(57)【要約】【課題】構造体の特性解析を金型設計を必要とすることなく、コンピュータシミュレーションにより短時間で精度よく行うことができる特性解析方法および特性解析プログラムを提供する。【解決手段】構造体の形状データから特性有限要素法特性解析モデル１０を作成し、この有限要素法特性解析モデル１０から個別プレス部品データ１１を抽出する。その部品外周部にフランジまたは移動抵抗４を追加したプレス解析ソースファイル１２を作成し、インバース解析法によりプレス解析を行う。プレス解析結果を有限要素法特性解析モデル１０にマッピングしてプレス影響による材料特性の修正を加え、修正された有限要素法特性解析モデル１３に基づきソルバープログラムによる特性解析を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形金属部品を含む構造体の特性を有限要素法を用いてコンピュータシミュレーションにより特性解析するにあたり、構造体の形状データをもとに有限要素メッシュを作成し、さらに解析条件をもとに、各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや残留応力等の影響を考慮しない有限要素法特性解析モデルを作成し、この有限要素特性解析モデルより個別プレス部品の節点データと要素データと材料特性データ等を抽出し、抽出したデータを基に個別プレス品毎にプレス成形解析モデルを作成し、このプレス成形解析モデルを解析することにより、各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求め、求めた板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を前記の有限要素特性解析モデルにマッピングして修正を加えることにより各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや加工硬化や残留応力等の影響を考慮した有限要素特性解析モデルを作成し、この修正された有限要素解析用デルを解析することにより特性解析を行うことを特徴とするプレス成形金属部品を含む構造体の特性解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプレス成形金属部品を含む構造体の特性解析法において、個別プレス部品毎のプレス成形解析にあたり個別プレス部品外周部にフランジまたは移動抵抗を追加したインバースプレス解析用のモデルを作成し、これを解析することにより各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求めることを特徴とする構造体の特性解析方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプレス成形金属部品を含む構造体の特性解析用において、各個別プレス部品に対しプレス成形解析用の材料特性データと構造体の特性解析用の材料特性データをそれぞれ用意し、プレス成形解析においてはプレス成形解析用の材料特性データを使用し、構造体の特性解析用には構造体の特性解析用の材料特性データを使用することを特徴とする構造体の特性解析方法。
【請求項４】
プレス成形金属部品を含む構造体の特性を有限要素法を用いてコンピュータシミュレーションにより特性解析するプログラムであって、構造体の形状データをもとに有限要素メッシュを作成し、さらに解析条件をもとに、各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや残留応力等の影響を考慮しない有限要素法特性解析モデルを作成する第１ステップと、この有限要素特性解析モデルより個別プレス部品の節点データと要素データと材料特性データ等を抽出する第２ステップとし、抽出したデータを基に個別プレス品毎にプレス成形解析モデルを作成する第３ステップと、このプレス成形解析モデルを解析することにより、各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求める第４ステップと、求めた板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を前記の有限要素特性解析モデルにマッピングして修正を加えることにより各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや加工硬化や残留応力等の影響を考慮した有限要素特性解析モデルを作成する第５ステップと、この修正された有限要素解析用デルを解析することにより特性解析を行う第６ステップとからなることを特徴とする特性解析プログラム。
【請求項５】
請求項４に記載の特性解析プログラムを記載したことを特徴とするコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の耐衝突性能特性や強度特性や剛性解析や振動・音響特性等の特性をコンピュータシミュレーションにより解析するための構造体の特性解析方法およびこの構造体の特性解析方法を実行するための特性解析プログラムおよびそのプログラムを記録したコンピュータにて読み取り可能な記憶媒体に関するものである。本発明の対象とする構造体は、金属材料をプレス成形して製作されるか、もしくはプレス成形と合わせて穴明け加工やトリム加工や曲げ加工等の一つもしくは複数の加工を行って製作されるプレス部品を、一つもしくは複数組み合わせて構成されるか、一つもしくは複数個含んで構成されるものである。本明細書においてはこのような構造体を、プレス成形金属部品を含む構造体と記す。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−２１９５２３号公報
