プレス成形時の板厚変化を考慮した振動騒音解析用有限要素モデルの精度向上 * 久保川 明輝 ) 鍵山 恭彦 ) Accuracy Enhancement of FE Model for NVH Analysis by Application of Stamping Effect Haruki Kubokawa Yasuhiko Kagiyama The accuracy and reliability of FE models become more important to realize the virtual engineering. Thus, the quality of structural FE models such as white-body models is also required to be enhanced. From the investigation, it showed that natural frequencies derived by the simulation results of the general FE models are higher than experiment data. The drawing information is the basis of normal FE models construction, and it have issue to represent the experiment. The information from the production process like stamping effect can enhance the quality of the FE models. This paper describes the calculation results of stamping simulation have been applied to the FE models for NVH analysis. As the results, the gaps of natural frequencies between NVH analysis and the experiment can be closer with small errors. KEY WORDS: Vibration, noise, and ride comfort, Body structure/body material, Finite element method (FEM), stamping (B3). まえ がき 昨今の自動車開発は, 開発期間の短縮, 試作品による実験検証なしでの性能保証, 燃費向上を背景とした車体軽量化といった要求が高まっている. その一方, 商品魅力の向上は常に要求されており, 振動騒音の低減においてはより正しい事象解析と適切な仕様検討手法の実現が必要となる. そのため, 大規模有限要素モデルによる事象解析技術と性能予測技術の重要性はさらに増している. これらの技術構築を行う上で, 大規模有限要素モデルそのものの精度, 信頼性の向上は不可欠であり, キャビン内の隙間に着目した音響モデル化手法 (1) やシャシ部品の非線形性を考慮したモデル化手法 (2), 特性のばらつきに対する解析手法 (3) の提案などが行われている. 一方で, 従来から一般的に解析が行われてきたホワイトボデーのような有限要素モデルに関しても, 精度, 信頼性向上の余地はあると考える. サスペンションやエンジンマウントの取付点近傍の自己応答は, 個体ごとのばらつきが小さいにも関わらず, 実験結果と有限要素モデルによる解析結果を比較すると固有振動数に差異がみられることが経験的に知られている. 自動車の振動騒音を低減するには, ホワイトボデーの固有モード及び固有振動数が支配的な因子の場合, これらに目標値を設定し構造検討する手法を採用することが多いため, 実験結果と解析結果の差異を是正することはより正しい事象解析と適切な仕様検討の実現に直結する. この差異を是正するために, 実験被験物に対し有限要素モデルは固有振動数が高い傾向にある検証結果を得たことから *2016 年 6 月 2 日受理.2016 年 5 月 25 日自動車技術会春季学術講演会において発表. ) 株 本田技術研究所 栃木県芳賀郡芳賀町下高根沢 番地 考察し, 部品加工過程, 特にプレス加工の影響に着目した. 部品加工過程を考慮したモデル化技術は部品間締結に関する研究報告 (4) はあるが, プレス加工に着目した研究報告は少ない. 一般的に有限要素モデルは設計寸法情報を元に作成されており, プレス加工の影響はモデルに反映されていない. 本稿では, 試作品による実験検証なしでの性能保証という制約下での有限要素モデルの精度, 信頼性向上を目的に, プレス成形解析より得られた部品の詳細な板厚分布を有限要素モデルに反映する手法を提案する.. 設計寸法情報から作成した有限要素モデル ホワイトボデーモデルの精度検証 有限要素法による振動騒音解析 以下 解析と呼ぶは離散化による近似計算であるため, 解析結果と実験結果を比較すると一般的に一定の差異は生じるが, それはモデリングだけでなく, 実行するソフトウェアや計算パラメータの設定といった計算環境に強く依存する. 一辺 程度の板状の試験片の実験結果と 解析結果の比較を行うことで, 本研究における計算環境の検証を行った. 比較には以下の理由からモードではなく自己応答を用いた. 実験からモードを同定するには, 実験被験物に加速度センサーを複数個取り付ける必要があるが, 今回用いた試験片のような, 加速度センサーに対し相対的に質量が大きくない実験被験物の場合, 加速度センサーの質量が実験結果に大きく影響してしまう. また, 加速度センサーのケーブルや取り付けるための接着剤の影響も無視できず, 実験被験物が系として複雑になってしまい, 試験片を用いる意義が薄れてしまう. 一方, 自己応答の場合, 実験被験物に取り付ける必要のある加速度センサーは 個で Vol.48,No.1,January 2017.
