JP2008292206A - Crack propagation prediction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物に発生した亀裂の進展を予測することが可能な亀裂伝播予想方法に関する。 The present invention relates to a crack propagation prediction method capable of predicting the progress of a crack generated in a structure.
船舶、クレーン、橋梁等の大型溶接構造物は、その供用期間が短いものでは１０年程度、長いものでは５０年から１００年に及ぶものもある。
これらの大型溶接構造物では、共用期間中に繰返し荷重を受けて、溶接部等を起点とする疲労亀裂が発生・伝播することがある。大型構造物の構造健全性を確保するために、定期的な検査により亀裂を発見することが重要である。亀裂の発見が遅れると構造物の崩壊や貨油流出等の災害を引き起こす場合もある。
Some large welded structures such as ships, cranes, bridges, etc., have a short service period of about 10 years, and long ones range from 50 to 100 years.
In these large-sized welded structures, fatigue cracks originating from the welded part may occur and propagate due to repeated loads during the common period. In order to ensure the structural integrity of large structures, it is important to detect cracks by regular inspection. If the discovery of cracks is delayed, it may cause disasters such as collapse of structures and oil spills.
溶接部を基点とした疲労亀裂の進展を予想できれば、構造健全性を高めることができる。このような要請に対応して、溶接構造物のＦＥＭ（finite element method：有限要素法）解析により、亀裂の伝播経路および伝播寿命を予測する計算手法が開発されている（非特許文献１参照）。 If the progress of fatigue cracks based on the weld can be predicted, the structural integrity can be improved. In response to such a demand, a calculation method for predicting the propagation path and propagation life of a crack by FEM (finite element method) analysis of a welded structure has been developed (see Non-Patent Document 1). .
この方法では、亀裂の進展する領域のみ亀裂進展に応じて自動的に要素分割を行い、繰返し計算により亀裂の伝播挙動を予測することができる。
また、溶接構造物への適用を考慮して、計測もしくは残留応力解析により求めた溶接残留応力分布を、亀裂進展領域に付与することで溶接残留応力に伴う亀裂の加速遅延を予測できる。
In addition, considering the application to a welded structure, it is possible to predict the acceleration delay of cracks due to the residual welding stress by applying the residual welding stress distribution obtained by measurement or residual stress analysis to the crack propagation region.
しかしながら、上述した技術では、亀裂の進展領域において、溶接残留応力を簡易的に付与するに過ぎないので、溶接残留応力に伴う亀裂の加速遅延を正確に予測することができない。すなわち、亀裂進展の予測精度が低下するという問題がある。 However, in the above-described technique, since the welding residual stress is simply applied in the crack propagation region, the acceleration delay of the crack accompanying the welding residual stress cannot be accurately predicted. That is, there is a problem that the prediction accuracy of crack growth is lowered.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、溶接残留応力を考慮しつつ、予測精度の向上を図ることが可能な亀裂伝播予想方法を提案することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to propose a crack propagation prediction method capable of improving prediction accuracy while considering welding residual stress.
本発明に係る亀裂伝播予想方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、複数の部材が溶接接合された溶接構造体に発生した疲労亀裂の伝播予測方法であって、前記溶接構造体に亀裂を設けた解析モデルにおいて、前記亀裂先端の開口モード及び面内せん断モードの応力拡大係数を求める第一工程と、前記溶接構造体に前記亀裂が存在しない解析モデルにおいて、溶接接合部近傍に発生する残留応力を求める第二工程と、前記第一工程と前記第二工程の結果に基づいて前記亀裂の進展を求める第三工程と、を有することを特徴とする。
The crack propagation prediction method according to the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The present invention relates to a method for predicting the propagation of fatigue cracks generated in a welded structure in which a plurality of members are welded, and in an analysis model in which a crack is formed in the welded structure, the opening mode and in-plane of the crack tip A first step for determining a stress intensity factor in a shear mode; a second step for determining a residual stress generated in the vicinity of a welded joint in the analysis model in which the crack does not exist in the welded structure; the first step and the first step And a third step for determining the progress of the crack based on the result of two steps.
