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Hintergrund
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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine CAE-Analysetechnik (CAE: Computer Aided Engineering; computerunterstützte Entwicklung), die bewirkt, dass ein Computer eine Modellierung eines zu analysierenden Objektes durchführt und ein Verhalten eines Modells, das durch die Modellierung erzeugt wird, analysiert.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Eine CAE-Analyse, die von einem Computer durchgeführt wird, ist weit verbreitet. In der CAE-Analyse wandelt ein Computer ein Zielobjekt in CAD-Daten (CAD: Computer Aided Design; computergestützte Konstruktion) um und führt eine Modellierung des Zielobjektes, das in die CAD-Daten umgewandelt wurde, durch, um eine Festigkeit einer Struktur, eine Spannungsverteilung, eine Materialverformungseigenschaft und Ähnliches unter Verwendung eines Analyseverfahrens wie beispielsweise eines Verfahrens finiter Elemente zu analysieren. Außerdem wurde die CAE-Analyse für Fahrzeuge entwickelt und es werden verschiedene Berechnungen für Verbrennungsmotorstrukturen, Karosseriestrukturen und Ähnliches durchgeführt.
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Die
JP 2012-112852 A beschreibt, dass bei einer Struktur, bei der Metallbleche aneinandergeschweißt werden, eine Schweißverbindung durch ein Schalenelement (shell; zweidimensionales Element) modelliert wird, das ein finites Element für die CAE-Analyse ist.
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Zusammenfassung
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Für ein geschweißtes Objekt, bei dem Metallbleche mittels Bogenschweißen aneinandergeschweißt werden, wird in dem Fall einer Modellierung einer Bogenschweißverbindung, die für die CAE-Analyse durchgeführt wird, jedes Metallblech herkömmlich unter Verwendung von Solid-Elementen (dreidimensionalen Elementen), die finite Elemente sind, modelliert. Für eines der Metallbleche werden Schalenelemente auf Oberflächen der Solid-Elemente benachbart zu der Bogenschweißverbindung angeordnet und die Schalenelemente werden bei einer Kontaktdefinition mit Knoten der Solid-Elemente der anderen Metallbleche benachbart zu der Bogenschweißverbindung miteinander gekoppelt.
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Eine derartige Anordnung der Schalenelemente erhöht jedoch die Anzahl der Modellerzeugungsschritte. Außerdem werden die Knoten der Solid-Elemente derart festgelegt, dass nur eine Translationsverschiebung stattfindet (nur drei Translationsfreiheitsgrade in den jeweiligen Richtungen der xyz-Achsen sind möglich). Daher kann kein Momentenübergang bzw. keine Momentenübertragung zwischen den Metallblechen durch die obige Modellierung repräsentiert werden. In einem Fall, in dem kein Momentenübergang repräsentiert werden kann, kann ein Analyseergebnis eine lokale Verformung an den Kopplungsabschnitten zwischen Elementen enthalten und ein tatsächliches Phänomen nicht repräsentieren.
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Eine Modellierung der Gesamtheit einer Bogenschweißraupe durch sehr kleine Solid-Elemente anstelle der Schalenelemente wurde ebenfalls versucht, um ein geeignetes Verhalten eines tatsächlichen Verhaltens einer Bogenschweißverbindung zu emulieren. In diesem Fall werden jedoch die Gestalten der Solid-Elemente der Bogenschweißraupe in Abhängigkeit von einer Maschenform ausgebildet, die durch die Solid-Elemente der Metallblechabschnitte ausgebildet wird, sodass zu viele Modellerzeugungsschritte benötigt werden und eine Modellierung der Bogenschweißraupe unter Verwendung extrem kleiner Solid-Elemente mit einem Mikromaschenversatz bzw. -abstand durchgeführt werden muss.
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Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die obigen Probleme des Stands der Technik, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein CAE-Analyseverfahren und eine CAE-Analysevorrichtung zu schaffen, die eine geeignete Modellierung einer Schweißverbindung zwischen mehreren Elementen auf einfache Weise modellieren und einen Momentenübergang bzw. eine Momentenübertragung repräsentieren können.
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Um die obigen Probleme zu lösen, ist ein erster Aspekt der Erfindung auf ein CAE-Analyseverfahren gerichtet, das bewirkt, dass ein Computer eine Modellierung eines Objektes durchführt, das mehrere Elemente, die aneinandergeschweißt sind, und Schweißverbindungen, die zwischen den Elementen ausgebildet sind, enthält, und eine CAE-Analyse durchführt. In dem CAE-Analyseverfahren wird bewirkt, dass der Computer die Modellierung durchführt, bei der: ein Modell, das durch Solid-Elemente ausgebildet wird, für jedes der Elemente auf der Grundlage von gegebenen Daten angewendet wird, die einen zu analysierenden Bereich aus den Elementen repräsentieren; ein Modell, das durch ein Schalenelement ausgebildet wird, für jede Schweißverbindung, die zwischen zwei Elmenten aus den Elementen ausgebildet ist, auf der Grundlage von gegebenen Daten angewendet wird, die einen aus den Schweißverbindungen zu analysierenden Bereich repräsentieren; und das Schalenelement, das als Modell für jede Schweißverbindung angewendet wird, innerhalb eines Dieders zwischen geschweißten Flächen von zwei Elementen angeordnet wird und mit den Solid-Elementen, die als das Modell für jeweils zwei Elemente angewendet werden, durch Zwischenknotenverbindung gekoppelt wird, derart, dass die Solid-Elemente, die für eines der beiden Elemente angewendet werden, über steife Elemente oder Balkenelemente mit dem Schalenelement gekoppelt werden und die Solid-Elemente, die für das andere der beiden Elemente angewendet werden, über steife Elemente oder Balkenelemente mit dem Schalenelement gekoppelt werden.
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Außerdem wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung basierend auf dem ersten Aspekt das Schalenelement, das als das Modell für jede Schweißverbindung angewendet wird, auf einer gegebenen Oberflächenfigur angeordnet, die die geschweißten Flächen der beiden Elemente durch den Dieder überbrückt.
