JP5774939B2 - モデル作成方法およびモデル作成プログラム - Google Patents

Description

本発明は、ワークが浸漬処理される処理槽内の処理液を複数の要素に分割して解析モデルを作成するモデル作成技術に関する。

電着塗装やメッキ等の浸漬処理においては、処理液を溜めた処理槽にワークを沈めて通電を施すことにより、ワーク表面に均一な塗膜や金属層等の被膜を形成することが可能となる。このような電着塗装等においては、ワークに対して所定の基準値以上の厚みで被膜を形成することが、ワークの防錆性能を確保する観点から必要となっている。また、ワークに形成される被膜の厚みは、ワーク構造等に起因するワーク表面の電流密度に左右されることから、ワークの設計段階において適切な被膜を得るためのワーク構造を把握することが重要となっている。そこで、事前に被膜の厚みを予測することにより、ワーク構造を検証するようにしたシミュレーション技術が開発されている(例えば、特許文献１参照)。

特開２００３−４１３９５号公報

ところで、被膜の厚みをシミュレーションする際には、ワークを複数の要素に分割した解析モデルを作成するだけでなく、処理槽内の処理液を複数の要素に分割した解析モデルを作成する必要がある。しかしながら、複数のパネルで構成される車体等のワークには、処理液が浸入する微小な隙間が多数存在している。このため、処理槽内の処理液をモデル化する際に、単に処理槽に沈められるワーク以外の領域を処理液とみなし、この処理液の領域の全てを複数の要素に分割することは、解析モデルの要素数を著しく増大させる要因となる。このような要素数の増大は、解析モデルの作成やその後の数値解析のコストを増大させる要因となっていた。

本発明の目的は、解析モデルの要素数を減らしてコストを削減することにある。

本発明のモデル作成方法は、コンピュータによって実行され、ワークが浸漬処理される処理槽内の処理液を複数の要素に分割して解析モデルを作成するモデル作成方法であって、前記処理槽内で前記ワークが占める領域を非処理液領域として設定するとともに、それ以外の領域を処理液が占める処理液領域として設定する初期領域設定ステップと、前記ワークを構成するパネル間の隙間寸法を計算し、前記パネル間に区画される前記処理液領域のうち前記隙間寸法が基準値を下回る領域を前記非処理液領域として更新する領域更新ステップと、前記領域更新ステップを経て残存する前記処理液領域を複数の要素に分割して前記解析モデルを作成する要素分割ステップと有することを特徴とする。

本発明のモデル作成方法は、前記隙間寸法と比較される前記基準値を、前記処理液が流入する前記ワークの開口部からの距離に応じて変化させることを特徴とする。

本発明のモデル作成方法は、前記ワークは電着塗装される車体であることを特徴とする。

本発明のモデル作成プログラムは、コンピュータに、ワークが浸漬処理される処理槽内の処理液を複数の要素に分割して解析モデルを作成させるためのモデル作成プログラムであって、前記コンピュータに、前記処理槽内で前記ワークが占める領域を非処理液領域として設定するとともに、それ以外の領域を処理液が占める処理液領域として設定する初期領域設定ステップと、前記ワークを構成するパネル間の隙間寸法を計算し、前記パネル間に区画される前記処理液領域のうち前記隙間寸法が基準値を下回る領域を前記非処理液領域として更新する領域更新ステップと、前記領域更新ステップを経て残存する前記処理液領域を複数の要素に分割して前記解析モデルを作成する要素分割ステップと、を実行させる、ことを特徴とする。

本発明のモデル作成プログラムは、前記隙間寸法と比較される前記基準値を、前記処理液が流入する前記ワークの開口部からの距離に応じて変化させることを特徴とする。

本発明のモデル作成プログラムは、前記ワークは電着塗装される車体であることを特徴とする。

本発明によれば、処理液領域のうちパネル間の隙間寸法が基準値を下回る領域を非処理液領域として更新し、この領域更新ステップを経て残存する処理液領域を複数の要素に分割して解析モデルを作成している。これにより、処理液領域を削減することができるため、解析モデルの要素数を削減することが可能となり、コストを削減することが可能となる。

