(57)【要約】【課題】成形品製作時の塑性加工による板厚変化や加工硬化の影響を考慮しつつ、最終製品である部材において所望の固有振動数や変形モードを得るために、最適なプレス成形条件を提示できるようにする。【解決手段】プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出し、動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいてコンピュータが動剛性解析を行い、固有振動数を算出する工程を、前記プレス成形条件のうち少なくとも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、前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出し、動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいてコンピュータが動剛性解析を行い、固有振動数を算出する工程を、前記プレス成形条件のうち少なくとも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、前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力することを特徴とする剛性の高い部材の設計方法。
【請求項２】
成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚をプレス成形条件として入力するプレス成形条件入力手段と、
前記プレス成形条件入力手段に入力された成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出するプレス成形解析手段と、
前記プレス成形解析手段により算出した成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状を動剛性解析条件として入力する動剛性解析条件入力手段と、
前記動剛性解析条件入力手段に入力されたプレス成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいて動剛性解析を行い、固有振動数を算出する動剛性解析手段と、
前記プレス成形条件のうち少なくとも１種以上を変えて、前記プレス成形条件入力手段、前記プレス成形解析手段、前記動剛性解析条件入力手段、及び前記動剛性解析手段での計算を所定回数自動的に実行させる繰り返し計算制御手段と、
前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力する最適プレス成形条件出力手段とを有することを特徴とする剛性の高い部材の設計装置。
【請求項３】
プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出し、動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいて動剛性解析を行い、固有振動数を算出する工程を、前記プレス成形条件のうち少なくとも１種以上を変えて、所定回数繰り返し計算を行い、前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力する処理をコンピュータに実行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４】
請求項３に記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とする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、自動車や電機製品等に用いられるプレス成形を組み上げて製作される部材であって、剛性の高い部材の設計方法、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】
自動車や電機製品等の振動を発生する機器では、外力に抗して機器の変形を防いだり、振動や音の伝播を防いだりするため、その機器を構成する部材に対して高い剛性が求められる。剛性の高い部材は、一般に固有振動数が高くなる。従来の機器構成部材の設計では、初期形状を定めた後、有限要素法等の方法によって動剛性解析を実施し、固有振動数や変形モードが目標値となるよう部材の形状等を変更する。解析による評価が目標値を達成した後、試作・実験によって最終確認を行い、設計を確定する。
【０００３】
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成形品とした後、必要に応じて他の材料と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、ボルト接合、かしめ等の方法が用いられる。
【０００４】
従来、図７に示すように、プレス成形解析から衝突解析に至る連成解析という手法が公知である。図７において、１０は加工前の材料、１１はプレス成形解析の結果、１２はプレス成形解析の結果を衝突解析の入力データに変換したもの、１３は衝突解析の結果を表わす。特許文献１には、プレス部品の最終部品形状データを元に、追加した形状データを作成した上で成形解析を行い、得られた解析結果を元に耐衝突性能等の特性解析を連成的に行うシミュレーション方法が開示されている。しかしながら、特許文献１には、最適な部品形状、成形条件を提示する方法については記載されていない。
【０００５】
また、特許文献２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および設計システムが開示されている。即ち、特許文献２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、形状を修正するシステムになっている。しかしながら、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）を満たすための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。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−５０２５３号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
