(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出する第１の工程と、
成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいてコンピュータが成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する第２の工程とを有し、
最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが前記第１の工程から前記第２の工程に至る計算を４回以上繰り返して、前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を出力することを特徴とする部材の設計方法。
【請求項２】
コンピュータがプレス成形解析を行い、更に成形後応力分布を算出し、
前記状態量として更に前記成形後応力分布に基づいてコンピュータが成形品の性能解析を行うことを特徴とする請求項１に記載の部材の設計方法。
【請求項３】
前記性能解析では、前記状態量として更に衝撃荷重に基づいてコンピュータが成形品の衝突解析を行い、衝撃エネルギ吸収量及び変形モードを算出し、前記部材の性能を衝撃エネルギ吸収量とすることを特徴とする請求項１または２に記載の部材の設計方法。
【請求項４】
前記プレス成形条件として、更にパンチ頂部のパッド圧力を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部材の設計方法。
【請求項５】
前記部材形状がテーラードブランクであり、更にテーラードブランクの溶接線位置に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の部材の設計方法。
【請求項６】
前記衝突解析条件として、更に部材の接合条件に基づいてコンピュータが衝突解析を行うことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の部材の設計方法。
【請求項７】
前記最適プレス成形条件を出力する代わりに、部材の最適接合条件を出力することを特徴とする請求項６に記載の部材の設計方法。
【請求項８】
前記性能解析では、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、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてコンピュータがスプリングバック解析を行い、部材の残留応力分布を算出し、また、弾性解析条件として、前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、また、疲労解析条件として、前記成形後歪み分布、前記残留応力分布、前記弾性変形後応力分布及び前記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、前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１または２に記載の部材の設計方法。
【請求項９】
前記性能解析では、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてコンピュータがスプリングバック解析を行い、成形品の変位分布を算出した後、コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げ、部材の残留応力分布を算出し、また、弾性解析条件として、前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、また、疲労解析条件として、前記成形後歪み分布、前記残留応力分布、前記弾性変形後応力分布及び前記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、前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１または２に記載の部材の設計方法。
【請求項１０】
プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚をコンピュータに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又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するプレス成形解析手段と、
成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいてコンピュータが成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する性能解析手段と、
最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、前記プレス成形条件入力手段から前記性能解析手段に至る計算を４回以上自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、
前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を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部材の設計装置。
【請求項１１】
前記プレス成形解析手段が、更に成形後応力分布を算出し、
前記性能解析手段が、前記状態量として更に成形後応力分布に基づいて成形品の性能解析を行うことを特徴とする請求項１０に記載の部材の設計装置。
【請求項１２】
前記性能解析手段が、前記状態量として更に衝撃荷重に基づいて成形品の衝突解析を行い、衝撃エネルギ吸収量及び変形モードを算出し、前記部材の性能を衝撃エネルギ吸収量とすることを特徴とする請求項１０または１１に記載の部材の設計装置。
【請求項１３】
前記プレス成形条件として、更にパンチ頂部のパッド圧力を含み、前記プレス成形条件入力手段に入力された成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−ひずみ関係、板厚、及びパンチ頂部のパッド圧力に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布及びひずみ分布を算出するプレス成形解析手段を有することを特徴とする請求項１２に記載の部材の設計装置。
【請求項１４】
前記部材形状がテーラードブランクであり、前記プレス成形条件入力手段には更にテーラードブランクの溶接線位置が入力され、前記プレス成形条件入力手段に入力された成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−ひずみ関係、板厚、及びテーラードブランクの溶接線位置に基づいてプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布及びひずみ分布を算出するプレス成形解析手段を有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の部材の設計装置。
【請求項１５】
前記性能解析手段は、前記状態量として更に部材の接合条件に基づいて衝突解析を行う衝突解析手段を有することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の部材の設計装置。
【請求項１６】
前記最適プレス成形条件を出力する最適成形条件出力手段の代わりに、部材の最適接合条件を出力する最適接合条件出力手段を有することを特徴とする請求項１５に記載の部材の設計装置。
【請求項１７】
前記性能解析手段が、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、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてスプリングバック解析を行い、部材の残留応力分布を算出するスプリングバック解析手段と、
