(57)【要約】【課題】データベースの情報量を増大させることなく、固有ひずみ法に基づき高精度に実施することができる溶接変形解析技術を提供する。【解決手段】溶接変形解析装置１０は、ｎ−１回の溶接操作により継手モデルの溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみを演算する第１演算部１１（１１ａ）と、ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデルの溶接部に分布する第ｎ固有ひずみを演算する第２演算部１１（１１ｂ）と、第ｎ固有ひずみ及び第ｎ−１固有ひずみの差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で継手モデルの溶接部に分布させた差分ひずみを導出する差分ひずみ導出部１２と、継手モデルにおける第１固有ひずみ及び第ｎ回目までの各々の差分ひずみを登録する登録部１３と、各々の溶接パスに対応する第１固有ひずみ又は差分ひずみを構造物モデルに適用し変形解析を実行する解析実行部１４と、溶接パス６１の施工及び変形解析の結果を構造物モデルに施工の順番に従ってその都度反映させる結果反映部１５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】
ｎ−１回（ｎは２以上の自然数）の溶接操作により前記溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみを演算する第１演算部と、
ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデルの溶接部に分布する第ｎ固有ひずみを演算する第２演算部と、
前記第ｎ固有ひずみ及び第ｎ−１固有ひずみの差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で前記溶接部に分布させた差分ひずみを導出する差分ひずみ導出部と、
前記継手モデルにおける第１固有ひずみ及び第ｎ回目までの各々の前記差分ひずみを登録する登録部と、
変形解析の対象となる構造物モデルを構築する構造物モデル構築部と、
前記構造物モデルに施工される複数の溶接パス及びその順番を設定する溶接パス設定部と、
各々の前記溶接パスに対応する前記第１固有ひずみ又は前記差分ひずみを前記構造物モデルに適用し前記変形解析を実行する解析実行部と、
前記溶接パスの施工及び前記変形解析の結果を前記構造物モデルに前記施工の順番に従ってその都度反映させる結果反映部と、を備えることを特徴とする溶接変形解析装置。
【請求項２】
ｎ−１回（ｎは２以上の自然数）の溶接操作により前記溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみを演算するステップと、
ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデルの溶接部に分布する第ｎ固有ひずみを演算するステップと、
前記第ｎ固有ひずみ及び第ｎ−１固有ひずみの差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で前記溶接部に分布させた差分ひずみを導出するステップと、
前記継手モデルにおける第１固有ひずみ及び第ｎ回目までの各々の前記差分ひずみを登録するステップと、
変形解析の対象となる構造物モデルを構築するステップと、
前記構造物モデルに施工される複数の溶接パス及びその順番を設定するステップと、
各々の前記溶接パスに対応する前記第１固有ひずみ又は前記差分ひずみを前記構造物モデルに適用し前記変形解析を実行するステップと、
前記溶接パスの施工及び前記変形解析の結果を前記構造物モデルに前記施工の順番に従ってその都度反映させるステップと、を含むことを特徴とする溶接変形解析方法。
【請求項３】
コンピュータに、
ｎ−１回（ｎは２以上の自然数）の溶接操作により前記溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみを演算するステップ、
ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデルの溶接部に分布する第ｎ固有ひずみを演算するステップ、
前記第ｎ固有ひずみ及び第ｎ−１固有ひずみの差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で前記溶接部に分布させた差分ひずみを導出するステップ、
