ハイテン材のプレス成形時に生ずる成形ひずみ，残留応力を考慮した

ハイテン材のプレス成形時に生ずる
成形ひずみ，残留応力を考慮した衝突性能評価
Analysis of crash in consideration of residual stress and strain
in press molding high tensile steel sheet
○井上裕貴（金沢工業大学大学院）
瀬戸雅宏（正、金沢工業大学）
山部昌（正、金沢工業大学）
１．はじめに
近年，ものづくり品質の向上やコスト削減などの
目的で，Computer Aided Engineering（以下，CAE）
が多く使用されてきている．従来の衝突シミュレー
ションの分野では，CAD データを用いてモデルを作
成し，部材の暑さや材料の物性値などを入力し衝突
シミュレーション解析を行う．その結果から，部材
にかかる荷重，部材の変位・エネルギー量を算出す
ることができる．
しかし，従来の解析方法だと部材自体の加工履歴
が考慮されていない．実部材では，成形時に発生す
る成形ひずみ，残留応力が存在する．この 2 つの因
子を無視して解析を行うことで，衝突性能が不安全
サイド（強度不足）の恐れがあり，安全設計とは言
えない．そのため，加工履歴を考慮した状態と考慮
していない状態とを比較し検討を行うことで高精度
な設計指針を得ることを目的とする．
を用いてメッシュを作成した．メッシングしたモデ
ルを PAM-STAMP 2G へインポートする．表 1 にハイ
テン材の材料定数を示す．表 1 を基に，プレスシミ
ュレーションを行う．
図 2 に示した通りの形状を金型として，プレスシ
ミュレーションを行う．図 3 にプレスシミュレーシ
ョンを示す．
表 2 に解析結果を示す．図 4 に解析結果を左から
順に成形ひずみ，残留応力，板厚分布を示す．
自動車車体の軽量化と衝突安全性向上の要求に応
えるため，多くの自動車部材に使用せれているハイ
テン材を用いて研究を行う１）．
本研究ではハイテン材を用いて，プレスシミュレ
ーションを行う．そこから得られたモデルで，成形
ひずみ・残留応力の有無の違いで，衝突シミュレー
ションを行い，衝突性能の評価を行う．その結果か
ら，高精度の設計指針を得ることを目的とする．
２．解析方法
図1
解析の流れ
表1
材料データ
Name
Poisson ratio
elastic modulus [GPa]
Density [mm3]
thickness [mm]
図2
目標形状 (Die)
Punch
980MPa級
0.3
198
7.85E-06
1.5
単位：mm・kg・ms
Die
図 3 プレスシミュレーション
図 1 に解析の流れを示す．図 1 より，成形履歴と
は，成形する際の履歴を意味し，加工履歴とは，成
２．２衝突シミュレーション
形時に生じる成形ひずみ，残留応力，板厚分布を意
ESI 社の PAM-CRASH 2007 を使用し衝突シミュレ
味する．
ーションを行う．目標形状通りのモデル(以下，モデ
ル１)と，プレスシミュレーションから得られたモデ
２．１プレス成形シミュレーション
ルを用いる．また，得られたモデルは弾性回復前の
プレスシミュレーションを行うため， ESI 社の
形状モデル(以下，モデル 2)と弾性回復後の形状モデ
PAM-STAMP 2G を使用する．金型は，成形品通りの
ル(以下，モデル 3)の 3 つのモデルで衝突シミュレー
形状とする．図 2 に目標形状(Die）を示す．目標形
ションを行う．
状を CAD で作成し，Hyper Works 9.0 の Hyper Mesh
図 5 に衝突シミュレーションを示す．衝突解析モ
デルのモデル１は加工履歴を考慮しない．しかし，
日本設計工学会 2011 年度春季研究発表講演会(2011 年 6 月 25 日)
モデル 2 とモデル 3 は成形履歴を考慮する．さらに，
モデル 2 およびモデル 3 はそれぞれ，加工履歴を考
ここで，C：圧潰率 (%)，l：部材変形ストローク量
慮するものと考慮しない 4 パターンの解析モデルが
(mm)，L：部材最大変形ストローク量 (mm)．
表 4 に解析結果を示す．
２．３解析条件
Load [kN]
材料物性値は，PAM-STAMP と同様に引張試験か
ら得た値を用いる．表 3 に解析条件を示す．
40.0
40.0
35.0
35.0
30.0
30.0
25.0
25.0
Load [kN]
ある．
20.0
15.0
10.0
表2
解析結果
15.0
10.0
No_Springback_normal
5.0
20.0
Springback_normal
5.0
No_Springback_residual_stress
0.0
Springback_residual_stress
0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
0.0
5.0
10.0
(a) モデル２
(b)
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
モデル３
荷重-変位曲線の比較
表4
impacter
20.0
Displacement [mm]
Displacement [mm]
図6
15.0
解析結果
model
plate
図4
解析結果
表3
図 5 衝突シミュレーション
解析条件.
impacter velocity
segment-to-segment Contact
Self-Impacting Contact
output interval
れは，塑性変形させた後に逆方向に変形を与えた場
2
Contact thickness
0.85
Constant Frriction coefficient
0.8
Contact thickness
0.7
Constant Frriction coefficient
0.15
time interval
表 4 より，平均荷重及エネルギー吸収量は加工履
歴を考慮した model の方が小さいことがわかる．こ
合，最初の変形よりも小さい応力で塑性変形が開始
するバウシンガー効果が働いたからだと考えた．ゆ
えに，衝突性能が不安全サイドに行き，設計段階で
0.1
単位：mm,ms
求めた強度を十分に満たしていない可能性がある．
ここで，segment to segment Contact とはインパクタ
ーとモデルの接触定義を示し，Self Impacting Contact
４．おわりに
とは圧潰している過程で，モデル同士の接触定義を
示す．インパクターの質量は 1(ton)とし，2(m/s)で
本研究では，加工履歴を考慮した衝突解析を行う
衝突させる．インパクターとプレートはどちらも剛
ことを目的に，プレスシミュレーション，衝突シミ
体とする．
ュレーションを行った結果，以下の結論を得た．
(1)
３．解析結果
加工履歴を考慮した衝突シミュレーション解析
ができることが確認できた．
(2)
図 6(a)(b)に荷重-変位曲線の比較を示す．図 6(a)よ
り，モデル 2 に加工履歴を考慮していないモデルと
ングバックが発生した．
(3)
加工履歴の考慮の有無で，衝突性能に違いが
生じることがわかった．
(4)
衝突性能が 13.3%低下した．設計段階で求めた
加工履歴を考慮したモデルの衝突解析結果を比較し
ている．図 6(b)も同様にモデル 3 の衝突解析結果を
ハイテン材をプレス成形すると，顕著にスプリ
比較している。加工履歴を考慮したモデルの方が初
強度を満たしていない可能性がある．そのため，
期ピーク，および平均荷重が低いことがわかる．初
成形履歴を考慮することは，部材に与える影響
期ピークとは，インパクターがモデルに最初に衝突
が大きいと示唆した．
した時の荷重のピーク点を示す．平均荷重とは，モ
以上より、高精度の設計指針を得ることができた．
デルの圧潰率が 5~75(%)の範囲を平均荷重とする．
また，衝突性能を評価する基準を圧潰率が 75%の時
参考文献
のエネルギー量とする．(1)に圧潰率の導出式を以下
に示す．
1) 上田秀樹，他 4 名：自動車技術会論文集，Vol.41，
No.4，July 2010，pp.817~822．
(1)

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