JP2014063262A - 応力分布推定方法、これを用いる解析方法及び解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームで溶接された領域を含む部材の残留応力分布を高い精度で解析することができることにある。
【解決手段】電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物の解析モデルを作成するステップと、解析モデルから溶接部を含む領域を抽出するステップと、抽出した領域における位置と残留応力との関係を取得するステップと、抽出した領域に対するパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、設定したパラメータに基づいて抽出した領域の残留応力の解析を行う解析ステップと、解析結果とデータ取得ステップの結果とを比較し、合わせ込み処理ステップと、比較結果が許容範囲に含まれると判定した場合、結果に基づいて解析モデルの残留応力分布を算出する算出ステップと、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、溶接された領域を含む部材の応力分布を推定する応力分布推定方法、これを用いる解析方法及び解析システムに関する。

溶接で加工した部材の性能を評価するために溶接部の残留応力を推定する場合がある。溶接された領域を含む部材の応力分布を推定する方法としては、例えば特許文献１または特許文献２に記載の方法がある。

特許文献１は、本出願人が出願しており、溶接の施工時に解析結果に基づいて条件を調整する方法を記載している。また、特許文献１には、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行う際、第１及び第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成し、溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で、第１及び第２の部材の温度を計測して計測温度を得て、第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて計測温度に応じて残留応力を評価している。

特許文献２に記載の方法は、３次元溶接構造物の有限要素法による残留応力解析方法において、溶接構造物の３次元熱変形量を取得する３次元熱変形量取得ステップと、３次元熱変形量取得ステップで取得した３次元熱変形量に基づき、溶接構造物の２次元対称モデルの変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、算出された変形補正量に基づき２次元対称モデルの変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、設定された変形拘束条件下で２次元対称モデルの２次元熱弾塑性解析を行う２次元熱弾塑性解析ステップとを備える。

特開２００４−１８１４６２号公報 特開２００９−３６６６９号公報

溶接部を含む部材の残留応力の計測結果を用いて、溶接された部材の性能を評価することで、例えば、原子炉の炉内構造物の経年劣化を推定することができる。なお、この場合、残留応力に加え、熱応力や機械荷重、放射線の影響等も加味して経年劣化を推定する。これにより、炉内構造物の寿命を推定することができる。

ここで、特許文献１及び特許文献２に記載の方法は、複数回の溶接パスで溶接を繰り返すことで、対象の領域の溶接を行うことを想定している。溶接方法としては、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や、自動ＴＩＧ溶接、サブマージ等がある。これに対して、近年では、電子ビームを用いた電子ビーム溶接が利用される場合がある。原子炉の炉内構造物は、安全性をより高くする観点から特に用いられている。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の方法は、電子ビーム溶接を想定していないため、これらの方法を用いても解析の精度が不十分となる可能性がある。解析の精度が不十分である場合、安全の観点からより厳しい条件での算出結果を用いて運用を行うことになるため、利用可能な部材を交換してしまうことが生じる。

本発明は上述した課題を解決するものであり、電子ビームで溶接された領域を含む部材の残留応力分布を高い精度で解析することができる応力分布推定方法、これを用いる解析方法及び解析システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、応力分布推定方法であって、電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物の解析モデルを作成する作成ステップと、前記解析モデルから前記解析モデルの溶接部を含む領域を抽出する抽出ステップと、抽出した領域における位置と残留応力との関係を取得するデータ取得ステップと、前記抽出した領域に対するパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、前記パラメータ設定ステップで設定したパラメータに基づいて前記抽出した領域の残留応力の解析を行う解析ステップと、解析ステップの結果とデータ取得ステップの結果とを比較し、比較結果が許容範囲に含まれないと判定した場合、前記パラメータ設定ステップでパラメータを変更させ、前記解析ステップの処理を実行させる合わせ込み処理ステップと、前記合わせ込み処理ステップで比較結果が許容範囲に含まれると判定した場合、当該判定結果を前記解析結果に展開し、前記解析モデルの残留応力分布を算出する算出ステップと、を有する。

また、前記データ取得ステップは、前記抽出した領域のモックアップの実験結果に基づいて算出して前記関係を取得することが好ましい。

また、前記データ取得ステップは、予め記憶した複数のデータから前記抽出した領域に類似するデータを抽出し、抽出したデータに基づいて前記関係を取得することが好ましい。

また、前記データ取得ステップは、降伏応力を上限として前記抽出した領域の位置に対して応力を設定することで、前記関係を取得することが好ましい。

また、前記データ取得ステップは、予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがあると判定した場合、当該データを抽出し、抽出したデータに基づいて前記関係を取得し、前記予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがないと判定し、前記抽出した領域のモックアップの実験結果を取得可能と判定した場合、前記抽出した領域のモックアップの実験結果に基づいて算出して前記関係を取得し、前記予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがないと判定し、前記抽出した領域のモックアップの実験結果を取得不可能と判定した場合、降伏応力を上限として前記抽出した領域の位置に対して残留応力を設定することで、前記関係を取得することが好ましい。

また、前記パラメータ設定ステップは、前記パラメータに前記溶接部の温度分布を含むことが好ましい。

また、前記溶接部の温度分布は、前記溶接部の板幅方向における温度分布を含むことが好ましい。

また、前記パラメータ設定ステップは、前記パラメータに前記溶接部の溶融幅を含むことが好ましい。

また、前記データ取得ステップは、前記関係に前記溶接部の内部の残留応力を含むことが好ましい。

上記の目的を達成するために本発明は、解析方法であって、上記のいずれかに記載の応力分布推定方法で前記解析モデルの残留応力分布を推定する残留応力分布解析ステップと、前記残留応力解析ステップで解析した結果を用いて、前記解析モデルの機械荷重及び熱応力を解析する機械荷重及び熱応力解析ステップと、前記機械荷重及び熱応力解析ステップで解析した結果を用いて、照射下クリープ解析を行うクリープ解析ステップと、を含む。

