(57)【要約】【課題】金属板の成形シミュレーションを高精度かつ効率的に実行可能な、成形シミュレーションに用いられる有限要素モデルのモデル設定方法を提供する。【解決手段】有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定するモデル設定方法であって、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、成形用工具モデルのうち、金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定するモデル設定方法であって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する、モデル設定方法。
【請求項２】
前記表層は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素である、請求項１に記載のモデル設定方法。
【請求項３】
前記基体は、シェル要素である、請求項１または２に記載のモデル設定方法。
【請求項４】
前記基体は、ソリッド要素または厚肉シェル要素である、請求項１または２に記載のモデル設定方法。
【請求項５】
前記表層および前記基体で表現された前記成形用工具モデルは、前記成形用工具の表面近傍の領域を、前記金属板接触面に沿ってモデル化したものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモデル設定方法。
【請求項６】
前記表層の厚さは、前記金属板の母材厚さの０．２〜５．０倍に設定される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモデル設定方法。
【請求項７】
前記表層の厚さは、１．０〜１０ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のモデル設定方法。
【請求項８】
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板の成形時に前記成形用工具に対して荷重が集中する部分を、前記表層として設定する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のモデル設定方法。
【請求項９】
複数の前記成形用工具をモデル化する場合、前記成形用工具モデルのうち少なくともいずれか１つを、前記表層および前記基体を有する有限要素モデルで表す、請求項１〜８のいずれか１項に記載のモデル設定方法。
【請求項１０】
有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートする成形シミュレーション方法であって、
前記金属板を表す金属板モデルを設定する金属板モデル設定ステップと、
前記成形用工具を表す成形用工具モデルを設定する成形用工具モデル設定ステップと、
前記金属板モデルと前記成形用工具モデルとを用いて、前記成形用工具による前記金属板の成形をシミュレートする解析ステップと、
を含み、
前記成形用工具モデル設定ステップは、請求項１〜９のいずれか１項に記載のモデル設定方法を用いて第１の成形用工具モデルを設定する第１設定ステップを含む、成形シミュレーション方法。
【請求項１１】
前記成形用工具モデル設定ステップは、前記成形用工具を剛体シェル要素で表した第２の成形用工具モデルを設定する第２設定ステップを含み、
前記金属板モデルと前記第２の成形用工具モデルとを用いて解析する第１成形シミュレーションを実施し、
前記第１成形シミュレーションにより得られた前記金属板の増厚量および成形荷重に基づいて、前記第２の成形用工具モデルの変更の要否を判定し、
前記第２の成形用工具モデルの変更が必要と判定された場合、前記第１の成形用工具モデルを用いて解析する第２成形シミュレーションを実施する、
請求項１０に記載の成形シミュレーション方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の成形シミュレーション方法を用いて成形用工具を設計し、製造する、成形用工具の製造方法。
【請求項１３】
コンピュータに、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理を実行させるためのプログラムであって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する、プログラム。
【請求項１４】
有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理をコンピュータに実行させるため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であって、
成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、
前記成形用工具モデルのうち、前記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、
前記成形用工具モデルのうち、前記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する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。
【請求項１５】
成形用工具による金属板の成形のシミュレーションに用いられる前記成形用工具の有限要素モデルであって、
前記成形用工具の金属板接触面の少なくとも一部の表層が弾性体または弾塑性体で表現され、前記表層を支持する基体が剛体で表現されている、有限要素モデル。
【請求項１６】
前記表層および前記基体で表現された前記成形用工具の有限要素モデルは、前記成形用工具の表面近傍の領域を、前記金属板接触面に沿ってモデル化したものである、請求項１５に記載の有限要素モデル。
【請求項１７】
弾性体または弾塑性体で表現された前記表層は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素である、請求項１５または１６に記載の有限要素モデル。
【請求項１８】
剛体で表現された前記基体はシェル要素である、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【請求項１９】
剛体で表現された前記基体は、ソリッド要素または厚肉シェル要素である、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【請求項２０】
前記表層の少なくとも一部には、前記成形用工具のブランクホルダの少なくとも一部が含まれる、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【請求項２１】
前記表層の少なくとも一部には前記成形用工具の凸形状部が含まれる、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【請求項２２】
前記金属板から湾曲面を有する成形品を成形するための前記成形用工具の有限要素モデルにおいて、前記表層の少なくとも一部には、前記成形品の湾曲面に対応する前記成形用工具の領域が含まれる、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【請求項２３】
前記表層の厚さは、１．０〜１０ｍｍである、請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の有限要素モデル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有限要素法による金属板の成形シミュレーションに用いる有限要素モデルのモデル設定方法、設定された有限要素モデルを用いた成形シミュレーション方法、それを用いた成形用工具の製造方法、プログラム、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および有限要素モデルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品や家庭電気製品には、成形用工具を用いて金属板をプレス成形やロールフォーミング等により成形した部品が多用されている。このような部品は成形工程において、割れ、しわ等の成形不良や、スプリングバックに伴う寸法精度不良等が発生する場合がある。これらの対策手法を検討するため、有限要素法による成形シミュレーションが近年盛んに用いられている。【０００３】
一般的に、有限要素法による金属板の成形シミュレーションでは、解析モデルの作成や解析に要する時間の短縮のため、解析対象をシェル要素でモデル化して計算を実施していることが多い。この際、成形用工具に剛体の特性、金属板に変形体（弾塑性体）の特性を付与することで、解析モデルを簡素化している。【０００４】
