(57)【要約】【課題】３次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用の低減可能な解析手法を提供する。【解決手段】本発明に係る溶接残留応力解析方法は、３次元溶接構造物２６の有限要素法による残留応力解析方法において、溶接構造物２６の３次元熱変形量を取得する３次元熱変形量取得ステップと、３次元熱変形量取得ステップで取得した３次元熱変形量に基づき、溶接構造物２６の２次元対称モデル３０の変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、算出された変形補正量に基づき２次元対称モデル３０の変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、設定された変形拘束条件下で２次元対称モデル３０の２次元熱弾塑性解析を行う２次元熱弾塑性解析ステップとを備える。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元溶接構造物の有限要素法による残留応力解析方法において、
前記３次元溶接構造物の３次元熱変形量を取得する３次元熱変形量取得ステップと、
前記３次元熱変形量取得ステップで取得した３次元熱変形量に基づき、前記溶接構造物の回転軸を対称軸として２次元にモデル化された２次元対称モデルの変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、
前記変形補正量算出ステップで算出された変形補正量に基づき前記２次元対称モデルの変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、
前記変形拘束条件設定ステップで設定された条件下で前記２次元対称モデルの２次元熱弾塑性解析を行い、前記溶接構造物の溶接残留応力を得る２次元熱弾塑性解析ステップと、を備え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３次元熱変形量取得ステップは、溶接過程の伝熱解析を熱源と同じ速度で移動する移動座標系、および、熱源と同じ角速度で回転する回転座標系の何れかの座標系を用いて伝熱計算を実施し、溶接構造物の温度分布と温度時刻歴の温度情報を得る温度情報取得ステップと、
前記温度情報取得ステップで求めた温度情報に基づき３次元熱変形解析を実施して前記溶接構造物の３次元熱変形量を求める３次元熱弾性解析ステップと、を有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３次元熱変形量取得ステップは、溶接過程の伝熱解析を熱源と同じ速度で移動する移動座標系、および、熱源と同じ角速度で回転する回転座標系の何れかの座標系を用いて伝熱計算を実施し、溶接構造物の温度分布と温度時刻歴の温度情報を得る温度情報取得ステップと、
前記温度情報取得ステップで求めた温度情報および前記溶接構造物の母材の線膨張率および板厚に基づいて前記溶接構造物の３次元熱変形量を求めるステップと、を有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４】
温度情報取得ステップは、前記溶接構造物の３次元伝熱解析を行い、当該溶接構造物の３次元温度分布を得るステップと、
取得した３次元温度分布と溶接速度に基づいて前記溶接構造物の２次元対称モデルの温度推移情報を得るステップ、および、前記溶接構造物の２次元伝熱解析を行った結果に基づいて当該溶接構造物の２次元対称モデルの温度推移情報を得るステップの何れかのステップを備えることを特徴とする請求項２または３記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項５】
前記３次元熱変形量取得ステップは、前記溶接構造物の残留変形量および残留ひずみの測定結果の少なくとも一方から前記３次元熱変形量を取得するステップであ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６】
前記変形拘束条件決定ステップは、前記２次元熱弾塑性解析ステップ実行の際に、前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する型枠モデルを作成する型枠モデル作成ステップであり、前記型枠モデルは、前記残留応力解析を行う座標系に完全固定されており、外部負荷に対して変形せず、接触する前記２次元対称モデルと熱的に絶縁する物体として模擬された２次元モデルであ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７】
前記型枠モデルは、溶接作業により生じる前記溶接構造物の径方向の変形に対して、前記溶接構造物の内径側表面にのみ配置されることを特徴とする請求項６記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項８】
前記変形拘束条件決定ステップは、前記２次元熱弾塑性解析ステップ実行の際に、前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束するため、前記２次元対称モデルに加える圧力条件を設定する圧力条件設定ステップであ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９】
前記圧力条件設定ステップで設定される圧力条件とは、前記変形補正量算出ステップで算出された変形補正量と圧力による変位量とが同等となる圧力分布および圧力値であることを特徴とする請求項８記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項１０】
前記圧力値は、前記溶接構造物の溶接層の深さ毎に変化させたことを特徴とする請求項９記載の溶接残留応力解析方法。
【請求項１１】
溶接残留応力解析の対象となる溶接構造物の２次元対称モデルを用いて２次元熱弾塑性解析を行う際に設定する前記２次元対称モデルの変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段と、
前記変形拘束条件設定手段が決定した変形拘束条件を考慮して前記２次元対称モデルを用いた２次元熱弾塑性解析を行い前記溶接構造物の溶接残留応力解析結果を得る溶接残留応力解析手段とを具備することを特徴とする溶接残留応力解析システム。
【請求項１２】
前記変形拘束条件設定手段は、溶接過程の伝熱解析を熱源と同じ速度で移動する移動座標系、および、熱源と同じ角速度で回転する回転座標系の何れかの座標系を用いて伝熱計算を実施し、前記溶接構造物の温度分布と温度時刻歴を示す温度情報を得る３次元伝熱解析部と、
前記温度情報に基づき３次元熱変形解析を実施して前記溶接構造物の３次元熱変形量を求める３次元熱弾性解析部と、
前記３次元熱弾性解析部が求めた３次元熱変形量に基づき前記溶接構造物の３次元変形補正量を算出する変形補正量算出部と、
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項１１記載の溶接残留応力解析システム。
【請求項１３】
前記変形拘束条件決定部は、前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を具現化するとともに、前記残留応力解析を行う座標系に完全固定されており、外部負荷に対して変形せず、接触する前記２次元対称モデルと熱的に絶縁される型枠モデルを作成する型枠モデル作成部、および、前記拘束条件を前記２次元対称モデルへ加える圧力条件として設定する圧力条件設定部の一方を備えることを特徴とする請求項１２記載の溶接残留応力解析システム。
【請求項１４】
前記変形拘束条件設定手段は、溶接過程の伝熱解析を熱源と同じ速度で移動する移動座標系、および、熱源と同じ角速度で回転する回転座標系の何れかの座標系を用いて伝熱計算を実施し、前記溶接構造物の温度分布と温度時刻歴を示す温度情報を得る３次元伝熱解析部と、
