WO2018066673A1 - 破断判定装置、破断判定プログラム、及びその方法 - Google Patents

Abstract

超高強度の鋼材の破断を予測可能な破断判定装置を提供する。破断判定装置１は、基準成形限界値情報に基づいて、基準となる要素サイズである基準要素サイズにおける基準成形限界値を生成する基準成形限界値生成部２２と、鋼材の引張強度を使用して、基準成形限界値を変更して要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成する対象成形限界値生成部２３と、入力情報を使用して変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力するシミュレーション実行部２４と、変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを決定する主ひずみ決定部２５と、決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、対象成形限界値とに基づいて、解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する破断判定部２６とを有する。

Description

破断判定装置、破断判定プログラム、及びその方法

　本発明は、破断判定装置、破断判定プログラム、及びその方法に関する。

　近年、衝突安全性及び軽量化の要請から、自動車車体への高強度鋼板の適用が急速に進展しつつある。自動車車体に使用される高強度鋼板は、板厚を増加させることなく衝突時の反力を高めることで、吸収エネルギを高めることができる。しかしながら、鋼板の高強度化に伴い鋼板の延性が低下することによって、プレス成形時及び自動車等の車両の衝突変形時に鋼板が破断するおそれがある。プレス成形時及び衝突変形時の鋼板の状態を判定するために、有限要素法（Finite Element Method、ＦＥＭ）による成形シミュレーション及び衝突変形シミュレーションが行われており、それらシミュレーションにおける高精度な破断判定へのニーズが高まってきている。

　成形性評価時や衝突性能評価時の破断に対する余裕度を評価するために、最大主ひずみと最小主ひずみとの関係を用いて破断限界を与える成形限界線図(ＦＬＤ、Forming Limit Diagram)を使用することが知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。ＦＥＭによるプレス成形及び衝突変形をシミュレーションすることにより取得される要素の最大主ひずみ及び最小主ひずみと、成形限界線図に示される成形限界線とを比較して、要素のそれぞれが破断したか否かが判定される。

　しかしながら、ＦＥＭによるシミュレーションにより取得されるひずみは、シミュレーションの解析条件の１つである解析モデルの要素サイズ（ゲージ長さ、メッシュサイズ）に依存するため要素サイズの大きさにより破断判定結果が異なるという問題点があった。

　そこで、ＦＥＭでプレス成形シミュレーションをするときに、要素サイズに応じて破断限界ひずみを演算して、演算した破断限界ひずみを使用して、要素が破断したか否かを判定することが知られている（例えば、特許文献３を参照）。特許文献３に記載される破断判定方法により、引張強度２７０ＭＰａ級鋼板及び４４０ＭＰａ級鋼板等の比較的強度が低い鋼板をプレス成形するときに要素サイズに応じた鋼板の破断が予測可能になった。

特開２０００－１０７８１８号公報 特開２００９－６１４７７号公報 特開２０１１－１４７９４９号公報

　近年、超ハイテンとも称される引張強度９８０ＭＰａ以上の超高強度の鋼板が開発されている。特許文献３に記載される破断判定方法では、引張強度２７０ＭＰａ級鋼板及び４４０ＭＰａ級鋼板等の比較的強度が低い鋼材については要素サイズに応じた破断を適切に予測することができるが、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高強度の鋼材については、要素サイズに応じた破断を適切に予測することはできない。

　そこで、本発明は、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高強度鋼も含む鋼材の要素サイズに応じた破断を適切に予測可能な破断判定装置を提供することを目的とする。

