(57)【要約】【課題】成形時に発生する板厚の変化や歪みを考慮すると共に、所望の疲労寿命を満足するために最適なハイドロフォーム成形加工条件を提示できるようにする。【解決手段】ハイドロフォーム成形条件として内圧、軸押し量、摩擦係数等に基づいてハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出し、コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げた後、弾性解析条件として前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重に基づいて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出し、疲労解析条件として前記成形後歪み分布、前記弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重に基づいて疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する工程を、前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて所定回数繰り返し計算を行い、ハイドロフォーム成形条件を求める。【選択図】図１
2008155227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイドロフォーム成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚に基づいてコンピュータがハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出し、コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げた後、弾性解析条件として前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重に基づいてコンピュータが弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出し、疲労解析条件として前記成形後歪み分布、前記弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重に基づいてコンピュータが疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する工程を、前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが所定回数繰り返し計算を行い、前記疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を求めることを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計方法。
【請求項２】
ハイドロフォーム成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚を入力するハイドロフォーム成形条件入力手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件入力手段に入力された前記ハイドロフォーム成形条件に基づいてハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するハイドロフォーム成形解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重を入力する弾性解析条件入力手段と、
前記弾性解析条件入力手段に入力された前記弾性解析条件に基づいて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出する弾性解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記弾性解析手段により算出した部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重を入力する疲労解析条件入力手段と、
前記疲労解析条件入力手段に入力された前記疲労解析条件に基づいて疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する疲労解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、前記ハイドロフォーム成形条件入力手段から前記疲労解析手段に至る計算を所定回数自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、
疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を出力する最適成形条件出力手段とを有することを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計装置。
【請求項３】
ハイドロフォーム成形条件として入力された加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚に基づいてハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するハイドロフォーム成形解析手段と、
弾性解析条件として、前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重に基づいて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出する弾性解析手段と、
疲労解析条件として、前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記弾性解析手段により算出した部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重に基づいて疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する疲労解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、前記ハイドロフォーム成形条件入力手段から前記疲労解析手段に至る計算を所定回数自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、
疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を出力する最適成形条件出力手段とを有することを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の疲労設計装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項５】
請求項４に記載のコンピュータ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイドロフォームにより成形した自動車用の排気系部品、サスペンション系部品、ボディ系部品等の部材、構造体において、自動車走行時に発生する繰返し負荷に対して疲労寿命を予測計算し、疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与える最適なハイドロフォーム成形条件を設計するための疲労設計方法、装置、コンピュータプログラム、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車を始めとする車両開発において、軽量化、開発期間短縮、試作車両の削減の課題に対応するため、近年コンピュータを用いた数値解析による各性能の予測が設計現場で頻繁に行われている。車両の疲労強度評価についても、限界設計をすべく車両に用いられる部品、部材、構造体の疲労寿命を簡便且つ正確に予測できる手法の開発ニーズは益々高まっている。
【０００３】
この分野では、従来より、有限要素法による所定の疲労荷重条件下での静的応力解析が広く用いられている。その解析結果を用いて疲労寿命を推定する場合には、まず、初期形状を定めた後、予め部材に用いられた材料や接合部の疲労試験データ（ＳＮ線図、ＥＮ線図）を入手すると共に、その線図と応力解析値又は歪み解析値を照らし合わせて寿命を予測計算し、計算された疲労寿命が目標値となるように部材形状や材質、接合方法等を変更する方法が採られている。
【０００４】
解析による評価が目標値を達成した後、試作、実験によって検証を行い、設計仕様を決定する。これらの部材は、鋼材又はその他材料の薄板、管又は棒を塑性加工し、必要に応じて接合することによって製作される。塑性加工は、プレス、ハイドロフォーム又は押し出し等の成形方法が用いられる。また、接合は、スポット溶接、アーク溶接、レーザ溶接又はリベット接合等の方法が用いられる。最近では、有限要素法で求めた応力計算結果ファイルと予め部材に用いられた材料や接合部の疲労試験データを自動的に参照し、各部位の寿命を計算する疲労解析ソフトが市販されている。
【０００５】
塑性加工の中でも、ハイドロフォーム成形加工技術は、部品数削減によるコスト削減や軽量化等の手段の一つとして自動車分野で特に注目を浴びており、実車への適用部品は年々増加している。
【０００６】
図８は一般的なハイドロフォーム成形を説明するための図である。また、図９はハイドロフォーム成形での加工経路を示す図である。ハイドロフォーム成形法は、金属管である素管１を金型２に入れ、当該金型２を型締めした後、素管１に内圧と管軸方向の押し込み力（本明細書では管軸方向の押し込み力を「軸押し量」と称す）を負荷することにより所定形状に成形する方法である。ハイドロフォーム加工では内圧と軸押し量の組み合わせによって成形形状、さらには品質が決定され、加工不良の例としては、成形途中で管が破裂するバーストのほか、しわの発生や所定のコーナーＲまで成形できない等がある。
【０００７】
鋼材等の金属を材料とする場合、部材成形時の成形加工によって板厚の変化や、塑性歪みが発生し、それらの板厚変化や塑性歪みは部材の疲労強度に大きく影響することが知られている。従来の疲労寿命予測方法では成形加工時の影響が考慮されておらず、また、目標とする疲労寿命を満足する成形加工条件を得るための部材疲労設計最適化アルゴリズムも適用されていないため、正確且つ迅速に部材の疲労設計ができないのが実情である。
【０００８】
特許文献１には、複数個の部材からなる溶接構造物の疲労強度を解析する手法において、溶接された２つの部材の形状及び溶接方法に基づき、溶接線の部位について、溶接線に平行な方向に対する疲労強度線図及び溶接線に垂直な方向に対する疲労強度線図をそれぞれ選定し、この溶接構造物の応力解析結果から前記溶接線に垂直な方向及び平行な方向の応力を求め、これらの応力を前記疲労強度線図とそれぞれ比較することにより疲労強度を評価する溶接構造物の疲労強度解析方法が開示されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、部材成形時に付与される歪み、成形後の板厚分布は考慮されておらず、また、最適化アルゴリズムも適用されていないため、正確且つ迅速に疲労寿命予測ができない問題がある。
【００１０】
また、特許文献２には、溶接部の溶接形状（仕上げ処理）に対応した応力集中率を継ぎ手形式毎に予め実験等により把握し、フロント構造物の疲労寿命推定データ（ＳＮ線図）と共に、記憶装置に記憶し、ＦＥＭ解析により溶接部の応力を算出し、この応力値に溶接形状に対応した応力集中率を乗じてビード止端部のピーク応力を算出し、このピーク応力をＳＮ線図にあてはめ、溶接形状に応じた疲労寿命を推定する疲労寿命評価システムが開示されている。
【００１１】
また、特許文献３には、平板を組み合わせたスポット溶接構造物に対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央のナゲット部の分担荷重、そのナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上のたわみと放射方向の傾斜とを算出し、算出した分担荷重、円周上のたわみ及び放射方向の傾斜とに基づいて前記ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板曲げ理論を用いて求め、この公称構造応力よりスポット溶接構造物の疲労寿命を予測する手法が開示されている。