前記温度情報および前記溶接構造物を形成する母材の物性値に基づき前記溶接構造物の３次元熱変形量を求め、求めた３次元熱変形量に基づき前記溶接構造物の３次元変形補正量を算出する変形補正量算出部と、
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項１１記載の溶接残留応力解析システム。
【請求項１５】
前記変形拘束条件設定手段は、前記溶接構造物の残留変形量および残留ひずみの測定結果の少なくとも一方から前記３次元熱変形量を取得する変形補正量算出部と、
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記２次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項１１記載の溶接残留応力解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接残留応力を解析によって計算する方法およびそのシステムに係り、特に、３次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高くかつその計算時間を削減可能な溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、配管などの溶接構造物は、溶接時の熱源によって引き起こされる急激、且つ局所的な温度変化により残留応力が発生する。この発生する残留応力の値によっては、応力腐食割れ（ＳＣＣ：Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）などの問題を起こすことがあるために、溶接時の残留応力を予測することは溶接構造物の健全性を評価する上で重要である。このような溶接時の残留応力を予測する方法、すなわち、大型計算機などによって残留応力を数値解析によって予測する方法がある。
【０００３】
従来の溶接構造物の残留応力を予測する方法およびシステムは、解析精度の向上や計算時間の短縮および計算費用の削減などを目的に以下のような種々の方法およびシステムが提案されており、その一例としては、例えば、特開２００４−５３３６６号公報(特許文献１）に開示されている。
【０００４】
また、溶接時の残留応力を解析する際に、溶接構造物を模擬した３次元解析モデルを用いて伝熱計算（伝熱解析）を行い、溶接構造物の温度分布と温度時刻歴変化を求めるシステムおよび方法がある。このようなシステムおよび方法は、例えば、特開２００５−８３８１０号公報（特許文献２）に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−５３３６６号公報
【特許文献２】特開２００５−８３８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来技術では、２次元解析モデルを用いて残留応力解析を行っている。これは、溶接パスごとに実際の入熱状況を模擬した３次元モデル解析を行うと、溶接パス数が多い部材または部品を対象とした場合、現在の大型計算機の性能をもってしても多大な計算時間と計算費用が必要となるためである。すなわち、残留応力を高精度に解析するための最も信頼性の高い解析手法である３次元モデル解析を行うためには、溶接パス数が少ない部材等に対象が限定されるという課題がある。
【０００６】
一方、計算時間と計算費用を削減する観点から上述した従来の２次元解析モデルを用いた残留応力解析の場合、溶接構造物の幾何形状（例えば、配管径や板厚等）により、溶接構造物内部で３次元的な拘束が強く発生する条件下では、解析精度が悪くなるという課題がある。例えば、小口径の配管などは、上記の３次元的な拘束が強く発生する条件下にあり、従来の解析方法では残留応力を高精度で予測することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、３次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用の低減可能な解析手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、３次元溶接構造物の有限要素法による残留応力解析方法において、前記３次元溶接構造物の３次元熱変形量を取得する３次元熱変形量取得ステップと、前記３次元熱変形量取得ステップで取得した３次元熱変形量に基づき、前記溶接構造物の回転軸を対称軸として２次元にモデル化された２次元対称モデルの変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、前記変形補正量算出ステップで算出された変形補正量に基づき前記２次元対称モデルの変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、前記変形拘束条件設定ステップで設定された条件下で前記２次元対称モデルの２次元熱弾塑性解析を行い、前記溶接構造物の溶接残留応力を得る２次元熱弾塑性解析ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る溶接残留応力解析システムは、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、溶接残留応力解析の対象となる溶接構造物の２次元対称モデルを用いて２次元熱弾塑性解析を行う際に設定する前記２次元対称モデルの変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段と、前記変形拘束条件設定手段が決定した変形拘束条件を考慮して前記２次元対称モデルを用いた２次元熱弾塑性解析を行い前記溶接構造物の溶接残留応力解析結果を得る溶接残留応力解析手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、比較的短時間で計算可能な３次元モデルを用いた熱弾性解析を行い得られた溶接構造物の熱変形の情報を変形拘束条件として、３次元モデルを用いた熱弾塑性解析に比べて計算時間がはるかに少ない２次元対称モデルを用いた熱弾塑性解析を行うので、３次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用の低減可能な溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムについて、添付の図面を参照して説明する。
【００１２】
尚、本発明に係る溶接残留応力解析システムは、ハードウェアであるコンピュータとソフトウェアである溶接残留応力解析用プログラムとが協働することで、すなわち、コンピュータが溶接残留応力解析用プログラムを実行することで実現されるシステムである。すなわち、以下に説明する各実施形態に係る溶接残留応力解析システムは、ユーザーが指令を入力する入力手段およびコンピュータがユーザーへ情報を提示する出力手段等のマン−マシンインターフェイスや電子情報を所定の記録媒体に記録する記録手段等、コンピュータとして標準的な手段を備えている。
【００１３】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム１Ａの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図である。
【００１４】
図１に示される溶接残留応力解析システム１Ａは、溶接残留応力解析の対象となる溶接構造物（以下、単に解析対象物とする。）の２次元対称モデル３０（後述する図５参照）を用いて２次元熱弾塑性解析を行う際に設定する２次元対称モデル３０の変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段２Ａと、変形拘束条件設定手段２Ａが決定した変形拘束条件を考慮して解析対象物の２次元対称モデル３０を用いて溶接残留応力解析を得る溶接残留応力解析手段３とを具備する。溶接残留応力解析システム１Ａが求めた溶接残留応力解析結果は、例えば、表示手段４に画像出力される等してユーザーに提示される。
