(57)【要約】【課題】溶接残留応力解析に必要な溶接部の温度分布および温度変化を、２次元伝熱解析により求める際のモデル化に伴う誤差を低減させ、熱弾塑性解析により高精度で溶接残留応力を求めることが可能な溶接残留応力解析方法である。【解決手段】溶接残留応力解析方法１は、被溶接金属である母材を溶接金属で溶接する際、溶接条件から計算して得た溶接部への入熱量を、溶接条件により低減補正した補正入熱量を用いて、２次元伝熱解析モデルによる２次元伝熱解析により溶接部の温度分布あるいは温度変化等の２次元解析メッシュの温度情報を計算し、この温度情報を基に熱弾塑性解析により溶接残留応力を求めるものである。【選択図】　図１
2004053366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接金属である母材を溶接金属で溶接する際、溶接条件から計算して得た溶接部への入熱量を、溶接条件により低減補正した補正入熱量を用いて、２次元伝熱解析モデルによる２次元伝熱解析により溶接部の温度分布あるいは温度変化等の２次元解析メッシュの温度情報を計算し、この温度情報を基に熱弾塑性解析により溶接残留応力を求めることを特徴とする溶接残留応力解析方法。
【請求項２】
前記溶接部への入熱量に、非定常熱伝導方程式から計算して設定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とする請求項１記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項３】
前記溶接部への入熱量に、別途作成した３次元伝熱解析モデルの３次元伝熱解析により得た溶接部の３次元解析メッシュの温度情報と、前記２次元伝熱解析モデルの２次元伝熱解析で得られる溶接部の２次元解析メッシュの温度情報とが、近似可能な範囲で一致するようにパラメータ合わせにより決定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とする請求項１記載の溶接部残留応力解析方法。
【請求項４】
前記溶接部への入熱量に、溶接実験により得た溶接部の測定点における温度情報と、前記２次元伝熱解析モデルの２次元伝熱解析で得られる溶接部の２次元解析メッシュの温度情報とが、近似可能な範囲で一致するようにパラメータ合わせにより決定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とする請求項１記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項５】
前記２次元伝熱解析モデルを、前記溶接金属で形成される複数の溶接ビードを１つの溶接ビード群として、各溶接ビード群に入熱条件を与えるモデルとしたことを特徴とする請求項１記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項６】
前記３次元伝熱解析モデルを、前記溶接金属で形成される複数の溶接ビードを１つの溶接ビード群として、各溶接ビード群に入熱条件を与えるモデルとしたことを特徴とする請求項３記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項７】
過去あるいは事前に任意の方法で得た溶接条件ごとの複数の低減率を保存した低減率データベースを作成し、この低減率データベースから、溶接残留応力解析対象となる溶接条件に近似可能な低減率を選択し、この低減率を前記溶接部への入熱量に積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とする請求項１記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項８】
過去あるいは事前に任意の方法で得た溶接条件ごとの複数の低減率と、熱伝導方程式等の熱についての物理方程式とにより溶接条件をパラメータとする低減率計算式を求め、この低減率計算式により溶接残留応力解析対象となる溶接条件に相当する低減率を近似可能な範囲で計算し、この低減率を前記溶接部への入熱量に積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とする請求項１記載の溶接残留応力解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属を溶接した際に発生する溶接残留応力を解析により計算する溶接残留応力解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来実施される、溶接残留応力を解析により計算する方法として図１０のフロー図に示す方法がある。
