专利名称：成形模拟方法、成形模拟装置、程序、存储介质及基于模拟结果的成形方法
技术领域：
本发明涉及成形模拟方法、成形模拟装置、程序、存储介质及模拟结果进行的成形方法。本发明尤其是关于基于对钢板或铝板等金属板、塑料材料或复合材料等的弹塑性材料进行成形时的成形模拟及其结果进行的成形方法。本申请基于2008年9月30日在日本提出的特愿2008-252730号及2008年9月30日在日本提出的特愿2008-253278号主张优先权，并在此援引它们的内容。
背景技术：
以往，在汽车零件或家庭电气产品中，使用上下一对凹凸模具，大多采用将薄钢板或铝薄板等金属薄板冲压加工成规定形状而得到的零件。近年，为谋求这样的产品的零件的轻量化，流行使用更高强度的材料而使板厚减少。另一方面，冲压成形高强度的材料时， 发生材料的弹性变形，产品大多会以与成形下死点处的零件形状不同的形状形成。该弹性变形回复(弹性回复)的量变大时，导致零件精度的降低。为抑制该情况，通常通过变更零件的形状来提高零件刚度，由此降低弹性变形回复量。另外，通常也通过预先考虑弹性变形回复量而修正模具形状。另一方面，由于冲压零件一般具有复杂的形状，所以成形时的形变不一样。因此， 对弹性变形回复的发生原因部位进行确定是不简单的。对此，基于对象零件的成形下死点处的应力分布，即对象零件的目标形状，将零件分割成多个区域，使各个区域中的应力依次变化，进行弹性变形回复解析，确定对于弹性变形回复来说支配性的区域的方法如下述专利文献1 3公开的那样。这些专利文献1 3记载的方法都是利用非专利文献1记载的有限元素法的方法。而且，作为对成为弹性变形回复的原因的内部残留应力进行控制的方法，在例如专利文献4 7中公开了 对于特征性的零件形状，预先在确定的部位成形压花或突起形状，并在下一工序中压溃的方法。另外，在专利文献8中公开了 在原材料(毛胚)整个面上成形压花或突起形状，并在下一工序中压溃的方法。现有技术文献专利文献专利文献1日本特开2007-2^7 号公报专利文献2日本特开2008-49389号公报 专利文献3日本特开2008-55476号公报专利文献4日本特开2006-272413号公报 专利文献5日本特开2007-222906号公报专利文献6日本特开2008-12570号公报 专利文献7日本特开2008-18442号公报 专利文献8日本特开2006-35245号公报
非专利文献非专利文献1 有限元素法手册鹫津久一郎等编，培风馆(1981)
发明内容
发明的概要发明所要解决的课题但是，在专利文献1 3中，预先将零件分割成多个区域。而且，需要只以被分割的区域的数量反复进行大规模的联立方程式求解即弹性变形回复计算。因此，对成为弹性变形回复发生的原因的部位进行确定的作业繁杂化。另外，根据分割的方式(大小、分割数)， 结果不同。因此，存在很难充分地对成为弹性变形回复发生的原因的部位进行确定的问题。本发明鉴于上述课题而研发的，第1目的是提供成形模拟方法、成形模拟装置、程序以及存储介质，不需要进行大规模的联立方程式的矩阵运算等的繁杂且长时间的计算， 通过简易的计算，极迅速且可靠地高效确定金属板成形时弹性变形回复的发生部位，有助于正确的成形。另外，专利文献4 7的方法都是，以U字型或帽型截面，沿高度方向或长度方向弯曲的较单纯形状部件的棱角(web)面或凸缘面上成形压花或突起形状，并在下一工序中压溃。而在实际的例如汽车零件等中，一般形状复杂，在棱角面或凸缘面上具有用于与其他零件接合等的设有凹凸形状或开口部。因此，成形时的应力或形变在棱角面内或凸缘面内不一样，且复杂地分布。由此，在专利文献4 7的方法中，在赋予压花的部位，存在不能得到效果或使弹性变形回复增大的问题。另外，在专利文献8的方法中，由于在毛胚整个面上赋予压花，所以存在用于压溃的成形力增大的问题。而且，通过压溃压花，发生压缩应力，还存在其成为驱动力使弹性变形回复增大的问题。另外，在组合专利文献4 7的方法和专利文献1记载的方法的情况下，不能够充分抑制形状复杂的冲压零件的冲压加工时的弹性变形回复。本发明鉴于上述课题而研发的，第2目的是提供成形方法，对于形状复杂的冲压零件，能够高效确定冲压成形时的成为弹性变形回复的发生的原因的部位，通过抑制由该部位引起的弹性变形回复，使尺寸精度优良。用于解决课题的手段为实现上述目的，本发明采用以下的手段。(1)本发明的弹塑性材料的成形模拟方法包括使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量的工序；以及将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢
量的工序。(2)所述(1)记载的成形模拟方法还包括基于所计算的所述全部等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域中，将所述等效节点力矢量大的部位确定为弹性变形回复的发生原因部位的工序。(3)所述⑴记载的成形模拟方法还包括计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述全部等效节点力矢量进行乘法运算，来计算对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的贡献度的工序。(4)所述( 记载的模拟方法还包括显示对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的所述贡献度的工序。(5)所述⑴记载的成形模拟方法还包括计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量的工序；按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第2外力矢量进行乘法运算， 来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量的工序；以及按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。(6)所述( 记载的成形模拟方法还包括显示所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。(7)本发明的弹塑性材料的成形方法基于所述(1)记载的模拟方法的结果，成形弹塑性材料。(8)所述(7)记载的弹塑性材料的成形方法包括基于所述模拟方法确定弹性变形回复发生原因部位的工序；预先在所述弹性变形回复发生原因部位成形压花的工序；以及以对所述压花施加压缩应力的方式使其塑性变形的工序。(9)所述(8)记载的弹塑性材料的成形方法中，所述压花成形工序中成形的所述压花是2个以上的大致同一尺寸的圆形压花。(10)所述(9)记载的弹塑性材料的成形方法中，所述压花成形工序具有如下工序使用与设置在模具上的凹部嵌合的高度尺寸不同的多个拆装式的工具来调整压花形状的高度尺寸。(11)本发明的程序在通过计算机进行弹塑性材料的成形模拟时，执行如下工序 使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量的工序；以及将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量的工序。(12)所述(11)记载的程序还通过计算机执行如下工序基于所计算的所述全部等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域中，将所述等效节点力矢量大的部位确定为弹性变形回复的发生原因部位的工序。(13)所述(1 记载的程序还通过计算机执行如下工序计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；以及将所述全部等效节点力矢量作为外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述全部等效节点力矢量进行乘法运算，来计算对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的贡献度的工序。(14)所述(11)记载的程序还通过计算机执行如下工序计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量的工序；按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第2外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量的工序；以及按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。(15)本发明的能够被计算机读取的存储介质存储有所述(11)记载的程序。(16)本发明的进行弹塑性材料的成形模拟的成形模拟装置包括第1计算部，使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量；第2计算部，将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量；第3计算部，计算整体刚度矩阵的逆矩阵；第4计算部，将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量；第5计算部，按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第2外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量；以及第6计算部，按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量。发明的效果根据所述(1)至O)的发明，不需要进行大规模的联立方程式的矩阵运算等的繁杂且长时间的计算，通过简易的计算，极迅速且可靠地确定弹塑性材料的成形时的弹性变形回复的发生部位，有助于正确的成形。根据所述C3)至的发明，与所述(1)至O)的发明相比能够更可靠地确定弹塑性材料的成形时的弹性变形回复的发生部位，有助于正确的成形。根据所述( 至(6)的发明，与所述C3)至的发明相比能够更可靠地确定弹塑性材料的成形时的弹性变形回复的发生部位，有助于正确的成形。根据所述(7)至(10)的发明提供一种弹塑性材料的成形方法，基于(1)至(6)记载的模拟方法的结果，即使是形状复杂的加工零件，也能够将冲压成形时的弹性变形回复的发生部位高效确定在精确点位(pin point)，通过抑制由该部位引起的弹性变形回复，能够使尺寸精度优良。
