延性破壊条件を考慮した3次元弾塑
性有限要素法による厚板せん断過程のシミュレーション

発表内容• 背景、目的• 単軸引張シミュレーションによる材料定数の同定• せん断過程シミュレーション
• まとめ

発表内容
• 背景、目的• 単軸引張シミュレーションによる材料定数の同定• せん断過程シミュレーション
• まとめ

研究背景
せん断加工とそのシミュレーション技術の重要性増大
 低コスト化：切削、焼結、ダイキャスト等からファインブランキングへの工法置換

断面性状の制御と予測
材料切断

切断面

 軽量化：高張力鋼板の適用拡大

プレス成形時のブ
ランク端ワレ（伸びフランジワレ）の制御と予測

弾塑性FEMシミュレーションの適用
弾塑性FEM活用のメリットとポイント••••

有限変形への対応
静水圧応力成分の算出・・・延性破壊条件式への対応
スプリングバックの影響考慮
破壊発生時の高度な非線形挙動への対応・・・静的陽解法

せん断シミュレーションの技術要素
技術要素

本研究で用いた手法

定式

Updated Lagrangian

解法

静的陽解法

有限要素

六面体1次、四面体2次要素

破壊クライテリア

Cockroft-Lathamによる延性破壊条件

パラメータ同定

引張試験シミュレーション

材料モデル

Swift硬化モデル等

リメッシュアスペクト比による判定、粗密制御

リマッピング影響球の定義と積分点間距離で重みづけ要素の切り離し破壊要素を消滅（剛性ゼロ化）弾塑性FEMシミュレーションの適用
弾塑性FEM活用のメリットとポイント••••

有限変形への対応
静水圧応力成分の算出・・・延性破壊条件式への対応
スプリングバックの影響考慮
破壊発生時の高度な非線形挙動への対応・・・静的陽解法

せん断シミュレーションの技術要素
技術要素

本研究で用いた手法

定式

Updated Lagrangian

解法

静的陽解法

有限要素

六面体1次、四面体2次要素

Cockroft-Lathamによる延性破壊条件
破壊クライテリア本研究で着目した項目
パラメータ同定

引張試験シミュレーション

材料モデル

Swift硬化モデル等

リメッシュアスペクト比による判定、粗密制御

リマッピング影響球の定義と積分点間距離で重みづけ要素の切り離し破壊要素を消滅（剛性ゼロ化）

研究目的• 静的陽解法弾塑性有限要素法による3次元せん断解析手法を構築する• S-Sカーブと延性破壊パラメータの同定法を検討し、せん断解析結果への影響を検証する発表内容• 背景、目的• 単軸引張シミュレーションによる材料定数の同定• せん断過程シミュレーション• まとめ

単軸引張試験
単軸引張試験と祖とシミュレーションにより、S-Sカーブと延性破壊パラメータを同定
・材料： SCM415，t0=6mm

破断後の試験片（JIS5号試験片）
応力(MPa)

くびれ発生（最大荷重点）より小ひずみ域でSwiftフィッティング実施
Swiftの式

材料種類
歪み

引張試験結果（応力-ひずみ線図）

SCM415ｒ値

Knε0822.1822

0.18050.0127610.75単軸引張解析モデル■ 解析モデル◆ソルバー◆ ６面体１次・TP-STRUCT・節点数：22,755（Stamp3D:ver.2.101.003）
・要素数：14,720◆モデル寸法・引張試験での試験片（5号試験片）と同じ

完全拘束

X軸方向20mm変位S-Sカーブの同定
拡散くびれ発生以降の真応力-真ひずみ関係を多点プロット（区間直線近似で推定）・くびれ発生までは、Swiftの式同等でプロット・くびれ発生後は、破断時の真応力を推定
応力(MPa)破断

この領域の「真応力ー真歪み曲線」は不明

荷重(kN)
破断

くびれ発生

(実験値）

真応力値（入力値）を仮定し、解析を実行

解析結果と実験値を比較し、最適な真応力値を同定

ひずみ
変位(mm)

