(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工により成形された構造体の強度解析方法であって、
前記構造体を構成する材料と同じ種類の材料について、予め歪み量と硬度との関係を求め、
前記構造体の各部の硬度を計測し、
その計測した硬度に応じて前記歪み量と硬度との関係を参照することにより、前記構造体の各部の歪み量を推定し、
その推定した歪み量に基づいて、前記構造体の各部における材料の厚さを算出し、
その算出した材料の厚さに基づいて、前記構造体の強度を解析する
ことを特徴とする構造体の強度解析方法。
【請求項２】
前記構造体の強度を解析するに際して、更に、所定材料の応力・歪み特性を、前記推定した前記構造体の各部の歪み量に応じて変更した特性を用いることを特徴とする請求項１記載の構造体の強度解析方法。
【請求項３】
前記構造体は、プレス加工により成形された車両部材であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の構造体の強度解析方法。
【請求項４】
前記強度解析は、前記車両部材の衝突圧潰解析であることを特徴とする請求項３記載の構造体の強度解析方法。
【請求項５】
前記構造体の各部の硬度には、ビッカース硬さ分布を用いることを特徴とする請求項１記載の構造体の強度解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の強度解析方法に関し、例えば、自動車等の車両を構成する構造体としての各種部材の強度解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、自動車等の車両の設計・解析においては、コンピュータシミュレーション等により、その車両の衝突や強度等に対する各種性能が解析されている。また、本願出願人は、車両の強度解析技術の一例として、例えば特許法３０条第１項の規定の適用を受けて特願平９−２６３２９４号を提案している。
【０００３】
このような車両の強度解析技術においては、実際の材料特性に可能な限り近いパラメータを使用することが、正確な解析を行う上で重要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に製造する構造体（被加工物）は、プレス加工等により成形されることにより、原材料が単一材料（素材）であっても部位によって材料特性や材料の厚さが様々に変化している。
【０００５】
図１は、一般的なプレス加工及びその加工による鋼板の変形を示す図である。車体部品の多くは、同図に示すようなプレス加工によって成形される。その際、素材である鋼板には、加工硬化や板厚変化が発生し、単一材料であっても部位によって材料特性や板厚が異なった状態となる。
【０００６】
そこで従来は、解析の対象となる構造物から、ＪＩＳ（日本工業規格）５号試験片に見られるような試験片を切り出し、その試験片を使用して引張り試験等の材料試験を行うことより、解析に使用するパラメータを入手している。
【０００７】
しかしながら、上記の試験片を切り出すためには、ある程度の広さを持った平面部が必要であり、例えば、衝突圧潰特性に寄与が大きいとされる部材綾線部のように、面積が小さかったり、曲率が大きい箇所においては、材料特性の把握が困難である。
【０００８】
また、解析対象となる構造物の多くの箇所から試験片を切り出し、引張り試験を実施するには多くの時間を必要とするため、正確な解析業務を行おうとするほど、コンピュータによって実際に解析を行うまでのリードタイムの長さが問題となる。
【０００９】
そこで本発明は、加工による材料の変化を考慮し、強度解析を正確且つ容易に行う構造体の強度解析方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る構造体の強度解析方法は、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
即ち、加工により成形された構造体の強度解析方法であって、前記構造体を構成する材料と同じ種類の材料について、予め歪み量と硬度との関係を求め、前記構造体の各部の硬度を計測し、その計測した硬度に応じて前記歪み量と硬度との関係を参照することにより、前記構造体の各部の歪み量を推定し、その推定した歪み量に基づいて、前記構造体の各部における材料の厚さを算出し、その算出した材料の厚さに基づいて、前記構造体の強度を解析することを特徴とする。
これにより、加工による材料の変化を考慮し、正確且つ容易に構造体の強度解析を行う。
【００１２】
また、例えば、前記構造体の強度を解析するに際して、更に、所定材料の応力・歪み特性を、前記推定した前記構造体の各部の歪み量に応じて変更した特性を用いることにより、更に解析精度をする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る構造体の強度解析方法の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本実施形態では、構造体の一例として、正面衝突時の主要なエネルギー吸収部材であるところの自動車のフロントサイドフレームを対象として、生産加工段階で発生する加工硬化及び板厚変化を推定し、その推定した加工硬化及び板厚変化が、部材（フロントサイドフレーム）の衝突圧潰特性に与える影響を計算解析手法を用いて分析する。