しかしながら、実際は成形用工具も変形体（弾塑性体）であり、実際の金属板の成形においては成形用工具の弾性変形（場合によっては塑性変形）を伴いながら成形が進行する。このため、上記のような解析モデルでは成形シミュレーションの解析結果と実成形品の実測値との整合性が低くなるという問題がある。特に、部品の軽量化や衝突機能の向上を図るために高強度の材料を用いることが盛んに行われており、高強度の金属板を成形する際には成形荷重が増大するため、成形シミュレーションにおける成形用工具の弾性変形による影響を無視できなくなってきている。例えば、成形の過程で金属板の一部に板厚の厚い増厚部が生じた場合、成形用工具は弾塑性体であるため、実際には金属板の増厚部だけでなく増厚部以外の部分にも成形用工具が接触することになる。しかし、成形用工具を剛体と仮定してモデル化すると、金属板の増厚部のみに成形用工具が接触するというモデルになってしまう。したがって、成形シミュレーションの精度を向上させるためには、成形用工具の弾性変形を考慮することが望まれる。【０００５】
そこで、例えば成形用工具をソリッド要素でモデル化し、弾性体または弾塑性体の特性を付与する解析モデルが考えられる。しかしながら、成形用工具をソリッド要素でモデル化する場合には、成形用工具をシェル要素でモデル化する場合と比較して、解析モデルの作成（メッシュ分割）および解析実行のそれぞれに大幅な手間と時間が必要となる。そのため、多くの部品開発を手掛ける量産現場において、このような解析モデルを用いることは現実的ではない。【０００６】
また、特許文献１および特許文献２には、金型を剛体と仮定して金型表面のみをシェル要素としてモデル化し、板成形シミュレーションを行い、金型を弾性体と仮定してソリッド要素としてモデル化し、上記板成形シミュレーションから求めた節点反力を入力して、金型剛性シミュレーションを行い、上記金型剛性シミュレーションで得られた金型たわみ分布を反映させ、上記板成形シミュレーションを再度行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３８１２０号公報
【特許文献２】特開２００５−１３８１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載の方法では、金型剛性シミュレーションでは金型をソリッド要素としてモデル化しているため、解析モデルの作成に時間を要する。また、解析結果を得るために、板成形シミュレーションおよび金型剛性シミュレーション等、多くのステップを経る必要があり、解析全体には依然として大幅な手間と時間を要する。さらには、汎用有限要素法解析ソフトのみでは、一連のステップを簡便に実行することは困難である。【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、金属板の成形シミュレーションを高精度かつ効率的に実行可能にするための、有限要素モデルのモデル設定方法、成形シミュレーション方法、成形用工具の製造方法、プログラム、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および有限要素モデルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、金属板の成形中に成形用工具が弾性変形する様子を把握するために、成形用工具をシェル要素でモデル化し剛体の特性を付与した場合と、成形用工具をソリッド要素でモデル化し弾性体または弾塑性体の特性を付与した場合とで、有限要素法による金属板の成形シミュレーションを行い、比較検討した。その結果、成形用工具の有限要素モデルに弾性体または弾塑性体の特性を付与する場合は、成形用工具全体を対象とする必要はなく、成形用工具の金属板と接触する表面近傍のみを対象とすればよいことを見出した。この知見に基づき鋭意検討を重ねた結果、成形用工具を金属板と接触する表層とその表層を支持する基体との仮想の２層構造でモデル化し、表層に弾性体または弾塑性体の特性を付与し、基体に剛体の特性を付与することで、成形用工具表面の弾性変形を考慮するとともに、成形用工具の全体的な形状を保ちながら剛体変位を制御することができることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１１】
すなわち、本発明は、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定するモデル設定方法であって、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、上記成形用工具モデルのうち、上記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、上記成形用工具モデルのうち、上記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する、モデル設定方法を提供する。【００１２】
上記発明においては、上記表層は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素のいずれかに設定される。また、上記基体は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素に設定される。【００１３】
上記表層および上記基体で表現された上記成形用工具モデルは、上記成形用工具の表面近傍の領域を、上記金属板接触面に沿ってモデル化したものである。【００１４】
また、表層の厚さは、金属板の母材厚さの０．２〜５．０倍に設定されるのが望ましい。また、表層の厚さは、１．０〜１０ｍｍに設定してもよい。なお、ここでの「表層の厚さ」とは、シェル要素の仮想厚さ、または、厚肉シェル要素あるいはソリッド要素の厚さをいう。また、ここでの母材厚さとは、当該成形用工具による成形前の金属板の厚さのことである。【００１５】
さらに、成形用工具モデルのうち、上記金属板の成形時に上記成形用工具に対して荷重が集中する部分を、上記表層として設定してもよい。【００１６】
複数の成形用工具をモデル化する場合、成形用工具モデルのうち少なくともいずれか１つを、表層および基体を有する有限要素モデルで表してもよい。【００１７】
さらに、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートする成形シミュレーション方法であって、上記金属板を表す金属板モデルを設定する金属板モデル設定ステップと、上記成形用工具を表す成形用工具モデルを設定する成形用工具モデル設定ステップと、上記金属板モデルと上記成形用工具モデルとを用いて、上記成形用工具による上記金属板の成形をシミュレートする解析ステップと、を含み、上記成形用工具モデル設定ステップは、上述のモデル設定方法を用いて第１の成形用工具モデルを設定する第１設定ステップを含む、成形シミュレーション方法が提供される。【００１８】
上記成形用工具モデル設定ステップは、上記成形用工具を剛体シェル要素で表した第２の成形用工具モデルを設定する第２設定ステップを含み、上記金属板モデルと上記第２の成形用工具モデルとを用いて解析する第１成形シミュレーションを実施し、上記第１成形シミュレーションにより得られた上記金属板の増厚量および成形荷重に基づいて、上記第２の成形用工具モデルの変更の要否を判定し、上記第２の成形用工具モデルの変更が必要と判定された場合、上記第１の成形用工具モデルを用いて解析する第２成形シミュレーションを実施してもよい。【００１９】
また本発明は、上述の成形シミュレーション方法を用いて成形用工具を設計し、製造することを特徴とする成形用工具の製造方法を提供する。【００２０】
さらに、コンピュータに、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理を実行させるためのプログラムであって、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、上記成形用工具モデルのうち、上記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、上記成形用工具モデルのうち、上記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する、プログラムが提供される。【００２１】
また、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルを設定する処理をコンピュータに実行させるため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であって、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、上記成形用工具モデルのうち、上記金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、上記成形用工具モデルのうち、上記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定する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が提供される。【００２２】
さらに、成形用工具による金属板の成形のシミュレーションに用いられる上記成形用工具の有限要素モデルであって、上記成形用工具の金属板接触面の少なくとも一部の表層が弾性体または弾塑性体で表現され、上記表層を支持する基体が剛体で表現されている、有限要素モデルが提供される。【００２３】
