(57)【要約】【課題】解析時間の大幅な短縮を実現することができ、高精度に溶接変形及び残留応力の解析を行うことが可能である溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を提供する。  【解決手段】溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する溶接変形及び残留応力の解析方法であって、熱源Ｓの移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って３次元モデルである平板１における過渡温度を計算し、３次元モデルである平板１の一断面としての２次元モデル１Ａを作成した後、３次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた２次元モデル１Ａによる熱弾塑性解析を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する溶接変形及び残留応力の解析方法であって、
熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って３次元モデルである母材における溶接入熱による過渡温度を計算し、
前記３次元モデルである母材の一断面としての２次元モデルを作成した後、
前記３次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた前記２次元モデルによる熱弾塑性解析を行う
ことを特徴とする溶接変形及び残留応力の２次元解析方法。
【請求項２】
熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析によって、３次元モデルである母材の中間部分における過渡温度を計算する請求項１に記載の溶接変形及び残留応力の２次元解析方法。
【請求項３】
前記３次元モデルである母材の中間部分における一断面を前記２次元モデルとした請求項１又は２に記載の溶接変形及び残留応力の２次元解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する際に用いられる溶接変形及び残留応力の解析方法に係わり、特に、一般化平面歪や軸対称モデルなどの２次元化が可能な溶接に用いるのに好適である溶接変形及び残留応力の２次元解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記した溶接後に残留する応力や溶接時に生じる変形は、溶接部が局部的に加熱冷却されることにより生じるが、その発生要因としては、溶接金属の凝固時における母材の熱膨張や、溶接部付近の母材に生じる塑性歪や、溶接金属が凝固してから室温に冷却されるまでに生じる塑性歪などが挙げられる。
従来において、これらのような溶接変形及び残留応力を解析する方法としては、例えば、溶接により生じる固有ひずみ分布を溶接条件から推定して弾性解析を行う方法や、３次元モデルによる熱源の移動を考慮した３次元熱伝導解析を行って、この解析結果に基づいて３次元モデルによる熱弾塑性解析を行う方法が知られている。
【０００３】
上記した解析方法のうちの固有ひずみによる弾性解析を用いた方法では、溶接によって生じる固有ひずみの大きさや分布領域があらかじめ判らないと解析を行うことができないという欠点があり、一方、３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた方法では、もっとも実際の現象に近いことから、高い解析精度が得られるものの、解析に要する時間が膨大になってしまうという欠点がある。
【０００４】
そこで、解析に要する時間の短縮を図るうえで、一般化平面歪や軸対称モデルなどの２次元化が可能な溶接の場合には、すなわち、平板に対するビードオンプレート溶接や管体の突合せ溶接や円孔に対する円板の嵌め込み溶接などの２次元化が可能な溶接の場合には、溶接入熱による過渡温度を２次元モデルによる非定常熱伝導解析（２次元熱伝導解析）によって計算し、この解析結果に基づいて２次元モデルによる熱弾塑性解析を行う方法が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−５３３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した２次元モデルによる熱弾塑性解析を行う解析方法にあっては、３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と比較して、解析に要する時間を大幅に短縮することはできるものの、熱の３次元的な移動を考慮していないので、その分だけ溶接変形及び残留応力の解析精度が劣ってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、解析時間の大幅な短縮を実現したうえで、３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度の高い精度で溶接変形及び残留応力の解析を行うことが可能である溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法は、溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する溶接変形及び残留応力の解析方法、特に、一般化平面歪や軸対称モデルなどの２次元化が可能な溶接に用いるのに好適な解析方法であって、請求項１として、熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って３次元モデルである母材における溶接入熱による過渡温度を計算し、前記３次元モデルである母材の一断面としての２次元モデルを作成した後、前記３次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた前記２次元モデルによる熱弾塑性解析を行う構成としたことを特徴としており、この溶接変形及び残留応力の２次元解析方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法は、熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析によって、３次元モデルである母材の中間部分における過渡温度を計算する構成としている。
さらに、本発明の請求項３に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法において、前記３次元モデルである母材の中間部分における一断面を前記２次元モデルとした構成としている。
【０００９】
本発明に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法では、母材の一断面としての２次元モデルによる熱弾塑性解析を行う際に、３次元モデルによる非定常熱伝導解析を行って得た任意断面の非定常の温度履歴を温度荷重データとして用いるので、母材内部の３次元的な熱の流れを２次元モデルで考慮し得ることとなり、その結果、解析時間の大幅な短縮が図られるのに加えて、３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度にまで、溶接変形及び残留応力の解析精度が向上することとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の請求項１に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法によれば、上記した構成としているので、解析時間の大幅な短縮を実現したうえで、溶接変形及び残留応力の解析を高精度に行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、本発明の請求項２に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法によれば、上記した構成としているので、解析精度をより高めつつ解析時間のより一層の短縮を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項３に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法によれば、上記した構成としていることから、解析精度をより一層高めることができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の溶接変形及び残留応力の２次元解析方法の一実施形態を示しており、この実施形態において、ビードオンプレート溶接（ビード溶接）に本発明の溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を適用した場合を示している。
