JP3609600B2 - Structural strength analysis method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の強度解析方法に関し、例えば、自動車等の車両を構成する構造体としての各種部材の強度解析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、例えば、自動車等の車両の設計・解析においては、コンピュータシミュレーション等により、その車両の衝突や強度等に対する各種性能が解析されている。また、本願出願人は、車両の強度解析技術の一例として、例えば特許法30条第1項の規定の適用を受けて特願平9−263294号を提案している。
【0003】
このような車両の強度解析技術においては、実際の材料特性に可能な限り近いパラメータを使用することが、正確な解析を行う上で重要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に製造する構造体(被加工物)は、プレス加工等により成形されることにより、原材料が単一材料(素材)であっても部位によって材料特性や材料の厚さが様々に変化している。
【0005】
図1は、一般的なプレス加工及びその加工による鋼板の変形を示す図である。車体部品の多くは、同図に示すようなプレス加工によって成形される。その際、素材である鋼板には、加工硬化や板厚変化が発生し、単一材料であっても部位によって材料特性や板厚が異なった状態となる。
【0006】
そこで従来は、解析の対象となる構造物から、JIS(日本工業規格)5号試験片に見られるような試験片を切り出し、その試験片を使用して引張り試験等の材料試験を行うことより、解析に使用するパラメータを入手している。
【0007】
しかしながら、上記の試験片を切り出すためには、ある程度の広さを持った平面部が必要であり、例えば、衝突圧潰特性に寄与が大きいとされる部材綾線部のように、面積が小さかったり、曲率が大きい箇所においては、材料特性の把握が困難である。
【0008】
また、解析対象となる構造物の多くの箇所から試験片を切り出し、引張り試験を実施するには多くの時間を必要とするため、正確な解析業務を行おうとするほど、コンピュータによって実際に解析を行うまでのリードタイムの長さが問題となる。
【0009】
そこで本発明は、加工による材料の変化を考慮し、強度解析を正確且つ容易に行う構造体の強度解析方法の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る構造体の強度解析方法は、以下の構成を特徴とする。
【0011】
即ち、加工により成形された構造体の強度解析方法であって、前記構造体を構成する材料と同じ種類の材料について、予め歪み量と硬度との関係を求め、前記構造体の各部の硬度を計測し、その計測した硬度に応じて前記歪み量と硬度との関係を参照することにより、前記構造体の各部の歪み量を推定し、その推定した歪み量に基づいて、前記構造体の各部における材料の厚さを算出し、その算出した材料の厚さに基づいて、前記構造体の強度を解析することを特徴とする。
これにより、加工による材料の変化を考慮し、正確且つ容易に構造体の強度解析を行う。
【0012】
また、例えば、前記構造体の強度を解析するに際して、更に、所定材料の応力・歪み特性を、前記推定した前記構造体の各部の歪み量に応じて変更した特性を用いることにより、更に解析精度をする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る構造体の強度解析方法の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
本実施形態では、構造体の一例として、正面衝突時の主要なエネルギー吸収部材であるところの自動車のフロントサイドフレームを対象として、生産加工段階で発生する加工硬化及び板厚変化を推定し、その推定した加工硬化及び板厚変化が、部材(フロントサイドフレーム)の衝突圧潰特性に与える影響を計算解析手法を用いて分析する。
【0015】
はじめに、検討対象であるフロントサイドフレームについて説明する。
【0016】
図2は、検討対象であるフロントサイドフレームの全体を示す斜視図である。同図に示すフロントサイドフレームは、プレス加工で製作した試作品であり、フレーム先端部付近に衝突時の変形挙動を安定化させるためのビードがあるのが特徴である。本実施形態では、一例として、当該フロントサイドフレーム(以下、フレームと称する)の材質を、図3に示した何れも板厚1.6mmの3種類の鋼板(TRIP,SAPH400,SPHC)にて製作した。
【0017】
<ステップ1:ビッカース硬さ分布の計測>
成型時に部材に生じる歪み量を調べる方法としては、スクライブドサークル法がよく使われているが、この手法では角部のような局所的な歪み量を調べることができない。そこで、本実施形態では、フレームの複数の断面におけるビッカース硬さの分布を計測し、その計測値に基づいて部材各部に生じる材料特性変化及び板厚変化を推定する。
【0018】
ビッカース硬さの分布の計測箇所としては、図2に矢印で示したように、フレームのビード部及び基本断面部を選び、断面周方向に約5mm間隔で計測する。
