(57)【要約】【課題】簡易なモデルを用いてスポット溶接部の破断を高精度に判定可能な技術を提供する。【解決手段】破断判定装置が、ナゲットと金属板の境界部が破断するときの限界応力を記憶する記憶手段と、ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力する条件入力手段と、入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出する剪断応力算出手段と、入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出する引張応力算出手段と、算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する判定手段と、を備える。【選択図】図８
2007024788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定装置であって、
ナゲットと金属板の境界部の限界応力を記憶する記憶手段と、
ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力する条件入力手段と、
入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出する剪断応力算出手段と、
入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出する引張応力算出手段と、
算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする破断判定装置。
【請求項２】
前記剪断応力算出手段は、
前記曲げモーメントに起因する最大剪断応力の値を、
前記ナゲットが弾性変形するとの仮定の下で前記曲げモーメントから算出される第１の値から、前記ナゲットが全塑性変形するとの仮定の下で前記曲げモーメントから算出される第２の値まで、の値域の中から選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の破断判定装置。
【請求項３】
前記第１の値から第２の値までの値域の中から選択すべき値を決定するためのパラメータが前記記憶手段に予め記憶されており、
前記パラメータの値は前記スポット溶接部の材質に応じて設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の破断判定装置。
【請求項４】
前記金属板が厚さｔのシェル要素、前記ナゲットが半径ｒのビーム要素としてモデル化されていることを特徴とする請求項３に記載の破断判定装置。
【請求項５】
前記曲げモーメントをＭｂとしたとき、
前記剪断応力算出手段は、前記記憶手段から読み込んだ前記パラメータα（π≦α≦４）を用いて、前記曲げモーメントに起因する最大剪断応力τＭｂを、
τＭｂ＝Ｍｂ／αｔｒ２
により算出することを特徴とする請求項４に記載の破断判定装置。
【請求項６】
前記軸力をＦａとしたとき、
前記剪断応力算出手段は、前記軸力に起因する最大剪断応力τＦａを、
τＦａ＝Ｆａ／２πｔｒ
により算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の破断判定装置。
【請求項７】
前記最大剪断応力をτｍａｘ、前記最大引張応力をσｍａｘ、それぞれに対応する前記限界応力をτｆ及びσｆ、としたとき、
前記判定手段は、
（τｍａｘ／τｆ）２＋（σｍａｘ／σｆ）２
が１以上となったときに、前記スポット溶接部が破断したと判定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の破断判定装置。
【請求項８】
２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定方法であって、
コンピュータが、
ナゲットと金属板の境界部の限界応力を予め記憶手段に記憶し、
ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力し、
入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出し、
入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出し、
算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する
ことを特徴とする破断判定方法。
【請求項９】
２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定プログラムであって、
コンピュータに、
ナゲットと金属板の境界部の限界応力を予め記憶手段に記憶する処理と、
ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力する処理と、
入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出する処理と、
入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出する処理と、
算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する処理と、
を実行させることを特徴とする破断判定プログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載の破断判定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取可能な記録媒体。
【請求項１１】
構造体の衝突シミュレーションを行う衝突シミュレーション装置であって、
構造体を有限要素法モデルにより表した構造体モデルを記憶する構造体モデル記憶手段と、
衝突時に、前記構造体モデルに含まれる複数のスポット溶接部のそれぞれのナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を、有限要素法により算出する衝突演算手段と、
前記衝突演算手段により算出された軸力、曲げモーメント及び剪断力に基づいて、前記スポット溶接部それぞれの破断を判定する、請求項１〜７のいずれかに記載の破断判定装置と、
前記破断判定装置による判定結果を出力する判定結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする衝突シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両衝突時に車体の受ける変形や破壊の様子をコンピュータでシミュレーションする技術が知られている。このシミュレーション結果は、車体の変形メカニズムの解析、車体の剛性及び強度の評価、車両安全性の向上などに利用される。
【０００３】
一般的な車体は、多数の金属薄板をスポット溶接により結合した構造を採用している。スポット溶接部は、ナゲットと呼ばれる小径の溶着部により結合されているだけなので、衝突時の荷重による応力集中が起きやすく、強度上の弱点となることが多い。そこで従来から、溶接部位のモデル化手法や強度評価手法について種々の技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、ナゲットを中心とする直径Ｄの円板を想定し、その円板を蜘蛛の巣状に分割したシェル要素でモデル化する手法が開示されている。そして、そのモデルにおいて、ナゲットの分担荷重、及び、円板外周のたわみと放射方向の傾斜を算出し、それらの値から弾性学の円板曲げ理論を用いてナゲット端に生ずる最大主応力を算出している。ただし、この手法は、破断判定を行うものではなく、スポット溶接部の疲労寿命を予測するものである。
【０００５】
特許文献２には、塑性加工材料の歪みｅの変化率、すなわち歪速度ｄｅ／ｄｔを逐次算出し、この歪速度に基づいて塑性加工材料の破断を判定する手法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３、４には、スポット溶接部の品質（強度）を非破壊で推定する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１４９１３０号公報
【特許文献２】特開２０００−１０７８１８号公報
【特許文献３】特開平５−２２８６４７号公報
【特許文献４】特開平８−２５４５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、車体には数千個にも及ぶ膨大な数のスポット溶接部が存在する。それゆえ、車体衝突シミュレーションにあっては、各々のスポット溶接部の破断判定を高速に行うために、できるだけ簡易なモデルを採用することが望まれる。しかも、溶接継手の形状によってスポット溶接部に作用する荷重の種類が変化したり、さらには、材質によりスポット溶接部の応力分布が異なってくることから、破断判定の精度向上のために、継手形状を選ばない汎用的なモデル化、並びに、材質を考慮した破断判定手法の確立も求められている。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡易なモデルを用いてスポット溶接部の破断を高精度に判定可能な技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、スポット溶接部の材質に応じて、高精度な破断判定を行うことのできる技術を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、高速かつ正確な衝突シミュレーション技術を提供することに
