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JP5896150B2 - Break determination device, break determination method, and break determination program - Google Patents

Break determination device, break determination method, and break determination program Download PDF

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JP5896150B2 JP2012168669A JP2012168669A JP5896150B2 JP 5896150 B2 JP5896150 B2 JP 5896150B2 JP 2012168669 A JP2012168669 A JP 2012168669A JP 2012168669 A JP2012168669 A JP 2012168669A JP 5896150 B2 JP5896150 B2 JP 5896150B2
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実樹 東山
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Description

本発明は、破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムに係わり、特に、相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断を判定するための破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムに関する。   The present invention relates to a rupture determination device, a rupture determination method, and a rupture determination program, and in particular, a rupture determination device, a rupture determination method, and a rupture determination method for determining a rupture of a joint that joins a plurality of mutually stacked plate members. The present invention relates to a fracture determination program.

従来より、外力による構造物の変形量や構造物に作用する応力をコンピュータシミュレーションによって評価する技術が知られている。
例えば、自動車工学の分野においては、車両衝突時における車体の変形や構成部材の破壊をシミュレーションすることにより、車両の衝突安全性能の向上を図ることが行われている。特に近年では、車体の軽量化への要求から、車体を構成する金属板の薄板化が進んでおり、金属板同士を接合するスポット溶接部周辺への応力集中が一層発生しやすくなっていることから、さらなる衝突安全性能の向上のため、スポット溶接部の破断をより高精度に予測することが求められている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for evaluating the amount of deformation of a structure due to an external force and the stress acting on the structure by computer simulation is known.
For example, in the field of automotive engineering, it is attempted to improve the collision safety performance of a vehicle by simulating deformation of a vehicle body or destruction of structural members at the time of a vehicle collision. Particularly in recent years, due to the demand for weight reduction of the vehicle body, the metal plate constituting the vehicle body has been made thinner, and stress concentration around the spot welded part joining the metal plates is more likely to occur. Therefore, in order to further improve the collision safety performance, it is required to predict the fracture of the spot welded portion with higher accuracy.

例えば、特許文献1には、有限要素法によりスポット溶接部の破断を判定する破断判定方法が開示されている。この方法では、2枚の金属板がナゲットにより結合された構造を有するスポット溶接部において、金属板をシェル要素によりモデル化すると共に、ナゲットをビーム要素によりモデル化し、このビーム要素に作用する軸力、曲げモーメント、及びせん断力に基づいてナゲット周縁部の破断を判定する。   For example, Patent Literature 1 discloses a fracture determination method for determining fracture of a spot weld by a finite element method. In this method, in a spot weld having a structure in which two metal plates are joined by a nugget, the metal plate is modeled by a shell element, and the nugget is modeled by a beam element, and the axial force acting on the beam element The nugget peripheral edge breakage is determined based on the bending moment and the shearing force.

特開2007−24788号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-24788

ところで、解析精度向上のため、構造物をモデル化する際のメッシュの詳細化が進むにつれて、メッシュサイズがスポット溶接部のナゲット径よりも小さくなることが想定される。
しかしながら、上述した特許文献1の方法では、ナゲットをモデル化したビーム要素と金属板をモデル化したシェル要素とを1点で結合しているため、シェル要素のメッシュサイズが実際のナゲット径よりも小さい場合には、ビーム要素との結合点の周辺において、実際の現象とは異なる局所的な歪みが発生し、解析精度が低下する可能性がある。
また、ビーム要素によりナゲットをモデル化する場合、ビーム要素の破断は、このビーム要素に作用する引張荷重とせん断荷重とモーメントによって評価されるに過ぎないため、引張とせん断の複合モードによる破断を高精度に予測することが困難な場合がある。
By the way, in order to improve the analysis accuracy, it is assumed that the mesh size becomes smaller than the nugget diameter of the spot weld as the mesh is refined when the structure is modeled.
However, in the method of Patent Document 1 described above, since the beam element modeling the nugget and the shell element modeling the metal plate are coupled at one point, the mesh size of the shell element is larger than the actual nugget diameter. If it is small, local distortion different from the actual phenomenon may occur in the vicinity of the coupling point with the beam element, which may reduce the analysis accuracy.
In addition, when modeling a nugget with a beam element, the fracture of the beam element is only evaluated by the tensile load, shear load and moment acting on the beam element. It may be difficult to predict accurately.

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、計算負荷の増大を抑制しつつ、複数の板材を接合する接合部の破断を高精度に判定することができる、破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and can accurately determine the breakage of a joint portion that joins a plurality of plate members while suppressing an increase in calculation load. An object of the present invention is to provide a break determination device, a break determination method, and a break determination program.

上記の目的を達成するために本発明によれば、破断判定装置は、相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断を判定する破断判定装置であって、接合部に作用する応力テンソルを特定する応力テンソル特定手段と、応力テンソル特定手段により特定された応力テンソルと、接合部の破断応力とに基づき、接合部の破断リスクを算出する破断リスク算出手段と、破断リスク算出手段によって算出された破断リスクに基づき、接合部の破断を判定する破断判定手段と、を有し、破断リスク算出手段は、板材の法線方向を直交座標系のz軸とする応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により破断リスク(FR)を算出することを特徴とする。