電着塗装工程を示す概略図である。 解析装置を示すブロック図である。 車体解析モデルを示す概略図である。 電着液解析モデルの作成手順の一例を示すフローチャートである。 (ａ)および(ｂ)は電着液解析モデルの作成過程を概略的に示す説明図である。 完成した電着液解析モデルを概略的に示す説明図である。 塗膜厚を算出する手順の一例を示すフローチャートである。 (ａ)〜(ｃ)は塗膜厚を算出する過程を概略的に示す説明図である。 (ａ)は本発明のモデル作成技術を用いて作成された電着液解析モデルの一例を示す概略図であり、(ｂ)は従来の手順によって作成された電着液解析モデルの一例を示す概略図である。 (ａ)および(ｂ)は本発明の他の実施の形態であるモデル作成方法およびモデル作成プログラムによる電着液解析モデルの作成過程を概略的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は電着塗装工程を示す概略図である。図１に示すように、複数のパネルによって構成される車体(ワーク)１０に対して電着塗装(浸漬処理)を施すため、電着塗装工程には電着液(処理液)１１を溜めた電着槽(処理槽)１２が設置されている。また、電着槽１２の上方にはレール１３が設置されており、このレール１３を走行するハンガー１４には車体１０が吊り下げられている。また、レール１３に沿ってバスバー１５が設置されており、電着槽１２の底部には電極１６が設置されている。さらに、電着塗装工程には電源装置１７が設置されており、電源装置１７の負極端子はバスバー１５およびハンガー１４を介して車体１０に接続される一方、電源装置１７の正極端子は電極１６に接続されている。この電着塗装工程においては、電着槽１２に沈められた車体１０と電極１６との間で通電が為され、車体１０のアウタパネルやインナパネルに塗膜が形成される。また、車体１０の防錆性能を確保するためには、塗膜の厚み(塗膜厚)が所定値を超えることが必要となっている。この塗膜厚は車体構造の影響を受けることから、車体１０の設計段階で電着塗装シミュレーションを実行することにより、適切な塗膜厚が得られる車体構造であるか否かを事前に判断することが重要となっている。

続いて、本発明のモデル作成技術を用いた電着液解析モデルＭ２の作成手順について説明した後に、この電着液解析モデルＭ２を用いた電着塗装シミュレーションについて説明する。ここで、図２は解析装置２０を示すブロック図である。この解析装置２０はモデル作成装置として機能しており、解析装置２０によって本発明の一実施の形態であるモデル作成方法やモデル作成プログラムが実行される。図２に示すように、パーソナルコンピュータ等によって構成される解析装置(コンピュータ)２０は、ＣＰＵやメモリ等によって構成される演算装置２１、キーボード等の入力装置２２、液晶ディスプレイ等の表示装置２３、磁気ディスク等の記憶装置２４を備えている。この解析装置２０は、パーソナルコンピュータ等の単一のコンピュータを用いて構成しても良く、ネットワークを介して相互に接続される複数のコンピュータを用いて構成しても良い。

解析装置２０が備える記憶装置２４には、車体１０を複数の要素で分割した車体解析モデルＭ１が格納されている。ここで、図３は車体解析モデルＭ１を示す概略図である。図３の拡大部分に示すように、車体解析モデルＭ１は、車体１０の表面形状を表す複数の要素と、要素の頂点に設けられる節点とによって構成されている。この車体解析モデルＭ１については、車体解析モデルＭ１を構成するパネル部材の番号データ、各パネル部材が備える要素や節点の番号データ、要素や節点を表す座標データ等の形で記憶装置２４に格納されている。なお、車体解析モデルＭ１としては、衝突変形シミュレーション等に用いられる車体解析モデルを流用することが可能である。