表層および上記基体で表現された上記成形用工具の有限要素モデルは、上記成形用工具の表面近傍の領域を、上記金属板接触面に沿ってモデル化したものである。【００２４】
弾性体または弾塑性体で表現された上記表層は、シェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素のいずれかであってもよい。また、剛体で表現された上記基体はシェル要素、厚肉シェル要素またはソリッド要素のいずれかであってもよい。また、【００２５】
上記表層の少なくとも一部には、上記成形用工具のブランクホルダの少なくとも一部が含まれてもよい。また、上記表層の少なくとも一部には上記成形用工具の凸形状部が含まれてもよい。さらに、上記金属板から湾曲面を有する成形品を成形するための上記成形用工具の有限要素モデルにおいて、上記表層の少なくとも一部には、上記成形品の湾曲面に対応する上記成形用工具の領域が含まれてもよい。【００２６】
上記表層の厚さは、１．０〜１０ｍｍに設定してもよい。ここでの「表層の厚さ」も、シェル要素の仮想厚さ、または、厚肉シェル要素あるいはソリッド要素の厚さをいう。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、金属板の成形シミュレーションを精度良く効率的に実行することが可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法の対象となる成形品の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法の対象となる成形用工具の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具モデルの一例を示す概略断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具の有限要素モデルを示す模式図であって、表層が弾性体あるいは弾塑性体のシェル要素、基体が剛体シェル要素である場合を示す。
【図４Ｂ】図４Ａの一部を模式化した模式図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具の有限要素モデルを示す模式図であって、表層が弾性体あるいは弾塑性体の厚肉シェル要素、または弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素、基体が剛体シェル要素である場合を示す。
【図５Ｂ】図５Ａの一部を模式化した模式図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具の有限要素モデルを示す模式図であって、表層が弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素、基体が剛体のソリッド要素である場合を示す。
【図６Ｂ】図６Ａの一部を模式化した模式図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具モデルの他の例を示す概略断面図であって、成形用工具モデルの少なくとも一部が表層および基体からなるモデルで表される場合を示す。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係る成形シミュレーション方法に用いられる成形用工具モデルの他の例を示す概略断面図であって、複数の成形用工具モデルのうち少なくとも１つが表層および基体からなるモデルで表される場合を示す。
【図８Ａ】成形品の一例として、高さ方向に湾曲した湾曲面を有する鞍型形状のハット部材を示す模式図である。
【図８Ｂ】成形品の他の一例として、幅方向に湾曲した湾曲面を有する鞍型形状のハット部材を示す模式図である。
【図９】有限要素モデルの自動判別処理を示すフローチャートである。
【図１０】比較例１の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１１】比較例２の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１２】比較例２の成形シミュレーションにおける成形用工具の高さ方向（Ｚ方向）のひずみ分布を示すコンター図である。
【図１３】実施例１の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１４】実施例２、３、６の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１５】実施例４、７の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１６】実施例５の成形用工具の有限要素モデルを示す概略斜視図である。
【図１７】比較例１、２および実施例１〜３の成形シミュレーションにおけるブランクホルダの面圧分布を示すコンター図である。
【図１８Ａ】比較例１、２および実施例１〜３の成形シミュレーションにおける成形品の断面位置を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８ＡのＩ−Ｉ切断線における断面図である。
【図１８Ｃ】比較例１、２および実施例１〜３の成形シミュレーションにおける成形品の断面での捻れ角を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態に係るモデル設定方法、成形シミュレーション方法および成形用工具の製造方法について詳細に説明する。なお、以下に説明するモデル設定方法および成形シミュレーション方法は、各処理を実行するためのコンピュータにより実行可能なプログラムとして提供可能であり、例えば、コンピュータ等の、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only
Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える情報処理装置によって実施され得る。また、このようなプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することが可能である。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどであり得る。また、上記のプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信されてもよい。
【００３０】
＜Ａ．モデル設定方法および成形シミュレーション方法＞
本発明の一実施形態に係るモデル設定方法は、有限要素法を用いて成形用工具による金属板の成形をシミュレートするための有限要素モデルをコンピュータに備えられたプロセッサにより設定する方法である。かかるモデル設定方法では、成形用工具を表す成形用工具モデルの設定において、上記成形用工具モデルのうち、金属板を表す金属板モデルと接触する金属板接触面の少なくとも一部を、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層に設定し、上記成形用工具モデルのうち、上記表層を支持する部分を、剛体の特性を有する基体に設定することを特徴とする。モデル設定方法により設定された有限要素モデルを用いて、金属板の成形シミュレーションが行われる。以下、本発明の一実施形態に係るモデル設定方法および成形シミュレーション方法について、図１〜図７Ｂを参照して説明する。
【００３１】
図１は、金属板を成形して得られる成形品の一例を示す概略斜視図である。図１に示す成形品３０は、金属板をプレス成形して得られるハット部材である。図１に示す成形品３０（ハット部材）は、金属板を、例えば図２に示す成形用工具を用いて成形することにより得られる。図２は、成形用工具の一例を示す断面図である。図２に示す成形用工具１０Ａは、プレス成形用金型であり、ダイ２とパンチ３とブランクホルダ４とを有している。図１に示す成形品３０（ハット部材）は、例えば図２に示す成形用工具１０Ａを用いて、金属板１をダイ２とブランクホルダ４とで把持し、把持された金属板１に対してパンチ３を押圧することにより得られる。
【００３２】
本実施形態に係る成形シミュレーション方法は、図２に示すような成形用工具を用いた金属板の成形をシミュレートするための方法であり、そのシミュレーション結果は、成形用工具の設計等に利用することが可能である。成形シミュレーションにおいて利用する有限要素モデルのうち、成形用工具を表すモデルは、本実施形態に係るモデル設定方法により設定される。
【００３３】
図３は、本実施形態に係るモデル設定方法により設定された成形用工具モデルの一例であり、図２に示す成形用工具のモデルを示す概略断面図である。図３に示す成形用工具モデル１０Ｂにおいて、ダイモデル１２、パンチモデル１３およびブランクホルダモデル１４は、いずれも表層および基体の仮想の２層構造でモデル化されている。ダイモデル１２は、金属板モデル１１に接触する表層１２ａと表層１２ａを支持する基体１２ｂとを有する。パンチモデル１３は、金属板モデル１１に接触する表層１３ａと表層１３ａを支持する基体１３ｂとを有する。ブランクホルダモデル１４は、金属板モデル１１に接触する表層１４ａと表層１４ａを支持する基体１４ｂとを有する。表層１２ａ、１３ａ、１４ａは弾性体または弾塑性体の特性を有し、基体１２ｂ、１３ｂ、１４ｂは剛体の特性を有している。なお、図３においては、説明の便宜上、基体１２ｂ、１３ｂ、１４ｂが厚みを有しているが、必ずしも厚みを有する必要はない。