【０００３】
溶接残留応力は、溶接の際の溶接部の温度変化および温度分布により発生した熱応力が母材の塑性状態で残留した応力である。このため、溶接の際の溶接部の温度変化および温度分布を求め、さらに求めた温度変化により熱弾塑性解析を行なうことで溶接残留応力を知ることができる。
【０００４】
溶接部の温度分布および温度変化は、実験あるいは伝熱解析で求められる。
【０００５】
実験により溶接部の温度分布および温度変化を求める方法では、与えられた溶接条件で、１つの溶接ビードを溶接したときの溶接部の温度分布および温度変化を測定し、さらに次の溶接ビードについての溶接部の温度分布および温度変化を同様に測定することを順次繰り返すことにより、溶接部の温度変化履歴を求める。
【０００６】
伝熱解析により溶接部の温度分布および温度変化を求める方法では、与えられた溶接条件で、１つの溶接ビードに一定の入熱を与え溶接部の温度分布および温度変化を伝熱解析し、さらに次の溶接ビードについての溶接部の温度分布および温度変化を同様に伝熱解析することを順次繰り返すことにより、溶接部の温度変化履歴を求める。
【０００７】
実験あるいは伝熱解析で求められた溶接部の温度分布および温度変化を条件として、溶接ビードごとに熱弾塑性解析を順次繰り返し実施して得られた応力分布を加算する。全ての溶接ビードについての熱弾塑性解析が終了したときの加算された応力分布が残留応力となる。
【０００８】
尚、伝熱解析により算出した温度分布の履歴を用いて、さらに熱弾塑性解析を実施することで溶接残留応力を解析する方法は、現代溶接技術大系第３巻（産報出版）に記載された公知技術である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、溶接残留応力を求めるための熱弾塑性解析は、計算簡易化のため２次元熱弾塑性モデルで実施される。このため、溶接部の２次元メッシュの温度分布を得る必要があり、伝熱解析も２次元伝熱解析モデルで実施される。
【００１０】
しかし、２次元伝熱解析においては、再現できない方向への熱の逃げが存在するため、実際に溶接部に入熱した熱量よりも過大な熱量で伝熱解析が実施され、得られる残留応力の解析精度が低下する。例えば、図１１に示す溶接ビードＡを盛って接合した２つの円筒状母材Ｂを単位厚さｔで切り出した２次元伝熱解析モデルＣでは、円周方向へは断熱条件として熱移動が考慮されず、逃げ熱が再現されない。母材Ｂが平板である場合にも同様に、母材Ｂの溶接施工方向が断熱条件となる。
【００１１】
一方、実験により溶接部の温度分布および温度変化を求める方法では、残留応力解析ごとに実験が必要となりコストの増加に繋がる。
【００１２】
本発明は上述した従来の事情に対処するためになされたものであり、溶接残留応力解析に必要な溶接部の温度分布および温度変化を、２次元伝熱解析により求める際のモデル化に伴う誤差を低減させ、熱弾塑性解析により高精度で溶接残留応力を求めることが可能な溶接残留応力解析方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、被溶接金属である母材を溶接金属で溶接する際、溶接条件から計算して得た溶接部への入熱量を、溶接条件により低減補正した補正入熱量を用いて、２次元伝熱解析モデルによる２次元伝熱解析により溶接部の温度分布あるいは温度変化等の２次元解析メッシュの温度情報を計算し、この温度情報を基に熱弾塑性解析により溶接残留応力を求めることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記溶接部への入熱量に、非定常熱伝導方程式から計算して設定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記溶接部への入熱量に、別途作成した３次元伝熱解析モデルの３次元伝熱解析により得た溶接部の３次元解析メッシュの温度情報と、前記２次元伝熱解析モデルの２次元伝熱解析で得られる溶接部の２次元解析メッシュの温度情報とが、近似可能な範囲で一致するようにパラメータ合わせにより決定