JP2001116664A - 溶接構造物の疲労強度解析方法 - Google Patents

溶接構造物の疲労強度解析方法

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JP2001116664A
JP2001116664A JP29842299A JP29842299A JP2001116664A JP 2001116664 A JP2001116664 A JP 2001116664A JP 29842299 A JP29842299 A JP 29842299A JP 29842299 A JP29842299 A JP 29842299A JP 2001116664 A JP2001116664 A JP 2001116664A
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fatigue strength
stress
fatigue
welded structure
diagram
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Masao Morikawa
正夫 森川
Toshiharu Nomoto
敏治 野本
Kazuhiro Aoyama
和浩 青山
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JFE Engineering Corp
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NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応力の方向の検出および疲労強度線図の選定
を、人手を介することなくコンピュータの中で自動的に
処理し、溶接線等の検討部位の疲労強度を効率よく実行
できる溶接構造物の疲労強度解析方法を提供する。 【解決手段】 複数個の部材からなる溶接構造物の疲労
強度を解析する方法において、溶接された2つの部材の
形状および溶接方法に基づき、溶接線の各部位につい
て、溶接線に平行な方向に対する疲労強度線図および溶
接線に垂直な方向に対する疲労強度線図をそれぞれ選定
し、この溶接構造物の応力解析結果から前記溶接線に垂
直な方向および平行な方向の応力を求め、これらの応力
を前記疲労強度線図とそれぞれ比較することにより疲労
強度を評価する溶接構造物の疲労強度解析方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、複数個の部材か
らなる溶接構造物の疲労強度を解析する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】疲労設計手法としては、疲労強度線図
(SN曲線)による方法が広く用いられている。この方
法は、応力Sが高い場合、亀裂発生に至る回数NがSの
m乗に反比例し、応力Sがある程度低くなる(疲労限以
下)と亀裂発生に至らないという法則に基づく方法であ
る。応力Sが高い(疲労限以上)場合について式で表す
と、比例係数をaとして、 N=a・S-m と表される。
【0003】この式を、両対数目盛で表すとSN曲線
は、図2に示すように直線で表される。一般に、構造物
の疲労強度線図は、疲労試験により測定され、構造物に
亀裂が発生したときの繰り返し回数を横軸とし、加えた
荷重に対応する応力を縦軸として表した図である。
【0004】継手構造の疲労強度については、基本的に
は、継手形状と荷重の方向により、応力分布が異なる。
例えば、継手の溶接部が問題となる場合、図3に示すよ
うに、種々の継手形状に対して疲労強度線図は異なる。
また、溶接部に垂直な方向の荷重と平行な方向の荷重と
では、亀裂発生状況が異なる。このように、同じ材料で
も継手形状により異なる疲労強度線図を使用し、同じ継
手形状でも荷重の方向により異なる疲労強度線図を使用
する必要がある。
【0005】疲労強度線図による疲労設計手法を、その
解析方法の特徴から分類すると、図4にフロー図で示す
頻度分布法と、図5にフロー図で示すスペクトル法の2
種類となる。
【0006】頻度分布法は、ある対象部位において想定
される応力(振幅が変動する振動等の繰返し応力)につ
いて、応力レベル毎の繰返し回数の分布(頻度)を、疲
労強度線図と比較することにより、疲労の程度(疲労被
害度)を推定する。これは、マイナー則に基づき応力レ
ベルが変動する際の疲労の影響を加算する方法であり、
各応力毎の繰返し回数ni と同じ応力に対する破断回数
i とから、疲労被害度ηi をηi =ni / Ni として
求める。これらの疲労被害度ηi を、各応力レベルiに
ついて合計し、総合的な疲労被害度Σηi (=Σni /
i )が1を超える場合は、その対象部位に疲労亀裂が
発生すると推定するものである。
【0007】スペクトル法は、線形重ね合わせの法則の
成立を前提としており、単位荷重を周期を変化させて載
荷して、構造系の伝達関数を求め、任意の荷重に対し、
そのスペクトル分析に基づき検討する方法である。ここ
では、図6に示すように、縦軸に応力、横軸にその応力
