KR100363711B1 - Method of 3 dimention heat distribution for welding - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유한요소법을 이용하여 용접시 이동열원의 열분포를 시간의 변화에 따라 해석하여 데이터화하고 자동으로 표시되도록 한 3차원 용접 열분포 해석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional welding heat distribution analysis method for analyzing the heat distribution of the moving heat source during the welding by using the finite element method to data and display automatically.
본 발명에 따른 3차원 용접 열분포 해석방법은 해석모델에 대한 메쉬 데이터 및 열전달 데이터 등의 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와, 해석 모델의 형상에 따른 열전달 및 열복사 유무를 판단함과 아울러 상기 메쉬 데이터에서 각 좌표에 대한 절점을 자동으로 나누어 요소를 분할하여 각 절점에서의 온도인 미지수의 총수를 계산하는 제2 단계와, 필요 영역만을 선택하여 구현하기 위한 상기 해석모델의 대역폭을 계산하는 제3 단계와, 전체좌표계에 대한 열전도 매트릭스를 초기화하는 제4 단계와, 융착금속의 히팅여부를 판단하는 제5 단계와, 판단여부에 의해 상기 융착금속이 히팅 및 쿨링될 경우 각 시간증분을 자동 계산하는 제6 단계와, 미리 설정된 히팅값과 상기 자동 계산된 시간증분값을 비교하여 상기 융착금속의 히팅 종료 여부를 판단하는 제7 단계와, 유한요소법을 이용하기 위해 상기 해석모델을 유한 개로 분할함에 있어 현재의 요소가 상기 해석모델에 존재하는 요소인지를 판단하는 제8 단계와, 제9 단계에서 존재하는 요소인 경우 상기 요소의 절점좌표를 정의하는 제9 단계와, 정의된 절점좌표의 임의의 한 요소에서의 시간 증분에 따른 국부절점 온도를 설정하는 제10 단계와, 국부좌표계 열전도 강성 매트릭스를 구성하는 제11 단계와, 국부좌표계 열용량 매트릭스를 구성하는 제12 단계와, 국부좌표계 열전달 매트릭스를 구성하는 제13 단계와, 국부좌표계 열유속 벡터를 구성하는 제14 단계와, 전 요소의 히팅시간을 판단하여 상기 강성 매트릭스와 하중 벡터의 전체좌표화를 수행하는 제15 단계와, 전 단계들로부터 유도된 열전도 방정식을 구성한 후 이를 풀이하여 절점온도를 정의하는 제16 단계와, 제8 단계에서 존재하지 않는 요소와 시간증분 전후의 온도에 의한 다음 단계의 온도증분을 결정하는 제17 단계와, 각 단계를 통하여 소정방식으로 도출된 결과를 자동으로 상용 열분포 프로그램의 입력 데이터로 하여 상기 해석모델의 용접 열분포를 화면 상에 자동으로 표시되게 하는 제18 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The three-dimensional welding heat distribution analysis method according to the present invention includes a first step of inputting initial data such as mesh data and heat transfer data for an analysis model, and determining whether there is heat transfer and heat radiation according to the shape of the analysis model and the mesh data. A second step of calculating the total number of unknowns, which is the temperature at each node by automatically dividing the nodes for each coordinate in the step and a third step of calculating the bandwidth of the analysis model to select and implement only the required area And a fourth step of initializing the heat conduction matrix for the global coordinate system, a fifth step of determining whether the fused metal is heated, and an automatic calculation of each time increment when the fused metal is heated and cooled by the determination. Step 6 and comparing the preset heating value and the automatically calculated time increment value to determine whether or not the heating of the fusion metal In the seventh step, and in splitting the analysis model into finite elements to use the finite element method, an eighth step of determining whether a current element exists in the analysis model, and, if the element exists in the ninth step, A ninth step of defining the nodal coordinates of the element, a tenth step of setting local node temperatures over time in any one element of the defined nodal coordinates, an eleventh step of constructing a local coordinate system thermal conductivity stiffness matrix, and , A twelfth step of constructing a local coordinate system heat capacity matrix, a thirteenth step of constructing a local coordinate system heat transfer matrix, a fourteenth step of constructing a local coordinate system heat flux vector, and a heating time of all elements In step 15 of performing global coordinates of the vector and the thermal conductivity equations derived from the previous steps, a node temperature is defined and solved. The 16th step, the 17th step of determining the temperature increment of the next step by the element that does not exist in the eighth step and the temperature before and after the time increment, and the commercial heat distribution automatically the result derived in a predetermined manner through each step And an eighteenth step of automatically displaying a weld heat distribution of the analysis model on the screen as input data of the program.