前記継手モデルにおける第１固有ひずみ及び第ｎ回目までの各々の前記差分ひずみを登録するステップ、
変形解析の対象となる構造物モデルを構築するステップ、
前記構造物モデルに施工される複数の溶接パス及びその順番を設定するステップ、
各々の前記溶接パスに対応する前記第１固有ひずみ又は前記差分ひずみを前記構造物モデルに適用し前記変形解析を実行するステップ、
前記溶接パスの施工及び前記変形解析の結果を前記構造物モデルに前記施工の順番に従ってその都度反映させるステップ、を実行させることを特徴とする溶接変形解析プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の溶接時に生じる変形を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の溶接時に生じる変形をコンピュータシミュレーションにより解析する方法として、有限要素法を用いる熱弾塑性解析法や固有ひずみ法が広く採用されている。
このうち熱弾塑性解析法は、溶接部材の物性及びこの物性の温度特性に基づいて詳細解析を行う手法であるために、大型又は複雑な構造物の溶接変形解析には実用的ではない。
【０００３】
一方、固有ひずみ法は、線形解析を行える弾性解析法を用いる手法であるために、計算時間を短縮することができ、大規模解析であっても計算負荷が小さく、大型又は複雑構造物の溶接変形解析に対応することができる。
【０００４】
固有ひずみ法は、単純規模の継手モデルの溶接部に生じる固有ひずみを、熱弾塑性解析等による詳細解析により求め、データベース化する。そして、解析対象となる大規模又は複雑な実構造物の溶接部に対し、このデータベースから取得した固有ひずみを適用して弾性解析を行い、構造物全体の溶接変形を解析する手法である（例えば、特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１８０２７１号公報
【特許文献２】特開２００６−８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の原理により、固有ひずみ法による溶接変形の解析精度は、継手モデルから求めた固有ひずみの、実構造物の溶接部に生じる固有ひずみに対する忠実性に、依存する。
一方において、溶接現象は溶接熱源の移動現象と密接な関連性を有するため、複数の溶接部を有する構造物の溶接変形は、溶接パスの施工順序に大きく依存することが知られている。
【０００７】
しかし、従来の固有ひずみ法においては、そのような溶接パスの施工順序を考慮した解析を実施するのは困難である。
なぜならば、溶接順序の影響を厳密に考慮するとなると、拘束条件等を多彩に変化させた継手モデルの固有ひずみを詳細解析し、データベースを現状よりも飛躍的に充実させる必要があるからである。
【０００８】
さらに、複数の溶接部の各々に多層溶接を施す場合まで考慮するとなると、溶接パスの順序の組み合わせの増大に伴って、データベースに登録させる継手モデルの固有ひずみの情報量が膨大なものになってしまう。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、データベースの情報量を増大させることなく、固有ひずみ法に基づき高精度に実施することができる溶接変形解析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】
【００１０】
溶接変形解析装置において、ｎ−１回（ｎは２以上の自然数）の溶接操作により前記溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみを演算する第１演算部と、ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデルの溶接部に分布する第ｎ固有ひずみを演算する第２演算部と、前記第ｎ固有ひずみ及び第ｎ−１固有ひずみの差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で前記溶接部に分布させた差分ひずみを導出する差分ひずみ導出部と、前記継手モデルにおける第１固有ひずみ及び第ｎ回目までの各々の前記差分ひずみを登録する登録部と、変形解析の対象となる構造物モデルを構築する構造物モデル構築部と、前記構造物モデルに施工される複数の溶接パス及びその順番を設定する溶接パス設定部と、各々の前記溶接パスに対応する前記第１固有ひずみ又は前記差分ひずみを前記構造物モデルに適用し前記変形解析を実行する解析実行部と、前記溶接パスの施工及び前記変形解析の結果を前記構造物モデルに前記施工の順番に従ってその都度反映させる結果反映部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、データベースの情報量を増大させることなく、固有ひずみ法に基づき高精度に実施することができる溶接変形解析技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る溶接変形解析装置を示すブロック図。