Figure 0005896150
また、破断判定方法は、相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断を判定する破断判定方法であって、接合部に作用する応力テンソルを特定するステップと、特定された応力テンソルと、接合部の破断応力とに基づき、接合部の破断リスクを算出するステップと、算出された破断リスクに基づき、接合部の破断を判定するステップと、を有し、破断リスクを算出するステップにおいて、板材の法線方向を直交座標系のz軸とする応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により破断リスク(FR)を算出することを特徴とする。
Figure 0005896150
また、破断判定プログラムは、相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断をコンピュータに判定させるための破断判定プログラムであって、コンピュータに、接合部に作用する応力テンソルを特定するステップと、特定された応力テンソルと、接合部の破断応力とに基づき、接合部の破断リスクを算出するステップと、算出された破断リスクに基づき、接合部の破断を判定するステップと、を実行させ、破断リスクを算出するステップにおいて、板材の法線方向を直交座標系のz軸とする応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により破断リスク(FR)を算出させることを特徴とする。
Figure 0005896150
このように構成された本発明によれば、接合部に作用する応力テンソルと、接合部の破断応力とに基づき、上記式を用いて接合部の破断リスクを算出し、この破断リスクに基づき、接合部の破断を判定するので、計算負荷の増大を抑制しつつ、複数の板材を接合する接合部の破断を高精度に判定することができる。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a fracture determination device is a fracture determination device that determines a fracture of a joint portion that joins a plurality of stacked plates, and a stress acting on the joint portion. By means of a stress tensor specifying means for specifying a tensor, a stress tensor specified by the stress tensor specifying means, a fracture risk calculating means for calculating a fracture risk of the joint based on the fracture stress of the joint, and a fracture risk calculating means Rupture determining means for determining rupture of the joint based on the calculated rupture risk. The rupture risk calculating means has a stress tensor (σ x) with the normal direction of the plate material as the z-axis of the orthogonal coordinate system. , Σ y , σ z , τ zy , τ zx ), rupture stress is (σ T ), and weighting factors are (A, B, C), the rupture risk (FR) is calculated by the following formula: Features.
Figure 0005896150
The fracture determination method is a fracture determination method for determining a fracture of a joint portion that joins a plurality of stacked plate materials, the step of identifying a stress tensor acting on the joint portion, and the identified stress tensor. And calculating a fracture risk based on the calculated fracture risk and a step of determining the fracture of the joint based on the calculated fracture risk. , The stress tensor with the normal direction of the plate as the z-axis of the orthogonal coordinate system (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx ), the breaking stress (σ T ), and the weighting factor (A, In the case of B, C), the fracture risk (FR) is calculated by the following formula.
Figure 0005896150
The rupture determination program is a rupture determination program for causing a computer to determine a rupture of a joint that joins a plurality of stacked plate members, and the computer specifies a stress tensor that acts on the joint. And a step of calculating a fracture risk of the joint based on the identified stress tensor and a fracture stress of the joint, and a step of determining the fracture of the joint based on the calculated fracture risk. In the step of calculating the fracture risk, the stress tensor with the normal direction of the plate as the z-axis of the Cartesian coordinate system (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx ) and the rupture stress (σ T ) When the weighting coefficient is (A, B, C), the fracture risk (FR) is calculated by the following equation.
Figure 0005896150
According to the present invention configured as described above, based on the stress tensor acting on the joint and the fracture stress of the joint, the fracture risk of the joint is calculated using the above formula, and based on this fracture risk, Since the breakage of the joint portion is determined, it is possible to determine the breakage of the joint portion joining a plurality of plate members with high accuracy while suppressing an increase in calculation load.

また、本発明において、好ましくは、応力テンソル特定手段は、接合部の大きさにほぼ等しい単一ソリッド要素としてモデル化された接合部に作用する応力テンソルを特定する。
このように構成された本発明においては、ビーム要素により接合部をモデル化する場合と比較して、局所的な歪み発生を防止することができ、解析精度の低下を防止することができる。
In the present invention, preferably, the stress tensor specifying means specifies a stress tensor acting on a joint modeled as a single solid element substantially equal to the size of the joint.
In the present invention configured as described above, it is possible to prevent the occurrence of local distortion and to prevent a decrease in analysis accuracy, compared with the case where the joint portion is modeled by the beam element.

また、本発明において、好ましくは、破断リスク算出手段は、引張せん断による接合部の破断応力を(σTSS)、十字引張による接合部の破断応力を(σCTS)、ピールによる接合部の破断応力を(σLTS)とした場合、引張せん断による接合部の破断リスク(FRTSS)、十字引張による接合部の破断リスク(FRCTS)、及びピールによる接合部の破断リスク(FRLTS)を、それぞれ以下の式により算出する。

Figure 0005896150
Figure 0005896150
Figure 0005896150
このように構成された本発明においては、引張せん断、十字引張、及びピールの各破断モードによる破断リスクを、応力テンソルの各成分を用いて破断モード毎に算出し、その算出結果に基づき接合部の破断を判定するので、接合部の破断リスクをさらに高精度に予測することができ、接合部の破断を正確に判定することができる。 In the present invention, it is preferable that the fracture risk calculating means calculates the fracture stress of the joint due to tensile shear (σ TSS ), the fracture stress of the joint due to cross tension (σ CTS ), and the fracture stress of the joint due to peel. (Σ LTS ), the fracture risk (FR TSS ) of the joint due to tensile shear, the fracture risk (FR CTS ) of the joint due to cross tension, and the fracture risk (FR LTS ) of the joint due to peel, respectively It is calculated by the following formula.
Figure 0005896150
Figure 0005896150
Figure 0005896150
In the present invention configured as described above, the fracture risk due to each fracture mode of tensile shear, cross tension, and peel is calculated for each fracture mode using each component of the stress tensor, and based on the calculation result, the joint portion is calculated. Therefore, it is possible to predict the risk of rupture of the joint with higher accuracy and accurately determine the rupture of the joint.