弾性解析条件として、前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、前記プレス成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記スプリングバック解析手段により算出した部材の前記残留応力分布、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を有し、
前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１０または１１に記載の部材の設計装置。
【請求項１８】
前記性能解析手段が、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてスプリングバック解析を行い、成形品の変位分布を算出するスプリングバック解析手段と、
コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げ、部材の残留応力分布を算出し、また、弾性解析条件として、前記プレス成形解析手段により算出した前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、前記プレス成形解析手段により算出した前記成形後歪み分布、前記スプリングバック解析手段により算出した部材の前記残留応力分布、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前記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を有し、
前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１０または１１に記載の部材の設計装置。
【請求項１９】
プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出し、成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいて成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する処理を、最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、４回以上繰り返し計算を行い、前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を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２０】
前記プレス成形解析を行い、更に成形後応力分布を算出し、前記状態量として更に前記成形後応力分布に基づいて成形品の性能解析を行うことを特徴とする請求項１９に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２１】
前記性能解析では、前記状態量として更に衝撃荷重に基づいてコンピュータが成形品の衝突解析を行い、衝撃エネルギ吸収量及び変形モードを算出し、前記部材の性能を衝撃エネルギ吸収量とすることを特徴とする請求項１９または２０に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２２】
前記プレス成形条件として、更にパンチ頂部のパッド圧力を含むことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２３】
前記部材形状がテーラードブランクであり、更にテーラードブランクの溶接線位置に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行うことを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１項に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２４】
前記衝突解析条件として、更に部材の接合条件に基づいてコンピュータが衝突解析を行うことを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２５】
前記最適プレス成形条件を出力する代わりに、部材の最適接合条件を出力することを特徴とする請求項２４に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２６】
前記性能解析では、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、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてコンピュータがスプリングバック解析を行い、部材の残留応力分布を算出し、また、弾性解析条件として、前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、また、疲労解析条件として、前記成形後歪み分布、前記残留応力分布、前記弾性変形後応力分布及び前記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、前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１９または２０に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２７】
前記性能解析では、前記板厚分布、前記成形後応力分布、及び前記部材形状に基づいてコンピュータがスプリングバック解析を行い、成形品の変位分布を算出した後、コンピュータ上で前記成形品を元に部材を組み上げ、部材の残留応力分布を算出し、また、弾性解析条件として、前記板厚分布、前記部材形状、及び静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、また、疲労解析条件として、前記成形後歪み分布、前記残留応力分布、前記弾性変形後応力分布及び前記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、前記部材の性能を疲労寿命とすることを特徴とする請求項１９または２０に記載のコンピュータプログラム。
【請求項２８】
請求項１９〜２７のいずれか１項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、衝突エネルギ吸収量や疲労寿命といった性能の優れた部材を設計するための設計方法及び装置、コンピュータプログラム、並びに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。【０００３】
例えば衝突エネルギ吸収量について、自動車衝突時に発生する衝撃エネルギを吸収するため、フロントサイドメンバ等の部材では、衝突時に部材の長軸方向に規則的な座屈を発生させ、この座屈による塑性変形によって衝撃エネルギを吸収して乗員の保護を図っている。【０００４】
従来の衝撃エネルギ吸収部材の設計では、初期形状を定めた後、有限要素法等の方法によって衝突解析を実施し衝撃エネルギの吸収量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。【０００５】
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。【０００６】
従来、図２５に示すプレス成形から衝突解析に至る連成解析という手法が公知であり、特許文献１にプレス部品の最終部品形状データを基に、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基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。図２５において、２５０１は加工前の材料、２５０２は成形解析の結果、２５０３は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、２５０４は衝突解析の結果を表わす。【０００７】
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。【０００８】
鋼材等金属を材料とする場合、部材製作時の塑性加工によって板厚の変化や、塑性歪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部材が衝撃を受けた際の座屈変形モードや衝撃エネルギの吸収量が変化することが知られている。【０００９】