図１に示すように、長さ寸法（Ｚ方向寸法）５００ｍｍ，幅寸法（Ｘ方向寸法）１８０ｍｍ，厚さ寸法（Ｙ方向寸法）６０ｍｍの母材である平板１に対して開先加工を行って、図１（ｂ）の拡大円内にも示すように、上面１ａにおける中心線Ｌ上に半径Ｒが約５ｍｍで且つ深さｄが約３ｍｍの断面半円形状を成す開先溝１ｂを形成した後、この開先溝１ｂに対してアーク溶接によるビード溶接を行った。
【００１２】
次に、この実施形態における溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を用いて、上記したビード溶接に対する溶接変形及び残留応力の解析を行う際の要領を説明する。
図２及び図３（ａ）に示すように、まず、ステップＳＴ１において、３次元モデルによる熱源Ｓの溶接線（中心線Ｌ）に沿う長さＺ方向の移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って、３次元モデルである平板１における過渡温度を計算する。
【００１３】
次いで、ステップＳＴ２において、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、３次元モデルである平板１の長さＺ方向の中間部分における一断面を２次元モデル１Ａとして作成する。
なお、この実施形態において、３次元モデルである平板１の長さＺ方向の中間部分における一断面は、溶接線Ｌを境にしてＸ方向で対称形状を成しているため、上記一断面の片側（図示右側）を２次元モデル１Ａとして採用した。
【００１４】
そして、ステップＳＴ３において、上記した３次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた２次元モデル１Ａによる熱弾塑性解析を行う。
そこで、この実施形態における溶接変形及び残留応力の２次元解析方法による解析結果を図４に示し、比較のために、上記したビード溶接に対して従来の２次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて溶接変形及び残留応力の解析を行った際の解析結果を図５に示す。
【００１５】
図５に示す平板１の上面１ａにおける応力分布において、従来の２次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得た解析結果（従１Ｚ）では、高い解析精度が得られる３次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得た解析結果（従２Ｚ）と比べて、溶接線ＬからＸ方向に約３０ｍｍ離れた部位での溶接線Ｌに沿うＺ方向の応力の大きさに明らかな差異が見られる。
【００１６】
これに対して、図４に示す平板１の上面１ａにおける応力分布において、この実施形態における解析方法で得た解析結果（実Ｚ）では、高い解析精度が得られる３次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得た解析結果（従２Ｚ）と比べて、溶接線ＬからＸ方向に約３０ｍｍ離れた部位での溶接線Ｌに沿うＺ方向の応力に大きな差異が見られないことから、この実施形態における溶接変形及び残留応力の２次元解析方法では、３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度の高い精度で溶接変形及び残留応力の解析を行い得ることが実証できた。
【００１７】
また、上記３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法では、熱源の移動を考慮した非定常熱伝導解析に約３０分を費やしていると共に、この非定常熱伝導解析の結果（Ｄ）を用いた熱弾塑性解析には約３２時間もの時を費やしているのに対して、この実施形態における溶接変形及び残留応力の２次元解析方法では、上記非定常熱伝導解析の結果（Ｄ）を用いた熱弾塑性解析を僅か１時間程度で完了し得るので、上記３次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と比較して、解析時間の大幅な短縮を実現し得ることが実証できた。
【００１８】
なお、図４では、この実施形態における溶接変形及び残留応力の２次元解析方法で得たＸ方向の応力解析結果（実Ｘ）と高い解析精度が得られる３次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得たＸ方向の応力解析結果（従２Ｘ）を参考表示し、図５では、従来の２次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得たＸ方向の応力解析結果（従１Ｘ）と高い解析精度が得られる３次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得たＸ方向の応力解析結果（従２Ｘ）を参考表示している。
【００１９】
上記した実施形態に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法では、図２のステップＳＴ１において、非定常熱伝導解析によって、３次元モデルである平板１の全長における過渡温度を計算するようにしているが、これに限定されるものではなく、３次元モデルである平板１の長さＺ方向の中間部分における過渡温度を計算するようにしてもよい。
また、上記した実施形態に係る溶接変形及び残留応力の２次元解析方法では、図２のステップＳＴ２において、３次元モデルである平板１の長さＺ方向の中間部分における一断面を２次元モデル１Ａとして作成するようにしているが、これに限定されるものではなく、温度が定常的であるならば、３次元モデルである平板１の長さＺ方向の端部よりの部分における一断面を２次元モデル１Ａとして作成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を評価するために実施したビードオンプレート溶接を示す平板の平面説明図（ａ）及び図１（ａ）のＡ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【図２】本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の２次元解析方法の解析要領を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の２次元解析方法の熱源移動方向と２次元モデル作成要領を示す平板の斜視説明図（ａ），（ｂ）並びに２次元モデルの拡大説明図（ｃ）である。
【図４】本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の２次元解析方法を用いて得た解析結果を従来の３次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得た解析結果と比較して示す平板上面における残留応力分布図である。
【図５】従来の２次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得た解析結果を従来の３次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得た解析結果と比較して示す平板上面における残留応力分布図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  平板（母材）
１Ａ  ２次元モデル
１ａ  平板の上面
Ｓ  熱源
【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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