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Außerdem ist zur Lösung der obigen Probleme ein dritter Aspekt der Erfindung auf eine CAE-Analysevorrichtung gerichtet, die mittels eines Computers durchführt: Modellieren eines Objektes, das mehrere Elemente, die aneinandergeschweißt sind, und Schweißverbindungen, die unter den Elementen ausgebildet sind, enthält und eine CAE-Analyse durchführt. In der CAE-Analysevorrichtung führt der Computer die Modellierung durch, bei der: ein Modell, das durch Solid-Elemente ausgebildet wird, für jedes der Elemente auf der Grundlage von gegebenen Daten angewendet wird, die einen zu analysierenden Bereich aus den Elementen repräsentieren; ein Modell, das durch ein Schalenelement ausgebildet wird, für jede Schweißverbindung angewendet wird, die zwischen zwei Elementen aus den Elementen ausgebildet wird, auf der Grundlage von gegebenen Daten, die einen aus den Schweißverbindungen zu analysierenden Bereich repräsentieren; und das Schalenelement, das als das Modell für jede Schweißverbindung angewendet wird, innerhalb eines Dieders zwischen geschweißten Flächen von zwei Elementen angeordnet wird und mit den Solid-Elementen, die als das Modell für jeweils zwei Elemente angewendet werden, durch Zwischenknotenverbindung gekoppelt wird, derart, dass die Solid-Elemente, die für eines der beiden Elemente angewendet werden, über steife Elemente oder Balkenelemente mit dem Schalenelement gekoppelt werden und die Solid-Elemente, die für das andere der beiden Elemente angewendet werden, über steife Elemente oder Balkenelemente mit dem Schalenelement gekoppelt werden.
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Außerdem wird gemäß einem vierten Aspekt basierend auf dem dritten Aspekt das Schalenelement, das als das Modell für jede Schweißverbindung angewendet wird, auf einer gegebenen Oberflächenfigur angeordnet, die die Schweißflächen der beiden Elemente durch den Dieder überbrückt.
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Gemäß dem ersten Aspekt ist es möglich, dass jeder Knoten des Schalenelementes, das für die Schweißverbindung angewendet wird, einen Rotationsfreiheitsgrad aufweist. Daher kann ein Momentenübergang über die Schweißverbindung geeignet repräsentiert werden. Außerdem kann eine Gestalt des Schalenelementes, das als das Modell für die Schweißverbindung angewendet wird, unabhängig von einer Maschenform bestimmt werden, die durch die Solid-Elemente ausgebildet wird, die für die Elemente angewendet werden, wodurch ein Momentenübergang mit einer einfachen Struktur repräsentiert werden kann. Somit kann ein CAE-Analyseverfahren geschaffen werden, bei dem eine geeignete Modellierung für eine Schweißverbindung zwischen mehreren Elementen auf einfache Weise durchgeführt werden kann, wobei ein Momentenübergang durch die Modellierung möglich ist.
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Gemäß dem zweiten Aspekt kann eine Einwirkung auf den geschweißten Abschnitt und eine Übertragung der Einwirkung (Eingabe) auf einfache Weise emuliert werden, um ein tatsächliches Verhalten anzunähern.
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Gemäß dem dritten Aspekt kann eine CAE-Analysevorrichtung geschaffen werden, bei der eine geeignete Modellierung für eine Schweißverbindung zwischen mehreren Elementen auf einfache Weise durchgeführt werden kann, wobei eine Repräsentation eines Momentenübergangs durch die Modellierung möglich ist.
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Gemäß dem vierten Aspekt kann eine Einwirkung auf den geschweißten Abschnitt und eine Übertragung der Einwirkung auf einfache Weise emuliert werden, um ein tatsächliches Verhalten anzunähern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt Modelle dar, die für ein Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden;
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2 ist ein Blockdiagramm, das eine Hardwarekonfiguration darstellt, die für eine CAE-Analysevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist ein Blockdiagramm, das eine Funktion der CAE-Analysevorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein CAE-Analyseverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 stellt einen Aspekt eines Prozesses des CAE-Analyseverfahrens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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6 stellt einen weiteren Aspekt des Prozesses des CAE-Analyseverfahrens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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7 stellt ein Beispiel eines Prozesses zum Anordnen eines Schalenelementes in dem CAE-Analyseverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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8 stellt ein weiteres Beispiel des Prozesses zum Anordnen eines Schalenelementes in dem CAE-Analyseverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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9 stellt ein weiteres Beispiel des Prozesses zum Anordnen eines Schalenelementes in dem CAE-Analyseverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
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10 stellt Modelle dar, die als Vergleichsbeispiele für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden;
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11 stellt weitere Modelle dar, die als Vergleichsbeispiele für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden; und
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12 stellt noch weitere Modelle dar, die als Vergleichsbeispiele für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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<Modell für die CAE-Analyse>
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Zunächst wird eine CAE-Analyse für eine Schweißverbindung zwischen Metallblechen mit Bezug auf die 10 bis 12 beschrieben. Für die CAE-Analyse, die mit Bezug auf die 10 bis 12 beschrieben wird, werden eine Modellierungstechnik, bei der Solid-Elemente und Schalenelemente verwendet werden, und eine Modellierungstechnik, bei der nur Solid-Elemente verwendet werden, beschrieben.
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10 stellt eine Kopplung bei einer Kontaktdefinition in dem Fall einer Modellierung von Metallblechabschnitten in der Dickenmitte durch Schalenelemente dar. Ein Schalenelement 103, das ein Teil eines Schalenelementes 101 ist, das ein Objekt (eines der Metallbleche) repräsentiert, und ein Knoten 102a eines Schalenelementes 102, das ein anderes Objekt (ein anderes der Metallbleche) repräsentiert, sind bei der Kontaktdefinition miteinander gekoppelt. Es wird angenommen, dass die Profile der Schalenelemente 101 und 102 in 10 über einen vorbestimmten Bereich in einer Richtung senkrecht zu dem Querschnitt wiederholt werden. Das Schalenelement 103 ist ein Element einer Oberflächenfigur (Oberflächenfigur des Schalenelementes 101), und eine Querschnittsstruktur des Schalenelementes 103, das in 10 gezeigt ist, ist kontinuierlich über einen vorbestimmten Bereich in der Richtung senkrecht zu dem Querschnitt ausgebildet.
