(57)【要約】      （修正有）【課題】有限要素法を用いて溶接構造物の溶接変形、残留応力を解析するにあたり、より一層精度の高い溶接変形、残留応力を推定できる溶接構造物の解析方法および溶接構造物の解析装置を提供する。【解決手段】溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を設定する溶接施工条件設定ステップ２と、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割するステップ３、前記有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて定まる固有ひずみ分布を算出するステップ６と、算出した個々の要素の固有ひずみを前記溶接構造物の全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換するステップ８と、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成するステップ９を有する方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造物の有限要素モデルのメッシュ分割を基準として、溶接線の位置、溶接線の方向を指定する一方、この溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を設定する溶接施工条件設定ステップと、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割するステップと、分割した溶接線要素の方向を決定し、前記溶接構造物の有限要素モデルを構成する要素と前記溶接線要素との距離および方向を算出する一方、前記有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて定まる固有ひずみ分布を算出するステップと、算出した個々の要素の固有ひずみを前記溶接構造物の全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換するステップと、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成するステップを有することを特徴とする溶接構造物の解析方法。
【請求項２】
溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素を指定して行うことを特徴とする請求項１記載の溶接構造物の解析方法。
【請求項３】
溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素内の節点を指定して行うことを特徴とする請求項１記載の溶接構造物の解析方法。
【請求項４】
溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素と、この要素内の節点とを組み合わせたものを指定して行うことを特徴とする請求項１記載の溶接構造物の解析方法。
【請求項５】
溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、ＣＲＴ画面に写した溶接構造物のモデルにおいて、ペンポインター、マウス、ナンバーキーのうち、いずれかを用い、少なくとも要素、節点、直線、曲線、弧のいずれか１つ以上を指定して行うことを特徴とする請求項１記載の溶接構造物の解析方法。
【請求項６】
溶接施工条件のステップは、溶接の種類、溶接温度の入熱条件を固有ひずみデータベースから選択して溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素、節点およびこれらの組み合わせのうち、少なくともいずれか一方に与えることを特徴とする請求項１記載の溶接構造物の解析方法。
【請求項７】
溶接構造物の有限要素モデルのメッシュ分割を基準として、溶接線の位置、溶接線の方向とを指定する一方、該溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を指定する、溶接施工条件設定する手段と、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割する手段と、分割した溶接線要素の方向を決定し、前記溶接構造物の有限要素モデルを構成する要素と前記溶接線要素との距離および方向を算出する一方、溶接構造物の有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて決められる固有ひずみ分布を算出する手段と、算出した個々の要素の固有ひずみを溶接構造物全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換する手段と、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成する手段を有することを特徴とする溶接構造物の解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物を溶接する際に生成される熱ひずみの影響を受けて発生する構造物の溶接変形や残留応力を固有ひずみ法を用いて推定する溶接構造物の解析方法および溶接構造物の解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接構造物の産業分野では、構造物を溶接する際に生成される溶接部の熱的影響を受けて発生する構造物の溶接変形や残留応力を固有ひずみ法を用いて推定する研究が進められている。