【0019】
次に、図4に示すように、フレーム断面を平面部と角部とで▲1▼から▲9▼の9領域に分割し、断面周方向に約5mm間隔で計測したビッカース硬さの計測値を、該領域毎に平均値を算出する。この結果を、図5から図7に材質毎に示す。
【0020】
図5から図7は、本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である。
【0021】
同図から判るように、ビッカース硬さは、高強度材ほど高い計測値を示している。また、断面部におけるビッカース硬さは、何れの材質も同様な分布であり、フレーム垂直面(▲5▼)と比較して角部(▲2▼,▲4▼,▲6▼,▲8▼)及び水平面(▲3▼,▲7▼)の硬度が高く、これらの部位により多くの加工硬化が生じていることが判る。
【0022】
また、最も母材硬度に近いと思われる垂直面の硬度を基準として、各材質の硬度増加率を比較すると、C材(SPH)のビッカース硬さが最も高く、角部で33%、水平面で27%の硬度増加が見られる。次に硬さ増加率が大きいのはA材(TRIP)であり、B材(SAPH400)が最も小さい結果となった。
【0023】
以上、ステップ1では、フレーム断面の各部のビッカース硬さの分布を計測した。
【0024】
<ステップ2:材料特性変化の推定>
次に、ステップ1で計測した各材料のビッカース硬さ分布に基づいて、フレーム各部に生じている塑性変形量を推定する。
【0025】
具体的には、塑性変形量を推定に先立って、まず、JIS5号試験片を用いて、歪み量の異なる引っ張り試験を行い、その試験により生じた各歪み量に応じて評点間のビッカース硬さがどのように変化するかを計測し、塑性歪みとビッカース硬さとの関係を調べた。
【0026】
図8は、本発明の一実施形態としての各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を示す図である。同図に示すように、高強度の材質ほどビッカース硬さも高い値を示しており、また、何れの材質も塑性歪みの増加に伴ってビッカース硬さが増加する傾向が見られる。ビッカース硬さは、歪みの小さい領域で急激に増加するが、その歪みの増加に伴って、ビッカース硬さの増加の傾きが緩やかになっている。また、歪み0時の硬度を規準にビッカース硬さの増加率を比較すると、A材及びC材が大きく、逆にB材が小さい傾向が見られる。
【0027】
上述した各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係(図8)は、予めコンピュータの記憶装置等に、参照可能なデータベースとして格納しておけばよい。
【0028】
次に、上記の各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を用いて、ビッカース硬さ分布から部材各部の塑性歪み(塑性変形量)を、材質Aの材料について推定した結果を図9に示す。図9において、塑性歪みは、ビッカース硬さと同様に、垂直面で低く、角部(特にフランジ付け根部分)及び水平面において高い値を示している。角部の歪みが高いことは容易に想像できるが、水平面でも略同程度の塑性歪みが発生していることが判る。また、塑性歪みは、垂直面で1〜2%程度、角部(フランジ付け根)及び水平面で10%程度と推定される。
【0029】
以上、ステップ2では、ステップ1で計測したビッカース硬さの分布に基づいて、部材各部に生じている材料特性変化として、塑性歪みを推定した。この塑性歪みは、加工硬化に相当する。
【0030】
<ステップ3:板厚変化の推定>
次に、材料の板厚の変化については、ビッカース硬さ分布から推定した部材各部の塑性歪み(図9)に基づいて、以下のような手法で推定する。本実施形態では、図10に示すa×b、板厚tの板の引っ張り動作を考える。
【0031】
塑性歪みをεp、ポアソン比をνとすると、長さaは(1+εp)×a、長さbは(1−νεp)×bと置くことができる。
【0032】
引っ張り動作の前後で鋼板の体積が変化しないとすると、変形後の板厚t’は以下の式で与えられる。
【0033】
t’=t/{(1+εp)×(1−νεp)} ・・・・・・・・(1)
上記の(1)式に基づいて、材質Aの材料について算出した板厚分布の推定結果を図11に示す。同図から判るように、フレームの角部や水平面のように、塑性歪みの大きい箇所ほど板厚減少が大きくなっている。また、●印は、実際にフレームを切断して計測した実測値であり、これらの実測値は、(1)によって塑性歪みから推定した値と略一致しており、本推定法が妥当であることが判る。
【0034】
以上、ステップ3では、ステップ2で推定した塑性歪み(図9)に基づいて、部材各部に生じている板厚変化を推定した。
【0035】
<ステップ4:計算解析によるフレーム単体の衝突解析(強度解析)>
次に、上述したステップ2によって得られた「塑性歪み」、そしてステップ3によって得られた「板厚分布」の推定結果に基づいて、計算解析を用いてフレーム単体の強度解析として、所謂、衝突圧潰解析を行うことにより、加工硬化と板厚変化とが部材圧解特性に及ぼす影響を調べる。尚、本実施形態では、解析に所謂、動的陽解法FEM(PAM−CRASH)を用いるが、これに限られるものではない。
