KR100340217B1 - Numerical Analysis Method For Analyzing Residual Stress of Welding - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각종 구조물의 열응력 및 용접잔류응력 분포, 크기, 열변형 등을 정도 높게 해석할 수 있는 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a numerical analysis method for analyzing the welding residual stress, which can analyze the thermal stress and the welding residual stress distribution, size, thermal deformation, etc. of various structures with high accuracy.

본 발명의 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법은 해석모델에 대한 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와; 해석모델에 대한 대역폭을 계산하는 제2 단계와; 가우스 적분의 적분점 좌표와 하중 함수를 세팅하는 제3 단계와; 해석모델의 전 요소에 대한 좌표를 정의하고 형상함수를 이용하여 변형율 매트릭스를 구성하는 제4 단계와; 각 요소에 대한 초기온도를 세팅하고, 응력, 변형률, 변위를 초기화하는 제5 단계와; 용접이 수행되는 과정의 온도상승 및 냉각에서의 온도이력을 입력하여 온도를 열하중으로 치환하는 제6 단계와; 해석모델 각 요소의 항복응력, 변형율 경화계수, 열팽창율과 같은 재료 및 기계적 성질을 세팅하는 제7 단계와; 각 요소의 절점좌표계에 대한 강성 매트릭스와 절점변위를 초기화한 후 요소의 강성 매트릭스와, 등가절점력 벡터를 구성하여 중첩하는 제8 단계와; 평형방정식을 구성·계산하여 전 변형율, 응력, 소성변형율, 상당 소성변형율, 소성일을 계산하는 제9 단계와; 해석모델 재료의 탄성 및 소성 여부를 폰 -미세스(Von-mices) 항복함수를 기초하여 판단하는 제10 단계와; 탄성 및 소성 여부에 따른 해석모델에 대한 결과치를 출력하는 제11 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The numerical analysis method for analyzing the welding residual stress of the present invention includes a first step of inputting initial data for an analysis model; A second step of calculating a bandwidth for the analysis model; A third step of setting an integration point coordinate of the Gaussian integral and a load function; A fourth step of defining coordinates for all the elements of the analysis model and constructing a strain rate matrix using a shape function; A fifth step of setting an initial temperature for each element, and initializing stress, strain, and displacement; A sixth step of inputting a temperature history of a process of performing welding and a temperature history of cooling to replace the temperature with a thermal load; A seventh step of setting material and mechanical properties such as yield stress, strain hardening coefficient and thermal expansion coefficient of each element of the analytical model; An eighth step of initializing a stiffness matrix and a node displacement with respect to a node coordinate system of each element, and then constructing and building an equivalent node force vector with the stiffness matrix of the element; A ninth step of calculating the total strain, the stress, the plastic strain, the equivalent plastic strain, and the sintering date by constructing and calculating the equilibrium equation; A step 10 of judging the elasticity and the plasticity of the analytical model material on the basis of the Von-mices yielding function; And outputting a result of the analysis model according to elasticity and plasticity.

Description

용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법{Numerical Analysis Method For Analyzing Residual Stress of Welding}{Numerical Analysis Method for Analyzing Residual Stress of Welding}

본 발명은 용접, 금형, 보일러, 터어빈, 석유화학 플랜트 등 열 및 외하중을 받는 각종 구조물의 열응력 및 용접잔류응력 분포, 크기, 열변형 등을 정도 높게 해석할 수 있는 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a welding residual stress analysis numerical value capable of highly analyzing thermal stress and welding residual stress distribution, size and thermal deformation of various structures subjected to thermal and external loads such as welding, mold, boiler, turbine and petrochemical plant And an analysis method.

지금까지의 용접 잔류응력의 문제는 해석적인 방법 및 경험식에 의해 단순화한 약산식을 사용하였기 때문에 재질의 온도 의존성에 따른 물리정수를 제대로 도입하지 못하였으며 해석의 어려움 때문에 소성문제는 고려할 수 없었다. 또한, 시간증분을 고려한 변형율 경화칙의 문제를 적용하지 못했다. 이러한 종래 용접 잔류응력 해석의 문제점을 상세히 살펴보면 다음과 같다.So far, the problem of welding residual stress has been solved by analytical method and empirical equation. Therefore, the physical constant due to the temperature dependence of material can not be properly introduced and the plasticity problem can not be considered due to difficulty of analysis. Also, the problem of the strain hardening rule considering the time increment was not applied. The problems of the conventional welding residual stress analysis will be described in detail as follows.

