スポット溶接構造体の疲労寿命予測方法
【課題】実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造の疲労寿命を精度よく予測することが可能なスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を提供する。
【解決手段】スポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、各スポット溶接部の各共有節点７に加わる力とモーメントを算出し、算出された力とモーメントとから各共有節点７の評価応力を算出し、算出された評価応力と疲労寿命線図とに基づいて各共有節点７の疲労寿命を予測する疲労寿命予測方法であって、予測された各共有節点７の疲労寿命から各共有節点７のダメージを算出し、算出されたダメージが破断限界に到達した共有節点７が存在するスポット溶接部３を有限要素モデル１から取り除いて、各共有節点７の疲労寿命の算出を繰り返す。
【解決手段】スポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、各スポット溶接部の各共有節点７に加わる力とモーメントを算出し、算出された力とモーメントとから各共有節点７の評価応力を算出し、算出された評価応力と疲労寿命線図とに基づいて各共有節点７の疲労寿命を予測する疲労寿命予測方法であって、予測された各共有節点７の疲労寿命から各共有節点７のダメージを算出し、算出されたダメージが破断限界に到達した共有節点７が存在するスポット溶接部３を有限要素モデル１から取り除いて、各共有節点７の疲労寿命の算出を繰り返す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法に関し、例えば、自動車のボディにおいて疲労亀裂が発生する可能性のある部位の疲労寿命を予測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の開発において、軽量化、開発期間短縮、試作車両の削減の課題に応えるため、近年コンピュータを用いたＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）による各種性能の予測が積極的に推進されている。車体の強度評価についても例外ではなく、その技術も加速的に進歩しており、構造体の強度解析のためには有限要素法が有用なことがこれまでに検証されている。構造体の中には、自動車のボディのように、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているものがあり、この種のスポット溶接構造体の強度をコンピュータを用いて解析する場合には、スポット溶接部をモデル化し、そのモデルに対して有限要素法を適用するのが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、平板とＬ型板とをあわせてスポット溶接構造としてのＬＰモデルを作成し、ＬＰモデルに対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央の溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上のたわみと、放射方向の傾斜とを算出し、算出した分担荷重、円周上のたわみ及び放射方向の傾斜に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論を用いて求め、この公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測する方法が提案されている。ここで、有限要素法解析用シェルモデルは、シェル要素を用いて作成されるものであり、ナゲット部付近をくもの巣状の密なシェル要素に分割するモデルである。
【０００４】
また、特許文献２には、スポット溶接構造に対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央の溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上の変位とを算出し、算出した分担荷重及び円周上の変位に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論及び二次元弾性論を用いて求め、この公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測する方法が提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、複数枚のパネルが複数箇所でスポット溶接されて形成されている構造体の亀裂発生危険部位を予測する方法であり、スポット溶接部を共有節点モデルでモデル化する工程と、そのモデルに有限要素法を適用して、共有節点に隣接する節点での面直方向の剥離距離に対応する値を算出する工程と、算出された値を所定値と比較する工程とを備えることによって亀裂発生危険部位を予測する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１４９１３０号公報
【特許文献２】国際公開第２００４／９９７６１号パンフレット
【特許文献３】特開２００２−３５９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、実際の疲労試験におけるスポット溶接構造体の破壊現象では、疲労寿命に達したスポット溶接部が順次破断していく。そして、スポット溶接構造のスポット溶接部が破断すると、破断したスポット溶接部が負担していた外的負荷を残りのスポット溶接部が負担することとなる。したがって、スポット溶接部の破断が進行すると、残りのスポット溶接部が負担する外的負荷が除々に増大することとなる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１から３に提案された方法では、スポット溶接部の破断の進行と残りのスポット溶接部が負担する外的負荷の増大との関係が考慮されておらず、スポット溶接構造の疲労寿命を精度よく予測することができないという問題がある。
本発明は上記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、その目的は、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能なスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願請求項１記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
また、本願請求項２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、そのモデルに有限要素法を適用して前記スポット溶接構造体の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とする。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【００１０】
【数２】
【発明の効果】
【００１１】
本願請求項１又は２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、予測された各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、算出されたダメージが破断限界に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返す構成により、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることができ、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を図面を参照して説明する。