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記溶接部への入熱量に、実験により得た溶接部の測定点における温度情報と、前記２次元伝熱解析モデルの２次元伝熱解析で得られる溶接部の２次元解析メッシュの温度情報とが、近似可能な範囲で一致するようにパラメータ合わせにより決定した低減率を積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記２次元伝熱解析モデルを、前記溶接金属で形成される複数の溶接ビードを１つの溶接ビード群として、各溶接ビード群に入熱条件を与えるモデルとしたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記３次元伝熱解析モデルを、前記溶接金属で形成される複数の溶接ビードを１つの溶接ビード群として、各溶接ビード群に入熱条件を与えるモデルとしたことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、過去あるいは事前に任意の方法で得た溶接条件ごとの複数の低減率を保存した低減率データベースを作成し、この低減率データベースから、溶接残留応力解析対象となる溶接条件に近似可能な低減率を選択し、この低減率を前記溶接部への入熱量に積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、過去あるいは事前に任意の方法で得た溶接条件ごとの複数の低減率と、熱伝導方程式等の熱についての物理方程式とにより溶接条件をパラメータとする低減率計算式を求め、この低減率計算式により溶接残留応力解析対象となる溶接条件に相当する低減率を近似可能な範囲で計算し、この低減率を前記溶接部への入熱量に積算することにより補正入熱量を計算することを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る溶接残留応力解析方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第１の実施形態を示すフロー図、図２は２次元伝熱解析モデルにおいて全ての溶接ビードについての伝熱解析が終了した状態を示す図、図３は２次元伝熱解析モデルにおいて溶接ビードについての伝熱解析の実行中の状態を示す図である。
【００２３】
溶接残留応力解析方法１は、伝熱解析システム２と熱弾塑性解析システム３で構成される。そして、被溶接金属である母材１１を溶接金属で溶接する溶接系に対し、伝熱解析システム２で公知の一般的な方法で、伝熱解析により求めた溶接部Ｗの温度分布あるいは温度変化等の温度情報を条件として、熱弾塑性解析システム３において、一般的で公知の方法で熱弾塑性解析を実施して、溶接後に発生する溶接残留応力を計算するものである。
【００２４】
溶接残留応力解析方法１の伝熱解析システム２における計算手順について説明する。
【００２５】
まず、溶接に用いる電流値、電圧値、溶接速度および溶接効率等の溶接条件から溶接部Ｗへの入熱量を求める。
【００２６】
熱弾塑性解析システム３で実施する熱弾塑性解析は、計算簡易化のため、２次元熱弾塑性モデルで実施される。このため、伝熱解析システム２における伝熱解析においても、図２および図３に示す例のように、２次元伝熱解析モデル１０による２次元伝熱解析による方法で２次元解析メッシュの温度情報を得ることが望ましく、また計算も簡易である。
【００２７】
伝熱解析システム２における伝熱解析の２次元伝熱解析モデル１０は、一般的な公知の方法で作成される。２次元伝熱解析モデル１０は、２つの被溶接金属である母材１１を長手方向に付き合わせ、溶接金属から形成される溶接ビード１２が盛られることにより接合される溶接系を単位厚さｔの横断面で切断したものである。
【００２８】
２次元伝熱解析モデル１０においては、単位厚さｔとした面、すなわち紙面に垂直な方向である厚さ方向への逃げ熱の効果を、計算の条件とすることができない。このため、溶接部Ｗに入熱した熱量よりも小さい熱量で２次元伝熱解析を実施する必要がある。
【００２９】
そこで、伝熱解析システム２における伝熱解析で、溶接部Ｗの溶接条件から得られた入熱量を、低減補正して補正入熱量を計算する。低減補正の方法としては、入熱量に低減率を積算する方法あるいは入熱量から低減量を減算させる方法がある。
【００３０】
