TW201328909A - 面板評估方法 - Google Patents
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Abstract
本發明為對整體成為在一面側為凸形狀的面板零件的拉伸剛性進行評估的面板評估方法。求出作為面板零件中所設定的評估位置處的第1曲率半徑與第2曲率半徑的比的曲率比，所述第1曲率半徑為面板零件的最大曲率半徑，所述第2曲率半徑為與該最大曲率半徑的曲率方向正交的方向的曲率半徑。而且，求出上述評估位置處的面板零件的板厚。然後，使用上述所求出的曲率比與板厚來求出上述評估位置的負載-位移特性。
Description
本發明是有關於一種對汽車用面板(panel)零件等整體上一面側成為凸形狀的面板零件的拉伸剛性(stretch rigidity)進行評估的面板評估方法。
作為汽車用的面板零件(車門(door)、引擎罩(hood)、天窗(roof)等)所要求的特性之一，可列舉拉伸剛性。先前，該拉伸剛性藉由使用了實際測量拉伸剛性的測量儀的試驗而求出，或者藉由模型(model)的分析方法而求出，從而算出該拉伸剛性。
為了提高上述拉伸剛性，將面板的零件形狀最佳化是有效的方法。尤其面板的曲率會對拉伸剛性產生大的影響。
對此，專利文獻1中記載了如下內容：藉由將面板上的任意位置的最大曲率與最小曲率的和設為固定而進行設計，以使得面板上的拉伸剛性成為固定。
而且，專利文獻2中記載了如下方法：根據天窗面板中央的車體左右方向的曲率半徑與車體前後方向的曲率半徑的積、楊氏模數(Young's Modulus)、及板厚而算出拉伸剛性。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利第3229399號公報
專利文獻2：日本專利特開2004-17682號公報
在專利文獻1的實施例中，利用施加5 kgf的負載時
的位移來調整拉伸剛性。然而，即便在最大曲率與最小曲率的和為固定的條件下，負載達到5 kgf為止的負載-位移曲線的路徑亦各不相同。因此，如專利文獻1所記載般，未必可以說若最大曲率與最小曲率的和相等，則拉伸剛性亦相等。
另一方面，關於專利文獻2，根據該專利文獻2所記載的式，可理解為若車體前後方向的曲率半徑與車體左右方向的曲率半徑的積相等，則拉伸剛性相等。然而，與專利文獻1的情況同樣地，因在車體前後方向的曲率半徑與車體左右方向的曲率半徑的積相等的條件下，負載-位移曲線的路徑各不相同，故未必可以說即便車體前後方向的曲率半徑與車體左右方向的曲率半徑的積相等，則拉伸剛性亦相等。
例如圖11所示，即便達到某負載α時的位移β相等，若如曲線A、曲線B般至此為止的「負載-位移」的路徑不同，則實際按壓面板時的觸感完全不同，從而拉伸剛性並不相等。亦即，若無法高精度地獲得面板的各位置處的被施加了負載的部位的負載-位移關係，則無法以規定的精度來評估面板零件的拉伸剛性。
本發明著眼於上述方面而完成，其目的在於簡便且更高精度地對面板零件的拉伸剛性進行評估。
此處，使用專利文獻2所記載的式而獲得的只不過為負載-位移曲線的開始施加負載時的最初的斜率而已。拉伸剛性的負載-位移曲線通常多顯示為朝上凸的形狀，隨著位
移增大，根據專利文獻2所記載的式所得的值與實際的拉伸剛性值的偏差增大。尤其所要求的拉伸剛性根據評估對象的零件或部位的不同而條件各不相同，從而僅獲得負載-位移曲線的最初的斜率，對於拉伸剛性的評估而言並不充分。
對此，發明者等人獲得了如下的發現：根據評估位置的最小曲率的曲率半徑和與最小曲率正交的方向上的曲率半徑的曲率半徑的比、即曲率比，而負載-位移曲線的路徑不同。另外，大多情況下，與最小曲率正交的方向為最大曲率的方向。亦即，發明者等人透過各種形狀的面板的拉伸剛性的調查而獲得了如下的發現：利用面板上的最小曲率方向和與該最小曲率方向正交的方向的兩個曲率的比、及板厚的組合，能夠更高精度地算出對面板施加負載時的負載-位移曲線。
本發明基於如下發現而完成，其主旨為如下所示。
