(57)【要約】【課題】鋼部材の温度変化に伴う変位量（膨張収縮量）を高精度に予測できる熱変位解析方法を提供する。【解決手段】本発明の熱変位解析方法は、鋼材からなる加熱された部材の解析対象となる領域（以下「解析領域」という。）に冷却過程中の温度変化により生じる変位量を算出する熱変位解析方法である。具体的にいうと、冷却過程中に変化する解析領域の温度を算出する温度算出ステップと、冷却過程が鋼材の相変態を伴わない無変態型と鋼材の相変態を伴う変態型とのいずれのタイプであるかを判定する判定ステップと、冷却過程が変態型であるときに解析領域について冷却過程の冷却速度を算出する冷却速度算出ステップと、冷却過程のタイプと冷却速度とに応じて予め用意された線膨張係数と温度の相関を示す線膨張係数データに基づいて、解析領域に生じる変位量を算出する変位量算出ステップとを備える。【選択図】図４
2019185156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材からなる加熱された部材の解析対象となる領域（以下「解析領域」という。）に冷却過程中の温度変化により生じる変位量を算出する熱変位解析方法であって、
該冷却過程中に変化する該解析領域の温度を算出する温度算出ステップと、
該冷却過程が該鋼材の相変態を伴わない無変態型と該鋼材の相変態を伴う変態型とのいずれのタイプであるかを判定する判定ステップと、
該冷却過程が変態型であるときに該解析領域について該冷却過程の冷却速度を算出する冷却速度算出ステップと、
該冷却過程のタイプと該冷却速度とに応じて予め用意された線膨張係数と温度の相関を示す線膨張係数データに基づいて、該解析領域に生じる変位量を算出する変位量算出ステップと、
を備える熱変位解析方法。
【請求項２】
前記判定ステップは、加熱初期温度が前記鋼材の変態開始温度（Ａ１点）以上であるときに該冷却過程を前記変態型とする請求項１に記載の熱変位解析方法。
【請求項３】
前記線膨張係数データは、前記鋼材について実際に計測された膨張収縮量と温度の相関を示す実測データに基づいて作成された解析用データからなる請求項１または２に記載の熱変位解析方法。
【請求項４】
さらに、前記解析領域の変位量に基づいて前記部材全体の変形量を算出する変形量算出ステップを有する請求項１〜３のいずれかに記載の熱変位解析方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の熱変位解析方法を実施できることを特徴とする熱変位解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度変化に伴う膨張収縮により、鋼材からなる部材（単に「鋼部材」という。）に生じる変位量を的確に予測できる熱変位解析方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバー合金等を除き、通常の鋼材は、温度変化に応じて熱膨張または熱収縮（単に「膨張収縮」という。）をする。このため、例えば、熱間加工される鋼材には、熱間時から冷間時に至る冷却過程で、変形や寸法変化が生じ得る。
【０００３】
熱間加工の一例として、オーステナイト変態温度（Ａｃ１点さらにはＡｃ３点）以上に加熱された鋼板を、成形金型（ダイとパンチ）でプレス成形して、成形と熱処理（焼入れ）を同時に行う熱間プレス成形（ホットスタンプ）がある。熱間プレス成形によれば、焼入れされた高強度なプレス成形品を効率的に得ることができる。そして、部位により冷却速度や加熱温度範囲を変えて、部位毎に所望特性を付与する熱間プレス成形法も提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開１０１６−４１４４０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】溶接学会全国大会講演概要90、p136-137、「1500MPa級閉断面部材を対象とした溶接変形解析」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱間加工の場合、加工中の温度変化が大きく、鋼材に生じる膨張収縮量も大きい。このため、熱間加工した鋼部材には、大きな変形、残留応力、割れ等が生じ易い。そこで、熱間加工時に生じる膨張収縮量（変位量）が、ＣＡＥ（computer aided engineering）等を用いたシミュレーションにより的確に予測できると、変形や割れ等を抑止できる製品や金型の設計、熱処理条件の設定等に役立つ。