伝熱解析システム２の伝熱解析で用いる２次元伝熱解析モデル１０では、１つの溶接ビード１２が盛られると、溶接部Ｗ全体に補正入熱量が入熱されるものとされる。２次元伝熱解析モデル１０において、各溶接ビード１２が盛られる順に、順次繰り返し各溶接ビード１２に補正入熱量の入熱を与え、さらに母材１１および溶接ビード１２として使用する金属の、熱伝導率および表面熱伝達率等の解析条件を基に、溶接部Ｗの温度分布および温度変化等の温度情報の解析を、一般的な公知の方法で行なう。
【００３１】
２次元伝熱解析モデル１０による２次元伝熱解析の結果、各溶接ビード１２が盛られるときの溶接部Ｗ（図２および図３参照）の２次元解析メッシュの温度分布および温度変化等の温度情報が得られる。
【００３２】
溶接残留応力解析方法１の熱弾塑性解析システム３における計算手順について説明する。
【００３３】
伝熱解析システム２において、２次元伝熱解析により得られた溶接部Ｗに各溶接ビード１２が盛られるときの溶接部Ｗの温度情報を基に、熱弾塑性解析システム３において一般的な公知の方法で熱弾塑性解析を、溶接ビード１２を盛る順に、順次繰り返し実施して溶接部Ｗの応力分布を加算する。そして、最後の溶接ビード１２を盛る際の熱弾塑性解析結果を加算して得られた溶接部Ｗの応力の分布形状が、溶接残留応力の分布となる。
【００３４】
次に、入熱量を低減補正させるための低減率の設定方法について説明する。
【００３５】
図４は、溶接残留応力解析方法１の伝熱解析に必要な入熱量の低減率の計算に用いるモデルの説明図である。
【００３６】
被溶接金属である母材１１と溶接金属２０とを同心半球とみなして、半球の切り口である平面部分を、溶接部表面２１とする。そして、この半球から単位厚さｔを切り出した２次元的な単位厚さｔの円板状の部分について考える。溶接部表面２１の熱伝達による熱移動が溶接部Ｗ内部の熱伝導による熱移動（逃げ熱Ｑ）よりも相対的に小さく無視できるとすると、溶接部Ｗすなわち母材１１および溶接金属２０の温度分布は、半球の中心を原点とする球座標系において、溶接金属に入熱を加えたときの非定常熱伝導方程式を解くことにより求められる。
【００３７】
非定常熱伝導方程式を解くことにより、溶接部表面２１から単位厚さｔの円板状モデル内部に留まる熱量と、円板状モデルの内部を経由して外部に移動する熱量を求めることができる。円板状モデルの内部に留まる熱量は、２次元伝熱解析モデル１０における溶接部Ｗへの入熱量を、円板状モデルの外部に移動する熱量は、逃げ熱をそれぞれ意味する。このため、溶接部表面２１に与えた全熱量に対する円板状モデル内部への入熱量の比率を低減率とすることができる。
【００３８】
溶接残留応力解析方法１では、従来では、伝熱解析システム２における２次元伝熱解析モデル１０による２次元伝熱解析で、入熱量が実際よりも過大となり伝熱解析および溶接残留応力解析に誤差が生じていたが、逃げ熱を考慮できるように設定した低減率を入熱量に積算して低減させることにより、２次元解析モデルによる２次元伝熱解析および溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【００３９】
また、伝熱解析システム２において、伝熱解析を３次元で実施する場合でも、公知であり一般的なモデル化方法で作成した３次元伝熱解析モデルを単位厚さ領域に分割して、複数の２次元伝熱解析モデルとして、単位厚さ領域の内部への入熱量と、単位厚さ領域の外部への逃げ熱から低減率を設定して温度分布および温度変化を計算することができる。
【００４０】
図５は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第２の実施形態における低減率を求めるための３次元伝熱解析モデルを示す説明図である。
【００４１】
第２の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ａでは、伝熱解析システム２において実施する、２次元伝熱解析モデルによる伝熱解析の際に必要な熱量の低減率の計算方法が第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１と異なる。溶接残留応力解析方法１Ａの溶接残留応力解析フローは、図１に示す第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１のフローと同一である。また、低減率設定方法以外の解析方法および解析モデルも第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１と同等であるため、説明を省略する。
