JP2003512180A - 統合化モデルを用いて溶接工程をシミュレートする方法および装置 - Google Patents
統合化モデルを用いて溶接工程をシミュレートする方法および装置Info
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- JP2003512180A JP2003512180A JP2001532927A JP2001532927A JP2003512180A JP 2003512180 A JP2003512180 A JP 2003512180A JP 2001532927 A JP2001532927 A JP 2001532927A JP 2001532927 A JP2001532927 A JP 2001532927A JP 2003512180 A JP2003512180 A JP 2003512180A
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Abstract
(57)【要約】
溶接される材料の応力や歪みを決定するために相互連結ツール（１１４）で相互接続される統合化モデル（１００）を用いて溶接工程をシミュレーションする方法および装置。この方法および装置は、溶接される一組の材料の形状モデルを決定し、有限要素分析メッシュに対して形状モデル（１０２）の要素とノードとの一組の座標を画定し、有限要素分析メッシュ座標を、分析解モデル（１０８）と有限要素分析モデル（１１０）とを含む熱分析モデル（１０６）へ受け渡し、溶接工程の熱履歴を応答的に提供する溶接工程の熱分析を決定することを含む。この方法および装置はさらに、溶接工程の熱履歴を構造分析モデル（１１２）へ受け渡し、溶接工程の構造分析を熱履歴の関数として提供することを含む。
Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、溶接工程をモデル化する方法および装置に、より詳しくは、
溶接工程の熱的および構造的分析を実行するために溶接工程のモデルを統合化す
る方法および装置に関する。
溶接工程の熱的および構造的分析を実行するために溶接工程のモデルを統合化す
る方法および装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
材料を溶接する工程には、被溶接材料への若干の好ましくない影響がある。例
えば、被溶接材料は、溶接工程に起因する極度の熱のため、残留応力や歪みを受
ける。
えば、被溶接材料は、溶接工程に起因する極度の熱のため、残留応力や歪みを受
ける。
【０００３】
従来、材料への溶接工程からの影響を分析し、決定する試みが行われてきた。
特に１つの方法である、有限要素法（ＦＥＭ）は、溶接工程をモデル化するため
に有限要素分析法を使用し、溶接の熱効果を分析するために広く採用されている
。但し、ＦＥＭは、実施するには極めて扱いにくく、非常にコストがかさむ。
特に１つの方法である、有限要素法（ＦＥＭ）は、溶接工程をモデル化するため
に有限要素分析法を使用し、溶接の熱効果を分析するために広く採用されている
。但し、ＦＥＭは、実施するには極めて扱いにくく、非常にコストがかさむ。
【０００４】
溶接工程からの材料への熱の影響を決定するために使用される他の方法は、分
析解を組み入れて溶接工程の熱履歴を決定する。例えば、点熱源解の重ね合わせ
を使用する分析解が開発されている。これらの方法は一般に、従来から使用され
ているような極めて扱いにくい有限要素分析技術が不要であるので、はるかに高
速な分析解手法となる。但し、分析方法は、溶接継手部の形状のような特徴を考
慮しない。さらに、ある用途に対しては両方のタイプの熱モデルを使用すること
が望ましい場合もある。例えば、分析を基礎としたモデルは、高速で包括的な解
を得るために使用し、ＦＥＭは、問題の局所範囲に対して正確な温度モデルを提
供するために使用しても良い。
析解を組み入れて溶接工程の熱履歴を決定する。例えば、点熱源解の重ね合わせ
を使用する分析解が開発されている。これらの方法は一般に、従来から使用され
ているような極めて扱いにくい有限要素分析技術が不要であるので、はるかに高
速な分析解手法となる。但し、分析方法は、溶接継手部の形状のような特徴を考
慮しない。さらに、ある用途に対しては両方のタイプの熱モデルを使用すること
が望ましい場合もある。例えば、分析を基礎としたモデルは、高速で包括的な解
を得るために使用し、ＦＥＭは、問題の局所範囲に対して正確な温度モデルを提
供するために使用しても良い。
【０００５】
本発明は、１つまたはそれ以上の上述のような課題を克服するために向けられ
ている。
ている。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の一形態において、統合化モデルを用いて溶接工程をシミュレーション
する方法が開示される。この方法は、溶接される一組の材料の形状モデルを決定
するステップと、有限要素分析メッシュに対して形状モデルの要素とノードとの
一組の座標を画定するステップと、分析解モデルと有限要素分析モデルとを含む
熱分析モデルへ有限要素分析メッシュ座標を送り出すステップと、溶接工程の熱
履歴を応答的に提供する溶接工程の熱分析を決定するステップとを含む。この方
法はさらに、溶接工程の熱履歴を構造分析モデルへ送り出すステップと、溶接工
程の構造分析を熱履歴の関数として提供するステップとを含む。