【０００３】
ここに、固有ひずみ法とは、溶接構造物の溶接変形や残留応力を推定するにあたり、まず、実際の溶接構造物に生成される固有の溶接変形や残留応力を計測し、あるいは、熱弾塑性ＦＥＭ解析により求めてデータベース化しておき、次に、データベース化したひずみ値等のうち、適正値をモデル化した溶接構造物に与え、ＦＥＭ（有限要素法）解析法を用いて溶接変形や残留応力などを推定する手法である。
【０００４】
この手法は、予めデータベース化しておいた溶接構造物の固有ひずみ等のうち、適正値を選択して利用し、線形解析により溶接変形などを計算するので、構造物の形状が複雑であったり、大型の場合においても、熱弾塑性ＦＥＭ構造解析に較べて短時間で構造物の溶接変形等を推定できる点で利便性が高い。
【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した技術として、例えば溶接学会全国大会講演概要第７０集（２００２−４）「固有ひずみ法を用いた複雑形状の溶接変形最適化」（非特許文献１）や特開平７−７５８３５号公報（特許文献１）、特開平１０−１４６６２１号公報（特許文献２）の「線状加熱による金属板の曲げ加工法」等数多くの文献が公表されている。
【０００６】
【非特許文献１】
溶接学会全国大会講演概要第７０集（２００２−４）「固有ひずみ法を用いた複雑形状の溶接変形最適化」
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−７５８３５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−１４６６２１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
溶接構造物の溶接変形や残留応力等を推定する際に用いられるＦＥＭ解析法は、実際の溶接構造物をモデル化し、モデル化した溶接構造物を、例えば四辺形等の予め定められた形状の要素毎に細かに分割する、いわゆるメッシュ分割を行い、分割した個々の要素の力（応力）および変位（ひずみ）と、溶接構造物全体の力および変位との連続性から溶接構造物の変形および残留応力等を推定する計算法であり、モデルを構成する要素に溶接により生じる熱ひずみに相当する適切な分布のひずみ、すなわち、固有ひずみを入力して計算することで、構造、形状が複雑であっても、変化および残留応力を比較的短時間で推定できる。しかし、それでも幾つかの問題点が残されており、その１つに解析モデルの全体の座標系と溶接線まわりの固有ひずみ分布を決める座標系との整合性がある。
【００１０】
すなわち、ＦＥＭ解析法を用いて溶接構造物の固有ひずみおよび残留応力を推定する場合、座標系には、解析モデルとしての構造物全体の座標系のほかに、モデル化した溶接構造物の分割要素の特性によって決まる局所座標系と溶接構造物の溶接線の方向、および溶接施工位置によって決まる固有ひずみ座標系の３つがある。
【００１１】
これら３つの座標系に整合性がないと、各分割要素に予めデータベース化したひずみ値を与えても誤差が大きく、場合によっては現実とかけ離れた固有ひずみ値になる等の問題があった。通常、ＦＥＭ解析モデルはこれらの座標系が一致するようモデル化される場合が多いが、複雑な形状の３次元構造物の場合や溶接線の方向が多数にわたる場合には、ＦＥＭ解析モデルの座標系と溶接線との座標系の整合を取りながらモデルを作ることが困難である。また、使用する要素の種別によっては、更に、個々の要素ごとに局所座標系との整合に関する問題が追加される。これらは、特に、曲面、鋭角的切欠や鋭角的交差部を持つ三次元溶接構造物では、その傾向が高い。
【００１２】
このため、ＦＥＭ解析モデルの段階において溶接線の方向や要素種別により生じる局所の座標系の整合性を維持させなくとも、簡易な手法を用いて精度の高い固有ひずみ値等をＦＥＭ解析データに与え、高い精度で溶接変形や残留応力分布を推定できる溶接構造物の解析手法の実現が望まれていた。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、データベース化した固有ひずみ値等を選択しモデル化した溶接構造物に与え、有限要素法を用いて溶接構造物の溶接変形、残留応力を解析するにあたり、より一層精度の高い溶接変形、残留応力を推定できる溶接構造物の解析方法および溶接構造物の解析装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項１に記載したように、溶接構造物の有限要素モデルのメッシュ分割を基準として、溶接線の位置、溶接線の方向を指定する一方、この溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を設定する溶接施工条件設定ステップと、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割するステップと、分割した溶接線要素の方向を決定し、前記溶接構造物の有限要素モデルを構成する要素と前記溶接線要素との距離および方向を算出する一方、前記有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて定まる固有ひずみ分布を算出するステップと、算出した個々の要素の固有ひずみを前記溶接構造物の全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換するステップと、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成するステップを有する方法である。