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11 stellt einen beispielhaften Fall dar, bei dem eine Kopplung bei einer Kontaktdefinition wie oben beschrieben angewendet wird, um eine Schweißverbindung (die eine Bogenschweißverbindung ist, aber nicht darauf beschränkt ist) zwischen zwei Metallblechen in dem Fall einer Modellierung der Metallblechabschnitte durch Solid-Elemente anstelle von Schalenelementen zu repräsentieren. Der Abschnitt, der in 11 angegeben ist, repräsentiert einen Querschnitt eines Objektes, das durch zwei Metallbleche erhalten wird, die aneinandergeschweißt sind, und der Querschnitt wird dadurch erhalten, dass das Objekt in der Richtung senkrecht zu der Raupenlängsrichtung geschnitten wird. Ein Metallblech 201 und das andere Metallblech 202 werden mittels Hohlkehlschweißen an einer Schweißverbindung 203 aneinandergeschweißt, die in einem Bereich innerhalb einer langgestrichelten Linie ausgebildet ist. Solid-Elemente werden als Modelle für das Metallblech 201 und das Metallblech 202 angewendet. Mehrere Knoten P20 der Solid-Elemente in einer Oberfläche des Metallbleches 202, die die Schweißverbindung 203 kontaktiert, sind bei der Kontaktdefinition mit dem Schalenelement 113 gekoppelt, das auf einer Oberfläche des Metallbleches 201 angeordnet ist (im Folgenden wird ein Bereich einer Oberfläche von irgendeinem der Metallbleche, die die Schweißverbindung 203 kontaktiert, als „Schweißbereich” bezeichnet). Das Schalenelement 113 ist derart angeordnet, dass es sich über die Raupenlänge der Schweißverbindung in der Richtung senkrecht zu dem Querschnitt, der in 11 gezeigt ist, erstreckt.
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Bei der in 11 gezeigten Modellierung sind das Metallblech 201 und das Metallblech 202 nur bei der Kontaktdefinition miteinander gekoppelt. Daher kann beispielsweise, wenn ein Übergang einer Spannung, die auf das Metallblech 202 ausgeübt wird, über die Schweißverbindung des Bereiches 203 auf das Metallblech 201 analysiert wird, ein Momentenübergang von den Knoten des Metallbleches 202 auf die Schweißverbindung 203 nicht repräsentiert werden. Dieses kommt daher, dass es bei der Modellierung von Solids wie beispielsweise Metallblechen nur möglich ist, dass die Knoten drei Translationsfreiheitsgrade in den Richtungen der xyz-Achsen des orthogonalen Raums aufweisen. Daher kann eine Wirkung von der Schweißverbindung 203 auf das Metallblech 201 bezüglich eines Momentes nicht repräsentiert werden. In diesem Fall kann ein Verhalten des Objektes, das die Metallbleche 201 und 202 und die Schweißverbindung 203 enthält, das durch die Analyse erhalten wird, von dem tatsächlichen Verhalten abweichen.
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12 stellt einen beispielhaften Fall dar, bei dem die Schweißverbindung 203 durch Solid-Elemente modelliert wird, ohne ein Schalenelement auf dem Metallblech 201 anzuordnen, und stellt einen Querschnitt aus derselben Richtung wie in 11 dar. Eine Querschnittsstruktur der Schweißverbindung 203, die in 12 gezeigt ist, ist kontinuierlich in der Richtung senkrecht zu dem Querschnitt ausgebildet und bildet über die Gesamtheit eine Raupe. In diesem Fall wird die Gesamtheit der Raupe unter Verwendung einer großen Anzahl von Solid-Elementen modelliert, und die Solid-Elemente weisen Gestalten und Größen auf, die von einer Maschenform abhängen, die durch die Solid-Elemente der Metallbleche 201 und 202 ausgebildet wird. In 12 sind die Solid-Elemente der Schweißverbindung 203 und die Solid-Elemente der Metallbleche 201 und 202 derart definiert, dass sie mehrere Knoten P30 teilen, die an der Grenze zwischen dem Metallblech 201 und der Schweißverbindung 203 angeordnet sind, wie es durch die nicht ausgefüllten Kreise angegeben ist, und mehrere Knoten P40 teilen, die an der Grenze zwischen dem Metallblech 202 und der Schweißverbindung 203 angeordnet sind, wie es durch die nicht ausgefüllten Kreise angegeben ist. Daher hängen die Gestalten der Solid-Elemente der Schweißverbindung 203 von einer Maschenform ab, die durch die Solid-Elemente der Metallbleche 201 und 202 ausgebildet wird. Wenn ein Verhalten des Objektes, das aus den Metallblechen 201 und 202 und der Schweißverbindung 203 besteht, das durch die Analyse erhalten wird, dem tatsächlichen Verhalten unter Verwendung dieser Modellierung angenähert werden soll, müssen die Solid-Elemente in feine Maschen ausgebildet werden, sodass eine lange Modellerzeugungszeit benötigt wird.