また、演算装置２１にはモデル作成部２５が設けられており、このモデル作成部２５によって電着液１１を複数の要素で分割した電着液解析モデル(解析モデル)Ｍ２が作成される。この電着液解析モデルＭ２は、電着塗装シミュレーションにおいて、電着槽１２内の電位分布を計算する際に用いられる解析モデルとなっている。ここで、図４は電着液解析モデルＭ２の作成手順の一例を示すフローチャートである。また、図５(ａ)および(ｂ)は電着液解析モデルＭ２の作成過程を概略的に示す説明図である。さらに、図６は完成した電着液解析モデルＭ２を概略的に示す説明図である。なお、説明を容易にするため、図５には簡略化した車体１０の一部が示されている。図５に示される車体１０の一部は、対向するパネルＰ１，Ｐ２の一端部が互いに接続されて他端部が開放された形状となっている。

図４に示すように、ステップＳ１では車体解析モデルＭ１が読み込まれ、ステップＳ２では電着槽データが読み込まれる。なお、電着槽データとしては、電着槽形状および電極形状を示す座標データ、電着液１１の深さデータ、沈められる車体１０の位置データ等が記憶装置２４に格納されている。続いて、ステップＳ３では、車体解析モデルＭ１および電着槽データに基づいて、電着槽１２内で車体１０が占めるワーク領域(非処理液領域)Ａ１と、電着槽１２内で電着液１１が占める電着液領域(処理液領域)Ａ２とが設定される(初期領域設定ステップ)。すなわち、図５(ａ)に示すように、電着槽１２内で車体１０が占めるハッチング領域がワーク領域Ａ１として設定され、それ以外の白抜き領域が電着液領域Ａ２として設定される。なお、ステップＳ３において設定されるワーク領域Ａ１の形状は、車体解析モデルＭ１の形状と一致している。

次いで、ステップＳ４では、電着液解析モデルＭ２を作成する際の要素数が設定される。なお、ステップＳ４においては、予め設定された要素数を読み込んでも良く、作業者に対して要素数の入力を求めても良い。続いて、ステップＳ５では、図５(ａ)に示すように、車体１０を構成するパネルＰ１，Ｐ２間の隙間寸法ＧａｐがパネルＰ１，Ｐ２の各部で計算される。そして、続くステップＳ６では、各部の隙間寸法Ｇａｐと所定の基準値Ｇ０(例えば２ｍｍ)とを比較し、ワーク領域Ａ１と電着液領域Ａ２との境界が更新される(領域更新ステップ)。図５(ａ)に符号αで示すように、隙間寸法Ｇａｐが基準値Ｇ０以上となる範囲においては、図５(ｂ)に示すように、パネルＰ１，Ｐ２間に区画される領域が電着液領域Ａ２のまま維持される。一方、図５(ａ)に符号βで示すように、隙間寸法Ｇａｐが基準値Ｇ０を下回る範囲においては、図５(ｂ)に示すように、パネルＰ１，Ｐ２間に区画される領域が電着液領域Ａ２からワーク領域Ａ１に変換される。すなわち、パネルＰ１，Ｐ２間の隙間寸法Ｇａｐが基準値Ｇ０以上となる部位では、パネルＰ１，Ｐ２間の広い隙間に対して電着液１１が流入することから、パネルＰ１，Ｐ２間の領域が電着液領域Ａ２のまま維持されることになる。一方、パネルＰ１，Ｐ２間の隙間寸法Ｇａｐが基準値Ｇ０を下回る部位では、パネルＰ１，Ｐ２間の狭い隙間に対して電着液１１が流入しないことから、パネルＰ１，Ｐ２間の領域が電着液領域Ａ２からワーク領域Ａ１に変換されることになる。

