(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性材料に対してコンピュータを用いた有限要素法計算により変形シミュレーションを行うＣＡＥ解析における材料異方性の計算方法であって、コンピュータが自動的に、前記異方性材料からなる目標立体形状の成形品を解析対象として平面形状のブランクに展開する第１のステップと、次いでコンピュータが自動的に、前記ブランクを、該ブランクを採取した素板内の特定方向またはその直交方向に対しブランクを移動回転させ配置させる第２のステップと、次いでコンピュータが自動的に、第２のステップで得られたブランクの座標情報によりブランクの各要素と前記素板内に設定済の機械的特性の面内異方性に関する基準方向とのなす角度を算出し、前記素板内に設定済の機械的特性の面内異方性に関する基準方向を前記ブランク内の全要素に一括転写することにより各要素に前記基準方向を設定する第３のステップとを有することを特徴とする成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
【請求項２】
前記機械的特性の面内異方性に係る機械的特性が、ヤング率、降伏強さ、引張強さ、ｒ値、及び、応力‐歪曲線のうちの１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
【請求項３】
請求項２において、前記第３のステップ後の成形品を解析対象として剛性解析又は衝突解析を行うことを特徴とする成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法に関し、詳しくは、材料の機械的特性が面内異方性をもつ材料である異方性材料に対して、有限要素法（ＦＥＭ）計算により主に剛性解析、衝突解析等の変形シミュレーションを行うＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析において面内異方性の影響を適正に反映しうる、成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法に関する。ここで、剛性解析とは剛性試験のシミュレーション計算であり、衝突解析とは衝突試験のシミュレーション計算である。
【背景技術】
【０００２】
近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体の設計にＣＡＥ解析は欠かせない技術となっている（例えば特許文献１）。また、そのＣＡＥ解析結果には、入力する材料（金属板例えば鋼板）の機械的特性値が大きく影響することが知られており、成形解析では主にYS(降伏強さ)、TS(引張強さ)、ｒ値（ランクフォード値）が寄与し、剛性解析ではヤング率等の弾性値が解析で得られる変位に比例して寄与し、衝突解析ではＹＳ、ＴＳ等の材料強度値が大きく寄与する。
【０００３】
一方、材料にはその機械的特性が大きな面内異方性を有するもの（これを異方性材料という）があり、特に圧延で製造されるものは、圧延方向（Ｌ方向）、その直角方向（Ｃ方向）、４５°方向（Ｄ方向）に、（最大−最小）/最大×１００で算出される特性変化幅でみて、２〜５０％の特性変化があることが知られている。
ＣＡＥ解析の際、解析対象がその機械的特性が面内方向によらず一定である材料（等方性材料）である場合には方向性の問題は生じないが、異方性材料である場合には、その材料の主変形方向とは異なる方向の機械的特性値が入力されると、異方性のない場合の変形形状とは相違する計算形状となる。そこで、異方性材料では、解析対象を複数の要素に分割してなる各要素に機械的特性の面内異方性に関する情報（これを異方性情報という）を設定する必要がある。この異方性情報は、主変形に応じてその方向に対応する機械的特性値を与えるための、機械的特性の面内異方性に関する基準方向（例えば前記Ｌ方向或いは前記Ｃ方向或いはこれらの間の方向）に対する方位角度と機械的特性との対応関係情報であり、予めテーブルあるいは関数式の形で記憶することが可能となっている。前記基準方向は、解析画面上では、各要素内の１本の矢印で表示される（例えば図４参照）。この矢印による矢示方向が前記基準方向であり、該基準方向は各要素に固定され、各要素が移動回転すれば同様に移動回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７１１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、解析対象品の各要素は、成形により多種多様な方向を向くようになるため、ＣＡＥ解析による成形解析に伴う各要素の移動回転の情報を異方性に反映させることは困難を伴っていた。