　このような課題を解決する本発明は、以下に記載する破断判定装置、破断判定プログラム、及び破断判定方法を要旨とするものである。
　（１）鋼材の材料特性及び板厚、並びに有限要素法による鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報と、基準となる要素サイズである基準要素サイズにおける成形限界値を示す基準成形限界値を示す基準成形限界値情報と、を記憶する記憶部と、
　基準成形限界値情報に基づいて、入力情報に含まれる材料特性及び板厚に応じた基準成形限界値を生成する基準成形限界値生成部と、
　鋼材の引張強度を使用して、基準成形限界値を変更して要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成する対象成形限界値生成部と、
　入力情報を使用して変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力するシミュレーション実行部と、
　変形情報に含まれる要素のそれぞれの主ひずみを決定する主ひずみ決定部と、
　主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する破断判定部と、を有することを特徴とする破断判定装置。
　（２）対象成形限界値生成部は、要素サイズと、鋼材の引張強度から得られる第１係数とを使用して成形限界値を予測する、（１）に記載の破断判定装置。
　（３）対象成形限界値生成部は、第１係数と、基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び第１係数を含む第２係数と、要素サイズとを使用して要素サイズにおける最大主ひずみを予測する、（２）に記載の破断判定装置。
　（４）第２係数は、基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び第１係数の関数である、（３）に記載の破断判定装置。
　（５）第２係数は、基準要素サイズにおける最大主ひずみを第１係数で除算した値の対数に比例する、（４）に記載の破断判定装置。
　（６）対象成形限界値生成部は、第１係数と、第２係数を指数とし且つ、要素サイズを底とする冪演算の演算結果との積を使用して要素サイズにおける最大主ひずみを予測する、（２）～（５）の何れか１つに記載の破断判定装置。
　（７）対象成形限界値生成部は、要素サイズと、鋼材の引張強度から得られる第２係数を使用して成形限界値を予測する、（１）に記載の破断判定装置。
　（８）第２係数は、基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び第１係数の関数である、（７）に記載の破断判定装置。
　（９）第２係数は、基準要素サイズにおける最大主ひずみを第１係数で除算した値の対数に比例する、（８）に記載の破断判定装置。
　（１０）対象成形限界値生成部は、要素サイズ及び鋼材の引張強度の関数である成形限界値予測式を使用して対象成形限界値を生成し、
　成形限界値予測式は、ρはひずみ比であり、ＭはＦＥＭによるシミュレーションに用いる解析モデルの要素の大きさを示す要素サイズであり、ε₁は要素サイズＭにおける最大主ひずみであり、ε₂は要素サイズＭにおける最小主ひずみであるとき、第１係数ｋ１及び第２係数ｋ２により

で示され、第１係数ｋ１は、鋼板の材料の引張強度ＴＳ並びに、係数γ及びδから

で示され、第２係数ｋ２は、基準要素サイズにおける最大主ひずみε_1B及び係数ηから

で示される、（１）に記載の破断判定装置。
　（１１）破断判定部は、決定された要素の最大主ひずみおよび最小主ひずみが対象成形限界線にて与えられる閾値を超えているときに、要素が破断すると判定する、（１）～（１０）の何れか一つに記載の破断判定装置。
　（１２）対象成形限界値を変更して対象成形限界応力を生成する対象成形限界応力生成部と、
　決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを最大主応力及び最小主応力に変換するひずみ応力変換部と、を更に有し、
　破断判定部は、変換された要素の最大主応力及び最小主応力が対象成形限界応力を超えているときに、要素が破断すると判定する、（１）～（１０）の何れか一つに記載の破断判定装置。
　（１３）変形シミュレーションは、鋼材によって形成された車両の衝突変形シミュレーションである、（１）～（１２）の何れか一つに記載の破断判定装置。
　（１４）基準となる要素サイズを示す基準要素サイズにおける成形限界線に対応する成形限界値を示す基準成形限界値情報に基づいて、有限要素法による鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報に含まれる鋼材の材料特性及び板厚に応じた基準成形限界値を生成し、
　要素サイズ及び鋼材の引張強度を使用して、基準成形限界値を変更して要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成し、
　入力情報を使用して変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力し、
　変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを決定し、
　主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する、ことを含むことを特徴とする破断判定方法。
　（１５）基準となる要素サイズを示す基準要素サイズにおける成形限界線に対応する成形限界値を示す基準成形限界値情報に基づいて、有限要素法による鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報に含まれる鋼材の材料特性及び板厚に応じた基準成形限界値を生成し、
　要素サイズ及び鋼材の引張強度を使用して、基準成形限界値を変更して要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成し、
　入力情報を使用して変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力し、
　変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを決定し、
　主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する、処理をコンピュータに実行させることを特徴とする破断判定プログラム。

　一実施形態では、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高強度の鋼材の破断を適切に予測することができる。

成形限界値予測式を使用して生成された成形限界線と、実測値との関係を示す図である。 第１実施形態に係る破断判定装置を示す図である。 第１実施形態に係る破断判定装置による破断判定処理のフローチャートである。 第２実施形態に係る破断判定装置を示す図である。 第２実施形態に係る破断判定装置による破断判定処理のフローチャートである。 実施形態に係る破断判定装置の適用例の一例である金型製造システムを示す図である。 比較例に係る破断判定装置による引張試験のシミュレーション結果における荷重－標点間ひずみの関係を示す図である。 第１実施形態に係る破断判定装置による引張試験のシミュレーション結果における変位を示す図であり、（ａ）は要素サイズが２〔ｍｍ〕のときを示し、（ｂ）は要素サイズが３〔ｍｍ〕のときを示し、（ｃ）は要素サイズが５〔ｍｍ〕のときを示す。 第１実施形態に係る破断判定装置による引張試験のシミュレーション結果における荷重－標点間ひずみの関係を示す図である。