봉을 사용하여 이때 발생하는 고유응력 및 고유변형도에 대한 응력을 살펴보면, 길이가 ℓ이고 단면적이 A인 봉의 양단을 강체벽에 고정시킨 모형을 가정하는 경우 이 봉의 길이 ℓ은 외력 이외의 다른 원인 즉, 온도변화에 의해 변화하게 된다. 이때, g를 봉의 고유 변형도라 하기로 한다. 봉에는 εm이라는 기계적 변형도에 대한 응력이 발생한다. 이 경우, 봉의 변형도 ε와 고유변형도 g 및 기계적 변형도 εm는 ε-g =εm와 같은 관계가 성립하게 된다. 이러한 관계를 통해 국부적인 온도변화에 의한 고유변형도의 발생과정을 알 수 있었다.If we consider the stresses on the inherent stress and the inherent strain generated at this time, assuming a model in which both ends of a rod with a length of ℓ and a cross-sectional area of A are fixed to a rigid wall, In other words, it is changed by the temperature change. Here, g is the inherent strain of the rod. Stresses occur in the rod for mechanical strain ε m . In this case, the deformation degree ε, the intrinsic strain degree g and the mechanical strain degree ε m of the rod are the same as those of ε-g = ε m . Through this relationship, it was possible to know the generation process of the inherent strain due to the local temperature change.

양단 고정봉에서 한계온도 및 최고온도 도달시에 발생하는 잔류소성변형도 및 잔류응력을 구하는 과정은 다음과 표 1과 같이 사용하였다.The residual plastic deformation and the residual stress that occur when the maximum temperature and the maximum temperature are reached in the both-end fixed bar are used as shown in Table 1 below.

여기서, Te는 열상승 전 과정에서 소성변형도를 발생시키는 상한온도(한계온도)를 나타내고, Tt는 온도 하강과정에서의 소성변형도를 유발하는 상한온도, α는 온도와 무관하게 일정한 선팽창계수를 나타낸다. 그리고, TM= θM0(여기서,θM은 재료가 변형저항을 상실하는 온도, 즉 역학적 용융온도, θ0는 봉의 초기온도)이고, 항복응력 σY와 탄성계수 E의 온도의존성은 다음 수학식 1과 같다Here, Te represents the upper limit temperature (critical temperature) at which plastic deformation occurs during the entire heat rise, Tt represents the upper limit temperature which causes the plastic deformation during the temperature lowering process, and α represents a constant linear expansion coefficient regardless of the temperature . Then, T M = θ M0 where θ M is the temperature at which the material loses its deformation resistance, ie, the mechanical melting temperature, θ 0 is the initial temperature of the rod, and the temperature dependence of the yield stress σ Y and the modulus of elasticity E Is expressed by the following Equation 1

그런데, 상기 잔류소성변형도 및 잔류응력을 해석하는 과정의 문제점은 온도에 무관하에 일정한 재질의 선팽창계수(α)를 사용하였다는 것과 항복응력(σY)과 탄성계수(E) 등 온도변화에 의존하는 물성치를 단순한 약산식을 사용했다는 점이다.However, the problem of the process of analyzing the residual plastic deformation and the residual stress is that the linear expansion coefficient (α) of a certain material is used regardless of the temperature, and the temperature variation such as the yield stress (σ Y ) and the elastic modulus (E) And that the dependent property is simply a weak equation.

맞대기 용접부의 잔류응력을 해석하는 경우 다음 표 2와 같이 연강이나 알루미늄 합금 등 극히 제한된 재질의 범위내에서 실험을 통한 약산식을 도출하여 맞대기 용접부에 발생하는 잔류응력을 계산하여 사용하였다.In the analysis of the residual stresses in the butt welds, we calculated the residual stresses in the butt welds by deriving the weakly acidic equation through the experiment within a very limited range of materials such as mild steel or aluminum alloy as shown in Table 2 below.

이와 같이 단순 해석적인 방법에 의해 도출된 약산식 등을 사용한 종래의 용접잔류응력을 구하는 문제는 다양화된 용접부의 형태에 적용하지 못하고 주로 가장 단순한 형태인 맞대기 용접부에 적용할 수밖에 없었으며 이로 인하여 결과의 정확도에 가장 큰 문제점을 가지고 있다.The problem of obtaining the residual welding residual stress using the weak acid equation derived from the simple analytical method can not be applied to the shape of the diversified welded part, and it is mainly applied to the butt welded part which is the simplest form. The accuracy of which is the biggest problem.

