(57)【要約】【課題】大型溶接構造物の溶接変形予測における計算精度の向上および計算時間の短縮を両立する。【解決手段】メッシュを生成して解析対象となる溶接構造物をモデル化し熱弾塑性解析を行う方法において、溶接構造物の全体モデルを構築し（Ｓ１）、その全体モデルから、溶接部を含む局部モデルを抽出する（Ｓ２）。次に、抽出した局部モデルの、全体モデルの残り部分との境界部を拘束して（Ｓ３）熱弾塑性解析を行い（Ｓ４）、熱弾塑性解析の解析結果を含む局部モデルを全体モデルの残り部分に貼り付けて全体モデルを再構築する（Ｓ５）。その後、境界部の拘束を解放し（Ｓ６）、全体モデルの弾性解析を行うことで（Ｓ７）、溶接構造物の変形を計算する。【選択図】図２
2011159213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造物をモデル化して数値解析を行う解析装置の溶接変形解析方法において、
前記解析装置の記憶部は、前記数値解析を行うためのメッシュを用いて生成した前記溶接構造物の全体モデルを記憶しており、
前記解析装置の制御部は、
前記全体モデルから、前記溶接構造物の溶接箇所に対応するモデルを含む局部モデルを抽出するステップと、
前記抽出した局部モデルの、前記全体モデルの残り部分との境界部を構成するメッシュの節点を拘束するステップと、
前記局部モデルにおいて、前記数値解析としての熱弾塑性解析を行うステップと、
前記局部モデルと前記全体モデルの残り部分とを合わせ、全体モデルを再構築するステップと、
前記再構築した全体モデルにおいて、前記拘束を解放し、前記数値解析としての弾性解析を行うことで、前記溶接構造物の変形を計算するステップと、を実行する
ことを特徴とする溶接変形解析方法。
【請求項２】
前記全体モデルの残り部分に用いたメッシュは、前記局部モデルに用いたメッシュよりも粗である
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接変形解析方法。
【請求項３】
溶接構造物をモデル化して数値解析を行う解析装置の溶接変形解析方法において、
前記解析装置の記憶部は、前記数値解析を行うためのメッシュを用いて生成した前記溶接構造物の全体モデルを記憶しており、
前記解析装置の制御部は、
前記全体モデルから、前記溶接構造物の溶接箇所に対応するモデルを含む局部モデルを抽出するステップと、
前記局部モデルにおいて、前記数値解析としての熱弾塑性解析を行うステップと、
前記熱弾塑性解析により前記局部モデルに生じた変位量を相殺するように前記局部モデルまたは前記全体モデルの残り部分を移動して、前記局部モデルと前記全体モデルの残り部分とを合わせ、全体モデルを再構築するステップと、
前記再構築した全体モデルにおいて、前記数値解析としての弾性解析を行うことで、前記溶接構造物の変形を計算するステップと、を実行する
ことを特徴とする溶接変形解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数値解析による溶接構造物（単に、「構造物」と称する場合がある）の変形、残留応力などを計算する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接施工により大型構造物を製造する際に、溶接部近傍への熱累積とその後の冷却により溶接変形が発生する。その溶接変形を低減するために、通常では拘束冶具の取り付けや、溶接後の矯正作業などを行っている。このような状況において、有限要素法などの数値解析により変形を予測し、変形対策の適正化を図ることは、生産効率の向上およびコストの低減のために極めて重要である。
【０００３】
有限要素法による溶接変形の解析には、大きく分けると熱弾塑性解析と固有ひずみ法の二つの方法がある。熱弾塑性解析による溶接変形の解析は、解析対象とする溶接構造物において、溶接中の熱履歴を非定常熱伝導解析から求め、次に非線形解析である熱弾塑性解析により溶接中の変位、ひずみおよび応力の履歴を解析する方法である。 
【０００４】
一方、固有ひずみ法による溶接変形の解析は、溶接部およびその近傍に生じた固有ひずみを溶接構造物に与え、線形解析である（熱）弾性解析により溶接変形を計算する方法である。溶接により生じる固有ひずみは、見かけのひずみから弾性ひずみを引いた値であり、固体力学の範囲では残留塑性ひずみと等しい。 
【０００５】
この固有ひずみ法を用いて溶接構造物の溶接変形や残留応力を推定するには以下の手順をとる。まず、実際の溶接により発生した固有の溶接変形や残留応力を計測し、或いは、溶接構造物に用いられる溶接法、継手形状、溶接条件などをパターン化した単元モデルを用い、熱弾塑性解析により溶接変形や残留応力を求め、これらをひずみの適正値としてデータベース化しておく。次に、データベース化したひずみの適正値を溶接構造物のモデルに与え、弾性解析法を用いて溶接変形や残留応力を計算する。
【０００６】
特許文献１には、３次元モデルを用いた熱弾性解析を行うことにより得られた熱変形の結果を変形拘束条件として、２次元モデルを用いた熱弾塑性解析を行うことにより、解析精度が高く、且つ計算時間の削減可能な溶接残留応力解析方法が開示されている。