　以下図面を参照して、破断判定装置、破断判定プログラム、及びその方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されない。

　（実施形態に係る破断判定装置の概要）
　実施形態に係る破断判定装置は、実測等によって作成された基準成形限界値情報と、有限要素法による要素の入力情報に含まれる材料特性及び板厚によって決定される、基準要素サイズにおける基準成形限界値を、解析モデルにおける要素の大きさである要素サイズと鋼材の引張強度の関数である成形限界値予測式によって変更する。実施形態に係る破断判定装置は、解析モデルにおける要素の大きさである要素サイズと鋼材の引張強度の関数である成形限界値予測式によって変更された対象成形限界値を使用することで、引張強度に応じた対象成形限界値を使用することができる。実施形態に係る破断判定装置は、引張強度に応じた対象成形限界値を使用することができるので、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高強度の鋼材の破断を予測することができる。以下、実施形態に係る破断判定装置について説明する前に実施形態に係る破断判定装置における破断判定処理の原理を説明する。

　本発明の発明者らは、実測等によって作成された成形限界線に対応する基準成形限界値情報と、判定対象とする鋼板の材料特性及び板厚によって決定される、基準要素サイズにおける基準成形限界値を、判定対象とする鋼板の解析モデルにおける要素サイズと基準要素サイズにおける最大主ひずみとの関係に基づいて要素サイズにおける最大主ひずみを予測する成形限界値予測式を見出した。すなわち、本発明の発明者らは、基準となる基準成形限界線に対応する基準成形限界値を、鋼材の引張強度及び要素サイズの関数である成形限界値予測式によって変更することで生成される対象成形限界値を使用して破断の有無を判断することを見出した。要素サイズに応じて、成形限界値予測式を使用して成形限界値を変更することで、要素サイズに応じた破断判断が可能になる。

　以下に示す式（１）は、本発明の発明者らによって見出された成形限界値予測式である。

　ここで、ρはひずみ比であり、ＭはＦＥＭによるシミュレーションにおいて対象とする要素の大きさを示す要素サイズ〔ｍｍ〕であり、ε₁は要素サイズＭにおける最大主ひずみであり、ε₂は要素サイズＭにおける最小主ひずみである。要素サイズＭの乗数であるｋ１は第１係数であり、要素サイズＭの指数であるｋ２は以下に示す式（２）及び（４）を参照して説明するように基準要素サイズにおける最大主ひずみに依存する第２係数である。式（１）は、要素サイズＭと基準要素サイズにおける最大主ひずみとの関係に基づいて要素サイズＭにおける最大主ひずみε₁を予測する式である。式（１）において、要素サイズＭにおける最大主ひずみε₁は、第１係数ｋ１と、第２係数ｋ２を指数とし且つ要素サイズＭを底とする冪演算による演算により演算される演算結果とを乗算して生成されることが示される。

　以下に示す式（２）は式（１）をより詳細に示す式である。

　ここで、ＴＳは鋼板等の材料の引張強度〔ＭＰａ〕を示し、ε_1Bは基準要素サイズにおける最大主ひずみを示し、γ、δ及びηは係数を示す。γは負の値であり、δは正の値である。係数γ及びδは、ひずみ比ρに応じて変化する。係数ηは、基準要素サイズにより決定される。式（１）及び（２）から、第１係数ｋ１は、

　で示される。式（３）において、第１係数ｋ１は、ひずみ比ρが一定のときに鋼材の引張強度ＴＳに比例する、すなわち、ひずみ比ρ及び鋼材の引張強度の関数であることが示される。式（３）は、第１係数ｋ１が鋼材の引張強度ＴＳに比例することを示しており、鋼材の引張強度ＴＳが増加するに従って、最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂が増加することを示す。第１係数ｋ１は、正の値であり、γは負の値であり、δは正の値であるので、鋼材の引張強度ＴＳが増加するに従って第１係数ｋ１は小さくなる。また、式（１）及び（２）から、第２係数ｋ２は、

　で示される。式（４）において、第２係数ｋ２は、基準要素サイズにおける最大主ひずみε_1B及び第１係数ｋ１の関数であることが示される。より詳細には、式（４）において、第２係数ｋ２は、基準要素サイズにおける最大主ひずみε_1B及び第１係数ｋ１の関数の対数に比例することが示される。さらに詳細には、式（４）において、第２係数ｋ２は、基準要素サイズにおける最大主ひずみε_1Bを第１係数ｋ１で除算した値の対数に比例することが示される。