이러한 구성에 의하면, 본 발명에 따른 3차원 용접 열분포 해석방법은 용접시 발생하는 열분포를 정확하게 예측이 가능할 뿐만 아니라 그 결과의 정확도가 향상된다. 또한, 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법은 최적용접 조건을 도출하여 경제적이고 효율적인 용접조건을 테이터화하여 실제의 산업현장에서 비전문가도 손쉽게 활용할 수 있도록 구성되어 기술력을 향상함과 아울러 공정수를 감축시킬 수 있는 장점이 있다.According to this configuration, the three-dimensional welding heat distribution analysis method according to the present invention can not only accurately predict the heat distribution generated during welding, but also improves the accuracy of the result. In addition, the three-dimensional welding heat distribution analysis method of the present invention is configured to derive the optimum welding conditions and to make economical and efficient welding conditions to be easily utilized by non-experts in the actual industrial field, improving the technical skills and reduce the number of processes There is an advantage to this.
Description
본 발명은 열분포 해석방법에 관한 것으로, 특히 유한요소법을 이용하여 용접시 이동열원의 열분포를 시간의 변화에 따라 실시간으로 해석하여 데이터화하고 이를 자동으로 표시하도록 한 3차원 용접 열분포 해석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat distribution analysis method, and more particularly, to a three-dimensional weld heat distribution analysis method to analyze the heat distribution of the moving heat source during the welding in real time according to the change of time to form a data and automatically display it by using the finite element method.
통상적으로, 순간열원을 투열하여 순간열원의 해를 구하여 열전도현상을 분석함에 의해 열원분포(Heat Distribution)를 해석하게 된다. 이 경우, 순간열원에 의한 해를 구하는 방법은 평면열원, 선열원 및 점열원에 의해서 구해진다. 이에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.Typically, heat distribution is analyzed by dividing the instantaneous heat source, solving the instantaneous heat source, and analyzing the thermal conductivity. In this case, the method of obtaining the solution by the instantaneous heat source is determined by the planar heat source, the linear heat source and the point heat source. This will be described in detail.
a라는 미소영역이 온도가 순간적으로 Ti(= θi- θo) 만큼 상승할 경우 열전도 방정식의 해는 수학식 1과 같이 구해진다.The solution of the thermal conductivity equation is obtained as shown in Equation 1 when the temperature of the minute region a rises as much as Ti (= θ i -θ o ).
