(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造体を有限要素法によるシェル要素でモデル化して疲労寿命を予測する方法であって、前記溶接構造体における重ね隅肉溶接継手を、金属板と溶接部を溶接止端部が共有節点位置となるようにモデル化して有限要素法で解析するものであり、重ね隅肉溶接される一方の部材である金属板と他方の部材である金属板とをそれぞれシェル要素でモデル化して重ね合わせるとともに、前記部材同士をつなぐ溶接部である重ね隅肉溶接部を部材重ね方向に同じ寸法のメッシュとなるシェル要素でモデル化して、重ね隅肉溶接部の溶接止端部にて、前記一方の金属板のシェルモデルと重ね隅肉溶接部のシェルモデルを共有結合し、かつ、前記他方の金属板のシェルモデルと重ね隅肉溶接部のシェルモデルを共有結合して、前記共有節点位置における金属板の表面位置の応力を有限要素法での解析により算出し、前記応力から評価応力を算出し、前記評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて疲労寿命を予測することを特徴とする溶接構造体の疲労寿命予測方法。
【請求項２】
前記共有接点における金属板の表面位置の応力が溶接止端部に対して金属板表面内で直角方向であることを特徴とする請求項１記載の溶接構造体の疲労寿命予測方法。
【請求項３】
前記評価応力を下式で求めることを特徴とする請求項２記載の溶接構造体の疲労寿命予測方法。
σｅｑｔ＝（σｔｏｐ＋σｂｔｍ）／２＋（σｔｏｐ−σｂｔｍ）／４
但し、σｅｑｔは評価応力で
σｔｏｐは共有節点位置で、溶接止端部側の金属板表面の応力
σｂｔｍはσｔｏｐと反対側の金属板表面の応力
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車部品、鉄道車両など複数の薄板が溶接されて形成されている溶接構造体の疲労寿命予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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種々の分野において積極的に推進され、溶接構造体の強度解析に有限要素法の有用なことがこれまでに検証されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は厚板からなる溶接構造体の疲労寿命評価システムに関し、複数のブロック（部材）をシェル要素によりモデル化して有限要素法で応力を計算し、ブロックのうちで溶接部に相当する位置のシェル要素の応力を予め準備した溶接継手部の応力集中率で補正し、補正後の応力と予め準備した構造物の疲労寿命評価線図とから疲労寿命を評価する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１は溶接継手形式が突合せ継手、Ｔ字継手、十字継手が対象で、これらの継手を用いた厚板からなる溶接構造物の場合は、溶接ビード部を解析モデルに含ませないでも、解析モデルにおいて部材同士を直接つなぐことで部材間の力伝達の計算が可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３８４２６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、強度解析が要望される溶接構造体には自動車、電車などの車両があり、これらは車体の大部分が薄板のスポット溶接による溶接構造体であるが一部にはアーク溶接による重ね隅肉継手が用いられ、当該継手部の疲労寿命評価が課題となっている。  
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の溶接構造体の疲労寿命評価システムは、厚板を用いた溶接構造体が対象で、シェルモデルが構造物を構成するブロック（部材）のみであり溶接部自体はシェルモデル化されていない。
【０００８】
すなわち、特許文献１のシェルモデル化方法では部材をシェル要素でモデル化するけれども、溶接部自体をシェル要素でモデル化することを想定していないため、図１に示す、鋼材１と鋼材２の重ね隅肉溶接（溶接部３）で構成される溶接構造体を解析することは出来ない。
【０００９】
そのため、薄板を用いた構造物で多用される図１に示すような、重ね隅肉溶接継手に対する疲労評価は困難である。
【００１０】
また、有限要素法で算出する応力が要素重心における応力であるため、シェル要素のメッシュ寸法が異なると溶接線から要素重心までの距離が異なってしまうため計算される応力値も大きく異なり安定した精度の高い疲労評価が得られない可能性もあった。
【００１１】
そこで本発明は、薄板で構成される溶接構造体の疲労寿命を精度良く評価する、溶接構造体の疲労寿命評価方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．溶接構造体を有限要素法によるシェル要素でモデル化して疲労寿命を予測する方法であって、前記溶接構造体における溶接継手を、金属板と溶接部を溶接止端部が共有節点位置となるようにモデル化し、前記共有節点位置における金属板の表面位置の応力を有限要素法での解析により算出し、前記応力から評価応力を算出し、前記評価応力と予め準備された疲労寿命線図とに基づいて疲労寿命を予測することを特徴とする溶接構造体の疲労寿命予測方法。
２．前記共有接点における金属板の表面位置の応力が溶接止端部に対して金属板表面内で直角方向であることを特徴とする１記載の溶接構造体の疲労寿命予測方法。