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Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie es in 1 gezeigt ist, ein Schalenelement 20 als ein Modell für die Schweißverbindung 203 angewendet. In der folgenden Beschreibung ist das Schalenelement 20 beispielsweise als ebene Figur ausgebildet. Das Schalenelement 20 kann jedoch eine gekrümmte Flächenfigur sein. Außerdem kann das Schalenelement 20 in mehrere Elemente unterteilt sein. Das Schalenelement 20 ist mit dem Metallblech 201, für das die Solid-Elemente angewendet werden, über Kopplungselemente 21 gekoppelt, die als mehrere steife Elemente oder Balkenelemente ausgebildet sind, und das Schalenelement 20 ist mit dem Metallblech 202, für das Solid-Elemente angewendet werden, über Kopplungselemente 22 gekoppelt, die aus mehreren steifen Elementen oder Balkenelementen ausgebildet sind. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Objektes, das der CAE-Analyse zu unterziehen ist, aus derselben Richtung wie in den 11 und 12. Die steifen Elemente (z. B. Stabelemente) sind nicht einzeln verformbar, wohingegen die Balkenelemente einzeln verformbar sind. Die Kopplungselemente 21 und die Kopplungselemente 22 können als gleiche Elemente oder unterschiedliche Elemente ausgebildet sein.
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Das Schalenelement 20 ist derart angeordnet, dass es sich über die Raupenlänge erstreckt. Das Schalenelement 20 weist eine Seitenkante 20a, die zu dem Metallblech 201 zeigt, und eine Seitenkante 20b, die zu dem Metallblech 202 zeigt, auf. Die Seitenkante 20a und die Seitenkante 20b sind gegenüberliegende Seiten.
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In dem Querschnitt, der in 1 gezeigt ist, ist ein Fall dargestellt, bei dem die Seitenkante 20a mit mehreren Knoten der Solid-Elemente in dem Schweißbereich des Metallbleches 201 gekoppelt ist und die Seitenkante 20b mit mehreren Knoten der Solid-Elemente in dem Schweißbereich des Metallbleches 202 gekoppelt ist. Die Anzahl der Knoten in jedem Schweißbereich, die mit den Seitenkanten 20a und 20b gekoppelt sind, können im Allgemeinen jeweils größer oder gleich eins sein. Jede der Seitenkanten 20a und 20b kann mit sämtlichen Knoten in den jeweiligen Schweißbereichen gekoppelt sein oder kann mit einem Teil der Knoten in den jeweiligen Schweißbereichen gekoppelt sein.
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Außerdem sind mehrere Knoten an jeder der Seitenkanten 20a und 20b in Ausrichtung entlang der Raupenlängsrichtung angeordnet. Die Knoten des Metallbleches 201, die in der Raupenlängsrichtung ausgerichtet sind, sind mit den Knoten der Seitenkante 20a gekoppelt, wobei jede Kopplung in einer beliebigen Kombinationsbeziehung wie eins-zu-eins, mehrere-zu-eins und eins-zu-mehrere ausgebildet sein kann. Die Knoten des Metallbleches 202, die in der Raupenlängsrichtung ausgerichtet sind, sind mit den Knoten der Seitenkante 20b gekoppelt, wobei jede Kopplung in einer beliebigen Kombinationsbeziehung wie eins-zu-eins, mehrere-zu-eins und eins-zu-mehrere ausgebildet sein kann. Jedes Kopplungselement 21 kann parallel zu dem Querschnitt angeordnet sein oder kann derart angeordnet sein, dass es eine individuelle Komponente der Raupenlängsrichtung enthält. Außerdem sind auf der Oberfläche des Schalenelementes 20 zwei Achsen, die orthogonal zueinander sind, definiert, und jeder Knoten der Seitenkante 20b weist einen Rotationsfreiheitsgrad um jede der Achsen auf. Eine Achse parallel zu den Seitenkanten 20a und 20b ist beispielsweise als eine erste Achse definiert (das heißt eine Achse, die sich in der Raupenlängsrichtung erstreckt), und eine Achse orthogonal zu der ersten Achse ist als eine zweite Achse definiert. Die erste Achse und die zweite Achse müssen keine parallele Achse zu der Raupenlängsrichtung enthalten. Das Schalenelement 20 kann eine ebene Flächenfigur sein oder kann eine gekrümmte Flächenfigur sein, und gemeinsame orthogonale Achsen müssen nicht immer über die Gesamtheit der Oberfläche des Schalenelementes 20 definiert sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist es ausreichend, wenn orthogonale Achsen an beliebigen Zielknoten der Seitenkanten 20a und 20b definiert sind, die einen Rotationsfreiheitsgrad um diese aufweisen. Alternativ kann ein Rotationsfreiheitsgrad um eine Normalenachse, die normal zu der Oberfläche des Schalenelementes 20 ist, zu denjenigen um die beiden orthogonalen Achsen hinzugefügt werden, sodass insgesamt drei Rotationsfreiheitsgrade um die jeweiligen Achsen möglich sind. In dem obigen Beispiel sind die Knoten der Seitenkante 20a und die Knoten der Seitenkante 20b Ziele, die mit den Metallblechen 201 und 202 zu koppeln sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es können Knoten, die an beliebigen Positionen an dem Schalenelement 20 angeordnet sind, als Ziele ausgewählt werden. Das heißt, die Solid-Elemente der Metallbleche 201 und 202 können über die Kopplungselemente 21 und 22 mit dem Schalenelement 20 über eine Zwischenknotenverbindung gekoppelt sein.
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Außerdem weist in der vorliegenden Ausführungsform keiner der Knoten der Seitenkante 20a einen Rotationsfreiheitsgrad auf, aber kann einen Rotationsfreiheitsgrad wie jeder Knoten der Seitenkante 20b aufweisen. Alternativ können die Knoten der Seitenkante 20a denselben Rotationsfreiheitsgrad oder dieselben Rotationsfreiheitsgrade unter sich aufweisen, und die Knoten der Seitenkante 20b können denselben Rotationsfreiheitsgrad oder dieselben Rotationsfreiheitsgrade unter sich aufweisen. Eine derartige Definition eines Rotationsfreiheitsgrades oder einer Gestalt des Schalenelementes 20 ändert sich beispielsweise in Abhängigkeit von einem Berechnungszweck, das heißt davon, welche Richtung und auf welchen Abschnitt eines Objektes eine Spannung ausgeübt wird, und welcher Abschnitt des Objektes durch die ausgeübte Spannung beeinflusst wird.