【0036】
ここで、加工硬化の影響の計算解析は、まず、JIS5号試験片の応力−歪み曲線であるところの、ベースとなる材料の応力−歪み曲線(曲線A)を用意し、その曲線を、図12に示すように、ステップ2にて推定した塑性歪みの量に応じてスライドさせ、これにより曲線Bを求める。そして、曲線Bで表わされるような材料特性データをフレーム断面の部位毎に求める。そして、それらのデータを計算解析モデルに組み込み、計算解析を行う。このとき、設定すべき他の解析条件として、本実施形態では、衝突速度は9m/secとし、モデル後端に台車に相当する質量を付加した。
【0037】
図13は、本発明の一実施形態として、均一な特性とした場合の材質Aの材料についての変形モード図である。また、図14は、本発明の一実施形態として、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合の材質Aの材料についての変形モード図である。
【0038】
図13及び図14において、潰れ前半(潰れ量150mm付近まで)の変形は、ビードの効果により何れの場合も略一様な軸圧縮モードとなる。また、潰れ後半は、フレーム中央部(断面収縮部)で曲げ変形が発生するが、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合には、全体の潰れ量が減って、折れ曲がり量が減少している様子が判る。尚、図面は省略するが、B材、C材についても変形モードの傾向は略同様である。
【0039】
図15から図17は、本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図であり、加工硬化と板厚変化とを考慮している場合を”Mat.&Thick.change”と、そうでない場合を”Uniform”としている。
【0040】
図15から図17に示すように、何れの材質についても、加工硬化と板厚変化とを考慮することにより、フレーム全体を均一な特性(以下、単に「均一な特性」と省略する)で計算した場合と比較して、圧潰荷重が増加する結果が得られた。特に、n値の高いA材/C材で顕著な圧潰荷重の増加が見られる(A材で最大8.5%の平均荷重増加)。また、B材も若干ではあるが圧潰荷重が増加している。
【0041】
図18は、本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重の平均値の比較結果を示す図であり、この図においても、加工硬化と板厚変化とを考慮している場合を”Mat.&Thick.change”と、均一な特性とした場合を”Uniform”としている。
【0042】
図18に示すように、変形モードが略一定である潰れ量150mm区間の平均圧潰荷重を比較すると、A材:8.5%、C材:6.5%の荷重増加が見られる。また、B材では1.4%と差が少ないが、150mm付近で圧潰荷重のピークにずれが生じており、変形モードの影響が生じていることが判る。尚、潰れ量200mm区間の平均圧潰荷重としたときには、3.3%の差となる。
【0043】
<計算解析と試験結果との比較>
図19は、本発明の一実施形態としての計算解析と試作フレームを用いた衝突試験結果との比較結果を説明する図であり、潰れ量150mmまでの平均圧潰荷重を比較した結果を示している。
【0044】
計算結果は、いずれも実験結果(Test)より平均圧潰荷重が低めにでている。加工硬化と板厚変化とを考慮した場合(Mat.&Thick.change)のほうが、均一な特性で計算した場合(Uniform)に対して圧潰荷重が増加し、実験結果により近い結果が得られた。
【0045】
また、材質間では、A材/C材の圧潰荷重の増加が大きく、均一な特性で計算した場合には8〜10%であった実験結果との差が、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合には約3%程度まで減少している。一方、B材は、実験結果に近づく方向にはあるが、潰れ量150mmまでの平均値で見る限り変化量は8%から7%への減少に止まっている。尚、潰れ量200mmまでの平均荷重で比較したときには、実験結果との差は5%となる。
【0046】
以上、説明した本実施形態では、自動車のフロントサイドフレームを対象として、生産加工段階で発生する加工硬化及び板厚変化を推定し、その推定した加工硬化と板厚変化とが、部材(フロントサイドフレーム)の衝突圧潰特性に与える影響を計算解析手法を用いて解析した。
【0047】
上述したように、計算解析と試験結果とを比較すると、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合のほうが、均一な特性で計算する場合と比較して、より実験結果に近い荷重特性が得られる。従って、本実施形態の解析方法を用いれば、複雑な形状を有する加工後の構造体に対して計測したビッカース硬さに基づいて、加工硬化と板厚変化とを容易に推定することができ、従来のようにその構造体を切断等して実際に計測する手間を省略することができる。また、推定した加工硬化と板厚変化とは正確なため、推定により得られたパラメータを使用することにより、より実状(実験結果)に則した構造体の強度解析を行うことができる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工による材料の変化を考慮し、強度解析を正確且つ容易に行う構造体の強度解析方法の提供が実現する。