すなわち、従来では、材料の角度変化を人の勘に頼った入力では、成形による移動回転を正確に計算できなく、直線形状で、元のLC方向に沿った形の形状しか入力できない。実際の成形品は曲面からなる複雑な形状を成しており、人間の勘では正確に移動回転を表現することはできない。また、現在の車体に使われる要素数は３０万から５０万程度あり、すべてを人手で入力することは極めて困難である。その成形品に設定した前記基準方向は人の勘に頼ったものであるため、実際とはかけ離れたものとなり、その後の剛性解析結果が、対応する実成形品の剛性試験や衝突試験の結果と合わない場合が少なくなかった。更に、現在の車体のＣＡＥ解析に使われる要素数は３０万から５０万程度あり、複数の要素をより少数のブロックにまとめてそのブロック単位での入力は可能であってもすべてを人手で入力することは極めて困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、上記課題を解決するため、人手入力によらず、正確にしかも計算時間が大幅に短縮できる前記基準方向の設定方法を鋭意検討し、その結果、立体形状を平面形状に展開する成形解析ソフトウエアを用いることで、自動的に前記基準方向を設定でき、更に、成形解析後の剛性解析や衝突解析の結果も実験結果とよく合うようになるという知見を得て本発明をなした。
【０００７】
人間の勘による材料の回転移動では誤差が極めて大きい。このため、成形解析を用い材料の変形を計算できるようにし、この成形計算の結果を用いることにより課題を解決する。成形解析では各要素ごとに変形前と変形後のnodeの座標情報を有している。ブランク状態での座標情報とLC方向のなす角は移動回転しても一定に保たれる。また成形でエレメント（要素）が変形する場合でもその変形量を加味することでLC方向とのなす角は算出可能である。これらを用い、各要素ごとにブランクでのなす角を成形品に反映させることで、成形品全体にわたり、正確に角度を設定することが可能となる。
【０００８】
すなわち本発明は次のとおりである。
（１）
異方性材料に対してコンピュータを用いた有限要素法計算により変形シミュレーションを行うＣＡＥ解析における材料異方性の計算方法であって、コンピュータが自動的に、前記異方性材料からなる目標立体形状の成形品を解析対象として平面形状のブランクに展開する第１のステップと、次いでコンピュータが自動的に、前記ブランクを、該ブランクを採取した素板内の特定方向またはその直交方向に対しブランクを移動回転させ配置させる第２のステップと、次いでコンピュータが自動的に、第２のステップで得られたブランクの座標情報によりブランクの各要素と前記素板内に設定済の機械的特性の面内異方性に関する基準方向とのなす角度を算出し、前記素板内に設定済の機械的特性の面内異方性に関する基準方向を前記ブランク内の全要素に一括転写することにより各要素に前記基準方向を設定する第３のステップとを有することを特徴とする成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
（２）
前記機械的特性の面内異方性に係る機械的特性が、ヤング率、降伏強さ、引張強さ、ｒ値、及び、応力‐歪曲線のうちの１種又は２種以上であることを特徴とする（１）に記載の成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
（３）
（２）において、前記第３のステップ後の成形品を解析対象として剛性解析又は衝突解析を行うことを特徴とする成形による材料移動を考慮する材料異方性の計算方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、解析対象内の各要素に設定される機械的特性の面内異方性に関する基準方向が事実を正しく反映したものとなり、且つその自動入力ができて、作成時間が大幅に短縮する。又、得られた計算形状の成形品に対して剛性解析や衝突解析を行うと、計算値が実験値とよく一致し、変形シミュレーションの高精度化が達成できた。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の１例を示す説明図である。
【図２】本発明による成形解析結果の１例を示す説明図である。
【図３】本発明による成形解析結果の１例を示す説明図である。
【図４】従来の成形解析結果の１例を示す説明図である。
【図５】本発明例と比較例の剛性解析結果を実験値と比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の実施形態の１例を示す説明図である。１は成形品であり、その形状は目標立体形状であり、その材料は異方性材料である。この材料の異方性情報は、前記基準方向に対する方位角度と機械的特性との対応関係情報であり、ここでは、テーブルの形で記憶されている。前記基準方向としては、Ｃ方向から反時計回りに角度θ（この角度θを基準方向の対Ｃ方向角度ともいう）だけ回転した方向を用いている。前記テーブルはθ＝０°、４５°、９０°の３つの角度の各々に対応した機械的特性値を保有しており、該テーブル上でθを指定することで前記基準方向の設定或いは変更ができる。θ＝０°を指定すればＣ方向が基準方向になり、θ＝４５°を指定すればＣ方向から反時計回りに４５°回転した方向が基準方向になり、θ＝９０°を指定すればＣ方向から反時計回りに９０°回転した方向（＝Ｌ方向）が基準方向になる。前記テーブル内の機械的特性値は、ヤング率、降伏強さ、引張強さ、ｒ値、及び、応力‐歪曲線の各データである。これらは、行う解析の種類（前述の剛性解析、衝突解析）に応じて、当該解析に必要なものが選択され、使用される。
