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発明の名称 スポット溶接破断解析方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−90366(P2007−90366A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−280299(P2005−280299)
出願日 平成17年9月27日(2005.9.27)
代理人 【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
発明者 熊谷 孝士
要約 課題
共通の打点でスポット溶接される3枚以上の板のスポット溶接部に対して高い精度で破断解析を可能とするスポット溶接部の破断解析方法の提供。

解決手段
本発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法において、各板が、シェル要素によりモデル化され、3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルを用いて、所定の入力荷重条件下で解析を実行する解析ステップと、3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪の大きさを比較する比較ステップと、組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、比較ステップにより得られる比較結果と、解析ステップにより得られる解析結果を用いて、予測する予測ステップとを含むことを特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法において、
各板が、シェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルを用いて、所定の入力荷重条件下で解析を実行する解析ステップと、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪の大きさを比較する比較ステップと、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記比較ステップにより得られる比較結果と、前記解析ステップにより得られる解析結果を用いて、予測する予測ステップとを含むことを特徴とする、スポット溶接破断解析方法。
【請求項2】
前記破断の可能性の予測は、各組において、少なくとも、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、前記解析結果及び前記比較結果に基づくシェル要素の大きい方の歪に基づいて、行われる、請求項1に記載のスポット溶接破断解析方法。
【請求項3】
前記予測ステップでは、梁要素の要素力、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪を少なくともパラメータとして、該シェル要素に係る板側の破断の可能性を表す指標値を出力する所与の破断関数が用いられ、
該破断関数には、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、前記解析結果及び比較結果に基づくシェル要素の大きい方の歪が、入力され、
前記破断の可能性の予測は、各組において、前記破断関数の出力値に基づいて行われる、請求項1又は2に記載のスポット溶接破断解析方法。
【請求項4】
コンピューターをして請求項1〜3のいずれかに記載のスポット溶接破断解析方法を実行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5】
共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析装置において、
各板が、シェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルに基づく動的構造解析の解析結果を取得する手段と、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪の大きさを比較する比較手段と、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記比較手段による比較結果と前記解析結果とを用いて、予測する予測手段とを含むことを特徴とする、スポット溶接破断解析装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法等に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、2枚の板をあわせてスポット溶接構造を形成し、該スポット溶接構造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に描いた直径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、該公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測することを特徴とするスポット溶接構造の疲労寿命予測方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2003−149130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、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部は、例えば、各板を、シェル要素によりモデル化し、各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間を、梁要素を介してそれぞれ接続することでモデル化が可能である。