また、本発明において、好ましくは、相互に重ねられた複数の金属板を接合するスポット溶接部の破断を判定する。
このように構成された本発明においては、計算負荷の増大を抑制しつつ、相互に重ねられた複数の金属板を接合するスポット溶接部の破断を高精度に判定することができる。
Moreover, in this invention, Preferably, the fracture | rupture of the spot weld part which joins the several metal plate piled up mutually is determined.
In this invention comprised in this way, the fracture | rupture of the spot weld part which joins the several metal plate piled up mutually can be determined with high precision, suppressing the increase in calculation load.

本発明による破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムによれば、計算負荷の増大を抑制しつつ、複数の板材を接合する接合部の破断を高精度に判定することができる。   According to the rupture determination device, the rupture determination method, and the rupture determination program according to the present invention, it is possible to determine the rupture of a joint portion that joins a plurality of plate members with high accuracy while suppressing an increase in calculation load.

本発明の実施形態による破断判定装置を備える衝突シミュレーション装置の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric constitution of the collision simulation apparatus provided with the fracture determination apparatus by embodiment of this invention. 相互に重ねられた2枚の金属板と、これらの金属板を接合するスポット溶接部とのモデルを概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows roughly the model of the two metal plates piled up mutually and the spot welding part which joins these metal plates. 衝突シミュレーション処理のフローチャートである。It is a flowchart of a collision simulation process. スポット溶接部の破断モードを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fracture mode of a spot weld part.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムを説明する。
まず、図1により、本発明の実施形態による破断判定装置の構成を説明する。図1は、本発明の実施形態による破断判定装置を備える衝突シミュレーション装置の電気的構成を示すブロック図である。
Hereinafter, a break determination device, a break determination method, and a break determination program according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, referring to FIG. 1, the configuration of a fracture determination device according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating an electrical configuration of a collision simulation apparatus including a fracture determination apparatus according to an embodiment of the present invention.

図1に示す衝突シミュレーション装置1は、衝突時における車両の構成部材の変形や破断を解析するものであり、車体解析部2と、破断判定装置4を備えている。
車体解析部2は、車体を構成する各種部材の形状や物性値、スポット溶接部の位置、数、ナゲット径等を表現する車体モデルと、解析の境界条件(衝突時の初速度や衝突させる物体の形状等)とを取得し、これらの車体モデル及び境界条件に基づき、有限要素法により、車体モデルを構成する各要素に作用する荷重や変位等を計算する。この計算過程において、車体解析部2は、車体を構成する金属板とスポット溶接部との節点の変形量を計算し、破断判定装置4に出力する。
A collision simulation apparatus 1 shown in FIG. 1 analyzes a deformation or breakage of a vehicle component at the time of a collision, and includes a vehicle body analysis unit 2 and a breakage determination apparatus 4.
The vehicle body analysis unit 2 includes a vehicle body model that expresses the shapes and physical properties of various members constituting the vehicle body, the position and number of spot welds, the nugget diameter, and the boundary conditions of the analysis (initial velocity at the time of collision and the object to be collided And the like, and the load and displacement acting on each element constituting the vehicle body model are calculated by the finite element method based on these vehicle body models and boundary conditions. In this calculation process, the vehicle body analysis unit 2 calculates the deformation amount of the node between the metal plate constituting the vehicle body and the spot welded part, and outputs it to the fracture determination device 4.

本実施形態の破断判定装置4は、相互に重ねられた複数の金属板を接合する接合部であるスポット溶接部の破断を判定する。図1に示すように、破断判定装置4は、スポット溶接部に作用する応力テンソルを特定する応力テンソル特定部6と、応力テンソル特定部6により特定された応力テンソルと、スポット溶接部の破断応力とに基づき、スポット溶接部の破断リスクを算出する破断リスク算出部8と、破断リスク算出部8によって算出された破断リスクに基づき、スポット溶接部の破断を判定する破断判定部10とを有する。
特に、応力テンソル特定部6は、車体解析部2から入力された金属板とスポット溶接部との節点の変形量に基づき、スポット溶接部に作用する応力テンソルを特定する。また、破断判定部10は、スポット溶接部の破断の判定結果を車体解析部2に出力する。
これらの各構成要素は、CPU、当該CPU上で解釈実行される各種のプログラム(OSなどの基本制御プログラムや、OS上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む)、及びプログラムや各種のデータを格納するためのROMやRAMの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。
The fracture determination device 4 according to the present embodiment determines the breakage of a spot weld that is a joint that joins a plurality of metal plates stacked on each other. As shown in FIG. 1, the fracture determination device 4 includes a stress tensor identifying unit 6 that identifies a stress tensor acting on a spot weld, a stress tensor identified by the stress tensor identifying unit 6, and a fracture stress of the spot weld. The fracture risk calculation unit 8 that calculates the fracture risk of the spot welded portion based on the above, and the fracture determination unit 10 that determines the fracture of the spot welded portion based on the fracture risk calculated by the fracture risk calculation unit 8.
In particular, the stress tensor specifying unit 6 specifies a stress tensor acting on the spot welded portion based on the deformation amount of the node between the metal plate and the spot welded portion input from the vehicle body analyzing unit 2. Further, the break determination unit 10 outputs the determination result of the breakage of the spot welded portion to the vehicle body analysis unit 2.
Each of these components includes a CPU, various programs that are interpreted and executed on the CPU (including basic control programs such as an OS and application programs that are activated on the OS to realize specific functions), programs, and various types It is constituted by a computer having an internal memory such as a ROM or RAM for storing data.