上記の目的を達成するために本発明は、解析システムであって、電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物の解析モデルを作成し、前記解析モデルから前記解析モデルの溶接部を含む領域を抽出し、抽出した領域における位置と残留応力との関係を取得し、前記抽出した領域に対するパラメータを設定し、設定したパラメータに基づいて前記抽出した領域の残留応力の解析を行い、解析した結果と取得したデータとを比較し、比較結果が許容範囲に含まれないと判定した場合、パラメータを変更し、解析処理を再度実行させる合わせ込みを行い、前記合わせ込み処理で比較結果が許容範囲に含まれると判定した場合、当該判定結果を前記解析結果に展開し、前記解析モデルの残留応力分布を算出する解析ユニットと、前記抽出した領域に対応するモックアップを作成し、前記モックアップを計測することで、前記抽出した領域における位置と残留応力との関係を検出する実験ユニットと、を有する。

ここで、前記解析ユニットは、位置と残留応力との関係のデータが入力される入力部を有することが好ましい。

本発明によれば、電子ビームで溶接された領域を含む部材の残留応力分布を高い精度で解析することができるという効果を奏する。

図１は、加圧水型原子炉を表す部分断面斜視図である。 図２は、炉心槽を示す断面図である。 図３は、溶接部を含む領域を示す模式図である。 図４は、解析システムの概略構成を示すブロック図である。 図５は、解析システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、解析システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。 図８は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。 図９は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。 図１０は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。 図１１は、応力と照射量との関係の一例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る応力分布推定方法、これを用いる解析方法及び解析システムの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、本実施形態では、原子炉の炉心槽の残留応力を推定し、その結果に基づいて、耐久性能を解析する場合として説明するが、これに限定されない。本実施形態の応力分布推定方法、これを用いる解析方法及び解析システムは、電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物（部材）を解析の対象とすることができる。

まず、図１から図３を用いて、解析対象の部材を説明する。本実施形態では、原子炉の炉心槽を解析対象としている。図１は、加圧水型原子炉を表す加圧水型原子炉を表す部分断面斜視図である。本実施形態の原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電する加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）である。

図１に示すように、加圧水型原子炉４０は、原子炉容器４１を有する。原子炉容器４１は、その内部に炉内構造物が挿入できるように、原子炉容器本体４２とその上部に装着される原子炉容器蓋４３により構成されており、この原子炉容器本体４２に対して原子炉容器蓋４３が開閉可能となっている。原子炉容器本体４２は、上部が開口して下部が球面状に閉塞された円筒形状をなし、上部に一次冷却水としての軽水（冷却材）を給排する入口ノズル４４及び出口ノズル４５が形成されている。

原子炉容器本体４２内にて、入口ノズル４４及び出口ノズル４５より下方には、円筒形状をなす炉心槽４６が原子炉容器本体４２の内面と所定の隙間をもって配置されている。炉心槽４６の下部には、円板形状をなして図示しない多数の連通孔が形成された下部炉心板４８が連結されている。そして、原子炉容器本体４２内には、炉心槽４６の上方に位置して円板形状をなす上部炉心支持板４９が固定されており、この上部炉心支持板４９から複数の炉心支持柱５０を介して上部炉心板４７が吊下げ支持されている。原子炉容器本体４２内には、炉心槽４６の下方に位置して円板形状をなす下部炉心支持板５１が固定されている。下部炉心支持板５１、つまり、炉心槽４６の下側端部は、原子炉容器本体４２の内面に対して複数のラジアルキー５２により位置決め保持されている。

炉心槽４６と上部炉心板４７と下部炉心板４８により炉心５３が形成されており、この炉心５３には、多数の燃料集合体５４が配置されている。この燃料集合体５４は、多数の燃料棒が支持格子により格子状に束ねられて構成され、上端部に上部ノズルが固定される一方、下端部に下部ノズルが固定されている。そして、複数の制御棒５５は、上端部がまとめられて制御棒クラスタ５６となり、燃料集合体５４内に挿入可能となっている。上部炉心支持板４９には、この上部炉心支持板４９を貫通して多数の制御棒クラスタ案内管５７が支持されており、下端部が燃料集合体５４の制御棒クラスタ５６まで延出されている。

原子炉容器４１を構成する原子炉容器蓋４３の上部には、磁気式ジャッキの制御棒駆動装置が設けられており、原子炉容器蓋４３と一体をなすハウジング内に収容されている。多数の制御棒クラスタ案内管の上端部は、制御棒駆動装置まで延出され、この制御棒駆動装置から延出されて制御棒クラスタ駆動軸６０が、制御棒クラスタ案内管５７内を通って燃料集合体５４まで延出され、制御棒クラスタ５６を把持可能となっている。また、下部炉心支持板５１には、この下部炉心支持板５１を貫通して多数の炉内計装案内管が支持されており、上端部が燃料集合体５４まで延出されており、中性子束を計測できるセンサを挿入可能となっている。

この制御棒駆動装置は、上下方向に延設されて制御棒クラスタ５６に連結されると共に、その表面に複数の周溝を長手方向に等ピッチで配設してなる制御棒クラスタ駆動軸（以下、駆動軸と称する。）６０を磁気式ジャッキで上下動させることで、原子炉の出力を制御している。