かかる有限要素モデルでは、実質的に2枚の板同士をそれぞれ別々にスポット溶接したモデルとなる。即ち、例えば3枚打ちの場合、中央の板とその両側の板がそれぞれ別々にスポット溶接されたモデルとなる。
【0004】
従って、かかる有限要素モデルを用いる場合には、2枚の板を1組として組毎に、従来からの2枚の板のスポット溶接に関する整合性が確立されている破断判定方法を利用することができる。
【0005】
しかしながら、かかる破断解析方法をそのまま利用する場合には、一の組のおける破断解析において他の組の梁要素の要素力が考慮されないことになるので、2つの組に属する中央の板(即ち、2つの板(内側と外側の板)と組をなす中央の板)におけるスポット溶接部の破断の可能性を適切に解析・予測することができない。このため、各組における破断解析結果の精度が悪化しうるという問題点が生ずる。
【0006】
そこで、本発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の板のスポット溶接部に対して高い精度で破断解析が可能となるスポット溶接部の破断解析方法、及び、それを実行するためのコンピューター読み取り可能なプログラム、並びに、スポット溶接破断解析装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、第1の発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析方法において、
各板が、シェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルを用いて、所定の入力荷重条件下で解析を実行する解析ステップと、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪の大きさを比較する比較ステップと、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記比較ステップにより得られる比較結果と、前記解析ステップにより得られる解析結果を用いて、予測する予測ステップとを含むことを特徴とする。
【0008】
第2の発明は、第1の発明に係るスポット溶接破断解析方法において、前記破断の可能性の予測は、各組において、少なくとも、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、前記解析結果及び前記比較結果に基づくシェル要素の大きい方の歪に基づいて、行われることを特徴とする。
【0009】
第3の発明は、第1又は2の発明に係るスポット溶接破断解析方法において、前記予測ステップでは、梁要素の要素力、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪を少なくともパラメータとして、該シェル要素に係る板側の破断の可能性を表す指標値を出力する所与の破断関数が用いられ、
該破断関数には、前記解析結果に基づく梁要素の要素力、及び、前記解析結果及び比較結果に基づくシェル要素の大きい方の歪が、入力され、
前記破断の可能性の予測は、各組において、前記破断関数の出力値に基づいて行われることを特徴とする。
【0010】
第5の発明は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析装置において、
各板が、シェル要素によりモデル化され、前記3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素間が、梁要素を介してそれぞれ接続された有限要素モデルに基づく動的構造解析の解析結果を取得する手段と、
前記3枚以上の板のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪の大きさを比較する比較手段と、
組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を、前記比較手段による比較結果と前記解析結果とを用いて、予測する予測手段とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の板のスポット溶接部に対して高い精度で破断解析が可能となるスポット溶接部の破断解析方法、及び、それを実行するためのコンピューター読み取り可能なプログラム、並びに、スポット溶接破断解析装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