ある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。
【００１２】
本発明の第１態様は、２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定装置である。この破断判定装置は、ナゲットと金属板の境界部の限界応力を記憶する記憶手段と、ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力する条件入力手段と、入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出する剪断応力算出手段と、入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出する引張応力算出手段と、算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する判定手段と、を備える。
【００１３】
この構成によれば、ナゲットと金属板の境界部に作用する最大応力に着目して、その境界部における破断の有無を評価できる。スポット溶接部の破断形態としては、境界部から破断が起こるプラグ破断が最も多いことからすると、上記手法によれば高い蓋然性と精度でスポット溶接部の破断判定を行うことができるといえる。
【００１４】
また、入力条件（外力）として、ナゲット中央に作用する力だけを考慮すればよいため、スポット溶接部のモデルを簡易なものにできる。すなわち、従来技術のようにナゲットを中心とする円板のたわみや傾斜を計算するとなると、ナゲット及びその周辺を細かいメッシュに分割する必要が生じるが、その点、本発明の場合には、ナゲットと金属板がナゲット中心でのみ節点を持てば足りるので、ナゲット、金属板それぞれを単一の要素でモデル化することも可能となる。
【００１５】
前記剪断応力算出手段が、前記曲げモーメントに起因する最大剪断応力の値を、前記ナゲットが弾性変形するとの仮定の下で前記曲げモーメントから算出される第１の値から、前記ナゲットが全塑性変形するとの仮定の下で前記曲げモーメントから算出される第２の値まで、の値域の中から選択するとよい。
【００１６】
ナゲットに曲げモーメントが作用した場合の応力分布を考える際には、ナゲットの特性を弾性あるいは全塑性であるとみなすのは妥当でない。実際の現象では、弾性と全塑性の間の特性を示すと考えられるからである。そこで、本発明では、弾性〜全塑性の間から適切な値を選ぶことで、実際の現象に合致した最大剪断応力を算出できるようにする。これにより、高精度な破断判定が可能となる。
【００１７】
ここで、前記第１の値から第２の値までの値域の中から選択すべき値を決定するためのパラメータが前記記憶手段に予め記憶されており、前記パラメータの値は前記スポット溶接部の材質に応じて設定されていることが好ましい。ナゲットの特性を決定付けるのは主にその材質だからである。これにより、スポット溶接部の材質に応じた高精度な破断判定が可能となる。
【００１８】
具体的には、前記金属板が厚さｔのシェル要素、前記ナゲットが半径ｒのビーム要素としてモデル化されていることが好ましい。これにより３つの要素でスポット溶接部をモデル化でき、破断判定処理の簡易化及び高速化を図ることができる。
【００１９】
また、前記曲げモーメントをＭｂとしたとき、前記剪断応力算出手段が、前記記憶手段から読み込んだ前記パラメータα（π≦α≦４）を用いて、前記曲げモーメントに起因す
る最大剪断応力τＭｂを、
τＭｂ＝Ｍｂ／αｔｒ２
により算出することが好ましい。パラメータαの値を調整することにより、スポット溶接部の材質に応じた適切な最大剪断応力を算出可能である。
【００２０】
また、前記軸力をＦａとしたとき、前記剪断応力算出手段が、前記軸力に起因する最大剪断応力τＦａを、
τＦａ＝Ｆａ／２πｔｒ
により算出することが好ましい。
【００２１】
なお、ナゲット中央に軸力Ｆａ及び曲げモーメントＭｂの両方が作用した場合の最大剪断応力τｍａｘは、
τｍａｘ＝τＦａ＋τＭｂ
から算出できる。
【００２２】
また、前記最大剪断応力をτｍａｘ、前記最大引張応力をσｍａｘ、それぞれに対応する前記限界応力をτｆ及びσｆ、としたとき、前記判定手段が、
（τｍａｘ／τｆ）２＋（σｍａｘ／σｆ）２
が１以上となったときに、前記スポット溶接部が破断したと判定することが好ましい。これが本発明における破断判定式である。
【００２３】
本発明の第２態様は、２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定方法である。この破断判定方法では、コンピュータが、ナゲットと金属板の境界部の限界応力を予め記憶手段に記憶し、ナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を入力し、入力された前記軸力及び曲げモーメントから、前記境界部に作用する最大剪断応力を算出し、入力された前記剪断力に基づいて、前記境界部に作用する最大引張応力を算出し、算出された前記最大剪断応力及び最大引張応力と前記記憶手段に記憶された前記限界応力とに基づき、スポット溶接部の破断を判定する。