現状、有限要素法等の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・実験では所望の座屈変形モードや衝撃エネルギの吸収量を得られない。【００１０】
また、部材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、最終的に座屈変形モードや衝撃エネルギの吸収量がばらついてしまう。【００１１】
さらに、テーラードブランク材を用いた際の突合せ溶接線位置、複数部材を接合する際の接合条件によっても座屈変形モードや衝撃エネルギの吸収量が異なってくる。【００１２】
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か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。【００１３】
この分野では、従来から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おり、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。【００１４】
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。【００１５】
鋼材等金属を材料とする場合、部材成形時の塑性加工によって板厚の変化や、塑性歪みが発生すると共に、部材組み立て時には部材成形後のスプリングバックが主因となる残留応力が発生し、それらの板厚変化や塑性歪み、残留応力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。また、部材組み付け時の残留応力の計算方法や、塑性歪みによる疲労強度変化の定量化手法が明確になっておらず、目標とする疲労寿命を満足する成形加工方法を得るための部材疲労設計最適化アルゴリズムの構築が困難であった。従来の方法ではそれらの成形、組み立て時の影響が考慮されておらず、また、最適化アルゴリズムも適用されていないため、正確かつ迅速に部材の疲労設計ができないのが実情である。【００１６】
特許文献２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。【００１７】
しかしながら、特許文献２に開示された方法では、組み立て後の各部位に生ずる残留応力、部材成形時に付与される塑性歪み、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、正確かつ迅速に疲労寿命予測ができない問題がある。【００１８】
特許文献３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。【００１９】
特許文献４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。【００２０】
しかしながら、特許文献３及び４に開示された方法では、組み立て後の各部位に生ずる残留応力、部材成形時に付与される塑性歪み、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、正確かつ迅速に部材の疲労設計ができない問題がある。【００２１】
【特許文献１】特開２００４−５０２５３号公報
【特許文献２】特開２００１−１１６６６４号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９０９１号公報
【特許文献４】特開２００３−１４９１３０号公報
【発明の開示】
【００２２】
以上述べたように、鋼材等金属を材料とする場合、部材製作時の塑性加工によって板厚の変化や、塑性歪みによる加工硬化が発生するが、現状、有限要素法等の性能解析時に板厚変化や加工硬化が考慮されていない。
【００２３】
本発明は、部材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所望の性能を得るためにプレス成形条件を含めた最適な部材設計を可能とすることを目的とする。
より具体的には、部材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所望の衝突性能を得るためにプレス成形条件を含めた最適な部材設計を可能とすることを目的とする。
また、部材成形時に発生する板厚の変化や塑性歪み、及び部材成形後のスプリングバックが主因となって組み立て後に発生する残留応力を考慮すると共に、所望の疲労寿命を満足するために成形加工条件を含めた最適な部材設計を可能とすることを目的とする。
【００２４】
上記目的を達成すべく、本発明による部材の設計方法は、プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出する第１の工程と、成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいてコンピュータが成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する第２の工程とを有し、最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが前記第１の工程から前記第２の工程に至る計算を４回以上繰り返して、前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を出力する点に特徴を有する。
また、本発明による部材の設計装置は、プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、及び板厚をコンピュータに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又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出するプレス成形解析手段と、成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいてコンピュータが成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する性能解析手段と、最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、前記プレス成形条件入力手段から前記性能解析手段に至る計算を４回以上自動的に実行する繰り返し計算制御手段と、前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を出力する最適プレス成形条件出力手段とを有する点に特徴を有する。
また、本発明によるコンピュータプログラムは、プレス成形条件として、加工前の材料形状、工具形状、パンチ移動量の１種又は２種以上及び、成形品形状又は部材形状、しわ押え荷重、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プレス成形解析を行い、プレス成形後の中間製品である成形品の板厚分布及び成形後歪み分布を算出し、成形品の状態量として前記板厚分布、前記成形後歪み分布、及び前記成形品形状又は部材形状に基づいて成形品の性能解析を行い、成形品を組み上げた最終製品である部材の性能を算出する処理を、最適化計算により、前記プレス成形条件のうちパンチ移動量、しわ押え荷重及び摩擦係数の少なくとも１種以上を変えて、４回以上繰り返し計算を行い、前記性能の最大値又は目標値を与える最適プレス成形条件を出力する処理をコンピュータに実行させる点に特徴を有する。
また、本発明によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明によるコンピュータプログラムを記録した点に特徴を有する。
【００２５】
ここで、本発明で「成形品」とはプレス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。
【００２６】