また、前記第二工程は、固有応力法により前記残留応力を求める工程を有することを特徴とする。
また、前記第二工程は、前記残留応力を求める工程に先立って、前記溶接接合部に付加される溶接温度から熱歪を求める工程を有することを特徴とする。
Further, the second step includes a step of obtaining the residual stress by an intrinsic stress method.
Further, the second step has a step of obtaining a thermal strain from a welding temperature applied to the weld joint prior to the step of obtaining the residual stress.
また、前記第一工程は、重ね合わせ法により前記応力拡大係数を求める工程を有することを特徴とする。
また、前記第三工程は、前記亀裂の進展速度を求める工程を有することを特徴とする。
また、前記第一工程から前記第三工程を複数回繰り返すことを特徴とする。
Moreover, said 1st process has the process of calculating | requiring the said stress intensity | strength coefficient by the superposition method, It is characterized by the above-mentioned.
In addition, the third step includes a step of obtaining a progress rate of the crack.
Further, the third process is repeated a plurality of times from the first process.
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
複数の部材が溶接接合された溶接構造体に発生した疲労亀裂の伝播を予測する方法において、亀裂の進展を求める際に、溶接接合部近傍に発生する残留応力を求めるので、残留応力の影響を考慮した亀裂進展を高精度に求めることができる。
したがって、疲労亀裂に対して、適切な時期に適切な措置を講ずることが可能となり、甚大な被害の発生を未然にかつ確実に回避することができる。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
In the method of predicting the propagation of fatigue cracks in welded structures where multiple members are welded, the residual stress generated in the vicinity of the welded joint is calculated when determining the crack propagation. It is possible to obtain the crack growth in consideration with high accuracy.
Therefore, it becomes possible to take an appropriate measure at an appropriate time with respect to the fatigue crack, and it is possible to reliably and reliably avoid the occurrence of enormous damage.
以下、本発明に係る亀裂伝播予想方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る亀裂伝播予想方法を示すフロー図である。
図２は、溶接構造物の解析モデルＡを示す斜視図である。
図３は、亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３を示す図である。
Hereinafter, an embodiment of a crack propagation prediction method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart showing a crack propagation prediction method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an analysis model A of a welded structure.
FIG. 3 is a diagram showing crack propagation regions B1 to B3.
例えば、船舶、クレーン、橋梁等の大型の溶接構造物の一部に、亀裂が発生した場合には、この亀裂の伝播（進展経路等）を予想して、溶接構造物の損傷拡大（船舶の場合には、例えば、船舶内への海水の浸入等）が生じないように、亀裂の伝播を予想して最適な対策を講ずる必要がある。
そこで、溶接構造物における亀裂の進展を有限要素法(ＦＥＭ：Finite Element Method)を用いて解析して、亀裂の伝播を予想する。なお、有限要素解析コードとしては、例えば、ＭＳＣ／Ｎａｓｔｒａｎ（登録商標）等を用いることができる。
For example, if a crack occurs in a part of a large welded structure such as a ship, crane, bridge, etc., the propagation of this crack (propagation path, etc.) is expected, and the damage of the welded structure is expanded (the ship's In this case, for example, it is necessary to take an optimal measure in anticipation of crack propagation so that seawater does not enter the ship.
Therefore, the propagation of cracks in a welded structure is analyzed using a finite element method (FEM) to predict the propagation of cracks. For example, MSC / Nastran (registered trademark) can be used as the finite element analysis code.