图1是表示成为本实施例的成形模拟的对象的金属薄板的成形目标形状(成形下死点处的形状)的一例的概略立体图。图2是表示4节点壳元素的示意图。图3是表示第1实施方式的成形模拟装置的概略结构的框图。图4是按步骤顺序表示第1实施方式的成形模拟方法的流程图。图5A是表示第1实施方式所使用的金属零件(高张力钢板)的示意图。图5B是图5A中的A所示的位置的局部放大图。图6是表示由成形模拟得到的金属零件的脱模后的弹性变形回复位移量的分布的示意图。
图7A是表示在第1实施方式中，显示部的图像显示的一例的示意图。图7B是表示在第1实施方式中，显示部的图像显示的一例的示意图。图8是表示第1实施方式的比较例的金属零件的变形结果的示意图。图9是表示第2实施方式的成形模拟装置的概略结构的框图。图10是按步骤顺序表示第2实施方式的成形模拟方法的流程图。图IlA是表示第2实施方式所使用的金属零件(高张力钢板)的示意图。图IlB是图IlA的A部放大图。图12是表示由成形模拟得到的金属零件的脱模后的弹性变形回复位移量的分布的示意图。图13A是表示在第2实施方式中，显示部的图像显示的一例的示意图。图1 是表示在第2实施方式中，显示部的图像显示的一例的示意图。图14是表示第2实施方式的比较例的金属零件的变形结果的示意图。图15是表示第3实施方式的成形模拟装置的概略结构的框图。图16是按步骤顺序表示第3实施方式的成形模拟方法的流程图。图17A是表示第3实施方式所使用的金属零件(高张力钢板)的立体图。图17B是图17A的局部放大图。图18是表示由成形模拟得到的金属零件的脱模后的弹性变形回复位移量的分布的示意图。图19是表示在第3实施方式中，显示部的图像显示的一例的示意图。图20是表示第3实施方式的比较例的金属零件的变形结果的示意图。图21是表示第4实施方式中的个人用户终端装置的内部结构的示意图。图22是表示成为冲压成形的对象的金属薄板冲压零件的一例的概略立体图。图23是表示由成形模拟得到的金属零件的脱模后的弹性变形回复位移量的分布的示意图。图M是表示由成形模拟得到的金属零件的成形下死点处的应力分布的示意图。图25是表示由第5实施方式的成形模拟得到的金属零件的对扭曲的影响度的分布的示意图。图沈是第5实施方式的冲压第一工序成形零件的俯视图。图27是第5实施方式的冲压第一工序成形零件及模具的沿图沈的A-A线的剖视图。图观是第5实施方式的冲压第二工序成形零件的俯视图。图四是第5实施方式的冲压第二工序成形零件及模具的沿图观的A-A线的剖视图。图30是表示第5实施方式的压花成形用圆筒工具的示意图。
具体实施例方式以下，以金属薄板的冲压成形模拟为例说明本发明的实施方式，但本发明的适应对象不仅限于冲压成形金属薄板的模拟。本发明也能适用于对塑料材料或复合材料料等弹塑性材料进行成形的情况、和通过辊轧(roll)成形等进行成形的情况的模拟等。另外，不仅限于薄板材料的成形，也能适用于线材或具有某程度厚度的材料的成形模拟等。以下，参照图1 8详细说明本发明的第1实施方式。图1是表示成为本发明的成形模拟的对象的金属薄板的成形下死点处的形状(成形目标形状)的一例的概略立体图。图1示出了在金属薄板10的一部分中有限元素的网眼M。作为有限元素，这里使用图2所示的4节点壳元素。该4节点壳元素如以下的式(1)所示地各节点具有以整体坐标系参考的6个自由度。另外，各积分点的平面应力如以下的式( 所示地具有3个分量。 另外，虽然未图示，但在金属薄板的厚度方向上存在多层(这里为5层)的积分点。节点自由度{uν w θ χ θ￥ θ J ... (1)
权利要求
1.一种成形模拟方法，是弹塑性材料的成形模拟方法，其特征在于，包括使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量的工序；以及将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量的工序。
2.如权利要求1所述的成形模拟方法，其特征在于，还包括基于所计算的所述全部等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域中，将所述等效节点力矢量大的部位确定为弹性变形回复的发生原因部位的工序。
3.如权利要求1所述的成形模拟方法，其特征在于，还包括 计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述全部等效节点力矢量进行乘法运算，来计算对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的贡献度的工序。
4.如权利要求3所述的成形模拟方法，其特征在于，还包括显示对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的所述贡献度的工序。
