针对成型品的分析模型的材料各向异性信息及板厚信息的设定方法和刚性分析方法

摘要

本发明的针对成型品的分析模型的材料各向异性信息及板厚信息的设定方法具有如下工序：展开坯料形状取得工序，在该展开坯料形状取得工序中，通过逆向成型分析将成型品的分析模型展开成坯料形状；板厚信息取得工序，在该板厚信息取得工序中，取得通过所述逆向成型分析获得的板厚信息；基准方向取得工序，在该基准方向取得工序中，基于展开坯料形状和部件获取坯料形状，取得展开坯料形状中的基准方向；基准方向设定工序，在该基准方向设定工序中，计算出展开坯料形状的所述基准方向和所述展开坯料形状内的各元素所构成的角度，并基于该计算出的角度对所述成型品的分析模型的各元素设定所述基准方向；以及板厚信息设定工序，在该板厚信息设定工序中，对所述成型品的分析模型的各元素设定通过所述板厚信息取得工序取得的所述板厚信息。

说明书

技术领域

本发明涉及使用具有各向异性(anisotropy)的材料的成型品的CAE(Computer  Aided Engineering：计算机辅助工程)分析方法，特别是涉及针对成型品的分析模型 的各向异性信息及板厚信息的设定方法和以所述设定方法为前提的刚性分析方法。

背景技术

近年来，特别是在机动车产业中，由于环境问题而正在推进车体的轻量化，对于 车体的设计来说，CAE分析成为不可或缺的技术(例如专利文献1)。并且，已知输 入的材料(金属板，例如钢板)的机械特性值会对该CAE分析结果造成大的影响， 在成型分析(press-forming analysis)中，主要是YS(屈服强度)、TS(拉伸强度)、 r值(兰克福特值)发挥作用，在刚性分析(stiffness analysis)中，杨氏模量等弹性 值与在分析中得到的位移成比例地发挥作用，在碰撞分析(crashworthiness analysis) 中，YS、TS等材料强度值较大地发挥作用。

另一方面，在材料中，存在其机械特性具有大的面内各向异性(in-plane  anisotropy)的材料(将这种材料称为各向异性材料)，特别是已知：对于通过轧制制 造出的材料来说，从根据(最大－最小)/最大×100计算出的特性变化幅度来看，所 述材料在轧制方向(L方向)、其直角方向(C方向)、45°方向(D方向)上存在2～ 50％的特性变化。

在CAE分析时，在分析对象是其机械特性恒定而与面内方向无关的材料(各向 同性材料，isotropic material)时，不会产生方向性的问题，但在分析对象是各向异性 材料时，当输入该材料的与主变形方向不同的方向上的机械特性值时，则会取得与没 有各向异性的情况下的计算结果不同的计算结果。

因此，在各向异性材料中，需要对将分析对象分割成多个元素而成的分析模型的 各元素设定与机械特性的面内各向异性相关的信息(将该信息称为各向异性信息)。

各向异性信息是用于提供与任意的方向相对应的机械特性值的信息，以某个方向 (例如所述L方向或所述C方向或者它们之间的方向)作为基准方向，该各向异性 信息被作为相对于该基准方向的方位角度与机械特性的对应关系信息来提供。各向异 性信息可以预先以表或函数的形式提供，可以存储该各向异性信息并通过分析程序来 利用。

关于基准方向和方位角度的关系，以上述的轧制材料为例具体说明。假设以所述 C方向为基准方向(方位角度0°)，则方位角度90°的机械特性是所述L方向的机械 特性，方位角度45°的机械特性是所述D方向的机械特性。并且，若以所述L方向为 基准方向，则作为相对于该基准方向来说方位角度为90°的机械特性，参照表，是处 于与所述L方向垂直的关系的所述C方向的机械特性。

基准方向在分析画面上以各元素内的1个箭头表示(例如参照图4)，该基准方 向被固定于分析模型的各元素，如果各元素移动旋转，则该基准方向也同样移动旋转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2004-171144号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，在对机动车产业中的车体使用上述那样的各向异性材料的情况下，在 CAE分析中，需要对分析模型设定各向异性信息。