図１に示すように、本実施形態に係る亀裂伝播予想方法では、まず、ステップＳ１において、解析対象である溶接構造物の三次元解析モデルＡを作成する。
解析モデルＡ（溶接構造物）は、図２に示すように、複数の鉄鋼部材（ａ１〜ａ４等）を接合して形成されたものである。例えば、ウェブａ１に対してフェースａ２が略直角するように組み合わされて、Ｔ字形（Ｔ継手）に溶接されている。更に、シェルａ３がウェブａ１に略直角するように組み合わされて、Ｔ字形に溶接されている。つまり、ウェブａ１，フェースａ２シェルａ３が、断面Ｈ字形となるように溶接されている。
また、フェースａ２には、ウェブａ１とは反対側の面でウェブａ１に対応する位置に、リブａ４が略直角するように溶接されている。
なお、ウェブａ１，フェースａ２，シェルａ３及びリブａ４の各溶接は、例えば、すみ肉溶接となっている。
As shown in FIG. 1, in the crack propagation prediction method according to the present embodiment, first, in step S1, a three-dimensional analysis model A of a welded structure to be analyzed is created.
As shown in FIG. 2, the analysis model A (welded structure) is formed by joining a plurality of steel members (a1 to a4, etc.). For example, the face a2 is combined so as to be substantially perpendicular to the web a1, and is welded to a T-shape (T joint). Further, the shell a3 is combined so as to be substantially perpendicular to the web a1, and is welded in a T-shape. That is, the web a1 and the face a2 shell a3 are welded so as to have an H-shaped cross section.
Further, the rib a4 is welded to the face a2 at a position corresponding to the web a1 on the surface opposite to the web a1 so as to be substantially perpendicular.
Each welding of the web a1, the face a2, the shell a3, and the rib a4 is, for example, fillet welding.
そして、解析モデルＡのうち、ウェブａ１及びフェースａ２には、仮想亀裂Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３が設けられる（図３参照）。亀裂Ｃ１〜Ｃ３は、フェースａ２とリブａ４の溶接接合部Ｓの先端部に設けられる。溶接接合部Ｓの先端部は、特に応力が集中して疲労による亀裂が発生しやすい部位である。
亀裂Ｃ１は、ウェブａ１に発生した亀裂であって、溶接接合部Ｓからシェルａ３に向かって伸びるように形成されている。また、亀裂Ｃ２，Ｃ３は、フェースａ２に発生した亀裂であって、溶接接合部Ｓからフェースａ２の両側外縁に向かって伸びるように形成されている。なお、亀裂Ｃ２，Ｃ３は、リブａ４を挟んで対称に形成されている。
つまり、亀裂Ｃ１〜Ｃ３は、溶接接合部ＳからＴ字形になるように形成されている。
In the analysis model A, the web a1 and the face a2 are provided with virtual cracks C (C1 to C3 (see FIG. 3). The cracks C1 to C3 are the tips of the welded joint S between the face a2 and the rib a4. The tip of the welded joint S is a part where stress is particularly concentrated and cracks due to fatigue are likely to occur.
The crack C1 is a crack generated in the web a1, and is formed to extend from the weld joint S toward the shell a3. The cracks C2 and C3 are cracks generated in the face a2, and are formed so as to extend from the weld joint S toward the outer edges on both sides of the face a2. The cracks C2 and C3 are formed symmetrically across the rib a4.
That is, the cracks C1 to C3 are formed so as to be T-shaped from the weld joint S.
次に、ステップＳ２において、解析モデルＡのうち、亀裂Ｃ１〜Ｃ３のそれぞれが伝播すると想定される領域を亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３として設定する。
亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３を設定するのは、この領域Ｂ１〜Ｂ３の要素分割（メッシュ処理）を、他の領域の要素分割とは異ならせるためである。すなわち、亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３のメッシュ処理を、他の領域のメッシュ処理よりも微細化することで、亀裂Ｃ１〜Ｃ３の伝播を高精度かつ効率的に解析する。
具体的には、図３に示すように、ウェブａ１及びフェースａ２のうち、亀裂Ｃ１〜Ｃ３を含む領域を、亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３に設定する。
Next, in step S2, an area in which cracks C1 to C3 are assumed to propagate in analysis model A is set as crack propagation areas B1 to B3.