　図１は、式（１）～（４）を参照して説明した成形限界値予測式により変更された対象成形限界値を使用して生成された成形限界線と、実測値との関係を示す図である。図１において、横軸は最小主ひずみε₂を示し、縦軸は最大主ひずみε₁を示す。また、丸印はゲージ長さが１０〔ｍｍ〕のときの実測値を示し、四角印はゲージ長さが６〔ｍｍ〕のときの実測値を示し、三角印はゲージ長さが２〔ｍｍ〕のときの実測値を示す。曲線１０１は、ゲージ長さが１０〔ｍｍ〕の実測データから生成された基準成形限界値情報と材料特性および板厚から計算された基準成形限界値とを使用して作成した基準成形限界線である。曲線１０２及び１０３は、式（１）～（４）を参照して説明した成形限界線予測式により曲線１０１で示される基準成形限界値から変更された対象成形限界値を使用して生成された対象成形限界線を示す。曲線１０２はゲージ長さが６〔ｍｍ〕のときの成形限界線を示し、曲線１０３はゲージ長さが２〔ｍｍ〕のときの成形限界線を示す。なお、図１に示す実測及び成形限界線の生成に使用された、鋼板の材料特性としての引張強度は１１８０〔ＭＰａ〕であり、板厚は１．６〔ｍｍ〕である。一般に、破断部近傍ではひずみが局所化しているため、破断部に近くなるほど高いひずみが発生している。そのため、破断部のひずみを読み取るゲージ長さが短くなるほど、破断部近傍で発生している高いひずみを読み取るため、成形限界値の値は高くなる。つまり、図１において成形限界線はより上に位置する。また、他の材料特性の鋼材と比較した場合、一般に鋼材の引張強度ＴＳが大きくなると鋼材の延性が低下するので、破断部近傍のひずみの値は小さくなる。そのため図１における成形限界曲線はより下に位置することになる。

　図１に示すように、基準成形限界線から基準成形限界値を使用して変更された対象成形限界線は、ゲージ長さが２〔ｍｍ〕及び６〔ｍｍ〕の場合もいずれも実測値と精度よく一致しており、本発明に係る成形限界線予測式が高い精度を有することが示される。

　（第１実施形態に係る破断判定装置の構成及び機能）
　図２は、第１実施形態に係る破断判定装置を示す図である。

　破断判定装置１は、通信部１１と、記憶部１２と、入力部１３と、出力部１４と、処理部２０とを有する。通信部１１、記憶部１２、入力部１３、出力部１４及び処理部２０は、バス１５を介して互いに接続される。破断判定装置１は、鋼材の引張強度を使用する成形限界値予測式によって、基準成形限界値を変更して要素サイズにおける成形限界値を示す対象成形限界値を生成すると共に、ＦＥＭによる自動車等の車両の衝突変形シミュレーションを実行する。破断判定装置１は、生成した対象成形限界値に基づいて、衝突変形シミュレーションにより出力される要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみから、要素のそれぞれが破断するか否かを判定する。一例では、破断判定装置１は、ＦＥＭによるシミュレーションが実行可能なパーソナルコンピュータである。

　通信部１１は、イーサネット（登録商標）などの有線の通信インターフェース回路を有する。通信部１１は、ＬＡＮを介して不図示のサーバ等と通信を行う。

　記憶部１２は、例えば、半導体記憶装置、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、又は光ディスク装置のうちの少なくとも一つを備える。記憶部１２は、処理部２０での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部１２は、アプリケーションプログラムとして、要素のそれぞれの破断を判定する破断判定処理を実行するための破断判定処理プログラムを記憶する。さらに、記憶部１２は、アプリケーションプログラムとして、ＦＥＭを用いた衝突変形シミュレーションを実行するための衝突変形シミュレーションプログラム等を記憶する。破断判定処理プログラム及び衝突変形シミュレーションプログラム等は、例えばＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部１２にインストールされてもよい。

　また、記憶部１２は、破断判定処理及び衝突変形シミュレーションで使用される種々のデータを記憶する。例えば、記憶部１２は、破断判定処理及び衝突変形シミュレーションで使用される入力情報１２０及び基準成形限界値情報１２１等を記憶する。