本発明によれば、部材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、所望の性能を得るためにプレス成形条件を含めた最適な部材設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、第１の実施形態における部材設計の流れを説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、成形部材の外観を示す図である。
【図３】図３は、材料の降伏強さ・応力−歪み関係を示す特性図である。
【図４】図４は、成形解析例の板厚分布を示す図である。
【図５】図５は、成形解析例の歪み分布を示す図である。
【図６】図６は、しわ押え荷重とパネル強度の関係を示す特性図である。
【図７】図７は、第２の実施形態における部材設計の流れを説明するフローチャートである。
【図８】図８は、成形解析例の板厚分布を示す図である。
【図９】図９は、成形解析例の歪み分布を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、衝突解析例を示す図であり、良い座屈変形モードを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、衝突解析例を示す図であり、悪い座屈変形モードを示す図である。
【図１１】図１１は、成形条件と衝撃エネルギ吸収量の関係を示す特性図である。
【図１２】図１２は、成形条件と衝突エネルギ吸収量の関係を示す特性図である。
【図１３】図１３は、テーラードブランク材の成形後形状を示す図である。
【図１４】図１４は、テーラードブランク溶接線位置と衝撃エネルギ吸収量の関係を示す特性図である。
【図１５】図１５は、スポット溶接位置を示す図である。
【図１６】図１６は、接合条件と衝突エネルギ吸収量の関係を示す特性図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、引張り強さ２７０ＭＰａ級鋼板における材料の降伏強さ・応力−歪み関係を示す特性図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、引張り強さ５９０ＭＰａ級鋼板における材料の降伏強さ・応力−歪み関係を示す特性図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、引張り強さ９８０ＭＰａ級鋼板における材料の降伏強さ・応力−歪み関係を示す特性図である。
【図１８】図１８は、第３の実施形態における部材設計の流れを説明するフローチャートである。
【図１９】図１９は、プレス成形品からなる部材の例を示す図である。
【図２０】図２０は、残留応力分布を求める計算手順の例を示す図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、成形品を部材に組み上げた後、スプリングバック解析を行い、残留応力分布を求める例を示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、成形品のスプリングバック解析を行った後、部材に組み上げることにより、残留応力分布を求める例を示す図である。
【図２２】図２２は、予歪みに対するＳＮ線図の例を示す特性図である。
【図２３】図２３は、ハット型断面部材の疲労強度試験の概略を示す図である。
【図２４】図２４は、設計装置として機能するコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。
【図２５】図２５は、従来の成形・衝突の連成解析例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
＜第１の実施形態＞
１．設計対象
本発明例として、パネル状部材の最適成形条件を設計する。図１は第１の実施形態における部材の設計方法の流れを示すフローチャートである。図２に成形部材の外観を示す。パネル状部材は、プレスによって成形する。部材は中央付近に局所的な力（以下、「荷重」と表記）が加わり除荷後にくぼみが残る。一定量のくぼみが発生する荷重、すなわち部材の性能としてのパネル強度が最大となるようプレス成形条件（しわ押え荷重＝ＢＨＦ）を最適化する。【００２９】
パネル状部材の寸法は、１辺が６２０ｍｍ、フランジ幅が７０ｍｍ、板厚が０．７ｍｍである。材料は、引張強さ３７０ＭＰａ級の鋼板である。【００３０】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量を１００ｍｍ、初期のしわ押え荷重（ＢＨＦ）を４００ｋＮ、摩擦係数を０．１２とし、材料の降伏強さ・応力−歪み関係は図３に示すとおりとした。【００３１】
２．成形解析
上記のプレス成形条件を入力して、有限要素解析プログラムPAM-STAMPを用いてプレス成形解析を行った。成形品の板厚分布を図４に、成形後の歪み分布を図５に示す。【００３２】
３．データ変換
図２に示す参照位置２１の成形解析による板厚及び歪みの解析結果（例えばしわ押え荷重ＢＨＦ＝２００ｋＮの場合、板厚＝０．６１３ｍｍ、歪み＝０．０７５５７）を表計算ソフトに取り込み、図３の応力−歪み関係により歪み（０．０７５５７）を応力（３７５．５ＭＰａ）に変換し、強度解析条件（状態量）として入力した。【００３３】
４．強度解析
強度解析方法として、参照位置２１において荷重をかけた場合、一定量のくぼみを生じる荷重（パネル強度）を算出するＰｄ＝Ｋ×ｔｍ×σ（日刊工業新聞社：プレス成形難易ハンドブック）なる式を用いた。Ｋはパネル形状から決まる定数、ｔは板厚、ｍは乗数、σは成形解析による歪みを用いて図３により算出される応力を示す。ここではＫ＝１．０、ｍ＝２とし、表計算ソフトにより強度解析を行った。例えばしわ押え荷重ＢＨＦ＝２００ｋＮの場合、Ｐｄ＝１．０×０．６１３＾２×３７５．５＝１４１．２となる。【００３４】
５．強度性能評価・プレス成形条件変更
パネル強度が最大となるよう前記プレス成形条件のうちしわ押え荷重（ＢＨＦ）を２００〜８００ｋＮの範囲で変更し、図１の工程１〜７までをコンピュータが４回繰り返し計算を行い、パネル強度の最大値を与える最適プレス成形条件を探索した。【００３５】
６．結果
図６に結果を示す。グラフは横軸がしわ押え荷重（ＢＨＦ）、縦軸がパネル強度（Ｐｄ）である。この結果より、パネル強度が最大となる成形条件は、しわ押え荷重ＢＨＦ＝７００〜８００ｋＮのときで、パネル強度は１４８程度である。【００３６】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、自動車のフロントサイドメンバ等の部材であって、自動車衝突時に発生する衝撃エネルギを吸収するための部材の設計について説明する。【００３７】
図７は第２の実施形態における部材設計の流れを説明するフローチャートである。まず、プレス成形条件として部材形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、パッド圧力、摩擦係数、材料の引張り強さ、降伏強さ、応力−歪み関係、板厚、テーラードブランクの溶接位置の各条件７１を設定し、これを入力データとしてコンピュータが成形解析プログラムにより成形解析を行う（７２）。【００３８】
なお、本発明においては、パッド圧力及びテーラードブランクの溶接位置は必要に応じて入力する項目である。テーラードブランクとは、長手方向に板厚、引張強さ、降伏強さの少なくともいずれかの異なる金属板を溶接した材料をいう。パッド圧力を入力することにより、割れ・しわ等の成形時の不具合回避、適正な加工硬化（歪み）付与という効果を期待できる。また、テーラードブランクの溶接位置を入力することにより、同一部材で、異なる板厚や材料を配置して後述の衝突時の性能向上を図るという効果を期待できる。【００３９】
次に、プレス成形条件７１に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行い（７２）、コンピュータが変換プログラムにより成形解析の出力データ（板厚分布、歪み分布、応力分布）７３を衝突解析の入力データ７５に変換する（７４）。【００４０】
なお、本発明においては、成形品の応力分布は必要に応じて成形解析の結果、出力する項目である。成形品の応力分布を出力し、これに基づいて以下の衝突解析をすることにより、衝突時の変形や破壊現象を実現象に忠実に再現し高精度な設計を行えるという効果を期待できる。【００４１】