【００３４】
後述の図１３および図１４に、図３に示す成形用工具モデルの有限要素モデルの一構成例を示している。図１３の領域Ａの部分拡大図に示す成形用工具の有限要素モデルにおいて、表層１２ａ、１３ａ、１４ａは弾性体または弾塑性体のシェル要素、基体１２ｂ、１３ｂ、１４ｂは剛体のシェル要素でモデル化している。また、金属板モデル１１はシェル要素でモデル化している。なお、対になる表層および基体により、一つの成形用工具が表現される。例えば、対になる表層１２ａおよび基体１２ｂにより、ダイが表現されている。そこで、一つの成形用工具であるダイを表層１２ａおよび基体１２ｂによって表現するため、成形シミュレーションでは、表層１２ａおよび基体１２ｂの間に所定の拘束条件を設定することで、基体１２ｂが表層１２ａを支持し、かつ、表層１２ａと一体となって剛体変位することを表現している。また、表層１３ａおよび基体１３ｂ、ならびに、表層１４ａおよび基体１４ｂについても、同様に拘束条件が設定される。ここでの拘束条件としては、例えば表層と基体との間に剛体拘束条件を設定してもよく、また、有限要素モデルの表層を表す要素と基体を表す要素との間で、各要素を構成する少なくとも一部の節点を共有することで一体化してもよい。
【００３５】
また、図１４の領域Ａの部分拡大図に示す成形用工具の有限要素モデルにおいて、表層１２ａ、１３ａ、１４ａは弾性体または弾塑性体の厚肉シェル要素またはソリッド要素、基体１２ｂ、１３ｂ、１４ｂは剛体のシェル要素でモデル化している。また、金属板モデル１１はシェル要素でモデル化している。なお、成形シミュレーションにおいては、上記と同様に、表層１２ａおよび基体１２ｂ、表層１３ａおよび基体１３ｂ、ならびに、表層１４ａおよび基体１４ｂについて、それぞれ互いの間に拘束条件が設定される。また、図１４では、表示上、ブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは表層１４ａによって隠れているため図示されていない。
【００３６】
本実施形態に係るモデル設定方法においては、成形用工具を、金属板と接触する表層とその表層を支持する基体との仮想の２層構造でモデル化し、表層に弾性体または弾塑性体の特性を付与し、基体に剛体の特性を付与している。これにより、成形用工具の金属板と接触する表面の弾性変形を考慮するとともに、成形用工具の全体的な形状を保ちながら剛体変位を制御することができる。したがって、成形シミュレーションの精度を向上させることができる。
【００３７】
ここで、基体は、剛体の特性を有するため、通常、シェル要素とすることができる。また、表層は、成形用工具のうち金属板と接触する金属板接触面の少なくとも一部に設定されるものであり、表面近傍の領域のみに設定される。なお、金属板接触面とは、成形用工具モデルのうち金属板を表す金属板モデルとの接触する面全体をいう。また、成形用工具の表面近傍の領域とは、成形用工具の表面から工具内部に向かって所定の厚さまでの領域をいう。したがって、たとえ表層をソリッド要素でモデル化するとしても、成形用工具全体をソリッド要素でモデル化する場合と比較して、成形用工具の有限要素モデルの作成時間を短縮することができる。また、表層には弾性体または弾塑性体の特性を付与するが、成形用工具全体を弾性体または弾塑性体のソリッド要素でモデル化する場合と比較して、短時間で成形シミュレーションを行うことができる。よって、金属板の成形シミュレーションを高精度かつ効率的に行うことが可能である。
【００３８】
以下、本実施形態に係るモデル設定方法および成形シミュレーション方法について詳しく説明する。
【００３９】
［１．成形用工具の有限要素モデル］
本発明の実施形態に係る成形用工具の有限要素モデルは、成形用工具の金属板接触面の少なくとも一部の表層が弾性体又は弾塑性体で表現され、前記表層を支持する基体が剛体で表現されているモデルである。表層および基体を合わせて一つの成形用工具の有限要素モデルが構成される。
【００４０】
有限要素モデルにおいて、表層は、シェル要素、厚肉シェル要素およびソリッド要素のいずれであってもよいが、中でもシェル要素であることが好ましい。成形用工具の有限要素モデルの作成時間を短縮することができるからである。また、表層がソリッド要素あるいは厚肉シェル要素である場合、厚さ方向の分割数は後述の表層の厚さ等に応じて適宜選択される。ソリッド要素あるいは厚肉シェル要素の厚さ方向の分割数は、少ないほど好ましく、例えば１〜２分割程度であることが好ましい。成形用工具の有限要素モデルの作成時間および解析時間を短縮することができるからである。
【００４１】
表層は、厚さが設定される。表層の厚さは、金属板の材料、板厚、大きさや、成形用工具の材料、成形荷重等に応じて適宜設定されるものである。例えば、成形用工具を弾性体または弾塑性体のソリッド要素でモデル化して成形シミュレーションを行うことにより、表層の厚さを予め決定してもよい。具体的には、成形用工具を弾性体または弾塑性体のソリッド要素でモデル化して成形シミュレーションを行い、成形用工具の表面近傍の厚さ方向のひずみ分布を解析し、ひずみが生じ得る厚さを表層の厚さに設定してもよい。
【００４２】
また、一般的なシェル要素は、板厚方向の垂直応力を常にゼロと仮定して定式化されており、応力のつり合いを表現することができない。しかしながら、近年は板厚方向の応力を考慮可能なシェル要素が提案されており、このシェル要素の使用により板厚方向に圧縮変形が付与される加工に対する解析精度を向上することができる。本実施形態に係るモデル設定方法における有限要素モデルの表層に対しても、この板厚方向の応力を考慮可能なシェル要素を使用することが可能である。
【００４３】
一方、有限要素モデルにおいて、基体は、通常、成形用工具の有限要素モデルの作成時間の短縮のために、シェル要素とされる。しかし、本発明はかかる例に限定されず、基体は、例えば厚さ方向に１分割されたソリッド要素あるいは厚肉シェル要素としてもよい。なお、基体を上述の板厚方向の応力を考慮可能なシェル要素とすることも可能であるが、剛体の特性を付与することで、このシェル要素の特徴を活かすことはできないため、基体への板厚方向の応力を考慮可能なシェル要素の使用は不要である。
【００４４】
上述のような表層および基体を設定して表現された成形用工具の有限要素モデルは、成形用工具の表面近傍の領域を、金属板接触面に沿ってモデル化したものである。本実施形態に係る表層および基体により表現された成形用工具の有限要素モデルは、成形用工具全体をモデル化したものではなく、例えば図３に示すように、成形用工具の表面近傍の領域のみをモデル化したものである。これにより、有限要素モデルの設定を簡便にすることができるとともに、従来の剛体シェル要素で表現されたモデルよりも高い精度のモデルを設定できるため、金属板の成形シミュレーションを精度良く効率的に実行することが可能となる。
【００４５】
具体的には、例えば、表層がシェル要素、基体がシェル要素である場合の成形用工具の有限要素モデルを作成する場合には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、表層１５ａとして仮想厚さｔのシェル要素が配置され、基体１５ｂとして仮想厚さゼロのシェル要素が例えば表層１５ａに接して配置される。このとき、シェル要素である表層１５ａは、例えば、成形用工具の表面を表す破線位置から基体１５ｂまでの仮想厚さｔの厚さ方向中心に配置されているものとする。なお、基体１５ｂは、仮想厚さゼロであるが、図４Ａにおいては太線により表されている。１つのシェル要素は、図４Ｂに示すように、例えば４つの節点を結んで形成される面として表される。なお、ここでは基体１５ｂの仮想厚さをゼロとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、基体１５ｂの仮想厚さに所定の厚みを設定することも可能である。
【００４６】
なお、表層をシェル要素、基体をシェル要素とする場合には、解析モデルの構築時間と解析時間の短縮のために、表層のシェル要素を構成する節点と基体のシェル要素を構成する節点とを共有して一体化してモデル化してもよい。このとき、表層１５ａを表すシェル要素に弾性体あるいは弾塑性体の特性が付与され、基体１５ｂを表すシェル要素に剛体の特性を付与される。表層と基体の一体化により、表層と基体との間の拘束条件が満たされる。この場合は、図４Ａ、図４Ｂに示す場合とは異なり、表層１５ａと基体１５ｂは重なって配置される。また、表層と基体とを節点共有のない別のモデルとして作成した場合でも、表層１５ａと基体１５ｂの間に例えば剛体拘束等の所定の拘束条件を設定すれば、本発明の実施形態に係る成形シミュレーションに用いる有限要素モデルを設定することが可能である。
【００４７】
表層１５ａの仮想表面にかかる荷重を受けて、表層１５ａを表す弾性体あるいは弾塑性体のシェル要素の金属板と接する仮想表面は変形する。一方、基体１５ｂを表す剛体のシェル要素は、剛体変位以外の変形はしない。なお、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、表層および基体が設定される表面近傍の領域とは、金属板接触面から厚さｔの、金属板接触面に沿った領域となる。