あり, 有限要素モデルによる系の再現が可能で, 実験結果と 解析結果の比較を行う上で最も有効であると考えた. 結果を図 に示すが, 実験結果と 解析結果は極めて高い相関がみられた. この結果から本解析に用いたソフトウェアと計算パラメータの信頼性は確保できていると考え, この計算環境を肯定した上で有限要素モデルの精度検証を進めた. 次に, 自動車開発で一般的に使用されている有限要素モデルによる 解析の精度と信頼性を検証する. ホワイトボデーに対しレーザドップラ振動計を用い計測することで得られたフロアモードと図 に示すようなホワイトボデーモデルの 解析を実行することで得られたフロアモードを比較した. 図 にある特定のフロアモードの実験結果と解析結果の比較を示す. 実験結果のモードと解析結果のモードはモード信頼性評価基準値 以下 値と呼ぶが と非常に高い値であることから, 示されるモードは同一のモードであると考えられるが, 固有振動数は実験結果に対し 解析結果が高い値となった. Experiment CAE 175.2Hz 201.6Hz Fig.3 Comparison of floor mode between experiment and CAE 同様に, ホワイトボデーモデルのエンジンマウント取付点近傍の自己応答に関して, 実験結果と 解析結果の比較を図 に示す. 図 の結果と同様, 実験結果に対し 解析結果は固有振動数が最大 ほど高く, 全周波数域でその傾向がみられた. Fig.1 Comparison of FRF of a simple plate between experiment and CAE Fig.2 CAE model of white-body Fig.4 Comparison of FRF at a frame of white body between experiment and CAE before applying stamping effect この結果から, 解析結果の精度向上を図るには全周波数 域において固有振動数が低下するようにモデル化手法を改善する必要がある. モデル化手法に関し, まずメッシュサイズの検討を行った. メッシュサイズは部品の形状再現度に影響し, 計算結果に大きく影響を与えるパラメータである. 本研究ではプリポスト操作及び計算時間の観点で自動車開発において実用的なメッシュサイズに対象を絞り, その変更により固有振動数の一様な低減がみられるかに着目した. 自己応答で比較すると図 のような結果が得られた. 一例として 近傍のピークに着目すると, メッシュサイズを詳細にすることによる固有振動数の低下傾向は確認できず, すなわちメッシュサイズの詳細化は固有振動数を低下させる有効な手段ではないと考えられる.