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。
【0013】
本発明に係るスポット溶接破断解析装置は、以下詳説する機能(スポット溶接破断解析方法)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。このソフトウェアは、全く新規のソフトウェアとして開発されてもよいが、既存の解析ソフトウェア(例えば、LS−DYNA、PAM−CRASH(共に登録商標)等)をベースにして作成することができる。又は、LS−DYNA、PAM−CRASH等の既存の解析ソフトウェアと協働して追加機能を提供する別のソフトウェアとして開発されてもよい。
【0014】
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。
【0015】
本発明によるスポット溶接破断解析方法は、その前提となるモデル作成段階を経て、解析段階において実行される。尚、解析段階での解析結果等に応じて、適宜、モデルの修正等がなされる。先ず、モデル作成段階について説明する。
【0016】
モデル作成段階では、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。尚、本発明は、以下で詳説する如く、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部の破断解析に関するものであるため、他の部分のモデル化手法については適切な手法が選択されていればよい。
【0017】
図1(A)は、解析対象となる構造物の一部、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部を示す。図1では、3枚の板1,2,3が、スポット打点位置Xにて、3枚合わせでスポット溶接されている。以下では、板1,2,3の設計上の板厚は、t1、t2、t3[mm]とする。
【0018】
図1(B)は、図1(A)に示すスポット溶接部周辺の部分の有限要素モデルの一例を示す斜視図である。各板1,2,3は、シェル要素(板要素)によりモデル化される。即ち、各板1,2,3のサーフェスがシェル要素によりメッシュ分割される。シェル要素の材料特性情報には、例えば、板1,2,3の板厚t1、t2、t3や、板1,2,3の材料に対応した弾性係数E、G、ポアソン比ν、係数C(後に説明)等が入力される。尚、以下では、板1,2,3のスポット打点位置Xに対応する各シェル要素を、“シェル要素S1,S2,S3”とも称する。尚、図1(B)のビューでは、板2,3の溶接部のシェル要素S2,S3は、板1のシェル要素により見えていない。
【0019】
図2(A)は、図1のA−A断面を模式的に示し、図2(B)は、スポット溶接部の有限要素モデルの断面を概略的に示す。図2(B)では、各シェル要素S1,S2,S3のノードのうちの2つのノードが模式的に示されている。例えば、図2(B)に示すシェル要素S1の両側のノードは、図1(B)に示すシェル要素S1のノードN1(N2)及びN3(N4)として理解されたい。
【0020】
図2(B)に示すように、3枚以上の板の各板のスポット打点位置に対応するシェル要素S1,S2,S3間は、梁要素(ビーム要素)B1,B2を介してそれぞれ接続されている。即ち、板1,2のシェル要素S1,S2間は、梁要素B1を介して接続され、板2,3のシェル要素S2,S3は、梁要素B2を介して接続されている。梁要素B1,B2の各ノードは、接続される側のシェル要素S1,S2,S3に対して接合される(この接合は、図2(B)において、点線の丸の囲いにより示される)。この接合は、図3に示すように、例えば特殊なバネ要素SP1〜SP4により、梁要素(B1又はB2)のノードと、接続される側のシェル要素(S1,S2又はS3)の4つのノード(シェル要素が三角形要素の場合は3つのノード)とを接続することでモデル化されてもよい。尚、図3では、シェル要素S1,S2,S3間の隙間Lは、有限要素モデルの説明の便宜上、非常に誇張して大きく示されている。
【0021】
尚、梁要素B1,B2の材料特性情報(例えば断面形状や各種弾性率)及びバネ要素SP1〜SP4の材料特性情報(例えば各種弾性率)は、実際のスポット溶接部に対する強度試験等のデータを用いて適切に設定される。特に、梁要素とシェル要素との間の接合は、梁要素のノードとシェル要素のノードとの間に適切な拘束関係がモデル化できている限り、如何なる態様でモデル化されてもよい。
【0022】
図4は、スポット溶接部の有限要素モデルのその他の実施例を概略的に示す断面視である。上述の図3の例では、梁要素B1,B2は、中央の板2側のノードを共有しているのに対して、図4に示す例では、梁要素B1,B2は、中央の板2側のノードを共有していない。この場合、梁要素B1,B2の板2側の2つノードは、図4に示すような態様で、それぞれ別々に、シェル要素S2に対して接合される。このように、梁要素B1,B2同士は、図3の例のように、直接接続されてもよいし、図4の例のように、シェル要素S2を介して拘束し合う関係でもよい。
【0023】