(1)一種面板評估方法，對整體成為在一面側為凸形狀的面板零件的拉伸剛性進行評估，其特徵在於：求出設定於面板零件的評估位置處的作為面板零件的最大曲率半徑的第1曲率半徑、和作為與上述最大曲率半徑的曲率方向正交的方向的曲率半徑的第2曲率半徑，且求出作為所求出的上述第1曲率半徑與上述第2曲率半徑的比的曲率比，並且求出上述評估位置處的面板零件的板厚，使用所求出的上述曲率比與上述板厚，來求出上述評估位置處的負載-位移特性。
(2)如上述(1)所記載的面板評估方法，其中藉由以上述曲率比及位移作為變數的4次函數所表示的式，來求出使用上述曲率比與上述板厚而求出的上述負載-位移特性。
(3)一種面板評估方法，藉由如上述(1)或(2)所記載的面板評估方法來對多個評估位置進行評估，藉此決定加強位置。
根據本發明，可簡便地對面板的拉伸剛性進行評估。
其次，使用圖式對本發明的實施形態進行說明。
(評估對象)
本實施形態中，對於整體上一面側成為凸形狀的面板零件而言，將作為汽車用面板零件的天窗面板(以下簡稱作面板)設為評估對象。評估對象可為車門面板，亦可為汽車面板零件以外的面板零件。只要為整體上一面側成為凸形狀的面板零件，亦即，即便一部分存在凹的曲率，只要整體的輪廓形狀是由凸的曲率形成，則均可適用。另外，設為從凸側施加負載的情況。
而且，設為如下狀態：在利用以下的方法進行評估的面板中並未設置加強件(reinforcement)或肋(rib)等的加強構件。或者，即便設置了加強構件，亦將加強構件造成的影響低的位置設為評估位置。
(面板設計方法)
圖1是說明使用了本實施形態的拉伸剛性評估方法的
面板設計方法的順序的概略流程圖。
首先，步驟S10中，對要評估的面板的形狀進行初始設定，並決定面板的模型。關於面板形狀，具體而言，設定面板的曲率半徑、板厚。此處，面板的曲率半徑無須在面板上一律相同，亦可具有分布。
然後，在步驟S20中，如圖2般在上述要評估的面板1上設定多個評估位置H。
然後，在步驟S30中，對步驟S20中所設定的多個評估位置分別求出以下的曲率半徑、板厚的值。
關於各評估位置，求出最小曲率的方向，進而求出作為該最小曲率的曲率半徑的最大曲率半徑，且將該曲率半徑設定為第1曲率半徑。進而，求出與上述最小曲率的方向正交的方向上的曲率半徑，且將該求出的曲率半徑設定為第2曲率半徑。然後，求出各評估位置處的板厚。
此處，上述各曲率半徑可根據初始設定的面板形狀的形狀資訊，並利用試算表軟體(spreadsheet software)等軟體而算出，亦可實際測量而求出。
在進行測量時，可藉由使用3點壓力量規(gauge)、使用三維形狀測量儀等的裝置來測量曲率半徑。板厚可藉由測微計(micrometer)或超音波測厚計(thickness meter)等的裝置而求出。
然後，在步驟S40中，根據下式，且根據上述所求出的第1曲率半徑及第2曲率半徑，來求出各評估位置處的曲率比。
曲率比=(第2曲率半徑/第1曲率半徑)
接著，在步驟S50中，對各評估位置的每個位置，將步驟S40中所求出的曲率比、步驟S30中所求出的板厚代入至下述式中，分別求出各評估位置處的負載-位移曲線。
P=P1×Pr(d)×(2.9438×t3+0.1875)...(1)其中，Pr(d)=kd4+ld3+md2+nd
k=ka(Rx/Ry)+kb
l=la(Rx/Ry)+lb
m=ma(Rx/Ry)+mb
n=na(Rx/Ry)+nb
P1=f1(ρx)．ρy 2+f2(ρx)．ρy+f3(ρx)
ρx=1000/Rx
ρy=1000/Ry
f1(ρx)=aa．ρx 2+ab．ρx+ac
f2(ρx)=ab．ρx 2+bb．ρx+bc
f3(ρx)=ac．ρx 2+bc．ρx+cc
此處，P：負載(N)，d：位移(mm)，Rx：第2曲率半徑(mm)，Ry：第1曲率半徑(最大曲率半徑)(mm)，
aa、ab、ac、bb、bc、cc、ka、kb、la、lb、ma、mb、na、nb為常數。
然後，在步驟S60中，根據步驟S50中所求出的各評估位置處的負載-位移曲線，而求出面板上的拉伸剛性低的位置。然後，決定需要進行加強的位置。
另外，在拉伸剛性低的位置比目標最低拉伸剛性低的情況下，可根據上述式進行逆算而求出以該拉伸剛性低的位置為目標的最低拉伸剛性以上的曲率比，更新上述初始設定，並重複進行上述步驟S10~步驟S60的處理。
此處，上述處理可作為一連串的軟體而編入至電腦中。