The reason why the crack propagation regions B1 to B3 are set is to make the element division (mesh processing) of the regions B1 to B3 different from the element division of other regions. In other words, the propagation of the cracks C1 to C3 is analyzed with high accuracy and efficiency by making the mesh processing of the crack propagation regions B1 to B3 finer than the mesh processing of other regions.
Specifically, as shown in FIG. 3, areas including the cracks C1 to C3 in the web a1 and the face a2 are set as crack propagation areas B1 to B3.
そして、ステップＳ３において、解析モデルＡのメッシュ（要素分割）処理を行う（図２，図５参照）。上述したように、亀裂進展領域Ｂ１〜Ｂ３は、他の領域に比べて、メッシュ処理が微細化される。
なおメッシュ処理は、き裂進展量に応じて要素自動分割プログラムによって自動的に行われる。
In step S3, the analysis model A is subjected to mesh (element division) processing (see FIGS. 2 and 5). As described above, in the crack propagation regions B1 to B3, the mesh processing is made finer than other regions.
The mesh processing is automatically performed by an automatic element division program according to the crack growth amount.
次に、ステップＳ４〜Ｓ６において、解析モデルＡを用いて、亀裂Ｃの先端における応力拡大係数ＫＩ，ＫIIを求める。ここで、ＫＩ、ＫIIは、それぞれ開口モード，面内せん断モードに対応している。
ところで、亀裂Ｃ先端の応力拡大係数Ｋ（ＫＩ，ＫII）を正確に求めるには、亀裂Ｃ先端のメッシュ処理をできるだけ小さく設定する必要がある。しかし、徒に演算時間が長くなってしまう等の問題がある。
そこで、重ね合わせ法を用いて亀裂Ｃ先端の応力拡大係数Ｋ（ＫＩ，ＫII）を求める。すなわち、ステップＳ４の基本応力場解析により求められる解析解及びステップＳ５の実荷重条件解析により求められる有限要素解に基づいて、ステップＳ６において重ね合わせ法により亀裂Ｃ先端の応力拡大係数Ｋを算出する。重ね合わせ法を用いることにより、効率的、かつ、高精度に応力拡大係数Ｋを算出することができる。
Next, in steps S4 to S6, using the analysis model A, the stress intensity factors KI and KII at the tip of the crack C are obtained. Here, KI and KII correspond to the opening mode and the in-plane shear mode, respectively.
Incidentally, in order to accurately obtain the stress intensity factor K (KI, KII) at the tip of the crack C, it is necessary to set the mesh processing at the tip of the crack C as small as possible. However, there are problems such as a long calculation time.
Therefore, the stress intensity factor K (KI, KII) at the tip of the crack C is obtained by using the superposition method. That is, based on the analytical solution obtained by the basic stress field analysis of step S4 and the finite element solution obtained by the actual load condition analysis of step S5, the stress intensity factor K at the tip of the crack C is calculated by the superposition method in step S6. . By using the superposition method, the stress intensity factor K can be calculated efficiently and with high accuracy.
図４は、解析モデルＡに加えられる実荷重条件を説明するための図である。
解析モデルＡに加えられる実荷重条件としては、溶接構造物が船舶の場合は、波浪外力となる。波浪外力は、図４に示すように、船舶が長期間（例えば２０〜３０年間）に受ける波浪の頻度分布として表される。
船舶は、約７秒に１回のサイクルで波浪を受ける。図４に示すように、波浪による外力（応力）は、波浪が高い程大きくなるが、その頻度は逆に少なくなる。
そこで、図４に示す波浪の頻度分布から、解析モデルＡに加えられる実荷重の大きさ・頻度（周波数）を求めて、その条件を実荷重条件として用いる。
FIG. 4 is a diagram for explaining actual load conditions applied to the analysis model A.