【０００７】
もっとも、非特許文献１にもあるように、従来は、鋼材の線膨張係数を一定として、膨張収縮量が数値解析されていたに過ぎない。このような解析手法では、上述したような熱間加工時に生じる複雑な膨張収縮量を的確に予測できない。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、鋼部材の温度変化に伴う変位量（膨張収縮量）を的確に予測できる熱変位解析方法等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、冷却過程のタイプに適した線膨張係数を用いることにより、鋼部材の各解析領域に生じる変位量を的確に算出することを着想した。この着想に基づいて数値解析した結果が、実際に生じる変位量を的確に反映したものであることを確認した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１０】
《熱変位解析方法》
（１）本発明の熱変位解析方法（単に「解析方法」という。）は、鋼材からなる加熱された部材の解析対象となる領域（以下「解析領域」という。）に冷却過程中の温度変化により生じる変位量を算出する熱変位解析方法であって、該冷却過程中に変化する該解析領域の温度を算出する温度算出ステップと、該冷却過程が該鋼材の相変態を伴わない無変態型と該鋼材の相変態を伴う変態型とのいずれのタイプであるかを判定する判定ステップと、該冷却過程が変態型であるときに該解析領域について該冷却過程の冷却速度を算出する冷却速度算出ステップと、該冷却過程のタイプと該冷却速度とに応じて予め用意された線膨張係数と温度の相関を示す線膨張係数データに基づいて、該解析領域に生じる変位量を算出する変位量算出ステップとを備える。
【００１１】
（２）本発明の解析方法では、冷却過程のタイプや冷却速度に応じた適切な線膨張係数を用いて、変位量を算出している。これにより、冷却過程中の相変態の有無や冷却速度を反映させつつ、温度変化に伴う鋼部材の変位量を的確に予測できるようになる。
【００１２】
《熱変位解析プログラム／熱変位解析装置》
本発明は、上述した解析方法を計算機で実行する熱変位解析プログラム（単に「解析プログラム」ともいう。）、その解析プログラムを実行できる熱変位解析装置（またはシステム）等としても把握できる。このような「物」に係る本発明の構成要素は、上述した解析方法に係る各構成要素の「ステップ」をそれぞれ「手段」と読み替えればよい。
【００１３】
《その他》
（１）数値解析の対象となる「解析領域」は、例えば、鋼部材のモデルを区画（メッシュ切り）した各微小領域と考えても良いし、その微小領域が集合した特定領域と考えてもよい。なお、算出された所望する領域の変位量は、部材全体としての変形量や各部に作用する応力等の算出に利用されてもよい。
【００１４】
（２）本発明の解析方法は、少なくとも鋼部材の一部に相変態（γ相→α相）が生じ得るときの変位量の算出に適しているが、相変態を伴わないときの変位量の算出（予測）に用いられても当然よい。
【００１５】
（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】実験により得られた膨張収縮量と温度の関係（実測データ）を示すグラフである。
【図１Ｂ】その実測データに基づいて構成された瞬間線膨張係数と温度の関係（解析用データ）を示すグラフである。
【図１Ｃ】その瞬間線膨張係数の算出法を示す説明図である。
【図２】解析モデルを示す図である。
【図３】解析対象とした冷却過程を示す図である。
【図４】変位量の算出に係るフローチャートである。
【図５】解析した変位量を示す棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。便宜上、本明細書では解析方法について説明するが、その内容は解析プログラムや解析装置にも適宜該当し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００１８】