【００１５】
はじめに、検討対象であるフロントサイドフレームについて説明する。
【００１６】
図２は、検討対象であるフロントサイドフレームの全体を示す斜視図である。同図に示すフロントサイドフレームは、プレス加工で製作した試作品であり、フレーム先端部付近に衝突時の変形挙動を安定化させるためのビードがあるのが特徴である。本実施形態では、一例として、当該フロントサイドフレーム（以下、フレームと称する）の材質を、図３に示した何れも板厚１．６ｍｍの３種類の鋼板（ＴＲＩＰ，ＳＡＰＨ４００，ＳＰＨＣ）にて製作した。
【００１７】
＜ステップ１：ビッカース硬さ分布の計測＞
成型時に部材に生じる歪み量を調べる方法としては、スクライブドサークル法がよく使われているが、この手法では角部のような局所的な歪み量を調べることができない。そこで、本実施形態では、フレームの複数の断面におけるビッカース硬さの分布を計測し、その計測値に基づいて部材各部に生じる材料特性変化及び板厚変化を推定する。
【００１８】
ビッカース硬さの分布の計測箇所としては、図２に矢印で示したように、フレームのビード部及び基本断面部を選び、断面周方向に約５ｍｍ間隔で計測する。
【００１９】
次に、図４に示すように、フレーム断面を平面部と角部とで▲１▼から▲９▼の９領域に分割し、断面周方向に約５ｍｍ間隔で計測したビッカース硬さの計測値を、該領域毎に平均値を算出する。この結果を、図５から図７に材質毎に示す。
【００２０】
図５から図７は、本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である。
【００２１】
同図から判るように、ビッカース硬さは、高強度材ほど高い計測値を示している。また、断面部におけるビッカース硬さは、何れの材質も同様な分布であり、フレーム垂直面（▲５▼）と比較して角部（▲２▼，▲４▼，▲６▼，▲８▼）及び水平面（▲３▼，▲７▼）の硬度が高く、これらの部位により多くの加工硬化が生じていることが判る。
【００２２】
また、最も母材硬度に近いと思われる垂直面の硬度を基準として、各材質の硬度増加率を比較すると、Ｃ材（ＳＰＨ）のビッカース硬さが最も高く、角部で３３％、水平面で２７％の硬度増加が見られる。次に硬さ増加率が大きいのはＡ材（ＴＲＩＰ）であり、Ｂ材（ＳＡＰＨ４００）が最も小さい結果となった。
【００２３】
以上、ステップ１では、フレーム断面の各部のビッカース硬さの分布を計測した。
【００２４】
＜ステップ２：材料特性変化の推定＞
次に、ステップ１で計測した各材料のビッカース硬さ分布に基づいて、フレーム各部に生じている塑性変形量を推定する。
【００２５】
具体的には、塑性変形量を推定に先立って、まず、ＪＩＳ５号試験片を用いて、歪み量の異なる引っ張り試験を行い、その試験により生じた各歪み量に応じて評点間のビッカース硬さがどのように変化するかを計測し、塑性歪みとビッカース硬さとの関係を調べた。
【００２６】
図８は、本発明の一実施形態としての各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を示す図である。同図に示すように、高強度の材質ほどビッカース硬さも高い値を示しており、また、何れの材質も塑性歪みの増加に伴ってビッカース硬さが増加する傾向が見られる。ビッカース硬さは、歪みの小さい領域で急激に増加するが、その歪みの増加に伴って、ビッカース硬さの増加の傾きが緩やかになっている。また、歪み０時の硬度を規準にビッカース硬さの増加率を比較すると、Ａ材及びＣ材が大きく、逆にＢ材が小さい傾向が見られる。
【００２７】
上述した各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係（図８）は、予めコンピュータの記憶装置等に、参照可能なデータベースとして格納しておけばよい。
【００２８】
次に、上記の各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を用いて、ビッカース硬さ分布から部材各部の塑性歪み（塑性変形量）を、材質Ａの材料について推定した結果を図９に示す。図９において、塑性歪みは、ビッカース硬さと同様に、垂直面で低く、角部（特にフランジ付け根部分）及び水平面において高い値を示している。角部の歪みが高いことは容易に想像できるが、水平面でも略同程度の塑性歪みが発生していることが判る。また、塑性歪みは、垂直面で１〜２％程度、角部（フランジ付け根）及び水平面で１０％程度と推定される。
【００２９】
以上、ステップ２では、ステップ１で計測したビッカース硬さの分布に基づいて、部材各部に生じている材料特性変化として、塑性歪みを推定した。この塑性歪みは、加工硬化に相当する。
【００３０】
＜ステップ３：板厚変化の推定＞
次に、材料の板厚の変化については、ビッカース硬さ分布から推定した部材各部の塑性歪み（図９）に基づいて、以下のような手法で推定する。本実施形態では、図１０に示すａ×ｂ、板厚ｔの板の引っ張り動作を考える。
【００３１】
塑性歪みをεｐ、ポアソン比をνとすると、長さａは（１＋εｐ）×ａ、長さｂは（１−νεｐ）×ｂと置くことができる。