次に、図2により、本発明の実施形態による破断判定装置4がスポット溶接部の破断を判定するために使用するモデルについて説明する。図2は、相互に重ねられた2枚の金属板と、これらの金属板を接合するスポット溶接部とのモデルを概略的に示す斜視図である。図2に示すように、金属板は、スポット溶接部の実際のナゲット径よりも小さいメッシュサイズのシェル要素としてモデル化される。また、スポット溶接部は、各辺の長さが実際のナゲット径にほぼ等しい直方体の単一ソリッド要素としてモデル化される。図2に示すモデルにおいては、金属板の法線方向を直交座標系のz軸とし、スポット溶接部を表すソリッド要素の側面(金属板に対して垂直な面)の法線方向をそれぞれx軸及びy軸とする。
この図2に示すようなモデルが、各スポット溶接部毎に車体モデルに組み込まれ、衝突シミュレーションが実行される。
Next, with reference to FIG. 2, a model used by the fracture determination device 4 according to the embodiment of the present invention to determine the fracture of the spot weld will be described. FIG. 2 is a perspective view schematically showing a model of two metal plates stacked on each other and a spot welded portion for joining these metal plates. As shown in FIG. 2, the metal plate is modeled as a shell element having a mesh size smaller than the actual nugget diameter of the spot weld. The spot weld is modeled as a single solid element having a rectangular parallelepiped whose length of each side is substantially equal to the actual nugget diameter. In the model shown in FIG. 2, the normal direction of the metal plate is the z-axis of the orthogonal coordinate system, and the normal direction of the side surface (surface perpendicular to the metal plate) of the solid element representing the spot weld is the x-axis. And y-axis.
A model as shown in FIG. 2 is incorporated into the vehicle body model for each spot weld, and a collision simulation is executed.

次に、図3により、本発明の実施形態の破断判定装置4を備える衝突シミュレーション装置1が行う衝突シミュレーションの各処理について説明する。図3は、衝突シミュレーション処理のフローチャートである。   Next, each process of the collision simulation performed by the collision simulation apparatus 1 including the fracture determination apparatus 4 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart of the collision simulation process.

図3に示すように、衝突シミュレーション処理が開始されると、ステップS1において、車体解析部2は、車体を構成する各種部材の形状や物性値、スポット溶接部の位置、数、ナゲット径等を表現する車体モデルと、解析の境界条件(衝突時の初速度や衝突させる物体の形状等)とを取得する。車体モデルは、例えば予め記憶装置に記憶されており、車体解析部2は記憶装置から車体モデルを読み込む。また、境界条件は、入力装置を介してユーザにより入力される。   As shown in FIG. 3, when the collision simulation process is started, in step S1, the vehicle body analysis unit 2 determines the shape and property values of various members constituting the vehicle body, the position and number of spot welds, the nugget diameter, and the like. A vehicle body model to be expressed and boundary conditions for analysis (initial velocity at the time of collision, shape of an object to be collided, etc.) are acquired. The vehicle body model is stored in advance in a storage device, for example, and the vehicle body analysis unit 2 reads the vehicle body model from the storage device. The boundary condition is input by the user via the input device.

次に、ステップS2において、車体解析部2は、ステップS1において取得した車体モデル及び境界条件に基づき、有限要素法により、車体モデルを構成する各要素に作用する荷重や変位等を計算する。この時、車体解析部2は、車体を構成する金属板と各スポット溶接部との各節点の変形量を算出し、破断判定装置4に出力する。   Next, in step S2, the vehicle body analysis unit 2 calculates a load, a displacement, and the like acting on each element constituting the vehicle body model by a finite element method based on the vehicle body model and boundary conditions acquired in step S1. At this time, the vehicle body analysis unit 2 calculates the deformation amount of each node between the metal plate constituting the vehicle body and each spot welded part, and outputs it to the fracture determination device 4.

次にステップS3において、車体解析部2は、ステップS2において算出した各要素に作用する荷重や変位に基づき、車体の金属板に生じる歪み、及び金属板に作用する応力を算出する。   Next, in step S3, the vehicle body analysis unit 2 calculates the strain that occurs on the metal plate of the vehicle body and the stress that acts on the metal plate based on the load and displacement that act on each element calculated in step S2.

また、ステップS4において、応力テンソル特定部6は、ステップS2において車体解析部2から入力された金属板と各スポット溶接部との各節点の変形量に基づき、各スポット溶接部に作用する応力テンソル6成分(σx、σy、σz、τzy、τzx、τxy)を算出する。 In step S4, the stress tensor specifying unit 6 determines the stress tensor acting on each spot welded portion based on the deformation amount of each node between the metal plate and each spot welded portion input from the vehicle body analyzing unit 2 in step S2. Six components (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx , τ xy ) are calculated.

次いで、ステップS5において、破断リスク算出部8は、ステップS4において算出された応力テンソルと、スポット溶接部の破断応力とに基づき、各スポット溶接部の破断リスクを算出する。この破断リスクの詳細な算出方法は後述する。   Next, in step S5, the rupture risk calculation unit 8 calculates the rupture risk of each spot welded part based on the stress tensor calculated in step S4 and the rupture stress of the spot welded part. A detailed method for calculating the fracture risk will be described later.