する方法が開示される。この方法は、溶接される一組の材料の形状モデルを決定
するステップと、有限要素分析メッシュに対して形状モデルの要素とノードとの
一組の座標を画定するステップと、分析解モデルと有限要素分析モデルとを含む
熱分析モデルへ有限要素分析メッシュ座標を送り出すステップと、溶接工程の熱
履歴を応答的に提供する溶接工程の熱分析を決定するステップとを含む。この方
法はさらに、溶接工程の熱履歴を構造分析モデルへ送り出すステップと、溶接工
程の構造分析を熱履歴の関数として提供するステップとを含む。
【０００７】
（発明を実施するための最良の形態）
図１を参照するに、溶接工程のシミュレーション分析を実行するための一組の
統合化モデル１００の好ましい実施形態を例示するブロック図が示される。統合
化モデル１００は共に働いて溶接工程で溶接される材料の応力および歪みを決定
する。これらの応力や歪みは材料の強度や特性に悪影響がある。ゆえに、応力や
歪みをモデル化し、モデルからの情報を用いて、溶接の悪影響を最小限に抑え得
る方法を決定することが望ましい。
統合化モデル１００の好ましい実施形態を例示するブロック図が示される。統合
化モデル１００は共に働いて溶接工程で溶接される材料の応力および歪みを決定
する。これらの応力や歪みは材料の強度や特性に悪影響がある。ゆえに、応力や
歪みをモデル化し、モデルからの情報を用いて、溶接の悪影響を最小限に抑え得
る方法を決定することが望ましい。
【０００８】
好ましい実施形態において、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）
のような相互連結ツール１１４は、モデルを作業モデルの統合化ネットワークへ
相互連結して材料の応力および歪みを決定する。この相互連結ツール１１４は、
コンピュータを基礎にしているのが好ましいが、自動的に、マニュアル介入を通
じて、または二種類の動作モードの組合せで動作するように構成しても良い。例
えば、相互連結ツール１１４は、モデル化機能を調整すると共に、任意の所期時
間にシステムを無効にするか、または追加情報を入力する人間へその状況および
結果を表示する。
のような相互連結ツール１１４は、モデルを作業モデルの統合化ネットワークへ
相互連結して材料の応力および歪みを決定する。この相互連結ツール１１４は、
コンピュータを基礎にしているのが好ましいが、自動的に、マニュアル介入を通
じて、または二種類の動作モードの組合せで動作するように構成しても良い。例
えば、相互連結ツール１１４は、モデル化機能を調整すると共に、任意の所期時
間にシステムを無効にするか、または追加情報を入力する人間へその状況および
結果を表示する。
【０００９】
形状モデラ１０２は、溶接される材料の形状モデルを決定する。好ましくは、
形状モデラ１０２は、モデルから材料の不要な特徴を除去することによって形状
を単純化する。このような特徴の例は、これらに限定するものではないが、面、
穴、僅かな凹凸などを含む。
形状モデラ１０２は、モデルから材料の不要な特徴を除去することによって形状
を単純化する。このような特徴の例は、これらに限定するものではないが、面、
穴、僅かな凹凸などを含む。
【００１０】
形状モデルデータは、次に、メッシュツール１０４へ受け渡される。メッシュ
ツール１０４は、好ましくは、メッシュを構成する要素とノードとに対する座標
を画定することによって、有限要素分析メッシュを生成するために使用される。
メッシュ座標を使用する有限要素分析技術については、技術上周知であるので、
さらに説明しない。
ツール１０４は、好ましくは、メッシュを構成する要素とノードとに対する座標
を画定することによって、有限要素分析メッシュを生成するために使用される。
メッシュ座標を使用する有限要素分析技術については、技術上周知であるので、
さらに説明しない。
【００１１】
熱分析モデル１０６は、溶接工程中に材料の熱分析を行うために使用する。好
ましい実施形態において、熱分析モデル１０６は、少なくとも２種類のモデルを
含む。分析解モデル１０８は、溶接工程に起因する歪みの包括的解に対する、熱
工程の、すなわち溶接工程の、高速分析解を提供する。有限要素分析モデル１１
０は、溶接工程からの残留応力についての局所詳細分析を提供する。
ましい実施形態において、熱分析モデル１０６は、少なくとも２種類のモデルを
含む。分析解モデル１０８は、溶接工程に起因する歪みの包括的解に対する、熱
工程の、すなわち溶接工程の、高速分析解を提供する。有限要素分析モデル１１
０は、溶接工程からの残留応力についての局所詳細分析を提供する。
【００１２】
好ましい実施形態において、分析解モデル１０８は、溶接工程に基づく熱入力
、および材料の断熱境界条件から決定された反射熱源から得られる点熱源の解を
決定する。総分析解は、全ての点熱源の重ね合わせにより決定される。断熱境界
条件から反射熱源を得る原理は、技術上周知であるので、さらに詳述しない。分
析解モデル１０８は、全溶接工程に対する高速解を提供する。但し、その解は、
あまり精細ではない。したがって、分析解モデル１０８は典型的に、高速且つ包
括的な解が必要な場合に使用され、高い精細度は不要である。
、および材料の断熱境界条件から決定された反射熱源から得られる点熱源の解を
決定する。総分析解は、全ての点熱源の重ね合わせにより決定される。断熱境界
条件から反射熱源を得る原理は、技術上周知であるので、さらに詳述しない。分