《鋼材／鋼部材》
鋼材は、フェライト相（α相）とオーステナイト相（γ相）の相変態を伴うものであれば、炭素鋼（合金鋼を含む）に限らず、ステンレス鋼等でもよい。炭素鋼は、例えば、鋼材全体を１００質量％（適宜単に「％」という。）としてＣ量が０．１５〜０．８％さらには０．２〜０．７％含むとよい。鋼材に含まれる他の合金成分（組成）として、強度や焼入れ性等を向上させるＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓｉ等がある。
【００１９】
鋼部材は、形態、加工方法や処理方法、用途等を問わない。本発明の解析方法は、加工時または熱処理時に、全部または一部に相変態が生じる鋼部材に好適である。例えば、熱間成形（鋼板のプレス（ホットスタンプ）、鋼塊の鍛造等）される鋼部材の変位量の予測に、本発明の解析方法が用いられると好ましい。
【００２０】
《線膨張係数データ》
温度変化に伴う変位量の算出には、線膨張係数データが必要となる。線膨張係数データには、鋼材について実際に計測して求めた膨張収縮量と温度の相関を示す実測データ（生データ）を用いてもよし、その実測データに基づいて作成（再構成）した解析用データを用いてもよい。解析用データは、冷却過程のタイプと冷却速度に応じて、温度と線膨張係数が対応付けられていると、変位量の算出が容易となり好ましい。
【００２１】
なお、実測データには、既存の公知データを利用してもよい。また、解析対象となる鋼材そのもの実測データに限らず、それと熱膨張収縮特性が類似する鋼材の実測データを転用してもよい。
【００２２】
線膨張係数データは、加熱された鋼材が相変態を伴わないとき（鋼材がα相のままのとき）と、加熱された鋼材が相変態を伴うとき（鋼材がγ相からα相に変化するとき）との２種類が必要である。後者の線膨張係数データは、解析対象である冷却過程の冷却速度に整合しているほど好ましい。
【００２３】
《相変態の判定》
適切な線膨張係数を選択するためには、冷却過程が鋼材の相変態を伴わない無変態型と鋼材の相変態を伴う変態型とのいずれのタイプであるかを判定する必要がある（判定ステップ）。鋼材は、変態開始温度（Ａ１点さらにはＡｃ１点）以上に加熱されていると、その冷却過程で自ずと相変態を伴う。そこで、冷却過程前の鋼材の加熱初期温度がＡ１点以上さらにはＡｃ１点以上であるとき、冷却過程を変態型と判定するとよい。なお、本明細書では、特に断らない限り、Ａ１点（特にＡｃ１点）を変態温度（変態点）という。
【００２４】
《冷却速度の算出》
相変態を伴う場合、線膨張係数データは冷却速度により変化する。このため、冷却過程が変態型の場合、適切な線膨張係数データを選択するために、冷却過程の冷却速度を特定する必要がある。指標となる冷却速度は、線膨張係数データと対応している限り、例えば、冷却過程の始期から終期に至る平均冷却速度でもよいし、変態点における瞬間的な冷却速度等でもよい。なお、冷却速度は、温度算出ステップから求まる温度変化を利用して算出されてもよい。
【実施例】
【００２５】
加熱した鋼部材（モデル）が冷却される過程で生じる膨張収縮による変位量を数値解析（シミュレーション）により求めた。この具体例に基づいて、本発明を以下に詳しく説明する。
【００２６】
《実測データ》
解析に必要な線膨張係数データを得るために、鋼材の膨張収縮量の温度変化を次のように測定した。先ず、鋼材（炭素鋼：Ｆｅ−０．３質量％Ｃ）からなる試験片を用意した。次に、その試験片を９００℃（Ａｃ３点以上）まで加熱した後、室温まで種々の冷却速度で実際に冷却した。こうして得られた鋼材の膨張収縮と温度の関係（実測データ）を図１Ａに示した。図中、ａ０は準平衡状態（加熱速度＝４０℃／ｓ）で加熱した場合であり、ｂ１は冷却速度（Ｖｃ）：１００℃／ｓで冷却した場合であり、ｂ２は冷却速度：５℃／ｓで冷却した場合である。
【００２７】
この測定は熱間加工再現試験装置（サーメックマスターＺ）を用いて次のように行った。試験片に溶着した熱電対を介してＰＩＤ制御により一定速度で試験片を加熱冷却した。その過程中の試験片膨張収縮を変位計により測定した。また冷却速度は試験片に溶着した熱電対により測定される温度変化ΔＴを冷却時間Δｔにより除して（ΔＴ／Δｔ）求めた。
【００２８】
《解析用データ》