３．前記評価応力を下式で求めることを特徴とする２記載の溶接構造体の疲労寿命予測方法。
σｅｑｔ＝（σｔｏｐ＋σｂｔｍ）／２＋（σｔｏｐ−σｂｔｍ）／４
但し、σｅｑｔは評価応力で
σｔｏｐは共有節点位置で、溶接止端部側の金属板表面の応力
σｂｔｍはσｔｏｐと反対側の金属板表面の応力
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶接継手の溶接部もシェル要素でモデル化するため、薄板を用いた構造物で多用される重ね隅肉溶接継手でも精度のよい疲労寿命予測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】重ね隅肉溶接継手を説明する図。
【図２】試験体の構造を説明する図。
【図３】試験体のシェルモデル化を説明する図で、（ａ）は試験体の重ね隅肉継手（一部）を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図で、応力を評価した溶接止端部を示す図。
【図４】図３の（ｂ）に示した溶接止端部位置の有限要素法解析で得られた応力から算出した評価応力の分布を示す図。
【図５】実施例：表１に示した疲労試験結果および予測結果を、荷重振幅と疲労寿命の関係で示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を薄板からなる溶接構造体を有限要素解析モデルの対象として詳細に説明する。説明において金属板を鋼板とする。
【００１６】
図２に溶接構造体４の概略外観図を示す。板厚が２．３ｍｍの鋼板で作製した箱型断面部材５（以下、部材５）にコの字断面部材６（以下、部材６）を重ね隅肉溶接して構成する。構造解析は、部材６に荷重１００Ｎを引張と圧縮両方向に与えた場合について有限要素法により行う。
【００１７】
図３にシェル要素でモデル化した溶接構造体４の重ね隅肉溶接継手を示す。（ａ）は溶接構造体４の重ね隅肉溶接継手の溶接終端部（Ａ部）、（ｂ）はシェルモデル化した溶接終端部（Ａ部）の拡大図で、本実施例において、有限要素法による構造解析で応力の評価を行う位置を示す。
【００１８】
構造解析では、まず、溶接される部材５と部材６をシェル要素でモデル化すると共に、それら部材をつなぐ溶接部７もシェル要素でモデル化する。ここで、溶接部７のシェル要素は実際に作製される溶接構造体の溶接止端部８ａ，８ｂになる位置（共有接点位置）で部材５，６のシェル要素と結合（共有結合）するように設定する。
【００１９】
そして、構造解析により部材５と溶接部７が接続する共有節点位置で溶接継手を構成する鋼板（ここでは部材５）の両表面に対応する位置の応力を算出する。応力の方向は、溶接止端部に対して直角方向とする。
次に、算出された応力から評価応力を算出する。
【００２０】
得られた鋼板の両表面に対応する位置の応力のうち、溶接止端部側の表面側の応力をσｔｏｐとし、他方の表面側の応力をσｂｔｍとすると、評価応力σｅｑｔは（１）式で与えられる。
【００２１】
σｅｑｔ＝（σｔｏｐ＋σｂｔｍ）／２＋（σｔｏｐ−σｂｔｍ）／４・・・（１）
本発明に係る溶接構造体の疲労寿命評価方法では、予め準備された疲労寿命線図（図示せず）に、（１）式で算出された評価応力σｅｑｔを負荷応力として適用して疲労寿命を求める。
【００２２】
尚、図３に示す溶接構造体の有限要素解析モデルにおいて、部材６に荷重１００Ｎを引張と圧縮両方向に与える条件で行った有限要素法による構造解析では、溶接止端部８ａに沿って図４に示すような応力分布が生じ、溶接終端９の付近での評価応力が高く、疲労破壊危険箇所と予測された。
【００２３】
上述したように、本発明によれば、構造物を構成する金属板をモデル化したシェル要素と溶接部をモデル化したシェル要素が接続する共有節点位置で金属板の両表面に対応する位置の応力を算出し、それらの応力から評価応力を算出するため、疲労亀裂が発生する溶接止端部に対して評価応力の計算精度が高まり、精度よく疲労寿命を予測することが可能である。
【実施例】
【００２４】
図２に示す溶接構造体の部材６に種々の値の荷重振幅で疲労試験を行い、寿命を測定した。また、当該溶接構造体の有限要素解析モデルで同様の疲労試験を行った結果を本発明によって予測した。表１に疲労試験結果と本発明による予測結果とを併せて示す。
【００２５】
【表１】
0005573633.tif 000002
【００２６】
表１において、予測寿命は平均寿命と９５％信頼区間の上限で示した。また、図５に表１に示す疲労試験結果および予測結果を荷重振幅と寿命の関係で示す。図５で試験結果は●で示し、予測結果は平均寿命を実線で、９５％信頼区間の上下限を破線で示す。
【００２７】
図５より試験結果と本発明による予測結果がよく対応していることが認められ、本発明による疲労寿命の予測方法が有効であることが確認された。
【符号の説明】
【００２８】
１、２      金属板
３          溶接部
４          溶接構造体
５、６      部材
７          溶接部
８ａ，８ｂ  溶接止端部
９          溶接終端部
１０        応力を評価する溶接止端部
１１、１２  応力
【図１】
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【図２】
0005573633.tif 000004
【図４】
0005573633.tif 000005
【図５】
0005573633.tif 000006
【図３】
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