【００１５】
このように、溶接残留応力解析システム１Ａが、２次元対称モデル３０の変形拘束条件を考慮して解析対象物の溶接残留応力解析を行うように構成される理由は、溶接構造物２６（後述する図３参照）の形状によっては、溶接残留応力分布の解析精度が低下する場合があり、この解析精度の低下を抑制するためである。
【００１６】
溶接残留応力分布の解析精度の低下の要因の一つは、従来の溶接残留応力解析システムでは、２次元対称モデル３０の周方向（図５において、紙面に垂直な方向）の温度分布は一様となるため、溶接残留応力解析手段３で取り扱われる温度情報においても、周方向に一様な温度分布条件で計算される点にある。例えば、小口径配管の溶接や板に配管を溶接した溶接構造物２６などを解析対象とした場合、これらの３次元的な変形挙動が、溶接残留応力の解析結果に対して誤差を与えるものと考えられる。そこで、本発明に係る溶接残留応力解析システム１では、３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対しては、２次元対称モデル３０を仮想的に変形拘束して計算することで誤差の低減化を図っている。
【００１７】
続いて、溶接残留応力解析システム１Ａが具備する変形拘束条件設定手段２Ａおよび溶接残留応力解析手段３について説明する。
【００１８】
変形拘束条件設定手段２Ａは、３次元伝熱解析を行い解析対象（溶接構造物）の３次元温度分布を示す情報（以下、溶接構造物温度分布とする）５を得る３次元伝熱解析部６と、溶接構造物温度分布５に基づき３次元熱弾性解析を行い解析対象の３次元熱変形量を得る３次元熱弾性解析部７と、解析対象の３次元熱変形量に基づき解析対象の３次元変形補正量を算出する変形補正量算出部８と、変形補正量算出部８が算出した変形補正量を考慮して２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する拘束条件を具現化した型枠モデル３１（後述する図５参照）を作成する型枠モデル作成部９とを備える。
【００１９】
３次元伝熱解析部６は、３次元モデル２１によってモデル化された溶接構造物２６の３次元伝熱解析を行う機能を有する（３次元伝熱解析機能）。当該機能を用いて、３次元伝熱解析部６は解析対象の溶接条件から伝熱解析を行う。３次元伝熱解析部６は、伝熱解析を行うことで、解析対象の３次元温度分布情報である溶接構造物温度分布５を得る。
【００２０】
３次元熱弾性解析部７は、３次元熱弾性解析を行う機能を有する（３次元熱弾性解析機能）。３次元熱弾性解析部７は、３次元伝熱解析部６から解析対象である溶接構造物の溶接構造物温度分布５を取得して、解析対象の３次元熱弾性解析を行う。３次元熱弾性解析部７は、３次元熱弾性解析を行うことで、解析対象の３次元熱変形量を得る。
【００２１】
変形補正量算出部８は、例えば、４方位（０度，９０度，１８０度，２７０度）等の数箇所以上において解析対象の３次元熱変形量の情報を取得し、全方位（上記例では４ポイント）の平均熱変形量を算出する。また、変形補正量算出部８は、取得した全方位の解析対象の３次元熱変形量の情報に基づき最大の熱変形量を取得する。そして、最大の熱変形量と平均熱変形量との差分を算出し、算出結果を３次元変形補正量とする。この変形補正量が、２次元対称モデル３０の変形拘束条件となる。
【００２２】
型枠モデル作成部９は、変形補正量算出部８が算出した３次元変形補正量を考慮して、溶接残留応力解析手段３が熱弾塑性解析時に使用する３次元モデル２１に対応する２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成する機能を有する（変形拘束モデル作成機能）。拘束条件決定部としての型枠モデル作成部９は、変形補正量算出部８から３次元変形補正量を取得し、取得した３次元変形補正量を考慮して、２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成する。
【００２３】
また、溶接残留応力解析手段３は、設定された所定の変形拘束条件下において、２次元対称モデル３０の２次元熱弾塑性解析を行うことで、溶接構造物２６の溶接残留応力解析結果を得る手段である。溶接残留応力解析手段３は、３次元伝熱解析部６が得た解析対象の溶接構造物温度分布５および溶接速度に基づいて解析対象の２次元対称モデル３０の温度推移（温度の時刻歴変化）を得る温度情報取得部１１と、２次元対称モデル３０を用いて、変形拘束条件を考慮した２次元の熱弾塑性解析を行う熱弾塑性解析部１２とを備える。
【００２４】
温度情報取得部１１は、３次元伝熱解析部６が得た解析対象の溶接構造物温度分布５および溶接速度に基づいて得られる３次元モデル２１の３次元温度推移（温度の時刻歴変化）を、２次元対称モデル３０における２次元の温度分布情報および温度推移情報に変換して取得する機能を有する（２次元温度情報取得機能）。温度情報取得部１１は、２次元温度情報取得機能を用いて、２次元対称モデル３０の温度情報（２次元温度分布および当該温度分布の時刻歴）を取得し、取得した情報を熱弾塑性解析部１２へ送る。
【００２５】
熱弾塑性解析部１２は、２次元対称モデル３０等の２次元モデルについて２次元の熱弾塑性解析を行う機能を有する（２次元熱弾塑性解析機能）。熱弾塑性解析部１２は、２次元熱弾塑性解析機能を用いて、２次元対称モデル３０の熱弾塑性解析を行う。２次元対称モデル３０の熱弾塑性解析については、例えば、特開２００４−５３３６６号公報(特許文献１）に開示される公知技術等を採用することで実施する。
【００２６】
尚、溶接残留応力解析システム１Ａにおいて使用するモデル（２次元対称モデル３０他）は、いわゆるソリッドモデルである。
【００２７】
次に、図２乃至図５を引用して、変形拘束条件設定手段２Ａの各構成要素の機能および作用について説明する。
【００２８】
図２は、３次元伝熱解析部６が行う３次元伝熱解析の概念を説明する模式図であり、解析対象物の一例として溶接部２０を有する構造物（以下、溶接構造物とする）の３次元モデル２１の一例を示したものである。
【００２９】
図２に示されるように、変形拘束条件設定手段２Ａの３次元伝熱解析部６では、溶接構造物に対して固定した溶接棒２２の先端を溶接の熱源２３として同じ速度で移動する移動座標系または熱源２３と同じ角速度で回転する回転座標系を用いて伝熱計算（伝熱解析）を実施する。尚、図２において、符号２０ａおよび２０ｂは溶接完了部および溶接未完了部、矢印は溶接棒２２に対する回転方向、符号Ｌは３次元モデル２１の対称軸、すなわち、回転座標系における回転軸である。
【００３０】
図３は、図２に示される３次元モデル２１としてモデル化された溶接構造物２６の溶接部２０およびその周辺を拡大して示した概略図である。
【００３１】
図３に示される溶接構造物２６は、二つの被溶接金属である母材２６ａ，２６ｂを長手方向（軸方向）に突き合わせ、溶接金属で形成される溶接パス２７を５層等の複数層形成（肉盛り）することによって接合された構成された構造物である。図３に示される溶接部２０では、溶接部２０が凹状の形状をしており、この凹状部分について図２に示される溶接棒２２を用いて周方向に５層５パスの溶接が実施されているため、最終的には、溶接部２０の近傍付近に溶接残留応力が発生していると考えられる。
【００３２】
３次元伝熱解析部６は、まず、伝熱解析として、溶接パス２７毎に用いる電流値、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２０への入熱量を求める。そして、各溶接パス２７が盛られる順に、順次繰り返し各溶接パス２７に溶接部２０の溶接条件から得られた入熱量を与える。
【００３３】