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In einem Fall, in dem, wie es in 1 gezeigt ist, das Schalenelement 20 mit den Solid-Elementen der Metallbleche 201 und 202 über die Kopplungselemente 21 und 22 gekoppelt ist, kann ein Momentenübergang wie unten beschrieben geeignet repräsentiert werden. Es wird angenommen, dass das Metallblech 202 unter Spannung ausbeult, wobei dessen Endfläche auf der Seite der Schweißverbindung gegenüber der Vertikalen der 1 gemäß einem beispielhaften Fall abgelenkt wird. Die Kopplungselemente 22 können um die Knoten des Schalenelementes 20 auf der Seitenkante 20b rotieren, wohingegen die Kopplungselemente 22 nicht um die Knoten der Solid-Elemente des Metallbleches 202 rotieren können. Daher wird die Ablenkung der Endfläche durch einen Übergang derartiger Momente begleitet, wenn diese die Gesamtheit der Kopplungselemente 22 um die Knoten der Seitenkante 20b drehen. In dem Fall, in dem keiner der Knoten der Seitenkante 20a einen Rotationsfreiheitsgrad aufweist, ist es möglich, eine Situation zu simulieren, bei der ein Einfluss bzw. eine Eingabe von dem Metallblech 202 auf das Schalenelement 20 auf den gesamten Bereich des Schalenelementes 20 und das Metallblech 201 übertragen wird. Im Verlaufe dessen wird, wenn die steifen Elemente für die Kopplungselemente 21 oder die Kopplungselemente 22 verwendet werden, ein Verhalten bei einer Bedingung, bei der die Größen und Gestalten der steifen Elemente fest sind, berechnet, wohingegen, wenn die Balkenelemente für die Kopplungselemente 21 oder die Kopplungselemente 22 verwendet werden, ein Verhalten bei einer Bedingung berechnet wird, bei dem mögliche Änderungen der Größen und Gestalten der Balkenelemente in Abhängigkeit von gegebenen Eigenschaften und äußerlichen Bedingungen berücksichtigt werden. Somit kann bei der Modellierung, die in geeigneter Weise Rotationsfreiheitsgrade auf die Knoten, die mit den Kopplungselementen unter Verwendung des Schalenelementes 20 als Modell gekoppelt sind, verteilt, ein Verhalten in der Schweißraupe, das durch die Momente verursacht wird, unter Beschränkungsbedingungen für eine Ablenkung der geschweißten Flächen der Metallbleche 201 und 202 emuliert werden.
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Außerdem bietet die Modellierung unter Verwendung des oben beschriebenen Modells für die Schweißverbindung 203, um Kopplungen mit den Kopplungselementen 21 und 22 zu erzeugen, eine einfache Konfiguration derart, dass die Schweißverbindung 203 einen Momentenübergang unabhängig von den Gestalten der Solid-Elemente der Metallbleche 201 und 202 repräsentieren kann. Daher benötigen die Modellierung und die anschließende Analyse keine übermäßige Berechnungs- und Verarbeitungszeit.
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<Konfiguration der Vorrichtung zum Durchführen der CAE-Analyse>
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2 stellt eine Konfiguration einer Hardware 1 einer Vorrichtung (im Folgenden als „CAE-Analysevorrichtung” bezeichnet) zum Durchführen der CAE-Analyse gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. Die Hardware 1 weist eine Konfiguration einer Computervorrichtung auf, die einen Prozessor 2, ein eingebettetes Medium 3, ein externes Medienlaufwerk 4, ein ROM 5, ein RAM 6, eine Schnittstellenvorrichtung 7 und einen Bus, der diese Komponenten miteinander verbindet, aufweist. Beispiele der Computerkonfiguration enthalten Konfigurationen von Personalcomputern und Konfigurationen gemäß Workstation-Architekturen (Arbeitsstationsarchitekturen).
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Der Prozessor 2 ist als ein allgemeiner Prozessor oder ein zweckgebundener Prozessor implementiert, der ein Programm ausführt, das in das RAM 6 von dem eingebetteten Medium 3, dem externen Medienlaufwerk 4 oder dem ROM 5 geladen wird. Das eingebettete Medium 3 ist ein Speichermedium wie beispielsweise eine magnetische Disc (Scheibe). Das externe Medium ist ein Speichermedium wie beispielsweise eine optische Disc, eine magnetische Disc oder ein nichtflüchtiger Speicher. Die Schnittstellenvorrichtung 7 repräsentiert eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (I/O) für eine externe Verbindungsvorrichtung, eine Kommunikationsschnittstelle und Ähnliches. Mit der Schnittstellenvorrichtung 7 sind beispielsweise eine Anzeigevorrichtung 9a, eine Eingabevorrichtung 9b und eine Druckvorrichtung (nicht gezeigt) zum Durchführen eines Eingabeprozesses eines Nutzers und zum Visualisieren eines Prozesszustands geeignet verbunden. Eine Verbindung mit einem Netzwerk wie beispielsweise einem LAN oder dem Internet kann über die Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden.