加圧水型原子炉４０は、以上のような構成であり、制御棒駆動装置により制御棒クラスタ駆動軸６０を移動して燃料集合体５４に制御棒５５を挿入することで、炉心５３内での核分裂を制御し、発生した熱エネルギにより原子炉容器４１内に充填された軽水が加熱され、高温の軽水が出口ノズル４５から排出され、上述したように、蒸気発生器１３に送られる。即ち、燃料集合体５４を構成する燃料としてのウランまたはプルトニウムが核分裂することで中性子を放出し、減速材及び一次冷却水としての軽水が、放出された高速中性子の運動エネルギを低下させて熱中性子とし、新たな核分裂を起こしやすくすると共に、発生した熱を奪って冷却する。また、制御棒５５を燃料集合体５４に挿入することで、炉心５３内で生成される中性子数を調整し、また、原子炉を緊急に停止するときには炉心５３に急速に挿入される。

また、原子炉容器４１内には、炉心５３に対して、その上方に出口ノズル４５に連通する上部プレナム８１が形成されると共に、下方に下部プレナム８２が形成されている。そして、原子炉容器４１と炉心槽４６との間に入口ノズル４４及び下部プレナム８２に連通するダウンカマー部８３が形成されている。従って、軽水は、入口ノズル４４から原子炉容器本体４２内に流入し、ダウンカマー部８３を下向きに流れ落ちて下部プレナム８２に至り、この下部プレナム８２の球面状の内面により上向きに案内されて上昇し、下部炉心板４８を通過した後、炉心５３に流入する。この炉心５３に流入した軽水は、炉心５３を構成する燃料集合体５４から発生する熱エネルギを吸収することで、この燃料集合体５４を冷却する一方、高温となって上部炉心板４７を通過して上部プレナム８１まで上昇し、出口ノズル４５を通って排出される。

次に、図２及び図３を用いて、炉心槽の形状について説明する。図２は、炉心槽を示す断面図である。図３は、溶接部を含む領域を示す模式図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように炉心槽４６は、第１部材９１と、第２部材９２と、第３部材９３と、第４部材９４と、第５部材９５と、を有する。第１部材９１と、第２部材９２と、第３部材９３と、第４部材９４と、第５部材９５と、は、いずれも円筒状の部材であり、円筒の軸方向の一方から他方に向けてこの順で配置されている。軸方向の端部に配置されている第１部材９１と、第５部材９５とは、第２部材９２、第３部材９３及び第４部材９４よりも軸方向の長さが短い。また、炉心槽４６は、第３部材９３と第４部材９４とで覆われた領域が燃料を配置する領域９９となる。

炉心槽４６は、第１部材９１と第２部材９２とが溶接部１０１で連結され、第２部材９２と第３部材９３とが溶接部１０２で連結され、第３部材９３と第４部材９４とが溶接部１０３で連結され、第４部材９４と第５部材９５とが溶接部１０４で連結されている。なお、溶接部１０１、１０２、１０３、１０４は、電子ビーム溶接で各部を連結している。

また、第２部材９２、第３部材９３、第４部材９４とは、１枚の板状部材を丸めて円筒形状としている。これにより、第２部材９２は、板状部材の端部と端部とが溶接部１１０で連結されている。第３部材９３は、板状部材の端部と端部とが溶接部１１２で連結されている。第４部材９４は、板状部材の端部と端部とが溶接部１１４で連結されている。溶接部１１０、１１２、１１４は、電子ビーム溶接で各部を連結している。また、本実施形態では、第２部材９２、第３部材９３、第４部材９４とは、１枚の板状部材を丸めて円筒形状としているが、複数の板状部材を丸めて円周方向に繋げることで円筒形状を形成してもよい。この場合、板状部材の枚数に応じて、板状部材と板状部材とを連結する溶接部の数が増加する。

次に、溶接部１１２を代表として、溶接部の形状について説明する。炉心槽４６に含まれる溶接部１０１、１０２、１０３、１０４、１１０、１１４も同様の形状である。溶接部１０１、１０２、１０３、１０４、１１０、１１２、１１４は、線上に形成されており、溶接線ともいえる。溶接部１１２は、図３に示すように、溶接本体１１２ａと、化粧盛部１１２ｂ、１１２ｃと、を含む。溶接本体１１２ａは、折り曲げられて円筒形状になっている第３部材９３の円周方向の端部と端部とを連結している。第３部材９３は、溶接本体１１２ａで円周方向（矢印１２０で示す方向）の端部が溶接されることで、円筒形状となる。溶接本体１１２ａは、第３部材９３の円周方向の端部の全面と接しており、径方向（矢印１２２で示す方向）に延在して配置されている。点線１２４は、円周方向における溶接部１１２の中心である。点線１２４の伸びる方向（第３部材９３の内周面と外周面とを結んだ方向）が溶接部１１２の板幅方向となる。溶接本体１１２は、電子ビーム溶接で１回の溶接パスで形成される。溶接本体１１２ａの円周方向の長さが溶融幅Ｗとなる。溶融幅Ｗは、溶接本体１１２ａの径方向外側から全長の１０％以上９０％以下に含まれる任意の位置で計測する。溶融幅Ｗは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。本実施形態の溶融幅Ｗは、３ｍｍ程度となる。化粧盛１１２ｂは、溶接本体１１２ａの径方向外側の端部に形成されている。化粧盛１１２ｂは、溶接本体１１２ａの径方向外側の端部を塞いでいる。化粧盛１１２ｃは、溶接本体１１２ａの径方向内側の端部に形成されている。化粧盛１１２ｃは、溶接本体１１２ａの径方向内側の端部を塞いでいる。このように溶接部１１２は、化粧盛１１２ｂ、１１２ｃを設けているが、溶接本体１１２ａで第３部材９３の円周方向の端部と端部を連結しており、実質的に１パスで対象の領域を溶接している。このように、溶接部１１２は、電子ビーム溶接で実質的に１パスで溶接される。