の発生確率を示した応力の長期分布図を作成する。これ
を荷重スペクトルとして、疲労強度線図と比較すること
により、前述と同様マイナー則に基づき、疲労の程度
(疲労被害度)を推定する。
【0008】いずれの方法も、対象となる構造物の構造
モデル、荷重モデルを作成し、有限要素解析を実施する
ことにより、疲労強度を検討する対象部位について、発
生応力を算定するという作業が必要となる。
【0009】特開平6−162149号公報には、構造
物の詳細な疲労寿命評価を実施する疲労寿命評価システ
ムが提案されている。その技術は、構造物の疲労評価に
必要なデータを収納し、これを検索したデータから作成
した疲労評価用曲線、又は他の方法で作成された疲労評
価用曲線を収録しておく。次いで、疲労評価に用いられ
る構造物の応力解析結果の応力値、および各種疲労評価
手法及び応力集中係数等、疲労評価を行なう上で必要と
なる各種データを内蔵し、与えられた情報に従って疲労
評価を実行し、評価結果を記憶して文書を作成する。更
に、これ等のデータ処理を制御して、構造物の疲労評価
のための一連の作業を、会話形式で実行するというもの
である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
従来技術では、疲労強度の検討を実施する際、溶接継手
等の検討対象に適用する疲労強度線図の選定を、手入力
により決定する必要があった。疲労強度線図は、検討対
象に作用する応力の方向により異なるので、実際には、
それらの線図の選定を、応力の方向を見ながらその都度
行うことになる。これをすべての溶接線について実施す
るには、膨大な時間と労力を要するという問題があっ
た。
【0011】そこで、経験上、疲労強度が問題となる部
位のみを検討対象とすることが、試みられている。しか
し、経験のない新しい形式の溶接構造物の疲労強度を検
討する場合、どこが疲労強度上問題となるか、またその
場合、どのような方向に応力が作用するか明確ではない
ので、やはり疲労強度の検討にはかなりの時間と労力が
必要である。
【0012】この発明は、以上のような従来技術の問題
点を解決し、応力の方向の検出および疲労強度線図の選
定を、人手を介することなくコンピュータの中で自動的
に処理し、溶接線等の検討部位の疲労強度を効率よく実
行できる溶接構造物の疲労強度解析方法を提供すること
を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の課題は次の発明に
より解決される。その発明は、複数個の部材からなる溶
接構造物の疲労強度を解析する方法において、溶接され
た2つの部材の形状および溶接方法に基づき、溶接線の
各部位について、溶接線に平行な方向に対する疲労強度
線図および溶接線に垂直な方向に対する疲労強度線図を
それぞれ選定し、この溶接構造物の応力解析結果から前
記溶接線に垂直な方向および平行な方向の応力を求め、
これらの応力を前記疲労強度線図とそれぞれ比較するこ
とにより疲労強度を評価することを特徴とする溶接構造
物の疲労強度解析方法である。
【0014】この発明は、溶接線に平行および垂直な2
つの方向について、疲労強度線図を選定しておく。次い
で、この溶接構造物の応力解析を行い、その結果から溶
接線における応力を平行および垂直な2つの方向に座標
変換する。これらの2つの方向の応力を、それぞれの方
向に対応する疲労強度線図と比較して疲労強度を評価す
る。このように、応力を所定の2方向に座標変換してそ
れぞれ比較することにより、応力の方向を見ながら、疲
労強度線図をその都度選定することを不要としている。
【0015】
【発明の実施の形態】発明の実施に当たっては、溶接構
造物の部材の形状や寸法等の情報、即ち部材情報を用い
て、接合部における部材の接合条件や接合線の長さ等の
情報、即ち接合線情報を準備しておく。その際、疲労強
度線図情報定義11で、接合線情報に2つの方向(溶接
線に平行および垂直)の疲労強度線図の情報を付加して
おく。これらは、図1のフロー図に示すように、溶接構
造物モデル12により定義される。
【0016】次に、溶接構造物の応力解析を行う。応力
解析は種々の方法で可能であるが、一般には有限要素法
構造モデル13を用いるのがよい。有限要素解析14に
より応力解析を行って得られた結果については、変換手
段15で溶接線に作用する応力を溶接線に平行および垂
直な2つの方向に座標変換する。これらの2つの方向の
応力を、それぞれの方向に対応する疲労強度線図20と
比較して疲労強度を評価する。図1では、疲労強度線図
を、溶接構造物モデルに格納しておき、必要に応じて参
照している。
【0017】疲労強度の評価については、前述の頻度分
布法(図4)およびスペクトル法の(図5)のいずれを
用いてもよい。頻度分布法の場合は、図1の応力の変動
幅21の各応力レベル毎の繰返し回数ni と破断回数N
i とから、疲労被害度ηi =ni / Ni の計算22を行
い、疲労被害度の合計23で各応力レベルiについて合
計する(Σηi =Σni / Ni )。
【0018】スペクトル法の場合は、線形重ね合わせの
法則の成立を前提としており、単位荷重による有限要素
解析を、荷重の周期を変化させて実施して、溶接線に垂