次に、上述のようにして作成される有限要素モデルを用いた解析段階について説明する。本実施例における解析段階では、板のスポット溶接部に衝撃を伴うような大きな力が作用する入力荷重条件の下、スポット溶接部の破断、即ち板の溶接跡(ナゲット)まわりの破断の可能性が解析/予測される。かかる解析は、板のスポット溶接部単体を評価するために、局所的に板のスポット溶接部だけをモデル化した有限要素モデルに対して実行されてもよいが、解析対象となる構造物全体の有限要素モデルを用いた動的構造解析・非線形構造過渡解析(典型的には、車両全体の衝突時の挙動(変形や衝撃値等)をシミュレートする衝突解析)の中で、当該構造物の含まれる板のスポット溶接部に、破断の可能性があるか否かを評価するために用いられるのが特に有用である。例えば、車両の場合は、何千点ものスポット溶接部があるが、車両全体の有限要素モデルを用いた衝突解析を行うことで、衝突過程のどの段階でどのスポット溶接部にどの程度の破断の可能性があるか評価することができる。
【0024】
図5は、本発明によるスポット溶接破断解析方法の主要な処理の流れを示すフローチャートである。
【0025】
ステップ100では、上述のようにして作成される有限要素モデル及び入力荷重条件が解析モデルとして入力される。入力荷重条件は、上述の如く例えば車両衝突をモデル化したものであってよい。
【0026】
ステップ110では、破断すると判定された場合のスポット溶接部の、その後の解析(動的構造解析)における取り扱い方法が設定される。本実施例では、破断すると判定されたスポット溶接部を分断する取り扱い方法と、そのまま分断させない取り扱い方法の、2通りの取り扱い方法の何れかがユーザにより選択される。各取り扱い方法については後に詳説する。
【0027】
ステップ120では、上記ステップ100で入力された解析モデルを用いて解析が実行される。以下、このステップ120の解析を「動的構造解析」ともいう。この動的構造解析が実行されると、所定の演算周期毎に時系列的な解析結果が出力される。尚、例えば大規模な限要素モデルを用いた衝突解析等においては、膨大な数の演算周期で演算が実行される。解析結果は、解析目的に応じて多様なパラメータの解析値を含みうるが、シェル要素の歪ε、歪速度dε/dtや、シェル要素に対して梁要素を介して伝達される要素力(力F,モーメントM)が含まれる。尚、歪εは、相当塑性歪(equivalent plastic strain)である。シェル要素に対して梁要素を介して伝達される要素力(以下、単に「梁要素の要素力」という)に関しては、力Fは、梁要素の軸方向の軸力Fa、及び、せん断力Fsを含み、モーメントMは、梁要素に加わる曲げモーメントを含む。これら梁要素の要素力(Fa,Fs,M)は、図6に模式的に示すように、2枚の板の間の各スポット溶接部に作用する軸力Fa、せん断力Fs、曲げモーメントMに相当する。尚、図6において、Fa,Fs,Mの記号の後に付されている数字は、組(梁要素)の番号に対応する。
【0028】
ステップ130では、上記のステップ120で得られる解析結果に基づいて、3枚の板1,2,3のうちの互いに隣接する2つの板の組み合わせを1組として、組毎に、梁要素で接続された2つのシェル要素の歪εの大きさが比較される。本例では、3枚の板1,2,3であるので、中央の板2と外側の板1の組と、中央の板2と内側の板3の組との2組があり、それぞれの組において、2つのシェル要素の歪の大きさが比較される。具体的には、中央の板2と外側の板1の第1組に関しては、シェル要素S2,S1のそれぞれの歪ε1、ε2の大きさが比較され、中央の板2と内側の板3の第2組に関しては、シェル要素S2,S3のそれぞれの歪ε2、ε3の大きさが比較される。
【0029】
ステップ140では、上記のステップ120で得られる解析結果と、上記のステップ130で得られる比較結果とに基づいて、スポット溶接部の破断の可能性が解析/予測される。以下、このステップ140の解析を「破断解析」ともいう。
【0030】
本ステップ140において、本実施例では、図7に模式的に示すように、組毎に、各組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性が解析/予測される。本例では、3枚の板1,2,3であるので、中央の板2と外側の板1の組と、中央の板2と内側の板3の組との2組があり、それぞれの組において、互いに独立した態様で、2つの板間のスポット溶接の破断解析がなされる。
【0031】
具体的には、梁要素の板厚情報(板の板厚t)、梁要素の要素力F,M、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の歪ε、歪速度dε/dt、材料特性に依存する係数Cを、入力パラメータ(変数)として、該シェル要素に係る板の破断の可能性を表す指標値を出力する破断関数F(t,F,M,ε,dε/dt,C)が用いられる。破断関数Fには、シェル要素の既知の板厚情報(板の板厚t)と、動的構造解析の解析結果に基づいて得られる解析値(F,M,ε,dε/dt)が入力パラメータとして入力され、そのときの破断関数Fの出力値と所与の基準値Fcr(破断判定値Fcr)との比較結果に基づいて、破断の可能性が解析/予測される。各組において、2つの板間のスポット溶接の破断は、それぞれの板側で別々に発生しうるため、破断関数Fは、各組において、それぞれの板に対して別々に適用される(即ち各組において、それぞれの板側で、計2つの破断関数Fの出力値が得られうる)。
