JP5343052B2 - Structure analysis method, program, and analysis apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce calculation load in a numerical analysis. <P>SOLUTION: In an analysis model generation method in an analyzer for executing a numerical analysis to data of a structure, the analyzer makes a prescribed area of the data of the structure as a solid element model 31, which is a solid element aggregate, and makes an area different from the solid element model 31 as a shell element model 32, which is a shell element aggregate. Then, the solid element model 31 and the shell element model 32 are combined together, thereby generating a composite element model 30. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、解析モデル生成方法、構造物解析方法、プログラムおよび解析装置の技術に関する。   The present invention relates to an analysis model generation method, a structure analysis method, a program, and an analysis apparatus.

溶接施工により大型構造物を製造する際、溶接部近傍への熱累積とその後の冷却により溶接変形が発生する。このような溶接変形を低減するために、通常では拘束冶具の取り付けや、溶接後の矯正作業などを行っている。このような状況において、有限要素法などの数値解析により変形を予測し、変形対策の適正化を図ることは、生産効率の向上およびコストの低減のために極めて重要である。   When a large structure is manufactured by welding, welding deformation occurs due to heat accumulation in the vicinity of the weld and subsequent cooling. In order to reduce such welding deformation, attachment of a restraining jig or correction work after welding is usually performed. Under such circumstances, it is extremely important to predict the deformation by numerical analysis such as the finite element method and to optimize the deformation countermeasure in order to improve the production efficiency and reduce the cost.

有限要素法による溶接変形の解析には、大きく分けると熱弾塑性解析と固有ひずみ法の二つの方法がある。熱弾塑性解析による溶接変形の解析は、解析対象とする溶接構造物において、溶接中の熱履歴を非定常熱伝導解析から求め、次に非線形解析である熱弾塑性解析により溶接中の変位、ひずみおよび応力の履歴を解析する方法である。   There are two methods of analysis of welding deformation by the finite element method: thermal elastic-plastic analysis and intrinsic strain method. Welding deformation analysis by thermal elastic-plastic analysis is based on unsteady heat conduction analysis of the heat history during welding in the welded structure to be analyzed, and then the displacement during welding by thermal elastic-plastic analysis, which is nonlinear analysis, This is a method of analyzing the history of strain and stress.

一方、固有ひずみ法による溶接変形の解析は、溶接部およびその近傍に生じた固有ひずみを溶接構造物に与え、線形解析である(熱)弾性解析により溶接変形を計算する方法である。   On the other hand, the analysis of welding deformation by the inherent strain method is a method in which the inherent strain generated in the welded portion and its vicinity is given to the welded structure, and the welding deformation is calculated by (thermal) elastic analysis which is linear analysis.

熱弾塑性解析法を用いて溶接構造物の溶接変形や残留応力を推定するには、2次元ソリッド要素の解析モデル(2次元モデル)を用いた解析や、3次元ソリッド要素の解析モデル(3次元モデル)を用いた解析が行われている。2次元モデルを用いた解析では、計算時間と計算費用を削減することが期待されるが、実構造物の形状、拘束条件、溶接熱源の移動および溶接金属の形成過程などが模擬できないため、解析精度が悪くなるという課題がある。一方、3次元モデルの場合、解析精度の向上が図られるが、大型構造物に対し膨大なモデル計算時間が必要となるため、現実的に計算できないケースも多い。
ここで、ソリッド要素とは、3次元の解析モデルをメッシュで区切った要素であり、シェル要素とは、2次元の解析モデルをメッシュで区切った要素である。
In order to estimate the welding deformation and residual stress of a welded structure using the thermoelastic-plastic analysis method, analysis using a two-dimensional solid element analysis model (two-dimensional model) or a three-dimensional solid element analysis model (3 Analysis using a (dimensional model). In the analysis using a two-dimensional model, it is expected to reduce the calculation time and cost, but the analysis cannot be simulated because the shape of the actual structure, the restraint conditions, the movement of the welding heat source and the formation process of the weld metal cannot be simulated. There is a problem that accuracy is deteriorated. On the other hand, in the case of a three-dimensional model, analysis accuracy is improved. However, since a large model calculation time is required for a large structure, there are many cases where it cannot be calculated practically.
Here, the solid element is an element obtained by dividing a three-dimensional analysis model by a mesh, and the shell element is an element obtained by dividing a two-dimensional analysis model by a mesh.

このような状況において、計算精度が高く、かつ計算時間の低減可能な解析手法が望まれている。
特許文献1には、3次元モデルを用いた熱弾性解析を行って得られた熱変形の結果を変形拘束条件として、2次元モデルを用いた熱弾塑性解析を行うことにより、解析精度が高く、かつ計算時間の削減可能な溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析プログラムが開示されている。
Under such circumstances, an analysis method that has high calculation accuracy and can reduce calculation time is desired.
In Patent Document 1, the analysis accuracy is high by performing thermoelastic-plastic analysis using a two-dimensional model using the result of thermal deformation obtained by performing thermoelastic analysis using a three-dimensional model as a deformation constraint. Further, a welding residual stress analysis method and a welding residual stress analysis program capable of reducing calculation time are disclosed.

また、特許文献2には、車両衝突のシミュレーションにおいて、溶接を行う2つの板をシェル要素、溶接部位を弾性体のビーム要素をソリッド要素でモデル化し、溶接部に働く伝達力を演算し、溶接部位の破断を判断する破断判定装置および方法が開示されている。   In Patent Document 2, in the simulation of a vehicle collision, two plates to be welded are modeled as shell elements, and the welded part is modeled as a solid beam element, and the transmission force acting on the weld is calculated, and welding is performed. A break determination device and method for determining breakage of a part are disclosed.

また、特許文献3には、数値解析法より造管工程を計算するに当たり、まず造管工程の全体を含む複合要素の解析モデルについてシェル要素を用いて鋼板の3次元変形履歴を計算し、次に得られた厚み方向以外の計算結果を拘束条件として、局部モデルについてソリッド要素を用いた計算を行う造管工程の数値解析方法が開示されている。   In Patent Document 3, in calculating a pipe making process by numerical analysis, first, a three-dimensional deformation history of a steel sheet is calculated using a shell element for an analysis model of a composite element including the entire pipe forming process. A numerical analysis method for a pipe making process is disclosed in which a calculation using a solid element is performed on a local model using a calculation result other than the thickness direction obtained as a constraint.

特開2009−36669号公報JP 2009-36669 A 特開2005−205467号公報JP 2005-205467 A 特開2008−176535号公報JP 2008-176535 A

特許文献1に記載の技術を用いれば、熱弾塑性解析を行うものが2次元モデルであるため、計算時間の短縮が可能となる。しかし、複雑な大型構造物の溶接変形に対し、2次元モデルを適用できないケースが多く、適用が制限されているという問題がある。   If the technique described in Patent Document 1 is used, the one that performs the thermoelastic-plastic analysis is a two-dimensional model, so that the calculation time can be shortened. However, there are many cases in which the two-dimensional model cannot be applied to welding deformation of a complicated large structure, and there is a problem that application is limited.

特許文献2に記載の技術を用いれば、ソリッド要素とシェル要素両方の適用により解析時間の短縮ができ、かつ溶接部位の応力の計算も可能となる。しかし、溶接の熱履歴により発生した応力・変形の計算方法が提示されていない。   If the technique described in Patent Document 2 is used, the analysis time can be shortened by applying both the solid element and the shell element, and the stress of the welded part can be calculated. However, a method for calculating the stress and deformation generated by the thermal history of welding has not been presented.

特許文献3に記載の技術を用いれば、造管全体の解析モデルにシェル要素を適用したため、計算時間の短縮が可能となる。しかし、溶接変形解析については、解析全体にシェル要素を適用した場合、溶接の熱履歴計算に必要とされる熱伝達解析ができないという問題がある。   If the technique described in Patent Document 3 is used, the calculation time can be shortened because the shell element is applied to the analysis model of the entire pipe making. However, with regard to the welding deformation analysis, when the shell element is applied to the entire analysis, there is a problem that the heat transfer analysis required for calculating the heat history of welding cannot be performed.

そこで前記事情を鑑みて、本発明の目的は、数値解析の計算負荷を軽減することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to reduce the calculation load of numerical analysis.