【0049】
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なプレス加工及びその加工による鋼板の変形を示す図である。
【図2】検討対象であるフロントサイドフレームの全体を示す斜視図である。
【図3】本実施形態で検討に使用した材料の機械特性を示す図である。
【図4】複数の領域に分割したフレーム断面を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である(A材:TRIP)。
【図6】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である(B材:SAPH400)。
【図7】本発明の一実施形態としてのフレーム断面領域毎のビッカース硬さ分布を示す図である(C材:SPHC)。
【図8】本発明の一実施形態としての各材質の塑性歪みとビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態としてのビッカース硬さ分布から部材各部の塑性歪みを推定した結果を示す図である(A材:TRIP)。
【図10】材料の板厚変化の推定に利用する平板を示す図である。
【図11】本発明の一実施形態としての板厚分布の推定結果を示す図である(A材:TRIP)。
【図12】本発明の一実施形態としての応力−歪み特性を示す図である。
【図13】本発明の一実施形態として、均一な特性とした場合の材質Aの材料についての変形モード図である。
【図14】本発明の一実施形態として、加工硬化と板厚変化とを考慮した場合の材質Aの材料についての変形モード図である。
【図15】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である(A材:TRIP)。
【図16】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である(B材:SAPH400)。
【図17】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重と潰れ量との関係を示す図である(C材:SPHC)。
【図18】本発明の一実施形態としての各材質毎のフレーム圧潰荷重の平均値の比較結果を示す図である。
【図19】本発明の一実施形態としての計算解析と試作フレームを用いた衝突試験結果との比較結果を説明する図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure strength analysis method, for example, a strength analysis method of various members as a structure constituting a vehicle such as an automobile.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, in designing and analyzing a vehicle such as an automobile, various performances with respect to the collision and strength of the vehicle are analyzed by computer simulation or the like. In addition, the applicant of the present application has proposed Japanese Patent Application No. 9-263294 as an example of a vehicle strength analysis technique in response to the application of the provisions of Article 30,
[0003]
In such a vehicle strength analysis technique, it is important to use parameters as close as possible to actual material characteristics in order to perform accurate analysis.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the structures (workpieces) that are actually manufactured are molded by pressing, etc., so that even if the raw material is a single material (material), the material properties and material thickness vary depending on the part. doing.