図１は、スポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。図２は、図１に示す有限要素解析モデルのうちのある一つのスポット溶接部の拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法のフローチャートである。図４は、ビーム要素の各端部にシェル要素から加わる力とモーメントを示す図である。図５は、評価応力と疲労寿命との関係を示す疲労寿命線図である。
【００１３】
本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、実際のスポット溶接構造体（図示せず）の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測するものである。なお、以下の処理はコンピュータにより行われる。
すなわち、スポット溶接構造体について有限要素法による解析を行うべく、図１に示すスポット溶接構造体モデル（有限要素モデル）１を作成する。
【００１４】
スポット溶接構造体モデル１では、図１に示すように、複数枚の鋼板（金属板）２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｅ，２ｆが複数のスポット溶接部（図１において図示せず）でスポット溶接されている。
そして、作成されたスポット溶接構造体モデル１について、所定位置に荷重を引張方向と圧縮方向に与える両振り荷重の条件で、有限要素法による構造解析を行う。
【００１５】
かかる構造解析においては、まず、図２に示すように、スポット溶接構造体モデル１の各スポット溶接部３において、溶接される２枚の鋼板をシェル要素４でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部５を１本のビーム要素６でモデル化する。ここで、各シェル要素４とビーム要素６の各端とは、共有節点７で接続されている。また、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが繋がっている。なお、本実施形態においては、各シェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは四角形要素であるが、四角形以外の要素であっても構わない。
【００１６】
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを以下の方法により算出する。ここで、予め設定されるｍの値は、スポット溶接構造体モデル１に存在する全てのスポット溶接部３の数以下であれば任意に設定することが可能である。
まず、図３に示すように、スポット溶接構造体モデル１について有限要素法による構造解析を行い、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７について、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから各共有節点７に加わる力とモーメントを算出する（ステップＳ１０１）。ここで、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、全てのスポット溶接部３が存在するスポット溶接構造体モデル１について構造解析が行われることとなる。
【００１７】
この場合、図４に示すように、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから、シェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙが加わる。
そして、算出された力とモーメントとから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における評価応力Δσｓｔを算出する（ステップＳ１０２）。
【００１８】
ここで、本実施形態においては、両振り荷重による構造解析を行っているため、評価応力Δσｓｔは、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差により算出される。なお、評価応力Δσｓｔの算出方法は、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差以外の方法により算出する構成としても構わない。
そして、評価応力σｓｔは、有限要素法により算出されたシェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙと下記式（４）とから算出される。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ただし、ｄは図２に示す溶接ナゲット部５の溶接ナゲット径、ｔは鋼板の板厚、θは図２及び図４に示す角度である。
【００２１】
次に、予め実験によって作成しておいた評価応力Δσｓｔと疲労寿命との関係を示すデータを格納したデータベースとに基づいて、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。ここで、本実施形態においては、算出された評価応力Δσｓｔと、予め準備された図５に示す疲労寿命線図とに基づき疲労寿命Ｎｆを予測する。なお、疲労寿命Ｎｆは、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に評価応力Δσｓｔを繰り返し作用した場合の、各共有節点７が破断するまでの繰り返し数（サイクル）として予測される。
【００２２】
そして、予測された疲労寿命Ｎｆから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する（ステップＳ１０４）。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
ここで、ｉの値は１からｍまで順次設定され、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時にはｉ＝１となる（以下同様）。
【００２３】
また、有限要素法による構造解析を開始する前のスポット溶接構造体モデル１では、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７はダメージを受けていない状態となっている。したがって、この場合、各共有節点７のダメージの値は０となるため、後述する各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ０の値は１となる。よって、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１が下記式（５）により算出されることとなる。
Ｎｆ１＝Ｎｆ ・・・（５）
【００２４】
また、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎが求められる。
【００２５】
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【００２６】
ここで、本実施形態においては、ダメージＤｉは、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎ間に各共有節点７に作用した各評価応力Δσｓｔの繰り返し数の、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉに対する比として算出している。よって、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７のダメージＤｉの値は１となる。そして、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされる。
【００２７】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ１が下記式（６）により算出されることとなる。
Ｄ１＝Ｎｆ１ｍｉｎ／Ｎｆ１ ・・・（６）
また、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