【００１５】
また、本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項２に記載したように、溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素を指定して行う方法である。
【００１６】
また、本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項３に記載したように、溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素内の節点を指定して行う方法である。
【００１７】
また、本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項４に記載したように、溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素と、この要素内の節点とを組み合わせたものを指定して行う方法である。
【００１８】
また、本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項５に記載したように、溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、ＣＲＴ画面に写した溶接構造物のモデルにおいて、ペンポインター、マウス、ナンバーキーのうち、いずれかを用い、少なくとも要素、節点、直線、曲線、弧のいずれか１つ以上を指定して行う方法である。
【００１９】
また、本発明に係る溶接構造物の解析方法は、請求項６に記載したように、溶接施工条件のステップは、溶接の種類、溶接温度の入熱条件を固有ひずみデータベースから選択して溶接構造物のモデルをメッシュ分割した要素、節点およびこれらの組み合わせのうち、少なくともいずれか一方に与える方法である。
【００２０】
本発明に係る溶接構造物の解析装置は、請求項７に記載したように、溶接構造物の有限要素モデルのメッシュ分割を基準として、溶接線の位置、溶接線の方向とを指定する一方、該溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を指定する、溶接施工条件設定する手段と、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割する手段と、分割した溶接線要素の方向を決定し、前記溶接構造物の有限要素モデルを構成する要素と前記溶接線要素との距離および方向を算出する一方、溶接構造物の有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて決められる固有ひずみ分布を算出する手段と、算出した個々の要素の固有ひずみを溶接構造物全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換する手段と、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成する手段を有するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る溶接構造物の解析方法およびその解析装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る溶接構造物の解析方法およびその解析装置の実施形態を示すブロック図である。
【００２３】
本実施形態は、まず、溶接構造物をモデル化し、モデル化した溶接構造物に初期データ、具体的には幾何学的情報を与えてメッシュ分割するとともに、メッシュ分割する要素毎に要素データ等の情報を与える（ステップ１）。
【００２４】
次に、本実施形態は、モデル化した溶接構造物に溶接施工条件の情報を与えて溶接施工条件を設定した後（ステップ２）、モデル化した溶接構造物の溶接線を溶接線要素毎に分割する（ステップ３）。
【００２５】
溶接線要素毎に分割した溶接構造物は、溶接線要素の方向、例えば軸方向、幅方向、深さ方向を決定するとともに（ステップ４）、上述ステップ１でメッシュ分割した個々の要素と上述ステップ３で分割した溶接線要素との距離および方向を計算し（ステップ５）、さらに上述ステップ１でメッシュ分割した個々の要素の固有ひずみを計算する（ステップ６）。
【００２６】
個々の要素の固有ひずみの計算が終了すると、本実施形態は、上述ステップ６で求めた個々の要素の固有ひずみの成分を全体座標系に変換し（ステップ７）、さらにステップ７で求めた固有ひずみの各成分をＦＥＭ要素種別に応じた局所座標系に変換した後（ステップ８）、固有ひずみを入力したＦＥＭ解析データを作成し（ステップ９）、ＦＥＭ解析計算を行い（ステップ１０）、溶接構造物の溶接変形、残留応力を算出して推定する（ステップ１１）。