前記課題を解決するため、本発明は、溶接された構造物の数値解析を行う解析装置における構造物解析方法であって、前記解析装置は、前記構造物のデータのうち、溶接部における所定の領域を、ソリッド要素の集合体であるソリッド要素モデルとし、前記ソリッド要素モデルとは異なる領域を、シェル要素の集合体であるシェル要素モデルとし、前記ソリッド要素モデルに対して、前記ソリッド要素モデルにおける熱分布を算出する熱伝達解析を行い、前記熱伝達解析の結果を含む前記ソリッド要素モデルと、前記シェル要素モデルと、を結合して複合要素モデルを生成し、生成した前記複合要素モデルに対して、前記複合要素モデルにおけるひずみ分布および応力分布を算出する熱弾塑性解析を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a structure analysis method in an analysis apparatus that performs numerical analysis of a welded structure, and the analysis apparatus includes a predetermined portion in a welded portion of the structure data. The region is a solid element model that is a collection of solid elements, and a region different from the solid element model is a shell element model that is a collection of shell elements. A heat transfer analysis for calculating a heat distribution is performed, and a composite element model is generated by combining the solid element model including the result of the heat transfer analysis and the shell element model, and for the generated composite element model The thermal elastic-plastic analysis for calculating the strain distribution and the stress distribution in the composite element model is performed.

本発明によれば、数値解析の計算負荷を軽減することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the calculation load of numerical analysis.

本実施形態に係る解析装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the analyzer which concerns on this embodiment. 比較例としてのソリッド要素データの示す図である。It is a figure which shows the solid element data as a comparative example. 本実施形態に係る複合要素モデルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the composite element model which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界部を示す図である。It is a figure which shows the boundary part of the solid element model and shell element model which concern on this embodiment. ソリッド要素モデルと、シェル要素モデルの結合の形式例を示す図である。It is a figure which shows the example of a format of the coupling | bonding of a solid element model and a shell element model. 本実施形態に係るソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界部における別の例を示す図である。It is a figure which shows another example in the boundary part of the solid element model and shell element model which concern on this embodiment. 本実施形態に係る溶接変形解析処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the welding deformation | transformation analysis process which concerns on this embodiment. 本実施形態と、比較例における熱弾塑性解析の計算時間と、解析精度を示す表である。It is a table | surface which shows the calculation time and analysis accuracy of the thermoelastic-plastic analysis in this embodiment and a comparative example. 本実施形態に係る溶接変形解析処理の別の手順を示すフローチャートである(その1)。It is a flowchart which shows another procedure of the welding deformation | transformation analysis process which concerns on this embodiment (the 1). 本実施形態に係る溶接変形解析処理の別の手順を示すフローチャートである(その2)。It is a flowchart which shows another procedure of the welding deformation | transformation analysis process which concerns on this embodiment (the 2).

次に、本発明を実施するための形態(「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。   Next, modes for carrying out the present invention (referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

(構成)
図1は、本実施形態に係る解析装置の構成例を示す図である。
解析装置1は、情報を処理する処理部10、入力部20、出力部30およびCAD(Computer-Aided Design)データなどを格納している記憶部40を有している。
処理部10は、情報を処理する機能を有し、モデル生成部11および解析部12を有している。
(Constitution)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an analysis apparatus according to the present embodiment.
The analysis apparatus 1 includes a processing unit 10 that processes information, an input unit 20, an output unit 30, and a storage unit 40 that stores CAD (Computer-Aided Design) data and the like.
The processing unit 10 has a function of processing information, and includes a model generation unit 11 and an analysis unit 12.

モデル生成部11は、記憶部40に格納されているCADデータから、例えば溶接構造物の3次元の解析モデル(3次元モデル)を生成したり、入力部20からの入力に従ってモデルを加工したりする。モデルの生成には、CADデータから解析対象の形状を取得するとともに、入力部20からの入力により指定されたメッシュ構成に従って、モデルにおけるメッシュの生成が行われる。CADデータを取得すれば、例えば解析対象となっている溶接構造物の占める位置は、モデル内に予め設定した三次元座標(本実施形態では座標軸は直交しているものとして説明する)の座標値によって定まるとともに、さらにその座標値に位置する部品を構成する物質の物性値が定まり、記憶部40に記憶される。なお、物性値は、CADデータから取得される。   The model generation unit 11 generates, for example, a three-dimensional analysis model (three-dimensional model) of a welded structure from CAD data stored in the storage unit 40, or processes the model according to an input from the input unit 20. To do. In the model generation, the shape to be analyzed is acquired from the CAD data, and the mesh in the model is generated according to the mesh configuration designated by the input from the input unit 20. If CAD data is acquired, for example, the position occupied by the welded structure to be analyzed is a coordinate value of three-dimensional coordinates set in advance in the model (in this embodiment, the coordinate axes are assumed to be orthogonal). And the physical property value of the substance constituting the part located at the coordinate value is determined and stored in the storage unit 40. The physical property value is acquired from CAD data.

また、モデル生成部11は、例えば、後記するソリッド要素におけるメッシュの生成(ソリッド要素モデルの生成)、シェル要素におけるメッシュの生成(シェル要素モデルの生成)、ソリッド要素とシェル要素の結合による複合要素モデルの生成や、メッシュにおける節点の拘束条件の設定などの処理も行う。
生成されたモデル(ソリッド要素モデル、シェル要素モデルおよび複合要素モデル)は記憶部40に記憶される。
Further, the model generation unit 11 generates, for example, a mesh in a solid element described later (generation of a solid element model), a mesh in a shell element (generation of a shell element model), and a composite element by combining the solid element and the shell element. It also performs processing such as model generation and setting of node constraint conditions in the mesh.
The generated models (solid element model, shell element model, and composite element model) are stored in the storage unit 40.

解析部12は、生成した各モデルに対し、数値解析を行い、その解析結果を出力する。本実施形態で行われる数値解析には、例えば、熱伝達解析や、非線形解析である熱弾塑性解析や、線形解析である弾性解析や、固有ひずみ法による解析などが含まれる。   The analysis unit 12 performs numerical analysis on each generated model and outputs the analysis result. The numerical analysis performed in the present embodiment includes, for example, heat transfer analysis, thermoelastic-plastic analysis that is nonlinear analysis, elastic analysis that is linear analysis, analysis by an inherent strain method, and the like.

入力部20は、例えば、ユーザの操作を受け付けるマウスやキーボードであり、ユーザから入力された情報を解析装置1に入力する入力インタフェースである。   The input unit 20 is, for example, a mouse or a keyboard that receives a user operation, and is an input interface that inputs information input from the user to the analysis apparatus 1.

出力部30は、例えば、解析対象となる溶接構造物のCADデータやそのモデル、数値解析の計算結果などを表示するディスプレイであり、処理部10からの命令(描画命令を含む)に従い、所定の画像を表示する出力インタフェースも含む。   The output unit 30 is a display that displays, for example, CAD data of a welded structure to be analyzed, a model thereof, a calculation result of numerical analysis, and the like, according to a command (including a drawing command) from the processing unit 10 Also includes an output interface for displaying images.

記憶部40に格納されているCADデータは、解析対象となる溶接構造物を、CADによる設計で生成した、3次元のデータなどである。CADデータには溶接構造物の物性を示す物性値も含まれている。CADデータは、図示しない通信インタフェースを介して、外部装置から取得してもよい。   The CAD data stored in the storage unit 40 is three-dimensional data generated by designing a welded structure to be analyzed by CAD. The CAD data includes physical property values indicating the physical properties of the welded structure. CAD data may be acquired from an external device via a communication interface (not shown).

ここで、モデルの生成や、解析に用いるパラメータは、メッシュ構成に関する初期条件(例:使用するメッシュの数、サイズ、形状)、ソリッド要素を適用する局部モデルを形成するときに定めるソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界部の位置などである。数値解析を実行するのに必要な値や、条件は、熱履歴を模擬できる熱源の分布方程式、入熱量、解析対象と周辺環境との境界条件、メッシュの節点の拘束条件(例:拘束対象のメッシュの節点、その節点の拘束する方向(X方向、Y方向、Z方向の少なくとも一つ))などである。   Here, the parameters used for model generation and analysis are the initial conditions related to the mesh configuration (eg, the number, size, and shape of the mesh to be used), the solid element model defined when forming the local model to which the solid element is applied, and For example, the position of the boundary with the shell element model. The values and conditions necessary to perform numerical analysis are the heat source distribution equation that can simulate the thermal history, the heat input, the boundary condition between the analysis target and the surrounding environment, and the mesh node constraint conditions (eg, the constraint target Mesh nodes and the direction in which the nodes are constrained (at least one of the X, Y, and Z directions).