但是，在车体的设计中，一般是首先决定车体的形状，再针对该形状制作分析模 型并进行刚性分析。

如果不对基于形状的分析模型提供各向异性信息，在这样的状态下，即便进行刚 性分析，也无法进行正确的分析。因此，在以往，作为分析的前序阶段，进行下述操 作：为了对分析模型设定各向异性信息，根据人的直觉来对分析模型的每个元素输入 各向异性信息。

但是，在现在的车体的分析模型中使用的元素数量是30万至50万的程度，全部 通过人工输入是极其困难的。

并且，实际的成型品形成为由曲面构成的复杂的形状，无法凭借人的直觉正确地 把握由成型决定的各元素的移动旋转，难以输入适当的各向异性信息。

因此，即便依靠人的直觉输入各向异性信息，之后的刚性分析结果与对应的实际 成型品的刚性试验或碰撞试验的结果不符的情况也没有变少。

并且，在上述的仅使形状模型化的分析模型中，也没有设定与压力成型相伴随的 板厚的变化信息即板厚信息。

但是，板厚信息在进行更正确的CAE分析上是非常重要的。例如，由于以机动 车的车体为代表的使用薄板的结构体被进行了压力成型，因此，根据部件的位置，板 厚与原板厚不同。例如，R部分或伸出的部分变薄，起皱的部分变厚。

在像这样板厚变薄或变厚的情况下，该部分的刚性和碰撞特性减少或增加。因此， 为了进行正确的CAE分析，要求进行考虑了板厚信息的分析。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，发明人仔细研究了不依赖人工输入、正确且能够大幅缩短计 算时间的各向异性信息及板厚信息的设定方法。

压力成型品通常是通过从轧制材料等各向异性材料获取坯料并对该坯料进行压 力成型来取得的，因此可以通过其他途径得到坯料获取的数据(部件获取坯料形状)。 在该坯料获取的数据中，可知各向异性材料和坯料部件的相对位置关系，因此如果能 够取得各向异性材料的基准方向，就能够取得坯料部件中的各向异性信息的基准方 向。

另一方面，通过对压力成型品的分析模型进行逆向成型分析(analysis of reverse  press-forming)而展开成坯料形状所获得的展开坯料形状应该是与部件获取坯料形状 相同的形状，因此，通过对两者进行比较，能够取得展开坯料形状中的基准方向。

接下来，对于在取得展开坯料形状中的基准方向时将其设定于成型品的分析模型 中的方法进行研究。

由于成型品的分析模型中的各元素微小，所以，即使通过逆向成型分析将成型品 的分析模型展开成坯料形状，其变形也极小。并且，即使发生变形，也是正方形变成 长方形或平行四边形这样的情况。

因此，如果是各元素没有变形或者变形成长方形的情况，则各元素的边和元素内 的某个方向例如所述基准方向的相对位置关系在逆向成型分析的前后不发生变化。

并且，即使在元素变形成平行四边形的情况下，通过加上元素的垂直的边的变化 量，就能够在逆向成型分析的前后求出元素的边和元素内的某个方向的相对关系。

在分析模型中，对应于每个元素都具有变形前和变形后即成型或逆向成型分析的 前后的节点(节点)的坐标信息，因此能够利用将元素的节点(节点)连接起来的直 线求出元素的边。

因此，通过取得将展开坯料形状中的各元素的节点(节点)连接起来的直线和各 向异性信息中的基准方向所构成的角度，能够求出展开坯料形状中的元素的边和基准 方向的相对位置关系，从而能够基于该角度容易地对成型品的分析模型设定基准方 向。