【００２４】
本発明の第３態様は、２つの金属板がナゲットで結合された構造をもつスポット溶接部の破断をコンピュータ・シミュレーションにより判定する破断判定プログラムである。この破断判定プログラムは、コンピュータに上記破断判定方法を実行させ、又は、コンピュータを上記破断判定装置として機能させるプログラムである。
【００２５】
本発明の第４態様は、上記破断判定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取可能な記録媒体である。
【００２６】
本発明の第５態様は、構造体（車体など）の衝突シミュレーションを行う衝突シミュレーション装置である。この衝突シミュレーション装置は、構造体を有限要素法モデルにより表した構造体モデルを記憶する構造体モデル記憶手段と、衝突時に、前記構造体モデルに含まれる複数のスポット溶接部のそれぞれのナゲット中央に作用する軸力、曲げモーメント及び剪断力を、有限要素法により算出する衝突演算手段と、前記衝突演算手段により算出された軸力、曲げモーメント及び剪断力に基づいて、前記スポット溶接部それぞれの破断を判定する上記破断判定装置と、前記破断判定装置による判定結果を出力する判定結果出力手段と、を備える。
【００２７】
なお、上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、簡易なモデルを用いてスポット溶接部の破断を高精度に判定することができる。また、スポット溶接部の材質に応じた高精度な破断判定が可能となる。そして、この破断判定技術を適用した衝突シミュレーション装置によれば、高速かつ高精度な衝突シミュレーションが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。なお、ここでは、本発明の破断判定技術を車両の衝突シミュレーション装置に適用した例を挙げる。
【００３０】
（衝突シミュレーション装置の構成）
図１は、衝突シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。
【００３１】
この衝突シミュレーション装置１は、ハードウェア資源として、表示装置２、入力装置（例：キーボード、マウス）３、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、主記憶装置（例：メモリ）、補助記憶装置（例：磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク）等を備えたコンピュータにより構成される。
【００３２】
また、衝突シミュレーション装置１は、その機能として、車体モデル記憶部１０、衝突演算部１１、破断判定部１２、判定結果出力部１３等を備える。これらの機能は、補助記憶装置に格納されている衝突シミュレーションプログラム（その一部に破断判定プログラムを含む。）が、主記憶装置に読み込まれ、ＣＰＵによって実行されることで、実現されるものである。
【００３３】
なお、図１の例では、衝突シミュレーション装置の中に破断判定装置の機能（破断判定部１２）が組み込まれているが、破断判定装置を別のハードウェアで実現しても構わない。
【００３４】
（車体モデル）
車体モデル記憶部１０には、車体全体を有限要素法モデルにより表した車体モデルが格納されている。有限要素法モデルとは、構造体をシェル要素、ビーム要素、ソリッド要素等の組合せで表現したものである。
【００３５】
図２は、スポット溶接部のモデルを模式的に示している。スポット溶接部は、２つの金属板２０，２０がナゲット２１で結合された構造を有している。ここでは、金属板２０を厚さｔのシェル要素２２、ナゲット２１を半径ｒのビーム要素２３でモデル化している。これにより、一対のシェル要素が単一のビーム要素で結合されただけの、極めて簡易なモデルで、スポット溶接部を表現することができる。
【００３６】
（衝突シミュレーション）
図３のフローチャートに沿って、衝突シミュレーションの処理の流れを説明する。
【００３７】
まず、ユーザが、入力装置３により、衝突シミュレーションの条件を入力する（ステップＳ１０）。この入力条件には、例えば、衝突時の速度、車体の姿勢（衝突方向）、衝突部位などが含まれる。
【００３８】
衝突演算部１１は、車体モデル記憶部１０から車体モデルを読み込み（ステップＳ１１）、入力条件に従って、有限要素法により車体モデルを構成する各要素に作用する荷重（伝達力）、変位等を計算する（ステップＳ１２）。
【００３９】