【００３２】
引っ張り動作の前後で鋼板の体積が変化しないとすると、変形後の板厚ｔ’は以下の式で与えられる。
【００３３】
ｔ’＝ｔ／｛（１＋εｐ）×（１−νεｐ）｝    ・・・・・・・・（１）
上記の（１）式に基づいて、材質Ａの材料について算出した板厚分布の推定結果を図１１に示す。同図から判るように、フレームの角部や水平面のように、塑性歪みの大きい箇所ほど板厚減少が大きくなっている。また、●印は、実際にフレームを切断して計測した実測値であり、これらの実測値は、（１）によって塑性歪みから推定した値と略一致しており、本推定法が妥当であることが判る。
【００３４】
以上、ステップ３では、ステップ２で推定した塑性歪み（図９）に基づいて、部材各部に生じている板厚変化を推定した。
【００３５】
＜ステップ４：計算解析によるフレーム単体の衝突解析（強度解析）＞
次に、上述したステップ２によって得られた「塑性歪み」、そしてステップ３によって得られた「板厚分布」の推定結果に基づいて、計算解析を用いてフレーム単体の強度解析として、所謂、衝突圧潰解析を行うことにより、加工硬化と板厚変化とが部材圧解特性に及ぼす影響を調べる。尚、本実施形態では、解析に所謂、動的陽解法ＦＥＭ（ＰＡＭ−ＣＲＡＳＨ）を用いるが、これに限られるものではない。
【００３６】
ここで、加工硬化の影響の計算解析は、まず、ＪＩＳ５号試験片の応力−歪み曲線であるところの、ベースとなる材料の応力−歪み曲線（曲線Ａ）を用意し、その曲線を、図１２に示すように、ステップ２にて推定した塑性歪みの量に応じてスライドさせ、これにより曲線Ｂを求める。そして、曲線Ｂで表わされるような材料特性データをフレーム断面の部位毎に求める。そして、それらのデータを計算解析モデルに組み込み、計算解析を行う。このとき、設定すべき他の解析条件として、本実施形態では、衝突速度は９ｍ／ｓｅｃとし、モデル後端に台車に相当する質量を付加した。
【００３７】
図１３は、本発明の一実施形態として、均一な特性とした場合の材質Ａの材料についての変形モード図である。また、図１４は、本発明の一実施形態として、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合の材質Ａの材料についての変形モード図である。
【００３８】
図１３及び図１４において、潰れ前半（潰れ量１５０ｍｍ付近まで）の変形は、ビードの効果により何れの場合も略一様な軸圧縮モードとなる。また、潰れ後半は、フレーム中央部（断面収縮部）で曲げ変形が発生するが、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合には、全体の潰れ量が減って、折れ曲がり量が減少している様子が判る。尚、図面は省略するが、Ｂ材、Ｃ材についても変形モードの傾向は略同様である。
【００３９】
図１５から図１７は、本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図であり、加工硬化と板厚変化とを考慮している場合を”Ｍａｔ．＆Ｔｈｉｃｋ．ｃｈａｎｇｅ”と、そうでない場合を”Ｕｎｉｆｏｒｍ”としている。
【００４０】
図１５から図１７に示すように、何れの材質についても、加工硬化と板厚変化とを考慮することにより、フレーム全体を均一な特性（以下、単に「均一な特性」と省略する）で計算した場合と比較して、圧潰荷重が増加する結果が得られた。特に、ｎ値の高いＡ材／Ｃ材で顕著な圧潰荷重の増加が見られる（Ａ材で最大８．５％の平均荷重増加）。また、Ｂ材も若干ではあるが圧潰荷重が増加している。
【００４１】
図１８は、本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重の平均値の比較結果を示す図であり、この図においても、加工硬化と板厚変化とを考慮している場合を”Ｍａｔ．＆Ｔｈｉｃｋ．ｃｈａｎｇｅ”と、均一な特性とした場合を”Ｕｎｉｆｏｒｍ”としている。
【００４２】
図１８に示すように、変形モードが略一定である潰れ量１５０ｍｍ区間の平均圧潰荷重を比較すると、Ａ材：８．５％、Ｃ材：６．５％の荷重増加が見られる。また、Ｂ材では１．４％と差が少ないが、１５０ｍｍ付近で圧潰荷重のピークにずれが生じており、変形モードの影響が生じていることが判る。尚、潰れ量２００ｍｍ区間の平均圧潰荷重としたときには、３．３％の差となる。
【００４３】
＜計算解析と試験結果との比較＞
図１９は、本発明の一実施形態としての計算解析と試作フレームを用いた衝突試験結果との比較結果を説明する図であり、潰れ量１５０ｍｍまでの平均圧潰荷重を比較した結果を示している。
【００４４】
計算結果は、いずれも実験結果（Ｔｅｓｔ）より平均圧潰荷重が低めにでている。加工硬化と板厚変化とを考慮した場合（Ｍａｔ．＆Ｔｈｉｃｋ．ｃｈａｎｇｅ）のほうが、均一な特性で計算した場合（Ｕｎｉｆｏｒｍ）に対して圧潰荷重が増加し、実験結果により近い結果が得られた。
【００４５】
また、材質間では、Ａ材／Ｃ材の圧潰荷重の増加が大きく、均一な特性で計算した場合には８〜１０％であった実験結果との差が、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合には約３％程度まで減少している。一方、Ｂ材は、実験結果に近づく方向にはあるが、潰れ量１５０ｍｍまでの平均値で見る限り変化量は８％から７％への減少に止まっている。尚、潰れ量２００ｍｍまでの平均荷重で比較したときには、実験結果との差は５％となる。