【００１２】
しかしながら、特許文献２及び特許文献３に開示された方法では、部材成形時に付与される歪み、成形後の板厚分布は考慮されておらず、また、最適化アルゴリズムも適用されていないため、目標とする疲労寿命を満足する成形加工条件を得られず、正確且つ迅速に部材の疲労設計ができない問題がある。
【００１３】
また、特許文献４には、コンピュータを利用して自動車用部品等の鉄鋼製品の設計を行うため、使用する材料パラメータをあらかじめ記憶するステップと、少なくとも鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を記憶するステップと、前記鉄鋼製品の成形性、剛性、強度を評価するステップと、前記成形性、剛性、強度の少なくともいずれか１つの要求仕様を満足しない場合には、前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状の少なくともいずれか１つの修正を行うステップと、前記成形性、剛性、強度を再評価するステップとを含む設計方法及び設計システムが開示されている。即ち、特許文献４に開示された方法は、成形ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によって鉄鋼製品の成形性を評価した後、剛性ＣＡＥ、強度ＣＡＥを個別に行い、剛性、強度に関する要求仕様を満足するまで前記鉄鋼製品の材料規格、板厚、形状を修正するものとなっている。
【００１４】
しかしながら、特許文献４に開示された方法では、成形ＣＡＥにおいて割れ等の不具合が生じた場合、成形条件を変更して再評価するステップの記述はあるが、最終的な要求特性（剛性、強度）を満たした最適な成形加工条件を提示する方法については記載が無い。
【００１５】
【特許文献１】特開２００１−１１６６６４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４９０９１号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９１３０号公報
【特許文献４】特開２００２−２９７６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、部材、部品、構造体の疲労強度に大きく影響する、成形時に発生する板厚の変化や歪みを考慮すると共に、所望の疲労寿命を満足するために最適なハイドロフォーム成形加工条件を提示できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
かかる課題を解決するため、本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）．ハイドロフォーム成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚に基づいてコンピュータがハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出し、コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げた後、弾性解析条件として前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重に基づいてコンピュータが弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出し、疲労解析条件として前記成形後歪み分布、前記弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重に基づいてコンピュータが疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する工程を、前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが所定回数繰り返し計算を行い、前記疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を求めることを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計方法。
（２）．ハイドロフォーム成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚を入力するハイドロフォーム成形条件入力手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件入力手段に入力された前記ハイドロフォーム成形条件に基づいてハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するハイドロフォーム成形解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重を入力する弾性解析条件入力手段と、
前記弾性解析条件入力手段に入力された前記弾性解析条件に基づいて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出する弾性解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記弾性解析手段により算出した部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重を入力する疲労解析条件入力手段と、
前記疲労解析条件入力手段に入力された前記疲労解析条件に基づいて疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する疲労解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、前記ハイドロフォーム成形条件入力手段から前記疲労解析手段に至る計算を所定回数自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、
疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を出力する最適成形条件出力手段とを有することを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計装置。
（３）．ハイドロフォーム成形条件として入力された加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚に基づいてハイドロフォーム成形解析を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するハイドロフォーム成形解析手段と、
弾性解析条件として、前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記板厚分布、部材形状、及び疲労荷重に基づいて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出する弾性解析手段と、
疲労解析条件として、前記ハイドロフォーム成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記弾性解析手段により算出した部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重に基づいて疲労解析を行い、部材の疲労寿命を算出する疲労解析手段と、
前記ハイドロフォーム成形条件の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、前記ハイドロフォーム成形条件入力手段から前記疲労解析手段に至る計算を所定回数自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、
疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与えるハイドロフォーム成形条件を出力する最適成形条件出力手段とを有することを特徴とする疲労耐久性に優れた部材の疲労設計装置。
（４）．（２）又は（３）に記載の疲労設計装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
（５）．（４）に記載のコンピュータ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。
本発明において、設計パラメータはハイドロフォーム成形条件であり、内圧、軸押し量、摩擦係数の少なくとも１種以上である。
なお、本発明で「成形品」とは成形後の中間製品をいい、「成形品」を組み上げたものを「部材」、即ち最終製品と定義する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、成形時に発生する塑性歪み及び板厚の変化を考慮しつつ、部材の実使用環境に則した疲労荷重条件での疲労寿命を所望の値にするためのハイドロフォーム成形条件を正確且つ迅速に求め、最適な部材を設計することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本発明を適用した疲労設計手法を説明するためのフローチャートを示す。
まず、ハイドロフォーム成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、内圧、軸押し量、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚の各条件入力データ１０１を設定し、これを入力データとしてハイドロフォーム成形解析１０２を行う。
【００２０】
次に、上記ハイドロフォーム成形条件１０１に基づいてコンピュータがハイドロフォーム成形解析１０２を行い、成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出して、ハイドロフォーム成形解析の出力データ１０３として出力する。
【００２１】
次に、ハイドロフォーム成形解析出力データ１０３の中の板厚分布、前記成形品を元に組み上げた部材形状、及び疲労荷重を弾性解析条件入力データ１０４として設定し、その条件１０４に基づいてコンピュータが部材の弾性解析１０５を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出して、弾性解析出力データ１０６として出力する。
【００２２】
次に、ハイドロフォーム成形解析出力データ１０３の中の成形後歪み分布、弾性解析出力データ１０６の中の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重を疲労解析条件入力データ１０７として設定し、その条件１０７に基づいてコンピュータが疲労解析１０８を行い、部材の疲労寿命を算出して、疲労解析出力データ１０９として出力する。そして、その疲労寿命が目標疲労寿命を満足するか、或いは、最大値であるか否かを評価の工程１１０を実施する。
【００２３】
次に、部材の疲労寿命が所望の値になっていない場合、前記ハイドロフォーム成形条件１０１の内圧、軸押し量、摩擦係数のうち少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが再度前記１０１〜１０９までの工程を、所定回数繰返して計算を行う。
【００２４】
次に、１０１〜１０９までの工程を繰返して部材の疲労寿命が所望の値に達した時点でフローを終了する。これにより、疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与える最適なハイドロフォーム成形条件１１１を求めることができる。
【００２５】
ハイドロフォーム成形解析、静的弾性解析、疲労（寿命）解析については市販の有限要素法等の解析プログラムや自製のプログラムを用いればよい。ハイドロフォーム成形解析用のプログラムでは、有限要素法を用いたPAM-STAMP、LS-DYNA、ABAQUS等の市販のソルバーがある。また、弾性解析用のプログラムでは、NASTRAN、MARC、ABAQUS等の有限要素法を用いた市販のソルバーがある。また、疲労解析用のプログラムは、MSC.Fatigue、FEMFAT、FE-Fatigue等の市販ソフトがある。
