JP5070859B2 - 自動車用ドアアウターパネルの面ひずみ予測・評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形品の面ひずみによる形状の不具合を予測・評価するためのプレス成形品の面ひずみ予測・評価方法に関するものである。

近年、特に自動車など車両の軽量化を実現するため、ドアやフードなどの自動車アウター部品といったプレス成形品に高強度鋼板適用拡大が進められている。しかし高強度鋼板は、軟鋼板と比較してプレス成形後の弾性回復（スプリングバック）が大きく、成形品表面に面ひずみと呼ばれるミクロンオーダのゆがみが生じやすい性質がある。そして、成形品表面に生じた面ひずみは、自動車の外観品質を大きく低下させることから、製作現場では面ひずみを生じさせないように実物のプレス金型の形状修正を幾度となく繰り返している。

このような現場でのプレス金型形状修正作業を廃止ないしは軽減する必要性から、これまでにコンピュータシミュレーション技術を応用した種々の解析システムが開発され、金型設計段階で利用されている。

例えば、特許文献１に開示された技術がある。この技術は、成形プロセスおける成形面の形状不良評価において、成形すべき目標である基準形状データを与え、成形プロセスの数値解析シミュレーションにより、予測される成形後のワーク成形面に関するワーク形状データを求め、基準形状データから参照点を選択し、参照点に対応したワーク形状上の目標点との逸脱量により成形面の形状不良を評価するものである。

また、特許文献２に開示された技術もある。この技術は、板材から成形体を製造するプレス成形の数値シミュレーション結果に基づいて、プレス下死点での成形体の形状面に垂直に作用する面外偏差応力分布を取得し、その面外偏差応力分布に基づいて面ひずみを予測するものである。
特開２０００−１２２９９６号公報 特開２００５−２８４１０号公報

上記特許文献１で開示されている技術は、ワーク形状上の点との逸脱量により成形面の形状不良を評価するものであるものの、かならずしも逸脱量が大きいからといって面ひずみとして感知されるわけではないため、面ひずみ予測手法としては不完全である。すなわち、プレス成形後に弾性回復を計算するため、スプリングバック解析が行われるが、自動車パネル部品のような大きな部品の場合には、要素数が数十万要素に達するため計算時間が莫大になり、事実上解を得ることができない。この計算時間短縮のために、応力釣り合いの判定基準（収束条件）を緩和する手法がとられるが、解析精度が著しく低下するという問題がある。

また、特許文献２記載の技術は、形状面に垂直に作用する面外偏差応力分布により面ひずみを予測する技術であるが、現状一般に行われているプレス成形シミュレーションでは、材料を垂直応力を０と仮定したシェル要素が適用されており、本技術で提案されている面外偏差応力を精度よく算出することは難しい。材料の垂直応力を考慮したソリッド要素で解析することも技術的には可能であるが、計算時間が膨大となり、工業的な価値は小さい。

さらに、高強度鋼板適用における面ひずみの検討においては、材料に発生する応力レベルが軟鋼板と比較して増大するため、面外偏差応力の絶対値レベルが変化する。そのため、材料置換等の検討において、特許文献２で提案されている面外偏差応力分布では面ひずみ発生の有無を合理的・定量的に判断することが困難である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プレス成形品の面ひずみによる形状の不具合を精度良く予測・評価するためのプレス成形品の面ひずみ予測・評価方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、解析者が、自動車用ドアアウターパネルの対象領域を選択し、
コンピュータを用いたシミュレーションまたは実験により、前記選択した対象領域の成形過程の解析をおこなった後、
解析者またはコンピュータが、前記選択した対象領域を、取手部を中心とした同心円として複数領域に分割し、
コンピュータが、分割した一領域の弾性回復を解析し、次いで、隣接する領域を合わせた拡大された領域について弾性回復量を解析することを順次繰り返すことにより、最終的に前記選択した対象領域全体の弾性回復した表面形状を、板厚中心を基準として求められた断面形状に成形解析から得られたプレス加工後の素材板厚の１／２分を足し合わせることによって求め、求めた表面形状の一方向を３次曲線で近似し、近似した３次曲線を二次微分した二次微分値の対象領域全体にわたる分布を求めて表示し、
解析者が、前記表示した分布から自動車用ドアアウターパネルの面ひずみの発生位置および発生度合いを予測・評価することを特徴とする自動車用ドアアウターパネルの面ひずみ予測・評価方法である。