종래의 해석방법이 가지는 주된 기술적 한계는 다음과 같다. 첫째, 온도변화에 의존하는 재료의 물리정수(항복강도, 탄성계수 등)을 도입하지 못하였다. 둘째, 탄성거동 한계를 벗어난 소성거동문제 등을 제대로 고려할 수 없었다. 셋째, 시간증분에 따른 변형율 경화칙 등을 도입할 수 없었다. 이러한 기술적 한계로 인하여 종래의 잔류응력 해석방법은 용접 잔류응력에 대한 단순한 현상을 파악하는데 그치고 있어 그 결과의 정확도 및 예측에 대한 신뢰도가 매우 부족한 실정이다.The main technical limitations of the conventional analysis method are as follows. First, the physical constants (yield strength, elastic modulus, etc.) of materials that depend on temperature change were not introduced. Second, the problem of plasticity behavior beyond the elastic behavior limit could not be considered properly. Third, it was not possible to introduce the strain hardening rule according to the time increment. Due to these technical limitations, the conventional residual stress analysis method is limited to grasping the simple phenomenon of the welding residual stress, and the reliability of the result accuracy and prediction is insufficient.

따라서, 본 발명의 목적은 각종 구조물의 열응력 및 용접잔류응력 분포, 크기, 열변형 등을 수치적인 방법에 의해 정도 높게 해석할 수 있는 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a numerical analysis method for analyzing the residual stress of welds, which can interpret the thermal stress and the weld residual stress distribution, size, thermal deformation, and the like of various structures with high accuracy by numerical methods.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법을 단계적으로 나타내는 흐름도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart showing a stepwise numerical analysis method for analyzing welding residual stress according to an embodiment of the present invention; FIG.

도 2는 도 1의 단계 26 과정을 단계적으로 나타내는 흐름도.FIG. 2 is a flow chart showing the step 26 of FIG. 1 step by step; FIG.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법은 해석모델에 대한 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와; 해석모델에 대한 대역폭을 계산하는 제2 단계와; 가우스 적분의 적분점 좌표와 하중 함수를 세팅하는 제3 단계와; 해석모델의 전 요소에 대한 좌표를 정의하고 형상함수를 이용하여 변형율 매트릭스를 구성하는 제4 단계와; 각 요소에 대한 초기온도를 세팅하고, 응력, 변형률, 변위를 초기화하는 제5 단계와; 용접이 수행되는 과정의 온도상승 및 냉각에서의 온도이력을 입력하여 온도를 열하중으로 치환하는 제6 단계와; 해석모델 각 요소의 항복응력, 변형율 경화계수, 열팽창율과 같은 재료 및 기계적 성질을 세팅하는 제7 단계와; 각 요소의 절점좌표계에 대한 강성 매트릭스와 절점변위를 초기화한 후 요소의 강성 매트릭스와, 등가절점력 벡터를 구성하여 중첩하는 제8 단계와; 평형방정식을 구성·계산하여 전 변형율, 응력, 소성변형율, 상당 소성변형율, 소성일을 계산하는 제9 단계와; 해석모델 재료의 탄성 및 소성 여부를 폰 -미세스(Von-mices) 항복함수를 기초하여 판단하는 제10 단계와; 탄성 및 소성 여부에 따른 해석모델에 대한 결과치를 출력하는 제11 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, a numerical analysis method for analyzing a welding residual stress according to the present invention includes a first step of inputting initial data for an analytical model; A second step of calculating a bandwidth for the analysis model; A third step of setting an integration point coordinate of the Gaussian integral and a load function; A fourth step of defining coordinates for all the elements of the analysis model and constructing a strain rate matrix using a shape function; A fifth step of setting an initial temperature for each element, and initializing stress, strain, and displacement; A sixth step of inputting a temperature history of a process of performing welding and a temperature history of cooling to replace the temperature with a thermal load; A seventh step of setting material and mechanical properties such as yield stress, strain hardening coefficient and thermal expansion coefficient of each element of the analytical model; An eighth step of initializing a stiffness matrix and a node displacement with respect to a node coordinate system of each element, and then constructing and building an equivalent node force vector with the stiffness matrix of the element; A ninth step of calculating the total strain, the stress, the plastic strain, the equivalent plastic strain, and the sintering date by constructing and calculating the equilibrium equation; A step 10 of judging the elasticity and the plasticity of the analytical model material on the basis of the Von-mices yielding function; And outputting a result of the analysis model according to elasticity and plasticity.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.