鋼材等の金属を材料とする場合、成形品製作時の塑性加工によって板厚の変化や、塑性ひずみによる加工硬化が発生し、板厚変化や加工硬化のない場合に比して成形品が外力や振動を受けた際の固有振動数や変形モードが変化することが知られている。現状、これらの成形品を元に最終製品に組み上げた後の部材において有限要素法等の動剛性解析時に、板厚変化や加工硬化を考慮していないため、解析の評価値によって設計をしても、試作・実験では所望の固有振動数や変形モードを得られない。また、成形品製作時の塑性加工条件のばらつきにより、板厚変化や加工硬化にもばらつきが発生し、最終的に部材の固有振動数や変形モードがばらついてしまう。
【０００８】
本発明は、成形品製作時の塑性加工による板厚変化や加工硬化の影響を考慮しつつ、最終製品である部材において所望の固有振動数や変形モードを得るために、最適なプレス成形条件を提示できるようにすることを目的とする。設計パラメータとしては、成形品の材料・板厚・形状・加工条件・溶接条件等である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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）プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出し、動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいてコンピュータが動剛性解析を行い、固有振動数を算出する工程を、前記プレス成形条件のうち少なくとも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、前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力することを特徴とする剛性の高い部材の設計方法。
（２）成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚をプレス成形条件として入力するプレス成形条件入力手段と、
前記プレス成形条件入力手段に入力された成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出するプレス成形解析手段と、
前記プレス成形解析手段により算出した成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状を動剛性解析条件として入力する動剛性解析条件入力手段と、
前記動剛性解析条件入力手段に入力されたプレス成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいて動剛性解析を行い、固有振動数を算出する動剛性解析手段と、
前記プレス成形条件のうち少なくとも１種以上を変えて、前記プレス成形条件入力手段、前記プレス成形解析手段、前記動剛性解析条件入力手段、及び前記動剛性解析手段での計算を所定回数自動的に実行させる繰り返し計算制御手段と、
前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力する最適プレス成形条件出力手段とを有することを特徴とする剛性の高い部材の設計装置。
（３）プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布を算出し、動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいて動剛性解析を行い、固有振動数を算出する工程を、前記プレス成形条件のうち少なくとも１種以上を変えて、所定回数繰り返し計算を行い、前記固有振動数の最大値又は安定領域を与えるプレス成形条件を最適プレス成形条件として出力する処理をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
（４）前記（３）のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
なお、本発明において、「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】
【００１０】
本発明によれば、成形品製作時の板厚変化や加工硬化の影響を考慮しつつ、外力や振動が作用した場合の固有振動数を所望の値とし、かつ成形品製作時の加工条件のばらつきがあった場合でも固有振動数が大きく変動しない部材を得るために最適なプレス成形条件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】
【００１１】
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には、本発明を適用した剛性の高い部材の設計方法を説明するためのフローチャートを示す。
【００１２】
（１）．プレス成形条件として成形品形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の応力−ひずみ関係、及び板厚の各条件を設定し、これを成形解析入力データ１とする。
【００１３】
（２）．上記成形解析入力データ１に基づいて、コンピュータが成形解析プログラム２によりプレス成形解析を行い、成形解析出力データ３として成形品の板厚分布を算出して出力し、これを入力変換プログラム４により動剛性解析入力データ５に変換する。
【００１４】
（３）．動剛性解析条件として成形品の前記板厚分布、及び成形品を組み上げて製作される部材形状に基づいて、コンピュータが動剛性解析プログラム６により動剛性解析を行い、動剛性解析出力データ７として固有振動数を算出して出力し、工程８において剛性性能を満足するかどうかを評価する。この場合に、コンピュータ上で成形品を元に部材を組み上げる。
【００１５】
（４）．剛性性能が所望の値となっていない場合、又は前記１〜７までの工程が所定回数に満たない場合、前記プレス成形条件（成形解析入力データ）１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１〜７までの工程を所定回数繰り返し計算を行う。
【００１６】
（５）．１〜７までの工程を繰り返し計算を行うとともに工程８で評価を行い、剛性性能が所望の値になった時点で最適なプレス成形条件９を出力し、フローを終了する。これにより、固有振動数の最大値又は安定領域を与える最適なプレス成形条件（加工条件）９を得ることができる。