ここで、車体モデルに含まれる個々のスポット溶接部に関しては、シェル要素（金属板２０）とビーム要素（ナゲット２１）の節点であるナゲット中央に作用する荷重が算出される。この荷重は、図４に示すように、ナゲット２１の軸方向に作用する軸力Ｆａ、ナゲット２１の端面に作用する曲げモーメントＭｂ、ナゲット２１の端面に沿って作用する剪断力Ｆｓの３種類の力の複合荷重となっている。なお、溶接継手の形状によっては、軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ、剪断力Ｆｓのいずれかがゼロになることもある。
【００４０】
次に、破断判定部１２が、衝突演算部１１により算出された軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ及び剪断力Ｆｓに基づいて、個々のスポット溶接部の破断を判定する（ステップＳ１３）。なお、破断判定処理の詳細は後述する。
【００４１】
判定結果出力部１３は、破断判定部１２による判定結果を受け取って、表示装置２に出力する（ステップＳ１４）。このとき、画面に車体モデルを表示した上で、破断したスポット溶接部のみを強調表示するとよい。強調表示の態様としては、強調色表示や点滅表示などいかなるものであってもよい。このような表示結果を見ることにより、ユーザは、破断の生じたスポット溶接部を容易に確認することができる。
【００４２】
では、次に、本実施形態の破断判定について詳しく説明する。
【００４３】
（破断判定処理の基本アイデア）
スポット溶接部の破断形態には、大別して、プラグ破断と界面破断の２種類あることが知られている。プラグ破断とは、ナゲットと金属板の境界部（つまりナゲットの周縁部）から破断する形態であり、界面破断とは、ナゲット自体が分断される形態をいう。
【００４４】
乗用車などの一般車両では、板厚が極めて薄い（例えば、０．８〜１．６ｍｍ程度）金属薄板が用いられることが多い。この種の金属薄板で構成されたスポット溶接部では、界面破断に比べ、プラグ破断の起こる確率のほうが圧倒的に高い。そこで、本実施形態では、プラグ破断に注目した破断判定処理を行う。
【００４５】
プラグ破断は、上述の通り、ナゲット周縁部から破断する現象である。これは、図５に示すように、外力によってナゲット周縁部に発生した剪断応力τと引張応力σに起因して、ナゲット周縁部が変形し破断に至るものと考えられる。つまり、プラグ破断では、ナゲット内部ではなく、ナゲット周縁部の応力が破断を支配するのである。
【００４６】
一方、上述した簡易モデルでは、ナゲットをビーム要素でモデル化しているため、得られる物理量（外力）としては、ナゲット中央に作用する軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ、剪断力Ｆｓのみである。よって、まずは、軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ、剪断力Ｆｓからナゲット周縁部の最大剪断応力τｍａｘ及び最大引張応力σｍａｘを算出する関係式を導出し、次に、ナゲット周縁部の最大応力で構成される破断判定式を決定する。
【００４７】
［１］軸力Ｆａと最大剪断応力τＦａの関係
図６に示すように、ナゲット中央に作用する軸力Ｆａに関し、ナゲット周縁部に作用する最大剪断応力τＦａとの釣り合いから、式（１）が成立する。
【数１】
2007024788.tif 000003
【００４８】
式（１）をナゲット全周について積分し、式（２）を得る。
【数２】
2007024788.tif 000004
【００４９】
式（２）より、最大剪断応力τＦａと軸力Ｆａの関係は、式（３）となる。
【数３】
2007024788.tif 000005
【００５０】
［２］曲げモーメントＭｂと最大剪断応力τＭｂの関係
ナゲット中央に作用する曲げモーメントＭｂと、ナゲット周縁部で作用する剪断応力τの１次モーメントとの釣り合いから、式（４）が成立する。
【数４】
2007024788.tif 000006
ただし、ｘは中立面からの距離で、式（５）で表される。
【数５】
2007024788.tif 000007
【００５１】
ここで、ナゲットが弾性変形すると仮定すれば、曲げモーメントＭｂによる剪断応力分布は図７（Ａ）のようになる。このとき、剪断応力τは式（６）で表される。ただし、τＭｂはナゲット周縁部における最大剪断応力とする。
【数６】
2007024788.tif 000008
【００５２】
式（４）に式（５），（６）を代入し積分すると、式（７）を得る。
【数７】
2007024788.tif 000009
【００５３】
式（７）を変形し、最大剪断応力τＭｂと曲げモーメントＭｂとの関係を求めると、式
（８）となる。
【数８】
2007024788.tif 000010
【００５４】
