(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板から成形加工を経て製造される金属部品を含む解析対象物に対して、該解析対象物の有限要素モデルを用いて、設定された解析条件下における塑性変形を伴う挙動について非線形解析を行うCAE解析用装置において、
前記非線形解析に先立つ前処理として、前記有限要素モデルにおける少なくとも前記成形加工された部位に対応する各要素に対して、隣接する要素間のなす角度、要素の板厚、及び、要素の大きさに関するパラメータを用いて、該加工部位における塑性歪を算出し、該算出した塑性歪を前記有限要素モデルの初期状態に反映させることを特徴とする、CAE解析用装置。
【請求項２】
前記算出した塑性歪を、対応する要素の初期歪として付与する、請求項１に記載のCAE解析用装置。
【請求項３】
コンピューターをして請求項１又は２に記載のCAE解析用装置を実現させるコンピューター読み取り可能なプログラム。
【請求項４】
コンピューターが、金属板から成形加工を経て製造される金属部品を含む解析対象物に対して、該解析対象物の有限要素モデルを用いて、設定された荷重／拘束条件下における塑性変形を伴う挙動について非線形解析を行うＣＡＥ解析用方法において、
コンピューターが、前記有限要素モデルにおける少なくとも前記成形加工された部位に対する各要素に対して、隣接する要素間のなす角度、要素の板厚、及び、要素の大きさに関するパラメータを用いて、該加工部位における塑性歪を算出するステップと、
コンピューターが、前記算出した塑性歪を前記有限要素モデルに反映させるステップと、
コンピューターが、前記算出した塑性歪が反映された前記有限要素モデルを用いて、前記非線形解析を行うステップとを含むことを特徴とする、ＣＡＥ解析用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板から成形加工を経て製造される金属部品を含む解析対象物に対するCAE解析用装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、実測値と解析値との整合性に応じて解析アルゴリズムを修正するCAE解析用装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１８２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、金属板から成形加工を経て製造される金属部品は、成形加工時に塑性変形するので、当該塑性変形による影響(加工硬化)を考慮した解析モデルを作成しなければ、精度の高い解析結果を得られない。
【０００４】
そこで、本発明は、成形加工時に生ずる塑性変形による影響を簡易且つ適切に考慮して、精度の高い解析結果を得ることが可能なCAE解析用装置及び方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、第１の発明は、金属板から成形加工を経て製造される金属部品を含む解析対象物に対して、該解析対象物の有限要素モデルを用いて、設定された解析条件下における塑性変形を伴う挙動について非線形解析を行うCAE解析用装置において、
前記非線形解析に先立つ前処理として、前記有限要素モデルにおける少なくとも前記成形加工された部位に対応する各要素に対して、隣接する要素間のなす角度、要素の板厚、及び、要素の大きさに関するパラメータを用いて、該加工部位における塑性歪を算出(推定演算)し、該算出した塑性歪を前記有限要素モデルの初期状態に反映させることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明に係るCAE解析用装置において、前記算出した塑性歪を、対応する要素の初期歪として付与することを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、コンピューターが、金属板から成形加工を経て製造される金属部品を含む解析対象物に対して、該解析対象物の有限要素モデルを用いて、設定された荷重／拘束条件下における塑性変形を伴う挙動について非線形解析を行うＣＡＥ解析用方法において、
コンピューターが、前記有限要素モデルにおける少なくとも前記成形加工された部位に対する各要素に対して、隣接する要素間のなす角度、要素の板厚、及び、要素の大きさに関するパラメータを用いて、該加工部位における塑性歪を算出するステップと、
コンピューターが、前記算出した塑性歪を前記有限要素モデルに反映させるステップと、