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3 ist ein Funktionsblockdiagramm einer CAE-Analysevorrichtung 10, die mittels Hardware 1, die die obige Konfiguration aufweist, und ein Programm zum Ausführen der CAE-Analyse, die miteinander kombiniert werden, implementiert wird. Die Funktionsblöcke enthalten beispielsweise einen CAD-Abschnitt 11, einen Präprozessorabschnitt 12, einen Löserabschnitt 13 und einen Postprozessorabschnitt 14. Der CAD-Abschnitt 11 erzeugt Figurendaten, die ein Objekt repräsentieren, das der CAE-Analyse zu unterziehen ist. Der Präprozessorabschnitt 12 führt eine Modellierung des Objektes auf der Grundlage der gegebenen Daten durch, die von dem CAD-Abschnitt 11 erzeugt werden. Der Präprozessorabschnitt 12 enthält einen CAD-Datenerhalte-abschnitt 12a, einen Modellabbildungsabschnitt 12b, einen Modellkopplungsabschnitt 12c und einen Analyseziel-Maschendatenerzeugungsabschnitt 12d. Der CAD-Datenerhalteabschnitt 12a empfängt Daten, die von dem CAD-Abschnitt 11 erzeugt werden, und wandelt die CAD-Daten in Daten um, die geeignet für den Präprozessorabschnitt 12 formatiert sind. Der Modellabbildungsabschnitt 12b führt beispielsweise die folgenden Prozesse durch. Das heißt, der Modellabbildungsabschnitt 12b führt eine Abbildung auf die Bereiche eines Objektes, das von einem Nutzer bezeichnet wird, in Bezug auf Elementtypen wie beispielsweise Solid-Elemente, Schalenelemente, steife Elemente und Balkenelemente, die Größen dieser Elemente, die Anzahl dieser Elemente und Ähnliches einschließlich einer Hinzufügung von Attributen zu jedem Element wie beispielsweise einen Translationsfreiheitsgrad und einen Rotationsfreiheitsgrad durch. Der Modellkopplungsabschnitt 12c koppelt die Elemente, die von dem Modellabbildungsabschnitt 12b abgebildet werden. Insbesondere bestimmt der Modellkopplungsabschnitt 12c gemäß der vorliegenden Ausführungsform, um das Schalenelement, das für die Schweißverbindung angewendet wird, mit den Solid-Elementen für die Metallbleche 201 und 202 unter Verwendung der Kopplungselemente 21 und 22 zu koppeln, Relativpositionen der Elemente und führt einen Prozess zum Koppeln der Elemente entsprechend den Attributen durch, die von dem Nutzer definiert werden. Der Analyseziel-Maschendatenerzeugungsabschnitt 12d erzeugt und gibt auf der Grundlage der Objektmodelle, die durch den Prozess, der von dem Modellkopplungsabschnitt 12c durchgeführt wird, bestimmt wurden, Maschendaten aus, sodass diese von dem Löserabschnitt 13 analysierbar sind. Der Löserabschnitt 13 führt eine numerische Analyse des Verhaltens von Objekten, die zu analysieren sind, gemäß dem Finite-Elemente-Verfahren in Bezug auf die jeweiligen Maschendaten, die von dem Präprozessorabschnitt 12 ausgegeben werden, durch Anwenden von Anfangsbedingungen und Grenzbedingungen, die von einem Nutzer eingestellt werden, durch. Der Löseabschnitt 13 kann eine numerische Analyse gemäß einem anderen Verfahren wie beispielsweise einem Finite-Differenzen-Verfahren, einem Finite-Volumen-Verfahren und einem Randelementverfahren durchführen. Der Postprozessorabschnitt 14 integriert Ausgänge von Analyseergebnissen des Löserabschnitts 13 in Ausgangsinformationen für einen Nutzer, um eine Visualisierung von Daten, eine statistische Verarbeitung oder Ähnliches durchzuführen.
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Der Prozessor 2, der in 2 gezeigt ist, muss kein Prozessor sein, der allen Prozessen gemeinsam ist. Der CAD-Abschnitt 11, der Präprozessorabschnitt 12, der Löserabschnitt 13 und der Postprozessorabschnitt 14 können jeweils einen zugehörigen Prozessor verwenden, um die Funktionskonfiguration der CAE-Analysevorrichtung 10 zu implementieren. Es kann eine individuelle Vorrichtung für jeden Funktionsblock implementiert werden, oder es kann eine Kombination einer beliebigen Anzahl von Funktionen als eine Vorrichtung betrachtet werden. Der Präprozessorabschnitt 12 kann beispielsweise als eine Vorrichtung betrachtet werden. Alternativ kann eine Funktionskonfiguration einer Kombination aus dem CAD-Abschnitt 11 und dem Präprozessorabschnitt 12 als eine Präprozessorvorrichtung für die CAE-Analyse betrachtet werden.
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<Prozedur des Modellierungsprozesses>
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Im Folgenden wird ein Ablauf eines Prozesses, der von dem Präprozessorabschnitt 12 der CAE-Analysevorrichtung 10 durchgeführt wird, die die obige Konfiguration aufweist, mit Bezug auf die 4 bis 9 beschrieben.
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4 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zeigt, der von dem Präprozessorabschnitt 12 durchgeführt wird. Zunächst empfängt der CAD-Datenerhalteabschnitt 12a des Präprozessorabschnitts 12 in Schritt S1 die CAD-Daten von dem CAD-Abschnitt 11 und wandelt die CAD-Daten in Daten für einen Modellierungsprozess um. Anschließend führt der Modellabbildungsabschnitt 12b in Schritt S2 eine Abbildung von Solid-Elmenten auf der Grundlagen von Daten, die einen zu analysierenden Bereich repräsentieren, entsprechend Metallblechabschnitten wie den Metallblechen 201 und 202, wie es in 5 gezeigt ist, auf den zu analysierenden Bereich durch. Zu diesem Zeitpunkt werden die Größen der Solid-Elemente und die Anzahl der Knoten entsprechend einer Nutzereinstellung bestimmt.
