WO2017135432A1 - 破断予測方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、スポット溶接で接合された部材を被測定対象物として、有限要素法(FEM)による変形シミュレーションを行い、当該部材のスポット溶接部の破断を予測する。
図2は、第1の実施形態による破断予測装置の概略構成を示す模式図である。図3は、第1の実施形態による破断予測方法をステップ順に示すフロー図である。
ステップS11では、第1の算出部1は、スポット溶接部14に時々刻々に加わる荷重のせん断力成分や軸力を取得し、合力及びその方向を算出する。
ステップS12では、第1の算出部1は、スポット溶接部14に加わる荷重の方向をフランジ面13a上に投影させる。ステップS11にて算出された合力は、任意の3次元方向を取り得るため、スポット溶接部が設けられた面に荷重方向を投影する。
本実施形態では、有効幅の算出に、スポット距離及びフランジ幅の一方を長軸、他方を短軸とする楕円則を適用する。図6A、図6Bに示すように、スポット溶接部14を中心とし、第1幅であるスポット間距離を長軸、第2幅であるフランジ幅を短軸として楕円式を作成する。第1の算出部1は、スポット溶接部14においてフランジ面13a上に投影された荷重の方向と直交する方向の楕円の直径を、有効幅として算出する。
具体的に、スポット溶接部にせん断力が主に加わる場合の破断予測式は、
Fs=TS・W・t/α ・・・(1)
α=a/(D/W)b+c
ここで、Fsは破断予測荷重、a,b,cは実験結果をフィッティングするためのパラメータである。
Fn=(d・D・t+e)・(f・t+g)・(h・TS+i)・(j・Ceq+k) ・・・(2)
ここで、Fnは破断予測荷重、Ceqは炭素当量、d,e,f,g,h,i,j,kは、実験結果をフィッティングするためのパラメータである。
Mf=(l・el・E・D・t3+m)・(n・t+o)・(p・D+q)・(r・W+s)・(u・L+v)・(y・Me+z) ・・・(3)
ここで、Mfは破断予測モーメント、elは材料の全伸び、Eは部材のヤング率、Lはアーム長、Meは要素サイズ、l,m,n,o,p,q,r,s,u,v,y,zは、実験結果をフィッティングするためのパラメータである。アーム長とは、L字継ぎ手においてはスポット溶接中心と縦壁間の距離で定義されるが、本検討対象の部材においては、ステップS2で算出される有効幅と直交する方向の幅の1/2の値、即ち荷重の方向と平行な方向の幅の1/2の値をアーム長と定義する。
なお、必ずしも(1)式、(2)式、(3)式を用いなくとも、実験結果をフィッティングできる式であれば良い。
具体的には、スポット溶接部に加わる入力が、せん断力S、軸力A、モーメントMとすると、これらの値と(1)式、(2)式、(3)式からなる関係式である、(4)式、(5)式、(6)式のいずれかが成立した時に破断が生じたものと判定する。
(S2+A2)0.5/Fs≧1 ・・・(4)
A/Fn≧1 ・・・(5)
M/Mf≧1 ・・・(6)
以下、上述した第1の実施形態について、従来技術との比較に基づいて、その奏する作用効果について説明する。
本実施例では、図9A、図9Bに示すように、高さ60mm、幅120mmのハット型部材100を用いて3点曲げ試験を行った。ハット型部材100において、ハット型断面状鋼板である母材111と平面状鋼板である母材112とが66点のスポット溶接部で接合されており、スポット間距離は30mm、フランジ幅は15mmである。図9Bに示すように、ハット型部材100において、各スポット溶接部の位置をA列(A1~A33)、B列(B1~B33)と定義している。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、スポット溶接で接合された部材を被測定対象物として、有限要素法(FEM)による変形シミュレーションを行い、当該部材のスポット溶接部の破断を予測する。本実施形態では、有効幅を算出するための第1幅及びこれと直交する第2幅をより高精度に取得できる。第1の実施形態と組み合わせることで、破断予測の精度がより向上する。
初めに、本実施形態による条件取得方法の基本構成について説明する。
ハット型部材20Aでは、図11A、図11Bに示すように、例えば母材101の裏面側に母材103が配置され、母材101,103がスポット溶接部22で接合される場合がある。この場合に、例えば特許文献5の技術を用いて、着目するスポット溶接部とこれに最近接するスポット溶接部との間の距離を有効幅として取得する場合について考察する。スポット溶接部21aに着目する場合、スポット溶接部21が母材101,102を接合するものであることから、スポット溶接部21aに最近接するスポット溶接部を21bとし、スポット溶接部21a,21b間の距離d1を、有効幅を算出するための第1幅とするべきである。ところが、母材101の表面でスポット溶接部101aに最近接するスポット溶接部は22aであることから、スポット溶接部21a,22a間の距離d2を第1幅として取得してしまう。スポット溶接部22aは母材101,103を接合するものであることから、誤った第1幅が取得されることになり、正確なシミュレーションを行うことができない。つまり、スポット溶接間の距離のみに着目する場合、異なる部材または平面においてスポット溶接間の距離を採用し、正しい破断予測が実施されない可能性がある。