なお、メッシュの節点の「拘束」とは、数値解析を行ってもその節点の変位量をゼロにすることである。この拘束により数値解析における位置の基準が定まる。3次元モデルでは、数値解析を行ううえで少なくとも6つの自由度の拘束が必要となる。ただし、拘束する節点の位置や方向は問わない。   Note that “restraint” of the nodes of the mesh means that the displacement amount of the nodes is made zero even if numerical analysis is performed. This constraint determines the position reference in the numerical analysis. In a three-dimensional model, at least six degrees of freedom are required for numerical analysis. However, the position and direction of the node to be restrained are not limited.

なお、処理部10、処理部10におけるモデル生成部11および解析部12は、図示しないROM(Read Only Memory)や、HDD(Hard Disk Drive)に格納されたプログラムが、RAM(Random Access Memory)に展開され、CPU(Central Processing Unit)によって実行されることによって具現化する。   Note that the processing unit 10, the model generation unit 11 and the analysis unit 12 in the processing unit 10 store a program stored in a ROM (Read Only Memory) or HDD (Hard Disk Drive) (not shown) in a RAM (Random Access Memory). It is implemented and implemented by being executed by a CPU (Central Processing Unit).

(モデルの説明)
次に、図2〜図6を参照して、本実施形態において解析で使用するモデルについて説明する。
図2は、比較例としてのソリッド要素データ(3次元モデル)の示す図である。
図2〜図6において、数値解析の対象となる溶接構造物は、被溶接板材21aと被溶接板材21bとの直線溶接により構成されている。被溶接板材21a,21bとの溶接部22は溶接により生成される溶接金属部である。
これまでは、図2に示すように、被溶接板材21aと被溶接材21bの全領域に対しソリッド要素モデルを適用し、メッシュを設定することによって生成したソリッド要素データ20に対し数値解析を行っていた。なお、図2において、ソリッド要素には、六面体のメッシュを適用している。
(Description of model)
Next, with reference to FIGS. 2 to 6, a model used for analysis in the present embodiment will be described.
FIG. 2 is a diagram showing solid element data (three-dimensional model) as a comparative example.
2 to 6, the welded structure to be subjected to numerical analysis is configured by linear welding of a welded plate material 21a and a welded plate material 21b. The welded portion 22 with the plate materials 21a and 21b to be welded is a weld metal portion generated by welding.
Until now, as shown in FIG. 2, the solid element model 20 is applied to the entire area of the welded plate material 21a and the welded material 21b, and the numerical analysis is performed on the solid element data 20 generated by setting the mesh. It was. In FIG. 2, a hexahedral mesh is applied to the solid element.

なお、図2において、溶接部22は、精度の高い数値解析を行う必要から周囲より細かいメッシュが生成され、溶接により塑性ひずみが発生する領域(溶接近傍領域)は、溶接部22ほど精度の高い数値解析を必要としないため溶接部22より、やや粗いメッシュが生成され、塑性ひずみが発生しない領域は、溶接近傍領域より、さらに粗いメッシュが生成されている。   In FIG. 2, since the welded portion 22 needs to perform numerical analysis with high accuracy, a finer mesh than the surroundings is generated, and the region where the plastic strain is generated by welding (welding vicinity region) is as accurate as the welded portion 22. Since numerical analysis is not required, a slightly coarser mesh is generated from the welded portion 22, and a coarser mesh is generated in a region where no plastic strain occurs than in a region near the weld.

図3は、本実施形態に係る複合要素モデルの例を示す図である。なお、図3〜図6において、図2と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
図3は、図2と同じ構造物を本実施形態に係る複合要素モデルに変換したものである。複合要素モデル30は、ソリッド要素モデル31と、シェル要素モデル32a(32),32b(32)との結合によって生成されている。ここでは、図2における溶接部22およびその近傍を含んだ塑性ひずみが発生する領域(溶接近傍領域)を含んだ領域をソリッド要素モデル31とし、それ以外の部分(塑性ひずみが発生しない領域)はシェル要素モデル32a,32bとしている。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the composite element model according to the present embodiment. 3 to 6, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
FIG. 3 is obtained by converting the same structure as FIG. 2 into a composite element model according to the present embodiment. The composite element model 30 is generated by combining a solid element model 31 and shell element models 32a (32) and 32b (32). Here, the region including the welded portion 22 and its vicinity in FIG. 2 including the region where plastic strain occurs (region near the weld) is the solid element model 31, and the other portion (region where no plastic strain occurs) is Shell element models 32a and 32b are used.

ソリッド要素モデル31におけるメッシュ分割は実溶接条件と溶接ビード断面形状を考慮してユーザが決定し、入力部20を介して解析装置1に入力する。メッシュの形状は、解析精度の高い六面体を用いるのが好ましいが、四面体、三角柱などを用いてもよいし、あるいはこれらの混合要素を用いてもよい。   The mesh division in the solid element model 31 is determined by the user in consideration of actual welding conditions and the weld bead cross-sectional shape, and is input to the analysis apparatus 1 via the input unit 20. As the shape of the mesh, a hexahedron with high analysis accuracy is preferably used, but a tetrahedron, a triangular prism, or the like, or a mixed element thereof may be used.

なお、本実施形態におけるシェル要素モデル31のメッシュ分割は、実構造物の形状およびソリッド要素モデル32のメッシュ形状を考慮してユーザが決定し、入力部20を介して解析装置1に入力する。メッシュの形状は、解析精度の高い四辺形を用いるのが好ましい。また、軸対称のシェル要素や、3角形を用いてもよいし、あるいはこれらの混合要素を用いてもよい。
なお、符号35〜37については後記する。
The mesh division of the shell element model 31 in the present embodiment is determined by the user in consideration of the shape of the actual structure and the mesh shape of the solid element model 32 and is input to the analysis apparatus 1 via the input unit 20. The mesh shape is preferably a quadrilateral with high analysis accuracy. Further, an axially symmetric shell element, a triangle, or a mixed element thereof may be used.
Reference numerals 35 to 37 will be described later.

図4は、本実施形態に係るソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界部を示す図である。
この境界部はソリッド要素モデル31の境界面41と、シェル要素モデル32の境界線42から構成される。シェル要素モデル32の境界線42に所属する節点43は、ソリッド要素モデル31にも所属している。すなわち、ソリッド要素モデル31の境界面41と接するシェル要素モデル32の境界線42におけるすべての節点43はソリッド要素モデル31、シェル要素モデル32の双方に属する。
FIG. 4 is a diagram showing a boundary portion between the solid element model and the shell element model according to the present embodiment.
This boundary portion includes a boundary surface 41 of the solid element model 31 and a boundary line 42 of the shell element model 32. The node 43 belonging to the boundary line 42 of the shell element model 32 also belongs to the solid element model 31. That is, all the nodes 43 on the boundary line 42 of the shell element model 32 that contacts the boundary surface 41 of the solid element model 31 belong to both the solid element model 31 and the shell element model 32.

なお、境界面41に対する境界線42の位置、すなわち、シェル要素モデル32が境界面41のどこに接続されるかは、予め設定された条件に従って決定されるが、通常は境界面41の中心線に沿って接続される。   Note that the position of the boundary line 42 with respect to the boundary surface 41, that is, where the shell element model 32 is connected to the boundary surface 41 is determined according to a preset condition. Connected along.

このように、シェル要素モデル32と、ソリッド要素モデル31とを垂直に結合することで、シェル要素モデル32、ソリッド要素モデル31にわたる数値解析を連続的に行うことが容易となる。   In this way, by connecting the shell element model 32 and the solid element model 31 vertically, it is easy to continuously perform numerical analysis over the shell element model 32 and the solid element model 31.