実測データに基づいて、各冷却速度毎に、各温度における瞬間線膨張係数（αｉｎ）を算出した。瞬間線膨張係数は図１Ｃに示すように、微小温度区間（ΔＴ）に対する膨張収縮量の変化量（Δ）の割合（変化率）として、各温度毎に求めた。このため瞬間線膨張係数は、所定温度幅に対する膨張収縮量の変化量として求まる単なる平均線膨張係数（αＳＥ）とは異なる。ΔＴ＝２５℃として温度変化区間（ΔＴ）ごとに膨張収縮変化量（ΔＬ）を除して｛（１／Ｌ０）・（ΔＬ／ΔＴ）｝して得られた瞬間線膨張係数を図１Ｂにまとめて示した。なお、Ｌ０は試験片の初期長さである。
【００２９】
図１Ｂ中のａ０は、Ａ１点以下の温度域だけをみると、無変態型の冷却過程における線膨張係数データとみなせる。一方、ｂ１、ｂ２は、変態型の冷却過程における線膨張係数データであり、ｂ１は冷却速度が大きい場合、ｂ２は冷却速度が小さい場合をそれぞれ示している。本実施例では、こうして得られた各線膨張係数データを解析用データとして用いて、以降の数値解析を行った。
【００３０】
《解析モデル》
解析モデルとして、図２に示す熱間プレス成形品（鋼部材）を想定した。鋼材は上述した炭素鋼と同じとした。図２に示すように、そのモデルの半分（領域Ｉ）は、無変態型の冷却過程として、その線膨張係数データには図１Ｂに示すａ０を用いた。そのモデルの残り半分（領域II）は、変態型の冷却過程として、その線膨張係数データには図１Ｂに示すｂ１またはｂ２を用いた。
【００３１】
また、領域Ｉと領域IIの初期温度（冷却開始温度）と冷却速度は、図３に示すように設定した。具体的にいうと、領域Ｉ（ａ０）は初期温度：７００℃、冷却速度：４０℃／ｓとし、領域II（ｂ１、ｂ２）は初期温度：９００℃、冷却速度：１００℃／ｓまたは５℃／ｓとした。
【００３２】
《シミュレーション》
図２、図３に示すモデルに、図１Ｂに示した線膨張係数データを適用して、温度を７００℃→５００℃または７００℃→３００℃と変化させたときの膨張収縮量（変位量）を、解析ソフト（ＬＳＴＣ社製ＬＳ-ＤＹＮＡ）を用いてシミュレーションした。このシミュレーションの概要を図４に示した。具体的には次の通りである。
【００３３】
先ず、モデルを小分割（メッシュ切り）した微小領域について、熱伝導解析を行い、各微小領域の温度変化を算出した（温度算出ステップＳ１）。
【００３４】
次に、解析領域の初期温度（Ｔ０）が変態点（Ａｃ１点）以上であるかを判断した（判定ステップＳ２）。領域ＩはＴ０＜Ａｃ１であるため冷却過程は無変態型となり、線膨張係数データとして図１Ｂのａ０を選択する（選択ステップＳ４２）。
【００３５】
一方、領域IIはＴ０≧Ａｃ１であるため冷却過程は変態型となる。このため、先ず冷却速度（Ｖｃ）を算出する（冷却速度算出ステップＳ３）。本実施例では、冷却開始時から冷却終了時の温度変化を、冷却時間で除した平均的な冷却速度を算出した。次に、その算出した冷却速度にマッチした線膨張係数データ（図１Ｂのｂ１またはｂ２）を選択する（選択ステップＳ４１）。
【００３６】
各微小領域について、刻み時間毎に温度と変位量を逐次算出する（変位量算出ステップＳ５）。これを繰り返すことにより、所望の温度変化に対応した所望部位の変位量が求まる。こうして求めた変位量の一例を図５に示した。図５中、ａ０は領域Ｉの●位置における変位量を示し、ｂ１は領域IIの○位置における変位量で冷却速度が大きい場合を示し、ｂ２は領域IIの○位置における変位量で冷却速度が小さい場合を示す。
【００３７】
図５から明らかなように、相変態の有無と冷却速度により、算出される変位量がそれぞれ異なっており、それらの大小関係は図１Ａに示した実測データを反映したものとなった。
【００３８】
こうして、本発明の解析方法を用いることにより、相変態を伴う鋼部材についても、温度変化に伴う各部の膨張収縮量を的確に予測できることが確認できた。
【図１Ａ】
2019185156.tif 000003
【図１Ｂ】
2019185156.tif 000004
【図１Ｃ】
2019185156.tif 000005
【図２】
2019185156.tif 000006
【図３】
2019185156.tif 000007
【図４】
2019185156.tif 000008
【図５】
2019185156.tif 000009