[0005]
FIG. 1 is a diagram showing general press working and deformation of a steel plate by the working. Many body parts are formed by press working as shown in FIG. At that time, work hardening and plate thickness change occur in the steel plate, which is a raw material, and even if it is a single material, the material characteristics and plate thickness vary depending on the part.
[0006]
Therefore, conventionally, from a structure to be analyzed, a test piece such as that found in a JIS (Japanese Industrial Standard) No. 5 test piece is cut out, and a material test such as a tensile test is performed using the test piece. The parameters used for analysis are obtained.
[0007]
However, in order to cut out the above-mentioned test piece, a flat portion having a certain size is required. For example, the area of the member cross-line portion that is considered to have a large contribution to the impact crushing characteristics may be small. In the part where the curvature is large, it is difficult to grasp the material characteristics.
[0008]
In addition, it takes a lot of time to cut out test pieces from many parts of the structure to be analyzed and to conduct a tensile test. The length of the lead time to do is a problem.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a structure strength analysis method for accurately and easily performing a strength analysis in consideration of a change in material due to processing.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a structure strength analysis method according to the present invention is characterized by the following configuration.
[0011]
That is, a method for analyzing the strength of a structure formed by processing, wherein the relationship between the amount of strain and the hardness is obtained in advance for the same type of material that constitutes the structure, and the hardness of each part of the structure is determined. Measure and estimate the strain amount of each part of the structure by referring to the relationship between the strain amount and the hardness according to the measured hardness, and based on the estimated strain amount, each part of the structure The thickness of the material is calculated, and the strength of the structure is analyzed based on the calculated thickness of the material.
Thereby, the strength analysis of the structure is performed accurately and easily in consideration of the material change due to processing.
[0012]
Further, for example, when analyzing the strength of the structure, the analysis accuracy can be further increased by using the characteristics obtained by changing the stress / strain characteristics of the predetermined material in accordance with the estimated amount of strain of each part of the structure. do.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a structure strength analysis method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
In the present embodiment, as an example of a structure, the work hardening and the plate thickness change that occur in the production processing stage are estimated for a front side frame of an automobile that is a main energy absorbing member at the time of a frontal collision. The influence of the estimated work hardening and plate thickness change on the impact crush characteristics of the member (front side frame) is analyzed using a calculation analysis method.
[0015]
First, the front side frame to be studied will be described.
[0016]
FIG. 2 is a perspective view showing the entire front side frame to be studied. The front side frame shown in the figure is a prototype manufactured by press working, and is characterized in that there is a bead for stabilizing the deformation behavior at the time of collision near the front end of the frame. In this embodiment, as an example, the material of the front side frame (hereinafter referred to as a frame) is manufactured from three types of steel plates (TRIP, SAPH400, SPHC) each having a thickness of 1.6 mm shown in FIG. did.
[0017]
<Step 1: Measurement of Vickers hardness distribution>
The scribed circle method is often used as a method for examining the amount of strain generated in a member during molding, but this method cannot examine the amount of local strain such as a corner. Therefore, in this embodiment, the distribution of Vickers hardness in a plurality of cross sections of the frame is measured, and the material property change and the plate thickness change that occur in each part of the member are estimated based on the measured values.
[0018]
As the measurement points of the distribution of Vickers hardness, as indicated by arrows in FIG. 2, the bead portion and the basic cross-sectional portion of the frame are selected and measured at intervals of about 5 mm in the circumferential direction of the cross-section.