図5は、ソリッド要素モデルと、シェル要素モデルの結合の形式例を示す図である。
図5(a)は、図3および図4と同様に、ソリッド要素モデル31の境界面41の法線方向46と、シェル要素モデル32の境界線42の法線方向45とが直角を形成している例である。つまり、シェル要素モデル32は、ソリッド要素モデル31に対し、境界部において垂直に結合している。
FIG. 5 is a diagram showing a format example of the combination of the solid element model and the shell element model.
5A, in the same way as FIGS. 3 and 4, the normal direction 46 of the boundary surface 41 of the solid element model 31 and the normal direction 45 of the boundary line 42 of the shell element model 32 form a right angle. This is an example. That is, the shell element model 32 is vertically coupled to the solid element model 31 at the boundary portion.

図5(b)は、シェル要素モデル32が曲面を形成している場合における例を示す図である。このようにシェル要素モデル32が曲面を形成していても、ソリッド要素モデル31の境界面41の法線方向46が、境界線42におけるシェル面の法線方向45に対して直角となっていればよい。   FIG. 5B is a diagram illustrating an example when the shell element model 32 forms a curved surface. Thus, even if the shell element model 32 forms a curved surface, the normal direction 46 of the boundary surface 41 of the solid element model 31 may be perpendicular to the normal direction 45 of the shell surface at the boundary line 42. That's fine.

なお、図5(c)のように、ソリッド要素モデル31の境界面41の法線方向46と、シェル要素モデル32の境界線42におけるシェル面の法線方向47とが直角をなしていなくてもよい。つまり、ソリッド要素モデル31に対し、シェル要素モデルが直角に結像していなくてもよい。しかし、シェル要素モデル32、ソリッド要素モデル31にわたる数値解析を連続的に行うことが容易となる点で、図5(a)や、図5(b)に示すようにソリッド要素モデル31の境界面41の法線方向46と、シェル要素モデル32の境界線42におけるシェル面の法線方向45とが直角をなすように、ソリッド要素モデル31とシェル要素モデル32とを結合する方が好ましい。   As shown in FIG. 5C, the normal direction 46 of the boundary surface 41 of the solid element model 31 and the normal direction 47 of the shell surface at the boundary line 42 of the shell element model 32 do not form a right angle. Also good. That is, the shell element model does not have to form a right angle with respect to the solid element model 31. However, the boundary surface of the solid element model 31 is shown in FIGS. 5A and 5B in that numerical analysis over the shell element model 32 and the solid element model 31 can be easily performed continuously. It is preferable to combine the solid element model 31 and the shell element model 32 so that the normal direction 46 of 41 and the normal direction 45 of the shell surface at the boundary line 42 of the shell element model 32 form a right angle.

図6は、本実施形態に係るソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界部における別の例を示す図である。図6において、図4と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図6の例では、ソリッド要素モデル31の境界面41における節点61と、シェル要素モデル32の境界線42における節点62とが共有されていない。つまり、シェル要素モデル32の境界線42に所属する節点62は、ソリッド要素モデル31の境界面41に所属していない。また、ソリッド要素モデル31の境界面41に所属する節点61は、シェル要素モデル32の境界線42に所属していない。つまり、節点61は、ソリッド要素モデル31のデータには記載されているが、シェル要素モデル32のデータには記載されていない。同様に、設定62は、、シェル要素モデル32のデータには記載されているが、ソリッド要素モデル31のデータには記載されていない。
FIG. 6 is a diagram showing another example at the boundary between the solid element model and the shell element model according to the present embodiment. In FIG. 6, the same components as those in FIG.
In the example of FIG. 6, the node 61 on the boundary surface 41 of the solid element model 31 and the node 62 on the boundary line 42 of the shell element model 32 are not shared. That is, the node 62 belonging to the boundary line 42 of the shell element model 32 does not belong to the boundary surface 41 of the solid element model 31. Further, the node 61 belonging to the boundary surface 41 of the solid element model 31 does not belong to the boundary line 42 of the shell element model 32. That is, the node 61 is described in the data of the solid element model 31 but is not described in the data of the shell element model 32. Similarly, the setting 62 is described in the data of the shell element model 32 but is not described in the data of the solid element model 31.

図4に示すように境界部の節点43,44が、ソリッド要素モデル31およびシェル要素モデル32の双方に所属するのは、例えば、同一の構造物のある範囲をソリッド要素モデル31とし、他の範囲をシェル要素モデル32とした場合などで用いられる。他方、図6に示すように、ソリッド要素モデル31の境界部における節点61がシェル要素モデル32に所属しておらず、シェル要素モデル32の境界部における節点62がソリッド要素モデル31に所属していないのは、例えば、ソリッド要素モデル31と、シェル要素モデル32とを別々に生成し、後で結合した場合などに用いられる。
なお、図6においても、ソリッド要素モデル31の境界面41の法線方向46(図5)が、シェル要素モデル32の境界線42におけるシェル面の法線方向45(図5)とが直角をなすように、ソリッド要素モデル31とシェル要素モデル32とを結合する方が好ましい。
As shown in FIG. 4, the nodes 43 and 44 at the boundary belong to both the solid element model 31 and the shell element model 32. For example, a certain range of the same structure is the solid element model 31, This is used when the range is the shell element model 32. On the other hand, as shown in FIG. 6, the node 61 at the boundary of the solid element model 31 does not belong to the shell element model 32, and the node 62 at the boundary of the shell element model 32 belongs to the solid element model 31. The absence is used when, for example, the solid element model 31 and the shell element model 32 are generated separately and later combined.
Also in FIG. 6, the normal direction 46 (FIG. 5) of the boundary surface 41 of the solid element model 31 is perpendicular to the normal direction 45 (FIG. 5) of the shell surface at the boundary line 42 of the shell element model 32. It is preferable to combine the solid element model 31 and the shell element model 32 so as to achieve this.

(処理)
次に、図1を参照しつつ、図7に沿って本実施形態に係る溶接変形解析処理を説明する。
図7は、本実施形態に係る溶接変形解析処理の手順を示すフローチャートである。
(processing)
Next, the welding deformation analysis process according to the present embodiment will be described along FIG. 7 with reference to FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing a procedure of welding deformation analysis processing according to the present embodiment.

この処理では、まず、ユーザが、入力部20を介して入力したデータに従って、モデル生成部11が、解析対象の溶接構造物を3次元有限要素モデル化することによって、3次元モデルを構築する。
次に、ユーザが、構築した3次元モデルにおいてソリッド要素とする領域を指定し、モデル生成部11が、指定された領域をソリッド要素モデルとすることによって、ソリッド要素モデルを生成する(S101)。ここでは、この後で行なう熱弾塑性解析で、十分な解析精度が得られるようにするため、ユーザは溶接部およびその近傍を含んでいる塑性ひずみの発生する可能性がある領域をソリッド要素モデルの領域として指定する。
そして、モデル生成部11は、3次元モデルのうち、シェル要素モデルの領域のソリッド要素をシェル要素に変換することで、シェル要素モデルを生成する(S102)。シェル要素モデルの領域の設定は、3次元モデルのうち、ソリッド要素モデルではない領域をモデル生成部11がシェル要素モデルの領域としてもよいし、ユーザが、入力部20を介してシェル要素モデルの領域を指定してもよい。
In this process, first, according to the data input by the user via the input unit 20, the model generation unit 11 constructs a three-dimensional model by converting the welding structure to be analyzed into a three-dimensional finite element model.
Next, the user specifies a region to be a solid element in the constructed three-dimensional model, and the model generation unit 11 generates a solid element model by setting the specified region as a solid element model (S101). Here, in order to obtain sufficient analysis accuracy in the subsequent thermo-elasto-plastic analysis, the user can analyze the region where the plastic strain that includes the welded part and its vicinity may occur. Specify as the area of.
And the model production | generation part 11 produces | generates a shell element model by converting the solid element of the area | region of a shell element model into a shell element among three-dimensional models (S102). In the setting of the region of the shell element model, the region that is not a solid element model in the three-dimensional model may be set as the region of the shell element model by the model generation unit 11, or the user An area may be specified.

シェル要素モデルは、解析対象となる実構造物の形状、寸法、拘束条件および溶接の施工条件などに応じて設定される。一般的に、塑性ひずみが発生する溶接部およびその近傍(ソリッド要素モデルの領域)以外の範囲となる。また、メッシュのサイズや要素数は、入力部20を介してユーザが設定してもよいし、予めデフォルト値として設定しておいてもよい。   The shell element model is set according to the shape, dimensions, constraint conditions, welding conditions, and the like of the actual structure to be analyzed. Generally, it is a range other than the welded portion where plastic strain occurs and its vicinity (region of the solid element model). Further, the size and the number of elements of the mesh may be set by the user via the input unit 20, or may be set as default values in advance.