本発明では、プレス成形品の成形過程の解析をおこなった後、材料を複数領域に分割し、一領域の弾性回復を解析し、次いで、隣接する領域を合わせた拡大された領域について弾性回復量を解析することを順次繰り返するようにしたので、実際のプレス成形において成形完了後に部品がプレス金型から取り出されることで徐々に弾性回復していく状態を模擬することができ、短時間で精度の高い解析解を得ることが可能である。同時に成形解析から算出される板厚変化を考慮して、プレス成形品表面形状を求め、得られた表面形状をある方向に二次微分することで面の傾き変化を評価し、その評価値の分布から面ひずみの発生位置および発生度合いを定量的に予測・評価することが可能である。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明に係る面ひずみ予測・評価するための処理手順例を示すフローチャートである。

本発明の実施にあたり、プレス成形過程の解析には、応力、歪、変形などを解析できるものであれば良く、コンピュータを用いたシミュレーション（CAE）または実験（例えば、歪ゲージを用いた解析など）を、目的に応じて使い分けることができる。以下の説明では、CAEの例として有限要素法による解析を例にフローチャートにそって説明してゆくものとする。

処理をスタート(Step100)すると、まず有限要素の定義 (Step101)と材料特性値の定義 (Step102)を行い、次のプレス成形過程の解析(Step103)の処理を行う。有限要素法による応力分布などのプレス成形解析が終了した後、面ひずみを解析する平面もしくは曲面を選択し、領域分割を行う(Step104)。解析面分割において、コンピュータが判断して自動的に選択するか、解析者が製品形状を考慮してコンピュータ画面上で選択することも可能である。分割された領域に属する節点をすべて拘束する。次いで、弾性回復解析を行う領域を選択(Step106)し、その領域に属する節点の拘束を解除し、スプリングバック解析を行う(Step107)。その結果を元に、先に弾性回復解析を行った領域に隣接する領域の拘束を解除して、同様にスプリングバック解析を行う。この手順を繰り返す（マルチステップスプリングバック解析手法と呼ぶ）ことにより、対象面すべての弾性回復解析を完了する。

このように領域ごとに順次解析を繰り返すことにより、短時間で精度の高い解析解を得ることが可能となる。また、部品全体の弾性回復状態を解析する必要はなく、面ひずみが問題となる部位のみを本手法で解析することにより、計算時間を大幅に短縮することが可能となる。上記の解析によって得られた形状について、以下で二次微分処理を行う。

まず、パネルの断面形状を計算する(Step111)。一般にCAEで求められる断面形状は板厚中心を基準としたものであるため、パネル表面の形状を求めるため、成形解析から得られたプレス加工後の素材板厚の１／２分を断面形状に足し合わせ、パネル表面の形状を算出する。二次微分処理値を求める点の周囲50mmの範囲について、断面形状を３次曲線で近似する(Step112)。

得られた曲線を数学的に二次微分することでその点の二次微分処理値を求める、この作業を断面形状すべての点に繰り返す(Step114、115)ことにより、対象断面の二次微分曲線を求める。形状全体についてこの作業を繰り返すことにより、すべての点の二次微分値を求める。 上記の計算によって求めた二次微分値の度合いから表面形状要素の再構築を行い(Step116)、処理を終了する(Step117)。

例えば、二次微分値の度合いをカラー濃淡表示すると、面ひずみが発生している部位は、濃淡の変化が大きく表示されるため、面ひずみ３次元的に視覚化することができる。面ひずみは数十ミクロン程度の凹凸であるため、予測される面ひずみの発生度合いを評価することが一般に難しいが、解析者は二次微分値の３次元分布状態から、評価値の大小および分布密度を定量的に判断して、面ひずみの発生を予測・評価することができる。

以下に、自動車用ドアアウターパネルを対象にした本発明の実施例を示す。高強度鋼板( 強度レベル440MPa 、板厚0.7mm )を用いて、自動車用ドアアウターパネルの成形試験を実施するとともに、シミュレーションによる解析を行っている。解析方法は、プレス成形過程の解析に市販の解析システムを使用し、その後の面ひずみ予測には、本発明による手法を適用したものである。プレス成形シミュレーションを実施した後、分割領域ごとにスプリングバックを順次進めるマルチステップスプリングバック手法によりパネルの弾性回復状態を求めた。