特許文献２には、溶接構造物全体のモデルを線形解析の固有ひずみ法で解析した個々の固有ひずみ成分を局所座標系に変換して溶接変形、残留応力を算出する解析方法が開示されている。
特許文献３には、溶接構造物の残留応力有限要素法で解析する際、溶接線から解析モデル境界までの軸方向距離を制約することにより解析時間を短縮する解析方法が開示されている。
特許文献４には、拘束条件で得られた溶接固有ひずみを用いて、溶接後拘束条件をなくしたときの溶接変形を求める解析方法が開示されている。
特許文献５には、溶接近傍のみ非線形解析を行い、被溶接物につき線形解析を行うことにより両領域の限界面における反力を計算し、その反力の差が所定の範囲内なるように収束演算することで、溶接変形を短時間に算出する解析方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３６６６９号公報
【特許文献２】特開２００４−３３０２１２号公報
【特許文献３】特開２００３−１９４６３７号公報
【特許文献４】特開２００６−８７９号公報
【特許文献５】ＷＯ２００５／０９３６１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱弾塑性解析法による変形解析は、溶接開始から完了までの過程を細かい時間間隔で解析するため、実溶接に近い変形履歴を模擬することができる。しかしながら、大型溶接構造物の場合、解析モデルには膨大な要素数が必要であり、熱弾塑性解析に長時間の計算時間を必要とするため、現実的には不可能なケースも多い。
特許文献１に示した解析方法であれば、熱弾塑性解析を行うものが２次元モデルであるため、計算時間の短縮はできる。しかし、複雑な大型構造物の溶接変形に対し、２次元モデルを適用できないケースが多く、適用が制限されているという問題がある。
【０００９】
固有ひずみ法変形解析は、構造物の弾性解析のみで解析することによる変形算出ができるため、計算時間を大幅に短縮できる。しかし、計算により得られた固有ひずみ分布を溶接構造物全体に与えることは容易ではない。
【００１０】
即ち、各単元モデルの熱弾塑性解析の際に用いたモデルのメッシュは、実際に計算される溶接構造物のモデルのメッシュと異なるため、単元モデルからデータベース化した固有ひずみを溶接構造物のモデルに与える際に、座標間の換算により誤差が生じ易い。その結果、場合によっては実溶接と異なる固有ひずみ分布を構造物モデルに付与してしまうという問題が発生する。
【００１１】
さらに、固有ひずみを求める際に用いられた単元モデルの拘束条件は、一般的には、溶接構造物の拘束条件を反映できていない。このため、構造物モデルへ付与することになる、単元モデルから得られた固有ひずみの分布が、実溶接により生じた実構造物の固有ひずみと異なるという問題もある。このような実構造物と異なった拘束条件で得られた固有ひずみを構造物モデルへ付与することにより計算された変形が、実溶接構造物の変形傾向に合わないケースが多い。 
【００１２】
特許文献２、３、４には様々な固有ひずみ法を開示しており、座標系の換算や、解析モデルの簡略化又は計算範囲の縮小により、計算精度の向上や計算時間の短縮を図ることができる。しかし、構造物全体の変形に生じるひずみまたは応力分布などの計算ができないという問題がある。
【００１３】
特許文献５に開示された解析方法は、大型構造物に対しては収束計算に時間がかかるという問題がある。
【００１４】
そこで前記事情を鑑みて、本発明の目的は、大型溶接構造物の溶接変形予測における計算精度の向上および計算時間の短縮を両立することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成する本願発明の特徴は、固有ひずみの計算や構造物への付与（マッピング）を行わず、且つ溶接部およびその近傍のみに熱弾塑性解析を行う、いわば部分熱弾塑性解析（「溶接変形解析」と称する場合もある。）である。 
【００１６】
具体的には、本発明の溶接変形解析方法は、メッシュ作成工程による解析対象となる構造物を全体モデルにし、部分熱弾塑性解析が必要な溶接部を含む局部モデルを、変形解析対象となる弾性解析が必要な溶接構造物の全体モデルから抽出する工程と、前記局部モデルと全体モデルの残り部分の境界部に拘束を与えて、前記局部モデルに対して熱弾塑性解析を行う工程と、前記局部モデルの熱弾塑性解析の工程が完了した後、前記熱弾塑性解析により得られた溶接終了後の最終のひずみ分布と応力分布とを含有する前記局部モデルを、前記全体モデルの残り部分に貼付けることにより全体モデルを再構築する工程と、全体モデルの弾性解析を行うことにより構造物の溶接変形と応力を求める工程を含んでいる。
【００１７】
前記局部モデルは前記全体モデルから直接抽出したものであるため、前記局部モデルのメッシュに構成された要素および節点の構成と相対座標関係が、前記全体モデルの一部と一致している。
【００１８】
前記局部モデルの熱解析を行う際に、実際の構造物に存在していない、前記局部モデルを抽出する工程により形成された、局部モデルと全体モデルの残り部分との解析上の境界部に、適当な拘束条件を与える。その際、境界部の拘束条件は、実構造物の拘束状況を考慮して設定する。