【００４２】
溶接残留応力解析方法１Ａでは、伝熱解析システム２において実施する伝熱解析用として、２つの被溶接金属である母材１１を付き合わせて溶接ビードを盛る溶接系の３次元伝熱解析モデル３０を一般的な方法で作成し、溶接部Ｗに溶接ビード１２を盛る順に溶接トーチの移動に従って、溶接部Ｗへの入熱の時間変化を模擬し、かつ溶接部Ｗからの逃げ熱を考慮した解析を実施する。
【００４３】
伝熱解析システム２における３次元伝熱解析モデル３０の伝熱解析により、溶接部Ｗの３次元解析メッシュの温度分布および温度変化等の温度情報が得られる。この温度情報により熱弾塑性解析システム３で、熱弾塑性解析を行なうことも可能であるが、一般に、計算簡略化のため、熱弾塑性解析は２次元熱弾塑性解析モデルにより実施される。
【００４４】
熱弾塑性解析システム３において、２次元熱弾塑性解析モデルによる熱弾塑性解析には、２次元解析メッシュの温度情報が用いられる。このため、伝熱解析システム２において、３次元伝熱解析モデル３０で得た３次元解析メッシュの温度情報を、熱弾塑性解析システム３で用いる２次元熱弾塑性解析モデルに適用可能な２次元解析メッシュの温度情報に変換する必要がある。
【００４５】
そこで、伝熱解析システム２において、２次元伝熱解析モデル１０で低減率をパラメータとして解析を実施して得た２次元解析メッシュの温度情報と、３次元解析メッシュの温度情報とを比較し近似可能な範囲で同傾向な分布となるようにパラメータ化された低減率のパラメータ合わせにより決定する。
【００４６】
そして、伝熱解析システム２において、パラメータ合わせにより決定された低減率により、再度２次元伝熱解析モデル１０を２次元伝熱解析して得た２次元解析メッシュの温度情報から２次元熱弾塑性解析モデルを作成して、熱弾塑性解析システム３において、熱弾塑性解析により溶接残留応力を計算する。
【００４７】
溶接残留応力解析方法１Ａでは、伝熱解析システム２における伝熱解析については、２次元伝熱解析の結果である２次元メッシュの温度情報が２次元伝熱解析モデル１０よりも正確で、溶接部Ｗからの逃げ熱の効果を計算することが可能な３次元伝熱解析モデル３０で実施して得た溶接部Ｗの３次元解析メッシュの温度情報と同様となるように低減率を設定することで、溶接残留応力の計算精度を向上させることができる。
【００４８】
図６は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第３の実施形態における低減率を求めるための溶接実験を示す斜視図である。
【００４９】
第３の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｂでは、伝熱解析システム２における２次元伝熱解析モデル１０による２次元伝熱解析の際に、必要な熱量の低減率の計算方法が第１あるいは第２の実施形態による溶接残留応力解析方法１、１Ａと異なる。その他の溶接残留応力解析フローは、図１の第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１のフローと同一である。また、低減率設定方法以外の解析方法および解析モデルも第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１と同等であるため、説明を省略する。
【００５０】
溶接残留応力解析方法１Ｂでは、実際に溶接実験を実施して、温度分布および温度変化等の温度情報を測定する。溶接実験の対象となる被溶接実験系４０の構成は、被溶接金属である２つの母材１１を付き合わせ、熱電対等の温度計を溶接金属周辺の母材１１に取り付けた状態で、実際に溶接を実施するものである。
【００５１】
溶接実験を実施した結果、実際の溶接の際の溶接部Ｗの測定点４１の温度情報が得られる。この溶接実験により得た各測定点４１での温度情報により、熱弾塑性解析システム３で熱弾塑性解析を行なうためには、熱弾塑性解析に用いる熱弾塑性解析モデルに必要な温度情報に変換する必要がある。
【００５２】
そこで、伝熱解析システム２で、２次元伝熱解析モデル１０で低減率をパラメータとして解析を実施して得た２次元解析メッシュの温度情報と、溶接実験で得た溶接部Ｗの測定点４１における温度情報とを比較し同様な分布となるようにパラメータ化された低減率のパラメータ合わせを実施して決定する。