본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석방법에 적용되는 기술적 원리는 다음과 같다. 첫째, 열응력 문제에서는 맨 처음 연속체의 비정상 열전도 문제, 즉 시간증분에 따라 시시각각 변화하는 온도분포를 구하여 입력데이터로 사용한다. 둘째, 각 요소를 구성하는 재료의 물리적 성질이 온도에 따라 변화하므로 이들 물리정수(탄성계수, 항복강도 등)를 고려한 절점력과 절점변위의 관계식을 구한다. 셋째, 용접잔류응력의 가장 일반적인 해석을 위하여 재료의 등방성(Isotropic)을 고려한다. 넷째, 탄성(Elasticity)뿐만 아니라 소성(Plasticity) 전영역에 걸쳐 재료정수의 온도 의존성을 고려한다. 다섯째, 변형율(Strain) 및 응력(Stress)의 관계를 소성유동(Plastic flow) 이론을 도입하여 전변형률(Total Strain) 증분을 나타낸다. 여섯째, 소성역에서는 선형 등방경화 법칙을 고려한 Von-mises의 항복조건을 항복함수로 사용한다.The technical principles applied to the method for analyzing the residual welding stress according to the present invention are as follows. First, in the thermal stress problem, the unsteady heat conduction problem of the first continuum, that is, the temperature distribution that varies with time increment is obtained and used as the input data. Second, the physical properties of the constituent materials vary with temperature, so we obtain the relational expression between the joint force and the joint displacement considering these physical constants (elastic modulus, yield strength, etc.). Third, the isotropic material is considered for the most general analysis of weld residual stress. Fourth, the temperature dependence of the material constants is considered throughout the plasticity as well as the elasticity. Fifth, the relationship between strain and stress is expressed by total strain increment by introducing plastic flow theory. Sixth, the yielding condition of the Von-mises considering the linear isotropic hardening rule is used as the yield function in the burning zone.

그리고, 용접 잔류응력을 수치적인 방법에 의해 구하기 위하여 본 발명에 도입한 각종 이론의 정식화 방법을 설명하면 다음과 같다.In order to obtain the welding residual stress by a numerical method, a method of formulating various theories introduced in the present invention will be described as follows.

첫째, 응력과 변형율 분포는 용접선 길이방향에 대해 독립이다. 둘째, 용접선 길이방향에 수직인 평면이 변형전에 평면으로 존재한다면 변형후에도 평면으로존재한다. 이들 가정을 정식화하면 다음 수학식 2 및 3와 같다.First, the stress and strain distributions are independent of the weld line length direction. Second, if a plane perpendicular to the longitudinal direction of the weld line exists before the deformation, it exists as a plane after deformation. These assumptions can be formulated by the following equations (2) and (3).

그러나, 열은 등방성이므로 열에 의한 전단변형율은 발생하지 않기 때문에 이를 고려하여 상기 수학식 3를 다음 수학식 4과 같이 표현할 수 있다.However, since the heat is isotropic, the shear strain due to heat does not occur. Therefore, Equation (3) can be expressed as Equation (4) below.

셋째, 구조물이 물체력 및 경계조건을 만족함과 동시에 평형을 이루고 있다고 가정하면 평형방정식과 역학적 경계조건이 성립되므로 가상일의 원리(Principle of virtual work)를 다음 수학식 5와 같이 정식화할 수 있다.Third, assuming that the structure satisfies the equilibrium with the physical fitness and boundary condition, the equilibrium equation and the mechanical boundary condition are established. Therefore, the principle of virtual work can be formulated as the following equation (5).

여기서, {σ}는 응력 벡터, {ε}는 변형율 벡터, {U}는 변위 벡터, {}는 단위체적당 물체력 벡터, {}는 단위체적당 표면력 벡터를 나타낸다. 이에 따라, 열응력 문제의 변형율-변위 관계식은 다음 수학식 6 및 7와 같다.Where {σ} is the stress vector, {ε} is the strain vector, {U} is the displacement vector, { } Is the water fitness vector per unit volume, { } Represents the surface force vector per unit volume. Accordingly, the strain-displacement relation of the thermal stress problem is expressed by the following equations (6) and (7).

그리고, 상기 수학식 6 및 7의 응력-변형율 관계식에서 각 요소는 다음 수학식 8 내지 10와 같이 구성된다.In the stress-strain relationship of the equations (6) and (7), each element is constructed as shown in the following equations (8) to (10).