【００２８】
【数４】
【００２９】
ここで、上述したように、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされることから、残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった共有接点７は破断が生じたものとされる。
【００３０】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、残存ダメージＤｌｅ１が下記式（７）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ１＝１−Ｄ１ ・・・（７）
そして、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３は破断が生じたものとされる。
【００３１】
次に、ｉ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを下記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
【００３２】
【数５】
【００３３】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（９）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ ・・・（９）
【００３４】
次に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かの判定が行われる（ステップＳ１０９）。
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたと判定された場合には処理を終了する。
一方、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６をスポット溶接構造体モデル１から取り除く（ステップＳ１１０）。
【００３５】
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９を繰り返す。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１から取り除かれる。
【００３６】
そして、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出が行われる。
この場合、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に加わる力とモーメントを算出し（ステップＳ１０１）、各共有節点７における評価応力Δσｓｔを改めて算出する（ステップＳ１０２）。
【００３７】
また、改めて算出された評価応力Δσｓｔと図５に示す疲労寿命線図とに基づき、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における、改めて算出された評価応力Δσｓｔに対応する疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。この場合、ここで予測された各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における疲労寿命Ｎｆは、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの間に各共有節点７が既に受けたダメージＤ１を考慮していないものとなっている。
【００３８】
そこで、算出された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅ１とから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２を上記式（１）により改めて算出する（ステップＳ１０４）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２が下記式（１０）により算出されることとなる。
Ｎｆ２＝Ｎｆ・Ｄｌｅ１ ・・・（１０）
【００３９】
また、改めて算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ２を上記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
【００４０】
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が受けるダメージＤ２が下記式（１１）により算出されることとなる。
Ｄ２＝Ｎｆ２ｍｉｎ／Ｎｆ２ ・・・（１１）
さらに、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２を上記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
【００４１】
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２が下記式（１２）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ２＝１−（Ｄ１＋Ｄ２） ・・・（１２）
【００４２】
次に、２箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを上記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（１３）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ＋Ｎｆ２ｍｉｎ ・・・（１３）
【００４３】
さらに、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かが判定され（ステップＳ１０９）、ｎ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１からさらに取り除かれる（ステップＳ１１０）。
【００４４】
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がさらに取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９が繰り返される。
以上の構成により、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、実際のスポット溶接構造体の疲労試験でみられる、スポット溶接部３に順次破断が生じながらスポット溶接構造体が破壊されていくスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることが可能となり、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。
【実施例】
【００４５】
次に、本発明の実施例に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を用いてスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合と、比較例に係る従来の手法である、全てのスポット溶接部がスポット構造体に存在した状態でスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合とを比較してその効果を説明する。
図６は、本実施例の解析対象のスポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【００４６】
本実施例においては、図６に示すように、図１に示すスポット溶接構造体モデル１の４箇所のスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに破断が生じるまでの疲労寿命を算出した。