【０００３】
従来から、自動車車両等のプレス成形金属部品を含む構造体の設計においては、コンピュータシミュレーションによりその構造体の耐衝突性能、強度、剛性や振動・音響特性等の特性に関する各種性能の解析が行なわれている。
【０００４】
プレス成形された金属部品はプレス前の母材（ブランク）と比較して、板厚、残留ひずみ、残留応力等の特性が変化する。また残留ひずみが変化することによる金属部品の加工硬化等により応力−歪み特性も大きく変化する。さらにこれらの変化は同一部品内においても部位によって異なる。従って、プレス成形金属部品を含む構造体の耐衝突性能、強度、剛性や振動・音響特性等の特性に関する解析を精度よく行なうためには、個々の部品のプレス成形による厚さ分布、残留歪み分布、応力−歪み特性の変化等を考慮したコンピュータシミュレーションモデルを作成し、解析する必要がある。
【０００５】
プレス成形される金属部品の成形性や成形後の板厚、残留歪み、応力分布等については、既にコンピュータシミュレーションによる成形解析法が提案されている。その代表的なものは、インクレメンタル（Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）法である。インクレメンタル法は、ブランク、金型、ホルダー、パンチ等の形状、材料特性、潤滑条件や押え力等のプレス条件をもとに、プレス加工の工程を微小なタイムステップに区切り、タイムステップ毎の微小変形について順次計算を積み重ねて行く解法であり、比較的高い計算精度が得られる。
【０００６】
このインクレメンタル法によりプレス解析を行うためには、図７に示すように先ず構造体の形状データから個別プレス部品データを抽出し、個別部品毎に金型、ホルダー、パンチ等の金型設計を行ったうえ、更にブランク材とプレス条件を設定してメッシュ生成を行い、プレス解析用モデルを作成しなければならない。ところが従来の自動車車両等の構造体の実際の設計業務では、コンピュータシミュレーションにより特性解析を行いながら部品形状を決定し、その後に金型設計に入るのが普通であり、構造体設計の段階では個別部品の金型設計やプレス条件の設計はなされていない。従って、構造体の高精度な特性解析のためには構造体の設計段階で、従来の設計業務では行っていなかった金型やプレス条件の設計まで実施しなければならず、大幅な作業増を必要とする等の問題がある。
【０００７】
また、個別部品毎にプレス解析用のメッシュ生成を行いプレス解析モデルを作成する作業に手数がかかるうえ、インクレメンタル法による解析自体も一つのプレス部品に対し数時間から数十時間という非常に長時間を要する。従って、インクレメンタル法によるプレス解析は個々の部品の特性評価には使用されているものの、手数や時間がかかり過ぎるために多数のプレス成形金属部品を含む構造体の設計にはほとんど用いられていない。
【０００８】
このほか、プレス後の形状をもとにインバース法により解析を行うインバースプレス解析法がある。この方法は、プレス後の最終形状からブランクの初期平面形状を逆解析し、プレスによる板厚変化、残留ひずみ、残留応力等の分布特性を求める方法であり、インクレメンタル法と比較して非常に短時間で解析可能である。しかしこの方法はあまりにも計算精度が低すぎるために、実用性がないと評価されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、プレス成形金属部品を含む構造体の特性解析を、金型設計を必要とすることなく、コンピュータシミュレーションにより短時間で精度よく行うことができるプレス成形金属部品を含む構造体の特性解析方法、特性解析プログラム及びそのプログラムを記録した記憶媒体を提供するためになされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者はこの課題を解決するために、金型設計を必要としないプレス部品形状をもとにしたインバースプレス解析法を活用して構造体の特性解析を行う方法を検討し、インバースプレス解析の計算精度が低い理由を追求した。その結果、プレス部品形状をもとにしたインバースプレス解析ではプレス成形の過程での金属の流れに対する移動抵抗が実際とは大きく相違しており、この点を改良すればかなり計算精度が高められることを解明した。また、インバースプレス解析法はプレス後の最終形状からブランクの初期平面形状を逆解析する方法であるため、最終形状として構造体に含まれる各部品形状をもとにするのではあれば、通常の構造体の特性解析のために作成された有限要素モデルに含まれる各部品のメッシュデータを利用することができ、プレス解析のために新たな形状データの作成・抽出やメッシュ生成を行う必要はない利点があることを見出した。
【００１１】
また通常のプレス成形解析や構造体の解析には、材料特性としてプレス前の母材のデータが使われるが、自動車等の構造体の場合、含まれるプレス部品はプレス成形後に組み上げられ、その後に塗装およびその焼付けが行われる。このため焼き付け処理時に材料特性が変化する場合があり、より精確な解析を行うためには、焼き付けによる材料特性変化を考慮する必要がある。そこで各材料について焼き付け前の材料特性（応力―歪特性、歪速度依存性、ランクフォード値など）と焼き付け後の材料特性とを調べておき、プレス成形の解析には焼き付け前の材料特性を用い、構造体の特性解析には焼き付け後の材料特性を用いることにより、一段と正確な解析結果データを得ることができることを見いだした。