図２は、要素、材料特性の定義の様子を示す図である。図１の処理フローで示したStep101および102の処理であり、自動車用ドアアウターパネル( 強度レベル440MPa 、板厚0.7mm )を定義している。

以下順に図１の処理フローで得られる様子を図示していく。図３は、プレス成形過程の解析（残留応力表示）の様子を示す図である。図４は、領域分割の様子を示す図である。

このとき、領域分割は、実際のプレス成形においてパネルが金型から取り出される状態を考慮して、取手部を中心とした同心円とした。

さらに、図５は、マルチステップ解析での解析の様子を示す図であり、図６は、応力解放後形状と板厚分布解析の様子を示す図である。そして、図７は、断面形状解析の様子を示す図であり、図８は、図７の一断面において、解析から得られたスプリングバッグ形状に素材板厚を考慮して求めた板表面形状に対して３次関数近似と二次微分解析の様子を示す図である。

さらに、図９は、断面形状から３次元の表面形状の再構築、図１０は、２次微分値のマッピング表示の様子を示す図である。

図１１は、ゼブラパターン投影写真（実物）による面ひずみ評価を示す図である。白と黒の直線状ストライプをもった光源を塗装したプレス品に写し込む（ゼブラ表示）ことにより、面ひずみによる外観不良を評価するものである。写り込んだ平行線が歪んで見える場合、面ひずみが発生していると判断でき、ドア取手部での平行線の歪が確認できる。

図１２は、実験による面ひずみ定量評価結果（実物）を示す図である。図１１と同様に白と黒の直線状ストライプをもった光源を塗装したプレス品に写し込み、さらにその画像をコンピュータ処理(二次微分処理)することで面ひずみを視覚化したものである。

図１３は、本発明による面ひずみ予測結果を示す図である。図１３に示した本発明による面ひずみ予測結果の評価値分布と、図１１および１２はよく一致しており、本発明による面ひずみの発生位置と大きさを予測可能であるがことが分る。

本発明に係る面ひずみ予測・評価するための処理手順例を示すフローチャートである。 要素、材料特性の定義の様子を示す図である。 プレス成形過程の解析（残留応力表示）の様子を示す図である。 領域分割の様子を示す図である マルチステップ解析での解析の様子を示す図である。 応力解放後形状と板厚分布解析の様子を示す図である。 断面形状解析の様子を示す図である。 図７の一断面において、解析から得られたスプリングバッグ形状に素材板厚を考慮して求めた板表面形状に対して３次関数近似と二次微分解析の様子を示す図である。 断面形状から３次元の表面形状の再構築の様子を示す図である。 ２次微分値のマッピング表示の様子を示す図である。 ゼブラパターン投影写真（実物）による面ひずみ評価を示す図である。 実験による面ひずみ定量評価結果（実物）を示す図である。 本発明による面ひずみ予測結果を示す図である。

Claims (1)

1. 解析者が、自動車用ドアアウターパネルの対象領域を選択し、
   コンピュータを用いたシミュレーションまたは実験により、前記選択した対象領域の成形過程の解析をおこなった後、
   解析者またはコンピュータが、前記選択した対象領域を、取手部を中心とした同心円として複数領域に分割し、
   コンピュータが、分割した一領域の弾性回復を解析し、次いで、隣接する領域を合わせた拡大された領域について弾性回復量を解析することを順次繰り返すことにより、最終的に前記選択した対象領域全体の弾性回復した表面形状を、板厚中心を基準として求められた断面形状に成形解析から得られたプレス加工後の素材板厚の１／２分を足し合わせることによって求め、求めた表面形状の一方向を３次曲線で近似し、近似した３次曲線を二次微分した二次微分値の対象領域全体にわたる分布を求めて表示し、
   解析者が、前記表示した分布から自動車用ドアアウターパネルの面ひずみの発生位置および発生度合いを予測・評価することを特徴とする自動車用ドアアウターパネルの面ひずみ予測・評価方法。