【００１９】
前記全体モデルの再構築は、前記局部モデルの熱弾塑性解析を行ったときに与えられた拘束条件を満たし、熱弾塑性解析により得られた溶接終了後の最終のひずみ分布と応力分布とを含有する前記局部モデルを、前記全体モデルに貼り付けてもよい。或いは、前記局部モデルを抽出した後の全体モデルの残り部分を、熱弾塑性解析により得られた溶接終了後の最終のひずみ分布と応力分布とを含有する前記局部モデルに貼り付けてもよい。
【００２０】
全体モデルの弾性解析による構造物の溶接変形を計算するときには、前記局部モデルの熱弾塑性解析を行ったときに与えられた拘束条件を解放し、実構造物に近い拘束条件を設定して弾性解析を行い、構造物全体の溶接変形と応力を求める。
詳細は、後記する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、大型溶接構造物の溶接変形予測における計算精度の向上および計算時間の短縮を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の解析装置のハードウェア構成およびソフトウェア構成の構成図である。
【図２】本実施形態に係る有限要素法による溶接変形解析の処理を示すフローチャートである。
【図３】解析対象としての溶接構造物の構成を示す図である。
【図４】図３の溶接構造物の全体モデルを示す図である。
【図５】抽出された局部モデルを示す図である。
【図６】局部モデルの境界部の拡大図である。
【図７】再構築された全体モデルを示す図である。
【図８】局部モデルを示す図である。
【図９】本発明の溶接変形解析方法と、従来の熱弾塑性法、従来の固有ひずみ法の解析時間および解析精度の比較表である。
【図１０】実施例２における全体モデルの再構築の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら説明する。
【００２４】
≪構成≫
図１は、本実施形態の解析装置のハードウェア構成およびソフトウェア構成の構成図である。図１に示す解析装置１００は、入力部１１０、出力部１２０、制御部１３０および記憶部１４０をハードウェア構成として備えるコンピュータである。この解析装置１００は、記憶部１４０にＣＡＤ（Computer-Aided Design）データ１４１を記憶するとともに、ソフトウェア構成としてのモデル生成・加工部１４２、解析部１４３およびパラメータ取得部１４４を実現する溶接変形解析方法用のプログラムを記憶する。
【００２５】
入力部１１０は、例えば、ユーザの操作を受け付けるマウスやキーボードであり、ユーザから入力された信号を制御部１３０に伝送する入力インタフェースも含む。
【００２６】
出力部１２０は、例えば、解析対象となる溶接構造物のＣＡＤデータやそのモデル、数値解析の計算結果などを表示するディスプレイであり、制御部１３０からの命令（描画命令を含む）に従い、所定の画像を表示する出力インタフェースも含む。
【００２７】
制御部１３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、記憶部１４０が記憶するプログラムに記述されたコードを読み出し、相応の情報処理（数値解析の演算処理を含む）を実行する。
【００２８】
記憶部１４０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory：「記憶媒体」ともいう）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）であり、前記したように、ＣＡＤデータ１４１、モデル生成・加工部１４２、解析部１４３およびパラメータ取得部１４４として機能させるプログラムを記憶する。
【００２９】
ＣＡＤデータ１４１は、解析対象となる溶接構造物を、ＣＡＤによる設計で生成した、例えば、３次元のデータである。ＣＡＤデータ１４１には溶接構造物の物性を示す物性値も含まれる。ＣＡＤデータ１４１は、不図示の通信インタフェースを備え、ネットワークに接続した解析装置１００が、そのネットワークに接続したデータベースサーバなどの外部から取得してもよい。
【００３０】
モデル生成・加工部１４２は、ＣＡＤデータ１４１から、例えば溶接構造物の３次元の解析モデル（単に、「モデル」と称する場合がある）を生成したり、入力部１１０からの入力に従って加工したりする。モデルの生成には、ＣＡＤデータ１４１から解析対象の形状を取得するとともに、入力部１１０からの入力により指定されたメッシュ構成に従って、メッシュの生成も行われる。形状を取得すれば、例えば当該溶接構造物の占める位置は、モデル内に予め設定した三次元座標（本実施形態では座標軸は直交しているものとして説明する。）の座標値によって定まるとともに、さらにその座標値に位置する部品を構成する物質の物性値が定まり、記憶部１４０に記憶される。前記物性値は、ＣＡＤデータ１４１から取得される。
【００３１】
また、モデルの加工には、例えば、後記する局部モデルの抽出や、メッシュの節点の拘束、その解放、全体モデルの再構築などの処理が含まれる。