【００１２】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものであり、請求項１のプレス成形金属部品を含む構造体の特性解析方法は、プレス成形金属部品を含む構造体の特性を有限要素法を用いてコンピュータシミュレーションにより特性解析するにあたり、構造体の形状データをもとに有限要素メッシュを作成し、さらに解析条件をもとに、各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや残留応力等の影響を考慮しない有限要素法特性解析モデルを作成し、この有限要素特性解析モデルより個別プレス部品の節点データと要素データと材料特性データ等を抽出し、抽出したデータを基に個別プレス品毎にプレス成形解析モデルを作成し、このプレス成形解析モデルを解析することにより、各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求め、求めた板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を前記の有限要素特性解析モデルにマッピングして修正を加えることにより各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや加工硬化や残留応力等の影響を考慮した有限要素特性解析モデルを作成し、この修正された有限要素解析用デルを解析することにより特性解析を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構造体の特性解析法において、個別プレス部品毎のプレス成形解析にあたり個別プレス部品外周部にフランジまたは移動抵抗を追加したインバースプレス解析用のモデルを作成し、これを解析することにより各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求めることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の構造体の特性解析用において、各個別プレス部品に対しプレス成形解析用の材料特性データと構造体の特性解析用の材料特性データをそれぞれ用意し、プレス成形解析においてはプレス成形解析用の材料特性データを使用し、構造体の特性解析用には構造体の特性解析用の材料特性データを使用することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、プレス成形金属部品を含む構造体の特性を有限要素法を用いてコンピュータシミュレーションにより特性解析するプログラムであって、構造体の形状データをもとに有限要素メッシュを作成し、さらに解析条件をもとに、各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや残留応力等の影響を考慮しない有限要素法特性解析モデルを作成する第１ステップと、この有限要素特性解析モデルより個別プレス部品の節点データと要素データと材料特性データ等を抽出する第２ステップとし、抽出したデータを基に個別プレス品毎にプレス成形解析モデルを作成する第３ステップと、このプレス成形解析モデルを解析することにより、各個別プレス品の板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を求める第４ステップと、求めた板厚減少分布や残留塑性ひずみ分布や残留応力分布等を前記の有限要素特性解析モデルにマッピングして修正を加えることにより各プレス部品のプレス成形による板厚減少や残留塑性ひずみや加工硬化や残留応力等の影響を考慮した有限要素特性解析モデルを作成する第５ステップと、この修正された有限要素解析用デルを解析することにより特性解析を行う第６ステップとからなることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明はコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に関するものであって、請求項４に記載の特性解析プログラムを記載したことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図１のフローを参照しつつ、本発明方法及び本発明プログラムの好ましい実施形態を示す。説明を簡略化するために、この実施形態では図２に示すような２部品からなる構造体の衝突変形解析の手順を説明する。第１部品１は断面が帽子状のプレス部品であり、複数の穴３が形成されている。第２部品は平板２であり、両者は溶接により一体化されて構造体となっている。
【００１８】
先ず図２に示される構造体の形状データに基づいて、構造体の衝突変形解析のための有限要素メッシュ生成を行うとともに、条件設定を行う。この条件は衝突変形解析のための条件であり、材料特性条件、接触条件、拘束条件、荷重条件、速度条件、質量条件、接合条件、計算条件などである。そして図３に示すようなメッシュ生成された衝突変形解析のための有限要素法特性解析モデル１０を作成する（第１ステップ）。この（第１ステップ）は、従来からコンピュータシミュレーションにより構造体の衝突変形解析を行うために行われている必須のものである。この段階の有限要素法特性解析モデルには、プレス成形による材料特性の変化などのプレス影響は含まれていない。
【００１９】