次に、図４を用いて、電子ビームで溶接された部材、本実施形態では、炉心槽を解析する解析システムについて、説明する。図４は、解析システムの概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、解析システム１０は、解析処理を行う解析ユニット１２と、解析に用いるデータを取得する実験ユニット１４と、を有する。

解析ユニット１２は、いわゆるパーソナルコンピュータ等の演算を行う処理装置であり、制御部２０と、操作部２２と、表示部２４と、記憶部２６と、を有する。制御部２０は、ＣＰＵ等、演算処理を行い、各種制御を実行する装置である。制御部２０は、記憶部２６に記憶されているプログラムを読み出し実行することで、各種制御を実現する。

操作部２２は、キーボード、マウス、タッチパネル等、解析ユニット１２を使用するオペレータが操作を入力する入力デバイスである。なお、解析ユニット１２は、オペレータが操作を入力する操作部２２に加え、種々のデバイスを入力部として用いることができる。画像を読み取りデータとして取得するスキャナや、データを読み取るドライバ、他の通信機器と通信を行い、データを取得する通信部も入力部とすることができる。解析ユニット１２は、入力部によって解析に必要な各種データを取得する。

表示部２４は、液晶ディスプレイ等の画像を表示する装置である。表示部２４は、制御部２０から供給される画像データに基づいて、各種画像を表示させる。表示部２４は、解析を行うための実験条件を入力する画面を表示させたり、解析対象の部材の設計図、解析モデルを表示させたり、解析結果を表示させたりする。

記憶部２６は、解析プログラム２６ａと、実験データ２６ｂと、計測データ２６ｃと、簡易基準データ２６ｄと、を有する。解析プログラム２６ａは、電子ビームで溶接された溶接部を含む部材（電子ビーム溶接構造物）の残留応力を解析する演算処理を実現するプログラムである。解析プログラム２６ａは、さらに、電子ビームで溶接された溶接部を含む部材に作用する各種応力を解析し、電子ビームで溶接された溶接部を含む部材の性能、耐久性等を評価する演算処理を実現するプログラムでもある。解析プログラム２６ａは、制御部２２に読み込まれ、処理されることで各種解析機能を実現させる。

実験データ２６ｂは、実験ユニット１４で実験し、取得したデータを記憶する。実験ユニット１４で実験し、取得したデータは、電子ビームで溶接された溶接部を含む部材の少なくとも一部を抽出した溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係を計測した結果のデータである。溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係のデータは、溶接部（溶接線）１１２の板幅方向に直交する方向、本実施形態では図３の矢印１２０の方向である周方向の各位置における位置と残留応力との関係と、溶接部（溶接線）１１２の板幅方向に平行な方向、本実施形態では図３の矢印１２２の方向である径方向の各位置における位置と残留応力との関係と、を含むことが好ましい。溶接部１１２の板幅方向に平行な方向の各位置における位置と残留応力との関係としては、少なくとも溶接部１１２の表面、つまり径方向内側の端部と外側内側の端部と残留応力との関係を含むことが好ましく、さらに溶接部１１２の径方向の内部の位置と残留応力との関係を含むことがさらに好ましい。溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係のデータは、位置と残留応力との関係を含んでいればよいが、溶接時の各種条件も含まれる。さらに溶接時、溶接後に計測した各種計測結果も含んでもよい。

計測データ２６ｃは、実験ユニット１４での実験以外で取得した溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係のデータである。計測データ２６ｃは、操作部２２を含む各種入力部から入力された溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係を複数記憶している。計測データ２６ｃは、例えば文献に記載されている溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係を記憶している。

簡易基準データ２６ｄは、材料の降伏応力を基準として位置と残留応力との関係を設定したデータである。具体的には、簡易基準データ２６ｄは、材料の降伏応力を残留応力の上限値として位置と残留応力との関係を設定する。簡易基準データ２６ｄは、例えば、溶接部の板幅方向に平行な方向の位置と残留応力との関係としては、降伏応力を残留応力に設定されている。簡易基準データ２６ｄは、溶接部の板幅方向に垂直な方向の位置と残留応力との関係としては、溶接部の中心を含む一定の範囲で降伏応力を残留応力に設定し、溶接部の中心を含む一定の範囲から離れるにしたがって残留応力が線形で減少する関係に設定されている。簡易基準データ２６ｄは、データを式として記憶していても、位置と残留応力との関係のマップとして記憶していてもよい。簡易基準データ２６ｄは、制御部２０で読み出され、解析対象の領域の物性、形状や、溶接の条件等に基づいて、式が補正されたり、マップの内容が調整されたりする。

実験ユニット１４は、溶接装置３０と、応力計測装置３２と、を有する。実験ユニット１４は、解析対象の部材のモックアップを作成し、作成したモックアップの残留応力を計測することで、解析対象の部材に用いる位置と残留応力との関係を取得する。溶接装置３０は、電子ビーム溶接を施す装置である。溶接装置３０は、部材と部材とを電子ビーム溶接で溶接することで、モックアップを作成する。応力計測装置３２は、残留応力を計測する計測装置である。応力計測装置３２は、ひずみゲージ等で応力を計測する。また、応力計測装置３２は、モックアップを一部切断して計測を行うことで、板厚内部、表面と表面との間の点における応力を計測する。解析システム１０は、以上のような構成である。