次にステップS6において、破断判定部10は、ステップS5において破断リスク算出部8によって算出された破断リスクに基づき、各スポット溶接部の破断を判定する。そして、破断があると判定されたスポット溶接部を、ステップS4乃至S6の計算対象から除外する。
なお、車体解析部2が実行するステップS3の処理と、破断判定装置4が実行するステップS4乃至S6の処理とは、並行して実行される。
Next, in step S6, the fracture determination unit 10 determines the fracture of each spot weld based on the fracture risk calculated by the fracture risk calculation unit 8 in step S5. Then, the spot welded portion determined to have a fracture is excluded from the calculation targets in steps S4 to S6.
In addition, the process of step S3 which the vehicle body analysis part 2 performs, and the process of step S4 thru | or S6 which the fracture | rupture determination apparatus 4 performs are performed in parallel.

ステップS3又はS6の処理の後、ステップS7において、車体解析部2は、衝突シミュレーション処理の所定の終了条件を満たすか否かを判定する。所定の終了条件を満たさないと判定した場合、車体解析部2はステップS2に戻る。
一方、ステップS7において、所定の終了条件を満たすと判定した場合、車体解析部2は衝突シミュレーション処理を終了する。
After the process of step S3 or S6, in step S7, the vehicle body analysis unit 2 determines whether or not a predetermined end condition of the collision simulation process is satisfied. When it is determined that the predetermined end condition is not satisfied, the vehicle body analysis unit 2 returns to step S2.
On the other hand, when it is determined in step S7 that the predetermined end condition is satisfied, the vehicle body analysis unit 2 ends the collision simulation process.

次に、破断リスク算出部8による破断リスクの算出方法を詳細に説明する。
図4は、スポット溶接部の破断モードを示す斜視図である。スポット溶接部の破断モードには、図4(a)に示す引張せん断(TSS)、図4(b)に示す十字引張(CTS)、及び図4(c)に示すピール(LTS)の3モードがある。さらに、スポット溶接の破断形態には、母材破断(金属板が破断)、及び界面破断(ナゲットが破断)の2種類の形態が存在する。そこで、破断リスク算出部8は、3つの破断モードと2つの破断形態を組み合わせた6つの条件について、それぞれの破断リスクを算出する。
Next, the calculation method of the fracture risk by the fracture risk calculation unit 8 will be described in detail.
FIG. 4 is a perspective view showing a fracture mode of a spot weld. The fracture mode of the spot welded portion includes three modes of tensile shear (TSS) shown in FIG. 4 (a), cross tension (CTS) shown in FIG. 4 (b), and peel (LTS) shown in FIG. 4 (c). There is. Further, there are two types of spot welding rupture modes: base material rupture (metal plate rupture) and interface rupture (nugget rupture). Therefore, the rupture risk calculation unit 8 calculates the respective rupture risks for the six conditions obtained by combining the three rupture modes and the two rupture modes.

上述した3つの破断モードの何れにおいても、スポット溶接部には、金属板の板面に沿った引張と、金属板を板面の法線方向に向かって凹又は凸に湾曲させる曲げが、複合的に作用する。これを図2に示したモデルに当てはめると、引張によってスポット溶接部を表す単一ソリッド要素に作用する応力テンソルは、(σx、σy、τzx、τzy)の4成分となる。また、曲げによって単一ソリッド要素に作用する応力テンソルは、(σz、τxz、τyz)の3成分となる。
従って、スポット溶接部に作用する応力の状態を、これらの応力テンソルの関数f(σx、σy、τzx、τzy、σz、τxz、τyz)として表現し、予め実験的に導出された破断応力と比較することにより、スポット溶接部の破断リスクを算出することができると考えられる。
In any of the three break modes described above, the spot welded portion is composed of a combination of tension along the plate surface of the metal plate and bending the metal plate to be concave or convex toward the normal direction of the plate surface. It works in the same way. When this is applied to the model shown in FIG. 2, the stress tensor acting on a single solid element representing a spot weld by tension becomes four components (σ x , σ y , τ zx , τ zy ). In addition, the stress tensor acting on a single solid element by bending has three components (σ z , τ xz , τ yz ).
Therefore, the state of the stress acting on the spot weld is expressed as a function f (σ x , σ y , τ zx , τ zy , σ z , τ xz , τ yz ) of these stress tensors, and experimentally in advance. It is considered that the rupture risk of the spot welded part can be calculated by comparing with the derived rupture stress.

まず、引張によって単一ソリッド要素に作用する応力テンソル(σx、σy、τzx、τzy)について検討する。スポット溶接部は、金属板の板面に沿ったあらゆる方向(図2におけるxy平面に沿ったあらゆる方向)から引張を受ける可能性がある。そこで、引張を受ける方向にかかわらず、引張により単一ソリッド要素に作用する応力を評価するため、垂直応力成分(σx、σy)の二乗和の平方根((σx 2+σy 21/2)と、せん断応力成分(τzx、τzy)の二乗和の平方根((τzx 2+τzy 21/2)とを、関数f(σx、σy、τzx、τzy、σz、τxz、τyz)の項として含めることにする。 First, the stress tensors (σ x , σ y , τ zx , τ zy ) acting on a single solid element by tension will be examined. The spot weld may be pulled from any direction along the plate surface of the metal plate (any direction along the xy plane in FIG. 2). Therefore, the square root of the sum of squares of the normal stress components (σ x , σ y ) ((σ x 2 + σ y 2 ) 1 / 2 ) and the square root ((τ zx 2 + τ zy 2 ) 1/2 ) of the sum of squares of the shear stress components (τ zx , τ zy ) and the function f (σ x , σ y , τ zx , τ zy , Σ z , τ xz , τ yz ).