析解モデル１０８は、全溶接工程に対する高速解を提供する。但し、その解は、
あまり精細ではない。したがって、分析解モデル１０８は典型的に、高速且つ包
括的な解が必要な場合に使用され、高い精細度は不要である。
【００１３】
有限要素分析モデル１１０は、有限要素分析メッシュの所望ノードおよび要素
座標のそれぞれにおける条件についての数値演算を採用する。有限要素分析モデ
ルは、計算上冗長且つ集約的となる傾向がある。したがって、有限要素分析モデ
ル１１０は、一般に、モデルの特定部分の詳細分析が必要な場合にのみ使用され
る。
座標のそれぞれにおける条件についての数値演算を採用する。有限要素分析モデ
ルは、計算上冗長且つ集約的となる傾向がある。したがって、有限要素分析モデ
ル１１０は、一般に、モデルの特定部分の詳細分析が必要な場合にのみ使用され
る。
【００１４】
熱分析モデル１０６からの情報は熱履歴にコンパイルされ、構造分析モデル１
１２へ受け渡される。さらに、メッシュツール１０４によって提供された有限要
素メッシュは構造分析モデル１１２へ受け渡される。相互連結は、相互連結ツー
ル１１４で自動的に確立される。好ましい実施形態において、インターフェース
モジュール１１６によって熱履歴は熱分析モデル１０６から構造分析モデル１１
２へ受け渡される。好ましくは、インターフェースモジュール１１６は、相互連
結ツール１１４から自動化され、分析解モデル１０８、有限要素分析モデル１１
０、またはその両方からの熱解を構造分析モデル１１２へ間断なく接続するよう
になっている。
１２へ受け渡される。さらに、メッシュツール１０４によって提供された有限要
素メッシュは構造分析モデル１１２へ受け渡される。相互連結は、相互連結ツー
ル１１４で自動的に確立される。好ましい実施形態において、インターフェース
モジュール１１６によって熱履歴は熱分析モデル１０６から構造分析モデル１１
２へ受け渡される。好ましくは、インターフェースモジュール１１６は、相互連
結ツール１１４から自動化され、分析解モデル１０８、有限要素分析モデル１１
０、またはその両方からの熱解を構造分析モデル１１２へ間断なく接続するよう
になっている。
【００１５】
構造分析モデル１１２は、溶接工程中に材料についてのさらなる分析を提供す
る。典型的に、溶接中の材料の挙動は分析され、モデル化される。分析された特
徴の例は、これらに限定されるものではないが、材料の溶融および再溶融、材料
の相転移、複数溶接パスの周期的効果等を含む。材料の応力や歪みは、構造分析
モデルによって決定される。好ましくは、決定された応力や歪みは、さらに分析
され、次に、溶接工程を修正して溶接に伴う極度な熱の悪影響を低減するために
使用されても良い。
る。典型的に、溶接中の材料の挙動は分析され、モデル化される。分析された特
徴の例は、これらに限定されるものではないが、材料の溶融および再溶融、材料
の相転移、複数溶接パスの周期的効果等を含む。材料の応力や歪みは、構造分析
モデルによって決定される。好ましくは、決定された応力や歪みは、さらに分析
され、次に、溶接工程を修正して溶接に伴う極度な熱の悪影響を低減するために
使用されても良い。
【００１６】
（産業上の利用可能性）
本発明の応用例として、図２を参照するに、フロー図は本発明の好ましい方法
を例示している。
を例示している。
【００１７】
第１の制御ブロック２０２において、溶接される一組の材料の形状モデルが決
定される。第２の制御ブロック２０４において、形状モデルの要素とノードとの
一組の座標が有限要素分析メッシュに対して画定される。第３の制御ブロック２
０６において、有限要素分析メッシュ座標が熱分析モデル１０６へ受け渡される
。好ましい実施形態において、熱分析モデル１０６は分析解モデル１０８と有限
要素分析モデル１１０とを含む。
定される。第２の制御ブロック２０４において、形状モデルの要素とノードとの
一組の座標が有限要素分析メッシュに対して画定される。第３の制御ブロック２
０６において、有限要素分析メッシュ座標が熱分析モデル１０６へ受け渡される
。好ましい実施形態において、熱分析モデル１０６は分析解モデル１０８と有限
要素分析モデル１１０とを含む。
【００１８】
第４の制御ブロック２０８において、溶接工程の熱分析は、分析解モデル１０
８および有限要素分析モデル１１０のうち少なくとも一方の関数として決定され
る。熱分析は、溶接工程の熱履歴を提供するのが好ましい。第５の制御ブロック
２１０において、溶接工程の熱履歴は構造分析モデル１１２へ受け渡される。第
６の制御ブロック２１２において、溶接工程の構造分析を熱履歴の関数として提
供される。好ましくは、構造分析は、溶接工程に起因する応力や歪みに関わる情
報を含む。この情報を用いて、溶接工程を修正し、次の溶接中に生成される応力
や歪みを最小限に抑える方法や技術を展開させても良い。
８および有限要素分析モデル１１０のうち少なくとも一方の関数として決定され
る。熱分析は、溶接工程の熱履歴を提供するのが好ましい。第５の制御ブロック
２１０において、溶接工程の熱履歴は構造分析モデル１１２へ受け渡される。第
６の制御ブロック２１２において、溶接工程の構造分析を熱履歴の関数として提
供される。好ましくは、構造分析は、溶接工程に起因する応力や歪みに関わる情
報を含む。この情報を用いて、溶接工程を修正し、次の溶接中に生成される応力
や歪みを最小限に抑える方法や技術を展開させても良い。
【００１９】
本発明の他の形態、目的および特徴は、図面、明細書および添付した特許請求
