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近年、自動車エンジンのコネクティングロッドなどのような、複雑な3次元形状を持つ部品が鍛造で生産されるようになってきた。そのような加工プロセスの最適化には、有限要素法などの数値解析などを用いることが極めて有効であると考えられているが、現状では大きな材料の変形に伴う要素の過大な歪みによる精度低下が実用化の大きな障害となっている。
本研究では、解析の途中で動的に解析要素メッシュを作り直すアダプティブリメッシング法を3次元剛塑性FEM解析に取り組むことにより、複雑な3次元鍛造プロセスの実用的な解析を可能とすることを目的とした。この解析では、(1)3次元変形解析部、(2)誤差解析部、(3)自動要素分割部を開発した。
変形解析部においては、自動要素分割部の作成の容易さを考慮し、4面体を採用した剛塑性FEM解析プログラムを開発した。誤差解析部は2次元問題の誤差解析部の拡張として、要素内の離散化誤差をベースとした3次元誤差解析プログラムを開発した。
アダプティブリメッシング法で用いる自動要素分割部(メッシュジェネレータ)は、そのアルゴリズムがロバストである必要がある。そこで本研究ではアドバンシングフロント法および修正デロ-ニ法の2種類のアルゴリズムを検討した。その結果、修正デニ-ロ法の方が偏平な要素ができにくいことがわかり、それを用いた自動要素分割プログラムを開発した。
これらプログラムにより簡単な形状の加工の解析を行い、モデル実験と比較して成型品の形状、成型荷重、ひずみなどの計算結果が妥当なものであることを確認した。
以上のことから、従来、要素の過度な歪みにより自動で行うのが困難であった大きな変形を伴う3次元鍛造の数値解析が、可能となったと考えられる。これにより3次元鍛造部品の設計や加工プロセスの、コンピュータシミュレーションを用いた最適化に対し道を開くものと考えられる。
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