続いて、母材２６ａ，２６ｂおよび溶接パス２７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および与えられた熱量に基づき、溶接部２０の温度分布および温度変化等の温度情報の解析を行う。上記伝熱解析は、例えば、特開２００５−８３８１０号公報（特許文献２）に開示された公知技術等の一般的な手法を採用することで実施することができる。上記伝熱解析を行った結果、３次元伝熱解析部６は、３次元モデル（３次元解析メッシュ）２１でモデル化された溶接構造物２６において各溶接パス２７が盛られるときの３次元解析メッシュの温度分布を求めることができる。
【００３４】
図４は、図２に示される３次元モデル２１を回転軸Ｌと平行な方向（高さ方向）から見た場合における平面図である。
【００３５】
３次元熱弾性解析部７は、３次元解析メッシュの温度分布、すなわち、溶接構造物２６の溶接構造物温度分布５に基づき３次元熱変形量を得るが、３次元熱変形量の求め方は、例えば、図４に示されるように、ある高さの断面において４方位（０度，９０度，１８０度，２７０度）等の数箇所以上の解析箇所において解析対象（ここでは３次元モデル２１）の軸（図２に示される回転軸Ｌ）方向および径方向の外表面および内表面における熱変形量を算出する。軸方向および径方向の熱変形量の算出は、３次元モデル２１の高さ方向において解析に必要な長さ（全長または部分長）に亘り所定の間隔毎に算出される。この結果、溶接構造物の内表面および外表面の３次元熱変形量の情報が得られる。
【００３６】
変形補正量算出部８は、例えば、４方位（０度，９０度，１８０度，２７０度）等の数箇所以上において解析対象の３次元熱変形量の情報を取得し、全方位（上記例では４ポイント）の平均熱変形量を算出する。また、変形補正量算出部８は、取得した全方位の解析対象の３次元熱変形量の情報に基づき最大の熱変形量を取得する。そして、最大の熱変形量と平均熱変形量との差分を算出し、算出結果を３次元変形補正量とする。
【００３７】
型枠モデル作成部９は、変形補正量算出部８が算出した３次元変形補正量を考慮して、溶接残留応力解析手段３が熱弾塑性解析時に使用する３次元モデル２１に対応する２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成する機能を有する（変形拘束モデル作成機能）。型枠モデル作成部９は、変形補正量算出部８から３次元変形補正量を取得し、取得した３次元変形補正量を考慮して、２次元対称モデル３０の変形を拘束する型枠モデル３１を作成する。
【００３８】
図５は、溶接残留応力解析手段３が熱弾塑性解析時に使用する２次元対称モデル３０および型枠モデル作成部９が作成する型枠モデル３１について概略的に表した概略図である。
【００３９】
図５に示される２次元対称モデル３０とは、図２に示される回転軸Ｌを含む平面で３次元モデル２１を切断した場合の断面示す２次元モデルであって溶接残留応力解析手段３が熱弾塑性解析時に使用する２次元モデルである。この２次元対称モデル３０の残留応力を周の全長に亘って解析すれば、３次元モデル２１で模擬される解析対象の残留応力を解析することができる。
【００４０】
また、型枠モデル３１とは、従来、３次元熱弾塑性解析時の熱変形量の誤差に対して大きくなる２次元熱弾塑性解析時の熱変形量の誤差を抑制するため、２次元対称モデル３０の変形を拘束する変形拘束条件に基づき具体的に２次元対称モデル３０の変形を拘束する変形拘束用治具としてモデル化した２次元モデルである。
【００４１】
型枠モデル３１は、解析を行う座標系に完全固定されており、いかなる外部負荷に対して変形しない物体として模擬される。また、型枠モデル３１と２次元対称モデル３０との接触条件として両者は熱的に絶縁されるという条件が与えられており、型枠モデル３１が接触面Ｓを介して熱の影響を受けることはない。
【００４２】
次に、本発明の第１の実施形態に係る溶接残留応力解析方法（以下、第１の溶接残留応力解析方法とする）について説明する。
【００４３】
図６は、第１の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム１Ａの処理ステップ（以下、第１の溶接残留応力解析手順とする）を示した処理フロー図である。
【００４４】
第１の溶接残留応力解析手順では、図６に示されるように、溶接残留応力解析手順の実行要求を受け付けて、処理ステップが開始されると（ＳＴＡＲＴ）、まず、ステップＳ１で３次元伝熱解析ステップが実行される。３次元伝熱解析ステップでは、３次元伝熱解析部６が溶接構造物２６の伝熱解析を行い、当該溶接構造物２６の溶接構造物温度分布５を得る。３次元伝熱解析部６が解析対象の溶接構造物温度分布５を得ると、ステップＳ２およびステップＳ５に進み、一方のステップＳ２では３次元熱弾性解析ステップが、他方のステップＳ５では温度情報取得ステップが実行される。
【００４５】
ステップＳ１に引き続き実行される３次元熱弾性解析ステップ（ステップＳ２）では、３次元熱弾性解析部７が、溶接構造物温度分布５に基づいて解析対象である溶接構造物２６の３次元熱弾性解析を実行し、解析対象の３次元熱変形量を得る。３次元熱弾性解析部７が、溶接構造物２６の３次元熱変形量を得ると、ステップＳ３に進み、変形補正量算出ステップが実行される。
【００４６】
変形補正量算出ステップ（ステップＳ３）では、変形補正量算出部８が、溶接構造物２６の３次元熱変形量に基づき、２次元対称モデル３０の変形拘束条件となる３次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部８が、３次元変形補正量を算出すると、続いて、ステップＳ４に進み、型枠モデル作成ステップが実行される。
【００４７】
型枠モデル作成ステップ（ステップＳ４）では、変形補正量算出ステップ（ステップＳ３）で算出された３次元変形補正量を考慮して、型枠モデル作成部９が、２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成する。型枠モデル作成部９が、２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成すると、ステップＳ６に進み、２次元熱弾塑性解析ステップが実行される。
【００４８】
他方、ステップＳ１に引き続き実行される温度情報取得ステップ（ステップＳ５）では、温度情報取得部１１が溶接構造物温度分布５および溶接速度に基づいて解析対象（溶接構造物２６）の温度情報、すなわち、２次元対称モデル３０の温度分布および温度推移情報（温度の時刻歴変化）を得る。温度情報取得部１１が２次元対称モデル３０の温度分布および当該温度の時刻歴変化の情報を得ると、ステップＳ６に進み、２次元熱弾塑性解析ステップが実行される。
【００４９】
２次元熱弾塑性解析ステップ（ステップＳ６）では、熱弾塑性解析部１２が、ステップＳ５で得られた２次元対称モデル３０の温度情報と、ステップＳ４で作成された型枠モデル３１に基づき、２次元対称モデル３０を型枠モデル３１で拘束した状態、すなわち、変形拘束条件を考慮した熱弾塑性解析を行う。熱弾塑性解析部１２が、２次元対称モデル３０を型枠モデル３１で拘束した状態下で熱弾塑性解析を行い、当該解析結果を得ると、２次元熱弾塑性解析ステップは完了し、第１の溶接残留応力解析手順の全処理ステップが完了する（ＥＮＤ）。２次元熱弾塑性解析ステップで得られた熱弾塑性解析の結果は、溶接構造物２６の溶接残留応力解析結果として、例えば、図１に示される表示手段４等の情報出力手段を通じてユーザーに提示される。
【００５０】
第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法によれば、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【００５１】
また、溶接時の電流、電圧、溶接速度等の溶接条件がわかれば当該溶接条件に基づいて溶接残留応力を計算（解析）することができるので、溶接構造物２６の温度、ひずみ、変位などを測定する必要がなく、簡便に溶接残留応力を解析することができる。