　入力情報１２０は、鋼材の材料特性及び板厚、並びに有限要素法による衝突変形シミュレーションにおける要素の大きさを示す要素サイズを含む。鋼材の材料特性は、応力ひずみ（stress-strain、Ｓ－Ｓ）曲線、Ｓ－Ｓ曲線のフィッティングに使用されるSwiftの式における各係数、ヤング率、ポアソン比及び密度等を含む。基準成形限界値情報１２１は、基準となる要素サイズを示す基準要素サイズにおける成形限界線に対応する成形限界値を示す基準成形限界値を材料特性及び板厚毎に規定するときに使用される。一例では、基準成形限界値情報１２１は、材料特性及び板厚毎に実測された基準成形限界線に対応する基準成形限界値を含む。また、他の例では、基準成形限界線情報１２１は、Storen-Riceの理論式から得られた成形限界線が、実測された基準成形限界線と一致するように補正した基準成形限界線に対応する基準成形限界値を含む。

　また、記憶部１２は、ＦＥＭによる衝突変形シミュレーションの入力データを記憶する。さらに、記憶部１２は、所定の処理に係る一時的なデータを一時的に記憶してもよい。

　入力部１３は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボード等である。作業者は、入力部１３を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部１３は、作業者により操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、作業者の指示として、処理部２０に供給される。

　出力部１４は、映像や画像等の表示が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬ（Electro－Luminescence）ディスプレイ等である。出力部１４は、処理部２０から供給された映像データに応じた映像や、画像データに応じた画像等を表示する。また、出力部１４は、紙などの表示媒体に、映像、画像又は文字等を印刷する出力装置であってもよい。

　処理部２０は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部２０は、破断判定装置１の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵである。処理部２０は、記憶部１２に記憶されているプログラム（ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、処理部２０は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行できる。

　処理部２０は、情報取得部２１と、基準成形限界値生成部２２と、対象成形限界値生成部２３と、シミュレーション実行部２４と、主ひずみ決定部２５と、破断判定部２６と、シミュレーション結果出力部２７とを有する。これらの各部は、処理部２０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして破断判定装置１に実装されてもよい。

　（第１実施形態に係る破断判定装置による破断判定処理）
　図３は、破断判定装置１が衝突変形シミュレーションされた要素のそれぞれが破断するか否かを判定する破断判定処理のフローチャートである。図３に示す破断判定処理は、予め記憶部１２に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部２０により破断判定装置１の各要素と協働して実行される。

　まず、情報取得部２１は、引張強度等の材料特性、板厚及び要素サイズを含む入力情報１２０を記憶部１２から取得する（Ｓ１０１）と共に、基準成形限界値情報１２１を記憶部１２から取得する（Ｓ１０２）。

　次いで、基準成形限界値生成部２２は、Ｓ１０２の処理で取得された基準成形限界値情報１２１に基づいて、Ｓ１０１の処理で取得された材料特性及び板厚に対応する基準成形限界値を生成する（Ｓ１０３）。具体的には、基準成形限界値生成部２２は、例えば、記憶部１２に記憶された複数群の基準成形限界値の中から入力情報１２０に含まれる材料特性及び板厚の組み合わせに基づいて、一群の基準成形限界値を選択することで、当該材料特性及び板厚に対応する基準成形限界値を生成する。この場合、基準成形限界値情報１２１に含まれる複数群の基準成形限界値は実測値である。また、基準成形限界値生成部２２は、例えば、記憶部１２に記憶された一群の基準成形限界値を材料特性及び板厚に応じた実測値で補正することで材料特性及び板厚に対応する基準成形限界値を生成する。この場合、基準成形限界値生成部２２は、まず、Storen-Riceの理論式から成形限界値を生成する。次いで、基準成形限界値生成部２２は、材料特性及び板厚に応じたシフト量として記憶部１２に記憶されている実測値に基づいて、Storen-Riceの理論式から生成した成形限界値をシフトして当該材料特性及び板厚に対応する基準成形限界値を生成する。

　次いで、対象成形限界値生成部２３は、式（１）～（４）に示す成形限界値予測式によって、Ｓ１０３の処理で生成された基準成形限界値を変更してＳ１０１の処理で取得した要素サイズにおける成形限界値を示す対象成形限界値を生成する（Ｓ１０４）。

　次いで、シミュレーション実行部２４は、Ｓ１０１の処理で取得された入力情報に基づいて、記憶部１２に記憶されるメッシュデータを使用して、鋼材によって形成された自動車等の車両の衝突変形シミュレーションをＦＥＭにより実行する（Ｓ１０５）。シミュレーション実行部２４は、シミュレーションの実行結果として、接点の変位、要素のひずみ及び要素の応力を含む変形情報を要素毎に順次出力する。

　次いで、主ひずみ決定部２５は、Ｓ１０５の処理で出力された変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂を決定する（Ｓ１０６）。