そして、モデル生成部11は、ソリッド要素モデルおよびシェル要素モデルにおけるメッシュの節点番号などを設定するパラメータ設定を行う。
なお、ソリッド要素モデルと、シェル要素モデルは別のデータとして記憶部40などに保持される。
Then, the model generation unit 11 performs parameter setting for setting the node numbers of meshes in the solid element model and the shell element model.
The solid element model and the shell element model are held in the storage unit 40 as separate data.

次に、解析部12が、以下のステップS103,S104の手順に従ってソリッド要素モデルの熱弾塑性解析を実行する。
まず、解析部12は、ソリッド要素モデルのソリッド要素を、熱弾塑性解析用のモデル部分とする。このモデル部分は、ソリッド要素モデルからそのまま抽出したものであるため、モデルおよびメッシュの作成が1回に限られ、メッシュの作成工程を短縮できる。つまり、ソリッド要素部分に関しては、最初に作成した3次元モデルをそのまま利用できる。
ソリッド要素の抽出のパラメータとして、ソリッド要素モデルの境界部と全体の3次元モデルの残り部分(シェル要素モデル)の境界部とが取得され、設定される。つまり、解析部12は、ソリッド要素抽出の際、ソリッド要素モデルと、シェル要素モデルのとの境界部に関するパラメータも、用いるパラメータとして抽出する。
Next, the analysis part 12 performs the thermoelastic-plastic analysis of a solid element model according to the procedure of the following steps S103 and S104.
First, the analysis unit 12 sets a solid element of the solid element model as a model part for thermal elastic-plastic analysis. Since this model portion is extracted from the solid element model as it is, the creation of the model and the mesh is limited to one time, and the mesh creation process can be shortened. That is, for the solid element portion, the initially created three-dimensional model can be used as it is.
As solid element extraction parameters, the boundary part of the solid element model and the boundary part of the remaining part (shell element model) of the entire three-dimensional model are acquired and set. That is, when extracting the solid element, the analysis unit 12 also extracts a parameter regarding a boundary portion between the solid element model and the shell element model as a parameter to be used.

解析部12は、ソリッド要素モデルの熱伝達解析を実行する(S103)。熱伝達解析の具体的な流れとして、解析部12は、まず、実溶接条件を模擬する入熱条件を設定し、次に、溶接開始から完了までの過程を細かい時間間隔で熱解析を行い、実溶接に近い熱履歴(熱分布)を計算する。その結果、溶接部およびその近傍(ソリッド要素モデルの領域)の温度分布の履歴が得られる。   The analysis unit 12 performs heat transfer analysis of the solid element model (S103). As a specific flow of heat transfer analysis, the analysis unit 12 first sets a heat input condition that simulates actual welding conditions, and then performs a thermal analysis of the process from the start of welding to completion at fine time intervals, Calculate the thermal history (heat distribution) close to actual welding. As a result, a history of the temperature distribution of the welded portion and its vicinity (region of the solid element model) is obtained.

次に、解析部12は、次のステップに必要な条件となるソリッド要素モデルの境界面の拘束条件を設定する。この境界面は解析上の境界面であり、実際の構造物にはこのような境界面が存在していない。つまり、実際の構造部は、シェル部分も厚みをもつ構造物であるため、境界面に相当する箇所は厚みを有する連続した構造物であるため、境界面は現実には存在せず、解析データ上にのみ存在するものである。   Next, the analysis unit 12 sets a constraint condition for the boundary surface of the solid element model, which is a necessary condition for the next step. This boundary surface is an analytical boundary surface, and such a boundary surface does not exist in an actual structure. In other words, since the actual structural part is a structure having a thick shell part, the portion corresponding to the boundary surface is a continuous structure having a thickness. It exists only on the top.

ここで、境界面の拘束条件は、実構造物の拘束状況を考慮して設定する。本実施形態の場合、図6に示すソリッド要素モデルの境界面41に所属するすべての節点において、図6に示す座標方向であるX方向、Y方向、Z方向の変位量を0とする。つまり、境界面41の節点は、X方向、Y方向、Z方向のいずれにも変位しないよう拘束条件を設定する。   Here, the constraint condition of the boundary surface is set in consideration of the constraint condition of the actual structure. In the present embodiment, the displacement amounts in the X, Y, and Z directions, which are the coordinate directions shown in FIG. 6, are set to 0 at all nodes belonging to the boundary surface 41 of the solid element model shown in FIG. That is, the constraint condition is set so that the nodes of the boundary surface 41 are not displaced in any of the X direction, the Y direction, and the Z direction.

そして、解析部12は、ソリッド要素モデルにおける境界面の拘束条件を設定した後、ステップS103の熱伝達解析で出力されたソリッド要素モデルの熱履歴の解析結果を入力条件として、ソリッド要素モデルの非線形の熱弾塑性解析を実行する(S104)。ステップS104の熱弾塑性解析により、ソリッド要素モデルのひずみ履歴(ひずみ分布)および応力履歴(応力分布)が得られる。   Then, after setting the constraint condition of the boundary surface in the solid element model, the analysis unit 12 uses the analysis result of the thermal history of the solid element model output in the heat transfer analysis in step S103 as an input condition to determine the nonlinearity of the solid element model. The thermal elasto-plastic analysis is performed (S104). The strain history (strain distribution) and stress history (stress distribution) of the solid element model are obtained by the thermoelastic-plastic analysis in step S104.

ステップS104におけるソリッド要素モデルの熱弾塑性解析が終了した後、モデル生成部11は、ステップS104で出力されたひずみ履歴の情報を含んでいるソリッド要素モデルと、シェル要素モデルとを結合して複合要素モデルを生成する(S105)。なお、ソリッド要素モデルの熱弾塑性解析を行った際に、ソリッド要素モデルとシェル要素モデルとの境界面の節点は拘束されているため、シェル要素モデルと、ソリッド要素モデルとの結合は簡単に実現できる。このとき生成した複合要素モデルには、ステップS104のソリッド要素モデルの熱弾塑性解析により得られる溶接近傍のひずみ履歴、応力履歴などの情報が含まれていることとなる。   After the thermal elastic-plastic analysis of the solid element model in step S104 is completed, the model generation unit 11 combines the solid element model including the strain history information output in step S104 and the shell element model to combine them. An element model is generated (S105). In addition, when the thermal elastic-plastic analysis of the solid element model is performed, the nodes of the boundary surface between the solid element model and the shell element model are constrained, so the connection between the shell element model and the solid element model is easy. realizable. The composite element model generated at this time includes information such as strain history and stress history in the vicinity of the weld obtained by the thermal elastic-plastic analysis of the solid element model in step S104.

次に、そして、入力部20を介して実構造物の拘束を考慮した拘束条件が、複合要素モデルのメッシュの節点に与えられると、解析部12は、複合要素モデルの弾性解析を実行し(S106)、最終的な構造物の溶接変形を計算する(S107)   Next, when a constraint condition in consideration of the constraint of the actual structure is given to the mesh node of the composite element model via the input unit 20, the analysis unit 12 executes an elastic analysis of the composite element model ( (S106), the welding deformation of the final structure is calculated (S107).

ステップS106の処理を詳述すると、以下のようになる。
すなわち、解析部12は、ソリッド要素モデルの熱弾塑性解析を行う際に設定したソリッド要素モデルの境界面の拘束条件を解放し、実構造物の拘束を模擬できる拘束条件を設定する。本実施形態においては、図3における複合要素モデルの端部節点35にX方向、Y方向、Z方向三つの拘束を設定し、端部節点36にY方向とZ方向の拘束を与え、端部節点37にZ方向の拘束を設定する。
The processing in step S106 will be described in detail as follows.
That is, the analysis unit 12 releases the constraint condition of the boundary surface of the solid element model set when performing the thermoelastic-plastic analysis of the solid element model, and sets the constraint condition that can simulate the constraint of the actual structure. In the present embodiment, three constraints in the X direction, Y direction, and Z direction are set for the end node 35 of the composite element model in FIG. 3, and the constraints in the Y direction and Z direction are given to the end node 36. A constraint in the Z direction is set at the node 37.