生成または加工されたモデル（全体モデルや局部モデルなど）は記憶部１４０に記憶される。
【００３２】
解析部１４３は、生成または加工したモデルに対し、数値解析を行い、所定の解析結果を求める。本実施形態で行われる数値解析には、例えば、非線形解析である熱弾塑性解析や、線形解析である弾性解析が含まれる。もし、本実施形態で固有ひずみ法を用いるのであれば、それは解析部１４３が行う。
【００３３】
パラメータ取得部１４４は、例えば、入力部１１０の入力によって指定されたパラメータを取得する。このパラメータは、モデル生成・加工部１４２によるモデルの生成、加工や解析部１４３による数値解析を実行するのに必要な値、条件などであり、具体的には、メッシュ構成に関する初期条件（例：使用するメッシュの数、サイズ、形状）、全体モデルから局部モデルを抽出するときに定める局部モデルと全体モデルの残り部分との境界部、または、メッシュの節点の拘束条件（例：拘束対象のメッシュの節点、その節点の拘束する方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の少なくとも一つ））である。
【００３４】
なお、メッシュの節点の「拘束」とは、数値解析を行ってもその節点の変位量をゼロにすることである。この拘束により、解析モデルの数値解析における位置の基準が定まる。３次元解析モデルにおいては、数値解析を行ううえで少なくとも６つの自由度の拘束が必要となる。ただし、拘束する節点の位置や方向は問わない。
以上で、本実施形態の解析装置の構成に関する説明を終了する。
【００３５】
≪処理≫
次に、本実施形態の解析装置１００で実行される処理について説明する。この処理、つまり、主に溶接変形解析に関する処理は、制御部１３０による制御のもと、記憶部１４０に記憶されたプログラムを、ＲＡＭなどの記憶領域に読み出すことによって実現される。
図２は、本実施形態に係る有限要素法による溶接変形解析の処理を示すフローチャートである。この制御の主体は、制御部１３０である。
【００３６】
この処理では、まず、解析対象とした溶接構造物を３次元解析モデル化し、全体モデルを構築する（Ｓ１）。この全体モデルを構築する際に、熱弾塑性解析による十分な解析精度が得られるようにするために、溶接構造物に含まれる溶接部およびその近傍を含む熱弾塑性解析が必要な範囲に対しては、細かい（密な）メッシュを設定する。これ以外の範囲に対しては、弾性解析のみを行うため、粗いメッシュを設定する。
【００３７】
上記弾性解析のみを行う範囲のメッシュのサイズは、上記熱弾塑性解析が必要な範囲のメッシュサイズの数倍から数十倍である。その結果、全体モデルの要素数が減少し、計算時間の短縮ができる。これらのメッシュのサイズや要素数は、パラメータ取得部１４４のパラメータとして取得したものである。
【００３８】
次に、構築された全体モデルから、溶接部およびその近傍を含む、熱弾塑性解析が必要となる範囲の要素を抽出し、熱弾塑性解析用の局部モデルとする（Ｓ２）。この局部モデルは、全体モデルからそのまま抽出したものであるため、モデルおよびメッシュの作成が１回に限られ、メッシュの作成工程を短縮できる。局部モデルの抽出においては、パラメータ取得部１４４のパラメータとして、局部モデルの境界部と全体モデルの残り部分の境界部とが取得され、設定される。
【００３９】
次に、局部モデルを抽出した後、局部モデルの境界部に適当な拘束条件を与えて境界部を拘束し（Ｓ３）、局部モデルの熱弾塑性解析を行う（Ｓ４）。上記局部モデルの境界部は、上記全体モデルの残り部分との境界面である。また、境界部の拘束条件は、実構造物の拘束状況を考慮して設定する。前記拘束は、全体モデルの残り部分に形成された境界部についても行う。この拘束は、パラメータ取得部１４４のパラメータとして設定される。
なお、局部モデルの境界部の節点が拘束される状態で熱弾塑性解析を行うことが好ましいが、境界部の節点を拘束していない状態で局部モデルの熱弾塑性解析を実施してもよい。また、局部モデルの境界部（および全体モデルの残り部分の境界部）の節点の拘束は、すべての節点について行ってもよいし、一部の節点について行ってもよい。
【００４０】
次に、局部モデルの熱弾塑性解析を終了した後、解析の結果となる熱分布、応力分布およびひずみ分布を含む局部モデルを、全体モデルの残り部分に貼り付け（合わせ）、或いは、局部モデルを除く全体モデルの残り部分を、熱弾塑性解析の結果を含んでいる局部モデルに貼り付ける（合わせる）ことにより、弾性解析用の全体モデルを再構築する（Ｓ５）。
なお、局部モデルの熱弾塑性解析時に局部モデルの境界部に拘束を設定しない場合、弾性解析の全体モデルを再構築する際、全体モデルの残り部分の境界部の節点を、局部モデルの境界部の節点と合わせるように移動させ、全体モデルのメッシュを局部モデルに貼り付けることにする。
【００４１】
全体モデルを再構築した後、上記局部モデルの境界部の拘束条件を外して境界部の拘束を解放した後（Ｓ６）、再構築された全体モデルを用い、実際の構造物と同じ拘束条件（例：構造物の端部の拘束。詳細は後記。）を設定し、弾性解析を実施することにより、構造物の変形を計算する（Ｓ７）。