[0019]
Next, as shown in FIG. 4, the frame cross section is divided into nine regions from (1) to (9) at the plane portion and the corner portion, and the measured value of Vickers hardness measured at intervals of about 5 mm in the circumferential direction of the cross section. The average value is calculated for each region. The results are shown for each material in FIGS.
[0020]
5 to 7 are diagrams showing Vickers hardness distribution for each frame cross-sectional area as one embodiment of the present invention.
[0021]
As can be seen from the figure, the Vickers hardness indicates a higher measurement value as the strength material increases. In addition, the Vickers hardness in the cross section has the same distribution for any material, and the corners (2), (4), (6), (8) compared to the frame vertical surface (5). ) And the horizontal surface ((3), (7)) are high, and it can be seen that a lot of work hardening occurs in these parts.
[0022]
In addition, when the hardness increase rate of each material is compared on the basis of the hardness of the vertical surface that seems to be the closest to the base material hardness, the Vickers hardness of the C material (SPH) is the highest, 33% at the corner, and at the horizontal plane A 27% increase in hardness is seen. Next, A material (TRIP) has the largest hardness increase rate, and B material (SAPH400) has the smallest result.
[0023]
As described above, in
[0024]
<Step 2: Estimation of material property change>
Next, based on the Vickers hardness distribution of each material measured in
[0025]
Specifically, prior to estimating the amount of plastic deformation, first, a JIS No. 5 test piece was used to conduct a tensile test with different strain amounts, and the Vickers hardness between the scores according to each strain amount generated by the test. The relationship between plastic strain and Vickers hardness was investigated.
[0026]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between plastic strain and Vickers hardness of each material as one embodiment of the present invention. As shown in the figure, the higher the strength of the material, the higher the Vickers hardness, and all the materials tend to increase in Vickers hardness as the plastic strain increases. The Vickers hardness increases rapidly in a region where the distortion is small, but the inclination of the increase in the Vickers hardness becomes gentle as the distortion increases. Further, when the rate of increase in Vickers hardness is compared using the hardness at the time of zero strain as a criterion, the tendency is that the A material and the C material are large and the B material is conversely small.
[0027]
The above-described relationship between the plastic strain and Vickers hardness of each material (FIG. 8) may be stored in advance as a referenceable database in a storage device of a computer or the like.
[0028]
Next, FIG. 9 shows the result of estimating the plastic strain (plastic deformation amount) of each part of the member from the Vickers hardness distribution with respect to the material A using the relationship between the plastic strain of each material and the Vickers hardness. . In FIG. 9, like the Vickers hardness, the plastic strain is low in the vertical plane and has a high value in the corner (particularly the root portion of the flange) and the horizontal plane. It can be easily imagined that the corner is highly strained, but it can be seen that substantially the same level of plastic strain occurs on the horizontal plane. Further, the plastic strain is estimated to be about 1 to 2% on the vertical plane and about 10% on the corner (flange root) and the horizontal plane.
[0029]
As described above, in step 2, based on the distribution of Vickers hardness measured in
[0030]
<Step 3: Estimation of plate thickness change>
Next, the change in the plate thickness of the material is estimated by the following method based on the plastic strain (FIG. 9) of each part of the member estimated from the Vickers hardness distribution. In the present embodiment, a pulling operation of a plate having a × b and a plate thickness t shown in FIG. 10 is considered.
[0031]
If the plastic strain is εp and the Poisson's ratio is ν, the length a can be set to (1 + εp) × a and the length b can be set to (1−νεp) × b.
[0032]
If the volume of the steel plate does not change before and after the pulling operation, the thickness t ′ after deformation is given by the following equation.
[0033]
t ′ = t / {(1 + εp) × (1−νεp)} (1)
FIG. 11 shows the estimation result of the plate thickness distribution calculated for the material A based on the above equation (1). As can be seen from the figure, the plate thickness decrease is greater at locations where the plastic strain is greater, such as the corners of the frame and the horizontal plane. The ● marks are actually measured values obtained by actually cutting the frame, and these actually measured values substantially coincide with the values estimated from plastic strain in (1), and this estimation method is appropriate. I understand that.