【００４８】
また、例えば、表層がソリッド要素、基体がシェル要素である場合の成形用工具の有限要素モデルを作成する場合には、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、表層１５ａとして厚さｔのソリッド要素が配置され、基体１５ｂとして仮想厚さゼロのシェル要素が表層１５ａに接して配置される。図５Ａおよび図５Ｂにおいても、基体１５ｂは、仮想厚さゼロであるが、太線により表されている。１つのソリッド要素は、図５Ｂに示すように、例えば８つの節点を結んで形成される立体として表される。ソリッド要素の表層１５ａは、厚さ方向に１分割されたものであってもよく、図５Ｂに示すように厚さ方向に複数に分割して構築してもよい。なお、上述したように、一般に、分割数が多くなる程モデル構築やシミュレーションに要する時間は大きくなる。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいても、表層および基体が設定される表面近傍の領域とは、金属板接触面から厚さｔの、金属板接触面に沿った領域となる。なお、ここでは基体１５ｂの厚さをゼロとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、基体１５ｂの厚さに所定の厚みを設定することも可能である。
【００４９】
表層をソリッド要素、基体をシェル要素とする場合には、解析モデルの構築時間および解析時間の短縮のために、表層のソリッド要素のうち基体に相対するソリッド要素の面の節点と、基体のシェル要素の節点とを共有して一体化することによりモデル化してもよい。このとき、表層１５ａを表すソリッド要素に弾性体あるいは弾塑性体の特性が付与され、基体１５ｂを表すシェル要素に剛体の特性が付与される。この場合、表層のソリッド要素と基体のシェル要素との一体化により、表層と基体との間の拘束条件が満たされる。また、ソリッド要素による表層とシェル要素による基体とを節点共有のない別のモデルとして作成した場合でも、表層１５ａと基体１５ｂとの間に例えば剛体拘束等の所定の拘束条件を設定すれば、本発明の実施形態に係る成形シミュレーションに用いる有限要素モデルを設定することが可能である。また表層を厚肉シェル要素とする場合も同様である。表層１５ａが弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素で表される場合にも、表層１５ａの表面にかかる荷重を受けて、表層１５ａを表す弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素は変形する。一方、基体１５ｂを表す剛体のシェル要素は、剛体変位以外の変形はしない。
【００５０】
また、例えば、表層がソリッド要素、基体がソリッド要素である場合の成形用工具の有限要素モデルを作成する場合には、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、表層１５ａとして厚さｔのソリッド要素が配置され、基体１５ｂとして厚さｔｂのソリッド要素が表層１５ａに接して配置される。この場合も、ソリッド要素の表層１５ａは厚さ方向に１分割されたものであってもよく、図６Ｂに示すように厚さ方向に複数に分割して構築してもよい。また、ソリッド要素の基体１５ｂも厚さ方向に複数に分割してもよいが、剛体の特性を付与するため１分割で十分である。
【００５１】
なお、表層をソリッド要素、基体をソリッド要素とする場合には、解析モデルの構築時間および解析時間の短縮のために、例えば図６Ｂに示すように、成形用工具の金属板と接触する表面近傍の領域を厚さ方向に少なくとも２分割以上のソリッド要素でモデル化し、金属板接触面側に位置する少なくとも１分割以上のソリッド要素を表層１５ａとして弾性体あるいは弾塑性体の特性を付与し、金属板接触面側とは反対側に位置する残りのソリッド要素を基体１５ｂとして剛体の特性を付与してもよい。
【００５２】
この際、表層１５ａとして機能するソリッド要素と基体１５ｂとして機能するソリッド要素とを連続した一体の有限要素モデルとして構成する。ここでの一体の有限要素モデルとは、相対する表層１５ａと基体１５ｂとのソリッド要素について、相対する面および節点を互いに共有させることにより一体化して形成された連続するモデルのことである。表層１５ａのソリッド要素と基体１５ｂのソリッド要素との一体化により、表層１５ａと基体１５ｂとの間の拘束条件が満たされる。この場合にも、上述したように、基体１５ｂには剛体の特性を付与するため、基体１５ｂは厚さ方向に１分割すれば十分である。
【００５３】
また、ソリッド要素による表層１５ａと基体１５ｂとを節点を共有しない別のモデルとして作成した場合でも、表層１５ａと基体１５ｂとの間に例えば剛体拘束等の所定の拘束条件を設定すれば、本発明の実施形態に係る成形シミュレーションに用いる有限要素モデルを設定することが可能である。表層１５ａが弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素で、基体１５ｂが剛体のソリッド要素で表される場合にも、表層１５ａの表面にかかる荷重を受けて、表層１５ａを表す弾性体あるいは弾塑性体のソリッド要素は変形する。一方、基体１５ｂを表す剛体のソリッド要素は剛体変位以外の変形はしない。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、表層および基体が設定される表面近傍の領域とは、金属板接触面から厚さｔ＋ｔｂの、金属板接触面に沿った領域となる。
【００５４】
このような成形用工具のモデル化に際し、表層１５ａの厚さｔは、金属板の母材厚さの０．２〜５．０倍程度とするのがよい。表層１５ａの厚さｔが金属板の母材厚さの０．２倍より薄いと、解析を行うにあたり、増厚部に起因する金型表面の局所的な変形を十分に考慮できなくなる。一方、表層１５ａの厚さｔが金属板の母材厚さの５．０倍より厚いと、成形用工具の稜線Ｒ部等の凸形状部において表層や基体を面内方向に滑らかに連続した要素群としてモデル化することが困難となる場合や、要素数の増大に伴い解析時間が長くなる場合がある。なお、ここでの母材厚さとは、当該成形用工具による成形前の金属板の厚さのことである。例えば、表層１５ａの厚さｔは、１．０〜１０ｍｍに設定される。上述のように、表層１５ａの厚さｔを１．０ｍｍより薄く設定すると、解析を行うにあたり、増厚部に起因する金型表面の局所的な変形を十分に考慮できなくなる。また、表層１５ａの厚さｔが１０ｍｍより大きくなると成形用工具の稜線Ｒ部等の凸形状部において表層や基体を面内方向に滑らかに連続した要素群としてモデル化することが困難となる場合や、要素数の増大に伴い解析時間が長くなる場合がある。なお、ここでの「表層１５ａの厚さｔ」は、表層１５ａがシェル要素である場合には、表層１５ａの仮想厚さｔを指すものとする。
【００５５】
また、本実施形態に係る成形シミュレーションにおいて用いられる成形用工具の有限要素モデルは、当該モデルの金属板接触面の少なくとも一部に表層を有していればよい。例えば図３に示すように、成形用工具モデル１０Ｂの金属板モデル１１と接触する部分をすべて表層１２ａ、１３ａ、１４ａとしてもよい。あるいは、例えば図７Ａ、図７Ｂに示すように、成形用工具モデル１０Ｂの金属板モデル１１と接触する部分のうち一部を表層１２ａ、１３ａ、１４ａとしてもよい。
【００５６】
より具体的には、成形用工具の金属板と接触する部分のうち一部を２層構造としてモデル化する場合、図７Ａに示すように、成形用工具モデル１０Ｂの金属板モデル１１と接触する部分のうち局所的な部分を表層１２ａ、１３ａ、１４ａとしてもよい。成形用工具の金属板と接触する部分のうち一部を２層構造としてモデル化する場合には、成形時に成形荷重や面圧等が集中する部分を２層構造とすることが好ましい。金属板の成形時の成形用工具の弾性変形を考慮し、精度良く成形シミュレーションを行うことができるからである。例えば絞り成形においては、ダイおよびパンチのＲ部ならびにブランクホルダの内側に成形荷重や面圧等が集中する場合が多い。これより、図７Ａに示す例においては、ダイモデル１２のＲ部およびその近傍に表層１２ａ、パンチモデル１３のＲ部およびその近傍に表層１３ａ、ブランクホルダモデル１４の内側に表層１４ａを持つ２層構造としている。
【００５７】
また、例えば、成形用工具が複数の成形用工具を備える場合には、図７Ｂに示すように、複数の成形用工具のうち少なくとも１つの成形用工具を表層および基体の２層構造でモデル化してもよい。図７Ｂに示す例においては、ダイモデル１２、パンチモデル１３およびブランクホルダモデル１４のうち、ダイモデル１２およびブランクホルダモデル１４のみを表層１２ａ、１４ａおよび基体１２ｂ、１４ｂの２層構造でモデル化している。例えば、図１に示すような湾曲形状を有するハット部材を成形する際には、ダイおよびブランクホルダの弾性変形の影響が大きくなる場合がある。このような成形品の成形シミュレーションでは、図７Ｂに示すように、ダイモデル１２およびブランクホルダモデル１４を表層１２ａ、１４ａおよび基体１２ｂ、１４ｂの２層構造とするのがよい。なお、図７Ｂでは、ダイモデル１２およびブランクホルダモデル１４を表層１２ａ、１４ａおよび基体１２ｂ、１４ｂの２層構造としたが、ダイモデル１２およびブランクホルダモデル１４のうち少なくともいずれか一方を２層構造としてもよい。