次に、図５から図１１を用いて、解析システム１０の制御動作、つまり本実施形態の応力分布推定方法及び解析方法について説明する。図５は、解析システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。図６は、解析システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。図７は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。図８は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。図９は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。図１０は、解析対象の位置と残留応力との関係の一例を示す説明図である。図１１は、応力と照射量との関係の一例を示す説明図である。

まず、図５を用いて、解析システム１０の制御動作の一例について説明する。ここで、図５の制御動作は、解析ユニット１２の制御部２０で解析プログラム２６ａを実行し、各部を動作させることで実現することができる。以下、簡略のため各処理を解析ユニット１２で実行するとして説明する。

解析ユニット１２は、ステップＳ１２として、解析モデルを作成する。ここで、解析モデルは、解析する対象をモデル化した三次元もしくは二次元モデルである。解析する対象は、電子ビームで溶接された溶接部を含む部材であり、本実施形態では、炉心槽である。解析モデルは、例えば、溶接部を含む部材を有限要素法等で複数の要素に分割して作成する。解析ユニット１２は、図面データ等で取得した形状データを操作部２２に入力される操作に基づいて分割することで、解析モデルを作成してもよいし、解析モデルのデータを他の装置から取得することで解析モデルを作成してもよい。

解析ユニット１２は、ステップＳ１２で解析モデルを作成したら、ステップＳ１４として、溶接部を含む領域を抽出する。つまり、解析ユニット１２は、解析モデルから溶接部を含む一部の領域を抽出する。解析ユニット１２は、ステップＳ１４で一部の領域を抽出したら、ステップＳ１６として、抽出した領域に対して、溶接残留応力解析を実行する。

ここで、図６を用いて、溶接残留応力解析について説明する。解析ユニット１２は、ステップＳ３０として計測データがあるかを判定する。具体的には、解析ユニット１２は、溶接部を含む領域の計測データとして使用できるデータがあるかを判定する。本実施形態の解析ユニット１２は、実験データ２６ｂに記憶されているデータと溶接部を含む領域の各種条件とを比較し、一致する実験データがある場合、当該実験データを抽出計測データとして用いる。また、解析ユニット１２は、実験データ２６ｂに対応するデータがないと判定した場合、計測データ２６ｃに記憶されているデータと溶接部を含む領域の各種条件とを比較し、一致する実験データがある場合、当該計測データを抽出して計測データとして用いる。つまり、解析ユニット１２は、実験データ２６ｂを計測データ２６ｃよりも優先して抽出する。また、解析ユニット１２は、実験データ２６ｂ、計測データ２６ｃに記憶されているデータの条件と溶接部を含む領域の各種条件とが完全に一致しない場合でも差が許容範囲である場合、当該データを抽出すればよい。抽出したデータは、条件の差に対応してデータを補正してもよい。また、解析ユニット１２は、データを抽出する場合、実験データ２６ｂの条件の差の許容範囲を、計測データ２６ｃの条件の差の許容範囲よりも狭くすることが好ましい。

解析ユニット１２は、ステップＳ３０で計測データあり（ステップＳ３０でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ３８に進む。解析ユニット１２は、ステップＳ３０で計測データなし（ステップＳ３０でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ３２として実験が可能であるかを判定する。具体的には、抽出した溶接部を含む領域に対応する溶接された部材の実験が実験ユニット１４で可能であるかを判定する。なお、解析ユニット１２は、技術的に実験ができるかに加え、費用、期間等も加味して実験可能であるかを判定する。判定の条件については、操作部２２等から入力された情報や、実験ユニット１４に設定されている情報に基づいて判定すればよい。なお、実験可能か否かの情報を操作部２２で検出した入力に基づいて判定してもよい。解析ユニット１２は、ステップＳ３２で実験可能である（ステップＳ３２でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ３６に進み、ステップＳ３２で実験可能ではない（ステップＳ３２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４８に進む。

解析ユニット１２は、ステップＳ３２でＹｅｓと判定した場合、ステップＳ３６として、モックアップを用いた実験データを取得する。つまり、解析システム１０は、実験ユニット１４を用いて、実験可能と判定した条件に基づいてモックアップを作成し、作成したモックアップを計測した実験データを作成する。解析ユニット１２は、実験ユニット１４で作成されたモックアップを用いた実験データを取得する。

解析ユニット１２は、ステップＳ３０でＹｅｓと判定した場合、またはステップＳ３６の処理を行った場合、ステップＳ３８として、残留応力計測データを取得する。残留応力計測データとは、溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係を示すデータである。解析ユニット１２は、ステップＳ３０でＹｅｓと判定した場合、抽出した計測データを残留応力計測データとして用いる。解析ユニット１２は、ステップＳ３６で実験データを取得した場合、取得したモックアップの実験データを処理して、溶接部を含む領域の位置と残留応力とのデータを抽出する。解析ユニット１２は、残留応力解析データに溶接の条件データ、領域の物性データ及びその他の計測データの少なくとも１つを含めてもよい。

解析ユニット１２は、ステップＳ３８で残留応力計測データを取得したら、ステップＳ４０として、各種条件を設定する。ここで、各種条件は、解析時に調整するパラメータである。つまり、解析ユニット１２は、ステップＳ４０として解析に必要なパラメータを設定し、当該パラメータに任意の値を設定する。パラメータとしては、溶接部及びその周囲の領域に関する種々のパラメータを設定することができる。具体的には、円周方向（溶接部の短手方向）や径方向（溶接部の板幅方向）の溶接部の温度分布、溶接幅等をパラメータとして設定することができる。