スポット溶接構造体モデルにおける各溶接部の疲労寿命の算出結果を表１に示す。なお、表１では、各スポット溶接部の疲労寿命について、本発明例により算出した疲労寿命、比較例により算出した疲労寿命及び実際の疲労寿命を示している。
【００４７】
その結果、表１に示すように、最初に破断が生じると予測されるスポット溶接部Ａの寿命については、本発明例と比較例とで同一の疲労寿命が算出されており、実際の疲労寿命とほぼ一致している。
一方、２箇所目以降に破断が生じるスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄについては、本発明例と比較例とで算出される疲労寿命に差異が生じ、本発明例により算出された疲労寿命の方が従来例により算出された疲労寿命より短くなっており、実際の疲労寿命に近似していることがわかる。
【００４８】
これは、本発明例では疲労寿命に至ったスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃをスポット溶接構造体モデル１から順次取り除くため、残ったスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄにかかる荷重が順次増大していくためである。これは、実際のスポット溶接構造体の疲労試験においてみられる破壊現象に対応しており、従来の手法では考慮することが出来なかった点である。
【００４９】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】スポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【図２】図１に示す有限要素解析モデルのうちのある一つのスポット溶接部の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法のフローチャートである。
【図４】ビーム要素の各端部にシェル要素から加わる力とモーメントを示す図である。
【図５】評価応力と疲労寿命との関係を示す疲労寿命線図である。
【図６】本実施例の解析対象のスポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ スポット溶接構造体モデル
２ａ，２ｂ，２ｃ 鋼板
３ スポット溶接部
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ シェル要素
５ 溶接ナゲット部
６ ビーム要素
７ 共有節点
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ スポット溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法に関し、例えば、自動車のボディにおいて疲労亀裂が発生する可能性のある部位の疲労寿命を予測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の開発において、軽量化、開発期間短縮、試作車両の削減の課題に応えるため、近年コンピュータを用いたＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）による各種性能の予測が積極的に推進されている。車体の強度評価についても例外ではなく、その技術も加速的に進歩しており、構造体の強度解析のためには有限要素法が有用なことがこれまでに検証されている。構造体の中には、自動車のボディのように、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているものがあり、この種のスポット溶接構造体の強度をコンピュータを用いて解析する場合には、スポット溶接部をモデル化し、そのモデルに対して有限要素法を適用するのが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、平板とＬ型板とをあわせてスポット溶接構造としてのＬＰモデルを作成し、ＬＰモデルに対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央の溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上のたわみと、放射方向の傾斜とを算出し、算出した分担荷重、円周上のたわみ及び放射方向の傾斜に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論を用いて求め、この公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測する方法が提案されている。ここで、有限要素法解析用シェルモデルは、シェル要素を用いて作成されるものであり、ナゲット部付近をくもの巣状の密なシェル要素に分割するモデルである。
【０００４】
また、特許文献２には、スポット溶接構造に対して有限要素法解析用シェルモデルを作成し、作成した有限要素法解析用シェルモデルを用いて有限要素法線形弾性解析を行ってスポット溶接部中央の溶接ナゲット部の分担荷重と、その溶接ナゲット部を中心として描いた直径Ｄの円周上の変位とを算出し、算出した分担荷重及び円周上の変位に基づいて溶接ナゲット部における公称構造応力を弾性学の円板理論及び二次元弾性論を用いて求め、この公称構造応力よりスポット溶接構造の疲労寿命を予測する方法が提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、複数枚のパネルが複数箇所でスポット溶接されて形成されている構造体の亀裂発生危険部位を予測する方法であり、スポット溶接部を共有節点モデルでモデル化する工程と、そのモデルに有限要素法を適用して、共有節点に隣接する節点での面直方向の剥離距離に対応する値を算出する工程と、算出された値を所定値と比較する工程とを備えることによって亀裂発生危険部位を予測する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１４９１３０号公報
【特許文献２】国際公開第２００４／９９７６１号パンフレット
【特許文献３】特開２００２−３５９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、実際の疲労試験におけるスポット溶接構造体の破壊現象では、疲労寿命に達したスポット溶接部が順次破断していく。そして、スポット溶接構造のスポット溶接部が破断すると、破断したスポット溶接部が負担していた外的負荷を残りのスポット溶接部が負担することとなる。したがって、スポット溶接部の破断が進行すると、残りのスポット溶接部が負担する外的負荷が除々に増大することとなる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１から３に提案された方法では、スポット溶接部の破断の進行と残りのスポット溶接部が負担する外的負荷の増大との関係が考慮されておらず、スポット溶接構造の疲労寿命を精度よく予測することができないという問題がある。
本発明は上記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、その目的は、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能なスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願請求項１記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
また、本願請求項２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、そのモデルに有限要素法を適用して前記スポット溶接構造体の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とする。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【００１０】
【数２】
【発明の効果】
【００１１】