　次いで、破断判定部２６は、Ｓ１０６の処理で決定された要素のそれぞれの最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂と、Ｓ１０３の処理で生成された対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、要素のそれぞれが破断するか否かを判定する（Ｓ１０７）。破断判定部２６は、最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂により決定されるプロット点が対象成形限界線にて与えられる閾値を超えていないとき、要素が破断しないと判定し、最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂により決定されるプロット点が対象成形限界線にて与えられる閾値を超えているとき、要素が破断すると判定する。一例では、対象成形限界線は、対象成形限界値の近似式として演算される。

　次いで、破断判定部２６は、要素が破断したと判定する（Ｓ１０７－ＹＥＳ）と、要素が破断したことを示す要素破断情報をシミュレーション実行部２４に出力する（Ｓ１０８）。シミュレーション実行部は、破断と判定された要素を消去する、すなわち衝突変形シミュレーション用のデータから削除することもできる。

　次いで、シミュレーション結果出力部２７は、シミュレーション実行部２４が順次出力した変形情報を出力する（Ｓ１０９）。次いで、シミュレーション実行部２４は、所定のシミュレーション終了条件が成立したか否かを判定する（Ｓ１１０）。シミュレーション終了時間は、入力データから取得される。シミュレーション終了条件が成立したと判定するまで、処理が繰り返される。

　（第１実施形態に係る破断判定装置の作用効果）
　破断判定装置１は、鋼材の引張強度を使用する成形限界値予測式によって要素サイズに応じて変更された対象成形限界値を使用して破断したか否かを判定するため、要素サイズに依存せず、鋼材の引張強度に応じた正確な破断予測を行うことができる。

　破断判定装置１によって正確な破断予測を行うことができるので、実際の自動車部材での衝突試験の回数を大幅に削減することができる。さらに、場合によっては、実際の自動車部材での衝突試験を省略することが可能となる。

　また、破断判定装置１によって正確な破断予測を行うことで、衝突時の破断を防ぐ部材をコンピュータ上で設計することができるため、大幅なコスト削減、開発期間の短縮に寄与することができる。

　（第２実施形態に係る破断判定装置の構成及び機能）
　図４は、第２実施形態に係る破断判定装置を示す図である。

　破断判定装置２は、処理部３０が処理部２０の代わりに配置されることが第１実施形態に係る破断判定装置１と相違する。処理部３０は、対象成形限界応力生成部３４及びひずみ応力変換部３５を有すること、並びに破断判定部３６が破断判定部２６の代わりに配置されることが処理部３０と相違する。対象成形限界応力生成部３４、ひずみ応力変換部３５及び破断判定部３６以外の破断判定装置２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された破断判定装置１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

　（第２実施形態に係る破断判定装置による破断判定処理）
　図５は、破断判定装置２が衝突変形シミュレーションされた要素のそれぞれが破断するか否かを判定する破断判定処理のフローチャートである。図５に示す破断判定処理は、予め記憶部１２に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部３０により破断判定装置２の各要素と協働して実行される。

　Ｓ２０１～Ｓ２０４の処理は、Ｓ１０１～Ｓ１０４の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。対象成形限界応力生成部３４は、Ｓ２０４の処理で生成された基準成形限界値を変更して対象成形限界応力を生成する（Ｓ２０５）。

　次いで、シミュレーション実行部２４は、入力情報に基づいて、記憶部１２に記憶されるメッシュデータを使用して、所定の衝突が発生したときの衝突変形シミュレーションをＦＥＭにより実行する（Ｓ２０６）。次いで、主ひずみ決定部２５は、Ｓ２０５の処理で出力された変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂を決定する（Ｓ２０７）。

　次いで、ひずみ応力変換部３５は、Ｓ２０７の処理で出力された決定された要素のそれぞれの最大主ひずみε₁及び最小主ひずみε₂を最大主応力および最小主応力に変換する（Ｓ２０８）。

　次いで、破断判定部３６は、Ｓ２０８の処理で変換された要素のそれぞれの最大主応力および最小主応力と、Ｓ２０５の処理で生成された対象成形限界応力とに基づいて、要素のそれぞれが破断するか否かを判定する（Ｓ２０９）。破断判定部３６は、最大主応力及び最小主応力が対象成形限界応力を超えていないとき、要素が破断しないと判定し、最大主応力及び最小主応力が対象成形限界応力を超えているとき、要素が破断すると判定する。Ｓ２１０～Ｓ２１２の処理は、Ｓ１０８～Ｓ１１０の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。