【００５３】
そして、伝熱解析システム２で、パラメータ合わせで決定された低減率により再度２次元伝熱解析モデル１０を２次元伝熱解析して得た２次元解析メッシュの温度情報から２次元熱弾塑性解析モデルを作成して、熱弾塑性解析システム３で熱弾塑性解析により溶接残留応力を計算する。
【００５４】
溶接残留応力解析方法１Ｂでは、伝熱解析システム２における伝熱解析については、２次元伝熱解析の結果である２次元メッシュの温度情報が、実際に溶接実験で測定して得た溶接部Ｗの測定点４１おける温度情報となるように低減率を設定することで、溶接残留応力の計算精度を向上させることができる。
【００５５】
図７は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第４の実施形態による伝熱解析および熱弾塑性解析の方法を説明するための溶接部Ｗの横断面図である。
【００５６】
第４の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｃでは、溶接金属である溶接ビード１２ごとについての２次元解析モデルの代わりに、時間的に連続した複数の溶接ビード１２で構成される溶接ビード群５０についての２次元解析モデル５１とした点が、第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１と異なる。したがって、溶接残留応力解析フローは、図１の第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１のフロー図における溶接ビード１２を溶接ビード群５０と読み替えたものとなる。
【００５７】
伝熱解析システム２において、伝熱解析対象である溶接系の溶接部Ｗが大きくなると、溶接ビード１２の数が増加して伝熱解析の解析時間が長くなる。
【００５８】
このため、溶接残留応力解析方法１Ｃでは、時間的に連続して形成された複数の溶接部Ｗの溶接ビード１２を１つの溶接ビード群５０として、この溶接ビード群５０ごとに２次元伝熱解析モデル５１により、伝熱解析システム２で２次元伝熱解析を実施する。図７の例では、４つの溶接ビード１２が１つの溶接ビード群５０とされる。
【００５９】
しかし、伝熱解析システム２において、溶接部Ｗの各溶接ビード１２への入熱量を単純に加算した入熱量で、溶接ビード群５０の２次元伝熱解析を実施すると、実際には異なる時間に溶接部Ｗに与えられた熱量が同時に与えられ、かつ溶接部Ｗからの逃げ熱の効果が計算されないため、２次元伝熱解析の計算上の入熱量が過大となる。
【００６０】
そこで、伝熱解析システム２において、単一の溶接ビード１２ではなく溶接ビード群５０として２次元伝熱解析したことに伴う、熱量の実際との誤差、および逃げ熱の効果を考慮した低減率を設定して、入熱量の低減補正をしてから、溶接ビード群５０ごとに２次元伝熱解析を実施する。
【００６１】
伝熱解析システム２における２次元伝熱解析に必要な低減率は、第２の実施形態の溶接残留応力解析方法１Ａと同様な３次元伝熱解析により計算した３次元メッシュの温度情報、あるいは第３の実施形態の溶接残留応力解析方法１Ｂと同様に得た溶接実験による測定点４１の温度情報と、低減率をパラメータ化して溶接ビード群５０ごとに２次元伝熱解析モデル５１により２次元伝熱解析を実施して得た２次元メッシュの温度情報とを比較して、同様な値となるようにパラメータ合わせを行なうことで設定される。
【００６２】
溶接残留応力解析方法１Ｃでは、第２あるいは第３の実施形態の溶接残留応力解析方法１Ａ、１Ｂと同等の精度で溶接残留応力を求めることが可能で、さらに伝熱解析を簡略化し、計算時間を低減することができる。
【００６３】
また、伝熱解析システム２で３次元メッシュの温度情報を計算する際に、溶接部Ｗにおいて溶接ビード１２を盛る順に溶接トーチの移動に従って、溶接部Ｗへの入熱の時間変化を模擬し、かつ溶接部Ｗからの逃げ熱を考慮した３次元伝熱解析モデルで伝熱解析を実施したが、溶接ビード１２の代わりに溶接ビード群５０として、まとめて溶接部Ｗに入熱を与えることで、誤差は増加するものの伝熱解析による温度情報の計算を簡略化することができる。
【００６４】
図８は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第５の実施形態を示すフロー図である。
【００６５】