如上述處理般，可根據評估位置的曲率半徑簡易地且以規定的精度來進行拉伸剛性的評估。結果，可決定需要對面板進行加強的位置。
而且，若使用本實施形態的方法，則可簡便地獲得面板上的任意位置的負載-位移特性，因而能夠在面板上的任意點算出賦予任意負載時的位移、賦予任意位移時的負載。因此，例如施加非常小的負載時的面板的位移、或進行大的位移時的負載等條件不同的情況下的拉伸剛性，均可利用相同的式而簡便地求出。
另外，藉由如下的實驗或分析預先求出上述式中的各常數即可，其中上述實驗中一次性對多個點進行實際測量面板上的測量點的曲率半徑、並對測量點賦予位移而測量負載的作業，上述分析中使用了與上述實驗相同的方法。
此處，上述(1)式的「P1×Pr(d)」的項可作為以曲率比及位移為變數的4次式的函數而歸納。如後述般，由
以曲率比及位移為變數的4次以上的函數來歸納則精度佳。而且，基於藉由曲率比來決定負載-位移曲線的形狀的考慮，可將上述(1)式歸納為以曲率比及位移為變數的1次式、2次式或3次式，但相比於歸納為4次式的情況，精度稍有下降。而且，亦可由以曲率比及位移為變數的5次以上的函數來歸納。然而，計算也會相應地變得複雜。
而且，上述負載-位移特性的式成為除了以曲率比與位移為變數外，亦以板厚為變數的式。在假定板厚為固定的情況下，上述負載-位移特性的式成為僅以曲率比與位移為變數的式。因此，亦可藉由將多個評估位置的各曲率比加以比較，來評估面板的拉伸剛性的分布。亦即，亦可藉由多個評估位置的曲率比來評估面板上的拉伸剛性的狀態。
(關於式的妥當性)
然後，對上述式的妥當性進行補充說明。
發明者等人為了對賦予至拉伸剛性的形狀的效果進行調查，而藉由有限元素分析(finite element analysis)來進行調查、討論。
就方法而言，製作圖3所示的投影面積為500 mm×500 mm的面板，即在x方向及y方向上分別具有相同的曲率半徑的朝上側凸的面板的模型。圖3中，沿橫方向設定x軸，沿縱方向設定y軸。而且，藉由使上述模型的中央以點負載(point load)方式向垂直下方位移，從而獲得負載-位移曲線，且對x方向、y方向各自的曲率半徑與負載-位移關係進行調整。
此處，有限元素分析中所使用的軟體為LS-DYNA(利
偉莫軟體科技公司(Livermore Software Technology Corporation)製造)ver971d R3.2.1，其網眼尺寸(mesh size)約為5 mm×5 mm，板厚為0.65 mm。各模型的四邊完全受到了限制。而且，分析中使用靜態隱式法(static implicit method)。
而且，此時，材料特性中，設為彈性率(楊氏模數)：210 GPa，YP(降服強度(yield strength))：285 MPa，TS(抗張強度)：345 MPa，uEL(均勻伸展率)：20.1%。
另外，確認在模型的四邊的限制為500 mm×500 mm的尺寸的情況下，若進行位移至2 mm為止的分析，則對中央部的負載-位移關係幾乎不會造成影響。
就上述各模型的x方向的曲率半徑(Rx)、y方向的曲率半徑(Ry)的組合而言，以從如下的8種曲率半徑中允許重複的全部組合來進行。而且，所賦予的位移的上限設為2 mm。
曲率半徑：500 mm、1000 mm、1500 mm、2000 mm、5000 mm、10000 mm、15000 mm、20000 mm這8種。
首先，發明者等人對賦予某位移時產生的負載進行調整。亦即，針對各已設定的x方向曲率半徑(Rx)，來變更y方向曲率半徑(Ry)，求出該Ry與位移1 mm時的負載的關係後，獲得圖4所示的關係。另外，圖4的橫軸是為了進行之後的調整而將曲率設為1000倍的ρy(1000/Ry)。
而且，根據圖4，發明者等人獲得如下發現：「ρy與位移1 mm時的負載的關係」為大致一次線性的關係，位移
1 mm所需的負載可藉由曲率半徑來調整。
進而，發明者等人獲得了如下發現：關於圖4所示的曲線，可使用Rx、Ry並根據以下的式來表現。
ρx=1000/Rx
ρy=1000/Ry
f1(ρx)=aa．ρx 2+ab．ρx+ac
f2(ρx)=ab．ρx 2+bb．ρx+bc
f3(ρx)=ac．ρx 2+bc．ρx+cc