以上で、本実施形態の解析装置の処理に関する説明を終了する。
【実施例１】
【００４２】
次に、本実施形態の解析方法を具体的な形状が定められた溶接構造物に適用した場合を実施例１として説明する。
図３は、解析対象としての溶接構造物の構成を示す図である。この溶接構造物は、パイプ状構造物であり、被溶接材Ａと被溶接材Ｂとの周溶接Ｃにより構成される。溶接後の構造物は、長さが約５ｍ、直径が約２００mm、厚さが７mm〜１３mmである。
【００４３】
この図３に示した溶接構造物を有限要素モデル化することにより３次元モデルを生成し、メッシュ作成工程（モデル生成・加工部１４２による処理の一つ）を実施することにより全体モデルを構築する。
【００４４】
図４は、図３の溶接構造物の全体モデルを示す図である。この全体モデルは、被溶接材Ａの一部に対応するモデルである被溶接部１、被溶接材Ｂに対応するモデルである被溶接部２、および周溶接（溶接箇所）Ｃに対応するモデルである溶接部３により構成された局部モデル４（網掛け表示）と、被溶接材Ａの残り部分に対応するモデルである被溶接部を含む全体モデルの残り部分５から構成される。
【００４５】
上記全体モデルのメッシュを作成する際に、溶接部３およびその近傍を含む熱弾塑性解析が必要な範囲を局部モデル４とし、細かいメッシュを設定する。これ以外の範囲、つまり、全体モデルの残り部分５に対しては弾性解析のみを行うため、粗いメッシュを作成する。上記熱弾塑性解析が必要な局部モデル４のメッシュのサイズは、上記弾性解析が必要な全体モデルの残り部分５のメッシュサイズの数分の一〜数十分の一である。ただし、説明の便宜上、図４においては、設定したメッシュの図示は省略してある。
【００４６】
上記熱弾塑性解析が必要な局部モデル４のメッシュは、弾性解析のみが行われる全体モデルの残り部分５のメッシュよりかなり小さいが、全体モデルの残り部分５と局部モデル４と共に同程度サイズのメッシュを設定しても構わない。これは、同程度の要素数である場合でも、弾性解析に係る時間が熱弾塑性解析に係る時間の数千分の一以下であるためである。即ち、全体モデルの残り部分５のメッシュを局部モデル４のそれと同程度に細かく分割すれば要素数が増加するものの、増加分のメッシュは弾性解析しか行われず、かつ、全体の解析時間は主に局部モデル４の熱弾塑性解析に支配されるため、全体の解析時間の増加分は、熱弾塑性解析の時間に比べ無視できる程度に小さくなる。
【００４７】
本実施例のモデルのメッシュ分割は実溶接条件と溶接ビード断面形状を考慮して決定する。要素タイプは、解析精度の高い六面体要素を用いるのが好ましい。また、四面体要素、三角柱要素を用いてもよいし、或いはこれらの混合要素を用いてもよい。
【００４８】
六面体メッシュを作成した全体モデルの規模は約100,000要素、150,000節点程度である。そのうち、溶接近傍を含む熱弾塑性解析が必要な局部モデル部分の規模は約25,000要素、40,000節点程度である。溶接は、レーザ・アークハイブリッド溶接により１パス溶接で行なったため、熱源モデルは、線状Gaussian熱源（レーザ熱源に相当）と点状Gaussian熱源（アーク熱源に相当）の複合移動熱源を用いた。解析の入熱条件は、実溶接条件および溶接ビード断面形状を考慮して決定した。溶接時間は実溶接と同じ90秒とした。
【００４９】
細かいメッシュが設定された局部モデルを含む全体モデルを作成した後、作成された全体モデルにおいて、溶接部およびその近傍を含む、熱弾塑性解析が必要な範囲を局部モデル４とし、局部モデルの抽出工程（モデル生成・加工部１４２による処理の一つ）を行う。
【００５０】
図５は、抽出された局部モデルを示す図である。この局部モデル４のメッシュは、図４に示す全体モデルの一部である局部モデル４のメッシュ構成と完全に一致している。例えば、抽出したメッシュの節点の座標値は、抽出前のそれと同一の値を示す。なお、抽出する際、局部モデル４には、全体モデルの残り部分５との境界面である境界部６が形成され、境界部６の位置は、パラメータ取得部１４４により設定される。
【００５１】
次に、抽出された局部モデル４を用い、熱弾塑性解析を行う。この局部モデル４の熱弾塑性解析には三つのステップ１〜３が含まれる。
【００５２】
局部モデル４の熱弾塑性解析のステップ１では、熱解析を実施する。具体的な流れとして、まず、実溶接条件を模擬する入熱条件を設定し、次に、溶接開始から完了までの過程を細かい時間間隔で熱解析を行い、実溶接に近い熱履歴を計算する。その結果、溶接部３およびその近傍の温度分布の履歴が得られる。
なお、上記局部モデル４の熱履歴を計算する際には、局部モデル４を用いたが、全体モデルを用いて熱解析を実施しても構わない。しかし、この場合、計算により得られた溶接部３およびその近傍の温度分布履歴（熱履歴）は、実溶接の熱履歴を模擬できる必要がある。
【００５３】
局部モデル４の熱弾塑性解析のステップ２では、次のステップ３に実施予定の熱弾塑性解析際に必要な条件となる境界部６の拘束条件を設定する。この境界部６は、上記局部モデル４の抽出工程により形成された、局部モデル４と全体モデルの残り部分５との解析上の境界面であり、実際の構造物にはこのような境界面が存在していない。なお、全体モデルの残り部分５の境界面の節点も拘束する。