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Anschließend führt der Modellabbildungsabschnitt 12b in Schritt S3 eine Abbildung eines Schalenelementes E1, das der Modellabbildungsabschnitt 12b erzeugt hat und als ein Modell für die Schweißverbindung 203 in dem zu analysierenden Bereich verwendet wird, wie es in 5 gezeigt ist, auf der Grundlage von Daten, die den zu analysierenden Bereich, der der Schweißverbindung 203 entspricht, repräsentieren, und Schweißinformationen, die in den CAD-Daten enthalten sind, durch. Das Schalenelement E1 dient als Schalenelement 20, das die Schweißverbindung emuliert, wie es mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Außerdem fügt der Modellabbildungsabschnitt 12b Informationen über einen Translationsfreiheitsgrad und einen Rotationsfreiheitsgrad als Attribute zu den Knoten, die zum Koppeln verwendet werden, gemäß einer Regel, die von einem Nutzer definiert wird, hinzu. In dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, sind den Knoten der Seitenkante 20a Informationen zum Erlauben von nur drei Translationsfreiheitsgraden hinzugefügt. Den Knoten der Seitenkante 20b sind Informationen zum Erlauben der drei Translationsfreiheitsgrade und Informationen zum Erlauben von Rotationsfreiheitsgraden um jeweilige zwei orthogonale Achsen, die auf der Oberfläche des Schalenelementes definiert sind, oder zum Erlauben von Rotationsfreiheitsgraden um drei Achsen, die eine normale Achse normal zu der Oberfläche des Schalenelementes zusätzlich zu den beiden orthogonalen Achsen enthalten, hinzugefügt.
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Anschließend ordnet der Modellkopplungsabschnitt 12c in Schritt S4 in einem Bereich der Metallblechabschnitte, der zu analysieren ist, mehrere Knoten P2, die auf einem Oberflächenbereich verteilt sind, der in dem Schweißbereich des Metallbleches 202 enthalten ist, und mehrere Knoten P1, die auf einem Oberflächenbereich verteilt sind, der in dem Schweißbereich des Metallbleches 201 enthalten ist, an, wie es in 6 gezeigt ist. In einem Fall beispielsweise, in dem eine Metallblechoberfläche (eine Oberfläche des Metallbleches 202 in der vorliegenden Ausführungsform) vorhanden ist, die eine Schweißverbindung kontaktiert, die eine Schenkellänge in der Metallblechdickenrichtung aufweist, z. B. die Oberfläche, die die Knoten P2 enthält, werden sämtliche Knoten innerhalb des Schweißbereiches der Metallblechoberfläche, die die Schenkellänge aufweist, angeordnet. Außerdem werden beispielsweise in einem Fall, in dem es eine Metallblechoberfläche (eine Oberfläche des Metallbleches 201 in der vorliegenden Ausführungsform) gibt, die eine Schweißverbindung kontaktiert, die eine Schenkellänge in einer Richtung aufweist, die sich von der Metallblechdickenrichtung unterscheidet, z. B. die Oberfläche, die die Knoten P1 enthält, sämtliche Knoten innerhalb des Schweißbereiches der Metallblechoberfläche, die die Schenkellänge aufweist, angeordnet.
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Anschließend koppelt der Modellkopplungsabschnitt 12c in Schritt S5 die angeordneten Knoten in den Schweißbereichen der Metallblechabschnitte und Endabschnittsknoten (die Knoten auf den Seitenkanten 20a und 20b) des Schalenelementes der Schweißverbindung über die Kopplungselemente 21 und 22 miteinander, wie es in 6 gezeigt ist. Als Knoten, die zum Koppeln verwendet werden, kann ein Teil der Knoten unter den angeordneten Knoten, die oben beschrieben wurden, entsprechend einer von einem Nutzer definierten Regel ausgewählt werden, anstatt dass sämtliche angeordneten Knoten ausgewählt werden.
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In Schritt S6 erzeugt der Analyseziel-Maschendatenerzeugungsabschnitt 12d Maschendaten zum Analysieren des Objektes, das wie oben beschrieben modelliert wurde, und gibt diese aus. Somit ist der Prozessfluss der vorliegenden Ausführungsform beendet.
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Der Prozessor 2, der in 2 gezeigt ist, lädt in das RAM 6 ein Programm, das in dem eingebetteten Medium 3, einem externen Medium, das in das externe Medienlaufwerk 4 eingebracht ist, dem ROM 5 oder Ähnlichem gespeichert ist, und führt das Programm aus, wodurch der Modellierungsprozess wie oben beschrieben durchgeführt wird. Außerdem kann der Prozessor 2 das Programm von einem Netzwerk über die Schnittstellenvorrichtung 7 herunterladen und das Programm ausführen. Das Programm kann als ein Paketprodukt zugeführt werden, bei dem das Programm auf einem Speichermedium, beispielsweise einem eingebetteten Medium oder einem externen Medium, fest gespeichert ist.
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Im Folgenden wird die Weise, wie eine Position und ein Winkel, an bzw. mit denen das Schalenelement E1, das für die Schweißverbindung 203 verwendet wird, angeordnet ist, bestimmt werden, mit Bezug auf die 7 bis 9 beschrieben. In den 7 bis 9 sind aus Vereinfachungsgründen die Metallbleche 201 und 202 nicht durch Solid-Elemente dargestellt, sondern es ist nur ein zu analysierender Bereich für die Metallbleche 201 und 202 gezeigt.
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Wie es in 1, 5 und 6 gezeigt ist, wenn ein Objekt mit einer Verbindung zwischen zwei Metallblechflächen, die orthogonal zueinander sind, analysiert wird, wobei die Verbindung mittels Hohlkehlnahtschweißen innerhalb eines Dieders zwischen zwei Metallblechflächen ausgebildet wird, ist das Schalenelement, das für die Schweißverbindung verwendet wird, innerhalb des Dieders mit einer vorbestimmten Neigung zu den beiden Metallblechoberflächen angeordnet.