そして、解析部12は、熱弾塑性解析の結果得られたソリッド要素モデルにおけるひずみ履歴と応力履歴が含まれ、新たな拘束条件(端部節点35〜37での拘束)が設定された複合要素モデルを用いて弾性解析を行い、構造物の変形を計算する。弾性解析および構造物の変形の計算は周知の内容であるため詳細な説明を省略する。   The analysis unit 12 includes a composite element in which strain history and stress history in the solid element model obtained as a result of the thermoelastic-plastic analysis are included, and new constraint conditions (restraints at the end nodes 35 to 37) are set. Elastic analysis is performed using the model, and the deformation of the structure is calculated. Since the elastic analysis and the calculation of the deformation of the structure are well-known contents, detailed description thereof is omitted.

なお、本実施形態では、ソリッド要素モデルに対する熱弾塑性解析を行った後、複合要素モデルを生成しているが、複合要素モデルを生成した後、この複合要素モデルから、溶接部およびその近傍を含む、塑性ひずみ発生する熱弾塑性解析が必要な範囲をソリッド要素モデルを抽出して、ソリッド要素モデルに対する熱弾塑性解析を行ってもよい。   In this embodiment, the composite element model is generated after performing the thermal elastic-plastic analysis on the solid element model.However, after generating the composite element model, the welded part and its vicinity are identified from the composite element model. It is also possible to extract a solid element model from a range that requires a thermal elastic-plastic analysis in which plastic strain occurs, and perform a thermal elastic-plastic analysis on the solid element model.

(熱弾塑性解析結果の比較)
次に、本実施形態の効果を示すため、比較例と、本実施形態を用いた熱弾塑性解析の計算時間と、解析精度を比較した結果を図8に示す。
比較例における熱弾塑性解析の結果は、図2に示すような数値解析対象となっている構造物の全領域をソリッド要素としたモデルで熱弾塑性解析を行った結果を示し、本実施形態における熱弾塑性解析の結果は、図3に示すような複合要素モデルを用いて熱弾塑性解析を行った結果を示す。
(Comparison of thermal elastic-plastic analysis results)
Next, in order to show the effect of this embodiment, FIG. 8 shows a comparison result between the comparative example, the calculation time of the thermoelastic-plastic analysis using this embodiment, and the analysis accuracy.
The result of the thermo-elasto-plastic analysis in the comparative example shows the result of the thermo-elasto-plastic analysis performed using a model in which the entire region of the structure to be numerically analyzed as shown in FIG. The result of the thermoelastic-plastic analysis in Fig. 3 shows the result of performing the thermoelastic-plastic analysis using a composite element model as shown in FIG.

比較例および本実施形態における熱弾塑性解析に使用した溶接後の構造物は、例えば、長さが約1200mm、幅が約600mm、厚さが12mmである。
比較例におけるモデルの規模は約100,000要素、138,000節点程度である。なお、溶接は、レーザ・アークハイブリッド溶接により1パス溶接で行ったため、熱源モデルは、線状Gaussian熱源(レーザ熱源に相当)と点状Gaussian熱源(アーク熱源に相当)の複合移動熱源を用いた。熱弾塑性解析の入熱条件は、実溶接条件および溶接ビード断面形状を考慮して決定した。
The structure after welding used for the thermoelastic-plastic analysis in the comparative example and this embodiment has, for example, a length of about 1200 mm, a width of about 600 mm, and a thickness of 12 mm.
The scale of the model in the comparative example is about 100,000 elements and 138,000 nodes. Since welding was performed by one-pass welding using laser / arc hybrid welding, the heat source model used was a combined moving heat source of a linear Gaussian heat source (corresponding to a laser heat source) and a dotted Gaussian heat source (corresponding to an arc heat source). . The heat input conditions of the thermoelastic-plastic analysis were determined in consideration of the actual welding conditions and the weld bead cross-sectional shape.

このように比較例におけるモデルおよび溶接条件(入熱条件)を設定した後、本実施形態における熱弾塑性解析法と同様の手順でソリッド要素データの熱弾塑性解析を行った。   After setting the model and welding conditions (heat input conditions) in the comparative example as described above, the thermoelastic-plastic analysis of the solid element data was performed in the same procedure as the thermoelastic-plastic analysis method in the present embodiment.

一方、本実施形態における複合要素モデルの規模は、ソリッド要素およびシェル要素の合計が約60,000要素、82,000節点程度である。そのうち、六面体要素のメッシュを作成したソリッド要素モデルの規模は約50,000要素、70,000節点程度であり、四辺形要素のメッシュを作成したシェル要素モデルの規模が約10,000要素、12,000程度である。溶接は、レーザ・アークハイブリッド溶接により1パス溶接で行ったため、熱源モデルは、線状Gaussian熱源(レーザ熱源に相当)と点状Gaussian熱源(アーク熱源に相当)の複合移動熱源を用いた。解析の入熱条件は、実溶接条件および溶接ビード断面形状を考慮して決定した。   On the other hand, the scale of the composite element model in the present embodiment is about 60,000 elements and about 82,000 nodes in total of solid elements and shell elements. Among them, the scale of a solid element model that creates a mesh of hexahedral elements is about 50,000 elements and about 70,000 nodes, and the scale of a shell element model that creates a mesh of quadrilateral elements is about 10,000 elements, 12 About 1,000. Since welding was performed by one-pass welding using laser / arc hybrid welding, a combined heat source of a linear Gaussian heat source (corresponding to a laser heat source) and a dotted Gaussian heat source (corresponding to an arc heat source) was used as the heat source model. The heat input conditions for the analysis were determined in consideration of the actual welding conditions and the weld bead cross-sectional shape.

このような条件において、本実施形態における複合要素モデルの全域にわたって熱弾塑性解析を行い、計算結果および解析精度を算出した。
なお、解析精度とは、すべての領域がソリッド要素モデルである場合と比較して、どの程度、正確な解析を行うことができるかを示すものである。
Under such conditions, thermoelastic-plastic analysis was performed over the entire area of the composite element model in the present embodiment, and the calculation results and analysis accuracy were calculated.
Note that the analysis accuracy indicates how much accurate analysis can be performed compared to the case where all the regions are solid element models.

その結果、図8に示すような結果となった。なお、図8では、比較例における値を基準として「1」とし、それに対する相対値で本実施形態における値を示すこととする。
まず、1回あたりの計算時間は、比較例における計算時間を「1」とすると、本実施形態では0.4〜0.8の計算時間で熱弾塑性解析を行うことができ、大幅な時間短縮が可能となった。
これに対し、解析精度は、比較例における解析精度を「1」とすると、本実施形態では0.6〜0.9であり、若干低下するものの、精度としては十分な値を示すことができた。
As a result, a result as shown in FIG. 8 was obtained. In FIG. 8, the value in the comparative example is set to “1” as a reference, and the value in the present embodiment is indicated as a relative value with respect to the value.
First, as for the calculation time per time, if the calculation time in the comparative example is “1”, in this embodiment, the thermo-elasto-plastic analysis can be performed with a calculation time of 0.4 to 0.8. Shortening became possible.
On the other hand, when the analysis accuracy in the comparative example is “1”, the analysis accuracy is 0.6 to 0.9 in the present embodiment, which is slightly lower, but can show a sufficient value as the accuracy. It was.

(別の解析手法)
図9は、本実施形態に係る複合要素モデルを用いた、図7とは異なる溶接変形解析処理の手順を示すフローチャートである。図7に示す手順では、ソリッド要素モデルに対し熱伝達解析および熱弾塑性解析を行った後、複合要素モデルを生成し、複合要素モデルに対する熱弾塑性解析を行っている。一方、図9に示す手順は、ソリッド要素モデルに対し、熱伝達解析を行った後、ソリッド要素モデルに対する熱弾塑性解析を行わずに、複合要素モデルを生成し、この複合要素モデルに対する熱弾塑性解析を行うものである。
(Another analysis method)
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of welding deformation analysis processing different from that in FIG. 7 using the composite element model according to the present embodiment. In the procedure shown in FIG. 7, after performing heat transfer analysis and thermoelastic-plastic analysis on the solid element model, a composite element model is generated and thermoelastic-plastic analysis is performed on the composite element model. On the other hand, in the procedure shown in FIG. 9, a heat transfer analysis is performed on a solid element model, and then a composite element model is generated without performing a thermal elastic-plastic analysis on the solid element model. A plastic analysis is performed.

