板成形の加工残留応力を考慮した疲労信頼性評価

モノづくりの”安心・安全”を担保する上で製品の疲労信頼性評価は欠かせないものです。試作品を作って実験的に評価する手法は古くから使われていますが、疲労信頼性領域はとりわけ長期間に及ぶ耐久評価が必要とされます。加速試験などで時間短縮を図ってもなお、多くの時間とコストを要しています。このような背景から、疲労試験の代替としてCAE技術に期待が寄せられています。

しかし、疲労信頼性CAEの利用にも課題はあります。予測精度もその1つで、構造解析における一般的な評価値と比べると、疲労寿命の予測精度はまだ十分とは言えません。疲労現象自体がばらつきのある現象ではありますが、予測精度向上のために、CAEの入力条件などにも改善の余地があると考えます。例えば、一般的な疲労解析では加工した際の残留応力を考慮していない点が誤差要因のひとつとして考えられます。疲労破壊は繰り返し荷重によって引き起こされる現象で、降伏応力に満たない微小な応力でもその進展に影響を及ぼすため、残留応力の影響も決して小さくないと推測されます。

本記事ではこれまでJSOLが手掛けてきたAnsys LS-DYNAやJSTAMP/NVにくわえ、疲労寿命を予測するためのAnsysプロダクトであるAnsys nCode DesignLifeを組み合わせることで、加工残留応力の考慮有無による疲労寿命の変化を検証します。

検証フロー

Feasibility Studyの一環として、簡易なコンポーネントで検証します。図１に一連のフローを示します。HAT材を2枚組み合わせた鉄製パネル部品を対象に、まず、JSTAMP/NVやAnsys LS-DYNAを用いてプレス成形を実施します。続いて、Arup software PRIMERのCONNECTIONツールで成形後のHAT材同士を結合します。最後に、Ansys nCode DesignLifeを用いて寿命評価を実施し、残留応力有無の影響を比較します。

図1 残留応力を考慮したDouble HAT材の疲労寿命評価フロー

• 板材： 板厚1.6mmのDeep Drawing Quality（DDQ）材
• 材料モデル： MAT_KINEMATIC_HARDENING_TRANSVERSELY_ANISOTROPIC（MAT_125）
• 成形後のHAT材の結合： 接着剤

材料モデルはスプリングバック変形で高精度な予測が可能な吉田上森モデルに対応したMAT_125を用います。成形したHAT材同士の結合モデリングは、当社取り扱いプロダクトであるArup software PRIMERのCONNECTIONツールを用いることで、簡単にフランジ上のエッジラインに従う一定幅の接着剤要素を配置することが可能です。接着剤のモデル化については別途検証したこちらの記事もご参照ください。今回は接着剤自体の疲労特性は簡易的に扱うにとどめ、HAT材のみの疲労余寿命に着目しています。結合したモデルは加工残留応力を考慮した場合とそうでない場合の2パターンを用意し、Ansys LS-DYNAにて線形弾性範囲の陰解法静解析を実施します。陰解法静解析の部分はAnsys Mechanicalに置き換えることも可能です。解析結果を用いて、Ansys nCode DesignLifeにより応力ベースの寿命評価を実施し、残留応力有無の影響を比較します。

なお、本調査は定性的な傾向比較という観点で行っており、試験結果との比較を含むものではありません。疲労特性についてもAnsys nCode DesignLifeに搭載される材料DBにあるものを用いております。

HAT材の余寿命評価

図2は、HAT材のプレス加工解析の結果として得られた、スプリングバック後の加工残留応力分布を示します。最大主応力値を要素内の積分点最大値としてコンター表示しています。HAT材の縦壁ならびにフランジ端部で応力が残っていることが確認できます。

図2 スプリングバック後の加工残留応力分布

図3は、接着したHATのねじり解析の結果です。加工残留応力結果をプリソフト（Arup software PRIMER）に取り込んで結合し、HATの両端部をNODAL RIGID BODYで拘束、ねじり荷重を付与しています。線形弾性範囲の解析として、HAT材と接着剤共にMAT_ELASTIC（MAT_001）でモデル化し、接着剤はMAT_ADD_COHESIVEキーワードを併用して厚み0.1mm（ソリッドの厚み自体はフランジの中立面位置）の接着剤要素としています。変形が微小であるため、図3では変形倍率を100倍にして表示しています。

図3 ねじり荷重による変形図(表示倍率100倍)

余寿命予測のためのAnsys nCode DesignLifeの設定では、引張応力側を安全側に評価するため、平均応力補正の方法として、金属の疲労予測で一般的に用いられているGoodmanの手法を用いています。また、カラーコンター図は要素値で表示されています。

図4は、残留応力の考慮有無による余寿命（Life：荷重サイクル数）を比較した結果です。最短の余寿命は、残留応力を考慮しない場合が620万サイクル、残留応力を考慮した場合で1.5万サイクルです。残留応力を考慮することで応力振幅が拡大すること、および、平均応力が引張側にシフトすることが重畳することで、余寿命が2桁ほど短くなっていることが確認できます。

図4 接着剤モデルによる残留応力有無による疲労寿命差異

続いて、同じモデルでねじり、曲げ、引張の複合荷重による安全率を残留応力有無で比較します。評価手法には、破壊までのサイクル数が多い耐久領域で多軸荷重を受ける部品の安全率を計算するための手法である、Ansys nCode DesignLifeのDang Van法を用いています。図5にその結果を示します。残留応力を考慮しない場合は最小の安全率が約12であるのに対し、残留応力を考慮した場合は最小の安全率が1.97と大きな差異が見られます。残留応力の影響からか安全率のコンター分布の高低差にも差異が見られます。

図5 接着剤モデルでの複合荷重による残留応力有無の安全率差異

これらの結果は、CADデータから作成した残留応力を考慮しない加工品の疲労寿命予測ではわからない傾向です。成形形状による違いや接着剤の熱硬化のための加熱による残留応力低減など、程度の差はありますが、やはり残留応力が余寿命予測に影響することが把握できます。そのため、これまでの安全率を大きめにとった設計から一段進んで、残留応力を考慮して疲労予測の精度を上げる取組みへステップアップする意義はあると考えます。

さらに、成形による残留応力が製品寿命に大きく影響を与えることも解析により示されました。疲労寿命の解析結果から生産設計の解析にフィードバックを行い、残留応力をコントロールすることにより、製品の疲労寿命を延ばす設計も検討できます。例えばサプライヤー様の立場であれば、競合他社よりも疲労強度の高い付加価値のある部品をお客様となる完成車メーカー様へ提供することが可能となります。

おわりに

本記事では、Ansys LS-DYNA、JSTAMPとAnsys nCode DesignLifeを組み合わせた加工残留応力を考慮した場合の疲労寿命への影響をご紹介しました。

この取り組みはAnsysプロダクトと既存JSOLプロダクトを連携した新たな取り組みの一環です。Ansys LS-DYNAやJSTAMPのユーザー様であれば、Ansys nCode DesignLifeの導入によりこの取り組みを推進可能です。また、Ansys MechanicalやAnsys nCode DesignLifeの他社代理店からのユーザー様であっても、JSOLのAnsys LS-DYNAやJSTAMPを導入頂くことで成形による加工残留応力を考慮した取り組みが可能です。従来よりも定量的に疲労寿命を予測することで安全率をより絞った設計が可能となり、軽量化によるコスト低減や歩留まり改善などの利点が挙げられます。今後は歪みベースの寿命評価や振動疲労、SPOT溶接部の疲労予測事例の構築を進めてまいります。

また、金型疲労に着目した事例もこちらでご紹介しています。

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