【００２７】
図２は、図１で示した各ステップの内容を今少し詳しく説明する概念手順図である。
【００２８】
ステップ１は、モデル化した溶接構造物をメッシュに分割する際、例えば三角形、四辺形等の具体的な形状を指定し、指定した形状のうち、一つ一つを「要素」として用いるとともに、一つ一つの「要素」に幾つかの「節点」を指定する一方、一つ一つの「要素」に材料を指定する。
【００２９】
また、ステップ１は、メッシュに分割した各「要素」に、ヤング率やポアソン比等の材料特性、外力や熱等の荷重、変位拘束等の境界条件のそれぞれのデータを与える。
【００３０】
ステップ２は、ステップ１の情報を基にして図３のうち、（ａ）に示す実溶接構造物の各溶接部１，２，…における「溶接軸方向」、「溶接幅方向」、「溶接深さ方向」のそれぞれの指定技術事項を、（ｂ）に示すモデル化した溶接構造物の溶接部１，２，…の「要素」、または「節点」Ａ，Ｂ，Ｃ，…に与えるか、あるいは（ｃ）に示す「要素」ａ，ｂ，…に示すように、「節点」、および、または「要素」を基準にして「節点」、「要素」または、「節点」と「要素」との組み合わせの並び方として与えるとともに、固有ひずみデータベースから適正に選択する、例えばサブマージアーク溶接等の溶接の種類と、例えば溶接温度等の入熱溶接条件等とをこれら「節点」、および、または「要素」の並びからなる溶接線に与える。
【００３１】
なお、溶接線の位置、溶接線の方向の指定は、ＣＲＴ画面上にうつした有限要素解析モデルにおいて、ペンポインター、マウス、ナンバーキーなどにより、節点、要素を直接指定するだけでなく、線分、曲線、弧など、溶接線を代表する図形を指定することによっても行なうことができる。
【００３２】
また、溶接線の位置が、要素や節点の並びから外れている場合にも、同じにオフセット量を入力することにより、溶接線の位置を決定できる。これらにより、溶接線を要素サイズレベルで分割した、複数の溶接線の集合とすることができる。
【００３３】
ステップ３は、ステップ１とステップ２との情報を基にし、モデル化した溶接構造物における溶接部１，２，…の溶接線を「溶接線要素」毎に分割する。すなわち、「溶接線要素」は、図４（ａ）に示す「節点」Ａ，Ｂ，Ｃを持つ「要素」に区画する溶接部１、「節点」Ｄ，Ｅ，Ｆを持つ「要素」に区画する溶接部２に対し、図４（ｂ）に示すように、例えば溶接部１を溶接線要素▲１▼，▲２▼，…に分割する。
【００３４】
ステップ３で、溶接部１，２，…を「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…に分割すると、ステップ４では、分割した「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…毎に方向を指定し、指定した「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…の方向をデータベース化する。
【００３５】
このデータベース化した「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…は、具体的には図５のうち、（ａ）に示すモデル化した溶接構造物の溶接部１に「節点」Ａ，Ｂ，Ｃを、溶接部２に「節点」Ｄ，Ｅ，Ｆをそれぞれ指定し、指定した「節点」Ａ，Ｂ，Ｃ，…の中から選択して区画したものである。そして、「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…には、（ｃ），（ｄ）に示すように、例えば「節点」Ａ，Ｅに対し、「溶接線方向」、「溶接幅方向」、「溶接深さ方向」のそれぞれの技術事項が指定される。
【００３６】
また、ステップ４では、図６に示すように、ステップ１、ステップ２およびステップ３の情報を基に「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…のそれぞれに、「溶接線方向」Ｖ１、「溶接幅方向」Ｖ２、「溶接深さ方向」Ｖ３のそれぞれを指定する。
【００３７】
これらの方向の指定については、溶接線が節点の並びで決められている場合、以下の手順で行なわれる。先ず、該溶接線要素を構成する２節点の並びが決まると、溶接線方向を決めることができる。さらに、それらの両節点が共通して属する要素を決定すると２つの要素と２つの節点が決まるので、他の要素、節点と共有していない表面を抽出することができる。これらの表面の代表点、例えば中心から、溶接線幅方向を規定でき、さらには、溶接線の深さ方向を決定する。溶接線が要素の並びで指定されている場合は、最初の溶接線方向は、要素の代表点、要素の表面の中心点などにより代表点をとり決定する。
【００３８】
一方、ステップ５では、図７に示すように、ステップ３で分割した各「溶接線要素」▲１▼，▲２▼，…に対し、固有ひずみ等を与えた「要素」ｎとの距離Δｉを計算し、距離Δｉ（Δ３，Δ４，Δ５）が最小となる「溶接線要素」の番号Ｋを探し（図７では「要素」ｎと「溶接線要素」▲４▼との距離が短かくなるのはΔ４）、「要素」ｎと「溶接線要素」の番号Ｋとの位置、具体的には溶接線軸方向、溶接線幅方向、溶接線深さ方向の距離を計算する。
