JP5649536B2 - 解析装置、評価装置、解析方法および評価方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。図2は、構造物の二次元熱弾塑性解析モデルの一例を示す図である。図3は、構造物の三次元有限要素モデルを示す図である。
図1に示すように、この解析装置1は、FEMを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段2、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段3、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段4、固有ひずみ法を用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段5、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段6とから構成されている。
図4は本発明の一実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置10の構成を示す構成ブロック図である。
なお、解析対象としては、たとえばガスタービン機器のケーシング部およびロータの溶接部などの他、一般の構造物の溶接部等も対象とする。
溶接入熱とは、溶接部の溶接を行うレーザのレーザ出力である。
溶接部の継手形状とは、たとえば突合せ継手、T継手、十字継手などの継手形状の条件である。
溶接速度とは、レーザ光の移動速度である。
開先形状とは、たとえばV形、I形などの溶接を行う母材22,22間に設ける溝の形状である。
板厚は、母材22,22の厚さ(図2のY軸方向の厚さ)である。
溶接パスとは、例えば多層溶接等で溶接部21に溶接される溶接部材23の積層数である。
データ入力部11および二次元熱弾塑性解析部12は、図1に示した二次元弾塑性解析手段2を構成する。
また、この補正係数を決定するデータとしては、入力データのうちの溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせが上述した条件のデータとなるものである。
補正係数DB14、補正係数抽出部15および固有ひずみ変換部16は、図1に示した固有ひずみ変換手段3を構成する。
この弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データは、予め上記条件のデータの組み合わせで複数計測された三次元の分布データを、分布DB13にそれぞれ上記条件の組み合わせに基づいて求め、この条件の組み合わせに対応させて記憶させている。
溶接方向とは、上述した溶接線Z0を「0」としてプラス方向からマイナス方向に溶接を行う場合と、マイナス方向からプラス方向に溶接を行う場合を示すものである。
構造物の拘束の強さとは、例えば図3に示した母材22,22を1箇所で固定するか、数箇所で固定するか等の強さを示すものである。
図4に示す固有ひずみ分布抽出部17は、三次元の固有ひずみ値(図5参照)、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの条件のデータの組み合わせに基づいて、分布DB13から対応する分布データを抽出している。すなわち、この実施形態では、このような条件のデータ(パラメータ)の違いを考慮した固有ひずみ値の分布データを求めることができる。分布DB13および固有ひずみ分布抽出部17は、図1に示した固有ひずみ分布出力手段4を構成する。
図8に示す分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Z0(図3参照)の中心Sからの距離で、例えば溶接線Z0の中心Sをプラス(例えば図3に示した紙面の前)方向からマイナス(例えば図3に示した紙面の後)方向へと溶接する場合の分布データである。この例の分布データは、溶接線の中心で溶接始点(距離1000(mm))の固有ひずみ値を約0.25とし、距離約400(mm)〜−400(mm)間の固有ひずみ値を1とし、溶接終点(−1000(mm))の固有ひずみ値を0.1とする逆U字形状に示されている。
図4に示す溶接変形・残留応力出力部19は、三次元固有ひずみ法弾性解析の結果から三次元有限要素モデル30を生成して出力する。すなわち、溶接変形・残留応力出力部19は、解析結果である構造物の溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル30(図9参照)を生成して出力する。なお、この三次元有限要素モデル30では、溶接に伴って溶接部21に発生した残留応力により、母材22,22のそれぞれの端部(溶接線Z0の中心から紙面の右側と左側の母材の端部)がY軸の矢印方向に曲がり、くの字に変形した状態を示している。
図10に示すように、まず、データ入力部11から解析に必要な条件のデータ(構造物の溶接部の被溶接部材22,22および溶接部材23の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ)が入力される(ステップS101)。
図11は、本発明の実施形態2の溶接変形、溶接残留応力の解析装置1の概念を説明するための概念図である。
この解析装置1は、図1と同様、FEMを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段2、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段3、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段4、FEMを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段5、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段6を備え、固有ひずみ変換手段3は応力三軸度の比を算出する溶接部応力三軸度計算部7を有する。
σm=(σ1+σ2+σ3)/3 …(1)
σeq={[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/2}1/2 …(2)
T=σm/σeq …(3)
なお、σ1、σ2、σ3はそれぞれ弾性熱応力の応力成分であり、σmはこれら応力成分の平均値であり、σeqはこれら応力成分の相当応力(応力差の2乗和)である。
T(2d)=σm(2d)/σeq(2d)
T(3d)=σm(3d)/σeq(3d)
である。
T(3d)/T(2d)=(σm(3d)/σeq(3d))/(σm(2d)/σeq(2d)) …(4)
となる。
σ1=[E/(1+ν)] [ε1+ν(ε1+ε2) /(1−2ν)]
σ2=[E/(1+ν)] [ε2+ν(ε1+ε2) /(1−2ν)]
σ3=[E/(1+ν)] [ν(ε1+ε2) /(1−2ν)]
なお、Eは弾性係数、νはポアソン比、ε1、ε2は解析で求められるひずみである。
図13は、本発明の実施形態3の溶接変形、溶接残留応力の解析装置1の概念を説明するための概念図である。なお、この実施形態では、実施形態2と同様に、二次元熱弾塑性解析モデルと三次元弾性解析モデルの応力三軸度の比である係数[T(3d)/T(2d)]を計算するものとする。
T(C)=σm(C)/σeq(C)
T(Z)=σm(Z)/σeq(Z)
である。
T(Z)/T(C)=(σm(Z)/σeq(Z))/(σm(C)/σeq(C))