【0032】
破断関数Fの出力値に基づく破断の可能性が解析/予測は、原則的に、破断関数Fの出力値が破断判定値Fcrを超えた場合には、当該組の板間のスポット溶接の破断が起こると判定するものであってよい。この場合、破断の可能性は、ゼロ%又は100%の何れかで評価されることになる。但し、例えば、破断関数Fの出力値の破断判定値Fcrに対する比を負荷率と定義して、破断の可能性をリニアに評価することも可能である。
【0033】
ここで、破断関数F(係数C、及び、破断判定値Fcr)は、2枚板のスポット溶接部の破断試験結果に対して回帰等により適合されたものが用いられる(尚、破断関数Fの一例については、後に説明する。)。これは、3枚以上の板のスポット溶接部に対しても、上述の如く組毎に破断解析を行うことで、2枚板のスポット溶接部に対して確立された破断評価手法を流用できるためである(この場合、3枚以上の板のスポット溶接部に対して、新たに試験データを蓄積して、破断関数Fや破断判定値Fcrの適合を行う必要がなくなる)。
【0034】
しかしながら、かかる2枚板の破断試験結果に対して適合された破断関数Fを、そのまま3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用すると、中央の板2に係る破断解析を適切に行うことができない。これは、中央の板2には、2つの梁要素B1,B2のそれぞれの要素力(力F,モーメントM)があたかも互いに独立に作用するかのように破断関数Fが適用されることになるが、実際には、2つの梁要素B1,B2のそれぞれの要素力が、互いに影響しあいながら中央の板2の破断現象を支配するためである。
【0035】
そこで、本実施例では、図8に模式的に示すように、破断関数Fを3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用する際、組毎に、歪εの大きい方のシェル要素(板)側での破断の可能性を重視して、当該組の2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価する。尚、図8において、t,ε,εドット(=dε/dt),Cの記号の後に付されている数字は、板の番号に対応する。
【0036】
これにより、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても、2枚板のスポット溶接部に対して確立された破断評価手法を利用しつつ、高い解析精度を維持することができる。
【0037】
より詳細には、例えば図6に示すように、2つの梁要素B1,B2のそれぞれの要素力(力F1,F2,モーメントM1,M2)が中央の板2に作用する場合、同要素力が互いに独立に中央の板2に作用する場合に比べて、中央の板2における破断の可能性は小さいはずである。これは、中央の板2に作用する梁要素の要素力は、一方の側の梁要素の要素力が、他の側の梁要素を介して他の組のシェル要素にも伝達されるからである。それにも拘らず、破断関数Fを、そのまま3枚以上の板のスポット溶接部に対する破断解析に適用すると、中央の板2側におけるスポット溶接部の破断の可能性は、一方の側の梁要素の要素力しか考慮されずに評価されるので、誤って高く評価されてしまう。従って、この中央の板2側の評価結果をそのまま採用すると、破断解析の精度の悪化を招くことになる。
【0038】
これに対して、本実施例では、中央の板2の歪εが外側の板1又は内側の板3の歪εよりも大きくない場合には、外側の板1又は内側の板3側での評価結果に基づいて(中央の板2の評価結果に基づくことなく)、2つの板間のスポット溶接の破断の可能性が評価される。例えば、本実施例では、例え中央の板2のシェル要素S2の板厚情報t2、歪ε2、梁要素B1の要素力F2、M2等を破断関数Fに入力して得られる出力値が、破断判定値Fcrを超えた場合であっても、中央の板2の歪ε2が外側の板1の歪ε1よりも大きくない場合には、外側の板1のシェル要素S1の板厚情報t1、歪ε1、梁要素B1の要素力F1、M1等を破断関数Fに入力して得られる出力値が、破断判定値Fcrを超えない限り、中央の板2と外側の板1との間に、スポット溶接の破断が起こると判定されることはない。ここで、中央の板2の歪ε2は、中央の板2の板厚等の材料特性が、外側の板1又は内側の板3の材料特性よりも不利なときでも、実際に破断が生ずるような脆弱な材料特性でない限り(或いは実際に破断が生ずるような要素力の伝達態様でない限り)、中央の板2の歪ε2が外側の板1又は内側の板3の歪ε1又はε3よりも大きくなり難い。従って、本実施例によれば、中央の板2に実際に破断が生じる可能性が小さい場合に、中央の板2側で高くなりうる破断関数Fの出力値に基づく判定が無効化されるので、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても高い解析精度を維持することができる。