次に、衝突解析条件７５として成形品の前記板厚分布、歪み分布、応力分布、部材形状、部材の接合条件及び衝撃荷重に基づいてコンピュータが衝突解析プログラムにより衝突解析を実施し（７６）、衝突解析の出力データ（衝撃エネルギの吸収量・座屈変形モード）７７を出力し、評価する（７８）。【００４２】
なお、本発明においては、衝突解析条件の中で、成形品の応力分布は、前記のように必要に応じて入力する項目である。また、部材の接合条件も必要に応じて衝突解析条件に入力する項目である。接合条件とは、具体的には、溶接方法、入熱、予熱温度、スポット溶接の溶接数、ナゲット径、溶接位置等の１種又は２種以上をいう。部材の接合条件を衝突解析条件に入力することにより、衝突時の座屈変形モードを所望の形態とし、衝撃エネルギ吸収量を最大化するという効果を期待できる。【００４３】
衝突解析では、衝撃エネルギ吸収量及び変形モードを計算する。変形モードとは部材が衝撃を受けて変形する際の変形形態をいう。具体的には、提灯状に畳み込まれるような変形モードや、部材途中で折れ曲がるような変形モードが発生する。【００４４】
そして、衝突性能が所望の値となっていない場合、又は工程７１〜７７までが所定回数に満たない場合、プレス成形条件７１のうち少なくとも１種以上又は衝突解析条件７５のうち部材の接合条件を変更してコンピュータが再度工程７１〜７７までを、所定回数繰り返し計算を行う。工程７１〜７７を繰り返して衝突性能が所望の値になった時点で処理を終了する。所定回数とは、衝撃エネルギ吸収量の極大点探索のためには、１０回以上実行することが好ましい。一方、一連の解析時間を節約するためには、１００回以下とすることが好ましい。【００４５】
これにより、衝撃エネルギ吸収量の最大値又は安定領域を与える最適な設計結果７９を得ることができる。【００４６】
なお、成形解析・衝突解析は、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→衝突解析のデータ変換、衝突性能評価及び形状・加工条件変更も市販又は自製のプログラムで行う。【００４７】
以上述べたように、部材製作時の板厚変化や加工硬化の影響を考慮しつつ、自動車衝突時の座屈変形モードや衝撃エネルギ吸収量を所望の値とし、かつ部材製作時の加工条件のばらつきがあった場合でも衝突性能が大きく変動しない設計点（部品形状、プレス成形条件等）を探索して最適な部材を設計することが可能となる。【００４８】
（実施例１）
１．設計対象
第２の実施形態の実施例１として、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。図１３に成形部材の外観を示す。ハット型断面部材は、プレスによって成形する。部材は長軸方向に衝撃荷重を受けて軸圧潰するものとし、このときの衝撃エネルギ吸収量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。【００４９】
ハット型断面部材の寸法は、長さが３００ｍｍ、断面幅が５０ｍｍ、断面高さが５０ｍｍ、フランジ幅が２０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。当て板の寸法は、長さが３００ｍｍ、幅が９０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。材料は、ハット型断面部材及び当て板ともに５９０ＭＰａ級の高張力鋼板である。【００５０】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量を５０ｍｍ、初期のしわ押え荷重（ＢＨＦ）を４０ｋＮ、摩擦係数を０．１５とし、材料の降伏強さ・応力−歪み関係は図１７Ｂに示すとおりとした。【００５１】
２．成形解析
上記の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を用いてプレス成形解析を行い、図８に示す成形品の板厚分布及び図９に示す歪み分布を算出した。【００５２】
３．データ変換
成形解析による板厚変化・歪み分布の解析結果から衝突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、衝突解析条件として成形品の前記板厚分布、歪み分布及び部材形状を入力した。【００５３】
４．衝突解析
衝突解析条件として、更に質量５５３．６ｋｇの剛体を６．２６ｍ／ｓｅｃの速度で衝突させた場合と同等の衝撃荷重を入力して、市販の有限要素解析プログラムPAM-CRASHを使用して衝突解析を行った。後述のプレス成形条件を変えたときも含めて、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、衝撃エネルギ吸収量及び変形モードを算出した。図１０Ａは規則的な座屈変形１０１が軸方向に繰り返される良い座屈変形モードを示し、図１０Ｂは不規則な座屈変形１０２が発生する悪い座屈変形モードを示す。【００５４】
５．衝突性能評価・加工条件変更
市販の最適化ツールiSIGHTを使用した。衝撃エネルギ吸収量が最大かつ安定となるよう、前記プレス成形条件のうちしわ押え荷重（ＢＨＦ）を１〜３５０ｋＮの範囲で変更し、図７の工程７１〜７７までをコンピュータが７０回繰り返し計算を行い、前記衝撃エネルギ吸収量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。【００５５】
６．結果
図１１に結果を示す。グラフは横軸がしわ押え荷重（ＢＨＦ）、縦軸が衝撃エネルギ吸収量である。この結果より、衝撃エネルギ吸収量が最大となる点１１１は、しわ押え荷重ＢＨＦ＝２９８ｋＮのときで、衝撃エネルギ吸収量は８０４４Ｊである。しかし、この条件では、しわ押え荷重ＢＨＦがばらついた場合、衝撃エネルギ吸収量が急激に変化してしまうため、精度の高いプレス制御が難しい場合は、最適設計点として採用は難しい。【００５６】
このときには、衝撃エネルギ吸収量が高位安定となる範囲１１２として、しわ押え荷重ＢＨＦ＝２００〜２５０ｋＮ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ことがわかった。【００５７】
また、実施例１と同様の条件で、更にプレス成形解析を行う際に、成形品の応力分布も算出し（応力分布の図は省略する）、この応力分布も含めて衝突解析を実行し、しわ押え荷重を変えて上記の繰り返し計算を２５回実行したところ、しわ押え荷重ＢＨＦ＝２２０〜２６０ｋＮ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ことがわかった。【００５８】
（実施例２）
１．設計対象
第２の実施形態の実施例２として、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。部材は長軸方向に衝撃荷重を受けて軸圧潰するものとし、このときの衝撃エネルギ吸収量が最大となるようプレス加工条件（パッド圧力）を最適化する。【００５９】
ハット型断面部材の寸法は、長さが３００ｍｍ、断面幅が５０ｍｍ、断面高さが５０ｍｍ、フランジ幅が２０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。当て板の寸法は、長さが３００ｍｍ、幅が９０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。材料は、ハット型断面部材及び当て板ともに５９０ＭＰａ級の高張力鋼板である。【００６０】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量を５０ｍｍ、しわ押え荷重（ＢＨＦ）を２００ｋＮ、初期のパッド圧力を１ｋＮ、摩擦係数を０．１５とし、材料の降伏強さ・応力−歪み関係は図１７Ｂに示すとおりとした。【００６１】
２．成形解析
上記の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PAM-STAMPを用いたプレス成形解析を行い、図８と同様の成形品の板厚分布及び図９と同様の歪み分布を算出した（図面は省略する）。【００６２】
３．データ変換