여기서, {α}T=εt는 열변형율(Thermal strain), α는 순간 선팽창계수, T는 온도를 나타낸다.Where {α} T = ε t is the thermal strain, α is the instantaneous coefficient of linear expansion, and T is the temperature.

넷째, 전 변형율{ε}는 탄성 변형율{εe}와 열변형율 {εt}의 합으로서 다음 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.Fourth, the former strain ε {} is a sum of the elastic deformation ratio ε {e} and {heat deformation rate ε t} can be expressed as Equation (11).

다섯째, 응력과 변형율은 후크의 법칙(Hooke's law)으로부터 다음 수학식 12과 같다.Fifth, the stress and strain are calculated from the Hooke's law as shown in the following equation (12).

여기서, [De]는 탄성응력-변형율 매트릭스이다Where [D e ] is an elastic stress-strain matrix

그리고, 응력-변형률의 관계를 상세히 살펴보면, 재료의 물리적 성질의 온도 의존성을 고려한 응력증분의 영향을 [C]dT 라고 하면 응력-변형율 관계는 다음 수학식 13와 같다.If the effect of the stress increment considering the temperature dependency of the physical properties of the material is [C] dT, the stress-strain relationship is expressed by the following equation (13).

첫째, 탄성역에서의 응력-변형율을 관계를 살펴보면, 재료가 탄성거동을 하는 경우에는 다음 수학식 14 및 15와 같다.First, the relation between the stress-strain rate in the elasticity region is as follows.

여기서, 탄성변형율{εe}은 응력{σ} 및 온도 T의 함수이다.Here, the elastic deformation ratio ε e {} is a function of the stress {σ} and temperature T.

탄성변형율의 증분은 다음 수학식 16와 같이 구성되고, 전 변형율 증분은 다음 수학식 17과 같이 구성된다.The increment of the elastic strain rate is configured as shown in the following Equation (16), and the total strain rate increment is constructed as shown in Equation (17).

상기 수학식 14 내지 17을 정리하면 다음 수학식 18과 같이 탄성역에서의 응력증분에 대한 구성방정식을 얻을 수 있게 된다.The equations (14) to (17) summarize the equations (14) to (17) to obtain a constitutive equation for the stress increment in the elastic region as shown in the following Equation (18).

여기서, E1은 온도변화 ΔT후의 탄성계수, {C}는이다.Here, E 1 is the modulus of elasticity after temperature change ΔT, {C} to be.

둘째, 소성역에서의 응력-변형을의 관계를 살펴보면, 재료의 항복응력 (σY)은 온도 T와 소성일(Plastic work)의 함수로서 σY(T, WP)로 하고, 항복함수 F는 응력 {σ}와 항복응력 (σY)으로부터 다음 수학식 19과 같이 구성된다.Second, the relationship between the stress-strain in the plastic zone and the yield stress (σ Y ) As a function of σ Y (T, W P) , and the yield function F is configured as shown in Equation 19 from the stress {σ} and yield stress (σ Y).

다시 말하여, dF= df-df_0 = 0 을 만족할 때 재료는 항복한다.In other words, the material surrenders when dF = df-df_0 = 0 is satisfied.

따라서, 재료가 소성역에서 부하상태에 있을 경우에는 다음 수학식 20과 같이 dF=0의 조건을 만족해야 한다.Therefore, when the material is in a load state in the burning zone, the condition of dF = 0 must be satisfied as shown in the following equation (20).

여기서,은 상당응력의 변화,는 가공경화,는 온도증분이다.here, A change in equivalent stress, The work hardening, Is the temperature increment.

소성역에 도달한 재료는 비압축성을 나타내고, 항복함수를 소성포텐셜로 가정하면 소성변형율은 다음 수학식 21과 같이 된다.Assuming that the yielding function is a plastic potential, the plastic strain is given by the following equation (21).

여기서,은 편차응력, λ는 양(+)의 스칼라양이다. 또한, 상기수학식 20은 폰-미세스(Von-mises) 항복조건을 따른다.here, Is the shear stress, and lambda is the positive scalar quantity. Also, Equation 20 follows the Von-mises yield condition.

전 변형율(Total strain) 증분 {dε}은 다음 수학식 22과 같이 탄·소성 및 열변형율의 합이 된다.The total strain increment {dε} is the sum of the tan-plasticity and the thermal strain rate as shown in the following equation (22).

이에 따라, 다음 수학식 23와 같은 소성역에서의 응력증분에 대한 구성방정식이 구해진다.Thus, a constitutive equation for the stress increment in the burnout zone is obtained as shown in the following equation (23).