コンピューターが、前記算出した塑性歪が反映された前記有限要素モデルを用いて、前記非線形解析を行うステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、加工部位に対応する各要素に対して、隣接する要素間のなす角度、要素の板厚、及び、要素の大きさに関するパラメータを用いて、該加工部位における塑性歪を算出し、該算出した塑性歪を有限要素モデルの初期状態に反映させることで、成形加工時に生ずる塑性変形による影響を簡易且つ適切に考慮したＣＡＥ解析を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１０】
本発明に係るCAE解析用装置は、以下詳説する機能を実現するソフトウェアが組み込まれたコンピューター（スーパーコンピューターを含む）により実現される。本発明に係るソフトウェアは、解析用ソフトウェアから切り離して前処理用ソフトウェアとして別個独立に実現されるが、既存の解析用ソフトウェア（例えば、ＬＳ−ＤＹＮＡ、ＡＢＡＱＵＳ、ＰＡＭ−ＣＲＡＳＨ（共に登録商標）等）又は新規の解析用ソフトウェアに、前処理ソフトウェアとして組み込むこともできる。
【００１１】
ユーザが直接利用するコンピューター端末は、ユーザインターフェースとして例えばマウスやキーボードを有し、解析用モデルや解析結果等を表示するディスプレイを有する。また、このコンピューター端末には、例えば社内ＬＡＮ等により、負荷の大きな計算を実行するスーパーコンピューターや、解析モデルの基になるＣＡＤデータを供給するＣＡＤ端末等が接続されてよい。また、このコンピューター端末には、モデル作成用ソフトウェア（例えば、ＩＤＥＡＳ、Ｈｙｐｅｒ−Ｍｅｓｈ（共に登録商標）等）がインストールされてよい。
【００１２】
図１は、本発明によるCAE解析用方法に関連する主要処理の流れの概要を示すフローチャートである。
【００１３】
モデル作成段階(ステップ１００)では、モデル作成用ソフトウェアを用いて、解析対象となる構造物の有限要素モデル（ＣＡＥ解析モデル）が作成される。解析対象となる構造物は、例えば車両全体のボデー構造や、ドア単体等任意である。有限要素モデルは、一般的に、これらの構造物のＣＡＤデータに基づいて作成される。
【００１４】
尚、一般的に、ドアやフロア等のような薄板（鋼板等）で形成される板金部材は、シェル要素でモデル化され、例えばエンジンのシリンダブロック等のような肉厚の鋳造部品は、ソリッド要素でモデル化される。尚、メッシュサイズ等については、解析の用途や計算負荷等を勘案して適宜決定される。各要素には、その対応する部材の板厚情報や材料特性（弾性係数Ｅ、Ｇ、ポアソン比ν、弾性域等）が付与される。解析中における各要素の応力−歪特性は、この材料特性によって決まる。
【００１５】
拘束条件設定段階(ステップ１１０)では、解析段階で用いられる拘束条件がモデル化(設定)される。例えば、各部品間の接続部は、その許容する自由度に応じて適切な拘束条件が付与される。また、板が重なり合う部分については接触条件が定義されてもよい。また、スポット溶接部については、スポット溶接をモデル化する梁要素やバネ要素等によりモデル化されてよい。
【００１６】
荷重条件設定段階(ステップ１２０)では、解析段階で用いられる拘束条件が設定される。例えば、ある部材のある部位に荷重が加わる場合を解析する場合には、当該荷重が当該部位のシェル要素のノードに負荷される荷重条件が設定される。また、衝突解析であれば、衝突速度が荷重条件に含められ、変形過程における要素間(接続部)の破断条件が上記の拘束条件として更に定義されてもよい。
【００１７】
初期歪設定段階（ステップ１３０）では、解析段階で用いられる有限要素モデルに対して、加工部における加工硬化の影響が反映されるように、初期歪が設定される。尚、この処理の詳細については後述する。
【００１８】
以上のステップ１００〜１３０が終了すると、有限要素モデルや各種解析条件を含む解析用モデルが出来上がり、解析のための前処理が終了した状態となる。
【００１９】
解析段階(ステップ１４０)では、上述の如く設定した解析条件の下、解析対象となる構造物の挙動が解析される。この解析では、解析目的に応じた解析アルゴリズムが適宜選択される。本実施例では、線形解析ではなく、解析対象となる構造物の塑性変形を伴う挙動について解析可能な非線形解析(非線形静的解析、動的構造解析・非線形構造過渡解析）が実行される。解析対象となる構造物の挙動とは、解析の目的に依存するが、例えば構造物全体の荷重―変形態様、各部位の荷重―変形態様、各部位の応力発生態様、各部位の破断の有無等を含む。解析結果は、所定のファイルに出力されるとともに、例えばディスプレイに表示され、色の異なる等高線等により応力の発生態様等が提示される。
【００２０】
次に、上述の初期歪設定段階（ステップ１３０）での処理の詳細について、図２以降を参照して説明していく。
【００２１】