次に、曲げによって単一ソリッド要素に作用する応力テンソル(σz、τxz、τyz)について検討する。これらの各成分は、何れもz軸方向に沿った成分であるため、金属板の板面に沿った方向の影響を考慮する必要がない。そこで、垂直応力成分(σz)と、せん断応力成分(τxz+τyz)とを、関数f(σx、σy、τzx、τzy、σz、τxz、τyz)の項として含めることにする。 Next, the stress tensors (σ z , τ xz , τ yz ) acting on a single solid element by bending will be examined. Since each of these components is a component along the z-axis direction, it is not necessary to consider the influence of the direction along the plate surface of the metal plate. Therefore, the normal stress component (σ z ) and the shear stress component (τ xz + τ yz ) are expressed as terms of the function f (σ x , σ y , τ zx , τ zy , σ z , τ xz , τ yz ). I will include it.

以上により、関数f(σx、σy、τzx、τzy、σz、τxz、τyz)を次の式により表すことができる

Figure 0005896150
・・・(1) As described above, the function f (σ x , σ y , τ zx , τ zy , σ z , τ xz , τ yz ) can be expressed by the following expression.
Figure 0005896150
... (1)

上述した3つの破断モードのそれぞれについて、破断試験の試験体をモデル化し、破断時の荷重を境界条件として与えることにより算出した応力テンソルの各成分を式(1)に代入することによって、次の式が得られる。

Figure 0005896150
・・・(2)
Figure 0005896150
・・・(3)
Figure 0005896150
・・・(4)
ここで、σTSSは引張せん断による母材破断時の破断応力であり、σCTSは十字引張による母材破断時の破断応力であり、σLTSはピールによる母材破断時の破断応力である。これらの破断応力は、破断試験の結果に基づいて導出される。また、添え字を付した応力テンソルの各成分は、それぞれの添え字に対応する破断モードによる母材破断時の境界条件に基づき算出された、応力テンソル各成分の算出値である。 For each of the three fracture modes described above, the test specimen of the fracture test is modeled, and each component of the stress tensor calculated by giving the load at the time of the fracture as a boundary condition is substituted into the following equation (1). The formula is obtained.
Figure 0005896150
... (2)
Figure 0005896150
... (3)
Figure 0005896150
... (4)
Here, σ TSS is the rupture stress when the base material is broken by tensile shear, σ CTS is the rupture stress when the base material is broken by cross tension, and σ LTS is the rupture stress when the base material is broken by peel. These breaking stresses are derived based on the result of the breaking test. Each component of the stress tensor with a subscript is a calculated value of each component of the stress tensor calculated based on the boundary condition at the time of the base material fracture in the fracture mode corresponding to each subscript.

これらの式(2)乃至(4)に基づいて、係数A、B1、B2、及びCを決定することにより、単一ソリッド要素に作用する応力テンソルの各成分を式(1)に代入し、各破断モードについてスポット溶接部の破断が発生するか否かを評価することが可能になる。
しかしながら、式(1)において未知数である係数がA、B1、B2、及びCの4つ存在するのに対し、未知数を決定するための方程式は式(2)乃至(4)の3式しかないため、このままでは係数A、B1、B2、及びCを決定することができない。そこで、破断リスクの算出精度への影響が小さい項(τxz+τyz)を式(1)から省略し、次式のように変更する。

Figure 0005896150
・・・(5)
従って、式(2)乃至(4)を以下のように変更できる。
Figure 0005896150
・・・(6)
Figure 0005896150
・・・(7)
Figure 0005896150
・・・(8)
これらの式(6)乃至(8)から、式(5)の係数A、B、Cを決定することができる。 By determining the coefficients A, B 1 , B 2 , and C based on these equations (2) to (4), each component of the stress tensor acting on a single solid element is substituted into equation (1). And it becomes possible to evaluate whether the fracture | rupture of a spot weld part generate | occur | produces about each fracture | rupture mode.
However, while there are four coefficients A, B 1 , B 2 , and C in Equation (1) that are unknown, the equations for determining the unknown are Equations (2) to (4). Therefore, the coefficients A, B 1 , B 2 , and C cannot be determined as they are. Therefore, the term (τ xz + τ yz ) having a small influence on the calculation accuracy of the fracture risk is omitted from the equation (1) and changed to the following equation.
Figure 0005896150
... (5)
Therefore, the equations (2) to (4) can be changed as follows.
Figure 0005896150
... (6)
Figure 0005896150
... (7)
Figure 0005896150
... (8)
From these equations (6) to (8), the coefficients A, B, and C of equation (5) can be determined.

そして、式(5)の右辺を引張せん断による母材破断時の破断応力σTSSにより除算した値を、引張せん断による母材破断リスクBFRTSSと定義すると、BFRTSSは次式により算出できる。

Figure 0005896150
・・・(9)
同様に、十字引張による母材破断リスクBFRCTS、及びピールによる母材破断リスクBFRLTSは、以下のように算出できる。
Figure 0005896150
・・・(10)
Figure 0005896150
・・・(11) Then, if the value obtained by dividing the right side of Equation (5) by the breaking stress σ TSS at the time of base material breakage due to tensile shear is defined as the base material breakage risk BFR TSS due to tensile shear, BFR TSS can be calculated by the following formula.
Figure 0005896150
... (9)
Similarly, the base material fracture risk BFR CTS due to cross tension and the base material fracture risk BFR LTS due to peel can be calculated as follows.
Figure 0005896150
... (10)
Figure 0005896150
(11)