并且，通过进行将成型品展开成坯料形状这样的逆向成型分析，能够取得各元素 的板厚信息。

本发明是基于以上认识而完成的，具体由以下结构构成。

(1)本发明的针对成型品的分析模型的材料各向异性信息及板厚信息的设定方 法是使用计算机对成型品的分析模型设定材料各向异性信息和板厚信息的方法，其特 征在于，所述针对成型品的分析模型的材料各向异性信息及板厚信息的设定方法具有 如下工序：展开坯料形状取得工序，在该展开坯料形状取得工序中，通过逆向成型分 析将所述成型品的分析模型展开成坯料形状；板厚信息取得工序，在该板厚信息取得 工序中，取得通过所述逆向成型分析获得的板厚信息；基准方向取得工序，在该基准 方向取得工序中，基于通过所述展开坯料形状取得工序取得的展开坯料形状、和部件 获取坯料形状，取得所述展开坯料形状中的基准方向，所述部件获取坯料形状是从原 料板得到部件时的部件获取形状，并且，关于所述部件获取坯料形状，预先设定了所 述原料板的与机械特性的面内各向异性相关的所述基准方向；基准方向设定工序，在 该基准方向设定工序中，计算出通过所述基准方向取得工序取得的所述展开坯料形状 的所述基准方向和所述展开坯料形状内的各元素所构成的角度，并基于该计算出的角 度对所述成型品的分析模型的各元素设定所述基准方向；以及板厚信息设定工序，在 该板厚信息设定工序中，对所述成型品的分析模型的各元素设定通过所述板厚信息取 得工序取得的所述板厚信息。

(2)并且，在上述(1)所述的方法中，其特征在于，所述机械特性是从杨氏模 量、屈服强度、拉伸强度、r值以及应力-应变曲线中选择的至少1种。

(3)并且，一种刚性分析方法，其特征在于，在上述(1)或(2)所述的方法 中，以所述基准方向设定工序和所述板厚信息设定工序后的所述成型品的分析模型作 为分析对象进行刚性分析。

(4)并且，一种碰撞分析方法，其特征在于，在上述(1)或(2)所述的方法 中，以所述基准方向设定工序和所述板厚信息设定工序后的所述成型品的分析模型作 为分析对象进行碰撞分析。

发明效果

根据本发明，分析全部由计算机进行，对分析对象内的各元素设定的与机械特性 的面内各向异性相关的基准方向正确地反映了事实，并且能够实现所述基准方向的自 动输入，大幅缩短了制作时间。并且，当对得到的计算形状的成型品进行刚性分析和 碰撞分析时，计算值与实验值较好地实现了一致，能够实现变形仿真的高精度化。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的一个例子的说明图。

图2是示出本发明的成型分析结果的一个例子的说明图。

图3是示出本发明的成型分析结果的一个例子的说明图。

图4是示出以往的成型分析结果的一个例子的说明图。

图5是将本发明例1和比较例1的刚性分析结果与实验值比较并示出的图表。

图6是将本发明例2和比较例2的刚性分析结果与实验值比较并示出的图表。

图7是说明本发明的前提的说明图。

图8是对各向异性信息进行说明的图。

具体实施方式

以下，分析全部通过计算机进行。图1是示出本发明的实施方式的一个例子的说 明图。1是成型品的分析模型，在分析模型1中未设定各向异性信息和板厚信息。

分析模型1的材料是各向异性材料(在本例中是冷轧钢板带)。该材料的各向异 性信息是相对于所述基准方向的方位角度和机械特性的对应关系信息，这里以表的形 式存储。

作为所述基准方向，采用了从C方向绕逆时针旋转角度θ(也将该角度θ称作基 准方向相对于C方向的角度)后的方向(参照图8)。在所述表中保存有与θ＝0°、45°、 90°这3个角度分别对应的机械特性值，通过在该表上指定θ，能够进行所述基准方 向的设定或变更。若指定θ＝0°，则C方向成为基准方向，若指定θ＝45°，则从C方 向绕逆时针旋转45°的方向成为基准方向，若指定θ＝90°，则从C方向绕逆时针旋转 90°的方向(＝L方向)成为基准方向。所述表内的机械特性值是杨氏模量、屈服强度、 拉伸强度、r值以及应力‐应变曲线的各数据。对于这些机械特性值，根据要进行的 分析的种类(前述的刚性分析、碰撞分析)，来选择并使用该分析所需要的机械特性 值。