여기에서, c는 비열[㎈/g·℃], ρ는 밀도[g/㎤], n은 열유의 차원수(n=1,2,3 )를 의미한다. 또한, 순간열원에 의한 열전도의 특성은 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와같이 열원을 투여하여 시간(t)이 경과한 후에는 투여열량(q)의 대부분(예를들면, 96 ∼ 99%)이의 범위 내에 존재한다. 즉, 열의 확산은이다. 상기 간이식을 사용하면, 강(Steel)에서는 t가 0.6초일 경우 r은 1㎝, t가 1분일 경우 r은 10㎝, t가 2시간일 경우 r은 1m 정도로 열이 확산되게 된다. 상기 간이식에서 최고 온도에 도달하는 동안 시간은 열원의 세기에 관계하지 않고 일정한 위치r 에서는 점, 선, 면 열원순으로 커지고 그 시간은 열원으로부터 거리(r)의 제곱에 비례하고 열확산율(k)에 반비례하게 된다. 이때, 최고온도는 열원의 세기(q)에 비례하고 열확산율(k)에는 무관하다. 이 경우, 온도는 r이 클수록 작아지게 된다. 또한, 원점에서의 냉각속도는 q2/n에 반비례한다.Here, c means specific heat [㎈ / g · ° C.], ρ means density [g / cm 3], and n means the dimension number of the heat oil (n = 1, 2, 3). In addition, the characteristic of the heat conduction by the instantaneous heat source is shown in FIG. As shown in FIG. 1, after the time t has been administered and the heat source is administered, most of the dose (q) (eg, 96 to 99%) is It exists in the range of. That is, the spread of heat to be. Using the simple graft, in the steel (teel) r is 1cm when t is 0.6 seconds, r is 10cm if t is 1 minute, r is 1m if t is 2 hours. While the maximum temperature is reached in the simple graft, the time does not depend on the intensity of the heat source, but increases in the order of point, line, and plane heat sources at a certain position r, and the time is proportional to the square of the distance r from the heat source and the thermal diffusion rate (k). Inversely proportional to. At this time, the maximum temperature is proportional to the intensity (q) of the heat source and irrelevant to the thermal diffusion rate (k). In this case, the temperature becomes smaller as r is larger. In addition, the cooling rate at the origin is inversely proportional to q 2 / n .
한편, 순간열원에 의한 열전도의 해는 온도상승, 원점에서 거리r 까지 영역의 보유열량(qr), 최고온도에 도달하는 시간(tm), 최고도달온도(Tm), 원점에서의 냉각속도(CR)를 구하여 간이식으로써 열전도의 해를 구하게 된다. 이하, 이들에 대하여 살펴보기로 한다. 온도상승은 수학식 2에 나타나 있다.On the other hand, the solution of the thermal conduction by the instantaneous heat source is the temperature rise, the amount of heat retained (qr) in the area from the origin to the distance r, the time to reach the maximum temperature (t m ), the maximum reaching temperature (T m ), the cooling rate at the origin The solution of thermal conductivity is obtained by a simple transplantation by obtaining (CR). Hereinafter, these will be described. The temperature rise is shown in Equation 2.
여기에서, Ti는 초기온도 상승, θ는 임의의 점의 온도, θo는 초기온도를 의미한다.Here, T i is the initial temperature rise, θ is the temperature of any point, θ o means the initial temperature.
또한, 원점에서 거리r 까지 영역의 보유열량(qr)은 수학식 3에 나타나 있다.Further, the amount of heat retained qr in the region from the origin to the distance r is shown in equation (3).
여기에서, n은 열류의 차원수(예를들면, n=1인 경우 평면열원, n=2인 경우 선열원, n=3인 경우 점열원), r은 원점에서의 거리, q는 열원의 세기, a는 초기온도 상승부의 크기를 각각 의미한다.Where n is the number of dimensions of the heat flow (e.g., planar heat source if n = 1, line heat source if n = 2, point heat source if n = 3), r is the distance from the origin, q is the heat source Intensity, a means the size of the initial temperature rise, respectively.
한편, 최고온도에 도달하는 시간(tm)은 수학식 4에 나타나 있다.On the other hand, the time t m to reach the maximum temperature is shown in equation (4).
또한, 최고도달온도 (Tm)는 수학식 5에 나타나 있다.In addition, the maximum reaching temperature (T m ) is shown in equation (5).
또한, 원점의 냉각속도(cr)가 수학식 6에 나타나 있다.In addition, the cooling rate cr of the origin is shown in equation (6).