このように、ステップＳ６において、隙間寸法Ｇａｐに基づきワーク領域Ａ１と電着液領域Ａ２との境界が更新されると、ステップＳ７に進み、電着液解析モデルＭ２を構成する要素サイズが設定される。なお、ステップＳ６においては、予め設定された要素サイズを読み込んでも良く、作業者に対して要素サイズの入力を求めても良い。続いて、ステップＳ８では、ステップＳ６を経て残存する電着液領域Ａ２を、図６(ａ)に示すように、設定された要素数や要素サイズに基づいて複数の要素に分割して電着液解析モデルＭ２を作成する(要素分割ステップ)。次いで、ステップＳ９に進み、要素形状等に基づいて電着液解析モデルＭ２の要素品質が確認される。ステップＳ９において、要素品質が所定レベルを満たしていないと判断された場合には、ステップＳ１０に進み、設定された要素数を超えない範囲で要素サイズが縮小される。そして、要素品質が所定レベルに達するまで、要素サイズを縮小しながら電着液領域Ａ２が複数の要素に分割され、新たな電着液解析モデルＭ２が作成される。

このように、電着液解析モデルＭ２が作成されると、解析装置２０は電着塗装シミュレーションを実行する。演算装置２１には塗膜厚計算部２６が設けられており、この塗膜厚計算部２６によって車体解析モデルＭ１に析出する塗膜厚Ｘが算出される。ここで、図７は塗膜厚Ｘを算出する手順の一例を示すフローチャートである。また、図８(ａ)〜(ｃ)は塗膜厚Ｘを算出する過程を概略的に示す説明図である。なお、塗膜厚Ｘの算出手順自体は周知技術であり、図７および図８を用いて概略的に説明する。

図７に示すように、ステップＳ１１では初期設定が行われる。このステップＳ１１では、車体解析モデルＭ１および電着液解析モデルＭ２が読み込まれ、解析する上で必要となる境界条件や計算条件等が設定される。続いて、ステップＳ１２において時刻ｔをΔｔだけ進行させ、ステップＳ１３において時刻ｔでの境界条件(電極１６電圧等)が更新される。そして、ステップＳ１４では、有限体積法、有限要素法あるいは有限差分法等を用いて、所定の電位拡散方程式を解くことにより、図８(ｂ)に示すように、電着槽１２内の電位分布が計算される。続いて、ステップＳ１５では、電着槽１２内の電位分布に基づいて、パネル表面に吸着する塗料の膜厚抵抗を考慮しながらパネル表面の電流密度が算出される。そして、ステップＳ１６において、基礎実験等から予め確認されている電流密度と塗膜厚との予測式を用いることにより、パネル表面の電流密度に基づいてパネル表面の塗膜析出量ΔＸが算出される。続いて、ステップＳ１７では、前回の塗膜厚Ｘに今回の塗膜析出量ΔＸを加えることにより、図８(ｃ)に示すように、現在の時刻ｔにおける塗膜厚Ｘが算出される。次いで、ステップＳ１８において、現在の時刻ｔと解析終了時刻ｔＥＮＤとを比較することにより、塗膜厚Ｘの解析を終了させるか否かが判定される。ステップＳ１８において、時刻ｔが解析終了時刻ｔＥＮＤに達したと判定された場合には、ステップＳ１９に進み、塗膜厚Ｘを出力してルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１８において、時刻ｔが解析終了時刻ｔＥＮＤに達していないと判定された場合には、時刻ｔが解析終了時刻ｔＥＮＤに達するまで、ステップＳ１２〜Ｓ１７の手順が繰り返して実行される。なお、車体解析モデルＭ１の塗膜厚Ｘは、演算装置２１のポスト処理部２７を経て表示装置２３に出力される。ポスト処理部２７においては、例えば、塗膜厚Ｘを色相や濃淡等によって区分して表現する処理が実行される。

これまで説明したように、本発明のモデル作成方法およびモデル作成プログラムにおいては、パネルＰ１，Ｐ２間の隙間寸法Ｇａｐに基づいて、微小隙間に設定される電着液領域Ａ２をワーク領域Ａ１に変更したので、電着液領域Ａ２を削減することができ、電着液解析モデルＭ２の要素数を削減することが可能となる。ここで、図９(ａ)は本発明のモデル作成技術を用いて作成された電着液解析モデルＭ２の一例を示す概略図であり、図９(ｂ)は従来の手順によって作成された電着液解析モデルの一例を示す概略図である。なお、図９(ａ)は図５(ｂ)に示した電着液領域Ａ２を要素分割して得られる電着液解析モデルＭ２となっており、図９(ｂ)は図５(ａ)に示した電着液領域Ａ２を要素分割して得られる電着液解析モデルとなっている。