셋째, 절점력과 절점변위 관계를 살펴보면, 물체력을 무시하고 가상일의 원리에 따라 요소 등가절점력 증분 {dF}는 다음 수학식 24과 같이 된다.Third, considering the relationship between the joint force and the joint displacement, the element equivalent joint force increment {dF} is expressed by the following equation (24) according to the principle of the virtual work,

용접에 의한 열응력 해석에서는 외력의 작용이 고려되지 않으므로 각 요소에 관한 평형조건식은 다음 수학식 25와 같이 표현된다.Since the action of external force is not considered in the thermal stress analysis by welding, the equilibrium condition equation for each element is expressed by the following equation (25).

여기서,는 열에 의한 등가절점력이고,는 요소의 강성 메트릭스이다.here, Is an equivalent nodal force due to heat, Is the stiffness matrix of the element.

따라서, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법은 전술한 수학식들에 의거하여 구성된다.Therefore, the numerical analysis method for analyzing the welding residual stress according to the present invention is constructed based on the above-described equations.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법을 단계적으로 나타내는 흐름도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart showing a stepwise numerical analysis method for analyzing welding residual stress according to an embodiment of the present invention. FIG.

단계 2에서 해석모델에 대한 대한 여러 가지의 데이터를 입력하게 된다. 상세히 하면, 해석모델에 요소수, 절점수, 각 절점의 좌표 및 경계조건을 입력하고, 2차원 열전도 해석용 프로그램에서 구한 온도분포와 분할요소 중 열원이 있는 요소와 열영향부(HAZ) 요소를 입력하게 된다. 단계 4에서 해석모델에 대한 대역폭(Bandwidth)을 계산하고, 단계6에서 가우스(Gauss) 적분의 적분점 좌표와 가중치 함수(Weight function)를 세팅한다. 그 다음, 단계 8 및 10에서 해석모델의 전 요소에 대한 좌표를 정의하고 형상함수(Shape function)를 이용하여 변형율 매트릭스, 즉 야코비언(Jacobian) 매트릭스 [B]를 구성한다. 단계 12에서 초기온도를 세팅한다. 이 경우, 실내온도를 해석모델 각 요소에 절점에 세팅하게 된다. 단계 14에서 응력, 변형률, 변위를 초기화한다.In step 2, various data about the analytical model are input. In detail, the number of elements, the number of points, the coordinates of each node, and the boundary condition are input to the analysis model, and the temperature distribution obtained from the program for 2-dimensional thermal conductivity analysis and the element having the heat source and the element having the heat effect (HAZ) . In step 4, the bandwidth for the analytical model is calculated, and in step 6, the integral point coordinates of the Gaussian integration and the weight function are set. Next, in steps 8 and 10, coordinates for all elements of the analytical model are defined and a strain matrix, i.e. a Jacobian matrix [B], is constructed using a shape function. In step 12, the initial temperature is set. In this case, the room temperature is set at the nodal point in each element of the analysis model. In step 14, stress, strain, and displacement are initialized.

그 다음, 단계 16에서 열분포 이력을 열하중으로 하므로 용접이 수행되는 과정의 온도상승 및 냉각에서의 온도이력을 입력한다. 이 경우, 해석모델 요소 각 절점의 평균온도를 요소온도로 계산하게 된다. 단계 18에서 요소온도를 열하중으로 치환한다. 단계 20에서 해석모델에 대한 재료 및 기계적 성질을 세팅한다. 이 경우, 온도변화에 따른 요소의 항복응력, 변형율 경화계수, 열팽창율 정의하게 된다. 다음 단계22에서 절점좌표계의 강성 매트릭스와 절점변위를 초기화한다. 단계 24에서 국부좌표계 요소의 강성 매트릭스와, 등가절점력 벡터을 구성한다. 이어서, 단계 26에서 요소의 강성 매트릭스 [K]를 중첩하고 등가절점력 벡터 {dL}을 중첩하여 로컬(Local) 좌표를 글로벌(Global)화 한다.Then, in step 16, since the heat distribution history is heat load, the temperature history of the process of performing the welding and the temperature history of the cooling are input. In this case, the average temperature of each node of the analysis model element is calculated as the element temperature. In step 18, the element temperature is replaced by the thermal load. In step 20, the material and mechanical properties for the analytical model are set. In this case, yield stress, strain hardening coefficient and thermal expansion rate of the element are defined according to the temperature change. In the next step 22, the stiffness matrix and the node displacement of the joint coordinate system are initialized. In step 24, the stiffness matrix of the local coordinate system element And an equivalent nodal force vector . Then, in step 26, the stiffness matrix [K] of the element is superimposed and the equivalent joint force vector {dL} is superimposed to make the local coordinate global.