一方、ナゲットが全塑性変形すると仮定すれば、曲げモーメントＭｂによる剪断応力分布は図７（Ｂ）のようになる。このとき、最大剪断応力τＭｂは、式（９）となる。
【数９】
2007024788.tif 000011
【００５５】
実際の現象では、曲げモーメントＭｂによる剪断応力τの分布は、弾性と全塑性の間に存在すると考えられる。つまり、曲げモーメントＭｂに起因する最大剪断応力τＭｂの値は、式（８）で算出される第１の値から式（９）で算出される第２の値までの値域の間に存在するといえる。そして、実際にナゲットが弾性〜全塑性の間のどの挙動を示すかは、主にスポット溶接部の材質に依存すると考えられる。そこで、ここでは、スポット溶接部の材質に応じて設定される係数（パラメータ）αを導入し、曲げモーメントＭｂに起因する最大剪断応力τＭｂを式（１０）とする。
【数１０】
2007024788.tif 000012
ただし、π≦α≦４である。
【００５６】
［３］複合荷重による最大剪断応力τｍａｘ
以上まとめると、ナゲット周縁部に作用する最大剪断応力τｍａｘは、軸力Ｆａ及び曲げモーメントＭｂから式（１１）のように算出される。
【数１１】
2007024788.tif 000013
【００５７】
［４］剪断力Ｆｓによる最大引張応力σｍａｘ
ナゲット周縁部に作用する最大引張応力σｍａｘは、剪断力Ｆｓから式（１２）のように算出される（Yuh J. Chao, ""Ultimate Strength and Failure Mechanism of Resistance Spot Weld Subjected to Tensile, Shear, or Combined Tensile/Shear Loads"", p125-132, Journal of Engineering Materials and Technology, 2003.4 参照）。
【数１２】
2007024788.tif 000014
【００５８】
［５］破断判定式
ナゲット周縁部が破断するときの限界応力をτｆ、σｆとしたとき、破断判定式を式（
１３）のように決定した。式（１３）の左辺の値が１以上となったときに、スポット溶接部が破断したと判定する。
【数１３】
2007024788.tif 000015
【００５９】
なお、この破断判定式の決定にあたっては、次の文献を参考にした。Y.L.Lee, T.J.Wehner, M.W.Lu, T.W.Morrissett and E.Pakalnins, ""Ultimate Strength of Resistance Spot-welds Subjected to Combined Tension and Shear"", p213-219, Journal of Testing and Wvaluation, 1998.
【００６０】
式（１１），（１２），（１３）のうち未定のパラメータは、限界応力τｆ、σｆ、及び、係数αの３つである。これらの値は、試験片を用いた実験、あるいは、詳細モデルを用いた高精度シミュレーションを実施することにより同定すればよい。また、係数αについては、材質をいろいろに変えながら実験あるいは高精度シミュレーションを実施することで、材質毎の値を求めるとよい。
【００６１】
（破断判定部）
図８は、破断判定部１２の構成を示すブロック図である。破断判定部１２は、パラメータ記憶部３０、条件入力部３１、剪断応力算出部３２、引張応力算出部３３、判定部３４を備えている。パラメータ記憶部３０には、個々のスポット溶接部について、破断判定処理に用いるパラメータ（限界応力τｆ、σｆ、係数α）が予め格納されている。
【００６２】
衝突シミュレーションにおいて、衝突演算部１１により各スポット溶接部のナゲット中央に作用する軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ及び剪断力Ｆｓが算出されると、破断判定部１２は条件入力部３１によりそれらの条件（伝達力）を入力する。剪断応力算出部３２は、パラメータ記憶部３０から係数αを読み込み、軸力Ｆａ及び曲げモーメントＭｂと係数αとを用いて、式（１１）によりナゲット周縁部に作用する最大剪断応力τｍａｘを算出する。一方、引張応力算出部３３は、剪断力Ｆｓを用いて、式（１２）によりナゲット周縁部に作用する最大引張応力σｍａｘを算出する。
【００６３】
そして、判定部３４が、パラメータ記憶部３０から限界応力τｆ、σｆを読み込み、それらの値と算出された最大剪断応力τｍａｘ及び最大引張応力σｍａｘを用いて、式（１３）に従って破断判定を行う。破断判定の結果は、判定結果出力部１３に渡される。
【００６４】
なお、破断判定処理は、個々のスポット溶接部について実行される。
【００６５】