[0034]
As described above, in Step 3, the plate thickness change occurring in each part of the member is estimated based on the plastic strain estimated in Step 2 (FIG. 9).
[0035]
<Step 4: Collision analysis of frame by calculation analysis (strength analysis)>
Next, based on the estimation result of the “plastic strain” obtained in step 2 and the “plate thickness distribution” obtained in step 3, a so-called collision analysis is performed as a strength analysis of a single frame using calculation analysis. By performing the crush analysis, the influence of work hardening and plate thickness change on the member disintegration characteristics is examined. In the present embodiment, a so-called dynamic explicit method FEM (PAM-CRASH) is used for the analysis, but the present invention is not limited to this.
[0036]
Here, for the calculation analysis of the effect of work hardening, first, a stress-strain curve (curve A) of a base material, which is a stress-strain curve of a JIS No. 5 test piece, is prepared. As shown in FIG. 12, the curve B is obtained by sliding according to the amount of plastic strain estimated in Step 2. Then, material characteristic data as represented by the curve B is obtained for each part of the frame cross section. Then, those data are incorporated into a calculation analysis model and a calculation analysis is performed. At this time, as another analysis condition to be set, in the present embodiment, the collision speed is 9 m / sec, and a mass corresponding to the carriage is added to the rear end of the model.
[0037]
FIG. 13 is a deformation mode diagram for the material A in the case of uniform characteristics as an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 14 is a deformation mode diagram of the material A when considering work hardening and plate thickness change as one embodiment of the present invention.
[0038]
13 and 14, the deformation in the first half of the crush (up to a crushing amount of about 150 mm) becomes a substantially uniform axial compression mode in any case due to the bead effect. In the second half of the collapse, bending deformation occurs at the center of the frame (cross-sectional shrinkage). However, when work hardening and plate thickness change are taken into account, the overall collapse amount decreases and the bending amount decreases. You can see how they are. Although the drawings are omitted, the tendency of the deformation mode is substantially the same for the B material and the C material.
[0039]
FIGS. 15 to 17 are diagrams showing the relationship between the frame crushing load and the amount of crushing for each material as one embodiment of the present invention. .. & Thick. Change ”, and“ Uniform ”otherwise.
[0040]
As shown in FIGS. 15 to 17, the entire frame is calculated with uniform characteristics (hereinafter simply referred to as “uniform characteristics”) by taking into account work hardening and plate thickness change for any material. Compared with the case, the result that the crush load increased was obtained. In particular, a significant increase in crushing load is observed with the A / C material having a high n value (up to an average load of 8.5% at maximum for the A material). Further, the crushing load is also increasing slightly for the B material.
[0041]
FIG. 18 is a diagram showing a comparison result of the average value of the frame crushing load for each material as one embodiment of the present invention, and also in this diagram, the case where work hardening and plate thickness change are taken into consideration. “Mat. & Thick. Change” and “Uniform” are cases where the characteristics are uniform.
[0042]
As shown in FIG. 18, when comparing the average crushing load in the crushing
[0043]
<Comparison between calculation analysis and test results>
FIG. 19 is a diagram for explaining a comparison result between a calculation analysis as one embodiment of the present invention and a collision test result using a prototype frame, and shows a result of comparing an average crush load up to a crush amount of 150 mm. .
[0044]
In all the calculation results, the average crushing load is lower than the experimental result (Test). When work hardening and plate thickness change were taken into account (Mat. & Thick. Change), the crushing load increased compared to the case of calculation with uniform characteristics (Uniform), and a result closer to the experimental result was obtained.
[0045]
In addition, between the materials, the increase in the crushing load of material A / material C is large, and when calculated with uniform characteristics, the difference from the experimental result of 8 to 10% is that work hardening and plate thickness change. In consideration, it has decreased to about 3%. On the other hand, although the material B is in the direction approaching the experimental result, the amount of change is only reduced from 8% to 7% as seen from the average value up to the crushing amount of 150 mm. When compared with an average load up to a crushing amount of 200 mm, the difference from the experimental result is 5%.