母材101の表面を構成する各平坦面(以下、構成面と言う。)について考える。同一の構成面に形成されたスポット溶接部について取得した有効幅が、スポット破断予測に供される正確な有効幅である。そこで本実施形態では、図12Aに示すように、母材101を各構成面に分離して扱うべく、母材101について、隣接するシェル要素の法線方向の角度差を順次計算し、母材101の表面を構成面ごとに分類する。当該角度差が所定値以内、0°~45°程度の範囲内で規定された所定値以下、例えば15°以下であるときには、対応するシェル要素間における母材101の表面は平坦面であるとみなす。即ち、当該角度差が所定値以内にある複数のシェル要素は、同一の構成面に属するものとする。このようにして例えば、図12Bに示すように、母材101の表面を、天板面である構成面A、各連結面である構成面B1,B2、各縦壁面である構成面C1,C2、各連結面である構成面D1,D2、フランジ面である構成面E1,E2に分類する。
図15は、第2の実施形態による条件取得装置の概略構成を示す模式図である。図16は、第2の実施形態による条件取得方法をステップ順に示すフロー図である。
以下、上述した第2の実施形態について、従来技術との比較に基づいて、その奏する作用効果について説明する。
本実施例で被測定対象として用いるハット型部材200を図17A、図17Bに示す。ハット型部材200は、ハット型断面状鋼板である母材211と平面状鋼板である母材212とがフランジ面でスポット溶接により接合されており、更に母材211の裏面側に補強用鋼板である母材213,214が配置され、母材211と母材213及び母材211と母材214がスポット溶接で接合されている。母材211,212を接合するスポット溶接部を221とする。母材211,213を接合するスポット溶接部を222とする。母材211,214を接合するスポット溶接部を223とする。ハット部材200では、母材211,212を接合するスポット溶接部221のスポット溶接間距離(例えば、隣り合うスポット溶接部221a,221b間の距離d1)よりも、母材211,213を接合するスポット溶接部222のスポット溶接間距離(例えば、スポット溶接部221a,222a間の距離d2)の方が短くなっている。
上述した第1の実施形態による破断予測装置の各構成要素(図2の第1の算出手段101及び第2の算出手段102等)の機能、及び第2の実施形態による条件取得装置の各構成要素(図15の31~34等)の機能は、コンピュータのRAMやROM等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、第1の実施形態による破断予測方法の各ステップ(図3のステップS2~S3、図5のステップS11~S13等)、第2の実施形態による条件取得方法の各ステップ(図16のステップS21~S24等)は、コンピュータのRAMやROM等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該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は、第3の実施形態に含まれる。
なお、パーソナルユーザ端末装置を用いる代わりに、破断予測装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。
Claims (22)
- スポット溶接で接合された部材について、スポット溶接部に荷重が加わることで破断に至る場合の前記スポット溶接部の破断予測方法であって、
前記部材の前記スポット溶接部が設けられた平坦面において、前記スポット溶接部を含み前記荷重の方向に直交する方向の有効幅を取得し、
前記荷重の変化に対応して変化する前記有効幅を所定の時間間隔毎に算出し、
算出された前記有効幅を用いて前記スポット溶接部の破断を予測することを特徴とする破断予測方法。 - 前記有効幅を、隣り合う前記スポット溶接部間のスポット距離と、前記平坦面の前記スポット距離の方向に直交する方向の幅との関数を用いて算出することを特徴とする請求項1に記載の破断予測方法。
- 前記有効幅を、最初に作成された前記関数に、所定の時間間隔毎の前記荷重を適用して算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の破断予測方法。
- 前記荷重を前記平坦面に投影させ、投影された前記荷重の方向に直交する方向の前記有効幅を算出することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の破断予測方法。
- 前記部材は、スポット溶接により接合された第1母材及び第2母材を有しており、
前記第1母材及び前記第2母材のそれぞれについて、
隣接するシェル要素の法線方向の角度差を取得し、
前記角度差に基づいて構成面ごとに分類し、
前記構成面ごとに当該構成面に属する前記スポット溶接部を分類し、
前記構成面ごとに、隣り合う前記スポット溶接部間の距離を第1幅として取得することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の破断予測方法。 - 前記第1幅と直交する方向の前記構成面の幅を第2幅として取得することを特徴とする請求項5に記載の破断予測方法。
- 前記部材は、前記第1母材とスポット溶接により接合された第3母材を有しており、