Fig.5 Comparison of FRF between different mesh size models 固有振動数差要因の考察 実験結果に対し 解析結果の固有振動数が高い傾向は, 複数の車種において共通して確認された. よって, この傾向はデータのばらつきや車種特有の現象といった偶発的な要因によるものではなく, 必然的な要因によるものと考えられる. 固有振動数に差異がみられる理由として, 剛性, 質量, あるいはその両方が実験被験物と 有限要素モデル間で異なっていることが予測される. 解析上は, 材料物性値の変更で実験結果に対し 解析結果を近づけることはできるが, 材料物性値を決定する根拠に乏しく, 物理的に正しい手法ではない. 本研究ではこの要因として, 部品加工過程, 特にプレス加工によって部品の板厚が減少することに着目した. これは, プレス加工過程で塑性変形し, 加工前に比べ板厚が減少している実験被験物に対し, 有限要素モデルは一般的に設計寸法情報をもとに一様な板厚が定義されているので, 板厚違いにより剛性と質量に差が生じると予測されるためである. Fig.6 Front door module まず図 に示すように, ドアモジュール単体での実験結果と 解析結果をドアパネルのスピーカ取付点近傍での自己応答で比較した. ホワイトボデーでの検証結果と同様, ドアモジュールにおいても実験結果に対し 解析結果の固有振動数が最大 ほど高く, 全周波数域でこの傾向が確認できた. 特に 以上の周波数域では実験結果と 解析結果の固有振動数の差の絶対量が大きくその傾向がより明確であった.. プレス加工後の部品板厚の 有限要素モデルへの適用 ドアモジュールでの検証 プレス加工影響の検証をまず図 に示すようなドアモジュールを用いて検証した. 本検証に使用したドアモジュールは, ガラスやスイッチ類, レギュレータ, 内装材類などは一切取り外しており, 鉄部品と溶接, 塗装, 接着剤のみで構成した. 主要鉄部品であるドアスキンとドアパネルはプレス加工で成形されている. Fig.7 Comparison of FRF at a door panel between experiment and CAE before applying stamping effect Vol.48,No.1,January 2017.
次に, プレス加工影響を有限要素モデルへ反映させる手法について述べる. 具体的には, 塑性変形後の部品板厚 以下, 板厚分布と呼ぶを有限要素モデルへ適用する. 板厚分布の取得には, 試作品による実験検証なしでの性能保証という制約に応えるという観点からシミュレーションによるプレス成形解析結果を採用することとした. プレス成形解析は, 従来, プレス加工過程に発生する可能性のあるしわや割れといった欠陥, 不具合の検出や, スプリングバック現象の検出など, 生産技術領域で主に使用されてきた技術であり, その解析精度向上手法 (5) も提案されている. ドアパネルのプレス成形解析により計算した板厚分布図を図 に示す. 解析を行った際に, 応力集中が発生しやすい複数の角部で, 加工後に大きく板厚が減少していることがわかる. またパネル挙動に影響が大きいビード形状付近でも加工後の板厚減少が確認できた. 板厚分布を有限要素モデルへ反映させる具体的な手法について述べる. 図 からもわかるように, 板厚分布を正確に有限要素モデルに反映させるには, 部位ごとに詳細に板厚を定義していく必要がある. 有限要素モデルに板厚を設定するには領域を定義し, 領域ごとに設定していく手法が一般的であるが, 本研究では詳細な板厚設定を実現するため, 板厚値は有限要素の節点ごとに設定する手法を採用した (6). 概要は図 に示す通りである. 板厚設定作業は汎用 プリ処理ソフトウェアの標準機能を用いて行い (7), プレス成形解析から得た板厚分布を図 に示すように, 有限要素モデルへと反映した. これまでの手順の概要を図 に示す. 板厚分布反映後の効果を確認するために, まず質量の比較を行った. 表 に示す通り, 実験被験物の質量に対し板厚分布反映前の有限要素モデルの質量はであったが, 反映後はとなり, 有限要素モデルの実験再現度は向上した. 有限要素モデルは板厚分布反映前に対し反映後で質量が減少していることから, 質量限定の効果としては板厚分布を反映すると固有振動数は高くなる. ドアモジュール単体での実験結果と 解析結果の自己応答の比較を行った結果を図 に示す. 図 の結果と比較すると, 解析結果の精度は明らかに向上したことが確認できる. 解析結果の固有振動数は全周波数域で から 程度の低下傾向を示しており, 固有振動数の絶対的な低下量としては高周波域ほど顕著である. 特に 以下に関しては実験結果との差異はほとんどみられなくなった. よって 解析結果における固有振動数の低下は, 質量影響ではなく, 応力集中の発生しやすい箇所の板厚減少による, 剛性低下によるものと推測される. Fig.8 Result of stamping simulation on a front door panel (a) Setting the thickness to each area Fig.10 Result of applying map of thickness to NVH model (b) Setting the thickness to each grid Fig.9 Two methods of setting thickness divided by area and grid