図９(ａ)に示すように、本発明のモデル作成技術を用いて電着液解析モデルＭ２を作成した場合には、図９(ｂ)に符号αで示した領域の要素を削減することができ、電着液解析モデルＭ２を簡素化してシミュレーションコストを削減することが可能となる。さらに、図９(ａ)および(ｂ)に符号β，γで示すように、本発明においては従来よりも電着液解析モデルＭ２の要素サイズを大きく設定することが可能となる。すなわち、図９(ｂ)に符号αで示すように、微小隙間の電着液領域Ａ２を分割した場合には、要素品質を確保するためには要素サイズを小さく設定する必要がある。このように、微小隙間を小さな要素で分割した場合には、図９(ｂ)に符号βで示すように、微小隙間に連続する他の領域についても要素を急に拡大することは困難となるのである。これに対し、図９(ａ)に符号γで示すように、本発明のモデル作成技術を用いた場合には、微小隙間に対して電着液領域Ａ２が設定されないことから、要素品質を確保しつつ要素サイズを大きく設定することが可能となっている。このように、電着液解析モデルＭ２の要素を大きく分割することができるため、電着液解析モデルＭ２の要素数を削減することが可能となり、電着液解析モデルＭ２を簡素化してシミュレーションコストを削減することが可能となる。しかも、パネルＰ１，Ｐ２間の微小隙間には電着液１１が入り込まないため、この微小隙間の領域をワーク領域Ａ１として設定しても電着塗装シミュレーションの精度を低下させることはない。

前述の説明では、隙間寸法Ｇａｐと基準値Ｇ０とを比較することにより、ワーク領域Ａ１および電着液領域Ａ２を更新しているが、基準値Ｇ０としては固定値に限られることはなく、ワーク構造に応じて変化させても良い。ここで、図１０(ａ)および(ｂ)は本発明の他の実施の形態であるモデル作成方法およびモデル作成プログラムによる電着液解析モデルの作成過程を概略的に示す説明図である。図１０(ａ)に示すように、車体１０を構成するパネルＰ２には電着穴(開口部)３０が形成されており、この電着穴３０によって電着液１１の流動性が高められている。このように、電着液１１の流入を促す電着穴３０が形成される場合には、以下の式(１)に基づいて基準値Ｇ２が設定される。また、式(１)において、Ｇ１とは予め設定される基準隙間であり、Ｌとは判定部位と電着穴３０との距離である。さらに、式(１)の係数Ｋや変数Ｍは、図１０(ａ)に示すように、電着穴３０の大きさＤおよび電着穴３０とパネルＰ１，Ｐ２との隙間Ｇ３に応じて設定される値となっている。なお、図１０(ａ)に示す一点鎖線αは、電着穴３０からの距離Ｌ等に応じて変化する基準値Ｇ２を示している。
Ｇ２＝Ｇ１−Ｋ×Ｇ１／Ｌ＋Ｍ …(１)