の範囲の検討によって得られることができる。
の範囲の検討によって得られることができる。
【図１】
本発明の好ましい実施形態を例示するブロック図である。
【図２】
本発明の好ましい方法を例示するフロー図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 アショク ナンジュンダン
アメリカ合衆国 61874 イリノイ州 サ
ボイ バターカップ ドライブ 206
(72)発明者 シアオ チェン
アメリカ合衆国 61614 イリノイ州 ピ
オリア ノース ノックスビル アベニュ
ー 5250 アパートメント 315
Claims (9)
- 【請求項１】 溶接される材料の応力および歪みを決定するために相互連結
ツール（１１４）によって相互連結される統合化モデル（１００）を用いて溶接
工程をシミュレートする方法であって、 材料の形状モデルを決定するステップと、 有限要素分析メッシュに対して形状モデル（１０２）の要素とノードとの一組
の座標を画定するステップと、 分析解モデル（１０８）と有限要素分析モデル（１１０）とを含む熱分析モデ
ル（１００）へ有限要素分析メッシュ座標を送り出すステップと、 包括的歪み分析のために溶接工程の熱履歴を提供するようにした分析解モデル
（１０８）、および詳細残留応力分析のために溶接工程の熱履歴を提供するよう
にした有限要素分析モデル（１１０）のうち少なくとも一方の関数として溶接工
程の熱分析を決定するステップと、 溶接工程の熱履歴を構造分析モデル（１１２）へ送り出すステップと、 溶接工程の構造分析を熱履歴の関数として提供するステップと、 を備えることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 詳細残留応力分析のために溶接工程の熱履歴を提供するステ
ップは、溶接工程の特定部分に対する溶接工程の熱履歴を提供するステップを含
むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 溶接工程の構造分析を提供するステップは、溶接工程中に溶
接される材料の一組の特性をモデル化するステップを含むことを特徴とする請求
項１に記載の方法。 - 【請求項４】 材料の特性は残留応力および歪みを含むことを特徴とする請
求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 分析解モデル（１０８）の関数として溶接工程の熱分析を決
定するステップは、 溶接される材料の一組の断熱境界条件を決定するステップと、 断熱境界条件の関数として一組の反射熱源を決定するステップと、 反射熱源の関数として一組の点熱源を決定するステップと、 点熱源の重ね合わせから総分析解を決定するステップと、 を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項６】 有限要素分析モデル（１１０）の関数として溶接工程の熱分
析を決定するステップは、有限要素分析メッシュのそれぞれの所望ノードおよび
要素座標における条件についての一組の数値演算を決定するステップを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項７】 溶接工程の熱履歴を構造分析モデル（１１２）へ送り出すス
テップは、インターフェースモジュール（１１６）によって熱履歴を送り出すス
テップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項８】 溶接される材料の応力および歪みを決定するために相互連結
ツール（１１４）によって相互連結される統合化モデル（１００）を用いて溶接
工程をシミュレートする装置であって、 材料の形状モデルを決定するようにした形状モデラ（１０２）と、 有限要素分析メッシュに対して形状モデル（１０２）の要素とノードとの一組
の座標を画定するようにしたメッシュツール（１０４）と、 有限要素分析メッシュを受け、溶接工程の熱分析を決定し、応答的に溶接工程
の熱履歴を提供するようにした熱分析モデル（１０６）であって、包括的歪み分
析のために溶接工程の熱履歴を提供するようにした分析解モデル（１０８）と、
詳細残留応力分析のために溶接工程の熱履歴を提供するようにした有限要素分析
モデル（１１０）とを含む、熱分析モデル（１０６）と、 熱履歴の関数として溶接工程の構造分析を提供するようにした構造分析モデル
（１１２）と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項９】 相互連結ツール（１１４）はグラフィカル・ユーザ・インタ
ーフェースであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16181699P | 1999-10-27 | 1999-10-27 | |
| US60/161,816 | 1999-10-27 | ||
| PCT/US2000/025958 WO2001030532A1 (en) | 1999-10-27 | 2000-09-21 | Method and apparatus for providing a simulation of a welding process using integrated models |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003512180A true JP2003512180A (ja) | 2003-04-02 |