成形解析による板厚変化・歪み分布の解析結果から衝突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、衝突解析条件として成形品の前記板厚分布、歪み分布及び部材形状を入力した。【００６３】
４．衝突解析
衝突解析条件として、更に質量５５３．６ｋｇの剛体を６．２６ｍ／ｓｅｃの速度で衝突させた場合と同等の衝撃荷重を入力して、市販の有限要素解析プログラムPAM-CRASHを使用して衝突解析を行った。後述のパッド圧条件を変えたときも含めて、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した図と同様な結果を得た（図は省略する）。パッド圧が１８ｋＮ以上のときには、部材が折れるような座屈変形モードを示した。【００６４】
５．衝突性能評価・加工条件変更
市販の最適化ツールiSIGHTを使用した。衝撃エネルギ吸収量が最大かつ安定となるよう、前記プレス成形条件のうちパッド圧力を１〜２５ｋＮの範囲で変更し、図１の工程７１〜７７までをコンピュータが１３回繰り返し計算を行い、前記衝撃エネルギ吸収量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。【００６５】
６．結果
図１２に結果を示す。グラフは横軸がパッド圧力、縦軸が衝撃エネルギ吸収量である。この結果より、衝撃エネルギ吸収量が最大となる点１２０１は、パッド圧力＝１６ｋＮのときで、衝撃エネルギ吸収量は８３００Ｊである。【００６６】
（実施例３）
１．設計対象
第２の実施形態の実施例３として、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、テーラードブランク材をプレスによって成形する。部材は長軸方向に衝撃荷重を受けて軸圧潰するものとし、このときの衝撃エネルギ吸収量が最大となるようプレス加工条件（テーラードブランクの溶接位置）を最適化する。【００６７】
ハット型断面部材の寸法は、長さが３００ｍｍ、断面幅が５０ｍｍ、断面高さが５０ｍｍ、フランジ幅が２０ｍｍ、板厚が１．２ｍｍである。当て板の寸法は、長さが３００ｍｍ、幅が９０ｍｍ、板厚が１．２ｍｍである。材料は、ハット型断面部材は上から２７０ＭＰａ級、９８０ＭＰａ級、５９０ＭＰａ級、当て板は５９０ＭＰａ級の鋼板である。図１３にハット型断面部材の外観を示す。【００６８】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量を５０ｍｍ、しわ押え荷重（ＢＨＦ）を１０ｋＮ、摩擦係数を０．１５とした。材料の降伏強さ・応力−歪み関係については、２７０ＭＰａ級は図１７Ａ、５９０ＭＰａ級は図１７Ｂ、９８０ＭＰａ級は図１７Ｃに示すとおりとした。【００６９】
２．成形解析
上記の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を用いてプレス成形解析を行い、図８と同様の成形品の板厚分布及び図９と同様の歪み分布を算出した（図は省略する）。【００７０】
３．データ変換
成形解析による板厚変化・歪み分布の解析結果から衝突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、衝突解析条件として成形品の前記板厚分布、歪み分布及び部材形状を入力した。【００７１】
４．衝突解析
衝突解析条件として、更に質量５００ｋｇの剛体を６ｍ／ｓｅｃの速度で衝突させた場合と同等の衝撃荷重を入力して、市販の有限要素解析プログラムPAM-CRASHを使用して衝突解析を行った。後述のテーラードブランクの溶接線位置を変えたときも含めて、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した図と同様な結果を得た（図は省略する）。テーラードブランクの溶接線位置がａ＞１６０ｍｍのときには、５９０ＭＰａ級のｃ領域が上手く折り畳まれない座屈変形モードを示した。【００７２】
５．衝突性能評価・加工条件変更
市販の最適化ツールiSIGHTを使用した。衝撃エネルギ吸収量が最大かつ安定となるよう、前記プレス成形条件のうち図１３に示すテーラードブランク溶接線位置１３０４を上部長さ１３０１がａ＝１３０〜１７０ｍｍの範囲で変更し、図１の工程７１〜７７までをコンピュータが５０回繰り返し計算を行い、前記衝撃エネルギ吸収量の最大値を与える最適プレス成形条件を探索した。なお、中央部長さ１３０２はｂ＝１００ｍｍで固定とし、下部長さ１３０３はｃ＝（３００−ａ−ｂ）ｍｍとした。【００７３】
６．結果
図１４に結果を示す。グラフは横軸がテーラードブランク溶接線位置、縦軸が衝撃エネルギ吸収量である。この結果より、衝撃エネルギ吸収量が最大となる点１４０１は、テーラードブランク溶接線位置ａ＝１４８ｍｍのときで、衝撃エネルギ吸収量は６９００Ｊである。【００７４】
（実施例４）
１．設計対象
第２の実施形態の実施例４として、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、鋼板をプレスによって成形する。部材は長軸方向に衝撃荷重を受けて軸圧潰するものとし、このときの衝撃エネルギ吸収量が最大となるよう部材の接合条件を最適化する。具体的には、ハット型断面部材のフランジと当て板のスポット溶接について、その溶接数及びナゲット径を最適化する。【００７５】
ハット型断面部材の寸法は、長さが３００ｍｍ、断面幅が５０ｍｍ、断面高さが５０ｍｍ、フランジ幅が２０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。当て板の寸法は、長さが３００ｍｍ、幅が９０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。材料は、５９０ＭＰａ級の高張力鋼板である。【００７６】
その他のプレス成形条件として、パンチ移動量を５０ｍｍ、しわ押え荷重（ＢＨＦ）を３４ｋＮ、摩擦係数を０．１５とした。材料の降伏強さ・応力−歪み関係は、図１７Ｂに示すとおりとした。【００７７】
２．成形解析
上記の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を用いてプレス成形解析を行い、図８と同様の成形品の板厚分布及び図９と同様の歪み分布を算出した（図は省略する）。【００７８】
３．データ変換
成形解析による板厚変化・歪み分布の解析結果から衝突解析への入力データの変換はFOTRANプログラムを自製・使用して、衝突解析条件として成形品の前記板厚分布、歪み分布及び部材形状を入力した。【００７９】
４．衝突解析
衝突解析条件として、更に質量５５３．６ｋｇの剛体を６．２６ｍ／ｓｅｃの速度で衝突させた場合と同等の衝撃荷重を入力して、市販の有限要素解析プログラムPAM-CRASHを使用して衝突解析を行った。後述のスポット溶接の溶接数及びナゲット径を変えたときも含めて、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した図と同様な結果を得た（図は省略する）。スポット溶接の溶接数が７個かつナゲット径が７ｍｍのときには、提灯状に折り畳まれるような座屈変形モードを示し、それ以外の溶接数・ナゲット径のときには、部材途中で折れ曲がるような座屈変形モードを示した。【００８０】
５．衝突性能評価・加工条件変更
市販の最適化ツールiSIGHTを使用した。衝撃エネルギ吸収量が最大かつ安定となるよう、前記部材接合条件のうちスポット溶接数を図１５に示すように片側３〜１０個の範囲で変更し、また、スポット溶接のナゲット径を３〜１０ｍｍの範囲で変更し、図１の工程７１〜７７までをコンピュータが１６回繰り返し計算を行い、前記衝撃エネルギ吸収量の最大値を与える最適プレス成形条件又は最適接合条件を探索した。【００８１】
６．結果
図１６に結果を示す。グラフは横軸１６０１がスポット溶接数、横軸１６０２がナゲット径、縦軸１６０３が衝撃エネルギ吸収量である。この結果より、衝撃エネルギ吸収量が最大となる点１６０４は、スポット溶接数９個、ナゲット径１０ｍｍのときで、衝撃エネルギ吸収量は７２３７Ｊである。また、スポット溶接数７個、ナゲット径７ｍｍのときに衝撃エネルギ吸収量７１２５Ｊの極大点１６０５があり、スポット溶接のコストを考慮するとこちらが最適設計点の候補として挙げることができる。【００８２】