本願請求項１又は２記載のスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、予測された各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、算出されたダメージが破断限界に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返す構成により、実際のスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることができ、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を図面を参照して説明する。
図１は、スポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。図２は、図１に示す有限要素解析モデルのうちのある一つのスポット溶接部の拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法のフローチャートである。図４は、ビーム要素の各端部にシェル要素から加わる力とモーメントを示す図である。図５は、評価応力と疲労寿命との関係を示す疲労寿命線図である。
【００１３】
本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法は、実際のスポット溶接構造体（図示せず）の破壊現象をシミュレートすることで、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測するものである。なお、以下の処理はコンピュータにより行われる。
すなわち、スポット溶接構造体について有限要素法による解析を行うべく、図１に示すスポット溶接構造体モデル（有限要素モデル）１を作成する。
【００１４】
スポット溶接構造体モデル１では、図１に示すように、複数枚の鋼板（金属板）２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｅ，２ｆが複数のスポット溶接部（図１において図示せず）でスポット溶接されている。
そして、作成されたスポット溶接構造体モデル１について、所定位置に荷重を引張方向と圧縮方向に与える両振り荷重の条件で、有限要素法による構造解析を行う。
【００１５】
かかる構造解析においては、まず、図２に示すように、スポット溶接構造体モデル１の各スポット溶接部３において、溶接される２枚の鋼板をシェル要素４でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部５を１本のビーム要素６でモデル化する。ここで、各シェル要素４とビーム要素６の各端とは、共有節点７で接続されている。また、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが繋がっている。なお、本実施形態においては、各シェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは四角形要素であるが、四角形以外の要素であっても構わない。
【００１６】
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを以下の方法により算出する。ここで、予め設定されるｍの値は、スポット溶接構造体モデル１に存在する全てのスポット溶接部３の数以下であれば任意に設定することが可能である。
まず、図３に示すように、スポット溶接構造体モデル１について有限要素法による構造解析を行い、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７について、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから各共有節点７に加わる力とモーメントを算出する（ステップＳ１０１）。ここで、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、全てのスポット溶接部３が存在するスポット溶接構造体モデル１について構造解析が行われることとなる。
【００１７】
この場合、図４に示すように、各共有節点７には、４つのシェル要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから、シェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙが加わる。
そして、算出された力とモーメントとから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における評価応力Δσｓｔを算出する（ステップＳ１０２）。
【００１８】
ここで、本実施形態においては、両振り荷重による構造解析を行っているため、評価応力Δσｓｔは、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差により算出される。なお、評価応力Δσｓｔの算出方法は、振幅の最大値である評価応力σｓｔｍａｘと振幅の最小値である評価応力σｓｔｍｉｎとの差以外の方法により算出する構成としても構わない。
そして、評価応力σｓｔは、有限要素法により算出されたシェル要素面内のせん断力Ｆｘ及びＦｙ、シェル要素面に対して垂直方向の応力Ｆｚ並びにシェル要素面に作用する曲げモーメントＭｘ及びＭｙと下記式（４）とから算出される。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ただし、ｄは図２に示す溶接ナゲット部５の溶接ナゲット径、ｔは鋼板の板厚、θは図２及び図４に示す角度である。
【００２１】
次に、予め実験によって作成しておいた評価応力Δσｓｔと疲労寿命との関係を示すデータを格納したデータベースとに基づいて、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。ここで、本実施形態においては、算出された評価応力Δσｓｔと、予め準備された図５に示す疲労寿命線図とに基づき疲労寿命Ｎｆを予測する。なお、疲労寿命Ｎｆは、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に評価応力Δσｓｔを繰り返し作用した場合の、各共有節点７が破断するまでの繰り返し数（サイクル）として予測される。
【００２２】
そして、予測された疲労寿命Ｎｆから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する（ステップＳ１０４）。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
ここで、ｉの値は１からｍまで順次設定され、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時にはｉ＝１となる（以下同様）。
【００２３】
また、有限要素法による構造解析を開始する前のスポット溶接構造体モデル１では、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７はダメージを受けていない状態となっている。したがって、この場合、各共有節点７のダメージの値は０となるため、後述する各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ０の値は１となる。よって、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１が下記式（５）により算出されることとなる。
Ｎｆ１＝Ｎｆ ・・・（５）
【００２４】
また、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ１のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎが求められる。
【００２５】
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【００２６】
