(57)【要約】【課題】材料の相変態現象が固有ひずみに及ぼす影響に着目し、材料条件や溶接条件に依存して変化する固有ひずみを簡易に導いて、溶接構造物の溶接変形及び残留応力を高精度に解析する技術を提供する。【解決手段】溶接構造物の解析装置１０は、基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみを登録したデータベース１２と、第１パラメータＰ１及びデータベース１２に基づいて溶接構造物の固有ひずみを導出する導出部１３と、溶接継手３２及び／又は溶接部材３１の相変態に関係する第２パラメータＰ２を入力した補正式に基づいて固有ひずみを補正する補正部１４と、この補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行する弾性計算部１６と、この弾性計算により導かれた溶接構造物３０の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示する結果表示部１８と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみを登録したデータベースと、
第１パラメータ及び前記データベースに基づいて溶接構造物の固有ひずみを導出する導出部と、
前記溶接継手及び／又は溶接部材の相変態に関係する第２パラメータを入力した補正式に基づいて前記固有ひずみを補正する補正部と、
前記補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行する弾性計算部と、
前記弾性計算により導かれた前記溶接構造物の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示する結果表示部と、を備えることを特徴とする溶接構造物の解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接構造物の解析装置において、
前記補正部は、
前記補正式に基づいて補正項を演算する演算部と、
前記溶接構造物の固有ひずみに前記補正項を加算して前記補正後の固有ひずみを出力する加算部と、を有することを特徴とする溶接構造物の解析装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の溶接構造物の解析装置において、
前記補正式は、前記相変態に伴う体積変化率、炭素当量、冷却速度に関連する前記第２パラメータを入力することを特徴とする溶接構造物の解析装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接構造物の解析装置において、
前記溶接変形及び前記残留応力の許容値を登録する登録部と、
前記弾性計算により導かれた前記溶接構造物の溶接変形及び残留応力が前記許容値を満足するように前記第１パラメータ及び／又は前記第２パラメータを更新するパラメータ更新部と、を備えることを特徴とする溶接構造物の解析装置。
【請求項５】
基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみをデータベースとして登録するステップと、
第１パラメータ及び前記データベースに基づいて溶接構造物の固有ひずみを導出するステップと、
前記溶接継手及び／又は溶接部材の相変態に関係する第２パラメータを入力した補正式に基づいて前記固有ひずみを補正するステップと、
前記補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行するステップと、
前記弾性計算により導かれた前記溶接構造物の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示するステップと、を含むことを特徴とする溶接構造物の解析方法。
【請求項６】
コンピュータに、
基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみをデータベースとして登録する機能、
第１パラメータ及び前記データベースに基づいて溶接構造物の固有ひずみを導出する機能、
前記溶接継手及び／又は溶接部材の相変態に関係する第２パラメータを入力した補正式に基づいて前記固有ひずみを補正する機能、
前記補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行する機能、
前記弾性計算により導かれた前記溶接構造物の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示する機能、を実行させることを特徴とする溶接構造物の解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接構造物における溶接変形及び残留応力の解析技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータシミュレーションを利用した溶接構造物における溶接変形及び残留応力の解析は、有限要素法を用いた熱弾塑性解析法や固有ひずみ法により行われている。このうち、溶接現象の非線形解析を行う熱弾塑性解析法は、大型構造物の溶接変形を計算する場合に、膨大な計算時間及び費用を要する。一方で、弾性解析を用いる固有ひずみ法は、計算時間の短い線形解析が適用されるために、複雑な溶接構造物であっても短時間で解析結果が得られる（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１８０２７１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１２７３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固有ひずみ法に基づく解析では、基本的形状の溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみを、実験測定又は計算により求めてデータベース化している。