直および平行な応力について、それぞれの応力伝達関数
31を作成する。この伝達関数と荷重スペクトラム32
を用いて、それぞれの応力の長期分布(応答パワースペ
クトラム33)を求める。この長期分布(繰返し回数n
i )と疲労強度線図と比較することにより、前述と同様
疲労被害度ηi =ni / Ni の計算34を行い、疲労被
害度の合計35(Σηi =Σni / Ni )を求める。
【0019】なお、この発明を実施する際、部材情報お
よび接合情報をオブジェクトの形式で定義するとよい。
このようにすれば、オブジェクト指向のシステムである
溶接構造物モデルのデータ(オブジェクト)を、そのま
ま利用することができる。また、この発明の疲労強度の
解析方法を、溶接構造物モデルのサブシステムとして組
込むことも可能となる。これ以降、オブジェクト指向の
プログラミング言語を用いて実施する場合について説明
する。このような言語としては、例えば、SmallTalk 等
が知られている。
【0020】溶接構造物を構成する部材オブジェクト
は、位置・寸法・板厚等の自分自身に関する情報を持っ
ている。例えば、「自分の位置は(各頂点のx,y,z 座
標)、板厚○○mm、材質は○○、etc 」という情報を持
っている。同様に、接合オブジェクトについても、「自
分が接合する部材は○○と△△、接合線の長さは○○m
m、溶接方法は○○、etc 」等の情報を持っている。
【0021】この発明では、接合オブジェクトはさらに
疲労強度線図の情報を持っている。これは、接合する部
材の情報と溶接方法の情報から、決定できる。実施する
際は、溶接方法を定義した時点で、その溶接方法に関係
する疲労強度線図を自動的に定義させればよい。その結
果、接合オブジェクトは、「自分が接合する部材は○○
と△△、接合線の長さは○○mm、溶接方法は○○、疲労
強度線図は溶接線に垂直な応力に対しては□、平行な応
力に対しては◇、etc 」等の情報を持つことになる。
【0022】疲労強度線図についても、オブジェクトと
して定義すると、例えば、疲労強度線図◇は、「線図の
係数a◇、線図の傾きm◇、疲労限は繰返し数N◇で応
力S◇」等となる。疲労強度線図の情報は、接合オブジ
ェクトとは別にまとめて管理することが望ましい。それ
により、疲労強度線図の改訂や追加に対して、接合オブ
ジェクト側では、参照する疲労強度線図の記号(番号)
を変更するだけで対応が可能となる。
【0023】オブジェクト指向言語を用いる場合、溶接
構造物の定義をした後、有限要素解析を行う。解析は、
汎用有限要素法のプログラムを用いて、オブジェクト指
向言語の外部で実施する。有限要素解析による応力解析
結果は、再度オブジェクト指向言語による溶接構造物解
析システムに取り込む。その際、各部材の溶接部(接合
線)付近で、応力を溶接線に垂直な方向と平行な方向と
に座標変換する。それ以降は、前述と同様、それぞれの
方向の疲労強度線図と比較して疲労強度を評価する。
【0024】
【発明の効果】この発明は、溶接線に平行および垂直な
2つの方向の応力を、それぞれの方向に対応する疲労強
度線図と比較して疲労強度を評価することにより、応力
の方向を見ながら、疲労強度線図をその都度選定するこ
とを不要としている。その結果、溶接線等の検討部位の
疲労強度を効率よく解析することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態の1例を示すフロー図。
【図2】疲労強度線図の説明図。
【図3】種々の継手形状の疲労強度線図。
【図4】頻度分布法を示すフロー図。
【図5】スペクトル法を示すフロー図。
【図6】応力の長期分布図。
【符号の説明】
11 疲労強度線図情報定義 12 溶接構造物モデル 13 有限要素法構造モデル 14 有限要素解析 15 応力変換手段 20 疲労強度線図 21 応力の変動幅 22 疲労被害度の計算 23 疲労被害度の合計 31 応力伝達関数 32 荷重スペクトラム 33 応答パワースペクトラム 34 疲労被害度の計算 35 疲労被害度の合計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青山 和浩 東京都文京区本郷7丁目3番1号 東京大 学工学部内 Fターム(参考) 2G024 AD50 BA13 BA27 CA11 5B046 DA01 DA02 JA07

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数個の部材からなる溶接構造物の疲労
    強度を解析する方法において、溶接された2つの部材の
    形状および溶接方法に基づき、溶接線の各部位につい
    て、溶接線に平行な方向に対する疲労強度線図および溶
    接線に垂直な方向に対する疲労強度線図をそれぞれ選定
    し、この溶接構造物の応力解析結果から前記溶接線に垂
    直な方向および平行な方向の応力を求め、これらの応力
    を前記疲労強度線図とそれぞれ比較することにより疲労
    強度を評価することを特徴とする溶接構造物の疲労強度
    解析方法。
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