【図２】（Ａ）Ｔ字溶接の継手モデルを示す斜視図、（Ｂ）突合せ溶接の継手モデルを示す斜視図。
【図３】（Ａ）１回の溶接操作で単層溶接したＴ字溶接の継手モデルの断面図、（Ｂ）２回の溶接操作で単層溶接したＴ字溶接の継手モデルの断面図、（Ｃ）６回の溶接操作で複層溶接したＴ字溶接の継手モデルの断面図。
【図４】（Ａ）変形解析の対象となる構造物モデルの斜視図、（Ｂ）この構造物モデルの上面図。
【図５】実施形態に係る溶接変形解析方法及びプログラムのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
実施形態に係る溶接変形解析装置１０は、ｎ−１回（ｎ＝２として、以下の説明を続ける）の溶接操作により継手モデル（図３Ａ）の溶接部に分布する第ｎ−１固有ひずみ５１1を演算する第１演算部１１（１１ａ）と、ｎ回の溶接操作で溶接した継手モデル（図３Ｂ）の溶接部に分布する第ｎ固有ひずみ５１2を演算する第２演算部１１（１１ｂ）と、第ｎ固有ひずみ５１2及び第ｎ−１固有ひずみ５１1の差分に基づいて第ｎ回目の溶接操作が単独で継手モデル（図３Ｂ）の溶接部に分布させた差分ひずみを導出する差分ひずみ導出部１２と、継手モデルにおける第１固有ひずみ５１1及び第ｎ回目までの各々の差分ひずみを登録する登録部１３と、変形解析の対象となる構造物モデル（図４）を構築する構造物モデル構築部２４と、構造物モデル（図４）に施工される複数の溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）及びその順番を設定する溶接パス設定部２５と、各々の溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）に対応する第１固有ひずみ５１1又は差分ひずみを構造物モデル（図４）に適用し変形解析を実行する解析実行部１４と、溶接パス６１の施工及び変形解析の結果を構造物モデル（図４）に施工の順番に従ってその都度反映させる結果反映部１５と、を備えている。
【００１４】
継手モデル選択部２１は、溶接様式及び溶接パスが規定された継手モデルを選択するものである。
継手モデルの形状および寸法は、構造物モデル（図４）を構成する部材の開先形状や板厚を模擬したものを採用する。
具体的には、溶接を構造的および熱的に安定的に施工することができる寸法である、板幅２００〜３００ｍｍ程度、溶接線方向幅３００ｍｍ程度とする。
【００１５】
上記説明において、継手モデルの例として、図２Ａに示すＴ字溶接の様式で、図３Ｂに示すように部材の当接部分の両側に単層の溶接パス５３1,５３2を合計２回（ｎ＝２）施工した場合を例示して説明した。
しかし、選択される継手モデルはこれに限定されるものではなく、図２Ｂに示すような突合せ溶接の様式やその他の溶接様式があり、図３Ｃに示すように当接部分の両側に複層の溶接パス５３1〜５３6（図の例示はｎ＝６）を施工させた場合もある。
つまり、溶接操作の回数ｎは、２以上の自然数として一般化することができる。
【００１６】
溶接条件入力部２２は、固有ひずみ演算部１１において固有ひずみの計算に必要な溶接条件を入力するものである。溶接条件としては、溶接の種類、溶接時の電流、電圧、溶接速度、トーチ角度、溶接ワイヤー供給速度、入熱効率等があるが、これらに限定されるわけでない。
【００１７】
材料物性入力部２３は、構造物モデル（図４）を構成する部材の材料物性を入力するものである。熱的な材料物性としては、熱伝導率、比熱などがあり、機械的な材料物性としては、ヤング率、耐力、線膨張係数、加工硬化指数などがある。
さらに、これら材料物性は、室温から金属の溶融温度までの温度依存性や、相変態に伴うヒステリシスを表現したものを用いる事ができる。
【００１８】
溶接操作により、局部的な温度上昇に伴う熱膨張・収縮が生じるが、周囲の温度上昇しない部分により、自由変形が妨げられる領域が生じる。このような領域は、溶接部とその周辺に主に圧縮の塑性変形を伴って、残留応力を生じさせている。
固有ひずみとは、このような残留応力の原因となる局部的な力学的不適合を説明するために導入された概念である。