【００５８】
また、図７Ｂではダイモデル１２とブランクホルダモデル１４の例を挙げたが、本発明はかかる例に限定されず、表層および基体からなる２層構造のモデルとする成形用工具は、例えば、部材形状、母材厚さ、母材強度等に応じて適宜選択すればよい。例えば、成形用工具を用いて金属板をプレス成形し、図８Ａあるいは図８Ｂに示すような、フランジ３２、３４と、天板面３６と、フランジ３２、３４と天板面３６とを連結する側壁面３３、３５とからなるハット部材３０Ａ、３０Ｂを得る場合を考える。図８Ａに示すように、ハット部材３０Ａの天板面３６が、長手方向（Ｙ方向）に、平坦面３６ａと高さ方向（Ｚ方向）に凹形状に湾曲した湾曲面３６ｂとを有する鞍型形状を有する場合には、天板面３６の湾曲面３６ｂまたは当該湾曲面３６ｂに連続する側壁面３３ｂ、３５ｂに増厚部が生じやすい。そこで、少なくとも、パンチモデル１３の、ハット部材３０Ａの高さ方向に凹形状に窪んだ湾曲面３６ｂおよび湾曲面３６ｂに連続する側壁面３３ｂ、３５ｂに対応する領域と、また、ダイモデル１２の、ハット部材３０Ａの湾曲面３６ｂおよび側壁面３３ｂ、３５ｂに対応する領域とを表層１２ａ、１３ａに設定し、そして、表層１２ａ、１３ａを支持する部分を基体１２ｂ、１３ｂに設定して、２層構造のダイモデル１２およびパンチモデル１３を設定してもよい。なお、ダイモデル１２およびパンチモデル１３のうちいずれか一方を、表層および基体により表される２層構造の有限要素モデルとしてもよい。
【００５９】
また、例えば、図８Ｂに示すように、ハット部材３０Ｂの側壁面３３、３５が、長手方向（Ｙ方向）に、平坦面３３ａ、３５ａと幅方向（Ｘ方向）内部に向かって凹形状に湾曲した湾曲面３３ｂ、３５ｂとを有する鞍型形状を有するような場合には、側壁面３３の湾曲面３３ｂ、３５ｂまたは当該湾曲面３３ｂ、３５ｂに連続する天板面３６ｂに増厚部が生じやすい。この場合にも、成形用工具のうち、少なくとも側壁面３３、３５の湾曲面３３ｂ、３５ｂと、湾曲面３３ｂ、３５ｂに連続する天板面３６ｂとに対応する領域を表層に設定し、そして、表層を支持する部分を基体に設定して、２層構造の成形用工具の有限要素モデルを設定すればよい。
【００６０】
成形用工具の種類としては、金属板の成形方法に応じて適宜選択されるものである。本実施形態に係る成形シミュレーション方法は、後述するように、絞り成形や曲げ成形等のプレス成形、ロールフォーミング等に適用することができ、成形用工具としては、例えば金型、ロール等が挙げられる。成形用工具の構成は、一般的な成形用工具と同様である。中でも、成形用工具の強度や弾性係数が比較的低い場合に本発明は好適である。例えば成形用工具に鋳物や亜鉛合金を用いる場合には、強度や弾性係数が比較的低いため、金属板の成形時の成形用工具の弾性変形や場合によっては塑性変形の影響が大きくなる。このような場合、精度良く成形シミュレーションを行うことができる本発明は有用である。
【００６１】
［２．成形シミュレーション］
本実施形態においては、上記のモデル設定方法により設定された成形用工具の有限要素モデルを用いて、有限要素法による金属板の成形シミュレーションを行う。成形シミュレーションには、汎用有限要素法解析ソフトが用いられる。また、成形用工具の有限要素モデルにおいては、対になる表層および基体は合わせて一つの成形用工具を表現するものであるため、基体が表層を支持し、かつ、表層と一体となって剛体変位ができるように、基体と表層との間に拘束条件を設定して基体と表層とを結合する。
【００６２】
金属板の成形方法としては、例えば絞り成形や曲げ成形等のプレス成形、ロールフォーミング等が挙げられる。中でもプレス成形、特に絞り成形の場合に本発明は好適である。絞り成形ではダイおよびブランクホルダで金属板にしわ押さえ圧を負荷しながら成形するため、成形荷重や面圧等が大きくなりやすく、金属板の成形時の成形用工具の弾性変形の影響が大きくなる。このような絞り成形においても、本実施形態に係る成形シミュレーション方法を用いることで、精度良く成形シミュレーションを行うことができる。
【００６３】
本発明の実施形態に係る金属板の成形シミュレーション方法は、如何なる形状にも適用可能であり、成形シミュレーションの対象となる成形品としては特に限定されるものではないが、成形の進行に伴い部分的に板厚の増加や減少が生じる成形品への適用が好ましい。このような成形品としては、例えばハット形断面を持つ成形品においては、長手方向に、幅方向または高さ方向の湾曲形状を有するハット部材が挙げられる。例えば図１に示すような、長手方向に、幅方向の湾曲形状を有するハット部材では、湾曲の内側のフランジ３２は、成形の進行に伴って長手方向に引っ張り変形を受ける伸びフランジになる。一方、湾曲の外側のフランジ３４は、長手方向に圧縮変形を受ける縮みフランジになる。伸びフランジでは板厚減少が生じ、縮みフランジでは板厚増加が生じる。このように部分的に板厚の変化が生じると面圧分布も発生し、金属板の成形時の成形用工具の弾性変形の影響が大きくなる。したがって、このような部分的に板厚の変化が生じる成形品においても、本実施形態に係る成形シミュレーション方法を用いることで、精度良く成形シミュレーションを行うことができる。
【００６４】
［３．有限要素モデルの自動判別］
上述のように、本実施形態に係る成形シミュレーション方法で用いる成形用工具の有限要素モデルは、金属板と接触し、弾性体または弾塑性体の特性を有する表層と、上記表層を支持し、剛体の特性を有する基体とを有する。これにより、金属板の成形シミュレーションを高精度かつ効率的に実行できる。一方で、成形シミュレーションで用いる有限要素モデルは、成形シミュレーション結果に要求される精度や、成形用工具の有限要素モデルの作成時間、計算時間等を考慮して、最適なモデルであるのが望ましい。
【００６５】
例えば、成形用工具を剛体シェル要素でモデル化したとき、そのシミュレーション結果の精度が許容範囲内であれば、短時間でシミュレーション結果を得ることができるので当該モデルを用いればよい。しかし、計算時間は短くとも、成形用工具を剛体シェル要素で構築した有限要素モデルを用いたときのシミュレーション結果の精度が許容範囲外であれば、より高精度に解析できるように、有限要素モデルを構築する必要がある。そこで、例えば以下のように、どのような成形用工具の有限要素モデルを用いるか、自動判別するようにしてもよい。
【００６６】
図９に、有限要素モデルの自動構築処理の一例を示す。かかる有限要素モデルの自動構築処理では、まず、成形用工具を剛体シェル要素でモデル化し、成形シミュレーションを実施する（Ｓ１００：第１成形シミュレーション）。ステップＳ１００で用いる成形用工具の有限要素モデルは、従来利用されているものであり、構築が容易であり、シミュレーションの計算負荷を低くすることができる。しかし、実際の金属板の成形においては成形用工具の弾性変形（あるいは塑性変形）が生じているため、成形用工具を剛体シェル要素でモデル化した場合、シミュレーション結果と実測値との差が大きくなり、期待される精度が得られない可能性もある。
【００６７】
そこで、ステップＳ１００にて構築された成形用工具の有限要素モデルによって期待される精度が得られているか否かを判定し、モデルの変更の要否を判定する（Ｓ１１０）。ステップＳ１１０の判定は、母材強度および成形品サイズに対して予め設定された評価閾値と、例えば、ステップＳ１００にて得られた増厚量と成形荷重とに基づき算出される評価指標とを比較して行ってもよい。評価指標は、例えば、増厚量と成形荷重との積算により得られる値としてもよい。
【００６８】
ステップＳ１１０にて、ステップＳ１００で構築された有限要素モデルを変更する必要はないと判定された場合（例えば、評価指標が評価閾値以下であった場合）には、ステップＳ１００で構築された有限要素モデルを用いて成形シミュレーションを行うことを決定する。一方、ステップＳ１００で構築された有限要素モデルを変更する必要があると判定された場合（例えば、評価指標が評価閾値を超えた場合）には、本実施形態に係るモデル設定方法に基づき、有限要素モデルを再構築する。
【００６９】
本実施形態に係るモデル設定方法では、成形用工具を、表層と基体とからなる有限要素モデルとして設定する。そこで、まず、成形用工具の有限要素モデルの表層の厚さを決定する（Ｓ１２０）。表層の厚さは、例えば、ステップＳ１００にて得られた増厚量と金型寸法要件とに基づき決定してもよい。そして、ステップＳ１２０にて決定された表層の厚さで成形用工具の有限要素モデルを再構築し、成形シミュレーションを実施する（Ｓ１３０：第２成形シミュレーション）。
【００７０】
このように、成形用工具の有限要素モデルの精度を評価し、成形シミュレーションに用いる有限要素モデルを自動的に決定できるようにすることで、有限要素モデルの選択負荷を軽減することができる。
【００７１】
＜Ｂ．成形用工具の製造方法＞