　（実施形態に係る破断判定装置の変形例）
　破断判定装置１及び２は、車両の衝突変形シミュレーションにおける破断判定処理を実行するが、実施形態に係る破断判定装置は、鋼板をプレス成形する時の変形シミュレーション等の他のシミュレーションにおいて破断判定処理を実行してもよい。また、説明した例では、解析モデルの要素サイズが均一な場合を例にして説明されたが、実施形態に係る破断判定装置は、部位によって要素サイズが異なる解析モデルを使用してよい。すなわち、実施形態に係る破断判定装置が使用する要素モデルは、複数の要素サイズを含むものであってもよい。

　（実施形態に係る破断判定装置の適用例）
　図６は、実施形態に係る破断判定装置の適用例の一例である金型製造システムを示す図である。

　金型製造システム１００は、破断判定装置１と、金型設計装置１１１と、金型製造装置１１２とを有する。金型設計装置１１１は、例えば自動車のボデーを製造するための金型を設計する装置であり、破断判定装置１とＬＡＮ１１３を介して接続される電気計算機である。金型設計装置１１１は、破断判定装置１による破断判定を使用して、所望の金型を示す金型データを生成する。図８では、金型設計装置１１１は、破断判定装置１と別個の装置として配置されるが、他の例では破断判定装置１と一体化されてもよい。

　金型製造装置１１２は、不図示の放電加工機、フライス及び研磨機等の金型製造設備を有し、不図示の交換機によって広域通信回線網である通信ネットワーク１１４を介して金型設計装置１１１に接続される。金型製造装置１０２は、金型設計装置１１１から送信された金型データに基づいて、金型データに対応する金型を製造する。

　図７は、比較例に係る破断判定装置による引張試験のシミュレーション結果における荷重－標点間ひずみの関係を示す図である。図８は、本発明例である破断判定装置１による引張試験のシミュレーション結果における破断の危険度を示す図であり、破断と判定された、つまり、破断の危険度が１を超えた要素が消去され、試験片が分断された後の状態を示している。図８（ａ）は要素サイズが２〔ｍｍ〕のときを示し、図８（ｂ）は要素サイズが３〔ｍｍ〕のときを示し、図８（ｃ）は要素サイズが５〔ｍｍ〕のときを示す。図９は、本発明例である破断判定装置１による引張試験のシミュレーション結果における荷重－標点間ひずみの関係を示すである。図７及び９において、横軸は標点間ひずみを示し、縦軸は荷重〔ｋＮ〕を示す。

　比較例に係る破断判定装置は、板厚が１．６〔ｍｍ〕である９８０ＭＰａ級鋼板に対して引張試験のシミュレーションを実行した。また、比較例に係る破断判定装置は、要素サイズ２〔ｍｍ〕のＦＥＭモデルを用いて事前に解析を行い、破断ひずみを確認し、確認した破断ひずみを用いて残る要素サイズが３〔ｍｍ〕のモデルおよび要素サイズが５〔ｍｍ〕モデルについても同じクライテリアに設定して破断判定処理を実行した。

　比較例に係る破断判定装置による引張試験のシミュレーション結果では、事前に破断ひずみを確認した要素サイズ２〔ｍｍ〕のモデルについては、当然実験と良い一致を示したが、要素サイズ３〔ｍｍ〕および要素サイズが５〔ｍｍ〕のモデルを見た場合、要素サイズ毎に破断タイミングが異なり、要素サイズが大きくなるに従って、破断したと判定されるタイミングが遅れる結果となる。このため、要素サイズが異なると、実験結果を正しく予測できない結果となった。

　一方、破断判定装置１による引張試験のシミュレーション結果では、要素サイズによらずほぼ同時タイミングで破断が判定されている。また、破断判定装置１による引張試験のシミュレーション結果では、実験結果も精度良く判定されている。

Claims (15)