図２は、モデル作成段階で生成される、ある一部品の有限要素モデルを示す斜視図である。図２に示す部品は、薄板により製造される板金部材であり、シェル要素によりモデル化されている。一般的に、車両のドアやフロア等のような板金部材は、平らな素板(原料)を所定形状に切り出し、プレス機等により曲げ加工や絞り加工等を施して成形される。図２には、丸Xにより、かかる加工部位の一部を代表的に示す。このような加工部位では、所望の曲げ形状等に成形されていることから、必然的に塑性変形が生じている。
【００２２】
図３（Ａ）は、塑性歪(初期歪)の無い要素の解析上での応力−歪特性を示す図である。要素は、設定された材料特性に従って、図３（Ａ）に示すような弾性域と塑性域における挙動を呈する。即ち、要素は、図３（Ａ）の点Ａ（弾性限）を越えてまで（弾性域内では）、傾き（弾性係数Ｅ）で歪の増加に対して応力が線形的に増加し、弾性限の点Ａを越えると（塑性域に移行すると）、歪の増加に対して応力が図３（Ａ）に示すように非線形的に増加する。
【００２３】
図３（Ｂ）は、加工硬化の発生過程の一例を示す図である。例えば加工時に材料が、弾性限Aを越えて、図３（Ｂ）の点Ｂのような塑性域に達すると、加工硬化が生じ、加工後、図３（Ｂ）の点Ｃに示すように、塑性歪εｗｈが生ずる。
【００２４】
図３（C）は、塑性歪εｗｈを有する要素の応力−歪特性を示す図である。要素に塑性歪εｗｈが与えられると、当該要素の弾性域（弾性限）が変化し、当該要素は、図３（Ｃ）に示すように、弾性限の点Ｂを越えてから、塑性域における非線形の挙動を示すことになる。
【００２５】
このように、加工部位における要素は、加工硬化の影響で、同一の荷重条件に対して他の部位(加工を受けていない部位)における要素とは異なる挙動を示す。従って、解析の精度を高めるためには、加工時に生ずる塑性歪の影響（加工硬化の影響）を適切に考慮する必要がある。
【００２６】
これに対して、成形加工を行う金型(プレス型)を同様に有限要素でモデル化して、有限要素法に基づく解析により成形加工時に生ずる塑性歪を算出し、当該塑性歪を、対応する各要素に予め付与することも考えられる。かかる方法によれば、加工部における要素に初期歪εｗｈが付与されるので、図３（Ｃ）に示したように、加工硬化の影響が反映された解析が可能である。しかしながら、かかる方法では、金型の有限要素モデルを作成し、金型による成形加工をシミュレートする荷重条件等を設定する必要があるので、作業工数が膨大となる。
【００２７】
そこで、本実施例では、以下で詳説するように、簡易的な手法で、加工時に生ずる塑性歪の影響（加工硬化の影響）を、解析に適切に反映させることを可能とする。
【００２８】
図４は、図２における丸Ｘの曲げ加工部における２つの要素を示す図である。このように、有限要素モデルでは、曲げ加工部は、曲げに応じた角度をなす2つの要素によりモデル化されている。
【００２９】
本実施例では、簡易的に、図５（Ａ）に示す加工前の平らな状態から図５（Ｂ）に示す加工後の曲げ状態に至る際には、隣接する要素間で角度θが加工により生じたと仮定して、加工により生じた塑性歪εｗｈを、パラメータθと共にパラメータＬ１，Ｌ２，ｔを用いて所定の計算式ｆ(関数ｆ)により算出する。即ち、εｗｈ＝ｆ（Ｌ１，Ｌ２，θ，ｔ）。
【００３０】
ここで、角度θは、隣接する要素が平面である場合にはそれらの法線ベクトルのなす角度の外角に相当する。尚、隣接する要素が平面で無い場合（例えば幾何的な歪がある場合）も考えられるので、この場合、角度θは、適宜近似して導出される。例えば3つの代表的なノードで形成される平面同士のなす角度として近似的に算出されてよいし、3つのノードの複数の組み合わせによる平均値であってもよい。パラメータＬ１，Ｌ２は、隣接する要素の各要素の長さであり、図５に示すように、角度θをなす方向成分の長さである。尚、実際には、要素は正確な矩形でない場合が多いので、そのような場合、パラメータＬ１，Ｌ２は、適宜近似して導出される。パラメータＬ１，Ｌ２は、各辺に沿った離散的な複数点同士で算出した距離の例えば平均値であってよい。パラメータｔは、要素の板厚であり、基本的には同一部材については何れの部位についても同一であり、例えば設計値が用いられてよい。
【００３１】