현재까지의 사용된 해석적인 방법에 의한 열원분포는 경험 및 단순화한 실험을 토대로 만들어진 간이식을 사용하므로 후술하는 몇 가지 문제점이 도출된다. 즉, 상기와 같은 간이식을 이용하여 구해진 해는 용접구조물의 열전도 문제만을 고려할 수 있을 뿐 용접체 표면에서 발생되는 열전달 및 열방사 문제는 고려하지 못하는 어려움이 있다. 또한, 용접 열원의 실제 이동효과를 고려하기 어려운 점이 있다. 또한, 용접시 발생하는 온도변화에 의존하는 재료의 물리정수(예를들면, 비열, 밀도, 열전도도) 등을 도입하지 못하였다. 또한, 수학적인 한계로 인해 다양한 용접부의 형태에 적용하는데 큰 어려움이 있어 용접부의 형태가 제한되게 된다. 상기와 같이 종래의 열분포 해석방법은 간이식을 사용하므로 단순한 현상만을 파악하는 것에 국한되며 그 결과에 대한 정확도 및 예측이 매우 부족한 문제점이 있게 된다.The heat source distribution by the analytical method used to date uses a simple transplant based on empirical and simplified experiments, which leads to some problems described below. That is, the solution obtained by using the above simple graft can only consider the heat conduction problem of the welded structure, but there is a difficulty in not considering the heat transfer and heat radiation problems generated on the weld surface. In addition, it is difficult to consider the actual movement effect of the welding heat source. In addition, the physical constants of materials (eg, specific heat, density, thermal conductivity), etc., which depend on the temperature change generated during welding cannot be introduced. In addition, due to mathematical limitations, there is a great difficulty in applying to various types of welds, thereby limiting the welds. As described above, the conventional thermal distribution analysis method uses a simple transplant, and thus is limited to only grasping a simple phenomenon, and there is a problem in that the accuracy and prediction of the result are very insufficient.
따라서, 본 발명의 목적은 유한요소법을 이용하여 실제 3차원상의 이동열원의 열분포를 시간의 변화에 따라 해석하여 데이터화하고 이를 자동으로 표시되도록 하는 3차원 용접 열분포 해석방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a three-dimensional welded heat distribution analysis method that uses the finite element method to analyze the heat distribution of a moving heat source in real three-dimensional phase according to the change of time, to make data and display it automatically.
도 1은 종래 기술의 열원에 의한 단순 온도변화를 도시한 도면.1 is a view showing a simple temperature change by the heat source of the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 용접 열분포 해석방법을 설명하기 위해 도시한 도면.Figure 2 is a view showing for explaining a three-dimensional welding heat distribution analysis method according to the present invention.
도 3은 도 2의 국부좌표계 열전도 강성 매트릭스 구성방법을 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating in detail a method of constructing a local coordinate system thermal conductivity stiffness matrix of FIG. 2; FIG.
도 4는 도 2의 국부좌표계 열용량 매트릭스 구성방법을 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면.4 is a view illustrating in detail the method of configuring a local coordinate system heat capacity matrix of FIG.
도 5는 도 2의 국부좌표계 열전달 매트릭스 구성방법을 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면.FIG. 5 is a diagram illustrating in detail a method of constructing a local coordinate system heat transfer matrix of FIG. 2; FIG.
도 6은 도 2의 국부좌표계의 열유속 벡터 구성방법을 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면.도 7은 본 발명에 따른 3차원 용접 열분포 해석방법을 적용할 용접모델을 나타내는 도면.도 8은 도 7의 용접 모델에 본 발명에 따른 방법으로부터 출력된 데이터를 그래퍼에 적용할 경우의 열분포를 나타내는 도면.도 9는 도 7의 용접 모델에 본 발명에 따른 방법으로부터 출력된 데이터를 텍플롯에 적용할 경우의 열분포를 나타내는 도면.Figure 6 is a view showing in detail the method of configuring the heat flux vector of the local coordinate system of Figure 2. Figure 7 is a view showing a welding model to apply the three-dimensional welding heat distribution analysis method according to the present invention. Fig. 9 shows the heat distribution when the data output from the method according to the present invention is applied to a welder in Fig. 9, when the data output from the method according to the present invention is applied to the weld model in Fig. 7. A diagram showing the heat distribution of the.