在以下说明中，列举基准方向相对于C方向的角度θ＝0°、即将C方向作为基准 方向的情况为例进行说明。

在CAE分析中，如图1的(a)所示，分析模型1被网格划分成多个区域。该划 分出的多个区域的一个个区域是元素。

在第1步骤[1](在下述(A)(B)(展开坯料形状取得工序)及下述(B)(板厚 信息取得工序)中，对分析模型1进行逆向成型分析，将该分析模型1展开成作为平 面形状的坯料(展开坯料形状2)(参照图1的(b))，同时取得分析模型1中的板厚 分布信息。

逆向成型分析是对作为对象的制品形状进行逆向成型而使其恢复成平板的分析。 具体地，针对作为对象的制品形状制作有限元模型，通过使应变能变得最小(元素彼 此不重叠，并且各元素的变形最小)的方式处理该有限元模型，由此将该有限元模型 展开成平面。

然后，通过使展开的平面的有限元模型的各元素的变形或板厚等状态反映到展开 前的制品形状的有限元模型的对应的元素中，由此能够得到关于展开前的制品形状的 板厚分布状态等。

在第2步骤[2](下述(C)(基准方向取得工序))中，使展开坯料形状2移动旋 转并与部件获取坯料形状4的方向一致，由此能够取得展开坯料形状2与原料板(steel sheet)3的相对位置关系。另外，预先输入有部件获取坯料形状4的数据(参照图1 的(c))。

为了使图1的(b)的展开坯料形状2与图1的(c)的部件获取坯料形状4一致， 只要将图1的(b)的展开坯料形状2旋转180°即可。这样，能够基于原料板3的基 准方向对展开坯料形状2的各元素设定基准方向。另外，如上所述，在本例中，将基 准方向相对于C方向的角度θ设定为0°，C方向成为基准方向。对原料板3设定C 方向作为基准方向即可。

在第3步骤[3](在下述(D)(E)(基准方向设定工序)及下述(F)(板厚信息 设定工序)中，首先，如图7所示，根据在(A)中取得的节点序号1和节点序号2 的X坐标、Y坐标，并通过外积(outer product)计算出连结节点序号1和节点序号 2的直线与基准方向所构成的角度α(下述(D))。

在某个元素中，在元素的形状没有发生变化或者从正方形变化成长方形的情况 下，如上所述，角度α在展开坯料形状2的状态时和分析模型1的状态时不发生变化。 因此，只要基于角度α就能够在分析模型1中根据连结所述节点序号1和节点序号2 的直线进行逆运算来设定基准方向。

并且，在某个元素中，在元素的形状从正方形变形成平行四边形的情况下，只要 求出相邻的边的角度变化量并将其加入角度α，就能够设定分析模型1中的基准方向。

因此，针对展开坯料形状2的全部元素求出角度α，并针对与展开坯料形状2的 各元素相对应的分析模型1内的全部元素基于角度α一并设定基准方向(下述(E))。 这样，能够自动地在极短时间内对分析模型1内的各元素设定基准方向。

接下来，在下述(F)中，输入在(B)中取得的板厚信息作为分析模型1的各 元素的板厚信息。

如上所述，能够对分析模型1正确地设定各向异性信息和板厚信息。

总结上述工序，如下所述。

(A)取得原分析模型的信息：

取得计算出的元素(element)的节点序号1、节点序号2。

(B)将原分析模型恢复成坯料的形状：

采用Onestep等逆向成型分析，使具有3维形状的制品形成为2维的平板的状态， 同时取得分析模型中的板厚分布信息。

(C)坯料的配置：

使坯料相对于LC方向移动旋转来配置。

(D)计算坯料中的角度：

根据在(A)中取得的节点序号1和节点序号2的X坐标、Y坐标，并通过外积 计算出连结节点序号1和节点序号2的直线与基准方向所构成的角度。

(E)分析模型中的角度的设定：

基于在(D)中计算出的角度对原分析模型的元素设定基准方向。

(F)分析模型的板厚的设定：

将在(B)中取得的板厚输入原分析模型的元素的板厚信息中。

实施例1

基于具体的实施例对本发明的材料各向异性的计算方法的作用效果进行说明。

在实验中，针对基准方向相对于C方向的角度θ(材料角度θ)分别为0°、45°、 90°的情况，取得各向异性信息及板厚信息设定后的分析模型5。然后对这些分析模 型进行刚性分析并计算出刚性值(本发明例1)。作为材料，使用了590MPa级冷轧 钢板。