이 단계 26을 상세히 하면, 도 2에 도시된 바와 같이 단계 26a에서 요소의 변위-변형율 매트릭스 [B]를 구성한 후, 단계 26b에서 재료의 탄성, 소성 여부를 판단하게 된다. 여기서, 재료가 탄성으로 판별된 경우 단계 24c에서 재료의 탄성치 [Ce]를 계산한 후, 단계 24d에서 탄성응력-변형율 매트릭스 [De]를 구성한다. 반면에, 상기 단계26b에서 재료가 소성으로 판별된 경우 단계 24e로 진행하여 소성치 [CP]를 계산한 후 단계 24f에서 소성응력-변형율 매트릭스 [DP]를 구성한다. 그 다음, 단계 24g에서 요소의 강성 매트릭스를 구성하고, 단계 24h에서 등가 절점력를 구성하게 된다.This step 26 will be described in detail. After the displacement-strain matrix [B] of the element is formed in step 26a as shown in Fig. 2, the elasticity and firing of the material are judged in step 26b. Here, when the material is determined to be elastic, the elasticity [C e ] of the material is calculated in step 24c, and then the elastic stress-strain matrix [D e ] is constructed in step 24d. On the other hand, the process proceeds from the step 26b to step 24e, if the material is determined by firing small Toughness [C P] one after the firing stresses in step 24f calculate - constitutes the strain matrix [D P]. Then, in step 24g, the stiffness matrix of the element And in step 24h, the equivalent nodal point force .

그리고, 도 1의 단계 28에서 평형방정식을 구성하고 계산하여 변위를 계산하게 된다. 그리고, 단계 30에서 소성요소를 체크하고, 제하판정(λ)과 변형율 증분dε, dσ, dεP,, dωP를 계산한다. 단계 32에서 전 변형율 ε, 응력 σ, 소성변형율 εP, 상당 소성변형율, 소성일 ωP를 계산하게 된다. 그 다음, 단계 34에서 해석모델 재료의 탄성, 소성 여부를 판단하게 된다. 이 경우, 재료의 탄성, 소성 여부는 폰-미세스 항복함수()를 토대로 판단하게 된다. 여기서, HI가 0.95 보다 크거나 같으면 소성으로 판단하게 되고, HI가 0.95 보다 작으면 탄성으로 판단하게 된다. 단계 36에서 해석모델에 대한 결과치, 즉 온도, 변위, 응력, 소성 변형율 및 상당응력 등을 출력하게 된다. 그리고, 다층-다패스인 경우 단계 38에서 각 패스별 결과치를 중첩한 후 단계 40에서 최종적인 결과치 데이터를 출력하고 상기 과정을 종료하게 된다. 그리고, 상기 단계 40에서 출력된 결과치는 범용 그래픽 소프트웨어(Grapher, Tecplot 등)를 이용하여 손쉽게 파악할 수 있다.Then, in step 28 of FIG. 1, the equilibrium equation is constructed and calculated to calculate the displacement. Then, in step 30, the plastic elements are checked, and the lower limit determination (?) And the strain rate increments d?, D ?, D ? P , , d? P are calculated. In step 32, the total strain ε, the stress σ, the plastic strain ε P , the plastic strain , And the sintering day? P. Then, in step 34, it is judged whether or not the analytical model material is elastic or fired. In this case, whether or not the material is elastic or fired can be determined by the Poisson- ). If HI is greater than or equal to 0.95, it is determined to be fired. If HI is less than 0.95, it is determined to be elastic. In step 36, the results for the analytical model, i.e., temperature, displacement, stress, plastic strain and equivalent stress, are output. In the case of multi-layer-multi-pass, the result of each pass is superimposed at step 38 in step 38, and final result data is output at step 40 and the process is terminated. The resultant value outputted in the step 40 can be easily grasped by using general graphic software (Grapher, Tecplot, etc.).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법에 의하면 종래의 단순 해석해 보다 정확한 값을 도출함과 아울러 소요 시간과 비용을 절감할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법을 이용하여 각종 구조물의 설계나 제작에 매우 유리하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법에 의하면 용접부의 열전도 현상과열응력을 고려하여 용접시 발생하는 변형 및 결함을 제어함으로써 각종 구조물에서 발생할지도 모를 치명적인 결함을 미연에 방지하여 인적, 물질적 손실을 방지할 수 있게 된다. 나아가, 본 발명에 다른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법에 의하면 최적 용접조건을 도출하여 경제적이고 효율적인 용접조건을 산출하고 그 용접조건을 데이터화하여 실제현장에서 비전문가도 손쉽게 활용할 수 있도록 함으로써 자체 기술력 향상과 공정수의 감축을 유도할 수 있게 된다. 더불어, 본 발명에 따른 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법은 다른 그래픽 소프트웨어와 호환하여 결과치를 손쉽게 파악할 수 있게 된다.As described above, according to the numerical analysis method for analyzing the welding residual stress according to the present invention, accurate values can be derived more than conventional simple analysis solutions, and time and cost can be saved. Accordingly, it is very advantageous in designing and manufacturing various structures by using the numerical analysis method for analyzing the residual stress of welding according to the present invention. In addition, according to the numerical analysis method for analyzing the welding residual stress according to the present invention, it is possible to prevent fatal defects that might occur in various structures by controlling the deformation and defects that occur during welding in consideration of thermal conduction phenomenon and over- It is possible to prevent material loss. Furthermore, according to the numerical analysis method for analyzing the welding residual stress according to the present invention, it is possible to calculate the optimal welding condition, to calculate the economical and efficient welding condition, and to data of the welding condition so that the non- Thereby reducing the number of process steps. In addition, the numerical analysis method for analyzing the welding residual stress according to the present invention is compatible with other graphic software, and the result can be easily grasped.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