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In 7 wird ein Querschnitt der Schweißverbindung 203 senkrecht zu der Raupenlängsrichtung derart betrachtet, dass er im Wesentlichen eine rechtwinklige dreieckige Gestalt aufweist. Wenn eine Tangentiallinie L1 zu der Seite der dreieckigen Gestalt, die der Raupenfläche entspricht, gezeichnet wird, sodass die Seite als eine gerade Linie durch die Tangentiallinie L1 angenähert wird, wird ein Winkel θ1 zwischen der Tangentiallinie L1 und einer Bezugsmetallblechfläche (Oberfläche des Metallbleches 202 in der vorliegenden Ausführungsform), die den Schweißbereich aufweist, als ein Winkel festgelegt, der die vorbestimmte Neigung repräsentiert. Die Tangentiallinie L1 wird derart verschoben, dass sie durch die mittlere Position der Metallblechdicke δ auf der Bezugsmetallblechfläche passiert bzw. schneidet. Ein Liniensegment L1' wird aus der verschobenen Tangentiallinie L1 zwischen zwei Metallblechflächen geschnitten, und das Liniensegment L1' definiert einen Ort, bei dem das Schalenelement E1 in dem Querschnitt angeordnet ist. Das heißt, das Liniensegment, das ein Querschnittsprofil der Oberfläche des Schalenelementes E1 senkrecht zu der Raupenlängsrichtung aufweist, befindet sich auf dem Liniensegment L1'.
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8 zeigt zwei Arten von Verfahren, das heißt ein Verfahren, bei dem ein Winkel θ2 zwischen einem Liniensegment L2 und einer Bezugsmetallblechfläche als ein Winkel festgelegt wird, der die vorbestimmte Neigung repräsentiert, und ein Verfahren, bei dem ein Winkel θ3 zwischen einem Liniensegment L3 und der Bezugsmetallblechfläche als ein Winkel eingestellt wird, der die vorbestimmte Neigung repräsentiert. Das Liniensegment L2 ist ein Liniensegment, das durch Verbinden der mittleren Position der Metallblechdicke δ auf der Bezugsmetallblechfläche und der Position, die von der Wurzel des Dreiecks um die Hälfte der Metallblechdicke δ (δ/2) auf der anderen Metallblechfläche entfernt ist, erhalten wird, wobei die andere Metallblechfläche (die Oberfläche des Metallblechs 201 in der vorliegenden Ausführungsform) orthogonal zu der Bezugsmetallblechfläche ist und den anderen Schweißbereich abdeckt. Das heißt, der Winkel θ2 ist gleich 45 Grad. Das Liniensegment L3 ist ein Liniensegment, das durch Verbinden der mittleren Position einer Metallblechdicke δ auf der Bezugsmetallblechfläche und der mittleren Position einer Schenkellänge m der Schweißverbindung 203 auf der anderen Metallblechfläche erhalten wird, wobei die andere Metallblechfläche (die Oberfläche des Metallblechs 201 in der vorliegenden Ausführungsform) orthogonal zu der Bezugsmetallblechfläche ist und den anderen Schweißbereich abdeckt. Das Liniensegment L2 und das Liniensegment L3 werden in ihren jeweiligen Verfahren als Positionen bzw. Orte verwendet, bei denen das Schalenelement E1 auf dem Querschnitt angeordnet ist.
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In 9 ist ein Winkel, der die vorbestimmte Neigung repräsentiert, als ein Winkel θ4 zwischen der Bezugsmetallblechfläche und einem Liniensegment L4 festgelegt, wobei das Liniensegment L4 senkrecht zu einem Segment ist, das sich in einem Abstand von gleich der Nahtdicke t zu der Wurzel des Dreiecks erstreckt. Das heißt, das Liniensegment L4 entspricht dem 45-Grad-Liniensegment, das von der Bezugsmetallblechfläche zu der anderen Metallblechfläche gezogen ist, wenn die Nahtdicke t definiert ist. Somit gilt θ4 = 45 Grad. Das Liniensegment L4 wird als eine Position bzw. Ort verwendet, bei der bzw. dem das Schalenelement E1 auf dem Querschnitt angeordnet ist.
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Die Verfahren zum Anordnen des Schalenelementes E1, wie sie mit Bezug auf die jeweiligen 7 bis 9 beschrieben wurden, zeigen beispielhaft, dass das Schalenelement E1 auf einer gegebenen Flächenfigur angeordnet ist, die die Schweißflächen der jeweiligen beiden Metallbleche 201 und 202 durch den Dieder überbrückt. Somit kann eine Einwirkung bzw. Eingabe auf die Schweißverbindung 203 und ein Übergang der Einwirkungen auf einfache Weise emuliert werden, sodass sie ein tatsächliches Verhalten annähern.
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Oben wurde eine Ausführungsform beschrieben. In der obigen Beschreibung ist ein typisches Hohlkehlnahtschweißen als ein beispielhaftes Schweißverfahren beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch für beliebige Verbindungsarten zum Schweißen zwischen Metallblechen wie beispielsweise eine Blech-an-Blech-Überlappungsverbindung, eine T-förmige Verbindung entlang dem Zusammentreffen der Metallbleche und einer End-zu-End-Stumpfverbindung verwendbar. Außerdem ist die vorliegende Erfindung für ein Objekt verwendbar, bei dem zwei Metallblechflächen, die auf eine beliebige Weise aufeinandertreffen, aneinandergeschweißt werden, oder ein Objekt, bei dem zwei Metallblechflächen auf eine beliebige Weise aneinander anstoßen und aneinander geschweißt werden, und diese Arten können ein allgemeines Hohlkehlnahtschweißen oder ein beliebiges anderes Schweißen benötigen. Außerdem sind die dem Schweißen zu unterziehenden Gegenstände nicht auf Metallbleche beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist für ein Schweißen beliebiger Elemente verwendbar. Außerdem kann in einem Fall, in dem ein Objekt drei oder mehr Elemente enthält, und jede Schweißverbindung, die zwischen zwei Elementen ausgebildet wird, getrennt von einer anderen ist, ein individuelles Schalenelement für jede Schweißverbindung verwendet werden. Für ein Objekt, bei dem drei oder mehr Elemente an einer einzigen Schweißverbindung aneinandergeschweißt sind, können Teile der Schweißverbindung zwischen jeweiligen zwei Elementen separat definiert und unter Verwendung der jeweiligen Schalenelemente modelliert werden. Die Verallgemeinerung ist aus dem Prinzip ersichtlich, bei dem ein Schalenelement in einer Schweißverbindung angeordnet wird und eine Repräsentation eines Momentenübergangs ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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