【００１２】
ＣＡＥ解析では成形品１は図示のようにメッシュで複数の領域に区分される。該区分された複数の領域の１つ１つが要素である。
第１のステップ［１］（下記(a)(b））では、成形品１を解析対象とし、これを平面形状のブランク２に展開する。尚、立体図形を平面図形に展開するに用いた成形解析ソフトウエアは「Ｏｎｅｓｔｅｐ」（商品名）である。
【００１３】
第２のステップ［２］（下記(c)）では、ブランク２を移動回転させることにより、ブランク２は素板３から採取される前の状態に戻る。素板３と素板３内のブランク採取図形４は、予め入力されている。本例では素板３は圧延鋼帯であり、そのＣ方向は既知である。この既知のＣ方向に基づき、素板３には前記基準方向が設定済みである。
そこで、第３のステップ［３］（下記(d)(e)）では、前記ブランク２内の全要素に、素板３内の設定済みの前記基準方向を、一括転写する。かくして、ブランク２内の各要素に前記基準方向が自動的に且つごく短時間で設定される。各要素に設定された前記基準方向は、要素に固定され、成形に伴う要素の移動回転と同一の運動をする。
【００１４】
記
(a) 元の成形品の情報を取得：
算出するエレメント（要素）のnode番号1、node番号2を取得。
(b) 元の成形品をブランクの形にもどす：
Onestep等の成形解析を用い、3次元形状を持つ製品を2次元の平らな板の状態にする。
(c) ブランクの配置：
LC方向に対し、ブランクを移動回転させ配置する。
(d) ブランクでの角度計測：
(a)で取得したnode番号1、node番号2のX座標、Y座標から、node1とnode2を結ぶ直線とL又はC方向との角度を外積により計算。
(e) 成形品での角度の設定：
元の成形品のエレメントの材料角度情報に(d)で算出された角度を入力する。
【００１５】
図２、図３は、本発明による成形解析で得られた最終計算形状の成形品５である。図２、図３において(a)(b)(c)は基準方向の対Ｃ方向角度θがそれぞれ０°、４５°、９０°の場合である。基準方向を示す矢印は素板から一括転写され、成形品５の全要素に実態に適合した形で設定されていることがわかる。
一方、図４は、同じ目標立体形状に対し、従来の成形解析で得られた最終計算形状の成形品５である。基準方向の対Ｃ方向角度θは０°であるが、立体形状の各要素に基準方向を示す矢印を人の勘に頼って入力しているので、直線状部（図４(a)）では隣り合った要素間で逆向きとなっている個所があり、曲線状部（図４(b)）では大きいブロックごとの入力のため、全く実態と合わない設定となっている。
【００１６】
又、図１〜図４の例とは異なる目標立体形状の成形品を作成した場合について、本発明と従来とで、基準方向の設定（矢印入力）に要する時間を比較した例を表１に示す。表１より、本発明によれば、基準方向設定所要時間は、要素数が１０００と少ない場合でも従来の１/３、要素数が１００００と多い場合は従来の１/２７であり、従来に比し格段に短縮することがわかる。
【００１７】
【表１】
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【実施例】
【００１８】
図１〜図３に例示したθ＝０°、４５°、９０°の場合の本発明による最終計算形状の成形品５について、剛性解析を行って剛性値を算出した。一方、これらに対応する実成形品を作製し、剛性解析に対応する剛性試験（剛性確認実験）を実行し、剛性値を求めた。又、同じ目標立体形状に対し、従来の成形解析方法で得られた最終計算形状の成形品５（θ＝０°の場合は図４に図示、θ＝４５°、９０°の場合は図示省略）についても同様に剛性解析を行い剛性値を算出した。これらの結果を表２に示すとともに、図５にグラフで示す。
【００１９】
図５より、本発明例では、基準方向の対Ｃ方向角度θが変わっても計算値は実験値に極めて近い値である。一方、従来例ではθ＝０°の場合、実験値に近い計算値であるが、θ＝４５°、９０°の場合、実験値とは大きく違った計算値である。
すなわち、本発明によれば、剛性解析の変形シミュレーションによる剛性値予測精度が、従来に比し格段に向上することがわかる。
【００２０】
尚、上記において剛性解析に代えて衝突解析を行う場合についても同様に実施し、同様の結果が得られている。
【００２１】
【表２】
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【符号の説明】
【００２２】
１  成形品（目標立体形状）
２  ブランク
３  素板（ブランクを採取した素板）
４  素板内のブランク採取図形
５  成形品（最終計算形状）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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