When the welded structure is a ship, the actual load condition applied to the analysis model A is a wave external force. As shown in FIG. 4, the wave external force is expressed as a frequency distribution of waves that the ship receives for a long period of time (for example, 20 to 30 years).
The ship receives waves in a cycle of about once every 7 seconds. As shown in FIG. 4, the external force (stress) caused by the waves increases as the waves increase, but the frequency decreases.
Therefore, the magnitude / frequency (frequency) of the actual load applied to the analysis model A is obtained from the wave frequency distribution shown in FIG. 4, and the condition is used as the actual load condition.
次に、ステップＳ４〜Ｓ６と並列して、ステップＳ７において溶接構造物（解析モデルＡ）に発生した残留熱応力（部材ａ１〜ａ４を溶接接合することにより生じる熱応力）を固有応力法によって求める。
なお、ステップＳ７は、ステップＳ４〜Ｓ６と同時に、或いはステップＳ４〜Ｓ６の各ステップの合間に行っても良い。
Next, in parallel with steps S4 to S6, the residual thermal stress generated in the welded structure (analysis model A) in step S7 (thermal stress generated by welding the members a1 to a4) is obtained by the intrinsic stress method. .
Note that step S7 may be performed simultaneously with steps S4 to S6 or between steps S4 to S6.
溶接に起因する残留応力は熱収縮によって生じる固有応力σIとすると、固有応力σIによって構造に生じる応力とつりあうため式（１）を満たす。σIの分布は、式（２）によって表すことが出来る。
そこで、ＦＥＭモデルに、式（３）で示すような温度Ｔ(℃)の形でσIを外力条件とした解析を実施することで、溶接残留応力分布σ(Ｎ)を求めることが出来る。
なお、式（２）におけるＢ（ｍｍ）は入熱に応じた大きさであり、式（４）および式（５）によって求めることが出来る。また、ｌ（ｍｍ）は溶接脚長であり、熱膨張係数ρ（１／℃）、ヤング率（縦弾性係数）Ｅ（Ｎ／ｍｍ２）、降伏応力σｙ（Ｎ／ｍｍ２)は既知である。
Assuming that the residual stress resulting from welding is the inherent stress σ I caused by thermal contraction, the residual stress is balanced with the stress generated in the structure by the inherent stress σ I , thus satisfying equation (1) The distribution of σ I can be expressed by equation (2).
Therefore, the welding residual stress distribution σ (N) can be obtained by performing an analysis on the FEM model in the form of the temperature T (° C.) as shown by the equation (3) and using σ I as an external force condition.
In addition, B (mm) in Formula (2) is a magnitude | size according to heat input, and can be calculated | required by Formula (4) and Formula (5). Further, l (mm) is a weld leg length, and the thermal expansion coefficient ρ (1 / ° C.), Young's modulus (longitudinal elastic modulus) E (N / mm 2 ), and yield stress σy (N / mm 2 ) are known. .
このような固有応力σIの算出を、溶接ラインに沿って行う。
具体的には、溶接ラインと脚長を指定することで、自動的に溶接接合部に該当する全ての分割要素（メッシュ）に対して個々に、或いは一括に、加熱温度Ｔ(℃)を指定する。溶接により加熱される部位に該当する全ての要素（メッシュ）に対して固有応力σIに相当する温度Ｔ(℃)をプログラムにて計算し、これを境界条件として指定する。
Such intrinsic stress σ I is calculated along the welding line.
Specifically, by specifying the welding line and leg length, the heating temperature T (° C) is automatically specified individually or collectively for all the divided elements (mesh) corresponding to the welded joint. . A temperature T (° C.) corresponding to the intrinsic stress σ I is calculated by a program for all elements (mesh) corresponding to a portion heated by welding, and this is designated as a boundary condition.