【００５２】
さらに、比較的短時間で計算可能な３次元モデルを用いた熱弾性解析を行い得られた溶接構造物の熱変形の情報を変形拘束条件として、３次元モデル２１を用いた熱弾塑性解析に比べて計算時間がはるかに少ない２次元対称モデル３０を用いた熱弾塑性解析を行うので、３次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物２６においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用を低減することができる。より具体的には、３次元モデル２１を用いた熱弾塑性解析を実施した場合に対して、計算時間は約１／３０〜１／２０に削減することができる。
【００５３】
解析の精度については、溶接残留応力解析結果についての評価を説明する説明図として添付した図７（Ａ）および図７（Ｂ）を参照して説明する。なお、図７（Ａ）および図７（Ｂ）において、横軸の応力は、正が引張応力、負が圧縮応力を示しており、縦軸の溶接部中央からの距離は、３次元モデル２１の軸方向の距離であり、正負は溶接部２０からの方向を示す。
【００５４】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示されるように、本発明を適用した場合における残留応力分布３２、３次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布３３、および、従来の２次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布３４を比較すれば、本発明を適用した場合、従来の２次元熱弾塑性解析を行った場合よりも精度良く、かつ、３次元熱弾塑性解析を行う場合と大差ない解析精度を得られることがわかる。
【００５５】
尚、第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法において、溶接残留応力解析時に与える変形拘束条件としての型枠モデル３１は、計算簡略化の観点から、配管外径側の型枠モデル３１を除いた配管内径側のみに型枠モデル３１を配置して行っても良い。これは、配管を溶接した溶接構造物２６の場合、溶接部２０の塑性変形により、溶接部２０の近傍では配管中心方向に変形することが一般的に知られており、このような事情を踏まえたものである。配管内面側のみの型枠モデル３１を配置した場合にも、配管外面側の型枠モデル３１を除かない場合と比べて同様の効果があることを確認している。
【００５６】
また、３次元熱弾性解析部７が３次元熱変形量を求める際に、３次元熱変形測定箇所は数箇所以上であれば任意で良いが、多くしすぎると測定データが増大してしまうため、必要最低限度の解析精度を維持しつつデータ量を抑制する観点から、図３に示されるように、中心角９０度の均等間隔で４箇所程度を抽出して行うことが好ましい。
【００５７】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム１Ｂの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図である。
【００５８】
図８に示されるように、溶接残留応力解析システム１Ｂは、変形拘束条件設定手段２Ｂと、溶接残留応力解析手段３とを具備する。すなわち、図１に示される溶接残留応力解析システム１Ａに対して、変形拘束条件設定手段２Ａの代わりに変形拘束条件設定手段２Ｂを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段２Ｂを中心に説明し、溶接残留応力解析システム１Ｂの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５９】
図８によれば、変形拘束条件設定手段２Ｂは、３次元伝熱解析部６と、３次元熱弾性解析部７と、変形補正量算出部８と、変形補正量算出部８が算出した変形補正量を考慮して２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束するための圧力条件（拘束条件）を与える拘束条件決定部としての圧力条件設定部３６とを備える。圧力条件設定部３６が設定する圧力分布および圧力値は、補正すべき変位量と圧力による変位量が同等となる圧力条件である。
【００６０】
後述する図９を引用して、圧力条件設定部３６が設定する圧力分布および圧力値（圧力条件）について説明する。
【００６１】
図９は、解析対象物としての２次元対称モデル３０と、圧力条件設定部３６が設定する圧力条件との関係を説明する説明図である。
【００６２】
溶接構造物２６の時刻歴毎の径方向変形を考察すると、溶接パス２７に熱を与えた瞬間から最大温度に達するまでは径方向に対して外側方向に変形すると考えられる。また、最大温度から冷却までは径方向に対して内側方向に変形すると考えられる。そこで、このような温度推移および変形過程を考慮して圧力条件を決定する。
【００６３】
圧力条件設定部３６が設定する圧力条件、すなわち、圧力を与える場所とタイミングは、図９に示されるように、溶接パス２７に熱を与えた瞬間から最大温度までは、溶接構造物２６を模擬した２次元対称モデル３０の外壁面３９に圧力を与える方向に、最大温度から冷却までは、２次元対称モデル３０の内壁面４０に圧力を与える方向とすることが望ましい。また、与える圧力の大きさは、例えば、図８に示されるように、溶接部２０からの距離（軸方向位置）が近い程圧力を高く、離れるに従い圧力を低下させるように変化させる。
【００６４】
このように第２の溶接残留応力解析システム１Ｂでは、圧力条件を決定して与えることによって、型枠モデル３１を用いて変形を拘束した第１の溶接残留応力解析システム１Ａと同様の作用および効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る溶接残留応力解析方法（以下、第２の溶接残留応力解析方法とする）について説明する。
【００６６】
図１０は、第２の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム１Ｂの処理ステップ（以下、第２の溶接残留応力解析手順とする）を示した処理フロー図である。
【００６７】
図１０に示されるように第２の溶接残留応力解析手順では、図６に示される第１の溶接残留応力解析手順に対して、ステップＳ４の型枠モデル作成ステップの代わりに、ステップＳ１１の圧力条件設定ステップを備える点で相違するが、その他の処理ステップは実質的に相違しない。すなわち、図６に示される処理フロー図において、ステップＳ４とステップＳ１１とを置換した処理フロー図が、第２の溶接残留応力解析手順の処理フロー図となる。そこで、第２の溶接残留応力解析手順の説明では、ステップＳ１１を中心に説明し、その他の処理ステップについての説明は省略する。
【００６８】
第２の溶接残留応力解析手順は、まず、ステップＳ１で３次元伝熱解析ステップが実行された後、３次元熱弾性解析ステップ（ステップＳ２）および変形補正量算出ステップ（ステップＳ３）が実行され、続いて、ステップＳ１１で圧力条件設定ステップが実行される。
【００６９】
圧力条件設定ステップ（ステップＳ１１）では、圧力条件設定部３６がステップＳ３で算出された変形補正量を考慮して、２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束するための圧力条件を設定する。圧力条件設定ステップ（ステップＳ１１）が完了すると、続いて、ステップＳ６に進む。
【００７０】
他方、第２の溶接残留応力解析手順においても、第１の溶接残留応力解析手順と同様、ステップＳ２とは別に、温度時刻歴情報取得ステップ（ステップＳ５）がステップＳ１に続いて実行される。温度時刻歴情報取得ステップ（ステップＳ５）が完了し、圧力条件設定ステップ（ステップＳ１１）が完了している場合には、ステップＳ６で２次元熱弾塑性解析ステップが実行される。２次元熱弾塑性解析ステップが完了すると、第２の溶接残留応力解析手順の全処理ステップが完了する。