以上述べた本実施形態の構成によれば、ナゲット周縁部（ナゲットと金属板の境界部）に作用する最大応力に着目して、そのナゲット周縁部における破断の有無を評価できる。よって、スポット溶接部の破断形態で最も一般的なプラグ破断について高い精度で破断判定を行うことができる。
【００６６】
また、スポット溶接部を２つのシェル要素と１つのビーム要素からなる簡易モデルで表したので、破断判定処理の簡易化及び高速化を図ることができる。
【００６７】
また、係数αを導入し、曲げモーメントに起因する最大剪断応力を弾性〜全塑性の間から選択するようにしたので、実際の現象に合致し、かつ、スポット溶接部の材質に応じた高精度な破断判定が可能となる。
【００６８】
そして、この破断判定技術を適用した衝突シミュレーション装置によれば、高速かつ高精度な衝突シミュレーションが可能となり、車体の変形メカニズムの解析、車体の剛性や強度の評価、車両安全性の向上などに利用することができる。
【実施例１】
【００６９】
図９に示す３つの典型的な継手（剪断引張、Ｌ字剥離、Ｕ字引張）について、下記の条件を与え、上記実施形態の破断判定手法を用いて破断予測を行った。また、比較例として、詳細モデルを用いた高精度シミュレーションにより、同一条件の継手について破断予測を行った。
材質：ＳＰＣ２７０、ＳＰＣ４４０
板厚ｔ：０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍ
【００７０】
なお、図９に示すように、剪断引張継手ではナゲットに対し主として剪断力Ｆｓが作用し、Ｌ字剥離では軸力Ｆａ、曲げモーメントＭｂ及び剪断力Ｆｓが作用し、Ｕ字引張では主として引張方向の軸力Ｆａが作用する。
【００７１】
図１０（Ａ）は、材質ＳＰＣ２７０の剪断引張継手での比較結果を示し、図１０（Ｂ）は、材質ＳＰＣ２７０のＬ字剥離継手での比較結果を示し、図１０（Ｃ）は、材質ＳＰＣ２７０のＵ字引張継手での比較結果を示している。各グラフにおいて横軸は板厚を表し、縦軸はスポット溶接部が破断したときの荷重を表している。
【００７２】
これらのグラフから、いずれの継手形状・板厚においても、本実施例の結果と高精度シミュレーションの結果との差が±１０％以内に収まっていることがわかる。図示しないが、ＳＰＣ４４０での比較実験においても、実施例と比較例の差は±１０％以内であった。
【００７３】
以上の結果から、簡易モデルを用いた本実施例の手法であっても、スポット溶接部の破断を非常に高い精度で判定できることが確認できた。また、どの継手形状でも良好な結果が得られたことから、様々なタイプの複合荷重に対して本実施例の手法が有効であることを確認できた。さらに、いずれの材質でも良好な結果が得られたことから、最大剪断応力の調整係数αの有効性が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の破断判定技術は、車体のスポット溶接部だけでなく、他の構造体に含まれるスポット溶接部の破断判定や破壊シミュレーションにも広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】衝突シミュレーション装置の構成を示すブロック図。
【図２】スポット溶接部のモデルを示す図。
【図３】衝突シミュレーションの処理の流れを示すフローチャート。
【図４】スポット溶接部に作用する荷重を示す図。
【図５】ナゲット周縁部に作用する応力を示す図。
【図６】軸力Ｆａによる剪断応力分布を示す図。
【図７】曲げモーメントＭｂによる剪断応力分布を示す図であり、（Ａ）は弾性的な剪断応力分布、（Ｂ）は全塑性的な剪断応力分布。
【図８】破断判定部の構成を示すブロック図。
【図９】継手の種類を示す図。
【図１０】本発明の実施例と詳細モデルとの比較を示す図。
【符号の説明】
【００７６】
１  衝突シミュレーション装置
２  表示装置
３  入力装置
１０  車体モデル記憶部（構造体モデル記憶手段）
１１  衝突演算部（衝突演算手段）
１２  破断判定部（破断判定装置）
１３  判定結果出力部（判定結果出力手段）
２０  金属板
２１  ナゲット
２２  シェル要素
２３  ビーム要素
３０  パラメータ記憶部（記憶手段）
３１  条件入力部（条件入力手段）
３２  剪断応力算出部（剪断応力算出手段）
３３  引張応力算出部（引張応力算出手段）
３４  判定部（判定手段）
【図１】
2007024788.tif 000016
【図２】
2007024788.tif 000017
【図３】
2007024788.tif 000018
【図４】
2007024788.tif 000019
【図５】
2007024788.tif 000020
【図６】
2007024788.tif 000021
【図７】
2007024788.tif 000022
【図８】
2007024788.tif 000023
【図９】
2007024788.tif 000024
【図１０】
2007024788.tif 000025