図５は、解析モデルＡに温度Ｔの分布を与えた解析結果（応力分布）を示す図である。なお、図５において、解析モデルＡの各分割要素の濃淡は、長手方向応力の高低を表す。 FIG. 5 is a diagram illustrating an analysis result (stress distribution) in which the distribution of the temperature T is given to the analysis model A. In FIG. 5, the shading of each divided element of the analysis model A represents the level of longitudinal stress.
図６は、亀裂Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）近傍における残留熱応力の分布を示す図である。
こうして、図６に示すように、溶接構造物（解析モデルＡ）の溶接接合部の近傍に発生した残留熱応力（応力分布）が固有応力法により求められる。
なお、溶接接合部の近傍に発生した残留熱応力を求める際には、解析モデルとしては亀裂（亀裂Ｃ１〜Ｃ３）が存在しない解析モデルＡ´を用いる。亀裂Ｃ１〜Ｃ３の影響を受けることなく、残留熱応力を求めるためである。
FIG. 6 is a diagram showing a distribution of residual thermal stress in the vicinity of the crack C (C1 to C3).
Thus, as shown in FIG. 6, the residual thermal stress (stress distribution) generated in the vicinity of the weld joint of the welded structure (analysis model A) is obtained by the intrinsic stress method.
When obtaining the residual thermal stress generated in the vicinity of the weld joint, an analysis model A ′ having no cracks (cracks C1 to C3) is used as the analysis model. This is because the residual thermal stress is obtained without being affected by the cracks C1 to C3.
そして、ステップＳ８において、亀裂Ｃの進展を算出する。
まず、ステップＳ４〜Ｓ６において求めた応力拡大係数Ｋと実荷重条件の解析に基づいて疲労亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展速度を算出する。疲労亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展速度の算出手法は、非特許文献２に開示された手法と同一の手法を用いる。
すなわち、応力比（最小応力／最大応力）Ｒの関数として式（６）により有効応力拡大係数ΔＫeffを算定し、式（７）にて疲労亀裂Ｃの進展速度を算出する。
In step S8, the progress of the crack C is calculated.
First, the growth rate of the fatigue cracks C1 to C3 is calculated based on the analysis of the stress intensity factor K obtained in steps S4 to S6 and the actual load conditions. The calculation method of the growth rate of fatigue cracks C1 to C3 uses the same method as that disclosed in
That is, the effective stress intensity factor ΔK eff is calculated by the equation (6) as a function of the stress ratio (minimum stress / maximum stress) R, and the growth rate of the fatigue crack C is calculated by the equation (7).
そして、ステップＳ７において求めた残留熱応力の分だけ、疲労亀裂Ｃの進展速度が上乗せされる。こうして、亀裂Ｃの進展速度が算出される。
そして、求めた進展速度と、実荷重条件の繰り返し数（例えば、１万回）から、亀裂Ｃの進展長さ（伝播）が算出（予想）される。
更に、ステップＳ３からＳ７の解析を複数回繰り返す。例えば、実荷重条件の繰り返し数を１万回毎として、複数回演算する。これにより、亀裂Ｃ１〜Ｃ３の伝播が求められる。
Then, the growth rate of the fatigue crack C is increased by the amount of the residual thermal stress obtained in step S7. Thus, the growth rate of the crack C is calculated.
Then, the propagation length (propagation) of the crack C is calculated (predicted) from the obtained propagation speed and the number of repetitions of the actual load condition (for example, 10,000 times).
Further, the analysis of steps S3 to S7 is repeated a plurality of times. For example, the calculation is performed a plurality of times, with the actual load condition being repeated every 10,000 times. Thereby, propagation of the cracks C1-C3 is calculated | required.