ここで、本実施形態においては、ダメージＤｉは、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎ間に各共有節点７に作用した各評価応力Δσｓｔの繰り返し数の、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆｉに対する比として算出している。よって、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７のダメージＤｉの値は１となる。そして、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされる。
【００２７】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ１が下記式（６）により算出されることとなる。
Ｄ１＝Ｎｆ１ｍｉｎ／Ｎｆ１ ・・・（６）
また、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
【００２８】
【数４】
【００２９】
ここで、上述したように、ダメージＤｉの値が１に達した共有節点７は破断が生じたものとされることから、残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった共有接点７は破断が生じたものとされる。
【００３０】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、残存ダメージＤｌｅ１が下記式（７）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ１＝１−Ｄ１ ・・・（７）
そして、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３は破断が生じたものとされる。
【００３１】
次に、ｉ箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを下記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
【００３２】
【数５】
【００３３】
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（９）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ ・・・（９）
【００３４】
次に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かの判定が行われる（ステップＳ１０９）。
そして、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたと判定された場合には処理を終了する。
一方、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６をスポット溶接構造体モデル１から取り除く（ステップＳ１１０）。
【００３５】
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅｉが０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９を繰り返す。
１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時に、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７（最短の疲労寿命Ｎｆ１ｍｉｎの共有節点７）が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１から取り除かれる。
【００３６】
そして、残存ダメージＤｌｅ１が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６が取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出が行われる。
この場合、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７に加わる力とモーメントを算出し（ステップＳ１０１）、各共有節点７における評価応力Δσｓｔを改めて算出する（ステップＳ１０２）。
【００３７】
また、改めて算出された評価応力Δσｓｔと図５に示す疲労寿命線図とに基づき、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における、改めて算出された評価応力Δσｓｔに対応する疲労寿命Ｎｆを予測する（ステップＳ１０３）。この場合、ここで予測された各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７における疲労寿命Ｎｆは、１箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの間に各共有節点７が既に受けたダメージＤ１を考慮していないものとなっている。
【００３８】
そこで、算出された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅ１とから、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２を上記式（１）により改めて算出する（ステップＳ１０４）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２が下記式（１０）により算出されることとなる。
Ｎｆ２＝Ｎｆ・Ｄｌｅ１ ・・・（１０）
【００３９】
また、改めて算出されたスポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７の疲労寿命Ｎｆ２のうち、最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎを求める（ステップＳ１０５）。
そして、求められた最短の疲労寿命Ｎｆ２ｍｉｎの間に各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が受けるダメージＤ２を上記式（２）により算出する（ステップＳ１０６）。
【００４０】
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が受けるダメージＤ２が下記式（１１）により算出されることとなる。
Ｄ２＝Ｎｆ２ｍｉｎ／Ｎｆ２ ・・・（１１）
さらに、各スポット溶接部３のビーム要素６の各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２を上記式（３）により算出する（ステップＳ１０７）。
【００４１】
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔの算出時には、各共有節点７が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅ２が下記式（１２）により算出されることとなる。
Ｄｌｅ２＝１−（Ｄ１＋Ｄ２） ・・・（１２）
【００４２】
次に、２箇所のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔを上記式（８）により算出する（ステップＳ１０８）。
２箇所目のスポット溶接部３に破断が生じるまでのスポット溶接構造体モデル１の疲労寿命Ｎｆｓｔは、下記式（１３）により算出されることとなる。
Ｎｆｓｔ＝Ｎｆ１ｍｉｎ＋Ｎｆ２ｍｉｎ ・・・（１３）
【００４３】
さらに、予め設定されたｍ箇所のスポット溶接部３に破断が生じたか否かが判定され（ステップＳ１０９）、ｎ箇所のスポット溶接部３に破断が生じていないと判定された場合には、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がスポット溶接構造体モデル１からさらに取り除かれる（ステップＳ１１０）。
【００４４】