本発明の実施形態に係る成形用工具の製造方法は、上述の成形シミュレーション方法を用いて成形用工具を設計し、製造する方法である。
【００７２】
上述の成形シミュレーション方法では、金属板の成形シミュレーションを精度良く行うことができる。このため、実際に成形用工具を用いて金属板を成形した状態に近い状態を再現することができる。したがって、上述の成形シミュレーション方法を用いることにより、成形用工具製作の工数やリードタイム、コストを削減することができる。
【００７３】
本実施形態においては、例えば成形シミュレーション方法において、金属板の成形に伴う割れ、しわ等の成形不良や、成形後の金型からの離型時のスプリングバックに起因する寸法精度不良等を解析し、それらの解析結果に基づいて成形用工具を設計し、製造することが可能となる。具体的には、解析結果に基づいて割れやしわが発生しないように、またスプリングバックが小さくなるように成形用工具の形状等を設計し、製造することが可能となる。
【００７４】
成形用工具の種類については、上述したように、金属板の成形方法に応じて適宜選択され、例えば、絞り成形や曲げ成形等のプレス成形、ロールフォーミング等に用いられる金型、ロール等がある。これらの成形用工具の構成は、一般的な成形用工具と同様である。
【００７５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。本実施例においては、図１に示すハット部材を成形品とした。この成形品であるハット部材の断面形状は、パンチの幅（両側壁間の水平方向距離）８０ｍｍ、高さ（天板面とフランジ面の垂直方向距離）６０ｍｍとした。また、成形前の金属板の幅２４０ｍｍとした。ハット部材の長さは７００ｍｍであり、水平面内のパンチの幅中央において曲率半径Ｒ１０００ｍｍの曲率を有する形状とした。金属板には、引張強度が７８０ＭＰａ級で板厚が１．２ｍｍの冷延鋼板を用いた。【００７７】
［比較例１］
比較例１として、図１０に示すプレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。ダイモデル２２、パンチモデル２３およびブランクホルダモデル２４は剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素でモデル化した。【００７８】
［比較例２］
比較例２として、図１１に示すプレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。ダイモデル２２、パンチモデル２３およびブランクホルダモデル２４は弾性体のソリッド要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素でモデル化した。ブランクホルダモデル２４の下側には、クッションピン２５が配置されており、金属板モデル１１に負荷されるしわ押さえ圧は、ブランクホルダモデル２４を介してクッションピン２５により負荷される。なお、クッションピン２５は剛体としてモデル化した。【００７９】
ここで、汎用有限要素法解析ソフトを用い、比較例２のプレス成形用金型の有限要素モデルを用いて金属板の有限要素モデルをプレス成形し、図１に示すような成形品（ハット部材）を得る絞り成形の成形シミュレーションを行った。解析モデルは、成形品の対称性を考慮して１／２対称モデルとした。上記の図１０および図１１の領域Ａの部分拡大図に示される断面が対称面である。【００８０】
図１２に成形シミュレーションにおける金型表面の高さ方向（Ｚ方向）のひずみ分布を示す。図１２は、図１１に示すダイモデル２２のＲ部（図１１の破線部Ｂ）に相当し、図１１の上下左右を反転させた図である。図１２から、金属板の成形時には金型の表面から２ｍｍ厚さ程度までひずみが生じることが分かった。このことから、金属板に接触する成形用工具の表面近傍のみを弾性体または弾塑性体としてモデル化することで、成形用工具の弾性変形を考慮した成形シミュレーションを行うことができることが確認された。【００８１】
［実施例１］
実施例１として、表層を弾性体シェル要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例１の有限要素モデルを図１３に示す。実施例１では、図１３に示すように、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のシェル要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、厚さの中心にシェル要素を配置した。基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層のシェル要素の仮想厚さは２ｍｍ、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り０ｍｍとした。【００８２】
［実施例２］
実施例２として、表層を弾性体厚肉シェル要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例２の有限要素モデルを図１４に示す。実施例２では、図１４に示すように、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体の厚肉シェル要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。なお、図１４では、表示上、ブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは表層１４ａによって隠れているため示されていない。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂとの間には剛体拘束条件を設定した。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り０ｍｍとした。【００８３】
［実施例３］
実施例３として、表層を厚さ方向１分割の弾性体ソリッド要素、基体を剛体シェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例３の有限要素モデルは、図１４に示す実施例２の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例３では、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のソリッド要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、基体のシェル要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層は、厚さ方向１分割のソリッド要素とした。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り０ｍｍとした。【００８４】
［実施例４］
実施例４として、表層を厚さ方向１分割の弾性体ソリッド要素、基体を厚さ方向１分割の剛体ソリッド要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例４の有限要素モデルを図１５に示す。実施例４では、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のソリッド要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のソリッド要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、基体のソリッド要素は表層の金属板と接する面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂとの間には剛体拘束条件を設定した。また、表層は、厚さ方向に１分割のソリッド要素とした。また、基体は、厚さ方向に１分割のソリッド要素とし、厚さは２ｍｍとした。【００８５】
［実施例５］
実施例５として、表層を弾性体シェル要素、基体を剛体シェル要素とし、表層と基体のシェル要素の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例５の有限要素モデルを図１６に示す。なお、図１６では表示上、表層と基体とは重なっており、区別されていない。実施例５では、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のシェル要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂは互いに節点を共有するように有限要素モデルを作成した。なお、この有限要素モデルでは、表層の金属板と接触する片側の仮想表面が弾性変形の対象となるため、表層の仮想厚さを実施例１に対して２倍の４ｍｍとし、当該仮想厚さの中心にシェル要素を配置した。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り０ｍｍとした。【００８６】
［実施例６］