【００５４】
図６は、局部モデルの境界部の拡大図である。図６を参照して、局部モデルの境界部の拘束条件の設定について説明する。本実施例の解析モデルは、符号１０、１１で示すような六面体要素により構成される。一つ一つの六面体要素毎に、符号２０〜２３で示すような節点は８個ある。ここで、節点２０は局部モデル４の境界部６の境界面に所属せず、節点２１〜２３は境界部６の境界面に所属する。従って、局部モデル４の境界部６の拘束条件の設定は、節点２１〜２３のような境界部６の境界面にある節点に拘束条件を与える。
【００５５】
境界部６の拘束条件は、実構造物の拘束状況を考慮して設定する。本実施例の場合、図６に示す節点２１〜２３のような境界部６のすべての節点において、同図に示す座標方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の変位量を０とする。
【００５６】
局部モデルの熱弾塑性解析のステップ３では、上記の境界部６の拘束条件を設定した後、熱弾塑性解析のステップ１にて得られた局部モデル４の熱履歴の解析結果をインプット条件として、非線形の熱弾塑性解析を実施する。ステップ３の解析により、局部モデル４のひずみ履歴および応力履歴が得られる。
【００５７】
次に、上記の局部モデル４の熱弾塑性解析の結果を用い、構造物の全体モデルを再構築し、この全体モデルに対し弾性解析を行い、構造物の変形を計算する。この全体モデルの弾性解析にも三つのステップ１〜３が含まれる。
なお、図７は、再構築された全体モデルを示す図である。
【００５８】
全体モデルの弾性解析のステップ１では、熱弾塑性解析結果が含まれる局部モデル４を全体モデルに貼り付け、図７に示すような全体モデルを再構築する。局部モデル４の熱弾塑性解析を実施した際に、局部モデル４と全体モデルの残り部分５との境界面の節点は拘束されているため、局部モデル４の全体モデルの残り部分５への貼り付けは簡単に実現できる。また、局部モデル４の熱弾塑性解析により得られたひずみ分布および応力分布も全体モデルの残り部分５に貼り付けられる。その結果、再構築した全体モデルには、局部モデル４の熱弾塑性解析により得られる溶接近傍のひずみ分布、応力分布などの情報が含まれている。
【００５９】
上記の全体モデルを再構築する際に、局部モデル４を全体モデルの残り部分５に貼り付けるが、逆に局部モデル４を抽出することにより残った全体モデルの残り部分５のメッシュを、前記熱弾塑性解析結果を含有する局部モデル４に貼り付けても構わない。
【００６０】
全体モデルの弾性解析のステップ２では、局部モデル４の熱弾塑性解析を行う際に設定された局部モデルの境界部６の拘束条件を解放し、実構造物の拘束を模擬できる拘束条件を設定する。本実施例においては、図７に示すように、全体モデルの端部７に所属する節点４１にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向三つの拘束を設定し、節点４２にＹ方向とＺ方向の拘束を与え、節点４３にＺ方向の拘束を設定する。
【００６１】
全体モデルの弾性解析のステップ３では、局部モデル４のひずみ分布と応力分布が含まれ、新たな拘束条件（端部７での拘束）が設定された全体モデルを用い、弾性解析を行い、構造物の変形を計算する。
【００６２】
〔従来との比較〕
比較として、図３に示すような本実施例の解析対象を用い、従来の熱弾塑性解析法、従来の固有ひずみ法、本発明の部分熱弾塑性解析法により解析を行い、解析結果を得るまでの所有時間および解析精度について三つの解析方法を比較した。
【００６３】
従来の熱弾塑性解析を行った際に、本実施例の全体モデルを用いて実施した。そのモデルのメッシュ構成は図７に示す本実施例に用いられた全体モデルと同じである。ただ、従来の熱弾塑性解析は全体モデルに対し熱弾塑性解析を実施するため、この全体モデルには温度、応力、ひずみ、変形量などの熱弾塑性解析の結果となる情報が一斉に含まれる。溶接は、レーザ・アークハイブリッド溶接により１パス溶接で行なったため、熱源モデルは、線状Gaussian熱源（レーザ熱源に相当）と点状Gaussian熱源（アーク熱源に相当）の複合移動熱源を用いた。解析の入熱条件は、実溶接条件および溶接ビード断面形状を考慮して決定した。溶接時間は実溶接と同じ90秒とした。
【００６４】
上記の解析モデルおよび溶接条件（入熱条件）を設定した後、本実施例に記載された前記局部モデル４の熱弾塑性解析法と同様な解析法を用い、全体モデルの熱弾塑性解析を行った（下記ステップ１〜３）。
【００６５】
熱弾塑性解析のステップ１では、熱解析を実施する。実溶接条件を模擬する入熱条件を設定し、溶接開始から完了までの過程を細かい時間間隔を設定して熱解析を行い、実溶接に近い熱履歴を計算する。その結果、溶接部３およびその近傍を含む全体モデルの温度分布の履歴が解析結果として得られる。
【００６６】