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법은 해석모델에 대한 메쉬 데이터 및 열전달 데이터 등의 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와, 상기 해석 모델의 형상에 따른 열전달 및 열복사 유무를 판단함과 아울러 상기 메쉬 데이터에서 각 좌표에 대한 절점을 자동으로 나누어 요소를 분할하여 각 절점에서의 온도인 미지수의 총수를 계산하는 제2 단계와, 필요 영역만을 선택하여 구현하기 위한 상기 해석모델의 대역폭을 계산하는 제3 단계와, 전체좌표계에 대한 열전도 매트릭스를 초기화하는 제4 단계와, 융착금속의 히팅여부를 판단하는 제5 단계와, 상기 판단여부에 의해 상기 융착금속이 히팅 및 쿨링될 경우 각 시간증분을 자동 계산하는 제6 단계와, 미리 설정된 히팅값과 상기 자동 계산된 시간증분값을 비교하여 상기 융착금속의 히팅 종료 여부를 판단하는 제7 단계와, 유한요소법을 이용하기 위해 상기 해석모델을 유한 개로 분할함에 있어 현재의 요소가 상기 해석모델에 존재하는 요소인지를 판단하는 제8 단계와, 상기 제9 단계에서 존재하는 요소인 경우 상기 요소의 절점좌표를 정의하는 제9 단계와, 상기 정의된 절점좌표의 임의의 한 요소에서의 시간 증분에 따른 국부절점 온도를 설정하는 제10 단계와, 국부좌표계 열전도 강성 매트릭스를 구성하는 제11 단계와, 상기 국부좌표계 열용량 매트릭스를 구성하는 제12 단계와, 상기 국부좌표계 열전달 매트릭스를 구성하는 제13 단계와, 상기 국부좌표계 열유속 벡터를 구성하는 제14 단계와, 상기 전 요소의 히팅시간을 판단하여 상기 강성 매트릭스와 하중 벡터의 전체좌표화를 수행하는 제15 단계와, 전 단계들로부터 유도된 열전도 방정식을 구성한 후 이를 풀이하여 절점온도를 정의하는 제16 단계와, 상기 제8 단계에서 존재하지 않는 요소와 시간증분 전후의 온도에 의한 다음 단계의 온도증분을 결정하는 제17 단계와, 상기 각 단계를 통하여 소정방식으로 도출된 결과를 자동으로 상용 열분포 프로그램의 입력 데이터로 하여 상기 해석모델의 용접 열분포를 화면 상에 자동으로 표시되게 하는 제18 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the three-dimensional weld heat distribution analysis method of the present invention comprises the first step of inputting the initial data, such as mesh data and heat transfer data for the analysis model, and the presence or absence of heat transfer and heat radiation according to the shape of the analysis model In addition, the second step of calculating the total number of unknowns, which is the temperature at each node by dividing the elements by automatically dividing the nodes for each coordinate in the mesh data, and the analysis model for selecting and implementing only the required area A third step of calculating a bandwidth, a fourth step of initializing a heat conduction matrix for the global coordinate system, a fifth step of determining whether the fused metal is heated, and when the fused metal is heated and cooled by the determination A sixth step of automatically calculating each time increment; and comparing the preset heating value with the automatically calculated time increment value and A seventh step of determining whether the heating of the metal is finished; an eighth step of determining whether a current element exists in the analysis model when the analysis model is divided into finite pieces to use the finite element method; A nineth step of defining the nodal coordinates of the element when the element exists in step 9, a tenth step of setting the local node temperature according to time increment in any one of the defined nodal coordinates, and a local coordinate system An eleventh step of constructing a thermal conductivity stiffness matrix, a twelfth step of constructing the local coordinate system heat capacity matrix, a thirteenth step of constructing the local coordinate system heat transfer matrix, a fourteenth step of constructing the local coordinate system heat flux vector, Determining a heating time of all the elements and performing global coordinates of the stiffness matrix and the load vector; A sixteenth step of defining a nodal temperature by constructing the solved thermal conductivity equation and solving it; and a seventeenth step of determining a temperature increment of a next step by a temperature not before and after time increments and elements not present in the eighth step; And an eighteenth step of automatically displaying the weld heat distribution of the analysis model on the screen by automatically using the result derived in the predetermined manner as input data of a commercial heat distribution program.