【００７１】
第２の溶接残留応力解析システム１Ｂおよび第２の溶接残留応力解析方法によれば、第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【００７２】
尚、圧力条件設定の際には、計算簡略化のため、板厚全体で仮想的な変形拘束条件を決定し、圧力値を溶接構造物２６の溶接パス２７の層の深さ毎、すなわち、溶接パス２７の層の厚さの割合に応じて変化させても良い。
【００７３】
［第３の実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム１Ｃの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
【００７４】
溶接残留応力解析システム１Ｃは、図２に示される３次元モデル２１の有限要素法の要素タイプがいわゆるソリッドタイプではなく板厚方向の計算点を簡略化したシェルタイプ（３次元シェル要素）となる点で異なる。３次元シェル要素の３次元モデル２１を使用する場合、溶接構造物２６の板厚方向の計算点が簡略化されているため、３次元伝熱解析部６が伝熱解析を行っても、溶接構造物２６の径方向の温度分布を得ることができないという点で溶接残留応力解析システム１Ａと違いがある。
【００７５】
上記のような相違点を有することから、図１１に示される溶接残留応力解析システム１Ｃは、溶接残留応力解析システム１Ａに対して、溶接残留応力解析手段３の代わりに、溶接残留応力解析手段３Ｃを具備する点で相違する。より具体的には、図１１に示される溶接残留応力解析システム１Ｃは、温度情報取得部１１の代わりに、溶接構造物２６の２次元対称モデル３０を用いた２次元伝熱解析結果に基づいて、２次元温度分布および温度時刻歴を得る温度情報取得部１１Ｃを備える点で相違するが、その他の点については、実質的に相違しない。そこで、溶接残留応力解析システム１Ａの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
【００７６】
図１１によれば、溶接残留応力解析システム１Ｃは、変形拘束条件設定手段２Ｃと、変形拘束条件設定手段２Ｃが決定した変形拘束条件を考慮して解析対象物の２次元対称モデル３０を用いて溶接残留応力解析を行う溶接残留応力解析手段３Ｃとを具備する。変形拘束条件設定手段２Ｃは、図１に示される変形拘束条件設定手段２Ａと同じく３次元伝熱解析部６、３次元熱弾性解析部７、変形補正量算出部８および型枠モデル作成部９を備えており、３次元熱弾性解析手段７が３次元伝熱解析部６から３次元伝熱解析結果としての溶接構造物２６の３次元温度分布を取得して処理を実行する点を除き実質的に相違しない。すなわち、各手段６，７，８，９で実行される処理内容は実質的に同様である。
【００７７】
また、溶接残留応力解析手段３Ｃは、溶接構造物２６の２次元対称モデル３０を用いた２次元伝熱解析結果に基づいて、２次元温度分布および温度時刻歴を得る温度情報取得部１１Ｃと、熱弾塑性解析部１２とを備える。温度情報取得部１１Ｃは、２次元伝熱解析結果に基づいて、２次元温度分布および温度時刻歴を得る機能を有する（温度情報取得機能）。温度情報取得部１１Ｃは、温度情報取得機能を用いて、２次元対称モデル３０の２次元温度分布および温度時刻歴を示す情報を取得し、取得した情報を熱弾塑性解析部１２へ送る。
【００７８】
このように構成される溶接残留応力解析システム１Ｃによれば、３次元モデル２１として３次元シェル要素を用いれば、ソリッド要素の３次元モデル２１を用いて行う場合に比べて、解析時間の短縮化が図れるメリットがある。尚、溶接残留応力解析システム１Ｃでは、２次元伝熱解析結果を得るために別途２次元伝熱解析を行う必要があるが、変形拘束条件設定手段２Ｃが変形拘束条件を決定するまでの間に、２次元伝熱解析および２次元対称モデル３０の２次元温度分布および温度時刻歴を示す情報を取得することができるので、別途２次元伝熱解析を行う必要がある点は特段の不利益にはならない。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施形態に係る溶接残留応力解析方法（以下、第３の溶接残留応力解析方法とする）の一例として実行される溶接残留応力解析システム１Ｃの処理ステップ（以下、第３の溶接残留応力解析手順とする）について説明する。
【００８０】
第３の溶接残留応力解析手順は、図６に示される第１の溶接残留応力解析手順に対して、ステップＳ５の温度情報取得ステップの処理内容が相違するが、その他の処理ステップは実質的に相違しない。そこで、第３の溶接残留応力解析手順の説明では、ステップＳ５を中心に説明し、その他の処理ステップについての説明は省略する。
【００８１】
第３の溶接残留応力解析手順では、まず、ステップＳ１で３次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、３次元熱弾性解析ステップ（ステップＳ２）、変形補正量算出ステップ（ステップＳ３）および型枠モデル作成ステップ（ステップＳ４）が実行される。他方では、ステップＳ１に引き続き温度情報取得ステップ（ステップＳ５）が実行される。
【００８２】
第３の溶接残留応力解析手順における温度情報取得ステップでは、温度情報取得部１１Ｃが、２次元対称モデル３０の２次元温度分布および温度推移情報（温度時刻歴を示す情報）を取得する。この点が、２次元対称モデル３０の温度分布および温度推移情報（温度の時刻歴変化）を得る第１の溶接残留応力解析手順における温度情報取得ステップと異なる点である。
【００８３】
第３の溶接残留応力解析システム１Ｃおよび第３の溶接残留応力解析方法によれば、第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法による効果に加え、解析時間の更なる短縮化を図ることができる。尚、図９に示される溶接残留応力解析システム１Ｃは、シェル要素の３次元モデル２１を用いた解析を溶接残留応力解析システム１Ａに適用した例であるが、他の実施形態に係る溶接残留応力解析システム１Ｂ，１Ｄ，１Ｅに適用しても良い。
【００８４】
［第４の実施形態］
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム１Ｄの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
【００８５】
図１２に示されるように、溶接残留応力解析システム１Ｄは、変形拘束条件設定手段２Ｄと、溶接残留応力解析手段３とを具備する。すなわち、図１に示される溶接残留応力解析システム１Ａに対して、変形拘束条件設定手段２Ａの代わりに変形拘束条件設定手段２Ｄを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段２Ｄを中心に説明し、溶接残留応力解析システム１Ｄの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
【００８６】
溶接残留応力解析システム１Ｄの変形拘束条件設定手段２Ｄは、３次元伝熱解析部６と、この３次元伝熱解析部６が溶接構造物２６の３次元伝熱解析を行った結果得られる３次元温度分布情報（溶接構造物温度分布）５および溶接構造物２６である母材２６ａ，２６ｂの線膨張係数に基づいて３次元変形補正量を算出する変形補正量算出部８Ｄと、型枠モデル作成部９とを備える。すなわち、変形拘束条件設定手段２Ｄは、図１に示される変形拘束条件設定手段２Ａに対して変形量補正の方法が異なる。
【００８７】