Family
ID=22582873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001532927A Withdrawn JP2003512180A (ja) | 1999-10-27 | 2000-09-21 | 統合化モデルを用いて溶接工程をシミュレートする方法および装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1242211A1 (ja) |
| JP (1) | JP2003512180A (ja) |
| CA (1) | CA2384010A1 (ja) |
| WO (1) | WO2001030532A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005093612A1 (ja) * | 2004-03-29 | 2005-10-06 | Osaka Industrial Promotion Organization | 溶接変形算出方法、溶接変形算出装置、コンピュータプログラム、及び記録媒体 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2401699B (en) * | 2001-12-20 | 2005-05-25 | Caterpillar Inc | Load bearing member arrangement and method |
| US7165929B2 (en) | 2001-12-20 | 2007-01-23 | Caterpillar Inc | Load bearing member arrangement and method |
| EP1665146B1 (en) * | 2003-09-12 | 2008-12-17 | Volvo Aero Corporation | Optimisation of sequential combinatorial processes |
| CN101633073B (zh) * | 2009-08-21 | 2011-03-30 | 长沙金阳机械设备科技开发有限公司 | 汽车起重机副臂连接支座焊接工艺 |
| JP2011159213A (ja) * | 2010-02-03 | 2011-08-18 | Hitachi Ltd | 溶接変形解析方法 |
| CN103008827B (zh) * | 2012-12-05 | 2015-06-17 | 天津大学 | 一种应用于水环境中焊接物理场耦合的系统分析方法 |
| CN103273207A (zh) * | 2013-04-12 | 2013-09-04 | 广东工业大学 | 基于残余应力定量化分析的消除压力机机身焊接变形的方法 |
| US9606527B2 (en) | 2014-06-30 | 2017-03-28 | Caterpillar Inc. | Automated fabrication system implementing 3-D void modeling |
| CN104820781B (zh) * | 2015-05-06 | 2017-09-29 | 北京航空航天大学 | 考虑温循载荷顺序加载影响的bga焊点热疲劳寿命预测方法 |
-
2000
- 2000-09-21 WO PCT/US2000/025958 patent/WO2001030532A1/en not_active Application Discontinuation
- 2000-09-21 CA CA002384010A patent/CA2384010A1/en not_active Abandoned
- 2000-09-21 JP JP2001532927A patent/JP2003512180A/ja not_active Withdrawn
- 2000-09-21 EP EP00963707A patent/EP1242211A1/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| WO2005093612A1 (ja) * | 2004-03-29 | 2005-10-06 | Osaka Industrial Promotion Organization | 溶接変形算出方法、溶接変形算出装置、コンピュータプログラム、及び記録媒体 |
| US7734450B2 (en) | 2004-03-29 | 2010-06-08 | Osaka Industrial Promotion Organization | Welding deformation computing method, welding deformation computing device, and computer program product |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2001030532A1 (en) | 2001-05-03 |
| EP1242211A1 (en) | 2002-09-25 |
| CA2384010A1 (en) | 2001-05-03 |
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