상기 목적외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention other than the above object will become apparent from the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
도 2 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명 하기로 한다.With reference to Figures 2 to 9 will be described a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 3차원 용접 열분포 해석방법에 적용되는 기술적인 원리는 후술하는 바와 같다. 첫째, 용접 및 기타 열원분포의 명확한 해석을 위하여 열원의 이동효과를 고려하였다. 둘째, 해석의 정도를 높이기 위해 자연좌표계를 이용하여 요소좌표와 변위를 동일한 보간함수로 하여 절점 및 요소에서 뿐만 아니라 임의의 적분점에서도 필요한 값을 알 수 있는 아이소-파라메트릭(Iso-Parametric) 8절점 유한요소를 도입하였다. 셋째, 용접의 경우 시간에 따라 온도가 변화하므로 재료의 물리정수(즉, 비열(c), 밀도(ρ), 열전도도(α) 등)가 변화하게 되므로 이를 고려하였다. 넷째, 시간에 따른 온도증분 계산하고, 요소에 대한 열영향부(HAZ) 여부를 자동으로 판정하고 출력하도록 고려하였다.Technical principles applied to the three-dimensional welding heat distribution analysis method according to the present invention are as described below. First, the effect of heat source movement is considered for clear analysis of welding and other heat source distributions. Second, in order to improve the degree of interpretation, iso-parametric 8, which uses the natural coordinate system with the same interpolation function for element coordinates and displacements, can be used to find the required values at arbitrary integral points as well as nodes and elements. Node finite element is introduced. Third, in the case of welding, since the temperature changes with time, the physical constant of the material (that is, the specific heat (c), density (ρ), thermal conductivity (α), etc.) is changed because this is considered. Fourth, the temperature increment was calculated over time, and it was considered to automatically determine and output the heat affected zone (HAZ) for the element.
또한, 용접 열분포를 수치적인 방법에 의해 구하기 위하여 본 발명에 도입된 이론의 정식화 과정을 설명하기로 한다. 금속의 재료가 등방성(Isotropic)일 때, 연속체의 비정상 열전도문제의 지배방정식(Governing Equation)은 수학식 7과 같이 나타나게 된다.In addition, the formulation process of the theory introduced in the present invention will be described in order to obtain the weld heat distribution by a numerical method. When the material of the metal is isotropic (Isotropic), the governing equation (Governing Equation) of the abnormal thermal conductivity problem of the continuum is expressed as shown in Equation 7.
여기에서 Q는 단위시간당 입열량[㎈/sec]를 의미한다.Q is the amount of heat input per unit time [㎈ / sec].
또한, 수학식 7을 3차원 비정상 열전도 방정식으로 기술하면 수학식 8과 같이 나타나게 된다.In addition, when Equation 7 is described as a three-dimensional abnormal heat conduction equation, Equation 8 is expressed as Equation 8.
여기에서, a는 x,y,z 방향의 열전도율[㎈/㎝·sec·℃]을 의미한다.Here, a means thermal conductivity [㎈ / cm · sec · ° C] in the x, y, and z directions.
물체표면의 열적 경계조건은 푸리에 법칙(Fourier's Law)을 사용하여 수학식 9와 같이 나타나게 된다.The thermal boundary condition of the surface of an object is represented by Equation 9 using Fourier's Law.
여기에서, q는 열유속(Heat Flow)[㎈/sec·㎠], n은 물체표면의 외법선방향, α는 열전달 계수를 의미한다. 이러한 경계에서 열전달이 있을 경우 q는 수학식 10을 만족하게 된다.Where q is heat flow [㎈ / sec · cm 2], n is the outer normal direction of the object surface, and α is the heat transfer coefficient. When there is heat transfer at this boundary, q satisfies Equation 10.
여기에서, αc는 열전달계수[㎈/㎠·sec·℃], Tc는 외부온도[℃]를 의미한다.Here, α c means the heat transfer coefficient [㎈ / cm 2 · sec · ° C.], and T c means the external temperature [° C.].