【００３９】
ステップ５で、「要素」ｎと最も近い距離の「溶接線要素」の溶接線軸方向、幅方向、深さ方向のそれぞれの距離が計算されると、ステップ６では、図８のうち、（ａ）に示すように、データベース化している「溶接線要素」の溶接線軸方向、幅方向、深さ方向のそれぞれの固有ひずみを「要素」に与えた後、溶接施工軸方向の固有ひずみ、溶接施工幅方向の固有ひずみ、溶接施工深さ方向の固有ひずみを計算する。
【００４０】
ステップ６で計算した各方向の固有ひずみを、ステップ７では、図９のうち、（ａ）に示す「溶接線要素」の溶接軸方向、溶接幅方向、溶接深さ方向のそれぞれを定める溶接線要素座標系を、（ｂ）に示す各方向の固有ひずみを全体座標系に変換する。
【００４１】
なお、ステップ７では、溶接線要素局所座標系から溶接構造物全体の全体座標系に変換しているが、例えば、図１０（ａ）に示すように、蒸気タービンノズルダイヤフラムの場合、全体座標系から板状の分割要素の局所座標系に変換する場合もある。この場合、ステップ８が加えられる。
【００４２】
ステップ７またはステップ８で固有ひずみの各方向成分の座標変換をした後、ステップ９では、図２に示すように、固有ひずみと等価なデータに換算し、換算したデータにステップ１からの情報を参照してＦＥＭ解析データを作成する。
【００４３】
固有ひずみの与え方としては、各要素へ与えるひずみと等価な応力を各要素の積分点に与える、あるいは、ひずみと等価な線膨張係数を各要素の物性値に与えた後、熱荷重を与える、あるいは、要素を構成する積分点に外力を与えて等価なひずみとするなどの方法がある。このデータを基にステップ１０で計算を行い、最後のステップ１１で溶接変形、残留応力を出力し、溶接構造物の溶接変形等を推定する。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る溶接構造物の解析方法および溶接構造物解析装置は、溶接構造物の有限要素モデルのメッシュ分割を基準として、溶接線の位置、溶接線の方向とを指定する一方、該溶接線の溶接の種類、溶接温度の入熱条件を設定する、溶接施工条件設定ステップと、設定した溶接線をＦＥＭモデルの要素単位からなる溶接線要素に分割するステップと、分割した溶接線要素の方向を決定し、前記溶接構造物の有限要素モデルを構成する要素と前記溶接線要素との距離および方向を算出する一方、溶接構造物の有限要素モデルを構成する個々の要素について、溶接の種類と入熱量と溶接線からの距離に応じて決められる固有ひずみ分布を算出するステップと、算出した個々の要素の固有ひずみを溶接構造物全体座標系および要素の局所座標系のうち、少なくともいずれか一方の座標系に変換するステップとを経て、座標変換した固有ひずみを個々の要素へ荷重条件として与えるＦＥＭ解析データを作成し、ＦＥＭ解析を行い、溶接変形等を算出して溶接変形等を推定する新たな手法を構築するので、従来よりもより一層精度の高い溶接変形等を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接構造物の解析方法および溶接構造物の解析装置の実施形態を示すブロック図。
【図２】図１で示した各ステップの内容を説明する概念手順図。
【図３】図１および図２で示したステップ２の内容を説明する図で、（ａ）は実溶接構造物の溶接部を示す図、（ｂ）はモデル化した溶接構造物のメッシュ分割した溶接部の節点を示す図、（ｃ）はモデル化した溶接構造物のメッシュ分割した溶接部の要素を示す図。
【図４】図１および図２で示したステップ３の内容を説明する図で、（ａ）はモデル化した溶接構造物をメッシュ分割した溶接部の溶接線要素を示す図、（ｂ）はモデル化した溶接構造物をメッシュ分割した溶接部の溶接線要素と節点との組を示すブロック図。
【図５】図１および図２で示したステップ４の内容を説明する図で、（ａ）は溶接部の節点を示す図、（ｂ）は溶接部の溶接線要素の組を示すブロック図、（ｃ）は組みた溶接線要素のうち、第１溶接線要素の溶接軸方向、溶接幅方向、溶接深さ方向を示すベクトル線図、（ｄ）は組みた溶接線要素のうち、第２溶接線要素の溶接軸方向、溶接幅方向、溶接深さ方向を示すベクトル線図。
【図６】図１および図２で示したステップ４のうち、溶接線要素の方向決定を説明するブロック図。
【図７】図１および図２で示したステップ５の内容を説明するフロー図。
【図８】図１および図２で示したステップ６の内容を説明する図。
【図９】図１および図２で示したステップ７の内容を説明する図で、（ａ）は要素座標系における要素の溶接軸方向、溶接幅方向、溶接深さ方向を示すベクトル線図、（ｂ）は溶接構造物の全体座標系に合わせる要素の溶接軸方向、溶接幅方向、溶接深さ方向を示すベクトル図。
【図１０】図１および図２で示したステップ８の内容を説明する図で、（ａ）は蒸気タービンノズルダイヤフラムを一例に採った全体座標系を示す図、（ｂ）は（ａ）のメッシュ分割から取り出した板状の分割要素の局所座標系を示す図。
【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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