図１３は、変形拘束条件設定手段２Ｄにおいてなされる変形量補正の方法について説明する説明図である。より具体的には、図１３（Ａ）は、溶接構造物２６の２次元対称モデル３０の周方向温度分布を示す図であり、図１３（Ｂ）は、仮想的な変形状態を示す概略図である。尚、図１３（Ａ）において、符号４１は従来の２次元熱弾塑性解析において用いる２次元対称モデル３０（詳細は図５を参照）の周方向の温度分布であり、符号４２は実際の溶接構造物２６の周方向の温度分布である。
【００８８】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）を引用して、変形拘束条件設定手段２Ｄにおいてなされる変形量補正の方法について説明する。まず、従来の２次元対称モデル３０を用いての２次元熱弾塑性解析では、図１３（Ａ）に示されるように、周方向の温度を均一とみなした温度分布４１を使用していたが、実際の温度分布４２とは乖離していたため、現実の溶接構造物２６の変形と比較すると、当該溶接構造物２６の径方向および軸方向に対して過剰な変形が起き、熱弾塑性解析の精度の低下を招来していた。
【００８９】
そこで、変形拘束条件設定手段２Ｄでは、３次元温度分布情報（溶接構造物温度分布）５および母材２６ａ，２６ｂ（溶接構造物２６）の線膨張係数に基づいて３次元変形補正量を算出し、算出した３次元変形補正量を考慮した２次元熱弾塑性解析を行う。この結果、溶接残留応力解析システム１Ｄは、従来の２次元熱弾塑性解析よりも精度が良く、３次元熱弾塑性解析を行う場合よりも簡易な弾塑性解析の提供を実現する。
【００９０】
変形補正量算出部８Ｄが行う具体的な変形量補正方法は、まず、図１３（Ｂ）に示されるように、実際に周方向の温度勾配が存在する領域、すなわち、変形を生じる周方向側の長さ（以下、変形範囲長とする）Ｌを特定する。変形範囲長Ｌの特定は、溶接構造物温度分布５に基づいて行う。続いて、変形範囲長Ｌから推測される仮想的な径方向変形範囲４３を算出する。
【００９１】
径方向変形範囲４３の算出は、溶接構造物２６の材質（線膨張係数）およびその場所における板厚といった既知の物性値と、変形補正算出時に設定される溶接構造物２６における場所および当該場所の温度とに基づいて行う。ここで、溶接構造物２６に関する物性値の情報は、予め格納しておいた所定の場所から読み出される場合もあるし、変形補正算出を開始する際にユーザーの入力によって与えられる場合もある。
【００９２】
続いて、変形補正量算出部８Ｄは、算出した径方向変形範囲４３と周方向全長と比率を求め、この比率を周方向に対して一様に変形している径方向変位量に積算することにより、変形補正量を決定する。実際に周方向の温度勾配が存在する領域（変形範囲長Ｌ）は、実験的な温度測定結果および３次元伝熱解析の結果から、６０ｍｍであることが判っている。この変形補正量を基にして仮想的な変形拘束条件を設定する。すなわち、型枠モデル作成部９が２次元対称モデル３０の変形を仮想的に拘束する型枠モデル３１を作成する。
【００９３】
次に、本発明の第４の実施形態に係る溶接残留応力解析方法（以下、第４の溶接残留応力解析方法とする）について説明する。
【００９４】
図１４は、第４の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム１Ｄの処理ステップ（以下、第４の溶接残留応力解析手順とする）の処理フロー図である。尚、第４の溶接残留応力解析手順の説明において、上述した溶接残留応力解析手順と重複する処理ステップについての説明は省略する。
【００９５】
第４の溶接残留応力解析手順では、まず、ステップＳ１で３次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、ステップＳ２１に進み、変形補正量算出ステップ（ステップＳ２１）が実行される。変形補正量算出ステップ（ステップＳ２１）では、変形補正量算出部８Ｄが３次元温度分布情報（溶接構造物温度分布）５および母材２６ａ，２６ｂ（溶接構造物２６）の線膨張係数に基づいて３次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部８Ｄが３次元変形補正量を算出すると、変形補正量算出ステップは完了し、続いて、ステップＳ４に進む。ステップＳ４以降の処理ステップおよびステップＳ１以降の他方の処理ステップ（ステップＳ５およびステップＳ６）は第１の溶接残留応力解析手順と同様である。
【００９６】
尚、図１４に示される第４の溶接残留応力解析手順では、型枠モデル作成ステップ（ステップＳ４）を備えているが、型枠モデル作成ステップの代わりに圧力条件設定ステップ（ステップＳ１１）を備えても良い。
【００９７】
第４の溶接残留応力解析システム１Ｄおよび第４の溶接残留応力解析方法によれば、第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【００９８】
また、溶接構造物２６（母材２６ａ，２６ｂ）の温度と母材２６ａ，２６ｂの線膨張係数線に基づいて、３次元熱弾性解析を行うことなく、３次元変形補正量を算出するので、３次元熱弾性解析を行う第１の実施形態および第２の実施形態に係る溶接残留応力解析システムおよび溶接残留応力解析方法よりも簡易な弾塑性解析の提供を実現できる。
【００９９】
尚、溶接残留応力解析システム１Ｄにおいて、変形拘束条件設定手段２Ｄは、型枠モデル作成部９を備えているが、第２の実施形態で説明したように、型枠モデル作成部９の代わりに圧力条件設定部３６を備えていても良い。この場合、溶接パス２７の層ごとに変形補正を求めても良いが、計算簡略化のために板厚全体で仮想的な変形拘束条件を決定し、圧力値を溶接パス２７の層の深さ率で変化させることも可能である。
【０１００】
また、第３の実施形態で説明したように、溶接残留応力解析手段３の代わりに、溶接残留応力解析手段３Ｃを具備して溶接残留応力解析システム１Ｄを構成しても良い。
【０１０１】
［第５の実施形態］
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム１Ｅの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
【０１０２】
溶接残留応力解析システム１Ｅは、溶接構造物２６の実物が存在し、例えば、溶接構造物２６の残留変形量や残留ひずみの測定結果といった溶接構造物２６の変形量に関する実際の測定データが存在する場合に有効なシステムであり、具体的には、図１５に示されるように、溶接構造物２６の実測した変形量のデータ（以下、単に実測データとする）に基づき、２次元対称モデル３０の変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段２Ｅと、溶接残留応力解析手段３とを具備する。すなわち、図１に示される溶接残留応力解析システム１Ａに対して、変形拘束条件設定手段２Ａの代わりに変形拘束条件設定手段２Ｅを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段２Ｅを中心に説明し、溶接残留応力解析システム１Ｅの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
溶接残留応力解析システム１Ｅの変形拘束条件設定手段２Ｅは、図１５に示されるように、３次元伝熱解析部６と、溶接構造物２６の実測データに基づき、２次元対称モデル３０の変形拘束条件としての変形補正量を決定する変形補正量算出部８Ｅと、型枠モデル作成部９とを備える。すなわち、図１に示される変形拘束条件設定手段２Ａでは、３次元熱弾性解析結果に基づき２次元対称モデル３０の変形拘束条件としての変形補正量を決定する点に対して、変形拘束条件設定手段２Ｅは、溶接構造物２６の実測データに基づき２次元対称モデル３０の変形拘束条件としての変形補正量を決定する点で異なる。尚、その他の点については実質的に相違しない。
【０１０４】
このように、構成される溶接残留応力解析システム１Ｅでは、溶接構造物２６の溶接前後の変形を実際に測定した測定データがある場合、３次元熱弾性解析を行うことなく当該測定データを用いて変形補正量を決定することができるので、溶接残留応力解析システム１Ａ，１Ｂ，１Ｄよりも簡易な弾塑性解析の提供を実現できる。