第５の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｄでは、伝熱解析システム２において伝熱解析を実施する際に必要な、入熱量の低減補正のための低減率の設定方法を低減率データベース６０から取り込む方法とした点が、第１乃至第３の実施形態による溶接残留応力解析方法１、１Ａ、１Ｂと異なる。その他の解析方法および解析モデルについては、溶接残留応力解析方法１、１Ａ、１Ｂと同等でるため、同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
第２および第３の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ａ、１Ｂでは、溶接条件ごとに３次元伝熱解析モデルの３次元伝熱解析あるいは溶接実験を実施して得た温度分布および温度変化等の温度情報が、２次元解析メッシュの温度情報と同様となるように、２次元伝熱解析の入熱量の低減率を設定する必要があるが、溶接残留応力解析方法１Ｄでは、過去あるいは事前に得た低減率データベース６０から適宜溶接条件に適した低減率が選択され、伝熱解析システム２において２次元伝熱解析が実施される。
【００６７】
溶接に用いる電流値、電圧値、溶接速度および溶接効率等の溶接条件および母材１１の形状、材質がともに同一である場合、溶接部Ｗへの入熱量および低減率は同一となる。さらに溶接条件に加えて、すべての溶接ビードの形状および溶接ビードを盛る順序と数が、溶接において同一である場合は、溶接部Ｗの温度情報とともに溶接残留応力も同一となる。
【００６８】
しかし、一般には溶接ビードの数および盛る順序は溶接ごとに異なるため、同一の溶接部Ｗへの入熱量および低減率で、各溶接ビードを盛る順序で、溶接ビードごとに伝熱解析および熱弾塑性解析を実施する必要性がある場合が多い。
【００６９】
このため、被溶接金属である母材１１の形状および材質を形状パラメータとして、３次元伝熱解析あるいは実験により得られた各溶接部Ｗの母材１１の形状および材質ごとの３次元メッシュあるいは測定点の温度情報と、溶接条件を溶接条件パラメータとして２次元伝熱解析を行なって得た２次元メッシュの温度情報とが、同様となるようにパラメータ合わせにより、過去あるいは事前に設定された低減率を、低減率データベース６０として溶接条件および溶接部Ｗの形状ごとに保存する。
【００７０】
そして、すでに溶接残留応力解析方法１Ｄの低減率データベース６０に保存された溶接条件および溶接部Ｗの形状と同一の条件で、溶接ビードの数および盛る順序が異なる溶接系について、伝熱解析システム２による２次元伝熱解析および熱弾塑性解析システム３による熱弾塑性解析を行なう場合は、低減率データベース６０から溶接条件に一致あるいは近似できる低減率を選択して、２次元伝熱解析を実施する。
【００７１】
例えば、被溶接金属である母材１１の形状が、曲率が十分に大きい円筒である場合、母材１１を平板とみなして、低減率データベース６０から平板についての低減率を選択して２次元伝熱解析に用いることができる。
【００７２】
溶接残留応力解析方法１Ｄでは、過去に伝熱解析システム２における３次元解析あるいは実験で得た低減率を低減率データベース６０として保存し、別の溶接系に近似的に再利用することで、低減率を求める手間を省くことができる。
【００７３】
図９は、本発明に係る溶接残留応力解析方法の第６の実施形態を示すフロー図である。
【００７４】
第５の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｄでは、過去あるいは事前に得た低減率データベース６０から低減率を選択して、伝熱解析システム２で２次元伝熱解析を実施したが、第６の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｅは、低減率データベース６０から溶接条件および被溶接金属である母材１１の形状あるいは材質をパラメータとする低減率算定式７０を作成して、低減率計算式７０から低減率を求めることにより、２次元伝熱解析を実施するものである。
【００７５】
溶接残留応力解析方法１Ｅの低減率計算式７０は、第１の実施形態による溶接残留応力解析方法１における低減率の計算方法と同様な、熱についての理論的な物理式を基礎として、さらに、第５の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｄにおける低減率データベース６０の作成方法と同様な方法で得た溶接条件パラメータおよび形状パラメータごとの各低減率を用いて実験計画法により分析することで求められる。