板厚分布を有限要素モデルへ適用した. Fig.11 Process for applying stamping effect to the FE model for NVH analysis Table.1 Comparison of mass of a door module between experiment and CAE Fig.13 Results of stamping simulation of white-body model ドアモジュールと同様, ビード形状やディンプル形状などの部位に板厚減少がみられ, フロアトンネル部といった車体全体モードに影響が大きい部位でも顕著な板厚減少が確認できる. ホワイトボデーの実験結果と板厚分布反映後の 解析結果の比較を図 に示す. 図 の板厚分布反映前の結果と図 を比較すると, ホワイトボデーでもドアモジュールと同様に解析結果の精度, 信頼性向上を図ることができている. 解析結果は板厚分布反映後に固有振動数が低下し, 実験結果との固有振動数の差が最大 から に改善した. Fig.12 Comparison of FRF at door panel between experiment and CAE after applying stamping effect ホワイトボデーでの検証 ドアモジュールでの検証結果を踏まえ, 解析用ホワイトボデーモデルへの板厚分布の反映を行った. ホワイトボデーモデルへ適用したプレス成形解析結果の一例を図 に示す. 本検証では, データが入手可能であったパネル部品を中心に Fig.14 Comparison of FRF at a frame of white-body between experiment and CAE after applying stamping effect Vol.48,No.1,January 2017.
(a) MAC between experiment and CAE before applying stamping effect (b) MAC between experiment and CAE after applying stamping effect Fig.15 MAC at rear floor between experiment and CAE Table.2 Comparison of natural frequencies at rear floor between experiment and CAE また, 図 にホワイトボデーのリアフロアにおける 値を示す. この図より, 板厚分布を反映することで解析結果のモードの順番が入れ替わり, 実験結果の再現度が向上していることが確認できた. 固有振動数の観点でも表 に示す通り, 板厚分布を反映することで実験結果に対し解析結果の値が近づいた. このように, プレス加工後の板厚分布を有限要素モデルに反映することで, 自動車の振動騒音において固体伝播音及び車体振動の観点で重要視される ~ 周波数域の解析精度, 信頼性の向上が確認できた. 解析精度, 信頼性をさらに向上するために, 部品加工過程で発生するひずみや溶接による熱ひずみ, スプリングバック, 加工硬化, 塗装をモデルに反映すること, 全てのプレス加工部品に対し板厚分布の反映を行うこと, また製造ばらつきを考慮した計算手法の構築などが今後の課題として挙げられる.. ま と め 試作品による実験検証なしで性能保証できる精度, 信頼性がある有限要素モデルを実現することを目的に, プレス成形解析より得られた部品の詳細な板厚分布を有限要素モデルに反映する手法を検討した結果, 下記の結論を得た. (1) 設計寸法情報のみから作成した有限要素モデルの解析結果は, 実験結果に対し固有振動数が高くなる傾向があることがわかった. (2) ドアモジュールとホワイトボデーに対し, プレス成形解析結果の板厚分布を有限要素モデルに適用することで解析結果の固有振動数が低下し, 実験結果との固有振動数の差がホワイトボデーでは最大 から に改善した. これは応力集中の発生しやすい箇所の板厚減少による, 剛性低下によるものと推測される. 参 考 文 献 丸山新一, ほか : 車室音場解析のための音響隙間要素の開発, 自動車技術会学術講演会前刷集,,() 山岡裕生 :, 今後の自動車振動騒音 について, 斎藤浩司, ほか : 部品の不確定性を考慮した車体 特性のロバスト性の向上, 自動車技術会 年春季大会学術講演会講演予稿集,, 横山翔一, ほか : で締結した構造物の動特性を予測するためのモデル化手法の提案, 機械力学 計測制御講演論文集, 吉田亨 : 板材成形シミュレーションの精度向上と実用化, 塑性と加工, 第 巻 第 号, :, :,