また、上記の最適接合条件を与えた際に、プレス成形条件としてしわ押え荷重を変化させて上記の繰り返し計算を１３回実行した場合、しわ押え荷重ＢＨＦ＝２００〜２５０ｋＮの範囲のとき、衝撃エネルギ吸収量が高位安定となり、この中間点を最適設計点として採用すればよいことがわかった。【００８３】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態では、車両、特に自動車その他の産業用車両、農業用車両等に用いられる部品、部材、構造体を、車両走行時に発生する繰返し負荷に対して疲労寿命を予測し、疲労寿命の最大値又は目標疲労寿命を与える最適なプレス成形条件の設計について説明する。【００８４】
図１８のフローチャートを参照して、第３の実施形態における部材設計の流れを説明する。まず、プレス成形条件として加工前の材料形状、成形品形状、工具形状、パンチ移動量、しわ押え荷重、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１８０１を設定し、これを入力データとしてコンピュータがプレス成形解析プログラムによりプレス成形解析を行う（１８０２）。【００８５】
上記プレス成形条件の入力データ１８０１に基づいてコンピュータがプレス成形解析を行い（１８０２）、プレス成形解析の出力データ１８０３として成形品の板厚分布、成形後応力分布、成形後歪み分布を出力する。【００８６】
次に、プレス成形解析の出力データ１８０３中の板厚分布、成形後応力分布、及び部材形状をスプリングバック解析条件の入力データ１８０４として設定し、その入力データ１８０４に基づいてコンピュータがスプリングバック解析プログラムによりスプリングバック解析を実施し（１８０６）、スプリングバック解析の出力データ１８０８として部材の残留応力分布を出力する。【００８７】
また、並行して、プレス成形解析の出力データ１８０３中の板厚分布、部材形状、及び静荷重を弾性解析条件入力データ１８０５として設定し、その入力データ１８０５に基づいてコンピュータが弾性解析プログラムにより部材の弾性解析を実施し（１８０７）、弾性解析の出力データ１８０９として部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布を出力する。【００８８】
次に、プレス成形解析の出力データ１８０３中の成形後歪み分布、スプリングバック解析の出力データ１８０８の残留応力分布、弾性解析の出力データ１８０９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の条件入力データ１８１０として設定し、その入力データ１８１０に基づいてコンピュータが疲労解析プログラムにより疲労解析を実施し（１８１１）、疲労解析の出力データ１８１２として部材の疲労寿命を出力し、その疲労寿命が目標寿命を満足するか、或いは最大値であるか否かを評価する（１８１３）。【００８９】
部材の疲労寿命が所望の値になっていない場合、プレス成形条件の入力データ１８０１の少なくとも１種以上を変えて、コンピュータが再度工程１８０１〜１８１２までを所定回数繰返し計算する。【００９０】
そして、工程１８０１〜１８１２を繰り返して部材の疲労寿命が所望の値に達した時点で処理を終了する。【００９１】
これにより、疲労寿命の最大値もしくは目標寿命を与える最適なプレス成形条件１８１４を得ることができる。【００９２】
なお、プレス成形解析、スプリングバック解析、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。プレス成形解析やスプリングバック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り、弾性解析には、NASTRAN、MARC、ABAQUS等の有限要素法を用いた市販のソルバーがある。疲労寿命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。また、プレス成形解析結果やスプリングバック解析結果から疲労寿命解析へのデータの受け渡し、解析条件の変更も市販又は自製のプログラムで行う。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１８に示す繰返し計算を自動化できる。【００９３】
入力データ１８０４、１８０５、１８１０は、都度外部の入力手段から入力してもよいし、プログラムの中で自動的にデータを取り込んでもよい。【００９４】
図１９には、２つのプレス成形品１９０１、１９０２をスポット溶接１９０３により組み上げた部材の例を示す。また、図２０には、成形品のプレス成形解析、部材のスプリングバック解析を行い、部材の残留応力分布を求める計算手順（図１８の１８０１、１８０２、１８０３、１８０４、１８０６、１８０８に該当）の一例を示す。加工前の材料形状２００４及び工具（パンチ金型２００５、ダイ金型２００６）の形状データから有限要素メッシュモデル２００７を作成し、プレス成形条件を基にプレス成形解析２００８を行い、成形下死点での板厚分布、成形後応力分布、及び歪み分布を求める。【００９５】
プレス成形解析２００８で求めた板厚分布及び成形後応力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の組み上げ２００９を行い、スプリングバック解析２０１０を行って、部材の残留応力分布を求める。残留応力分布の算出については、成形品についてスプリングバック解析を行った後、その成形品をコンピュータ上で接合し、部材を組み上げて、接合部や金属材料部に生ずる残留応力を求めてもよい。【００９６】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、成形品をコンピュータ上で組み上げ、残留応力を求める上記の２通りの過程を図示したものである。図２１Ａは２つのハット型断面成形品２１０１をスポット溶接２１０３により部材に組み上げた後、スプリングバック解析を行い残留応力分布を求める例であり、図２１Ｂはハット型断面成形品のスプリングバック解析を行い、スプリングバックによる変位分布を算出し、その成形品の変形形状を求めた後、その変形形状を元に、スポット溶接２１０２を行い部材に組み上げることにより、残留応力分布を求める例である。【００９７】
次に、疲労寿命解析プログラム１８１１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。プレス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よく、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よい。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。【００９８】
図２２はある鋼材の予歪みの影響を示すＳＮ線図であり、疲労試験片に予め所定の歪みを付与した後、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、なおかつ、疲労荷重が負荷されることにより、その節点位置で３５０ＭＰａ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８０万回と算出することができる。同様な算出方法により、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。【００９９】
以上述べたように、組み立て後の各部位に生ずる残留応力、部材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プレス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。【０１００】
（実施例）
１．設計対象
第３の実施形態の実施例として、図２３に示すようなハット型断面成形品２３０１のフランジ部に当て板２３０２をスポット溶接したハット型断面部材の最適プレス成形条件を設計する。ハット型断面部材は固定側当て板２３０４が完全固定され、片持ち梁の状態にし、長軸周りにねじり疲労荷重が繰返し負荷され、その疲労寿命（繰返し数）が最大となる最適プレス成形条件（しわ押え荷重）を求める。繰返し疲労荷重は、完全両振りのねじり荷重２３０５であり、４００Ｎｍである。【０１０１】