【０１０５】
尚、図１５に示される溶接残留応力解析システム１Ｅでは、変形拘束条件設定手段２Ｅが型枠モデル作成部９を備えているが、型枠モデル作成部９の代わりに圧力条件設定部３６を備える変形拘束条件設定手段２Ｅを構成しても構わない。この場合、測定データが板厚全体に対する変形量であるため、溶接パス２７の層を順次盛っていく過程段階で溶接パス圧力値を溶接パス２７の層の深さ率で変化させるが望ましい。
【０１０６】
次に、本発明の第５の実施形態に係る溶接残留応力解析方法（以下、第５の溶接残留応力解析方法とする）について説明する。
【０１０７】
図１６は、第５の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム１Ｅの処理ステップ（以下、第５の溶接残留応力解析手順とする）の処理フロー図である。尚、第５の溶接残留応力解析手順の説明において、上述した溶接残留応力解析手順と重複する処理ステップについての説明は省略する。
【０１０８】
第５の溶接残留応力解析手順は、図１４に示される第４の溶接残留応力解析手順に対して、変形補正量算出ステップ（ステップＳ２１）の代わりに、変形補正量算出ステップ（ステップＳ３１）を備える点で相違するが、その他の点では実質的に相違しないので、ステップＳ３１の変形補正量算出ステップについて説明し、その他の箇所については説明を省略する。
【０１０９】
第５の溶接残留応力解析手順は、では、まず、ステップＳ１で３次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、ステップＳ３１に進み、溶接構造物２６の実測データに基づき、２次元対称モデル３０の変形補正量を決定する変形補正量算出ステップ（ステップＳ３１）が実行される。変形補正量算出ステップ（ステップＳ３１）では、変形補正量算出部８Ｅが溶接構造物２６の実測の３次元熱変形量のデータに基づき、２次元対称モデル３０の変形拘束条件となる３次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部８Ｅが３次元変形補正量を算出すると、変形補正量算出ステップは完了し、続いて、ステップＳ４に進む。ステップＳ４以降の処理ステップおよびステップＳ１以降の他方の処理ステップ（ステップＳ５およびステップＳ６）は第１の溶接残留応力解析手順と同様である。
【０１１０】
尚、図１６に示される第５の溶接残留応力解析手順でも、第４の溶接残留応力解析手順と同様に、型枠モデル作成ステップ（ステップＳ４）の代わりに圧力条件設定ステップ（ステップＳ１１）を備えていても良い。
【０１１１】
第５の溶接残留応力解析システム１Ｅおよび第５の溶接残留応力解析方法によれば、第１の溶接残留応力解析システム１Ａおよび第１の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【０１１２】
また、溶接構造物２６の溶接前後の変形を実際に測定した測定データがある場合、既存のデータを有効に活用することができ、溶接構造物２６の溶接残留応力の解析時間を短縮することができるので、特に有効である。
【０１１３】
以上、本発明によれば、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の３次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物２６に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段３に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
【０１１４】
尚、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化しても良い。また、上記の各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図。
【図２】本発明に係る溶接残留応力解析システムにおける変形拘束条件設定手段（３次元伝熱解析部）が行う３次元伝熱解析の概念を説明する模式図。
【図３】図２に示される３次元モデルとしてモデル化された溶接構造物の溶接部およびその周辺を拡大して示した概略図。
【図４】図２に示される３次元モデルを回転軸Ｌと平行な方向（高さ方向）から見た場合における平面図。
【図５】本発明に係る溶接残留応力解析システムにおける残留応力解析手段が熱弾塑性解析時に使用する２次元対称モデルおよび型枠モデル作成部が作成する型枠モデルについて概略的に表した概略図。
【図６】本発明に係る溶接残留応力解析方法の一例である第１の溶接残留応力解析手順を示した処理フロー図。
【図７】本発明に係る残留応力分布解析の解析精度を評価するための説明図であり、（Ａ）が溶接構造物の内径側表面の溶接残留応力解析結果（残留応力分布）を示す図、（Ｂ）が外径側表面の溶接残留応力解析結果（残留応力分布）を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る溶接残留応力解析システムが溶接残留応力解析を行う際に２次元対称モデルに加えられる圧力条件と当該２次元モデルの関係を説明する説明図。
【図１０】本発明に係る溶接残留応力解析方法の一例である第２の溶接残留応力解析手順を示した処理フロー図。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの変形拘束条件設定手段においてなされる変形量補正の方法について説明する説明図であり、（Ａ）は、溶接構造物の２次元対称モデルの周方向温度分布を示す図、（Ｂ）は、仮想的な変形状態を示す概略図。
【図１４】本発明に係る溶接残留応力解析方法の一例である第４の溶接残留応力解析手順を示した処理フロー図。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図。
【図１６】本発明に係る溶接残留応力解析方法の一例である第５の溶接残留応力解析手順を示した処理フロー図。
【符号の説明】
【０１１６】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  溶接残留応力解析システム
２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ）  変形拘束条件設定手段
３，３Ｃ  溶接残留応力解析手段
４  表示手段
５  溶接構造物温度分布
６  ３次元伝熱解析部
７  ３次元熱弾性解析部
８，８Ｄ，８Ｅ  変形補正量算出部
９  型枠モデル作成部
１１  温度情報取得部
１２  熱弾塑性解析部
２０  溶接部
２０ａ  溶接完了部分
２０ｂ  溶接未完了部分
２１  溶接構造物の３次元モデル
２２  溶接棒
２３  熱源
２６  溶接構造物
２６ａ，２６ｂ  母材（被溶接金属）
２７  溶接パス
３０  ２次元対称モデル
３１  型枠モデル
３２  本発明を適用した場合における残留応力分布
３３  ３次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布
３４  従来の２次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布
３６  圧力条件設定部
３９  ２次元対称モデルの外壁面
４０  ２次元対称モデルの内壁面
４１  ２次元対称モデルの周方向の温度分布
４２  実際の溶接構造物の周方向の温度分布
４３  径方向変形範囲
Ｌ  ３次元モデルの対称軸
Ｓ  ２次元対称モデルと型枠モデルとの接触面
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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