次にこの有限要素法特性解析モデル１０から、図４に示すように個別プレス部品の節点データと要素データと材料特性データ等の個別プレス部品データ１１を抽出する（第２ステップ）。しかし前記したように、この個別プレス部品データ１１に基づいてインバース解析を行うと計算誤差が大きくなるため、本発明では図５に示すように個別プレス部品データ１１に穴３を埋める処理を施すとともに、図６に示すように部品外周部にフランジまたは移動抵抗４を追加する処理を行う。このフランジまたは移動抵抗４は、実際のプレス過程で生ずる金属の流れに対する抵抗をインバース解析に反映させるために、形状や張力として表現したものである。さらにプレス圧や潤滑条件などのプレス解析条件を設定して、プレス成形解析モデル１２を作成する（第３ステップ）。この段階では金型設計は不要である点で従来法とは大きく異なっている。
【００２０】
次にこのプレス成形解析モデル１２を元に、公知のインバース解析法によるプレス解析を行う（第４ステップ）。前記したようにインバース解析は金型データを必要とせず、部品形状からブランクの初期平面形状を逆算し、板厚、残留歪、残留応力等の特性を求める方法である。本発明では部品外周部にフランジまたは移動抵抗４を追加したモデルを元にインバース解析を行うので、短時間で精度よく解析結果を得ることができる。しかも新たにメッシュ生成を行う必要がなく、衝突変形解析のためのメッシュをそのまま使用することができるので、手順が簡略である。なお、上記の第２ステップから第４ステップは構造体を構成する個別部品ごとに行う。
【００２１】
このようにして得られた各個別プレス部品ごとのプレス解析結果を、第１ステップで作成された有限要素法特性解析モデル１０にマッピングし、板厚変化、残留歪などのプレス影響を織り込んだ修正された有限要素法特性解析モデル１３を作成する（第５ステップ）。そしてこの有限要素法特性解析モデル１３について、ソルバープログラムにより構造体の衝突変形解析を行う（第６ステップ）。この結果、正確な解析結果データを得ることができる。
【００２２】
なお、以上の実施形態では構造体の衝突変形解析の例を示したが、解析条件やソルバープログラムの種類を変えることにより、車体の剛性解析や音響・振動特性解析などのさまざまな特性解析を行うことができる。以上の実施形態では説明を簡略化するために２つの部品からなる構造体を示したが、実際には非常に多数の部品が組み合わされた構造体の特性解析が行われる。またインバースプレス解析によるプレス影響の解析および解析結果の構造体の特性解析モデルへの織り込みは必ずしも構造体に含まれる全てのプレス部品について行う必要はなく、解析者が必要と思われるプレス部品を選択し実施すればよい。
【００２３】
また、自動車等の構造体を構成するプレス部品はプレス成形後に組み上げられ、塗装およびその焼付けが行われ、この焼き付け処理時に材料特性が変化する場合等、プレス成形段階と各プレス部品が構造体に組み込まれ目的とする特性解析を行うべき状態になった段階で材料特性が変化する場合には各個別プレス部品に対しプレス成形解析用の材料特性データと構造体の特性解析用の材料特性データをそれぞれ用意し、プレス成形解析においてはプレス成形解析用の材料特性データを使用し、構造体の特性解析用には構造体の特性解析用の材料特性データを使用することにより、一段と正確な解析結果データを得ることができる。
【００２４】
なお、本発明の構造体の特性解析プログラムは上記した第１ステップから第６ステップまでを実行するものであるが、第３ステップを除く個々のステップは公知のプログラムにより個別に実行可能である。従って、必ずしも全体を１つのプログラムにより実行する必要はなく、一つのステップもしくは複数のステップを行うプログラムを組み合わせて実行することも可能である。さらに本実施例では各ステップで個別の有限要素法特性解析モデルや解析結果ファイルを作成したが、複数ステップを同一のプログラムで実施する場合等は必ずしもソースファイルや解析結果ファイルを作成する必要はなく、内部データとしてコンピュータ内に解析モデルや解析結果を保持することにより複数ステップを実施することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によればプレス部品を含む構造体の衝突変形特性、剛性特性、振動特性などの各種特性を、金型設計を必要とすることなく、コンピュータシミュレーションにより短時間で精度よく行うことができる。このため特に車両設計の効率を高めるうえで大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステップを示すブロック図である。
【図２】実施形態における構造体を示す斜視図である。
【図３】メッシュ生成された衝突変形解析のための有限要素法特性解析モデルを示すイメージ図である。
【図４】抽出された個別プレス部品データを示すイメージ図である。
【図５】穴埋めされた個別プレス部品データを示すイメージ図である。
【図６】部品外周部にフランジまたは移動抵抗を追加したプレス成形解析モデル１２を示すイメージ図である。
【図７】従来のインクレメンタル法によるプレス成形解析のステップを示すブロック図である。
【符号の説明】
１  第１部品
２  第２部品
３  穴
４  フランジまたは移動抵抗
１０  衝突変形解析のための有限要素法特性解析モデル
１１  個別プレス部品データ
１２  プレス成形解析モデル
１３  修正された有限要素法特性解析モデル
【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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