ステップ２では、実構造物の拘束を模擬できる、溶接変形解析に必要な境界条件となる拘束条件を設定する。本実施例に実施した全体モデルの弾性解析の際に設定された拘束条件と同様に、図７に示すような全体モデルの端部７に所属する節点４１にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向三つの拘束を設定し、節点４２にＹ方向とＺ方向の拘束を与え、節点４３にＺ方向の拘束を設定した。
【００６７】
ステップ３では、上記端部７の拘束条件を設定した後、熱弾塑性解析のステップ１に得られた全体モデルの熱履歴の解析結果をインプット条件として、非線形の熱弾塑性解析を実施する。実施することで、全体モデルのひずみ履歴および応力履歴、または各節点の変位履歴が得られる。その変位履歴から、溶接構造物の全体の変形を計算することができる。
【００６８】
また、従来の固有ひずみ法を実施する際に、まず熱弾塑性解析法により溶接部３およびその近傍の固有ひずみ分布を計算する必要がある。そのため、本実施例に用いられた熱弾塑性解析の局部モデル４のメッシュ構成を用いた。
【００６９】
図８は、局部モデルを示す図である。この図は、図５に示した局部モデル４の視点を変え、かつメッシュ構成が異なるものに等しく、局部モデル４の端部８が図示されている。
解析に必要な入熱条件も本実施例と同じに設定したが、拘束条件については図８に示すように、局部モデル４と全体モデル５の境界部６の反対側の端部８に適当な拘束を設定する。即ち、端部８の節点８１にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向三つの拘束を設定し、端部８の節点８２にＹ方向とＺ方向の拘束を与え、端部８の節点８３にＺ方向の拘束を設定する。
【００７０】
拘束条件を設定した後、前記局部モデルの熱弾塑性解析法と同様な解析法を用い、局部モデル４の熱弾塑性解析を行った。その結果、溶接部３およびその近傍の温度履歴、ひずみ履歴、応力履歴などが固有ひずみとして得られた。
【００７１】
次に、上記の結果から溶接近傍の固有ひずみを抽出し、図７に示す本実施例に用いられた全体モデルと同様なメッシュ構成を含み、現時点ではすべての要素および節点にひずみ、応力、温度などが一切にゼロの状態である全体モデルに、その固有ひずみを与える。
【００７２】
上記の固有ひずみを全体モデルに与えた後、全体モデルの拘束条件を設定し、弾性解析を行った。拘束条件の設定は、本実施例と同様に、図７に示すように、全体モデルの端部７に所属する節点４１にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向三つの拘束を設定し、節点４２にＹ方向とＺ方向の拘束を与え、節点４３にＺ方向の拘束を設定した。その後、全体モデルの弾性解析を行い、全体の変形を計算した。
【００７３】
図９は、本発明の溶接変形解析方法と、従来の熱弾塑性法、従来の固有ひずみ法の解析時間および解析精度の比較表である。変形量の解析精度が最も高いのは従来熱弾塑性解析法であるが（「◎」で表記）、本発明の解析方法でも、従来の固有ひずみ法（「△」で表記）よりも優れた、十分な解析精度が得られる（「○」で表記）。
【００７４】
一方、解析時間については、従来の熱弾塑性解析法が最も長く（「×」で表記）、解析対象によっては解析不可能のケースも多い。これに対し、本発明の解析方法は、固有ひずみ法（「△」で表記）よりも優れた、解析時間の大幅な短縮が実現できる（「○」で表記）。また、本発明の解析方法は、固有ひずみの計算と全体モデルへの付与工程とが不要となるため、解析時間が最も短い。
【実施例２】
【００７５】
次に、本実施形態の解析方法を具体的な形状が定められた溶接構造物に適用した別の場合を実施例２として説明する。実施例２は、実施例１の境界部の拘束条件の設定を変更した場合に関する例である。
【００７６】
本実施例の解析対象は、実施例１に用いられた対象と同じ、図３に示すパイプ状溶接構造物である。また、解析方法は、境界部の拘束条件の設定に関係する処理以外は実施例１と同様である。つまり、実施例２の解析方法は、まずメッシュを生成する工程による解析対象となる構造物を全体モデルにし、熱弾塑性解析が必要な溶接部を含む局部モデルを、解析対象となる弾性解析が必要な溶接構造物の全体モデルから抽出する工程と、前記局部モデルの境界部と全体モデルの残り部分の境界部に拘束を与えることなく、前記局部モデルに対して熱弾塑性解析を行う工程と、前記局部モデルの熱弾塑性解析工程が完了した後、熱弾塑性解析により得られた溶接終了後の最終のひずみ分布と応力分布を含有する前記局部モデルを、熱弾塑性解析に起因する変位量を考慮しつつ、前記全体モデル残り部分へ貼り付けることにより全体モデルを再構築する工程と、全体モデルの弾性解析による構造物の溶接変形と応力を求める工程を含んでいる。
【００７７】
全体モデルのメッシュを生成する工程、熱弾塑性解析が必要な局部モデルを抽出する工程、局部モデルの熱弾塑性解析を行う工程、および全体モデルの弾性解析を行う工程、といった４つの解析ステップは、実施例１に示すステップと一致している。しかし、局部モデルの熱弾塑性解析の際に必要な境界部の拘束条件の設定や、全体モデルの再構築については、実施例１と異なる。
【００７８】