[0046]
As described above, in the present embodiment described above, the work hardening and the plate thickness change occurring in the production processing stage are estimated for the front side frame of the automobile, and the estimated work hardening and the plate thickness change are the members (front side frame). The impact of the frame on the impact crush characteristics was analyzed using a computational analysis technique.
[0047]
As described above, when comparing the calculation analysis with the test results, the load characteristics closer to the experimental results are obtained when the work hardening and the plate thickness change are taken into consideration than when the calculation is performed with uniform characteristics. It is done. Therefore, using the analysis method of the present embodiment, based on the Vickers hardness measured for the processed structure having a complex shape, work hardening and thickness change can be easily estimated, It is possible to omit the trouble of actually measuring by cutting the structure as in the prior art. Moreover, since the estimated work hardening and the plate thickness change are accurate, the strength analysis of the structure can be performed in accordance with the actual situation (experimental result) by using the parameters obtained by the estimation.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a structure strength analysis method for accurately and easily performing a strength analysis in consideration of a material change due to processing.
[0049]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing general press working and deformation of a steel plate by the working.
FIG. 2 is a perspective view showing the entire front side frame to be studied.
FIG. 3 is a diagram showing mechanical properties of materials used for examination in the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a frame divided into a plurality of regions.
FIG. 5 is a diagram showing a Vickers hardness distribution for each frame cross-sectional area as one embodiment of the present invention (A material: TRIP).
FIG. 6 is a diagram showing a Vickers hardness distribution for each frame cross-sectional area as one embodiment of the present invention (material B: SAPH400).
FIG. 7 is a diagram showing a Vickers hardness distribution for each frame cross-sectional area as one embodiment of the present invention (C material: SPHC).
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between plastic strain and Vickers hardness of each material as one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a result of estimating plastic strain of each part of a member from a Vickers hardness distribution as one embodiment of the present invention (A material: TRIP).
FIG. 10 is a diagram showing a flat plate used for estimating a plate thickness change of a material.
FIG. 11 is a diagram showing an estimation result of a plate thickness distribution as one embodiment of the present invention (A material: TRIP).
FIG. 12 is a diagram showing stress-strain characteristics as one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a deformation mode diagram of the material A in the case of uniform characteristics as an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a deformation mode diagram of the material A in consideration of work hardening and plate thickness change as one embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a frame crushing load and a crushing amount for each material as one embodiment of the present invention (A material: TRIP).
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a frame crushing load and a crushing amount for each material as one embodiment of the present invention (B material: SAPH400).
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a frame crushing load and a crushing amount for each material as one embodiment of the present invention (C material: SPHC).
FIG. 18 is a diagram showing a comparison result of average values of frame crush loads for each material as one embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating a comparison result between a calculation analysis and a collision test result using a prototype frame as one embodiment of the present invention.
Claims (5)
前記構造体を構成する材料と同じ種類の材料について、予め歪み量と硬度との関係を求め、
前記構造体の各部の硬度を計測し、
その計測した硬度に応じて前記歪み量と硬度との関係を参照することにより、前記構造体の各部の歪み量を推定し、
その推定した歪み量に基づいて、前記構造体の各部における材料の厚さを算出し、
その算出した材料の厚さに基づいて、前記構造体の強度を解析する
ことを特徴とする構造体の強度解析方法。A strength analysis method for a structure formed by processing,
For the same type of material that constitutes the structure, the relationship between the strain amount and the hardness is obtained in advance.
Measure the hardness of each part of the structure,
By referring to the relationship between the strain amount and the hardness according to the measured hardness, estimate the strain amount of each part of the structure,
Based on the estimated strain amount, calculate the thickness of the material in each part of the structure,
A structure strength analysis method, comprising: analyzing the strength of the structure based on the calculated thickness of the material.
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