解析ユニット１２は、ステップＳ４０で各種条件を設定したら、ステップＳ４２として設定した条件に基づいて残留応力解析を実行する。具体的には、解析ユニット１２は、ステップＳ４０で設定した各種条件に基づいて、溶接部を含む領域のシミュレーションを実行し、溶接部を含む領域の各位置の応力を算出する。

解析ユニット１２は、ステップＳ４２で残留応力解析を実行したら、ステップＳ４４として、解析結果と計測データとの誤差が許容範囲内であるかを判定する。つまり、解析ユニット１２は、ステップＳ４２で取得した残留応力解析の結果とステップＳ３８で取得した残留応力計測データとの比較を行って、比較結果として誤差（差）を抽出する。解析ユニット１２は、抽出した誤差が予め設定した許容範囲に含まれるか否かを判定する。

解析ユニット１２は、ステップＳ４４で許容範囲に含まれない（ステップＳ４４でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４０に戻り、ステップＳ４０で各種条件を調整して、ステップＳ４２で調整した条件で残留応力解析を行い、その解析結果を用いてステップＳ４４の判定を行う。つまり解析ユニット１２は、誤差が許容範囲に含まれると判定するまで、各種条件を調整して解析を繰り返す合わせ込み処理を行う。

解析ユニット１２は、ステップＳ４４で許容範囲に含まれる（ステップＳ４４でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ４６として、解析の条件と解析結果に基づいて残留応力分布を設定し、本処理を終了する。

図７及び図８を用いて、ステップＳ３６からステップＳ４６の処理について説明する。図７及び図８は、設定した位置と応力との関係の一例を示すグラフである。図７は、横軸を板表面の位置とし、縦軸を溶接線方向応力（残留応力）としている。板表面の位置とは、溶接部を含む領域の表面の溶接線（溶接部）に直交する方向の位置、本実施形態では径方向内側の面の周方向の位置である。また、板表面の位置は、溶接部の周方向の中心を原点としている。図８は、横軸を板厚内部の位置とし、縦軸を溶接線方向応力（残留応力）としている。板厚内部の位置とは、溶接部を含む領域の溶接部の板幅方向に平行な方向の位置、本実施形態では溶接部の径方向の位置である。また、板厚内部の位置は、溶接部の径方向内側の端部を原点とし、径方向外側に向かう向きを正の向きとしている。

解析ユニット１２は、図７及び図８に示す解析Ａ、解析Ｂ、解析Ｃに示すように、条件を変えて解析を繰り返し行い、それぞれの解析結果と計測データとの比較を行う。解析ユニット１２は、各条件の解析結果と計測データとを比較し、計測データに近い、つまり差が許容範囲内の解析結果を取得したら、当該解析結果とその条件を、その後の解析に利用するデータとする。図７及び図８では、解析Ａ、解析Ｂ、解析Ｃの中で、解析Ａが計測データに対して最も近い結果であるので、解析Ａの解析結果と条件をその後の解析に利用するデータとする。なお、図７及び図８は、一例であり、異なる条件の解析をより３回以上実行してもよい。また、解析ユニット１２は、条件を変えて、一定回数以上解析を行い、許容範囲に含まれる解析が複数ある場合は、計測データに最も近い解析結果をその後の解析に用いるようにしてもよい。また、解析の結果と計測データとの比較の基準は、種々の基準を用いることができる。例えば、計測点毎に差を抽出し、その差の合計を比較してもよいし、近似線の形状を比較してもよい。また誤差が例えば１００ＭＰａ以下になるように逆解析手法を行ってもよい。

次に、解析ユニット１２は、ステップＳ３２でＮｏと判定した場合、ステップＳ４８として、簡易基準データに基づいて、残留応力分布を設定し、本処理を終了する。具体的には、解析ユニット１２は、簡易基準データ２６ｄに記憶されているデータに基づいて、溶接部を含む領域の位置と残留応力との関係を設定し、本処理を終了する。

図９及び図１０を用いて、ステップＳ４８の処理について説明する。図９及び図１０は、設定した位置と応力との関係の一例を示すグラフである。図９は、横軸を板表面の位置とし、縦軸を溶接線方向応力（残留応力）としている。図１０は、横軸を板厚内部の位置とし、縦軸を溶接線方向応力（残留応力）としている。

解析ユニット１２は、図９及び図１０に示すように、簡易基準データ２６ｄに記憶されているデータに基づいて、降伏応力を上限として抽出した領域の位置に対して応力（残留応力）を設定する。具体的には、解析ユニット１２は、図９に示すように、板表面方向つまり、周方向（溶接部の板幅方向に垂直な方向）の位置と残留応力との関係を、溶接部の中心を含む一定の範囲で降伏応力を残留応力に設定し、溶接部の中心を含む一定の範囲から離れるにしたがって残留応力が線形で減少する関係に設定している。本実施形態では、中心から２０ｍｍの手前までの範囲は、残留応力を降伏応力σ_ｙとし、２０ｍｍから５０ｍｍまでの間で残留応力を線形的に減少させ、中心から５０ｍｍの地点で残留応力を０としている。また、解析ユニット１２は、図１０に示すように、板厚方向つまり、径方向（溶接部の板幅方向に平行な方向）の位置と残留応力との関係を、全ての位置で残留応力を降伏応力に設定されている。つまり、径方向の応力を降伏応力で一定としている。なお、図９及び図１０の位置と残留応力との関係は一例であり、単純減少、一定とすることに限定されず、増減するようにしてもよい。

図５に戻り解析ユニットの制御動作について説明する。解析ユニット１２は、ステップＳ１６で抽出した部分に対して溶接残留応力解析を実行したら、ステップＳ１８として、抽出した領域の結果（残留応力の解析結果）を用いて解析モデル全体に対して溶接残留応力解析を実行する。