1. 　鋼材の材料特性及び板厚、並びに有限要素法による前記鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報と、基準となる前記要素サイズである基準要素サイズにおける成形限界値を示す基準成形限界値を示す基準成形限界値情報と、を記憶する記憶部と、
   　前記基準成形限界値情報に基づいて、前記入力情報に含まれる前記材料特性及び前記板厚に応じた前記基準成形限界値を生成する基準成形限界値生成部と、
   　前記鋼材の引張強度を使用して、前記基準成形限界値を変更して前記要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成する対象成形限界値生成部と、
   　前記入力情報を使用して前記変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力するシミュレーション実行部と、
   　前記変形情報に含まれる要素のそれぞれの主ひずみを決定する主ひずみ決定部と、
   　前記主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、前記対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、前記解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する破断判定部と、
   　を有することを特徴とする破断判定装置。
2. 　前記対象成形限界値生成部は、前記要素サイズと、前記鋼材の引張強度から得られる第１係数とを使用して前記成形限界値を予測する、請求項１に記載の破断判定装置。
3. 　前記対象成形限界値生成部は、前記第１係数と、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び前記第１係数を含む第２係数と、前記要素サイズとを使用して前記要素サイズにおける最大主ひずみを予測する、請求項２に記載の破断判定装置。
4. 　前記第２係数は、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び前記第１係数の関数である、請求項３に記載の破断判定装置。
5. 　前記第２係数は、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみを前記第１係数で除算した値の対数に比例する、請求項４に記載の破断判定装置。
6. 　前記対象成形限界値生成部は、前記第１係数と、前記第２係数を指数とし且つ、前記要素サイズを底とする冪演算の演算結果との積を使用して前記要素サイズにおける最大主ひずみを予測する、請求項２～５の何れか１項に記載の破断判定装置。
7. 　前記対象成形限界値生成部は、前記要素サイズと、前記鋼材の引張強度から得られる第２係数とを使用して前記成形限界値を予測する、請求項１に記載の破断判定装置。
8. 　前記第２係数は、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみ及び前記第１係数の関数である、請求項７に記載の破断判定装置。
9. 　前記第２係数は、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみを前記第１係数で除算した値の対数に比例する、請求項８に記載の破断判定装置。
10. 　前記対象成形限界値生成部は、前記要素サイズ及び前記鋼材の引張強度の関数である成形限界値予測式を使用して前記対象成形限界値を生成し、
    　前記成形限界値予測式は、ρはひずみ比であり、ＭはＦＥＭによるシミュレーションに用いる解析モデルの要素の大きさを示す要素サイズであり、ε₁は要素サイズＭにおける最大主ひずみであり、ε₂は要素サイズＭにおける最小主ひずみであるとき、第１係数ｋ１及び第２係数ｋ２により
    

    

    で示され、第１係数ｋ１は、前記鋼板の材料の引張強度ＴＳ並びに、係数γ及びδから
    

    

    で示され、第２係数ｋ２は、前記基準要素サイズにおける最大主ひずみε_1B及び係数ηから
    

    

    で示される、請求項１に記載の破断判定装置。
11. 　前記破断判定部は、前記決定された要素の最大主ひずみおよび最小主ひずみが前記対象成形限界線にて与えられる閾値を超えているときに、要素が破断すると判定する、請求項１～１０の何れか一項に記載の破断判定装置。
12. 　前記対象成形限界値を変更して対象成形限界応力を生成する対象成形限界応力生成部と、
    　前記決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを最大主応力及び最小主応力に変換するひずみ応力変換部と、を更に有し、
    　前記破断判定部は、前記変換された要素の最大主応力及び最小主応力が前記対象成形限界応力を超えているときに、要素が破断すると判定する、請求項１～１０の何れか一項に記載の破断判定装置。
13. 　前記変形シミュレーションは、前記鋼材によって形成された車両の衝突変形シミュレーションである、請求項１～１２の何れか一項に記載の破断判定装置。
14. 　基準となる要素サイズを示す基準要素サイズにおける成形限界線に対応する成形限界値を示す基準成形限界値情報に基づいて、有限要素法による鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報に含まれる前記鋼材の材料特性及び板厚に応じた前記基準成形限界値を生成し、
    　前記要素サイズ及び前記鋼材の引張強度を使用して、前記基準成形限界値を変更して前記要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成し、
    　前記入力情報を使用して前記変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力し、
    　前記変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを決定し、
    　前記主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、前記対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、前記解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する、
    　ことを含むことを特徴とする破断判定方法。
15. 　基準となる要素サイズを示す基準要素サイズにおける成形限界線に対応する成形限界値を示す基準成形限界値情報に基づいて、有限要素法による鋼材の変形シミュレーションに用いる解析モデルにおける要素サイズを示す要素の入力情報に含まれる前記鋼材の材料特性及び板厚に応じた前記基準成形限界値を生成し、
    　前記要素サイズ及び前記鋼材の引張強度を使用して、前記基準成形限界値を変更して前記要素サイズにおける成形限界値を予測して対象成形限界値を生成し、
    　前記入力情報を使用して前記変形シミュレーションを実行して、要素のそれぞれのひずみを含む変形情報を出力し、
    　前記変形情報に含まれる要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみを決定し、
    　前記主ひずみが決定された要素のそれぞれの最大主ひずみ及び最小主ひずみと、前記対象成形限界値により規定される対象成形限界線とに基づいて、前記解析モデルにおける要素のそれぞれが破断するか否かを判定する、
    　処理をコンピュータに実行させることを特徴とする破断判定プログラム。

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