【００１９】
固有ひずみ演算部１１は、継手モデル選択部２１で選択された継手モデル（図２）に対し、溶接条件入力部２２，材料物性入力部２３から入力された溶接条件及び材料物性の情報に基づいて、継手モデルの溶接部に分布する固有ひずみを演算するものである。
固有ひずみ演算部１１においては、溶接部材の材料物性及びこの物性の材料温度特性に基づいて詳細解析を行う熱弾塑性解析法が採用されている。
この熱弾塑性解析法により、溶接熱源による熱伝導解析の結果と材料物性とに基づいて、溶接部近傍に発生する固有ひずみが演算される。
【００２０】
継手モデルに対する溶接操作の回数がｎである場合、固有ひずみ演算部１１は、施工順番に倣って、一回目の溶接パス５３1による第１固有ひずみ５１1、一回目と二回目の溶接パス５３1，５３2による第２固有ひずみ５１2、一回目から三回目までの溶接パス５３1，５３2，５３3による第３固有ひずみ５１3、…、一回目からｎ回目までの溶接パス５３1〜５３nによる第ｎ固有ひずみ５１nのようにｎ個の固有ひずみの演算結果を出力する。
【００２１】
差分ひずみ導出部１２は、第２固有ひずみ５１2及び第１固有ひずみ５１1の差分に基づく第２差分ひずみ、第３固有ひずみ５１3及び第２固有ひずみ５１2の差分に基づく第３差分ひずみ、…第ｎ固有ひずみ５１n及び第ｎ−１固有ひずみ５１n-1の差分に基づく第ｎ差分ひずみを導出する。
このように差分ひずみ導出部１２は、第２回目から第ｎ回目までの各々の溶接操作が、単独で継手モデルの溶接部に分布させた差分ひずみを導出する。
【００２２】
このような差分ひずみの導出は、固有ひずみが構造的および熱的に安定的に発生している面（例えば溶接線中心面）において、継手モデルの溶接部近傍の要素に溶接パスの施工後に生じた固有ひずみ６成分（垂直ひずみ３成分及びせん断ひずみ３成分）を抽出する。
【００２３】
次に、この抽出した固有ひずみから、各々の溶接パスが単独で生じさせた差分ひずみを、分離する。なお、固有ひずみの値には、固有ひずみの発生における既存の溶接パスの残留ひずみの影響や後続の溶接パスによる再溶融の影響も含まれている。このため、単独の溶接パスにより生じる差分ひずみを厳密に求めることができる。
【００２４】
登録部１３は、継手モデルについて演算部１１及び導出部１２によって導いた第１固有ひずみ５１1及び第ｎ回目までの各々の差分ひずみを登録する。
このように登録されている複数の差分ひずみは、構造物モデル（図４）の溶接変形解析を実行するための解析初期値として、解析実行部１４に入力される。
【００２５】
構造物モデル構築部２４は、変形解析の対象となる構造物モデル（図４）を、構成部材６２（６２Ａ〜６２Ｄ）を組み合わせて構築するものである。
初期状態における構造物モデルは、溶接パス６１が無い状態で、それぞれの構成部材６２が、相互に拘束されていない状態で構成されている。
そして構造物モデル構築部２４は、溶接順序に従って施工された溶接パス６１の影響（拘束、熱変形）を順次反映させて、構造物モデルを再構築することができる。
【００２６】
溶接パス設定部２５は、構造物モデルの構成部材６２（６２Ａ〜６２Ｄ）が互いに当接する箇所を溶接部と認定し、この溶接部に施工される複数の溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）及びその順番を設定する。
【００２７】
解析実行部１４は、溶接パス設定部２５で設定された順番に従って各々の溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）に対応する第１固有ひずみ５１又は差分ひずみを、登録部１３から取得する。そして取得した第１固有ひずみ５１1又は差分ひずみを、対応する溶接パス６１の部分に適用し、構造物モデル（図４）の変形解析を実行するものである。
なお、解析実行部１４における構造物モデル（図４）の変形解析は、各々の溶接パス６１が順次追加される度に実行され、その都度結果が出力される。
【００２８】
この解析実行部１４は、適用された第１固有ひずみ５１1又は差分ひずみに基づく線形弾性解析による。具体的には、汎用的な有限要素法コードを用い、内力として固有ひずみ（差分ひずみ）を与え、その際の構造物モデル全体の変形を求める。
これにより、大規模又は複雑な構造物モデル（図４）の変形解析を、簡便に実施することができる。
なお図示を省略するが、溶接パスが曲線形状を有する場合は、固有ひずみの座標変換等を行い、曲線形状に沿って固有ひずみを適用して解析することも可能である。
【００２９】