【００２６】
また、ハイドロフォーム成形解析結果から疲労解析へのデータの受け渡し、解析条件の変更も市販或いは自製のプログラムを用いればよい。解析条件を自動的に変更し、最適な結果を得るために繰返し計算を行う最適化ツールは、iSIGHT、OPTIMUS、AMDESS等の市販の最適化ソフトが用意されており、図１に示す繰返し計算を自動化できる。
【００２７】
なお、入力データ１０１、１０４、１０７は、都度外部の入力手段から入力しても良いし、プログラムの中で自動的にデータを取り込んでも良い。
【００２８】
図２には、ハイドロフォーム成形品を組み上げた部材の例を示す。本例のハイドロフォームを組み上げた部材（ハイドロフォーム成形部材）は、長方形断面に拡管されたハイドロフォーム成形品３に金属管４を溶接したものであり、ハイドロフォーム成形品３の両側に溶接部５を有する。
【００２９】
また、図３に、ハイドロフォーム成形解析プログラム１０２で実行されるハイドロフォーム成形解析の一例を示す。素管１及び工具である金型２の形状データから有限要素メッシュモデルを作成し、ハイドロフォーム成形条件に基づいて成形解析を行い、内圧負荷と軸押し終了時点での成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を求める。
【００３０】
ハイドロフォーム成形解析で求めた成形品の板厚分布及び成形後歪み分布がマッピングされた成形品を用いて、コンピュータ上で部材に組み上げる。その組み上げられた部材の形状、板厚分布のデータに所定の拘束条件及び荷重条件のデータを加え、弾性解析プログラム１０５で弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を求める。
【００３１】
次に、疲労解析プログラム１０８の中で行われる成形後歪み分布を考慮した疲労寿命計算の一例を示す。ハイドロフォーム成形解析により得た成形後歪み分布は、部材の予歪み分布として設定し、その値に基づき基準となるＳＮ線図、ＥＮ線図を、疲労寿命計算を行うため選択する。ここで、ＥＮ線図とは、歪み値と繰返し数の関係を示す疲労寿命線図を指す。ＳＮ線図、ＥＮ線図は市販のデータや公知文献のデータを使用しても良く、設計に用いる鋼材と同等の鋼材を用いて、予め疲労試験を行って作成したデータを用いても良い。予歪みをうけた金属材料は、一般的に高サイクル領域では疲労強度が上昇することが知られている。
【００３２】
図４は、ある鋼材の予歪みの影響を示すＳＮ線図で、予めハイドロフォーム成形により所定の歪みを付与した成形品を用意し、その成形品より疲労試験片を切り出して、疲労試験を行い、本図を求めることができる。例えば、部材の有限要素メッシュモデルのある節点（ノード）位置で３０％の予歪みを受け、尚且つ、疲労荷重が負荷されることにより、その節点位置で３００ＭＰａの応力が発生する場合、図中の点線矢印が示すように３０％の予歪みのＳＮラインを選択し、その節点の予測疲労寿命（繰返し数）は６３万回と算出することができる。同様の算出方法により、部材の有限要素メッシュモデルの全節点において疲労寿命を算出し、その算出結果の中で最小の値が部材の予測疲労寿命となる。
【００３３】
以上が本発明を適用した方法又は装置に関する説明である。図５は、本発明の疲労設計装置として機能しうるコンピュータシステムの構成例を示す図である。同図において、１２００はコンピュータＰＣである。ＰＣ１２００は、ＣＰＵ１２０１を備え、ＲＯＭ１２０２又はハードディスク（ＨＤ）１２１１に記録された、或いはフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行し、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２又はハードディスク（ＨＤ）１２１１に記録されたプログラムにより、本発明の各機能手段が実現される。
【００３４】
１２０３はＲＡＭであり、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９から入力される信号をシステム本体内に入力する制御を行う。１２０６は表示コントローラ（ＣＲＴＣ）であり、表示装置（ＣＲＴ）１２１０上の表示制御を行う。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）であり、ブートプログラム（起動プログラム：パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始するプログラム）、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイルそしてネットワーク管理プログラム等を記録するハードディスク（ＨＤ）１２１１、及びフレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。１２０８はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）であり、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、或いは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。
【００３５】
なお、本発明の疲労設計装置は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置に適用してもよい。
【００３６】
また、本発明の目的は前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（ＣＰＵ若しくはＭＰＵ）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。この場合、記録媒体から読出しされたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することとなり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【００３７】