Claims (2)

해석모델에 대한 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와;A first step of inputting initial data for an analysis model; 상기 해석모델에 대한 대역폭을 계산하는 제2 단계와;A second step of calculating a bandwidth for the analysis model; 가우스 적분의 적분점 좌표와 하중 함수를 세팅하는 제3 단계와;A third step of setting an integration point coordinate of the Gaussian integral and a load function; 해석모델의 전 요소에 대한 좌표를 정의하고 형상함수를 이용하여 변형율 매트릭스를 구성하는 제4 단계와;A fourth step of defining coordinates for all the elements of the analysis model and constructing a strain rate matrix using a shape function; 상기 각 요소에 대한 초기온도를 세팅하고, 응력, 변형률, 변위를 초기화하는 제5 단계와;A fifth step of setting an initial temperature for each of the elements and initializing stress, strain, and displacement; 용접이 수행되는 과정의 온도상승 및 냉각에서의 온도이력을 입력하여 온도를 열하중으로 치환하는 제6 단계와;A sixth step of inputting a temperature history of a process of performing welding and a temperature history of cooling to replace the temperature with a thermal load; 해석모델 각 요소의 항복응력, 변형율 경화계수, 열팽창율과 같은 재료 및 기계적 성질을 세팅하는 제7 단계와;A seventh step of setting material and mechanical properties such as yield stress, strain hardening coefficient and thermal expansion coefficient of each element of the analytical model; 상기 각 요소의 절점좌표계에 대한 강성 매트릭스와 절점변위를 초기화한 후 요소의 강성 매트릭스와, 등가절점력 벡터를 구성하여 중첩하는 제8 단계와,An eighth step of initializing a stiffness matrix and a node displacement with respect to a node coordinate system of each element and then constructing an equivalent node force vector with the stiffness matrix of the element, 평형방정식을 구성·계산하여 전 변형율, 응력, 소성변형율, 상당 소성변형율, 소성일을 계산하는 제9 단계와;A ninth step of calculating the total strain, the stress, the plastic strain, the equivalent plastic strain, and the sintering date by constructing and calculating the equilibrium equation; 상기 해석모델 재료의 탄성 및 소성 여부를 폰 -미세스(Von-mices) 항복함수를 기초하여 판단하는 제10 단계와,A step 10 of judging the elasticity and plasticity of the analytical model material on the basis of a Von-mices yielding function, 상기 탄성 및 소성 여부에 따른 해석모델에 대한 결과치를 출력하는 제11 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법.And outputting a result of the analytical model according to the elasticity and the plasticity. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 해석모델에 대한 용접이 다층 및 다패스인 경우 각 패스별 결과치를 중첩하여 최종적인 결과치를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 잔류응력 해석용 수치해석 방법.Further comprising the step of superimposing the results for each pass when the welding for the analytical model is multi-layered and multi-pass, and outputting a final result.
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