結果反映部１５は、溶接パス６１の施工及び変形解析の結果を、構造物モデル（図４）に、施工の順番に従ってその都度反映させるものである。
つまり、順次、溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）が施工されるにつれ、構成部材６２（６２Ａ〜６２Ｄ）間の拘束条件及び熱変形等の影響関係が、変化する。
これらの影響関係の変化に対し、構造物モデル（図４）の形状も敏感に変化する。このため、溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）の施工順番が異なれば、最終的な構造物モデルの形状も大きく異なる。
【００３０】
そこで結果反映部１５は、単独の溶接パス６１による第１固有ひずみ５１又は差分ひずみが構造物モデルに適用される度に、構造物モデル構築部２４に対し、構造物モデルの形状を更新するように指示する。
つまりこの結果反映部１５は、溶接パス６１（６１Ａ〜６１Ｌ）の施工本数がｍ本であれば、構造物モデルの形状更新をｍ回実行することになる。
そして、構造物モデルの形状更新がなされる度に、その結果が、コンター図等により結果表示部１６に、出力される。
【００３１】
図５のフローチャートに基づいて、実施形態に係る溶接変形解析方法及び溶接変形解析プログラムを説明する。
構造物モデル（図４）の構成部材６２の溶接様式及び溶接パス６１に対応する継手モデル（図２）を選択する（Ｓ１１）。相互に溶接される構成部材６２の材料物性及び溶接条件を入力する（Ｓ１２）。なお、これら構成部材６２の溶接操作がｎ回にわたる場合は、各々の溶接操作に対し、異なる溶接条件を設定することができる。
【００３２】
まず１回目の溶接操作（Ｓ１３）において、継手モデルの溶接部（図３Ａ）に分布する第１固有ひずみ５１1が演算される（Ｓ１４）。さらに、ｎ回目までの各々の溶接操作により、継手モデルの溶接部に分布する第２から第ｎまでの固有ひずみ５１が演算される（Ｓ１５ Ｙｅｓ／Ｎｏ）。
【００３３】
第ｊ固有ひずみ５１j及び第ｊ−１固有ひずみ５１j-1（２≦ｊ≦ｎ）の差分に基づいて、第ｊ回目の溶接操作が単独で継手モデルの溶接部に分布させた差分ひずみを導出し、第ｎ回目まで導出された差分ひずみと第１固有ひずみ５１1とを登録する（Ｓ１６）。
次に、構造物モデル（図４）に施工される複数の溶接パス６１k（１≦ｋ≦ｍ）及びその順番を設定する（Ｓ１７）。
【００３４】
まず、溶接パス６１が施工されていない状態（ｋ＝０）を想定して（Ｓ１８）、構成部材６２（６２Ａ〜６２Ｄ）を組み合わせて構造物モデルを構築する（Ｓ１９）。
そして、一回目からｍ回目にわたる溶接パス６１k（１≦ｋ≦ｍ）の施行に対応する差分ひずみ又は第１固有ひずみ５１1を取得し（Ｓ２０）、構造物モデルに適用し変形解析を実行する（Ｓ２１）。
なお、この解析結果は、単独の溶接パス６１kの施工の度に、構造物モデルにその都度反映され、構造物モデルの形状を更新させる（Ｓ２２、Ｓ２３ Ｎｏ／Ｙｅｓ、ＥＮＤ）。
【００３５】
以上述べた実施形態の溶接変形解析装置によれば、複数回の溶接操作により形成される固有ひずみと前回の溶接操作までに形成された固有ひずみとの差分ひずみを適用することにより、データベースの情報量を増大させることなく、固有ひずみ法に基づく溶接変形解析を高精度に実施することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
また、溶接変形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、溶接変形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】
【００３８】
１０…溶接変形解析装置、１１（１１ａ，１１ｂ）…固有ひずみ演算部（第１演算部,第２演算部,演算部）、１２…差分ひずみ導出部（導出部）、１３…登録部、１４…解析実行部、１５…結果反映部、１６…結果表示部、２１…継手モデル選択部、２２…溶接条件入力部、２３…材料物性入力部、２４…構造物モデル構築部、２５…溶接パス設定部、５１（５１1）…第１固有ひずみ５１1、５１（５１2）…第２固有ひずみ５１2、５１（５１n）…第ｎ固有ひずみ５１n、５３（５３1〜５３6）…溶接パス、６１（６１Ａ〜６１Ｌ），６１k…溶接パス、６２（６２Ａ〜６２Ｄ）…構成部材。
【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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