図７は、亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展予想結果を示す図である。
図７に示すように、ウェブａ１に発生した長さ約４ｍｍの亀裂Ｃ１は、外力の繰り返し数の増加に伴って進展することが確認できる（Ｌ１参照）。
本実施形態に係る亀裂伝播予測方法、すなわち、溶接接合に起因する残留応力を考慮した場合には、例えば約２５万回の繰り返し外力を受けた場合には、約３５ｍｍ程度の長さに進展することが予想される。
一方、溶接接合に起因する残留応力を全く考慮せずに亀裂Ｃ１の進展を解析した場合（Ｍ１参照）には、約２５万回の繰り返し外力を受けると、亀裂Ｃ１が約１５ｍｍ程度の長さに進展すると予想される。
FIG. 7 is a diagram illustrating a predicted growth result of cracks C1 to C3.
As shown in FIG. 7, it can be confirmed that the crack C1 having a length of about 4 mm generated in the web a1 develops with an increase in the number of repetitions of the external force (see L1).
When considering the crack propagation prediction method according to the present embodiment, that is, when residual stress caused by welding is taken into account, for example, when subjected to repeated external force of about 250,000 times, the crack propagates to a length of about 35 mm. It is expected that.
On the other hand, when the progress of the crack C1 is analyzed without considering any residual stress caused by welding (see M1), the crack C1 has a length of about 15 mm when subjected to external force repeatedly about 250,000 times. Is expected to progress.
また、フェースａ２に発生した長さ約１３ｍの亀裂Ｃ２，Ｃ３も、疲労により進展する（Ｌ２，Ｌ３参照）。このように、溶接接合に起因する残留応力を考慮した場合には、例えば２５万回の繰り返し外力を受けた場合には、約４０ｍｍ程度の長さに進展することが予想される。
一方、溶接接合に起因する残留応力を全く考慮せずに亀裂Ｃ２，Ｃ３の進展を解析した場合（Ｍ２，Ｍ３参照）には、２５万回の繰り返し外力を受けると、亀裂Ｃ１が約２３ｍｍ程度の長さに進展すると予想される。
Further, cracks C2 and C3 having a length of about 13 m generated in the face a2 also develop due to fatigue (see L2 and L3). As described above, when the residual stress resulting from the welded joint is taken into account, for example, when the external force is repeatedly applied 250,000 times, it is expected to advance to a length of about 40 mm.
On the other hand, when analyzing the progress of cracks C2 and C3 without considering any residual stress due to welded joints (see M2 and M3), cracks C1 is about 23 mm when subjected to external force 250,000 times. Is expected to progress to
このように、本実施形態に係る亀裂伝播予測方法によれば、溶接接合に起因する残留応力を考慮することで、亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展（伝播）を高精度に予想できる（図７のＬ１〜Ｌ３参照）。
特に、溶接接合に起因する残留応力を全く考慮せずに亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展を解析した場合には、実際の亀裂の進展長さよりも短くなってしまう場合が少なくない（図７のＭ１〜Ｍ３参照）。このため、亀裂の補修時期が遅れて甚大な被害を引き起こしてしまう虞もあった。
これに対して、本実施形態に係る亀裂伝播予測方法では、亀裂Ｃ１〜Ｃ３の進展（伝播）を高精度に予想できる。したがって、疲労亀裂に対して、適切な時期に適切な措置を講ずることが可能となり、甚大な被害の発生を未然にかつ確実に回避することができる。
As described above, according to the crack propagation prediction method according to the present embodiment, the progress (propagation) of the cracks C1 to C3 can be predicted with high accuracy by considering the residual stress resulting from the welded joint (L1 in FIG. 7). See L3).
In particular, when the progress of the cracks C1 to C3 is analyzed without considering any residual stress caused by the welded joint, it is often the case that the length of the crack is shorter than the actual crack growth length (M1 in FIG. 7). See M3). For this reason, there was a possibility that the repair time of the crack was delayed and caused serious damage.
In contrast, in the crack propagation prediction method according to the present embodiment, the progress (propagation) of the cracks C1 to C3 can be predicted with high accuracy. Therefore, it becomes possible to take an appropriate measure at an appropriate time with respect to the fatigue crack, and it is possible to reliably and reliably avoid the occurrence of enormous damage.