【００１７】
なお、成形解析・動剛性解析は、市販の有限要素法等による解析プログラムや自製のプログラムでもよい。また、成形解析→動剛性解析のデータ変換、剛性性能評価及び形状・加工条件変更も市販又は自製のプログラムで行う。
【００１８】
図２は、本発明の設計装置として機能するコンピュータシステムの構成例を示すブロック線図である。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に記憶された、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に記憶されたプログラムにより、本実施形態の各機能手段が構成される。
【００１９】
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憶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。
【００２０】
なお、本発明の溶接条件設定装置は、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。
【００２１】
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憶媒体を、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。
【００２２】
（実施例）
以下に、本発明の実施例を示す。
１．設計対象
本実施例として、図４に示すように、ハット型断面部材に当て板をスポット溶接した部材の最適成形条件を設計する。ハット型断面部材は、プレスによって成形する。部材は無拘束とし、このときの固有振動数が最大となるようプレス加工条件（しわ押え荷重＝ＢＨＦ）を最適化する。
【００２３】
ハット型断面部材の寸法は、長さ３００ｍｍ、断面幅５０ｍｍ、断面高さ５０ｍｍ、フランジ幅１０ｍｍ、板厚１．４２ｍｍである。また、当て板の寸法は、長さ３００ｍｍ、幅９０ｍｍ、板厚１．１６５ｍｍである。材料は、ハット型断面部材及び当て板ともに引っ張り強さ５９０ＭＰａ級の高張力鋼板であり、応力−ひずみ関係は図５に示すとおりである。
【００２４】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量＝５０ｍｍ、初期のしわ押え荷重（ＢＨＦ）は４０ｋＮ、摩擦係数＝０．１５である。
【００２５】
２．成形解析
上記プレス成形条件を入力して、市販の有限要素解析プログラムＨｙｐｅｒ Ｆｏｒｍを使用した。プレス成形解析を行い、図３に示す成形品の板厚分布を算出した。
【００２６】
３．データ変換
成形解析による成形品の板厚分布の解析結果から動剛性解析への入力データの変換はＦＯＲＴＲＡＮプログラムを自製・使用して、動剛性解析条件として成形品の板厚分布、部材形状を入力した。
【００２７】
４．動剛性解析
市販の有限要素解析プログラムＮａｓｔｒａｎを使用して動剛性解析を行った。後述のプレス成形条件を変えたときも含めて、図４に示すように、１次から５次までの固有振動数を算出した。
【００２８】
５．剛性性能評価・加工条件変更
市販の最適化ツールｉＳＩＧＨＴを使用した。固有振動数が最大かつ安定となるよう、上記プレス成形条件のうちしわ押え荷重を４〜２００ｋＮの範囲で変更し、図１の１〜７までの工程をコンピュータが５０回繰り返し計算を行い、固有振動数の最大値又は安定領域を与える最適プレス成形条件を探索した。
【００２９】
６．結果
図６に結果を示す。グラフは、横軸がしわ押え荷重、縦軸が各次数の固有振動数の二乗和の平方根である。本特性図より、固有振動数が最大となる点１４は、しわ押え荷重＝４ｋＮのときで、固有振動数は６９７Ｈｚである。しかし、この条件では、しわ押え荷重が装置制約下限であり、工業生産の観点から最適設計点として採用は難しい。また、しわ押え荷重がばらついた場合、固有振動数も影響を受ける。
【００３０】
このときには、固有振動数が高位安定となる範囲１５として、しわ押え荷重＝５０〜７０ｋＮの範囲があり、この中間点を最適設計点として採用すればよい。
【００３１】
つまり、最適なプレス成形条件として、しわ押え荷重＝６０±１０ｋＮとした条件でプレス成形を行ったハット型断面部材に当て板をスポット溶接した部材を作成し、無拘束及びハンマリングによる試験条件で、動剛性試験をしたところ、１次から５次までの固有振動数の二乗和の平方根において６９７Ｈｚであることが確認され、目標（６９０Ｈｚ以上）を超える動剛性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を適用した剛性の高い部材の設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明の剛性の高い部材の設計装置として機能するコンピュータシステムの構成例を示す図である。
【図３】実施例での成形品の板厚分布を示す図である。
【図４】実施例での動剛性解析を説明するための図である。
【図５】実施例での材料の応力−ひずみ関係を示す特性図である。
【図６】実施例での結果を示す図であり、横軸がしわ押え荷重、縦軸が各次数の固有振動数の二乗和の平方根である特性図である。
【図７】従来の成形・動剛性の連成解析を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  部材形状、加工条件などの成形解析入力データ
２  成形解析を行うプログラム
３  成形解析により得られた板厚分布
４  成形解析の出力データを動剛性解析の入力データに変換するプログラム
５  部材形状、成形による板厚分布などの動剛性解析入力データ
６  動剛性解析を行うプログラム
７  動剛性解析による得られた固有振動数などの剛性性能
８  剛性性能を評価し、成形解析入力データを変更する最適化プログラム
９  最適設計システムにより得られた最適な加工条件
１０  加工前の材料
１１  成形解析の結果
１２  成形解析の結果を衝突解析の入力データに変換したもの
１３  衝突解析の結果
１４  固有振動数が最大となる点
１５  固有振動数が高位安定となる範囲
【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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