고체의 열전달을 유한요소법(Finite Element Method)으로 정식화하기 위해, 해석모델을 유한개로 분할하고 한 요소내의 온도분포를 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.In order to formulate the heat transfer of the solid by the finite element method, the analytical model can be divided into finite elements and the temperature distribution in one element can be expressed as in Equation (11).
여기에서, T는 요소의 온도, [N]은 절점온도와 요소내의 온도를 연결하는 형상함수 매트릭스, {Φ}는 시간(t)에 대한 요소의 절점온도 벡터를 의미한다.Here, T is the temperature of the element, [N] is the shape function matrix connecting the node temperature and the temperature in the element, {Φ} means the node temperature vector of the element over time (t).
한편, 수학식 8에 형상함수[N]을 가중(Weighting) 함수로 하여 적용하면 수학식 12와 같이 표현된다.On the other hand, if the shape function [N] to the equation (8) as a weighting function (Weighting) applied to the equation (12).
수학식 12를 그린-가우스(Green-Gauss) 정리를 이용하여 전개하면 수학식 13에 나타난 바와같이 구해진다.Equation 12 is developed using the Green-Gauss theorem as shown in Equation 13.
여기에서, s는 요소의 경계를 의미한다.Here, s means the boundary of the element.
3차원 비정상 열전도식을 매트릭스화하면 수학식 14와 같이 표현할수 있다.When the three-dimensional abnormal thermal conductivity is matrixed, it can be expressed as Equation 14.
여기에서, [K]는 열전도 매트릭스, [C]는 열용량 매트릭스, {F}는 열유속 벡터를 의미한다.Here, [K] means a heat conduction matrix, [C] means a heat capacity matrix, and {F} means a heat flux vector.
열전도 매트릭스가 수학식 15에 나타나 있다.The thermal conductivity matrix is shown in equation (15).
이때, 열용량 매트릭스가 수학식 16에 나타나 있다.At this time, the heat capacity matrix is shown in equation (16).
이때, 열유속 벡터{F}가 수학식 17에 나타나 있다.At this time, the heat flux vector {F} is shown in equation (17).
수학식 15 내지 17을 대입하여 수학식 14를 연산할 경우에 {Φ}와 {∂Φ/∂t}의 2개의 미지량이 존재하지만 시간증분을 t라 하고 증분전의 온도를, 증분후의 온도를및 그 중간의 온도를이라고 할 경우, 수학식 18과 같이 표현되게 된다.When the equation (14) is calculated by substituting equations (15) to (17), two unknown amounts of {Φ} and {∂Φ / ∂t} exist, but the time increment is called t and the temperature before the increment , The temperature after the increment And the temperature in the middle In this case, it is expressed as in Equation (18).
수학식 18로부터 수학식 19가 구성된다.(19) is constructed from (18).
이에 따라, 수학식 14는 수학식 20과 같이 최종적으로 구할수 있다.Accordingly, Equation 14 can be finally obtained as in Equation 20.
여기에서, Δt는 시간증분, ΦA는 증분 후의 절점온도, ΦB는 증분 전의 절점온도를 의미한다. 수학식 20에서 시간 t에 대한 {ΦB}의 값을 알면 이 연립방정식의 해인 {ΦA}를 구할 수 있다. 즉, 초기조건으로써 {ΦB}t=0의 값을 대입하면 된다. 이러한 과정에 의해 용접 열분포를 해석하도록 정식화를 시도하게 된다.Here, Δt means time increment, Φ A means nodal temperature after increment, and Φ B means nodal temperature before increment. Knowing the value of {Φ B } for time t in Equation 20, the solution of the system of equations {Φ A } can be obtained. In other words, {Φ B } t = 0 may be substituted as an initial condition. This procedure attempts to formulate a weld heat distribution.
이에 따라, 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법은 전술한 기술적인 원리및 수학식들을 바탕으로 구성되어진다.Accordingly, the three-dimensional welding heat distribution analysis method of the present invention is configured based on the above-described technical principles and equations.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법을 설명하기 위한 흐름도가 도시되어 있다.2A and 2B, there is shown a flow chart for explaining the three-dimensional weld heat distribution analysis method of the present invention.