さらに、引張せん断による界面破断リスクSFRTSS、十字引張による界面破断リスクSFRCTS、及びピールによる界面破断リスクSFRLTSについても、上述した説明と同様の検討に基づき、以下のように算出できる。

Figure 0005896150
・・・(12)
Figure 0005896150
・・・(13)
Figure 0005896150
・・・(14) Further, the interfacial fracture risk SFR TSS due to tensile shear, the interfacial fracture risk SFR CTS due to cross tension, and the interfacial fracture risk SFR LTS due to peel can be calculated as follows based on the same examination as described above.
Figure 0005896150
(12)
Figure 0005896150
... (13)
Figure 0005896150
(14)

図3を参照して説明した衝突シミュレーション処理のステップS5において、破断リスク算出部8は、応力テンソル特定部6により特定された応力テンソルの各成分を式(9)乃至(14)に代入することにより、母材破断リスクBFRTSS、BFRCTS、BFRLTS、及び界面破断リスクSFRTSS、SFRCTS、SFRLTSを算出する。これらの式(9)乃至(14)により算出される各破断リスクは、0乃至1の値をとり得る。 In step S5 of the collision simulation process described with reference to FIG. 3, the fracture risk calculation unit 8 substitutes each component of the stress tensor specified by the stress tensor specifying unit 6 into the equations (9) to (14). To calculate the base material fracture risk BFR TSS , BFR CTS , BFR LTS , and interface fracture risk SFR TSS , SFR CTS , SFR LTS . Each fracture risk calculated by these equations (9) to (14) can take a value of 0 to 1.

さらに、ステップS6において、破断判定部10は、何れかの破断モードにおいて破断リスク算出部8によって算出された破断リスクが1となった場合、その破断モードによりスポット溶接部において破断が発生すると判定する。   Furthermore, in step S6, when the fracture risk calculated by the fracture risk calculation unit 8 is 1 in any of the fracture modes, the fracture determination unit 10 determines that a fracture occurs in the spot welded portion in the fracture mode. .

次に、上述した本実施形態の破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムによる作用効果を説明する。   Next, functions and effects of the above-described break determination device, break determination method, and break determination program according to the present embodiment will be described.

まず、接合部に作用する応力テンソルと、接合部の破断応力とに基づき、上述した式(9)乃至(14)を用いて接合部の破断リスクを算出し、この破断リスクに基づき、接合部の破断を判定するので、計算負荷の増大を抑制しつつ、複数の板材を接合する接合部の破断を高精度に判定することができる。   First, based on the stress tensor acting on the joint and the breaking stress of the joint, the fracture risk of the joint is calculated using the above-described equations (9) to (14). Therefore, it is possible to determine with high accuracy the breakage of the joint portion that joins the plurality of plate members while suppressing an increase in calculation load.

特に、接合部の大きさにほぼ等しい単一ソリッド要素としてモデル化された接合部に作用する応力テンソルを特定し、この応力テンソルの各成分に基づいて接合部の破断リスクを算出するので、ビーム要素により接合部をモデル化する場合と比較して、局所的な歪み発生を防止することができ、解析精度の低下を防止することができる。   In particular, the stress tensor acting on the joint modeled as a single solid element approximately equal to the joint size is identified, and the fracture risk of the joint is calculated based on each component of this stress tensor. Compared with the case where the joint is modeled by elements, it is possible to prevent the occurrence of local distortion and to prevent the analysis accuracy from being lowered.

さらに、引張せん断、十字引張、及びピールの各破断モードによる破断リスクを、応力テンソルの各成分を用いて破断モード毎に算出し、その算出結果に基づき接合部の破断を判定するので、接合部の破断リスクをさらに高精度に予測することができ、接合部の破断を正確に判定することができる。   Furthermore, the fracture risk due to each fracture mode of tensile shear, cross tension, and peel is calculated for each fracture mode using each component of the stress tensor, and the fracture of the joint is determined based on the calculation result. Can be predicted with higher accuracy, and the fracture of the joint can be accurately determined.

最後に、破断判定装置、破断判定方法、及び破断判定プログラムの変形例について説明する。
上述した実施形態においては、破断判定装置4が、相互に重ねられた複数の金属板を接合する接合部であるスポット溶接部の破断を判定する場合について説明したが、これとは異なる接合部の破断を判定するようにしてもよい。例えば、相互に重ねられた複数の金属板を接合する線溶接部や、相互に重ねられた複数の樹脂板やガラス板を接合するボルト、あるいは接着剤等の破断を判定するようにしてもよい。
Finally, modifications of the break determination device, the break determination method, and the break determination program will be described.
In embodiment mentioned above, although the fracture determination apparatus 4 demonstrated the case where the fracture | rupture of the spot weld part which is a junction part which joins the several metal plate piled up mutually was determined, it is different from this. You may make it determine a fracture. For example, it is possible to determine the breakage of a line welded portion that joins a plurality of metal plates stacked on each other, a bolt that joins a plurality of resin plates or glass plates stacked on top of each other, or an adhesive. .