応力－歪み曲線（解析入力値）

解析で同定

単軸引っ張り荷重ー変位曲線

破断時の真応力を７００MPaとした場合に破断時の真応力を７００MPaとした場合に最もよく実際の単軸引張荷重と一致
最もよく実際の単軸引張荷重と一致

延性破壊パラメータの同定
Cockcroft-Lathamの式の材料定数(C)の同定
実験結果に最も一致するＣ値をシミュレーションにより探索
解析で探索

Cockroft-Lathamの式

 

Ｃ値：200、450、500で解析

Ｃ=５００
Ｃ=５００ の場合に最もよく一致するの場合に最もよく一致する

 max 最大垂直応力

f0maxd  C C

材料パラメータ

荷重(kN)
破断破断時の相当応力分布（Ｃ=５００）
破断時の相当応力分布（Ｃ=５００）
荷重ー変位曲線（延性破壊考慮）

解析結果と実験結果の比較

変位(mm)

発表内容• 背景、目的• 単軸引張シミュレーションによる材料定数の同定• せん断過程シミュレーション• まとめ

せん断実験条件
Gas spring

SlidePunch

Pad
Pad
Sheet

DieBolster

Gas spring

アミノ製50Tonサーボプレス
・材質：SCM415
・板厚6mm, 板幅40mm，長手方向155mm
・クリアランス:10%t、1%t

Clearance (Cl)
Punch
SheetDie155mm

40mm

MotionShearing line6mm
材料寸法

せん断過程解析モデル得られたS-Sカーブ（多点プロット区間直線近似）及び延性破壊パラメータC=500を用いてせん断解析実施（比較対象としてSwift近似S-Sカーブ及び単軸引張試験から均一断面を仮定して機械的に延性破壊パラメータを同定したモデルに対する解析も実施）
固定工具

移動工具

板厚6mm

クリアランス
・材料：SCM415
・破断時真応力：700MPaと推定
・延性破壊条件式：Cockcroftの式
材料パラメータ C=500・板厚6mm, 板幅1mm
・クリアランス:10%t、1%t・四面体2次・要素数:7,172
・節点数:11,324（リメッシュにより可変）・ヤング率：210,000(MPa)・ポアソン比:0.3

材料パラメータの妥当性を検証
材料パラメータの妥当性を検証

解析結果及び実験結果
クリアランスの違いによるせん断面・破断面形状の差異を確認
クリアランス：10%t(0.6mm)ダレ

クリアランス：1%t(0.06mm)ダレ

クリアランス：10%t(0.6mm)

せん
断面

せん
断面

破断面

破断面

バリ
せん断面

クリアランス：1%t(0.06mm)

せん
断面
破断面

破断面

解析結果

実験結果

材料モデル違いによる影響の検討
材料モデル、クリアランスがダレ量に及ぼす影響

Shear droop (mm)

1.2
1.0

Expreiments

0.8

Swift's
approximation
Multiple plots

0.60.40.20.00.60.06
Clearance (mm)・定性的に実験と一致
・S-Sカーブ多点近似の方が実験に近い
おおよその変形形状は一致→材料モデルの妥当性

発表内容• 背景、目的• 単軸引張シミュレーションによる材料定数の同定• せん断過程シミュレーション
• まとめ

まとめ
 延性破壊を考慮したせん断過程のように，破壊発生による急激な剛性変化に伴う高度な非線形現象を弾塑性FEMで解析するに当たり，静的陽解法を採用するTPSTRUCTの頑健性が有効であることが示された．
 局部伸び領域の応力-ひずみ曲線を推定し，単軸引張シミュレーションの荷重変化を実験と合わせ込むことにより，延性破壊パラメータを精度よく同定することができた．その結果せん断過程のFEM解析によるダレ量の予測が実験値に近くなることが確認できた．
 今後は，せん断解析を構成する各種要素技術についての検討を進め，せん断面率予測の高精度化を目指す．