そして、前記した特許文献に開示されている技術では、このデータベースから導かれる固有ひずみ分布をそのまま弾性計算して溶接変形及び残留応力を導いている。
しかし、この方法では各種条件に依存して生成する固有ひずみが変化するために、正確な固有ひずみを得るためには各種条件ごとにデータベースを作成する必要があった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、材料の相変態現象が固有ひずみに及ぼす影響に着目し、材料条件や溶接条件に依存して変化する固有ひずみを簡易に導いて、溶接構造物の溶接変形及び残留応力を高精度に解析する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
溶接構造物の解析装置は、基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみを登録したデータベースと、第１パラメータ及び前記データベースに基づいて溶接構造物の固有ひずみを導出する導出部と、前記溶接継手及び／又は溶接部材の相変態に関係する第２パラメータを入力した補正式に基づいて前記固有ひずみを補正する補正部と、前記補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行する弾性計算部と、前記弾性計算により導かれた前記溶接構造物の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示する結果表示部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、材料条件や溶接条件に依存して変化する固有ひずみを簡易に導いて、溶接構造物の溶接変形及び残留応力を高精度に解析する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る溶接構造物の解析装置の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】各実施形態に係る溶接構造物の解析装置に適用される固有ひずみ補正部のブロック図。
【図３】本発明の実施形態が適用される溶接構造物を示す斜視図。
【図４】溶接構造物の溶接線方向（Ｘ軸方向）における固有ひずみ分布を補正の有無で対比したグラフ。
【図５】溶接構造物の溶接線直交方向（Ｙ軸方向）における補正済の固有ひずみ分布を熱弾塑性解析による固有ひずみ分布と対比したグラフ。
【図６】溶接構造物の溶接線方向（Ｘ軸方向）における補正済の固有ひずみ分布を熱弾塑性解析による固有ひずみ分布と対比したグラフ。
【図７】本発明に係る溶接構造物の解析装置の第２実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係る溶接構造物の解析装置１０は、基本形状を示す溶接継手３２（図３）の組み合わせにおける固有ひずみを登録したデータベース１２と、第１パラメータＰ１及びデータベース１２に基づいて溶接構造物３０（図３）の固有ひずみを導出する導出部１３と、溶接継手３２及び／又は溶接部材３１（図３）の相変態に関係する第２パラメータＰ２を入力した補正式（図２：式（１）（２）（３））に基づいて固有ひずみを補正する補正部１４と、この補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行する弾性計算部１６と、この弾性計算により導かれた溶接構造物３０の溶接変形又は残留応力に基づく解析結果を表示する結果表示部１８と、を備えている。
【００１０】
図３に示すように溶接構造物３０は、一対の溶接継手３２が互いに端辺を突き合わせて溶接部材３１で接合されている。そして、溶接構造物３０は、有限要素法で三次元モデル表示されている。
接合作業を通じて溶接構造物３０に生じた残留応力や変形は、疲労寿命及び溶接割れ等の構造物の品質並びに設計上の指針に大きな影響を与える。
【００１１】
固有ひずみ法は、モデル化された溶接構造物３０の要素毎に数値化された固有ひずみの分布から弾性解析により溶接変形及び残留応力を導くものである。このため、固有ひずみ法に基づく溶接変形及び残留応力の解析精度は、得られる固有ひずみの精度に大きくに依存する。
【００１２】
図１に示すように、入力部１１は、固有ひずみの導出に必要な第１パラメータＰ１と、相変態を考慮した固有ひずみの補正に必要な第２パラメータＰ２とをオペレータが入力するものである。