【００４６】
以上、説明した本実施形態では、自動車のフロントサイドフレームを対象として、生産加工段階で発生する加工硬化及び板厚変化を推定し、その推定した加工硬化と板厚変化とが、部材（フロントサイドフレーム）の衝突圧潰特性に与える影響を計算解析手法を用いて解析した。
【００４７】
上述したように、計算解析と試験結果とを比較すると、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合のほうが、均一な特性で計算する場合と比較して、より実験結果に近い荷重特性が得られる。従って、本実施形態の解析方法を用いれば、複雑な形状を有する加工後の構造体に対して計測したビッカース硬さに基づいて、加工硬化と板厚変化とを容易に推定することができ、従来のようにその構造体を切断等して実際に計測する手間を省略することができる。また、推定した加工硬化と板厚変化とは正確なため、推定により得られたパラメータを使用することにより、より実状（実験結果）に則した構造体の強度解析を行うことができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工による材料の変化を考慮し、強度解析を正確且つ容易に行う構造体の強度解析方法の提供が実現する。
【００４９】
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なプレス加工及びその加工による鋼板の変形を示す図である。
【図２】検討対象であるフロントサイドフレームの全体を示す斜視図である。
【図３】本実施形態で検討に使用した材料の機械特性を示す図である。
【図４】複数の領域に分割したフレーム断面を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である（Ａ材：ＴＲＩＰ）。
【図６】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である（Ｂ材：ＳＡＰＨ４００）。
【図７】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である（Ｃ材：ＳＰＨＣ）。
【図８】本発明の一実施形態としての各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態としてのビッカース硬さ分布から部材各部の塑性歪みを推定した結果を示す図である（Ａ材：ＴＲＩＰ）。
【図１０】材料の板厚変化の推定に利用する平板を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態としての板厚分布の推定結果を示す図である（Ａ材：ＴＲＩＰ）。
【図１２】本発明の一実施形態としての応力−歪み特性を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態として、均一な特性とした場合の材質Ａの材料についての変形モード図である。
【図１４】本発明の一実施形態として、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合の材質Ａの材料についての変形モード図である。
【図１５】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である（Ａ材：ＴＲＩＰ）。
【図１６】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である（Ｂ材：ＳＡＰＨ４００）。
【図１７】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である（Ｃ材：ＳＰＨＣ）。
【図１８】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重の平均値の比較結果を示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態としての計算解析と試作フレームを用いた衝突試験結果との比較結果を説明する図である。
【図１】
0003609600.tif 000002
【図２】
0003609600.tif 000003
【図３】
0003609600.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003609600.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003609600.tif 000014
【図１４】
0003609600.tif 000015
【図１５】
0003609600.tif 000016
【図１６】
0003609600.tif 000017
【図１７】
0003609600.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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