 표시되고, 제2 계수 k2는, 상기 기준 요소 사이즈에 있어서의 최대 주 변형 ε1B 및 계수 η로부터
    Figure pct00010

    로 표시되는, 파단 판정 장치.
  8. 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하고,
    기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 상기 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 상기 기준 성형 한계치를 생성하고,
    상기 요소 사이즈 및 상기 강재의 인장 강도를 사용하여 상기 기준 성형 한계치를 변경하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하고,
    상기 강재의 재료 특성 및 판 두께를 포함하는 유한 요소법에 의한 상기 강재의 변형 시뮬레이션을 위한 입력 정보를 사용하여 상기 변형 시뮬레이션을 실행하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하고,
    상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하고,
    상기 주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 상기 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 상기 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는,
    것을 포함하는 것을 특징으로 하는 파단 판정 방법.
  9. 강재의 스폿 용접부의 주위에 형성된 열 영향부에 포함되는 요소를 추출하고,
    기준이 되는 요소 사이즈인 기준 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치가 되는 기준 성형 한계치를 나타내는 기준 성형 한계치 정보에 기초하여, 상기 열 영향부의 재료 특성 및 판 두께에 따른 상기 기준 성형 한계치를 생성하고,
    상기 요소 사이즈 및 상기 강재의 인장 강도를 사용하여 상기 기준 성형 한계치를 변경하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소의 요소 사이즈에 있어서의 성형 한계치를 예측하여 열 영향부 성형 한계치를 생성하고,
    상기 강재의 재료 특성 및 판 두께를 포함하는 유한 요소법에 의한 상기 강재의 변형 시뮬레이션을 위한 입력 정보를 사용하여 상기 변형 시뮬레이션을 실행하고, 상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 변형을 포함하는 변형 정보를 출력하고,
    상기 열 영향부에 포함되는 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형을 결정하고,
    상기 주 변형이 결정된 요소 각각의 최대 주 변형 및 최소 주 변형과, 상기 열 영향부 성형 한계치에 의해 규정되는 열 영향부 성형 한계선에 기초하여, 상기 해석 모델에 있어서의 요소 각각이 파단될지 여부를 판정하는,
    처리를 컴퓨터에 실행시키는 것을 특징으로 하는 파단 판정 프로그램.
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