【００７６】
また、第５の実施形態による溶接残留応力解析方法１Ｄにおける低減率データベース６０を利用して低減率を設定する場合と同様に、例えば、被溶接金属である母材１１の形状が、曲率が十分に大きい円筒である場合、母材１１を平板とみなして、平板についての低減率計算式７０を適用して低減率を求めるというような近似を実施することで低減率計算式７０の適用範囲を増大させるとともに、必要とする低減率計算式７０の数を低減させることができる。
【００７７】
溶接残留応力解析方法１Ｅでは、過去に伝熱システムによる３次元解析あるいは実験で得た低減率と熱に関する理論式から求めた低減率計算式７０で、各溶接条件および被溶接金属である母材１１の形状に対応する低減率を、溶接実験あるいは３次元伝熱解析を実施することなく求めることができるため、低減率を求める手間を省くことができる。
【００７８】
尚、溶接残留応力解析方法１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、伝熱解析システム２と熱弾塑性解析システム３で構成されるが、伝熱解析と熱弾塑性解析の双方を実施可能な単一のシステムを使用する場合、あるいは一部を共有するシステムを使用するものとしてもよく、溶接残留応力解析方法１が伝熱解析機能と熱弾塑性解析機能を共に具備する構成であればよい。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る溶接残留応力解析方法においては、入熱量の低減率の導入により溶接部のより高精度な温度情報を得ることを可能とすることで、溶接残留応力をより高精度で求めることができる。
【００８０】
また、低減率データベースあるいは低減率計算式を活用することで、溶接実験あるいは伝熱解析を不要とし、より安価で溶接残留応力を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第１の実施形態を示すフロー図。
【図２】２次元伝熱解析モデルにおいて全ての溶接ビードについての伝熱解析が終了した状態を示す図。
【図３】２次元伝熱解析モデルにおいて溶接ビードについての伝熱解析の実行中の状態を示す図。
【図４】溶接残留応力解析方法の伝熱解析に必要な入熱量の低減率の計算に用いるモデルの説明図。
【図５】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第２の実施形態における低減率を求めるための３次元伝熱解析モデルを示す説明図。
【図６】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第３の実施形態における低減率を求めるための溶接実験を示す斜視図。
【図７】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第４の実施形態による伝熱解析および熱弾塑性解析の方法を説明するための溶接部の横断面図。
【図８】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第５の実施形態を示すフロー図。
【図９】本発明に係る溶接残留応力解析方法の第６の実施形態を示すフロー図。
【図１０】従来の溶接残留応力解析方法の手順を示すフロー図。
【図１１】従来の溶接残留応力解析方法に用いる２次元伝熱解析モデルの例を示す図。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ　溶接残留応力解析方法
２　伝熱解析システム
３　熱弾塑性解析システム
１０　２次元伝熱解析モデル
１１　母材
１２　溶接ビード
２０　溶接金属
２１　溶接部表面
３０　３次元伝熱解析モデル
４０　被溶接実験系
４１　測定点
５０　溶接ビード群
５１　２次元解析モデル
６０　低減率データベース
７０　低減率算定式
ｔ　単位厚さ
Ｗ　溶接部
Ｑ　逃げ熱
【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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【図１１】
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