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 Note that the operation procedure shown in the above-described embodiment, various shapes and combinations of the constituent members, and the like are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、船舶における溶接構造物について説明したが、クレーン、橋梁等であってもよい。また、必ずしも大型の溶接構造物に限定するものではない。
また、溶接構造物の材質としては、鉄鋼の場合の他、アルミニウムの場合であってもよい。
For example, in the above-described embodiment, a welded structure in a ship has been described, but a crane, a bridge, or the like may be used. Moreover, it is not necessarily limited to a large-sized welded structure.
Further, the material of the welded structure may be aluminum as well as steel.
また、ステップＳ３からＳ７の解析の繰り返し数については、任意に設定することができる。つまり、実荷重条件の繰り返し数を少なく設定（例えば５万回毎）した場合には、解析の繰り返し数は少なくなる。すなわち、亀裂進展予想の精度、計算時間等に応じて、任意に設定することができる。 Further, the number of repetitions of the analysis in steps S3 to S7 can be arbitrarily set. That is, when the number of repetitions of the actual load condition is set to be small (for example, every 50,000 times), the number of repetitions of analysis is small. That is, it can be arbitrarily set according to the accuracy of crack growth prediction, the calculation time, and the like.
Ａ，Ａ´…三次元解析モデル（溶接構造体）
ａ１…ウェブ（部材）
ａ２…フェース（部材）
ａ３…シェル（部材）
ａ４…リブ（部材）
Ｂ１〜Ｂ３…亀裂進展領域
Ｃ１〜Ｃ３…疲労亀裂（亀裂）
Ｓ…溶接接合部
A, A '... 3D analysis model (welded structure)
a1 ... Web (member)
a2: Face (member)
a3 Shell (member)
a4 ... rib (member)
B1 to B3 ... crack propagation region C1 to C3 ... fatigue crack (crack)
S: Welded joint
Claims (6)
前記溶接構造体に亀裂を設けた解析モデルにおいて、前記亀裂先端の開口モード及び面内せん断モードの応力拡大係数を求める第一工程と、
前記溶接構造体に前記亀裂が存在しない解析モデルにおいて、溶接接合部近傍に発生する残留応力を求める第二工程と、
前記第一工程と前記第二工程の結果に基づいて前記亀裂の進展を求める第三工程と、
を有することを特徴とする亀裂伝播予測方法。 A method for predicting the propagation of fatigue cracks in a welded structure in which a plurality of members are welded,
In the analytical model in which a crack is provided in the welded structure, a first step of obtaining a stress intensity factor of the opening mode and in-plane shear mode of the crack tip,
In the analysis model in which the crack does not exist in the welded structure, a second step for obtaining a residual stress generated in the vicinity of the weld joint,
A third step for determining the progress of the crack based on the results of the first step and the second step;
The crack propagation prediction method characterized by having.
固有応力法により前記残留応力を求める工程を有することを特徴とする請求項１に記載の亀裂伝播予測方法。 The second step includes
The crack propagation prediction method according to claim 1, further comprising a step of obtaining the residual stress by an intrinsic stress method.
前記残留応力を求める工程に先立って、前記溶接接合部に付加される溶接温度から熱歪を求める工程を有することを特徴とする請求項２に記載の亀裂伝播予測方法。 The second step includes
The crack propagation prediction method according to claim 2, further comprising a step of obtaining a thermal strain from a welding temperature applied to the weld joint prior to the step of obtaining the residual stress.
重ね合わせ法により前記応力拡大係数を求める工程を有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の亀裂伝播予測方法。 The first step includes
The crack propagation prediction method according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of obtaining the stress intensity factor by a superposition method.
前記亀裂の進展速度を求める工程を有することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の亀裂伝播予測方法。 The third step includes
The crack propagation prediction method according to any one of claims 1 to 4, further comprising a step of obtaining a progress rate of the crack.
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