JP2009250829A

JP2009250829A - 溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法

Info

Publication number: JP2009250829A
Application number: JP2008100305A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Asano; 英一朝野; Ario Nakamura; 有夫中村; Shusuke Kojima; 秀典小嶋; Onori Takakura; 大典高倉
Original assignee: RADIOACTIVE WASTE MAN FUNDING; Radioactive Waste Management Funding & Research Center; IHI Corp
Current assignee: RADIOACTIVE WASTE MAN FUNDING; Radioactive Waste Management Funding & Research Center; IHI Corp
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】解析時間の大幅な短縮を実現することができ、母材の上面のみならず母材の底面においても、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簡易３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の溶接線Ｌ方向の一部分１Ａにおける過渡温度を計算し、３次元モデルである平板１の一部分１Ａにおける両端面１ｄ，１ｅの面外方向変位を規制する一般化平面ひずみ模擬を境界条件としつつ、３次元モデルの一部分１Ａ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３次元モデルの一部分１Ａによる熱弾塑性解析を行う。
【選択図】図２

Description

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簡易３次元解析方法に関するものである。

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。

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。

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）。
特開２００４−５３３６６号公報

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。

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、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たうえで、母材の上面のみならず母材の底面においても、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簡易３次元解析方法を提供することを目的としている。

本発明に係る溶接変形及び残留応力の解析方法は、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の全体又は３次元モデルである母材の溶接線方向の一部分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溶接線方向の一部分における両端面の面外方向変位を規制する一般化平面ひずみ模擬を境界条件としつつ、前記３次元モデルの全体又は３次元モデルの一部分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３次元モデルの溶接線方向の一部分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簡易３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。

また、本発明の請求項２に係る溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法において、前記３次元モデルである母材の溶接線方向の一部分は、少なくとも溶接の入熱による母材の波打ち現象を模擬可能な長さに設定する構成としている。
本発明に係る溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法では、３次元モデルである母材の溶接線方向の一部分による熱弾塑性解析を行う際に、３次元モデルの全体又は３次元モデルの一部分による非定常熱伝導解析を行って得た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３次元モデルの一部分で考慮し得ることとなり、その結果、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べて、解析時間の大幅な短縮が図られるのに加えて、母材の上面だけでなく母材の底面においても、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。

本発明の請求項１に係る溶接変形及び残留応力の簡易３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母材の上面のみならず母材の底面においても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簡易３次元解析方法によれば、上記した構成としているので、溶接変形及び残留応力の解析を高精度で且つ効率よく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。

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簡易３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簡易３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。

次に、この実施形態における溶接変形及び残留応力の簡易３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），（ｂ）に示すように、まず、ステップＳＴ１において、３次元モデルである平板１における長さＺ方向の中間部分を３次元モデルの一部分１Ａとして作成した後、この３次元モデルの一部分１Ａ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の一部分１Ａにおける過渡温度を計算する。

この際、３次元モデルである平板１における長さＺ方向の一部分は、少なくとも溶接の入熱による平板１の波打ち現象を模擬可能な長さに設定する（この実施形態では余裕をもって約１５０ｍｍに設定する）。
次いで、ステップＳＴ２において、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、３次元モデルである平板１の一部分１Ａにおける両端面１ｄ，１ｅの面外方向変位を規制し且つ回転や移動は許容する一般化平面ひずみ模擬を境界条件としつつ、３次元モデルの一部分１Ａ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３次元モデルの一部分１Ａによる熱弾塑性解析を行う。

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部分１Ａ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、上記一部分の片側（図示右側）を３次元モデルの一部分１Ａとして採用した。
そこで、この実施形態における溶接変形及び残留応力の簡易３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。

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１Ｚｕ）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２Ｚｕ）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。

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Ｚｕ）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２Ｚｕ）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簡易３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。

また、図７に示す平板１の底面１ｆ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１Ｚｆ）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２Ｚｆ）と比べて、溶接線ＬからＸ方向に約４５ｍｍ離れた部位までの範囲での溶接線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。

これに対して、図６に示す平板１の底面１ｆ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Ｚｆ）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２Ｚｆ）と比べて、Ｘ方向のどの部位においても溶接線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簡易３次元解析方法では、平板１の上面１ａのみならず底面１ｆにおいても、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。

さらに、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簡易３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３次元モデルの一部分による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。

なお、図４及び図６では、この実施形態における溶接変形及び残留応力の簡易３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及び図７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。

上記した実施形態に係る溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法では、図２のステップＳＴ１において、３次元モデルである平板１の一部分１Ａによる熱源Ｓの移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って、３次元モデルの一部分１Ａ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の全体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簡易３次元解析方法では、３次元モデルである平板１における長さＺ方向の一部分１Ａを約１５０ｍｍに設定しているが、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の簡易３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。本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法の解析要領を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法の一部分モデル作成要領と熱源移動方向を示す平板の斜視説明図（ａ），一部分モデルの斜視説明図（ｂ），一部分モデルの境界条件説明図（ｃ）及び一部分モデルの拡大端面説明図（ｄ）である。本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の簡易３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。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。本発明の一実施形態による溶接変形及び残留応力の簡易３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底面における残留応力分布図である。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底面における残留応力分布図である。

符号の説明

１平板（母材）
１Ａ３次元モデルの一部分
１ａ平板の上面
１ｄ，１ｅ３次元モデルの一部分の端面
Ｌ溶接線
Ｓ熱源

Claims

溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮やひずみ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の全体又は３次元モデルである母材の溶接線方向の一部分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溶接線方向の一部分における両端面の面外方向変位を規制する一般化平面ひずみ模擬を境界条件としつつ、
前記３次元モデルの全体又は３次元モデルの一部分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３次元モデルの溶接線方向の一部分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簡易３次元解析方法。
前記３次元モデルである母材の溶接線方向の一部分は、少なくとも溶接の入熱による母材の波打ち現象を模擬可能な長さに設定する請求項１に記載の溶接変形及び残留応力の簡易３次元解析方法。