そして、ステップＳ１０１に戻り、残存ダメージＤｌｅ２が０になった共有節点７が存在するスポット溶接部３のビーム要素６がさらに取り除かれたスポット溶接構造体モデル１について再度構造解析が実施され、ステップＳ１０１からステップＳ１０９が繰り返される。
以上の構成により、本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法によれば、実際のスポット溶接構造体の疲労試験でみられる、スポット溶接部３に順次破断が生じながらスポット溶接構造体が破壊されていくスポット溶接構造体の破壊現象をシミュレートすることが可能となり、スポット溶接構造体の疲労寿命を精度よく予測することが可能となる。
【実施例】
【００４５】
次に、本発明の実施例に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法を用いてスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合と、比較例に係る従来の手法である、全てのスポット溶接部がスポット構造体に存在した状態でスポット溶接構造体の疲労寿命を算出した場合とを比較してその効果を説明する。
図６は、本実施例の解析対象のスポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【００４６】
本実施例においては、図６に示すように、図１に示すスポット溶接構造体モデル１の４箇所のスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに破断が生じるまでの疲労寿命を算出した。
スポット溶接構造体モデルにおける各溶接部の疲労寿命の算出結果を表１に示す。なお、表１では、各スポット溶接部の疲労寿命について、本発明例により算出した疲労寿命、比較例により算出した疲労寿命及び実際の疲労寿命を示している。
【００４７】
その結果、表１に示すように、最初に破断が生じると予測されるスポット溶接部Ａの寿命については、本発明例と比較例とで同一の疲労寿命が算出されており、実際の疲労寿命とほぼ一致している。
一方、２箇所目以降に破断が生じるスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄについては、本発明例と比較例とで算出される疲労寿命に差異が生じ、本発明例により算出された疲労寿命の方が従来例により算出された疲労寿命より短くなっており、実際の疲労寿命に近似していることがわかる。
【００４８】
これは、本発明例では疲労寿命に至ったスポット溶接部Ａ，Ｂ，Ｃをスポット溶接構造体モデル１から順次取り除くため、残ったスポット溶接部Ｂ，Ｃ，Ｄにかかる荷重が順次増大していくためである。これは、実際のスポット溶接構造体の疲労試験においてみられる破壊現象に対応しており、従来の手法では考慮することが出来なかった点である。
【００４９】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】スポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【図２】図１に示す有限要素解析モデルのうちのある一つのスポット溶接部の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法のフローチャートである。
【図４】ビーム要素の各端部にシェル要素から加わる力とモーメントを示す図である。
【図５】評価応力と疲労寿命との関係を示す疲労寿命線図である。
【図６】本実施例の解析対象のスポット溶接構造体の有限要素解析モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ スポット溶接構造体モデル
２ａ，２ｂ，２ｃ 鋼板
３ スポット溶接部
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ シェル要素
５ 溶接ナゲット部
６ ビーム要素
７ 共有節点
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ スポット溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。
【請求項２】
複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、そのモデルに有限要素法を適用して前記スポット溶接構造体の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【数１】
【請求項１】
複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、
そのモデルに有限要素法を適用して、各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出し、
算出された力とモーメントとから前記各共有節点の評価応力を算出し、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて前記各共有節点の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
予測された前記各共有節点の疲労寿命から前記各共有節点のダメージを算出し、
算出されたダメージの値が疲労寿命に到達した前記共有節点が存在するスポット溶接部を前記有限要素モデルから取り除いて、前記各共有節点の疲労寿命の算出を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。
【請求項２】
複数枚の金属板が複数箇所でスポット溶接されているスポット溶接構造体の有限要素モデルの各スポット溶接部において、前記金属板をシェル要素でモデル化すると共に、１つの溶接ナゲット部を１本のビーム要素でモデル化し、そのモデルに有限要素法を適用して前記スポット溶接構造体の疲労寿命を予測するスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法であって、
前記各スポット溶接部における前記シェル要素と前記ビーム要素が接続する各共有節点に繋がっている複数のシェル要素から前記各共有節点に加わる力とモーメントを算出する工程と、
算出された力とモーメントとから、前記各共有節点の評価応力を算出する工程と、
算出された評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆを予測する工程と、
予測された疲労寿命Ｎｆと残存ダメージＤｌｅｉとから、前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉを下記式（１）により算出する工程と、
算出された前記各共有節点の疲労寿命Ｎｆｉのうち、最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎを求める工程と、
求められた最短の疲労寿命Ｎｆｉｍｉｎの間に前記各共有節点が受けるダメージＤｉを下記式（２）により算出する工程と、
算出されたダメージＤｉから、前記各共有節点が破断に至るまでの残存ダメージＤｌｅｉを下記式（３）により算出する工程と、
算出された残存ダメージＤｌｅｉの値が０になった前記共有節点が存在する前記スポット溶接部を、前記有限要素モデルから取り除く工程とを有し、
予め設定された数の前記スポット溶接部の残存ダメージＤｌｅｉの値が０になるまで前記各工程を繰り返すことを特徴とするスポット溶接構造体の疲労寿命予測方法。
Ｎｆｉ＝Ｎｆ・Ｄｌｅ（ｉ−１） ・・・（１）
Ｄｉ＝Ｎｆｉｍｉｎ／Ｎｆｉ ・・・（２）
【数１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１５７８８２（Ｐ２００８−１５７８８２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４９９１０（Ｐ２００６−３４９９１０）
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]