前記第1母材において着目する前記スポット溶接部により前記第1母材と接合された前記第2母材又は前記第3母材と、着目する前記スポット溶接部と最近接の前記スポット溶接部により接合された前記第2母材又は前記第3母材とが同一である場合に、着目する前記スポット溶接部について前記第1幅を取得することを特徴とする請求項5又は6に記載の破断予測方法。 - スポット溶接で接合された部材について、スポット溶接部に荷重が加わることで破断に至る場合の前記スポット溶接部の破断予測装置であって、
前記部材の前記スポット溶接部が設けられた平坦面において、前記スポット溶接部を含む前記荷重の方向に直交する方向の有効幅であって、前記荷重の変化に対応して変化する前記有効幅を所定の時間間隔毎に算出する算出手段と、
前記有効幅を用いて前記スポット溶接部の破断を予測する予測手段と
を含むことを特徴とする破断予測装置。 - 前記算出手段は、前記有効幅を、隣り合う前記スポット溶接部間のスポット距離と、前記スポット距離の方向に直交する方向の平坦部幅との関数を用いて算出することを特徴とする請求項8に記載の破断予測装置。
- 前記有効幅を、最初に作成された前記関数に、所定の時間間隔毎の前記荷重を適用して算出することを特徴とする請求項8又は9に記載の破断予測装置。
- 前記算出手段は、前記荷重を前記平坦面に投影させ、投影された前記荷重の方向に直交する方向の前記有効幅を算出することを特徴とする請求項8~10のいずれか1項に記載の破断予測装置。
- 前記部材は、スポット溶接により接合された第1母材及び第2母材を有しており、
前記第1母材及び前記第2母材のそれぞれについて、
隣接するシェル要素の法線方向の角度差を取得する角度差取得手段と、
前記角度差に基づいて構成面ごとに分類する構成面分類手段と、
前記構成面ごとに当該構成面に属する前記スポット溶接部を分類する溶接部分類手段と、
前記構成面ごとに、隣り合う前記スポット溶接部間の距離を第1幅として取得する幅取得手段と
を含むことを特徴とする請求項8~10のいずれか1項に記載の破断予測装置。 - 前記幅取得手段は、前記第1幅と直交する方向の前記構成面の幅を第2幅として取得することを特徴とする請求項12に記載の破断予測装置。
- 前記部材は、前記第1母材とスポット溶接により接合された第3母材を有しており、
前記幅取得手段は、前記第1母材において着目する前記スポット溶接部により前記第1母材と接合された前記第2母材又は前記第3母材と、着目する前記スポット溶接部と最近接の前記スポット溶接部により接合された前記第2母材又は前記第3母材とが同一である場合に、着目する前記スポット溶接部について前記第1幅を取得することを特徴とする請求項12又は13に記載の破断予測装置。 - スポット溶接で接合された部材について、スポット溶接部に荷重が加わることで破断に至る場合の前記スポット溶接部の破断を予測するプログラムであって、
前記部材の前記スポット溶接部が設けられた平坦面において、前記スポット溶接部を含む前記荷重の方向に直交する方向の有効幅であって、前記荷重の変化に対応して変化する前記有効幅を所定の時間間隔毎に算出する第1手順と、
前記有効幅を用いて前記スポット溶接部の破断を予測する第2手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 - 前記第1手順は、前記有効幅を、隣り合う前記スポット溶接部間のスポット距離と、前記平坦面の前記スポット距離の方向に直交する方向の幅との関数を用いて算出することを特徴とする請求項15に記載のプログラム。
- 前記第1手順は、前記有効幅を、最初に作成された前記関数に、所定の時間間隔毎の前記荷重を適用して算出することを特徴とする請求項15又は16に記載のプログラム。
- 前記第1手順は、前記荷重を前記平坦面に投影させ、投影された前記荷重の方向に直交する方向の前記有効幅を算出することを特徴とする請求項15~17のいずれか1項に記載のプログラム。
- 前記部材は、スポット溶接により接合された第1母材及び第2母材を有しており、
前記第1母材及び前記第2母材のそれぞれについて、
隣接するシェル要素の法線方向の角度差を取得する手順と、
前記角度差に基づいて構成面ごとに分類する手順と、
前記構成面ごとに当該構成面に属する前記スポット溶接部を分類する手順と、
前記構成面ごとに、隣り合う前記スポット溶接部間の距離を第1幅として取得する手順と
をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項15~18のいずれか1項に記載のプログラム。 - 前記第1幅と直交する方向の前記構成面の幅を第2幅として取得する手順をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項19に記載のプログラム。
- 前記部材は、前記第1母材とスポット溶接により接合された第3母材を有しており、
前記第1母材において着目する前記スポット溶接部により前記第1母材と接合された前記第2母材又は前記第3母材と、着目する前記スポット溶接部と最近接の前記スポット溶接部により接合された前記第2母材又は前記第3母材とが同一である場合に、着目する前記スポット溶接部について前記第1幅を取得することを特徴とする請求項19又は20に記載のプログラム。 - 請求項15~21のいずれか1項に記載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。
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