本実施例では、局部モデルの境界部を拘束することはないが、局部モデルの熱弾塑性解析を行うときには、局部モデルの端部は拘束する。局部モデルの端部の拘束の詳細について、図８を参照して説明する。本実施例においては、図８に示す局部モデル４は、図３に示す全体モデルから抽出したモデルであり、メッシュ構成はその全体モデルの一部と同一となる。
【００７９】
本実施例の局部モデル４の端部の拘束条件を設定する際には、図８に示すように、局部モデル４の境界部６の反対側となる端面である端部８に適当な拘束を設定する。例えば、節点８１にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向三つの拘束を設定し、節点８２にＹ方向とＺ方向の拘束を与え、節点８３にＺ方向の拘束を設定する。
【００８０】
また、弾性解析が必要な全体モデルを再構築する際に、全体モデルの残り部分５を、熱弾塑性解析結果を含んでいる局部モデル４に貼り付けることにする。これは、局部モデル４の熱弾塑性解析の際に、局部モデル４と全体モデルの残り部分５それぞれの境界部に拘束条件を設定してなかったため、局部モデル４の境界部６の節点には変位が発生し、全体モデルの残り部分の境界部の節点の座標と合わない、という現象に対応するためである。具体的には、熱弾塑性解析により発生した変位量の分だけ（変位量を相殺するように）全体モデルの残り部分５を移動させて貼り付ける。
【００８１】
図１０は、実施例２における全体モデルの再構築の様子を示す図である。図１０に示すように、局部モデル４の熱弾塑性解析を実施する前の全体モデルの残り部分５の境界部６１の節点を移動させ、熱弾塑性解析を実施した局部モデル４の境界部６の節点と合わせる。
【００８２】
上記の全体モデルの残り部分５の境界部６１の節点を、局部モデル４の境界部６の節点に合わせることには相応の時間がかかるものの、この節点合わせは境界部６１の節点に限られるため、従来の固有ひずみ法のような溶接部近傍の膨大な節点の固有ひずみを全体モデルの残り部分５へ付与する工程と比べ、大幅に短縮できる。
なお、前記した貼り付けとは逆に、局部モデル４を全体モデルの残り部分５に貼り付けるようにして全体モデルを再構築してもよい。
【００８３】
全体モデルの残り部分５の境界部６１の節点を局部モデル４の境界部６の節点と合わせることにより、全体モデルを再構築した後、再構築された全体モデルを用い、弾性解析を行い、溶接変形を計算する。
実施例２による解析方法の解析時間および解析精度は、図９に示した比較表と同様となる。
【００８４】
≪まとめ≫
本実施形態により、以下の効果が生じる。つまり、本実施形態の溶接変形解析によれば、溶接近傍の熱弾塑性解析により残留応力と残留ひずみの計算ができ、且つ、固有ひずみの計算や測定、更に固有ひずみの全体モデルへの付与などの工程を行わずに、構造物全体の弾性解析もできる。その結果、大型溶接構造物の変形予測が短時間かつ高精度でできる。
また、実施例２に示したように、局部モデルを拘束しないときの溶接変形解析であっても、大型溶接構造物の変形予測が短時間かつ高精度でできる。
【００８５】
≪その他≫
なお、前記した実施形態は、本発明を実施するための好適なものであるが、その実施形式はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形することが可能である。
【００８６】
例えば、本実施形態では、３次元の解析モデルを用いた数値解析について説明した。しかし、１次元や２次元の解析モデルを用いてもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、局部モデルを抽出するときに形成される局部モデルの境界部は、２以上形成してもよいし、メッシュの面に沿うことなく、メッシュの面と平行または非平行にメッシュを切断するように形成してもよい。メッシュを切断するように形成する場合は、その切断により形成された切断面を新たなメッシュの面としてもよい。
【００８８】
また、本実施形態では、局部モデルの境界部は、入力部から入力されたパラメータとして、ユーザが指定するようにした。しかし、局部モデルを抽出するときに、所望の解析時間および所望の解析精度を達成するように前記境界部を設定することができるプログラムを用いるようにしてもよい。
【００８９】
その他ハードウェア、ソフトウェア、等の具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の溶接変形解析方法は、形状を問わず、大型の溶接構造物の溶接変形の解析に有効である。
【符号の説明】
【００９１】
１      被溶接部
２      被溶接部
３      溶接部
４      局部モデル
５      全体モデルの残り部分
６      境界部
１００  解析装置
１１０  入力部
１２０  出力部
１３０  制御部
１４０  記憶部
１４１  ＣＡＤデータ
１４２  モデル生成・加工部
１４３  解析部
１４４  パラメータ取得部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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