解析ユニット１２は、ステップＳ１８で解析モデル全体に対して溶接残留応力解析を実行したら、ステップＳ２０として、解析モデル全体に対して、機械荷重、熱応力解析を実行する。ここで、解析ユニット１２は、溶接残留応力解析の結果に基づいて解析モデルの各種パラメータを調整し、パラメータを調整した解析モデルに対して機械荷重解析、熱応力解析を行う。なお、機械荷重解析や、熱応力解析は、構造物の解析で用いる各種解析方法を用いることができる。

解析ユニット１２は、ステップＳ２０で機械荷重解析と熱応力解析を実行したら、ステップＳ２２として、解析モデル全体に対して照射下クリープ解析を実行する。解析ユニット１２は、ステップＳ１２からステップＳ２０の処理で取得した溶接残留応力と機械荷重と熱応力とを加味して算出（推定）した残留応力に加え、中性子の照射効果である照射下クリープ特性と、弾塑性特性とを取得し、さらに、放射線解析を行い取得した中性子照射量を取得する。解析ユニット１２は、取得した情報に基づいて、照射下クリープ解析を実行する。

図１１は、算出した残留応力の履歴と照射量との関係の一例を示している。図１１は、縦軸が応力であり、横軸が照射量である。なお、照射量は、積算値であるので、照射の履歴を管理することで、時間に置き換えることができる。解析ユニット１２は、図５及び図６に示す処理を実行することで、図１１に示す線分２０４を算出することができる。ここで、図１１に示す線分２０２は、しきい値である。

図１１に示すグラフでは、照射量ｔ_２となると応力履歴の線分２０４がしきい値の線分２０２を超える。解析ユニットは、応力履歴の線分２０４がしきい値の線分２０２を超える条件を満たすと、炉心槽が損傷している恐れがあると判定する。つまり、ハッチング２０６が表示される照射量ｔ_２以上の照射量では、炉心槽が損傷している恐れがあると判定する。ここで、損傷とは、例えば、検査で発見できる亀裂が発生している場合をいう。解析ユニット１２は、解析結果を出力したら、本処理を終了する。

解析システム１０は、以上のように、解析を行うことで、電子ビームで溶接した溶接部を含む部材（電子ビーム溶接構造物）の残留応力評価の精度を向上させることができる。つまり溶接した溶接部を含む部材の残留応力を高い精度で推定することができる。これにより、電子ビームで溶接した溶接部を含む部材の解析をより高い精度で実行することができる。本実施形態では、炉内構造物の経年劣化の評価を高い精度で行うことができる。つまり、炉心槽の寿命や耐久性を高い精度で推定することができる。これにより、炉心槽で損傷が発生したまま運転することを抑制しつつ、炉心槽の実際の寿命に近い時期まで使用することが可能となる。これにより、装置に不要なメンテナンスや部品の交換を行うことを抑制することができる。

また、解析システム１０は、溶接状態の残留応力分布を適切に把握することで、機械荷重、熱応力の負荷による応力、中性子照射によるクリープ応力解析結果の評価精度が向上し、寿命予測を最適化することができる。また、解析システム１０は、残留応力を解析した結果を用いて、機械荷重、熱応力の負荷による応力の解析、中性子照射によるクリープ応力解析を行うことで、単純に応力を足し合わせるより高い精度で解析を行うことができる。

解析システム１０は、実験データ２６ｂのデータつまりモックアップを用いて実験を行った結果を計測データとして用いて、合わせ込み処理を行うことで、適切な条件を取得することができる。これにより解析の精度を高くすることができる。つまり、モックアップを用いた実験結果を用いることで、解析に必要な条件をもれなく取得することができるため、解析評価精度を高めることができる。

解析システム１０は、計測データ２６ｃのデータ、つまり既に計測されたデータを用いて、合わせ込み処理をおこなうことで、モックアップを用いた実験を行わなくても、適切な条件を取得することができる。また、計測されたデータを用いることで実験を行うよりも短い時間で解析を行うことができる。なお、解析システム１０は、計測されたデータとして、板表面方向の応力分布を含んだデータでも解析可能であるが、板厚方向、つまり、溶接線の板幅方向の部材内部の応力分布を含むことが好ましい。板厚方向の応力分布を含むことでより高い精度で解析を行うことができる。

なお、解析システム１０は、既に計測されたデータを用いる場合、位置と応力との関係のデータが少ないと、モックアップを用いて計測データを取得する場合よりも精度は低下する。

解析システム１０は、簡易基準データ２６ｄのデータ、つまり簡易的に応力の分布を定義したデータを用いて処理を行うことでも適切な条件を取得することができる。この場合応力分布の定義を簡略化できるため、演算処理が簡単となり、短時間で計算を行うことができる。

解析ユニット１２は、パラメータに溶接部の温度分布を含むことが好ましい。電子ビーム溶接で形成された溶接部は、実質的に１パスで形成されるため、複数パスで溶接部を形成する他の方法に比べ、溶接部全体に温度分布が生じる場合が多い。解析ユニット１２は、温度分布をパラメータとして用いることで、合わせ込み処理をより高い精度で実行することができ、より高い精度で解析を行うことができる。

解析ユニット１２は、温度分布のパラメータとして、溶接部の板幅方向における温度分布を含むことが好ましい。つまり、溶接部の溶接中心線と平行な方向、本実施形態では、径方向に温度分布を設定することが好ましい。これにより電子ビーム溶接で溶接した溶接部をより高い精度で解析することができる。