以上、本発明を種々の実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
【００３８】
（実施例）
以下に、本発明の実施例を示す。
１．設計対象
本発明の実施例として、図６に示すように、中央部をハイドロフォーム成形で長方形断面に拡管したハイドロフォーム成形品３の両端部に金属管４を溶接した部材（ハイドロフォーム成形部材）を設計対象とし、最適ハイドロフォーム成形条件を設計する。ハイドロフォーム成形部材は管端が固定用端板６により支持されており、長方形断面中央部に荷重負荷用治具７により疲労荷重が繰り返し負荷され、その疲労寿命（繰返し数）が最大となる最適な成形条件として、内圧を求める。繰返し疲労荷重は、完全両振りの荷重であり、２０ｋＮである。
【００３９】
ハイドロフォーム成形部材は、全長６４０ｍｍ、中央部長方形断面部高さ９５ｍｍ、長方形断面部幅６３ｍｍ、長方形部の長さ２００ｍｍ、長方形部から金属管４までの移行部の水平方向長さ（片側）８０ｍｍである。また、両端に溶接される金属管４の外径は６３．５ｍｍで、肉厚は２．３ｍｍ、長さは１４０ｍｍである。工具形状については、ハイドロフォーム成形部材の形状寸法より、パンチ金型、ダイ金型の形状寸法を設定した。ハイドロフォーム成形に用いた加工前の材料形状、即ち、素管の形状は、外径６３．５ｍｍ、肉厚２．３ｍｍ、長さ４００ｍｍである。
【００４０】
ハイドロフォーム成形条件は、軸押し量３０ｍｍ、初期のハイドロフォーム内圧２０ＭＰａ、摩擦係数０．１４、材料の引張強さ４７０ＭＰa、材料降伏強さ４００ＭＰａ、応力歪み関係は下式で算出される値である。ここで、σは真応力であり、εは真ひずみである。
σ＝７５０×（ε＋０．０００６）0.17
【００４１】
２.ハイドロフォーム成形解析
上記のハイドロフォーム成形条件を入力して、市販の有限要素法プログラムLS-DYNAを用いてハイドロフォーム成形品３の成形解析を行い、成形品の形状、板厚分布、成形後歪み分布を算出した。
【００４２】
３．弾性解析
コンピュータ上でハイドロフォーム成形品３、両端に溶接される金属管４を取り付け、ハイドロフォーム成形部材として組み上げた後、弾性解析条件としてハイドロフォーム成形品３の板厚分布と、部材形状、及び疲労荷重２０ｋＮに基づいて、市販の有限要素法プログラムNASTRANを用いて弾性解析を行い、部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を算出した。
【００４３】
４．疲労解析
疲労解析条件として、ハイドロフォーム成形解析で算出したハイドロフォーム成形品３の成形後歪み分布、弾性解析で算出したハイドロフォーム成形部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、並びに疲労荷重２０ｋＮに基づいて、市販の疲労解析プログラムFE-Fatigueを用いて、ハット型断面部材のねじり疲労荷重下における疲労寿命（繰り返し数）を算出した。なお、部材に使用された材料の疲労強度データ（ＳＮ線図）については、図４に示すＳＮ線図を用いた。
【００４４】
５．ハイドロフォーム成形条件の変更
最適化ツールについては、市販のプログラムiSIGHTを使用し、ハイドロフォーム成形条件の内圧を２０〜８０ＭＰａの範囲で変更し、図１の１０１〜１１０までの工程をコンピュータが３０回繰返し計算を行い、疲労寿命が最大値となる最適ハイドロフォーム成形条件を探索した。
【００４５】
６．結果
疲労寿命とハイドロフォーム内圧の関係は、内圧が小さすぎると中央部の断面形状が小さく十分な断面剛性が得られず、疲労寿命が低下した。一方、内圧が過大になると部材中央部の板厚減少が大きくなり、局所的な応力が増加するため、疲労寿命が低下する傾向であった。さらに、内圧を増加させるとハイドロフォーム成形時にバーストが生じ、成形ができなくなる場合があった。
【００４６】
図７に部材の弾性解析後応力分布の代表例を示す。比較的低い内圧では、十分な長方形断面が成形されず断面剛性が低いため、発生応力が高い（図７（ａ）を参照）。内圧を徐々に上げていくと、長方形断面が成形されはじめ断面剛性が向上し、発生応力が低減される（図７（ｂ）を参照）。さらに内圧を上昇させていくと、拡管による板厚減少により発生応力が再び上昇する（図７（ｃ）を参照）。
【００４７】
本発明による疲労設計手法に従い繰返し計算を行い、最適ハイドロフォーム成形条件を探索した結果、内圧が５５ＭＰａで、最大疲労寿命（繰返し数）が１５０万回であることを見出すことができた。この条件でハイドロフォーム成形を行った成形品を元に部材を製作し、繰返し疲労荷重が完全両振り荷重２０ｋＮ、繰返し周波数３Ｈｚの試験条件で、最大荷重１００ｋＮの油圧サーボ式疲労試験機を用いて疲労試験をしたところ、繰返し数が２００万回になった時点で中央部の長方形断面の角部に初期亀裂の発生が確認され、目標を超える疲労寿命が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を適用した疲労設計手法を説明するためのフローチャートである。
【図２】ハイドロフォーム成形品を組み上げた部材の例を示す図である。
【図３】ハイドロフォーム成形解析の一例を示す図である。
【図４】ある鋼材の予歪みの影響を示すＳＮ線図である。
【図５】本発明の疲労設計装置として機能しうるコンピュータシステムの構成例を示す図である。
【図６】実施例でのハイドロフォーム成形部材を示す図である。
【図７】実施例での部材の弾性解析後応力分布の例を示す図である。
【図８】ハイドロフォーム成形を説明するための図である。
【図９】ハイドロフォーム成形における軸押し量と内圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    素管
２    金型
３    ハイドロフォーム成形品
４    金属管
５    溶接部
６    固定用端板
７    荷重負荷用治具
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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