【0039】
図5に戻る。上述のようにしてスポット溶接部の破断の可能性が解析/予測され、ある組の板間のスポット溶接の破断が起こると判定された場合には、ステップ150に進む。例えば、ある梁要素の要素力(力F,モーメントM)、及び、該梁要素に接続されるシェル要素の板厚情報t、歪ε等を入力したときの、破断関数Fの出力値が、破断判定値Fcrを超えた場合には、当該梁要素を持つ組の板間のスポット溶接の破断が起こると判定され、ステップ150に進む。
【0040】
ステップ150では、上記ステップ110で選択された取り扱い方法に従って、破断すると判定されたスポット溶接部が分断され、又は、分断されずに維持される。
【0041】
具体的には、スポット溶接部を分断する取り扱い方法が選択された場合には、スポット溶接部を分断して解析モデルが更新される。このとき、3枚の板のスポット溶接部の分断は、例えば、破断すると判定された組の梁要素だけを消去することで実現される。この場合、次の演算周期から当該梁要素が存在しない解析モデルで上記ステップ120の動的構造解析が実行されることになる。例えば、中央の板2と外側の板1の第1組の破断解析の結果、これら2つの板間のスポット溶接に破断が発生すると判定された場合には、梁要素B1だけが消去され、以後、中央の板2のシェル要素S2と内側の板3のシェル要素S3との間のスポット溶接だけが有効な解析モデルより、上記ステップ120の動的構造解析が継続されることになる。これにより、スポット溶接の破断の可能性を解析するだけでなく、スポット溶接破断後の構造物の挙動(破断による影響)をも解析することができる。
【0042】
一方、スポット溶接部を分断しない取り扱い方法が選択された場合には、梁要素を消去することなくステップ160に進む。このような取り扱い方法は、例えばスポット溶接の破断が許容されない構造物の動的構造解析において有用であり、また、動的構造解析の不安定化を防止できる点でも有用である。スポット溶接の破断が許容されない構造物では、例えばスポット溶接が破断すると判定された場合には、当該スポット溶接の周辺に新たなスポット溶接を追加する等の対策が講じられ、再度、当該対策がモデル化された解析モデルにより動的構造解析及び破断解析が実行されることになる。
【0043】
尚、車両全体が解析対象の構造物である場合、複数のスポット溶接部が存在するが、この場合、スポット溶接部毎に、スポット溶接部の破断判定後の取り扱い方法を設定できるようにしてもよい。
【0044】
ステップ160では、上記ステップ120で実行される動的構造解析の終了条件がチェックされる。この終了条件は、適宜設定されるが、例えば動的構造解析として衝突解析を行う場合は、車両の衝突が終了した段階であってよい。動的構造解析の終了条件が満たされない限り、ステップ120に戻り、次の演算周期の動的構造解析が実行され、以後、同様に繰り返される。尚、上記ステップ140の破断解析(上記ステップ130の比較処理も同様)は、動的構造解析の演算周期毎に、当該演算周期で出力される動的構造解析の解析結果を用いて実行されてもよいし、動的構造解析の演算周期によりも長い周期毎に、当該周期で出力される動的構造解析の解析結果を用いて実行されてもよい。
【0045】
以上説明したように、本実施例によれば、動的構造解析の解析結果を用いて、梁要素に接続される2つのシェル要素のうちの、歪εの大きな方のシェル要素側で、破断解析を行うので、3枚以上の板のスポット溶接部の破断解析においても高い解析精度を維持することができる。
【0046】
次に、上述の実施例において用いられてよい破断関数F(破断判定方法)の一例を説明する。
【0047】
破断判定方法は、梁要素の軸力Fa及びモーメントMに起因するスポット溶接部(ナゲット)まわりの最大せん断応力τと、梁要素のせん断力Fsに起因するスポット溶接部(ナゲット)の最大引張応力σとに基づいて、以下の判定式で定義される。
【0048】
【数1】


ここで、tを板厚、rをナゲット半径(既知)として、
τ=Fa/(2π・t・r)+M/(α・t・r)であり、
σ=Fs/(1/2π・t・r)である。係数αは、シェル要素(板)の弾塑性特性(弾性〜全塑性の間の特性)に依存する値であり、破断関数Fのパラメータである係数Cに含まれる。
また、左辺の分母のσ及びτは、限界応力を表し、共に、歪速度dε/dtに依存した関数となる。σ及びτは、一例としてクーパー・シモンズの式を用いて、以下で定義される。
【0049】
【数2】


ここで、σ(c=p=0)及びτ(c=p=0)は、歪依存性のないときのシェル要素(板)の限界応力を表し、c及びpは、シェル要素(板)の材料特性により定まる係数であり、破断関数Fのパラメータである係数Cに含まれる。
この例では、結局、上記の数1の項(−1)を右辺に移項すると、破断関数Fとなり、破断判定値Fcrは1である(他言すると、破断判定値Fcrを1にして、各係数を適合させる)。
【0050】