第１パラメータＰ１としては、溶接継手３２の材料組成、材料物性、継手形状、開先形状及び板厚、並びに溶接部材３１の材料組成、材料物性及び溶接条件などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、第２パラメータＰ２については、後述する。
【００１３】
データベース１２は、溶接構造物３０を基本的な形状の溶接継手３２の集合体とみなし、それぞれの基本的な形状の溶接継手３２の組み合わせに対し、その形状、拘束条件、溶接条件、固有ひずみをデータとして蓄積している。
導出部１３は、データベース１２から溶接構造物３０に対応した基本的な形状の溶接継手３２を選定し、第１パラメータＰ１に基づいて溶接構造物３０の固有ひずみを導出する。
【００１４】
補正部１４は、図２に示すように、入力部１１から第２パラメータＰ２を入力して登録部１５に登録されている補正式（１）（２）（３）を用いて補正項Ｙijを演算する演算部１４ａと、導出部１３から入力した固有ひずみＸijに補正項Ｙijを加算して補正後の固有ひずみ（Ｘij＋Ｙij）を出力する加算部１４ｂと、を有している。
【００１５】
補正式（１）（２）（３）には、溶接継手３２及び溶接部材３１の相変態に伴う体積変化率、炭素当量、冷却速度に関連する第２パラメータＰ２を変数として代入することができる。
ここで、溶接構造物３０の溶接変形及び残留応力に大きな影響を及ぼす相変態としては、マルテンサイト変態、ベイナイト変態等が挙げられるが、これらに限定されない。
これら相変態のうち、溶接後の冷却中に生じるマルテンサイト相の生成割合は、溶接変形及び残留応力に大きな影響を及ぼす。
【００１６】
図２の補正式（１）（２）に含まれるパラメータの意味はそれぞれ次の通り。
α：マルテンサイト変態による単位体積もしくは単位重量あたりの体積変化量。
β：溶接部材３１におけるマルテンサイト体積比もしくは重量比。
ＫA：溶接継手３２の材料の炭素当量。
ＫDB：溶接部材３１の材料の炭素当量。
ｘA：溶接継手３２の材料の冷却速度。
ｘDB：溶接部材３１の材料の冷却速度。
ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｎ0,ｎ1,ｎ2：定数。
【００１７】
また、図２の補正式（３）で示される炭素当量Ｋ（ＫA，ＫDB）に示されるＣ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏはそれぞれの元素の合金中の体積比もしくは重量比を示す。
なお、後述する検証グラフ（図４〜図６）においては、定数ｎ0＝３，ｃ1＝ｃ2＝ｃ3＝ｎ1＝ｎ2＝１を用いたが、これら定数は、溶接構造物３０における溶接部材３１の拘束条件などにより変化する。
【００１８】
ところで補正項Ｙijは、マルテンサイト相の変態量に異方性が存在する場合に、テンソル表記が可能となる。具体的には、結晶粒形状に異方性が存在する場合や、溶接構造物３０における溶接部材３１の拘束条件に異方性が存在する場合などが対象になる。
相変態挙動に及ぼす因子として、材料組成、材料物性、溶接条件に注目したが、継手形状や開先形状などの他の因子が相変態量に影響を及ぼす場合は、これら因子毎に定数ｃ1，ｃ2，ｃ3，ｎ0，ｎ1，ｎ2を設定することができる。
【００１９】
加算部１４ｂは、溶接構造物３０の固有ひずみＸijに補正項Ｙijを加算して相変態が考慮された補正後の固有ひずみ（Ｘij＋Ｙij）を出力する。
なお、補正部１４において、補正項Ｙijを演算する補正式及び第２パラメータＰ２は、前記した（１）（２）（３）に限定されるものではない。
また補正部１４の出力は、導出部１３から入力した固有ひずみＸijに補正項Ｙijを加算したものに限定されることはなく、相変態を考慮して補正された固有ひずみであれば該当する。
【００２０】
図４〜図６のグラフを参照し、相変態を考慮して固有ひずみを補正することの有効性について検証する。
図４のグラフは、溶接構造物３０の溶接線方向（Ｘ軸方向）における固有ひずみ分布を補正の有無で対比している。
【００２１】
つまり、導出部１３から出力された各要素の固有ひずみを◇で記し、補正部１４から出力された各要素の固有ひずみを◆で記している。
この図４のグラフから、溶接部材３１の溶接線方向（Ｘ軸方向）における各要素の固有ひずみは、相変態を考慮することにより増加していることがわかる。
【００２２】
図５のグラフは、溶接構造物３０の溶接線直交方向（Ｙ軸方向）における補正済の固有ひずみ分布を熱弾塑性解析の固有ひずみ分布と対比している。
図６のグラフは、溶接構造物３０の溶接線方向（Ｘ軸方向）における補正済の固有ひずみ分布を熱弾塑性解析の固有ひずみ分布と対比している。
【００２３】
つまり、熱弾塑性解析による各要素の固有ひずみを〇で記し、補正部１４から出力された各要素の固有ひずみを◆で記している。
この図５及び図６のグラフから、相変態を考慮して補正した各要素の固有ひずみは、時間は要するが厳密な熱弾塑性解析による固有ひずみの結果と良好に一致することが分かる。
【００２４】
図１に示す弾性計算部１６は、補正部１４から出力された補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行し、溶接構造物３０の各要素における溶接変形及び残留応力を出力する。
そして、三次元解析部１７において、各要素における溶接変形及び残留応力に基づいて溶接構造物３０の三次元像を形成し、結果表示部１８に表示する。