…(5)
となる。
図15は、解析された溶接変形、溶接残留応力を評価する評価装置40の概念を説明するための概念図である。
図15に示すように、この評価装置40は、図1に示したFEMを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段2、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段3、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段4、FEMを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段5、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段6を備えるとともに、プロセス最適化計算手段41、最適溶接条件出力手段42を備える。
図10に示すように、まず、データ入力部11から解析に必要な条件のデータ(構造物の溶接部の被溶接部材22,22および溶接部材23の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ)が入力されるとともに、目標とする溶接変形または残留応力が入力されると(ステップS101)、二次元熱弾塑性解析手段2がこの条件のデータのうち、構造物の溶接部の被溶接部材22,22および溶接部材23の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、FEMによる二次元熱弾塑性解析を行って二次元の固有ひずみ値の分布データを算出する(ステップS102)。
Claims (10)
- 入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第1固有ひずみの分布を求める二次元熱弾塑性解析手段と、
前記求められた二次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第1固有ひずみの分布に変換する固有ひずみ変換手段と、
前記変換された三次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第2固有ひずみの分布を出力する固有ひずみ分布出力手段と、
前記求められた第1固有ひずみの分布と前記出力された第2固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求める固有ひずみ法弾性解析手段と、
を備えることを特徴とする解析装置。 - 前記固有ひずみ変換手段は、
前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに対応する補正係数を記憶する記憶部と、
入力する前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づいて、前記対応する補正係数を前記記憶部から抽出する補正係数抽出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第1固有ひずみの分布と前記抽出された補正係数とを乗算して前記三次元モデルの第1固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の解析装置。 - 前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記三次元モデルの第1固有ひずみの分布データ、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに対応する前記第2固有ひずみの分布データを記憶する記憶部と、
入力する前記三次元モデルの第1固有ひずみの分布、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに基づいて、前記対応する前記第2固有ひずみの分布データを前記記憶部から抽出する分布抽出部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の解析装置。 - 前記求められた構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項1記載の解析装置。 - 前記固有ひずみ変換手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第1固有ひずみの分布と前記算出された応力三軸度の比とを乗算して、前記二次元モデルの第1固有ひずみの分布を前記三次元モデルの第1固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の解析装置。 - 前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記固有ひずみ変換手段で変換された三次元の第1固有ひずみの分布と前記算出された前記応力三軸度の比とを乗算して、前記溶接線の長手方向の前記溶接部の第2固有ひずみの分布を求める分布算出部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の解析装置。 - 請求項1記載の解析装置と、
入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価する評価手段と、
を備えることを特徴とする評価装置。 - 前記評価された構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項7記載の評価装置。 - 二次元熱弾塑性解析手段が、入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第1固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第1固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第2固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第1固有ひずみの分布と前記出力された第2固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
を含むことを特徴とする解析方法。 - 二次元熱弾塑性解析手段が、入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第1固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第1固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第1固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第2固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第1固有ひずみの分布と前記出力された第2固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
評価手段が、入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価するステップと、
を含むことを特徴とする評価方法。
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