この場合、中央の板2と外側の板1の第1組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B1の要素力F1(Fa1、Fs1),M1、及び、シェル要素S2の歪速度dε/dt(歪ε2の前回値と今回値の差分を1演算周期で除して得られる歪ε2の微分値、以下同様)、板厚情報t2及び係数C2(α2、c2、p2)が入力され、外側の板1の側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B1の要素力F1(Fa1、Fs1),M1、及び、シェル要素S1の歪速度dε/dt(歪ε1の微分値)、板厚情報t1及び係数C1(α1、c1、p1)が入力されることになる。そして、本実施例では、上述の如く、歪εの大きい方のシェル要素に係る破断関数Fの出力値と、破断判定値Fcrとの関係に基づいて、中央の板2と外側の板1の間のスポット溶接の破断の可能性が評価されることになる。
【0051】
同様に、中央の板2と内側の板3の第2組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B2の要素力F2(Fa2、Fs2),M2、及び、シェル要素S2の歪速度dε/dt、板厚情報t2及び係数C2が入力され、内側の板3側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、梁要素B2の要素力F2,M2、及び、シェル要素S3の歪速度dε/dt(歪ε3の微分値)、板厚情報t3及び係数C3(α3、c3、p3)が入力されることになる。そして、本実施例では、上述の如く、歪εの大きい方のシェル要素に係る破断関数Fの出力値と、破断判定値Fcrとの関係に基づいて、中央の板2と内側の板3の間のスポット溶接の破断の可能性が評価されることになる。
【0052】
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。
【0053】
例えば、上述した実施例では、動的構造解析と破断解析が同時並行的に実行されているが、動的構造解析の解析結果を用いて、後処理として破断解析を実行することも可能である。
【0054】
また、上述した実施例において、ある板に係る係数Cは、当該板と組をなす他の板の材料特性に応じて変化してもよい。例えば、中央の板2と内側の板3の第2組の場合、中央の板2側の破断の可能性を評価するときは、破断関数Fには、上述の各種パラメータの他、板3の材料特性に依存する係数C2が入力されてもよい。
【0055】
また、上述した実施例では、結果的に、歪εの大きい方のシェル要素を有する板側での破断関数Fの出力値だけを用いて、2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価していることになるが、代替的に、歪εの大きい方のシェル要素を有する板側での破断関数Fの出力値を主として、歪εの小さい方のシェル要素を有する板側での破断関数Fの出力値を従として、適切に重み付けを行って、2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価することも可能でありうる。
【0056】
また、上述した実施例では、各組において、2つのシェル要素の歪(相当塑性歪)εの大小の比較結果に応じて、破断解析対象となる板を決定しているが、本発明は、歪(相当塑性歪)εの比較結果と実質的に同じ比較結果をもたらす他のパラメータ(応力や歪に関連するパラメータ)を比較することを除外するものでない。
【0057】
また、上述した実施例は、代表的な例として3枚の板のスポット溶接に関するものであったが、図9に示すように、4枚の板1,2,3,4を同一打点で打つスポット溶接部に対しても、3つの組を生成して、組毎に、上述と同様の態様で、歪εの大きい方のシェル要素を有する板側で、2つの板間のスポット溶接の破断の可能性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】図1(A)は、共通の打点でスポット溶接される3枚以上の互いに重なる板のスポット溶接部を示す斜視図であり、図2(B)は、その有限要素モデルの一例を示す斜視図である。
【図2】図2(A)は、図1のA−A断面を模式的に示し、図2(B)は、スポット溶接部の有限要素モデルの断面を概略的に示す。
【図3】梁要素とシェル要素との接合をモデル化する有限要素モデルの一例を示す斜視図である。
【図4】スポット溶接部の有限要素モデルのその他の実施例を概略的に示す断面視である。
【図5】本発明によるスポット溶接破断解析方法の主要な処理の流れを示すフローチャートである。
【図6】梁要素の要素力(Fa,Fs,M)の説明図である。
【図7】3枚の板を同一打点で打つスポット溶接部の有限要素モデルと、組分け態様を示す図である。
【図8】本発明によるスポット溶接破断解析方法における各組における各板に対する破断関数Fを用いた破断判定態様を模式的に示す説明図である。
【図9】4枚の板を同一打点で打つスポット溶接部の有限要素モデルと、組分け態様を示す図である。
【符号の説明】
【0059】
1,2,3 3枚の板
S1,S2,S3 3枚の板のスポット溶接部のシェル要素
B1,B2 シェル要素間に接続される梁要素




 

 


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