P1=f1(ρx)．ρy 2+f2(ρx)．ρy+f3(ρx)
此處，aa~cc為表1所示的常數。
P1表示施加的負載。而且，表2為利用有限元素分析而求得的值。
若對將Rx、Ry代入至上述式所得的解、與表2所示的由有限元素分析所得的位移1 mm時的負載進行作圖(plot)，則成為圖5。根據圖5可知，藉由回歸方程式(regression equation)所得的解與有限元素分析的解大致相等。
如以上般，可使用Rx、Ry而使位移1 mm時的負載回歸。
其次，考慮根據由上述結果所得的位移1 mm時的負載及Rx、Ry，而使負載-位移曲線回歸(regression)。
根據各種試驗與分析的結果，獲得了如下發現：負載-位移曲線的形狀對於Rx與Ry的比率的相關關係強。進而獲得了如下發現：使負載-位移曲線近似以曲率比及位移為變數的4次函數以上的次數的式，藉此可更高精度地近似。
若對以上進行總結，則將正交的二個R設為Rx、Ry，
而能夠由下述式來表現具有曲率的面板的負載(P)-位移(d)曲線。
P=P1×Pr(d)...(2)
其中
Pr(d)=kd4+ld3+md2+nd
k=ka(Rx/Ry)+kb
l=la(Rx/Ry)+lb
m=ma(Rx/Ry)+mb
n=na(Rx/Ry)+nb
P1=f1(ρx)．ρy 2+f2(ρx)．ρy+f3(ρx)
ρx=1000/Rx
ρy=1000/Ry
f1(ρx)=aa．ρx 2+ab．ρx+ac
f2(ρx)=ab．ρx 2+bb．ρx+bc
f3(ρx)=ac．ρx 2+bc．ρx+cc
此處，P：負載(N)，d：位移(mm)，Rx：曲率半徑(mm)，Ry：曲率半徑(mm)，aa、ab、ac、bb、bc、cc、ka、kb、la、lb、ma、mb、na、nb為常數。
將aa~nb表示於表1及表3中。
而且，設為(Rx/Ry)≦1。
上述分析中，Rx、Ry分別相當於面板的最大曲率半徑與最小曲率半徑。發明者等人進而根據分析而發現：對測量點的最小曲率半徑與最大曲率半徑的組合以外的組合的負載-位移曲線的近似進行研究，使用最大曲率半徑和與最大曲率半徑正交的方向的曲率半徑的比，獲得對於近似負載-位移曲線而言最佳的近似。
另外，表1及表3所記載的係數為板厚為0.65 mm的鋼板的情況下的值。亦即，根據目標面板的材質，預先求出上述常數aa~常數nb的值即可。
進而，發明者等人認為藉由對式(2)利用板厚進行修正，而能夠對各種板厚應用式(1)。
此處，一般而言根據材料力學的觀點，可知拉伸剛性與板厚的3次方大致成比例。
因此，對圖6的車門的模型，使外面板的板厚發生變化而進行拉伸剛性的分析。
關於模型製作，藉由三維形狀測量儀來測量實際的車門的形狀，並根據該資料而使用澳汰爾(Altair)公司的
HyperMesh來製作有限元素分析模型。此時，網眼尺寸設為外面板為15 mm，內面板及其他構造構件為10 mm。就要素而言，使用外殼(shell)要素，而全部要素數為20762，內外面板的要素數為4113。內面板的板厚設為1.2 mm，配置於防撞桿(impact beam)、及面板下部的管的壁厚設為2.3 mm，外面板的板厚設為0.7 mm。限制條件設為，作為車門而安裝在車輛上時，使固定於車體框架的位置為完全固定。就要素類型而言，使用多直線近似等向彈塑性體模型。使用LS-DYNA ver971d R3.2.1(Livermore Software Technology Corporation製造)，且使用靜態隱式法(implicit method)來進行分析。
根據將外面板的板厚設為0.7 mm、0.65 mm、0.60 mm的情況下的拉伸剛性的分析結果，求出板厚與拉伸剛性的關係。並根據上述3種板厚的分析結果，針對各自的板厚而將圖6所示的位置的位移2 mm時的負載進行作圖，從而成為圖7。根據圖7可知，拉伸剛性的值與板厚的3次方大致成比例。
此處，在板厚為0.65 mm時，於將僅位移預先所設定的量而所需的負載設為P(0.65)，將相同的位置設為板厚t(mm)的情況下，若將僅位移預先所設定的量而所需的負載設為P(t)，則P(t)可使用P(0.65)並由以下的式來表示。