実際には、図６に示すように、規則的にメッシュ分割されている箇所では、各要素に対して、隣接する要素は4つ存在する。例えば要素Ｓ１に着目すると、要素Ｓ１に対しては、４つの要素Ｓ２−Ｓ５が隣接している。従って、この場合、要素Ｓ１に係る塑性歪εｗｈは、要素Ｓ１の長さＬ１１、Ｌ１２、要素Ｓ２の長さＬ２２、要素Ｓ３の長さＬ３２、要素Ｓ４の長さＬ４１、要素Ｓ５の長さＬ５１、要素Ｓ１と要素Ｓ２とのなす角度θ１２(図５（Ｂ）参照)、要素Ｓ１と要素Ｓ３とのなす角度θ１３(図示せず)、要素Ｓ１と要素Ｓ４とのなす角度θ１４(図示せず)、要素Ｓ１と要素Ｓ５とのなす角度θ１５(図示せず)、各要素の板厚ｔ(本例では全て同じ)からなるパラメータを用いて、算出される。即ち、要素Ｓ１に係る塑性歪εｗｈ＝ｆ（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２，Ｌ４１，Ｌ５１，θ１２，θ１３，θ１４，θ１５，ｔ）により算出される。尚、計算式ｆは、理論式等をベースに作成され、実験的に適合されるものであってよい。
【００３２】
或いは、隣接する要素を、８つとして考えてもよい。即ち、図６に示すように、例えば要素Ｓ１に着目すると、要素Ｓ１に対しては、８つの要素Ｓ２−Ｓ９が隣接している。従って、この場合、要素Ｓ１に係る塑性歪εｗｈは、これらの８つの要素Ｓ２−Ｓ９との関係で、同様に算出されることになる。尚、この場合、要素Ｓ１に対して対角位置で隣接する要素Ｓ６−Ｓ９との関係では、各要素Ｓの長さに関するパラメータＬは対角線の長さ（対角位置にあるノード間の長さ）が用いられてよい。
【００３３】
尚、塑性歪εｗｈは、有限要素モデルの全ての要素に対して網羅的に算出されてもよい。或いは、加工部周辺の要素に対してのみ算出されてもよい。
【００３４】
このようにして算出される各要素の塑性歪εｗｈは、上述の初期歪設定段階（ステップ１３０）にて、初期歪として当該要素に予め付与される。具体的には、各要素の初期歪(デフォルト値はゼロ)が、上述の如く算出される塑性歪εｗｈの値に置き換えられる。
【００３５】
この結果、上記解析段階(ステップ１４０)の初期状態(即ち、荷重が付与されて無い状態)で、各要素は、それぞれの塑性歪εｗｈを初期歪として既に有している状態となる。従って、各要素は、上記解析段階(ステップ１４０)において解析が実行されると、作用する荷重に応じて、図３（Ｃ）に示したように、それぞれ付与された初期歪εｗｈの値に応じた点Ｃから、弾性限の点Ｂ（点Ｂの位置は、初期歪εｗｈの値に応じて異なる。）を越えるまで、弾性係数Ｅに応じた傾きで弾性域における挙動を示し、弾性限の点Ｂを越えてから、塑性域における挙動を示すことになる。
【００３６】
このように、本実施例では、実質的に加工時に生ずる要素間の角度変化のみに着目した簡易な計算方法で塑性歪εｗｈ(初期歪)を算出するので、計算負荷や作業工数を増加させること無く、加工時に生ずる塑性歪の影響（加工硬化の影響）を適切に考慮することができる。特に本実施例では、着目する要素に対して、最大でも８つの隣接する要素のみを考慮して、塑性歪εｗｈ(初期歪)を算出するので、曲げ、絞り成形等の成形解析と連成させる手法（前処理として成形解析を行い、その結果を解析用のモデルに組み込む手法）と比べて、計算負荷を低減できると共に、作業工数を削減することができる。
【００３７】
尚、本実施例では、上述の如く、要素の材料特性自体を変化させるのではなく、算出した塑性歪εｗｈに応じた初期歪を設定することで、解析で用いる有限要素モデルに加工硬化の影響を反映させているが、算出した塑性歪εｗｈに応じて要素の材料特性自体を補正することで、同等の効果を得ることも可能である。しかしながら、前者の手法は、初期歪のデフォルト値を変更するだけでよく、各要素の材料特性自体を書き換える必要が無いため、作業工程が少なくて有効である。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３９】
例えば、上述の実施例では、各パラメータは、有限要素モデルの幾何的なデータに基づいて導出されているが、例えば角度θのようなパラメータは、当該有限要素モデルの作成元であるＣＡＤモデルのデータに基づいて導出されてもよい。また、長さＬについても、メッシュ作成時の平均的なメッシュサイズ(例えば自動メッシュ分割時のメッシュサイズ)に応じて簡易的に導出されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による解析方法に関連する処理の流れの概要を示すフローチャートである。
【図２】有限要素モデルの一例の概観を示す斜視図である。
【図３】加工硬化の影響による材料特性の変化を示す応力−歪特性図である。
【図４】図２における丸Ｘの曲げ加工部における２つの要素を示す図である。
【図５】本発明による加工部の角度変化に基づいて塑性歪εｗｈ(初期歪)を算出する方法の説明図である。
【図６】隣接する要素の説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ１〜Ｓ９    要素(シェル要素)
【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】
0004760374.tif 000007