実施例６として、表層を厚さ方向１分割の弾性体ソリッド要素、基体を剛体シェル要素とし、表層のソリッド要素の一部の節点と基体のシェル要素の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例６の有限要素モデルは、図１４に示す実施例２および実施例３の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例６では、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のソリッド要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のシェル要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、基体のシェル要素は表層の金属板接触面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂは、表層のソリッド要素のうち基体と接する面の節点と基体のシェル要素の節点とを互いに共有するように有限要素モデルをそれぞれ作成した。また、表層は、厚さ方向１分割のソリッド要素とした。また、基体のシェル要素の仮想厚さは上述の通り０ｍｍとした。【００８７】
［実施例７］
実施例７として、表層を厚さ方向１分割の弾性体ソリッド要素、基体を厚さ方向１分割の剛体ソリッド要素とし、表層のソリッド要素の一部の節点と基体のソリッド要素の一部の節点を共有することで一体化して、プレス成形用金型の有限要素モデルを作成した。実施例７の有限要素モデルは、図１５に示す実施例４の金型の有限要素モデルと表示上は同じになった。実施例７では、ダイモデル１２の表層１２ａ、パンチモデル１３の表層１３ａおよびブランクホルダモデル１４の表層１４ａは弾性体のソリッド要素、ダイモデル１２の基体１２ｂ、パンチモデル１３の基体１３ｂおよびブランクホルダモデル１４の基体１４ｂは剛体のソリッド要素、金属板モデル１１は弾塑性体のシェル要素として、プレス成形用金型の有限要素モデルを構築した。この有限要素モデルでは、表層の厚さを２ｍｍとし、基体のソリッド要素は表層の金属板接触面とは反対側の面に接するように配置した。表層１２ａと基体１２ｂ、表層１３ａと基体１３ｂ、表層１４ａと基体１４ｂは、互いに接する面の節点を共有するように有限要素モデルをそれぞれ作成した。また、表層は、厚さ方向１分割のソリッド要素とした。また、基体は、厚さ方向に１分割のソリッド要素とし、厚さは２ｍｍとした。【００８８】
［評価］
汎用有限要素法解析ソフトを用い、比較例１、２および実施例１〜７の金型の有限要素モデルを用いて金属板の有限要素モデルをプレス成形し、図１に示すような成形品（ハット部材）を得る成形シミュレーションを行った。解析モデルは、成形品の対称性を考慮して１／２対称モデルとした。上記の図１３〜図１６の領域Ａの部分拡大図に示される断面が対称面である。【００８９】
（１）成形シミュレーションにおけるブランクホルダの面圧分布
成形シミュレーションにより、金属板にダイおよびブランクホルダでしわ押さえ圧を負荷しながら絞り成形を実施した際のブランクホルダ面上の面圧分布について解析を行った。図１７（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３のプレス成形用金型の有限要素モデルを用いた場合の成形シミュレーションにおけるブランクホルダの面圧分布を示す。比較例１では、成形品において増厚が大きい縮みフランジ側の長手方向中央部にのみ面圧が集中しているのに対し、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３では、伸びフランジ側も含めて長手方向に面圧が分布していることが確認できた。なお、図１７には記載していないが、実施例４〜７についても、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３と同様、伸びフランジ側も含めて長手方向に面圧が分布していることが確認できた。【００９０】
（２）スプリングバック解析
成形シミュレーションにより、成形後のスプリングバック解析を行った。図１８Ａおよび図１８Ｂに示すような成形品の天板面の中央を基準としたときの天板面端部の捻れ角θを計算した。図１８Ｃに、成形シミュレーションにおける捻れ角および実測値を示す。図１８Ｃに示すように、成形用工具を弾性体ソリッド要素によりモデル化した比較例２と、上述の本実施形態に係る成形シミュレーション方法により成形用工具をモデルした実施例１〜３とは、いずれも成形用工具を剛体シェル要素によりモデル化した比較例１よりも捻れ角が低減した。また、実施例１〜３の解析精度は、いずれも比較例２と同等で、比較例１よりも実測値に近い値を示した。【００９１】
なお、図１８Ｃには記載していないが、表層を弾性体のソリッド要素、基体を剛体のソリッド要素とした実施例４は、同じく表層を弾性体のソリッド要素とした実施例３と同じ捻れ角となった。さらに、表層と基体とで節点を共有することで一体化して有限要素モデルを作成し、表層を弾性体のシェル要素、基体を剛体のシェル要素とした実施例５は、同じく表層を弾性体のシェル要素、基体を剛体のシェル要素とした実施例１と同じ捻れ角となった。また、表層がソリッド要素、基体がシェル要素である実施例６は、同じく表層がソリッド要素、基体がシェル要素である実施例３と同じ捻れ角となり、表層がソリッド要素、基体がソリッド要素である実施例７は、同じく表層がソリッド要素、基体がソリッド要素である実施例４と同じ捻れ角となった。すなわち、実施例４〜７の解析精度も、いずれも比較例２と同等で、比較例１よりも実測値に近い値を示した。【００９２】
（３）計算時間
成形シミュレーションでの解析時間を下記表１に示す。表１において、実施例１〜４は、表層と基体との間に剛体拘束条件を設定して成形用工具をモデル化した場合の結果であり、実施例５〜７は、表層と基体とで節点を共有することで一体化して成形用工具をモデル化した場合の結果である。【００９３】
【表１】
2016017775.tif 000003
【００９４】
解析時間については、成形用工具を剛体シェル要素によりモデル化した比較例１が最短となり、成形用工具を弾性体ソリッド要素によりモデル化した比較例２が最長となった。これに対して、表層を弾性体シェル要素、弾性体厚肉シェル要素または弾性体ソリッド要素のうちのいずれか１つとし、基体を剛体シェル要素として、表層と基体との間に剛体拘束条件を設定して成形用工具をモデル化した実施例１〜３、および表層を弾性体ソリッド要素、基体を剛体ソリッド要素として、表層と基体との間に剛体拘束条件を設定して成形用工具をモデル化した実施例４では、比較例２に対して計算時間を大幅に短縮することができた。また、表層と基体で節点を共有することで一体化して成形用工具をモデル化した実施例５〜７では、実施例１〜４に対してさらに計算時間を短縮することができた。
【符号の説明】
【００９５】
１            金属板
２            ダイ
３            パンチ
４            ブランクホルダ
１０Ａ        成形用工具
１０Ｂ        成形用工具モデル
１１          金属板モデル
１２、２２    ダイモデル
１２ａ        ダイモデルの表層
１２ｂ        ダイモデルの基体
１３、２３    パンチモデル
１３ａ        パンチモデルの表層
１３ｂ        パンチモデルの基体
１４、２４    ブランクホルダモデル
１４ａ        ブランクホルダモデルの表層
１４ｂ        ブランクホルダモデルの基体
３０          成形品
【図１】
2016017775.tif 000004
【図２】
2016017775.tif 000005
【図３】
2016017775.tif 000006
【図４Ａ】
2016017775.tif 000007
【図４Ｂ】
2016017775.tif 000008
【図５Ａ】
2016017775.tif 000009
【図５Ｂ】
2016017775.tif 000010
【図６Ａ】
2016017775.tif 000011
【図６Ｂ】
2016017775.tif 000012
【図７Ａ】
2016017775.tif 000013
【図７Ｂ】
2016017775.tif 000014
【図８Ａ】
2016017775.tif 000015
【図８Ｂ】
2016017775.tif 000016
【図９】
2016017775.tif 000017
【図１０】
2016017775.tif 000018
【図１１】
2016017775.tif 000019
【図１２】
2016017775.tif 000020
【図１３】
2016017775.tif 000021
【図１４】
2016017775.tif 000022
【図１５】
2016017775.tif 000023
【図１６】
2016017775.tif 000024
【図１７】
2016017775.tif 000025
【図１８Ａ】
2016017775.tif 000026
【図１８Ｂ】
2016017775.tif 000027
【図１８Ｃ】
2016017775.tif 000028
【国際調査報告】
2016017775.tif 000029
2016017775.tif 000030
2016017775.tif 000031