P(t)=P(0.65)×(2.9438×t3+0.1875)...(3)
式(3)中的P(0.65)與式(2)中的P相同。因此，使用曲率半徑、板厚來確定負載(P)-位移(d)曲線的式最終為下述式。
P=P(0.65)×(2.9438×t3+0.1875)=P1×Pr(d)×(2.9438×t3+0.1875)...(4)
該(4)式成為以曲率比與位移作為變數的4次式的函數。
實施例
接著，對基於上述實施形態的實施例進行說明。
本實施例為要評估的面板為汽車用的車門面板的情況。
(評估方法)
圖8是說明評估試驗的剖面模式圖。
拉伸剛性試驗中，將作為對象的車門面板相對於試驗裝置水平地加以固定，如圖8所示，在從車門面板的外面板側朝向內面板側的方向上，使用高度為16 mm、φ為45 mm的橡膠壓頭(indenter)施加負載，使接觸式位移計從車門背側觸碰到測量位置而測量位移，藉此獲得各測量位置處的負載-位移曲線。此時，車門面板在試驗裝置中的設置是以壓頭相對於外面板測量位置垂直地觸碰的方式來進行，且利用老虎鉗將外面板的大致四角的點加以固定來進行。
另一方面，根據三維形狀測量資料來算出曲率半徑
Rx、Ry。
作為比較對象的評估位置，設為幾乎不會受到防撞桿的加強的影響的「A」、「B」這2點(參照圖9)。
A的位置的曲率半徑分別為Rx=3000 mm，Ry=5000 mm，B的位置的曲率半徑為Rx=3500 mm，Ry=50000 mm。外面板的板厚為0.7 mm。Rx為第2曲率半徑，Ry為第1曲率半徑。
圖10(a)、圖10(b)表示上述評估試驗的測量結果、藉由上述實施形態而求出的曲線圖。
根據圖10(a)、圖10(b)所示的結果可知，藉由應用本發明技術，僅藉由曲率、板厚，便可高精度地表現負載-位移曲線。
而且，圖10(a)、圖10(b)中，一併記錄了將偏離最大曲率半徑+45度、及-45度的2個方向的各曲率半徑代入至上述(4)式所獲得的結果來作為比較例1。
根據圖10(a)、圖10(b)可知，根據最大曲率半徑、及與該最大曲率半徑正交的方向的曲率半徑來進行計算，能夠更高精度地預測實驗結果。
而且，圖10(a)、圖10(b)中一併記錄了將上述曲率半徑、板厚代入至專利文獻2所記載的式所獲得的曲線來作為比較例2。比較例2中，雖可再現負載-位移曲線的初始的斜率，但隨著位移增大，與實驗結果的偏差增大，從而未必可以說能夠高精度地預測拉伸剛性。
1‧‧‧面板
A、B‧‧‧點
H‧‧‧評估位置
Rx、Ry‧‧‧曲率半徑
S10、S20、S30、S40、S50、S60‧‧‧步驟
圖1是說明基於本發明的實施形態的評估方法的流程
圖。
圖2是表示設定於面板的評估位置的示例的模式圖。
圖3是表示分析模型形狀的圖。
圖4是表示位移1 mm所需的負載與y方向曲率的關係的圖。
圖5是對回歸計算結果與有限元素分析結果加以比較的圖。
圖6是表示車門模型的圖。
圖7是表示板厚與位移2 mm所需的負載的關係的圖。
圖8是評估試驗裝置的剖面模式圖。
圖9是表示實施例的評估位置的圖。
圖10(a)、圖10(b)是表示評估結果的圖。
圖11是說明負載-位移的關係的模式圖。
S10、S20、S30、S40、S50、S60‧‧‧步驟
Claims (3)
- 一種面板評估方法，對整體成為在一面側為凸形狀的面板零件的拉伸剛性進行評估，求出設定於面板零件的評估位置處的作為面板零件的最大曲率半徑的第1曲率半徑、及作為與上述最大曲率半徑的曲率方向正交的方向的曲率半徑的第2曲率半徑，且求出作為所求出的上述第1曲率半徑與上述第2曲率半徑的比的曲率比，並且求出上述評估位置處的面板零件的板厚，使用所求出的上述曲率比與上述板厚，來求出上述評估位置處的負載-位移特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之面板評估方法，其中藉由以上述曲率比及位移作為變數的4次函數所表示的式，來求出使用上述曲率比與上述板厚而求出的上述負載-位移特性。
- 一種面板評估方法，藉由如申請專利範圍第1項或第2項所述之面板評估方法來對多個評估位置進行評估，藉此決定加強位置。
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