なお、結果表示部１８は、このような三次元像を表示するのに限定されず、弾性計算部１６から導かれた溶接変形又は残留応力に基づく各種の解析結果も表示する。
【００２５】
以上説明した通り、第１実施形態では、一般的に用いられている固有ひずみ法から求められた固有ひずみに、相変態を考慮した補正を実施することで、溶接構造物における溶接変形及び残留応力の解析を短時間で且つ高精度で実施することができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図７に示すように、第２実施形態に係る溶接構造物の解析装置１０は、第１実施形態の構成にさらに加えて、溶接変形及び残留応力の許容値を登録する登録部２１と、弾性計算により導かれた溶接構造物３０の溶接変形及び残留応力がこの許容値を満足するようにパラメータを更新するパラメータ更新部２３と、を備えている。
なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００２７】
登録部２１は、溶接構造物３０の各要素における溶接変形及び残留応力の許容値を登録している。これら許容値は、パラメータ入力部１１から登録することができる。
そして、比較部２２は、弾性計算部１６から出力される各要素の溶接変形及び残留応力を、それぞれ許容値に比較する。
そして、パラメータ更新部２３は、この許容値を超える要素が有る場合、パラメータを更新して弾性計算部１６において再計算を実行する。そして、溶接構造物３０の各要素の溶接変形及び残留応力がこの許容値を満足するまで、パラメータの更新と弾性計算の再計算を繰り返す。
【００２８】
次に、図７を参照して、第２実施形態に係る溶接構造物の解析装置１０の動作説明を行う。
データベース１２に、基本形状を示す溶接継手の組み合わせにおける固有ひずみが登録されている。そして、オペレータが入力部１１に第１パラメータＰ１（溶接構造物３０における溶接継手３２の材料組成、材料物性、継手形状、開先形状及び板厚、並びに溶接部材３１の材料組成、材料物性及び溶接条件など）及び第２パラメータＰ２（相変態に関係するパラメータ）といった必要なデータを入力する。また、許容値登録部２１に対し、溶接構造物３０における溶接変形及び残留応力の許容値を登録する。
【００２９】
入力された第１パラメータＰ１及びデータベース１２に基づいて溶接構造物３０の固有ひずみの分布が導出される（符号１３）。
さらに、登録部１５から取得した補正式に第２パラメータＰ２を代入し、導出部１３から出力された固有ひずみに対し、補正を行う（符号１４）。
【００３０】
そして、この補正後の固有ひずみを用いて有限要素法に基づく弾性計算を実行して溶接構造物３０の溶接変形及び残留応力を得る（符号１６）。
この得られた溶接変形及び残留応力を反映させた溶接構造物３０の三次元解析を実行するとともにこの解析結果を表示する（符号１７，１８）。
【００３１】
一方において、弾性計算部１６で得られた溶接変形及び残留応力は、登録されている許容値と比較される（符号２１，２２）。そして、溶接変形及び残留応力が許容値を満足していれば処理を終了するが、満足していない場合は第１パラメータＰ１又は第２パラメータＰ２を更新して再入力する（符号２３，１１）。
【００３２】
更新後の第１パラメータＰ１又は第２パラメータＰ２に基づいて、符号１３，１４，１６，２２，２３の処理を、溶接変形及び残留応力が許容値を満足するまで繰り返す。
そして、溶接変形及び残留応力が許容値を満足したときの第１パラメータＰ１及び第２パラメータＰ２を結果表示部１８に表示する。
このように、第２実施形態では、最適パラメータを探索するための繰返し計算が可能であり、短時間で溶接プロセスの最適条件を得ることが可能となる。
【００３３】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の溶接構造物の解析装置によれば、材質の相変態を考慮した固有ひずみを採用することにより、溶接構造物の溶接変形及び残留応力を高精度かつ迅速に解析することが可能となる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
また、溶接構造物の解析装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、溶接構造物の解析プログラムにより動作させることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…溶接構造物の解析装置、１１…パラメータ入力部（入力部）、１２…固有ひずみデータベース、１３…固有ひずみ導出部（導出部）、１４…固有ひずみ補正部（補正部）、１４ａ…補正項演算部（演算部）、１４ｂ…加算部、１５…補正式登録部、１６…弾性計算部、１７…三次元解析部、１８…結果表示部、２１…許容値登録部、２２…比較部、２３…パラメータ更新部、３０…溶接構造物、３１…溶接部材、３２…溶接継手、Ｐ１…第１パラメータ、Ｐ２…第２パラメータ。
【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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