すなわち、図１０(ａ)に一点鎖線αで示すように、電着穴３０に近い場合や電着穴３０が大きい場合には、電着液１１が流入し易いことから基準値Ｇ２が小さく設定される一方、電着穴３０から離れる場合や電着穴３０が小さい場合には、電着液１１が流入し難いことから基準値Ｇ２が大きく設定されることになる。図示する場合には、符号βで示すように、パネルＰ１，Ｐ２間の隙間寸法Ｇａｐと基準値Ｇ２とが一致する部位に、ワーク領域Ａ１と電着液領域Ａ２との境界が設定されることになる。このように、ワーク構造に応じて基準値Ｇ２を変化させることにより、ワーク領域Ａ１と電着液領域Ａ２とを適切に設定することができ、電着液解析モデルの要素数を削減しつつ高精度のシミュレーション結果を得ることが可能となる。なお、前述の説明では、基準値Ｇ２の変動要因として電着穴３０を挙げているが、図１０(ａ)に示すように、パネルＰ１，Ｐ２間に設けられる開口部３１に基づいて基準値Ｇ２を変化させても良い。この場合には、開口部３１の大きさに応じて基準値Ｇ２が変化したり、開口部３１と判定部位との距離に応じて基準値Ｇ２が変化したりすることになる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前述の説明では、ワークとして車体１０を挙げているが、これに限られることはなく、ワークとしてケース等の他の部品を用いても良い。さらに、図示する場合には、三角形の要素を用いて解析モデルを構成しているが、これに限られることはなく、四角形や五角形等の要素を用いて解析モデルを構成しても良い。なお、浸漬処理の一例として電着塗装を挙げて説明しているが、ワーク表面に金属層を形成するメッキ処理(浸漬処理)についてのシミュレーションを実行するため、本発明のモデル作成方法やモデル作成プログラムを用いても良い。

１０ 車体(ワーク)
１１ 電着液(処理液)
１２ 電着槽(処理槽)
２０ 解析装置(コンピュータ)
３０ 電着穴(開口部)
３１ 開口部
Ｍ２ 電着液解析モデル(解析モデル)
Ａ１ ワーク領域(非処理液領域)
Ａ２ 電着液領域(処理液領域)
Ｐ１，Ｐ２ パネル
Ｇａｐ 隙間寸法
Ｇ０，Ｇ２ 基準値
Ｌ 距離

Claims (6)

1. コンピュータによって実行され、ワークが浸漬処理される処理槽内の処理液を複数の要素に分割して解析モデルを作成するモデル作成方法であって、
   前記処理槽内で前記ワークが占める領域を非処理液領域として設定するとともに、それ以外の領域を処理液が占める処理液領域として設定する初期領域設定ステップと、
   前記ワークを構成するパネル間の隙間寸法を計算し、前記パネル間に区画される前記処理液領域のうち前記隙間寸法が基準値を下回る領域を前記非処理液領域として更新する領域更新ステップと、
   前記領域更新ステップを経て残存する前記処理液領域を複数の要素に分割して前記解析モデルを作成する要素分割ステップと有することを特徴とするモデル作成方法。
2. 請求項１記載のモデル作成方法において、
   前記隙間寸法と比較される前記基準値を、前記処理液が流入する前記ワークの開口部からの距離に応じて変化させることを特徴とするモデル作成方法。
3. 請求項１または２記載のモデル作成方法において、
   前記ワークは電着塗装される車体であることを特徴とするモデル作成方法。
4. コンピュータに、ワークが浸漬処理される処理槽内の処理液を複数の要素に分割して解析モデルを作成させるためのモデル作成プログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記処理槽内で前記ワークが占める領域を非処理液領域として設定するとともに、それ以外の領域を処理液が占める処理液領域として設定する初期領域設定ステップと、
   前記ワークを構成するパネル間の隙間寸法を計算し、前記パネル間に区画される前記処理液領域のうち前記隙間寸法が基準値を下回る領域を前記非処理液領域として更新する領域更新ステップと、
   前記領域更新ステップを経て残存する前記処理液領域を複数の要素に分割して前記解析モデルを作成する要素分割ステップと、
   を実行させる、ことを特徴とするモデル作成プログラム。
5. 請求項４記載のモデル作成プログラムにおいて、
   前記隙間寸法と比較される前記基準値を、前記処理液が流入する前記ワークの開口部からの距離に応じて変化させることを特徴とするモデル作成プログラム。
6. 請求項４または５記載のモデル作成プログラムにおいて、
   前記ワークは電着塗装される車体であることを特徴とするモデル作成プログラム。

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