図9において、ステップS201〜ステップS203までは、それぞれ図2のステップS101〜ステップS103までと同様である。
ステップS203の後、モデル生成部11がソリッド要素モデルと、シェル要素モデルとを結合して、複合要素モデルを生成する(S204)。
In FIG. 9, steps S201 to S203 are the same as steps S101 to S103 in FIG. 2, respectively.
After step S203, the model generation unit 11 combines the solid element model and the shell element model to generate a composite element model (S204).

次に、解析部12が、複合要素モデルにおけるソリッド要素モデルの各節点要素に対し、ステップS203で行った熱伝達解析の結果を付与し、さらに、シェル要素モデルに対し適当な温度履歴を設定する。具体的には、ソリッド要素モデルにおけるシェル要素モデルとの境界面に所属する節点の平均温度履歴をシェル要素の境界線に所属する節点に付与する。また、図3に示すようなシェル要素モデルの端部に所属する端部節点35〜37などに室温(例え20℃)を付与し、シェル要素モデルの端部と、ソリッド要素モデルとの境界線以外の節点に対し、端部と境界線の節点の温度から挿入法により推算する。
なお、シェル要素モデルの温度分布の設定とソリッド要素モデルの節点の温度履歴の設定は、入力部20を介してユーザが行ってもよいし、予め設定してもよい。
Next, the analysis unit 12 gives the result of the heat transfer analysis performed in step S203 to each node element of the solid element model in the composite element model, and further sets an appropriate temperature history for the shell element model. . Specifically, the average temperature history of the nodes belonging to the boundary surface with the shell element model in the solid element model is given to the nodes belonging to the boundary line of the shell element. Further, room temperature (for example, 20 ° C.) is given to the end nodes 35 to 37 belonging to the end of the shell element model as shown in FIG. 3, and the boundary line between the end of the shell element model and the solid element model For other nodes, the temperature is estimated from the end and boundary node temperatures by the insertion method.
Note that the setting of the temperature distribution of the shell element model and the setting of the temperature history of the nodes of the solid element model may be set by the user via the input unit 20 or may be set in advance.

そして、温度履歴の設定終了後、解析部12は、複合要素モデルに対し熱弾塑性解析を実行し(S205)、構造物の溶接変形を計算する(S206)。   After the setting of the temperature history, the analysis unit 12 performs a thermoelastic-plastic analysis on the composite element model (S205), and calculates the weld deformation of the structure (S206).

図9の手順では、ソリッド要素モデルの熱伝達解析を終了した後、このソリッド要素モデルに対し熱弾塑性解析を行わず、熱伝達解析結果(温度履歴)が含まれたソリッド要素モデルにシェル要素モデルを結合し、複合要素モデルを生成している。生成された複合要素モデルは、図7の手順と異なり、ひずみ履歴と応力履歴の情報が含まれてないこととなる。   In the procedure of FIG. 9, after the heat transfer analysis of the solid element model is completed, the thermal elastic-plastic analysis is not performed on the solid element model, and the shell element is included in the solid element model including the heat transfer analysis result (temperature history). The model is combined to generate a composite element model. Unlike the procedure of FIG. 7, the generated composite element model does not include information on strain history and stress history.

図9に示す手順によれば、ソリッド要素モデルの熱弾塑性解析が実行されない分、図7に示す手順より処理数を減らすことができる。
なお、図9に示す手順による数値解析の計算時間および解析精度は、図8に示した比較表と同程度となる。
According to the procedure shown in FIG. 9, the number of processes can be reduced compared to the procedure shown in FIG. 7 because the thermal elastic-plastic analysis of the solid element model is not executed.
Note that the calculation time and analysis accuracy of the numerical analysis according to the procedure shown in FIG. 9 are comparable to those in the comparison table shown in FIG.

(別の例)
図10は、本実施形態に係る溶接変形解析処理の別の手順を示すフローチャートである。
図10に示す手順は、ソリッド要素モデルに対する熱伝達解析も、熱弾塑性解析も行わずに、複合要素モデルを生成し、この複合要素モデルに対し、熱伝達解析と、熱弾塑性解析を行うものである。
(Another example)
FIG. 10 is a flowchart showing another procedure of the welding deformation analysis process according to the present embodiment.
The procedure shown in FIG. 10 generates a composite element model without performing heat transfer analysis or thermoelastic-plastic analysis on the solid element model, and performs heat transfer analysis and thermoelastic-plastic analysis on the composite element model. Is.

まず、図10におけるステップS301およびステップS302のそれぞれは、図7におけるステップS101およびステップS102と同様の処理であるため、説明を省略する。
そして、ステップS302の後、モデル生成部11は、生成したソリッド要素モデルと、シェル要素モデルとを結合して複合要素モデルを生成する(S303)。
生成された複合要素モデルは、図7の手順のような熱弾塑性解析結果の情報も含んでいないし、図9の手順のような温度履歴の情報も含まれてない。
First, steps S301 and S302 in FIG. 10 are the same processes as steps S101 and S102 in FIG.
After step S302, the model generation unit 11 combines the generated solid element model and the shell element model to generate a composite element model (S303).
The generated composite element model does not include the information of the thermal elastic-plastic analysis result as in the procedure of FIG. 7, nor does it include the temperature history information as in the procedure of FIG.

次に、解析部12が、生成した複合要素モデルに対し熱伝達解析を実行する(S304)。具体的な流れとして、まず、入力部20を介して、実溶接条件を模擬する入熱条件が設定される。次に、解析部12が、設定された入熱条件に従って溶接開始から完了までの過程を細かい時間間隔で熱解析を行い、実溶接に近い熱履歴を計算する。このような熱伝達解析によって、溶接部およびその近傍の温度分布の履歴が得られる。   Next, the analysis unit 12 performs a heat transfer analysis on the generated composite element model (S304). As a specific flow, first, a heat input condition that simulates an actual welding condition is set via the input unit 20. Next, the analysis unit 12 performs a thermal analysis of the process from the start of welding to completion in accordance with the set heat input conditions at fine time intervals, and calculates a thermal history close to actual welding. By such heat transfer analysis, a history of temperature distribution in the welded part and the vicinity thereof is obtained.

このとき、シェル要素モデルの境界線とソリッド要素モデルとの境界面が接合されているため、ソリッド要素モデルの計算からシェル要素モデルの節点の温度履歴の計算もできる。   At this time, since the boundary between the boundary line of the shell element model and the solid element model is joined, the temperature history of the nodes of the shell element model can be calculated from the calculation of the solid element model.

そして、ステップS304における熱伝達解析の終了後、解析部12は、複合要素モデルに対し熱弾塑性解析を実行し(S305)、構造物の溶接変形を計算する(S306)。   And after completion | finish of the heat transfer analysis in step S304, the analysis part 12 performs a thermoelastic-plastic analysis with respect to a composite element model (S305), and calculates the welding deformation of a structure (S306).

図10による手順も、図9と同様、図7に示す手順より処理数をを減らすことができる。
なお、図10による数値解析の計算時間および解析精度は、図8に示した比較表と同程度となる。
The procedure according to FIG. 10 can also reduce the number of processes compared to the procedure shown in FIG.
Note that the calculation time and analysis accuracy of the numerical analysis according to FIG. 10 are comparable to those of the comparison table shown in FIG.

また、複合要素モデルにおいて、ソリッド要素モデルとシェル要素モデルの境界部は2以上形成してもよい。つまり、ソリッド要素モデルの1つの境界面に、2以上のシェル要素モデルが結合してもよい。
また、ソリッド要素モデルにおいて、、メッシュの面に沿うことなく、メッシュの面と平行または非平行にメッシュを切断するように形成してもよい。メッシュを切断するように形成する場合は、その切断により形成された切断面を新たなメッシュの面としてもよい。
つまり、本実施形態では、ソリッド要素モデルは、直方体状となっているが、例えば、階段状に境界面を生成してもよい。
In the composite element model, two or more boundaries between the solid element model and the shell element model may be formed. That is, two or more shell element models may be coupled to one boundary surface of the solid element model.
Further, in the solid element model, the mesh may be cut in parallel or non-parallel to the mesh surface without being along the mesh surface. When the mesh is formed so as to be cut, a cut surface formed by the cutting may be used as a new mesh surface.
That is, in the present embodiment, the solid element model has a rectangular parallelepiped shape, but the boundary surface may be generated in a step shape, for example.