5.如权利要求1所述的成形模拟方法，其特征在于，还包括 计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量的工序；按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第2外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量的工序；以及按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。
6.如权利要求5所述的成形模拟方法，其特征在于，还包括显示所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。
7.—种弹塑性材料的成形方法，基于权利要求1记载的模拟方法的结果，成形所述弹塑性材料。
8.如权利要求7所述的弹塑性材料的成形方法，其特征在于，包括 基于所述模拟方法确定弹性变形回复发生原因部位的工序； 预先在所述弹性变形回复发生原因部位成形压花的工序；以及以对所述压花施加压缩应力的方式使其塑性变形的工序。
9.如权利要求8所述的弹塑性材料的成形方法，其特征在于，所述压花成形工序中成形的所述压花是2个以上的大致同一尺寸的圆形压花。
10.如权利要求8所述的弹塑性材料的成形方法，其特征在于，所述压花成形工序具有如下工序使用与设置在模具上的凹部嵌合的高度尺寸不同的多个拆装式的工具来调整压花形状的高度尺寸。
11.一种程序，在通过计算机进行弹塑性材料的成形模拟时，执行如下工序使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量的工序；以及将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量的工序。
12.如权利要求11所述的程序，还通过计算机执行如下工序基于所计算的所述全部等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域中，将所述等效节点力矢量大的部位确定为弹性变形回复的发生原因部位的工序。
13.如权利要求11所述的程序，还通过计算机执行如下工序 计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；以及将所述全部等效节点力矢量作为外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述全部等效节点力矢量进行乘法运算，来计算对于所述弹塑性材料的确定位置的位移量的、按照所述外力矢量的每个分量的贡献度的工序。
14.如权利要求11所述的程序，还通过计算机执行如下工序 计算整体刚度矩阵的逆矩阵的工序；将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量的工序；按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第2外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量的工序；以及按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量的工序。
15.一种能够由计算机读取的存储介质，存储有权利要求11记载的程序。
16.一种成形模拟装置，是进行弹塑性材料的成形模拟的成形模拟装置，其特征在于， 包括第1计算部，使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量；第2计算部，将按照所述每一个或每多个有限元素计算的所述元素等效节点力矢量， 在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量；第3计算部，计算整体刚度矩阵的逆矩阵；第4计算部，将所述全部等效节点力矢量作为第1外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第1外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第1位移量；第5计算部，按照所述每一个或每多个有限元素，将从所述第1外力矢量除去该元素的元素等效节点力矢量后的结果作为第2外力矢量，对所述整体刚度矩阵的逆矩阵和所述第 2外力矢量进行乘法运算，来计算所述弹塑性材料的确定位置的第2位移量；以及第6计算部，按照所述每一个或每多个有限元素，计算所述第1位移量和所述第2位移量之间的变化量。
全文摘要
本发明的弹塑性材料的成形模拟方法包括使用有限元素法，按照所述弹塑性材料的目标形状中的每一个或每多个有限元素，从应力张量计算元素等效节点力矢量的工序；将所计算的按照所述每一个或每多个有限元素的所述元素等效节点力矢量，在所述弹塑性材料的整个区域或确定区域的范围内进行积分，来计算该区域的全部等效节点力矢量的工序。
文档编号B21D22/00GK102165451SQ200980138009
公开日2011年8月24日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年9月30日
发明者上西朗弘, 有贺高, 米村繁, 铃木规之 申请人:新日本制铁株式会社