解析ユニット１２は、パラメータに溶接部の溶融幅、溶け込み幅を含むことが好ましい。電子ビーム溶接は、溶融幅の特定が困難であるが、パラメータとして用いて、合わせ込み処理を行うことで、より正確な溶融幅を推定することができ、電子ビーム溶接で溶接した溶接部をより高い精度で解析することができる。また、解析ユニット１２は、溶融幅に負荷する温度分布、つまり溶接部の周囲の温度分布もパラメータとして用いることが好ましい。これにより、解析精度をより高くすることができる。なお、上述した温度分布は、特に限定されない。例えば、一定としてもよいし、増減する分布としてもよいし、溶接中心部から離れていくにしたがって温度が低下する分布としてもよい。

なお、上述した各実施形態では、上述した加圧水型炉（ＰＷＲの炉内構造物）に限定されず、上述したように電子ビームで溶接した種々の部材を解析することができる。

１０ 解析システム
１２ 解析ユニット
１４ 実験ユニット
２０ 制御部
２２ 操作部
２４ 表示部
２６ 記憶部
２６ａ 解析プログラム
２６ｂ 実験データ
２６ｃ 計測データ
２６ｄ 簡易基準データ
３０ 溶接装置
３２ 応力計測装置
４１ 原子炉容器
４６ 炉心槽
５３ 炉心
５４ 燃料集合体
５５ 制御棒
５７ 制御棒クラスタ案内管
６０ 制御棒クラスタ駆動軸

Claims (12)

1. 電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物の解析モデルを作成する作成ステップと、
   前記解析モデルから前記解析モデルの溶接部を含む領域を抽出する抽出ステップと、
   抽出した領域における位置と残留応力との関係を取得するデータ取得ステップと、
   前記抽出した領域に対するパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、
   前記パラメータ設定ステップで設定したパラメータに基づいて前記抽出した領域の残留応力の解析を行う解析ステップと、
   解析ステップの結果とデータ取得ステップの結果とを比較し、比較結果が許容範囲に含まれないと判定した場合、前記パラメータ設定ステップでパラメータを変更させ、前記解析ステップの処理を実行させる合わせ込み処理ステップと、
   前記合わせ込み処理ステップで比較結果が許容範囲に含まれると判定した場合、当該判定結果を前記解析結果に展開し、前記解析モデルの残留応力分布を算出する算出ステップと、を有する応力分布推定方法。
2. 前記データ取得ステップは、前記抽出した領域のモックアップの実験結果に基づいて算出して前記関係を取得する請求項１に記載の応力分布推定方法。
3. 前記データ取得ステップは、予め記憶した複数のデータから前記抽出した領域に類似するデータを抽出し、抽出したデータに基づいて前記関係を取得する請求項１に記載の応力分布推定方法。
4. 前記データ取得ステップは、降伏応力を上限として前記抽出した領域の位置に対して応力を設定することで、前記関係を取得する請求項１に記載の応力分布推定方法。
5. 前記データ取得ステップは、予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがあると判定した場合、当該データを抽出し、抽出したデータに基づいて前記関係を取得し、
   前記予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがないと判定し、前記抽出した領域のモックアップの実験結果を取得可能と判定した場合、前記抽出した領域のモックアップの実験結果に基づいて算出して前記関係を取得し、
   前記予め記憶した複数のデータに前記抽出した領域に類似するデータがないと判定し、前記抽出した領域のモックアップの実験結果を取得不可能と判定した場合、降伏応力を上限として前記抽出した領域の位置に対して残留応力を設定することで、前記関係を取得する請求項１に記載の応力分布推定方法。
6. 前記パラメータ設定ステップは、前記パラメータに前記溶接部の温度分布を含む請求項１から５のいずれか一項に記載の応力分布推定方法。
7. 前記溶接部の温度分布は、前記溶接部の板幅方向における温度分布を含む請求項６に記載の応力分布推定方法。
8. 前記パラメータ設定ステップは、前記パラメータに前記溶接部の溶融幅を含む請求項１から７のいずれか一項に記載の応力分布推定方法。
9. 前記データ取得ステップは、前記関係に前記溶接部の内部の残留応力を含む請求項１から８のいずれか一項に記載の応力分布推定方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の応力分布推定方法で前記解析モデルの残留応力分布を推定する残留応力解析ステップと、
    前記残留応力解析ステップで解析した結果を用いて、前記解析モデルの機械荷重及び熱応力を解析する機械荷重及び熱応力解析ステップと、
    前記機械荷重及び熱応力解析ステップで解析した結果を用いて、照射下クリープ解析を行うクリープ解析ステップと、を含む解析方法。
11. 電子ビームで溶接された溶接部を含む構造物の解析モデルを作成し、前記解析モデルから前記解析モデルの溶接部を含む領域を抽出し、抽出した領域における位置と残留応力との関係を取得し、前記抽出した領域に対するパラメータを設定し、設定したパラメータに基づいて前記抽出した領域の残留応力の解析を行い、解析した結果と取得したデータとを比較し、比較結果が許容範囲に含まれないと判定した場合、パラメータを変更し、解析処理を再度実行させる合わせ込みを行い、前記合わせ込み処理で比較結果が許容範囲に含まれると判定した場合、当該判定結果を前記解析結果に展開し、前記解析モデルの残留応力分布を算出する解析ユニットと、
    前記抽出した領域に対応するモックアップを作成し、前記モックアップを計測することで、前記抽出した領域における位置と残留応力との関係を検出する実験ユニットと、を有する解析システム。
12. 前記解析ユニットは、位置と残留応力との関係のデータが入力される入力部を有する請求項１１に記載の解析システム。