ハット型断面成形品２３０１の寸法は、長さが３００ｍｍ、断面幅が１２０ｍｍ、断面高さが７０ｍｍ、フランジ幅が２０ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。当て板２３０２の寸法は、横が１６０ｍｍ、縦が３００ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。荷重負荷側当て板２３０３及び固定側当て板２３０４の寸法は、横２００がｍｍ、縦が２００ｍｍ、板厚が５．０ｍｍである。工具形状については、ハット型断面成形品２３０１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。加工前の材料形状は、横が３００ｍｍ、縦が３００ｍｍ、板厚が１．４ｍｍである。【０１０２】
その他のプレス成形条件は、パンチ移動量を７０ｍｍ、初期のしわ押え荷重を１０ｋＮ、摩擦係数を０．１５とした。材料降伏強度３４０ＭＰａ、応力−歪み関係は
σ＝９００×（ε＋０．０００６）0.17
である。ここで、σは真応力であり、εは真歪みである。【０１０３】
２.プレス成形解析
上記プレス成形条件を入力して、市販の有限要素法プログラムABAQUSを用いて、ハット型断面成形品２３０１のプレス成形解析を行い、成形品の板厚分布、成形後応力分布及び成形後歪み分布を算出した。【０１０４】
３．スプリングバック解析
コンピュータ上でハット型断面成形品２３０１と当て板２３０２を組み上げ、ハット型断面部材とした後、スプリングバック解析条件としてハット型断面成形品２３０１の板厚分布、成形後応力分布及び部材形状に基づいて、市販の有限要素法プログラムABAQUSを使用し、スプリングバック解析を行い、部材の残留応力分布を算出した。【０１０５】
４．弾性解析
コンピュータ上でハット型断面成形品２３０１、当て板２３０２、荷重負荷側当て板２３０３及び固定側当て板２３０４を組み上げ、ハット型断面部材とした後、弾性解析条件としてハット型断面成形品２３０１の板厚分布、部材形状、ねじり荷重４００Ｎｍに基づいて、市販の有限要素法プログラムNASTRANを使用し、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。【０１０６】
５．疲労解析
疲労解析条件として、プレス成形解析で算出したハット型断面成形品２３０１の成形後歪み分布、スプリングバック解析で算出したハット型断面部材の残留応力分布、弾性解析で算出したハット型断面部材の弾性変形後応力分布及び弾性変形後歪み分布、ねじり疲労荷重に基づいて、市販の疲労解析プログラムFE-Fatigueを使用し、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、スポット溶接部のＳＮデータについては市販の疲労解析ソフトFE-Fatigueに格納されるスポット溶接用ＳＮ線図を用いており、また、部材の金属材料部のＳＮデータについては図２２に示すＳＮ線図を用いている。【０１０７】
６．プレス成形条件の変更
最適化ツールについては、市販のプログラムiSIGHTを使用し、しわ押え力を１０〜３５０ｋＮの範囲で変更し、図１８の工程１８０１〜１８１２をコンピュータが７０回繰返し計算を行い、疲労寿命が最大値となる最適プレス設計条件を探索した。【０１０８】
７．結果
疲労寿命としわ押え荷重の関係は、しわ押え荷重が小さすぎるとスプリングバックが大きくなり、構造体の金属材料部やスポット溶接部に作用する残留応力が大きく、疲労寿命が低下した。一方、しわ押え荷重が過大になると部材の板厚減少が大きくなり、ねじり剛性（断面２次極モーメント）が低下し、金属材料部やスポット溶接部に発生する応力が大きくなり、疲労寿命が低下する傾向があった。さらに、しわ押え荷重を増加させるとプレス成形時に破断が生じ、成形ができなくなる場合があった。【０１０９】
本発明による疲労設計手法に従い繰返し計算を行い、最適プレス成形条件を探索した結果、しわ押え荷重が２００ｋＮで、最大疲労寿命（繰返し数）が８５万回であることを見出すことができた。この条件でプレス成形を行ったプレス成形品を元に部材を作成し、繰返し疲労荷重が完全両振りねじり荷重４００Ｎｍ、繰返し周波数５Ｈｚの試験条件で、最大荷重１０ｋＮ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１０５万回になった時点で中央部のスポット溶接部に初めて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。【０１１０】
図２４は、上述した各実施形態の設計手法を実現可能な設計装置として機能するコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。同図において、２４００はコンピュータＰＣである。ＰＣ２４００は、ＣＰＵ２４０１を備え、ＲＯＭ２４０２又はハードディスク（ＨＤ）２４１１に記録された、或いはフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）２４１２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２４０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。【０１１１】
上記ＰＣ２４００のＣＰＵ２４０１、ＲＯＭ２４０２又はハードディスク（ＨＤ）２４１１に記録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。【０１１２】
２４０３はＲＡＭで、ＣＰＵ２４０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。２４０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）２４０９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。２４０６は表示コントローラ（ＣＲＴＣ）であり、表示装置（ＣＲＴ）２４１０上の表示制御を行う。２４０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）で、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）２４１１、及びフレキシブルディスク（ＦＤ）２４１２とのアクセスを制御する。【０１１３】
２４０８はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）で、ＬＡＮ２４２０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。【０１１４】
なお、本発明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。【０１１５】
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。【０１１６】
この場合、記録媒体から読出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になり、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。【０１１７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明によれば、部材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、所望の性能を得るためにプレス成形条件を含めた最適な部材設計が可能となる。
【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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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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