また、本実施形態では、ソリッド要素モデルとシェル要素モデルの境界部は、入力部20からユーザが指定するようにしている。つまり、ソリッド要素モデル(または、シェル要素モデル)の範囲は、入力部20を介してユーザが指定している。
しかし、ソリッド要素モデルと、シェル要素モデルの境界部の位置を設定するときに、所望の解析計算時間および所望の解析精度を達成するように境界部を設定することができるプログラムを用いるようにしてもよい。つまり、ソリッド要素モデル(または、シェル要素モデル)の範囲は、入力部20を介して入力された所望の計算時間を基に、処理部10がソリッド要素モデル(または、シェル要素モデル)の範囲の大きさを算出し、ソリッド要素モデル(または、シェル要素モデル)の範囲を自動的に指定してもよい。
In this embodiment, the boundary between the solid element model and the shell element model is designated by the user from the input unit 20. That is, the range of the solid element model (or shell element model) is specified by the user via the input unit 20.
However, when setting the position of the boundary between the solid element model and the shell element model, use a program that can set the boundary to achieve the desired analysis calculation time and desired analysis accuracy. Also good. That is, the range of the solid element model (or shell element model) is determined by the processing unit 10 based on the desired calculation time input via the input unit 20. The size may be calculated and the range of the solid element model (or shell element model) may be automatically specified.

(まとめ)
本実施形態によれば、溶接部および溶接部近傍をソリッド要素モデルとして解析を行い、それ以外の部分をシェル要素モデルとすることで、重要な部分はソリッド要素モデルで解析精度を保ちつつ、計算負荷を軽減することができる。
(Summary)
According to the present embodiment, the welded part and the vicinity of the welded part are analyzed as a solid element model, and the other parts are used as a shell element model, so that important parts can be calculated while maintaining the analysis accuracy with the solid element model. The load can be reduced.

1 解析装置
10 処理部
11 モデル生成部
12 解析部
20 入力部
30 出力部
40 記憶部
30 複合要素モデル
31 ソリッド要素モデル
32 シェル要素モデル
43,61,62 節点
45,46 法線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Analysis apparatus 10 Processing part 11 Model production | generation part 12 Analysis part 20 Input part 30 Output part 40 Storage part 30 Composite element model 31 Solid element model 32 Shell element model 43, 61, 62 Node 45, 46 Normal

Claims (6)

溶接された構造物の数値解析を行う解析装置における構造物解析方法であって、
前記解析装置は、
前記構造物のデータのうち、溶接部における所定の領域を、ソリッド要素の集合体であるソリッド要素モデルとし、
前記ソリッド要素モデルとは異なる領域を、シェル要素の集合体であるシェル要素モデルとし、
前記ソリッド要素モデルに対して、前記ソリッド要素モデルにおける熱分布を算出する熱伝達解析を行い、
前記熱伝達解析の結果を含む前記ソリッド要素モデルと、前記シェル要素モデルと、を結合して複合要素モデルを生成し、
生成した前記複合要素モデルに対して、前記複合要素モデルにおけるひずみ分布および応力分布を算出する熱弾塑性解析を行う
ことを特徴とする構造物解析方法。
A structure analysis method in an analysis apparatus for performing numerical analysis of a welded structure,
The analysis device includes:
Among the data of the structure, a predetermined region in the welded portion is a solid element model that is an aggregate of solid elements,
A region different from the solid element model is a shell element model that is a collection of shell elements,
For the solid element model, perform heat transfer analysis to calculate the heat distribution in the solid element model,
Combining the solid element model including the result of the heat transfer analysis and the shell element model to generate a composite element model;
A structure analysis method, comprising: performing a thermal elastic-plastic analysis for calculating a strain distribution and a stress distribution in the composite element model for the generated composite element model.
前記ソリッド要素モデルにおける前記シェル要素モデルとの境界面での法線と、前記シェル要素モデルの面上における法線と、が直角をなす
ことを特徴とする請求項に記載の構造物解析方法。
And the normal at the boundary surface between the shell element model in the solid element model, structure analysis method according to claim 1 in which the normal line on the plane of the shell element model, but wherein the perpendicular .
前記シェル要素モデルの節点であり、前記ソリッド要素モデルとの境界線上の節点である第1の節点と、前記ソリッド要素モデルの節点であり、前記境界線と接している節点である第2の節点と、の位置が一致する
ことを特徴とする請求項に記載の構造物解析方法。。
A first node that is a node of the shell element model and is a node on a boundary line with the solid element model; and a second node that is a node of the solid element model and is in contact with the boundary line structure analysis method according to claim 1, characterized in that the, the positions match. .
前記シェル要素モデルの節点であり、前記ソリッド要素モデルとの境界線上の節点である第1の節点と、前記ソリッド要素モデルの節点であり、前記境界線と接している節点である第2の節点と、の位置が一致しない
ことを特徴とする請求項に記載の構造物解析方法。
A first node that is a node of the shell element model and is a node on a boundary line with the solid element model; and a second node that is a node of the solid element model and is in contact with the boundary line structure analysis method according to claim 1, characterized in that the, the position does not match.
請求項から請求項のいずれか一項に記載の構造物解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。 Program for executing the structure analysis method according to the computer in any one of claims 1 to 4. 溶接された構造物の数値解析を行う解析装置であって、
モデル生成部と、解析部と、を有し、
前記モデル生成部は、
前記構造物のデータのうち、溶接部における所定の領域を、ソリッド要素の集合体であるソリッド要素モデルとし、
前記ソリッド要素モデルとは異なる領域を、シェル要素の集合体であるシェル要素モデルとし、
前記解析部による熱伝達解析の結果を含む前記ソリッド要素モデルと、前記シェル要素モデルと、を結合して複合要素モデルを生成するものであり、
前記解析部は、
前記ソリッド要素モデルに対して、前記ソリッド要素モデルにおける熱分布を算出する熱伝達解析を行い、
モデル生成部によって、生成された前記複合要素モデルに対して、前記複合要素モデルにおけるひずみ分布および応力分布を算出する熱弾塑性解析を行うものである
ことを特徴とする解析装置。
An analysis device for numerical analysis of welded structures,
A model generation unit and an analysis unit;
The model generation unit
Among the data of the structure, a predetermined region in the welded portion is a solid element model that is an aggregate of solid elements,
A region different from the solid element model is a shell element model that is a collection of shell elements,
Combining the solid element model including the result of heat transfer analysis by the analysis unit and the shell element model to generate a composite element model;
The analysis unit
For the solid element model, perform heat transfer analysis to calculate the heat distribution in the solid element model,
An analysis apparatus for performing thermal elastic-plastic analysis for calculating strain distribution and stress distribution in the composite element model for the composite element model generated by a model generation unit.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6119451B2 (en) * 2013-06-21 2017-04-26 新日鐵住金株式会社 Fatigue life prediction method for thin plate laser welds
CN108426763B (en) * 2015-04-22 2020-06-05 华侨大学 Mechanical property test method for mortar joint of stone masonry stone wall
JP6605369B2 (en) * 2016-03-11 2019-11-13 日立オートモティブシステムズ株式会社 Simulation program

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11272735A (en) * 1998-03-25 1999-10-08 Matsushita Electric Works Ltd Method for generating finite element method analysis mode for electronic device strength evaluation, method for evaluating strength of electronic device, and evaluation device
JP2000331063A (en) * 1999-05-24 2000-11-30 Nec Informatec Systems Ltd Analyzer for finite element structure
JP4466102B2 (en) * 2004-02-05 2010-05-26 横浜ゴム株式会社 Method for creating structure simulation model and structure simulation method
JP4931430B2 (en) * 2006-02-10 2012-05-16 株式会社ブリヂストン Tire temperature distribution prediction method and tire temperature distribution prediction calculation program
JP2008020952A (en) * 2006-07-10 2008-01-31 Nissan Motor Co Ltd Fluid analysis method and device
JP2009036669A (en) * 2007-08-02 2009-02-19 Toshiba Corp Welding residual stress analysis method and welding residual stress analysis system
JP5089478B2 (en) * 2008-04-28 2012-12-05 キヤノン株式会社 Analysis model creation apparatus and analysis model creation method
US7945432B2 (en) * 2008-11-26 2011-05-17 Livermore Software Technology Corporation Spot weld failure determination method in a finite element analysis

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