并且，制作与这些分析模型对应的实际成型品，施行与刚性分析对应的刚性试验 (刚性确认实验)，求出刚性值(实验值1)。

并且，作为比较例，对作为相同目标的立体形状手动输入各向异性信息，对于设 定了通过下述成型分析方法得到的各向异性信息及板厚信息后的分析模型5(θ＝0°的 情况如图4所示，对θ＝45°、90°的情况省略图示)也同样进行刚性分析并计算出刚性 值：在该成型分析方法中，将板厚设定为恒定(比较例1)。

首先，对表示分析模型5中的基准方向的箭头的朝向进行说明。

图2、图3是通过本发明的成型分析得到的最终计算形状的分析模型5。在图2、 图3中，(a)、(b)、(c)分别是基准方向相对于C方向的角度θ为0°、45°、90°的情 况。已知以适合实际状态的形式对分析模型5的全部元素设定了表示基准方向的箭 头。

图4是关于比较例的、基准方向相对于C方向的角度θ为0°的情况示出结果的 图。虽然基准方向相对于C方向的角度θ是0°，但由于依靠人的直觉对立体形状的 各元素输入表示基准方向的箭头，因此，在直线状部(图4的(a))，在相邻的元素 之间存在方向相反的部位，在曲线状部(图4的(b))，由于对每个大的区块都输入 有表示基准方向的箭头，因此成为与实际状态完全不一致的设定。

并且，在表1中示出了在本发明和比较方法中对基准方向的设定(箭头输入)所 需要的时间进行比较的例子。根据表1可知，根据本发明，即使在元素数量少至1000 的情况下，基准方向设定所需时间也只有以往的1/3，在元素数多至10000的情况下， 基准方向设定所需时间是以往的1/27，与以往相比，基准方向设定所需时间明显缩短。

[表1]

  本发明 比较方法 网格数1000 10 30 网格数10000 11 270

接下来，基于表2、表3及图5对刚性分析的结果进行说明。

[表2]

表2示出了与各材料角度(°)对应的实验值1、本发明例1以及比较例1的刚 性值(kN·mm/mm)。

并且，表3示出了下述这样的表格：该表格基于表2表示本发明例1和比较例1 与实验值1背离了多少(背离度(％))。

[表3]

如图5所示，在本发明例1中，在任意的、基准方向相对于C方向的角度θ(材 料角度)的情况下都是非常接近实验值1的值。另一方面，在比较例1中，在θ＝0° 的情况下，是比较接近实验值1的值，但在θ＝45°、90°的情况下，与实验值大不相同。

如上所述，本发明例1的基于刚性分析的变形仿真所得到的刚性值预测精度与比 较例1相比明显提高。即，根据本发明，能够取得更加正确地设定了各向异性及板厚 的最终计算形状的分析模型5。

另外，对于在上述内容中进行碰撞分析来代替刚性分析的情况，也同样地进行实 施，得到了同样的结果。

实施例2

并且，为了确认材料的各向异性的不同所导致的效果的不同，使用了各向异性比 在上述实施例1中使用的590MPa级冷轧钢板大的冷轧270MPa级冷轧钢板，进行与 实施例1相同的实验。在表4、表5及图6中示出结果。对各图表的看法与对表2、 表3及图5的看法相同。

[表4]

[表5]

观察表5，在比较例2中，与实施例1的情况(参照表4)相比，与实验值2的 背离在材料角度为0°的情况下大致相同，但在45°或90°的情况下，与实验值2的背 离度成为较大的值。这可以认为是因为：由于使用了各向异性更大的材料，背离表现 得更加显著。关于这一点，在本发明例2中可知：在任意的材料角度的情况下，都与 实验值2非常一致，从而大大提高了CAE分析精度。

标号说明

1：分析模型(各向异性信息及板厚信息设定前)；

2：坯料；

3：原料板(取得坯料后的原料板)；

4：部件获取坯料形状；

5：分析模型(各向异性信息及板厚信息设定后)。