1 衝突シミュレーション装置
2 車体解析部
4 破断判定装置
6 応力テンソル特定部
8 破断リスク算出部
10 破断判定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Collision simulation apparatus 2 Car body analysis part 4 Break determination apparatus 6 Stress tensor specific part 8 Break risk calculation part 10 Break determination part

Claims (6)

相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断を判定する破断判定装置であって、
上記接合部に作用する応力テンソルを特定する応力テンソル特定手段と、
上記応力テンソル特定手段により特定された上記応力テンソルと、上記接合部の破断応力とに基づき、上記接合部の破断リスクを算出する破断リスク算出手段と、
上記破断リスク算出手段によって算出された破断リスクに基づき、上記接合部の破断を判定する破断判定手段と、を有し、
上記破断リスク算出手段は、上記板材の法線方向を直交座標系のz軸とする上記応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、上記破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により上記破断リスク(FR)を算出することを特徴とする破断判定装置。
Figure 0005896150
A break determination device for determining breakage of a joint portion for joining a plurality of stacked plate materials,
A stress tensor specifying means for specifying a stress tensor acting on the joint,
A rupture risk calculating means for calculating a rupture risk of the joint based on the stress tensor specified by the stress tensor specifying means and a rupture stress of the joint;
A break determination means for determining breakage of the joint based on the breakage risk calculated by the breakage risk calculation means,
The fracture risk calculation means uses the stress tensor (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx ) with the normal direction of the plate material as the z-axis of the orthogonal coordinate system, and the rupture stress as (σ T ), And the weighting coefficient is (A, B, C), the breakage risk (FR) is calculated by the following formula.
Figure 0005896150
上記応力テンソル特定手段は、上記接合部の大きさにほぼ等しい単一ソリッド要素としてモデル化された上記接合部に作用する応力テンソルを特定する、請求項1に記載の破断判定装置。   The fracture determination device according to claim 1, wherein the stress tensor specifying means specifies a stress tensor acting on the joint modeled as a single solid element substantially equal to the size of the joint. 上記破断リスク算出手段は、引張せん断による上記接合部の破断応力を(σTSS)、十字引張による上記接合部の破断応力を(σCTS)、ピールによる上記接合部の破断応力を(σLTS)とした場合、引張せん断による上記接合部の破断リスク(FRTSS)、十字引張による上記接合部の破断リスク(FRCTS)、及びピールによる上記接合部の破断リスク(FRLTS)を、それぞれ以下の式により算出する、請求項1又は2に記載の破断判定装置。
Figure 0005896150
Figure 0005896150
Figure 0005896150
The fracture risk calculation means calculates the fracture stress of the joint by tensile shear (σ TSS ), the fracture stress of the joint by cross tension (σ CTS ), and the fracture stress of the joint by peel (σ LTS ). The fracture risk of the joint due to tensile shear (FR TSS ), the fracture risk of the joint due to cross tension (FR CTS ), and the fracture risk of the joint due to peel (FR LTS ) are as follows: The fracture determination device according to claim 1 or 2, which is calculated by an equation.
Figure 0005896150
Figure 0005896150
Figure 0005896150
相互に重ねられた複数の金属板を接合するスポット溶接部の破断を判定する、請求項1乃至3の何れか1項に記載の破断判定装置。   The break determination device according to any one of claims 1 to 3, wherein a break of a spot welded portion that joins a plurality of metal plates stacked on each other is determined. 相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断を判定する破断判定方法であって、
上記接合部に作用する応力テンソルを特定するステップと、
上記特定された上記応力テンソルと、上記接合部の破断応力とに基づき、上記接合部の破断リスクを算出するステップと、
上記算出された破断リスクに基づき、上記接合部の破断を判定するステップと、を有し、
上記破断リスクを算出するステップにおいて、上記板材の法線方向を直交座標系のz軸とする上記応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、上記破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により上記破断リスク(FR)を算出することを特徴とする破断判定方法。
Figure 0005896150
It is a rupture determination method for determining a rupture of a joint part that joins a plurality of stacked plate materials,
Identifying a stress tensor acting on the joint;
Calculating a fracture risk of the joint based on the identified stress tensor and the fracture stress of the joint;
Determining the breakage of the joint based on the calculated breakage risk, and
In the step of calculating the fracture risk, the stress tensor with the normal direction of the plate material as the z-axis of the orthogonal coordinate system (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx ), and the fracture stress ( A rupture determination method, wherein the rupture risk (FR) is calculated by the following formula when σ T ) and weighting coefficients are (A, B, C).
Figure 0005896150
相互に重ねられた複数の板材を接合する接合部の破断をコンピュータに判定させるための破断判定プログラムであって、コンピュータに、
上記接合部に作用する応力テンソルを特定するステップと、
上記特定された上記応力テンソルと、上記接合部の破断応力とに基づき、上記接合部の破断リスクを算出するステップと、
上記算出された破断リスクに基づき、上記接合部の破断を判定するステップと、を実行させ、
上記破断リスクを算出するステップにおいて、上記板材の法線方向を直交座標系のz軸とする上記応力テンソルを(σx、σy、σz、τzy、τzx)、上記破断応力を(σT)、重み付け係数を(A、B、C)とした場合、以下の式により上記破断リスク(FR)を算出させることを特徴とする破断判定プログラム。
Figure 0005896150
A rupture determination program for causing a computer to determine a rupture of a joint that joins a plurality of stacked plate materials, the computer,
Identifying a stress tensor acting on the joint;
Calculating a fracture risk of the joint based on the identified stress tensor and the fracture stress of the joint;
Determining the breakage of the joint based on the calculated breakage risk, and
In the step of calculating the fracture risk, the stress tensor with the normal direction of the plate material as the z-axis of the orthogonal coordinate system (σ x , σ y , σ z , τ zy , τ zx ), and the fracture stress ( A rupture determination program characterized by causing the rupture risk (FR) to be calculated by the following formula, when σ T ) and weighting coefficients are (A, B, C).
Figure 0005896150
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