해석 모델에 대한 초기 데이터를 입력한다.(S1) 먼저, 메쉬(Mesh) 데이터를 입력한다. 이 과정에는 모델의 두께, 절점수 및 절점좌표, 요소수, 중첩되는 절점, 존재하지 않는 요소수, 대역폭(Bandwidth)을 줄이기 위한 절점 넘버링 데이터를 입력하게 된다. 이어서, 열전달 데이터를 입력한다. 이 과정에는 열영향부(HAZ)의 한계온도, 쿨링(Cooling) 및 히팅(Heating)시의 시간증분 초기값, 열전달이 있는 면에 대한 데이터를 입력하게 된다.다음으로 미지수 총수를 계산한다.(S2) 이는 절점의 변수번호 넘버링, 변수총수 데이터로부터 미지수 총수를 계산한다. 이때, 미지수는 해석 모델의 각 절점에서의 온도를 의미한다. 이를 통해 해석 모델의 형상에 따른 열전달 및 열복사 유무를 판단하고, 각 좌표에 대한 절점을 자동으로 나누어 요소를 분할한다.다음으로 대역폭을 계산한다.(S3) 강성 매트릭스는 대칭적인 매트릭스 구조를 가지므로 전체 매트릭스 중 필요한 영역만을 선택함으로써 계산시간 및 계산공간을 줄이므로 계산의 효율성을 높이게 된다. 즉, 필요한 영역만을 선택함에 의해 미지수를 줄이게 되므로 대역폭을 줄이게 된다.상기와 같이 각 데이터에 대한 입력값, 미지수 총수 및 대역폭이 계산되면, 전체좌표계의 열전도 매트릭스를 초기화한다.(S4) 이는 각 계산의 정확성을 기하기 위해 전체좌표계의 강성 매트릭스 및 열하중 매트릭스를 "0" 세팅하여 초기화시킨다.열전도 매트릭스를 초기화시킨 후 융착금속의 히팅여부를 판단한다.(S5) 이 히팅 여부의 판단에 따라 다른 시간증분 계산을 수행하게 된다. 즉, 시간증분에 따라 용접이 끝난 요소는 온도 하강 과정을 수행하는 반면에, 용접이 수행되는 요소는 온도 상승 과정을 겪게된다. 융착금속이 히팅되지 않은 경우(No ; 쿨링시)는 상온(Room Temperature) 또는 설정된 온도를 판단하여 시간증분을 자동 계산하게 된다. 융착금속이 히팅될 경우(Yes ; 히팅시) 최고치 온도를 판단하여 시간증분을 자동 계산한다.(S6)상기 각 시간증분을 자동계산 후 금속의 히팅종료 여부를 판단한다.(S7) 이는 온도상승 과정에서 설정된 히팅값과 히팅시의 시간증분값을 비교하여 금속의 히팅종료 여부를 판단하게 된다. 판단하여 히팅이 종료되면 다음 단계로 이동되며, 히팅이 종료되지 않을 경우 융착 금속을 구분한 후 다음 단계로 이동하게 된다.다음으로 존재하지 않는 요소를 판단한다.(S8) 이는 유한요소법을 사용하기위해 해석모델을 유한 개로 분할할 경우 현재의 요소가 해석모델의 요소인지 여부를 판단하게 된다. 이 때 존재하는 요소인 경우는 S9로 이동하고, 존재하지 않는 요소인 경우는 S17로 이동하여 동작을 수행하게 된다.상기 해석모델을 유한 개로 분할할 경우 현재의 요소가 해석모델의 요소로 존재하는 요소인 경우 요소의 절점좌표를 정의한다.(S9) 이는 입력된 데이터를 참조하여 요소의 절점좌표를 정의하게 된다.이후 시간증분후 국부절점의 온도를 세팅한다.(S10) 이는 절점좌표로부터 임의의 한 요소에서의 시간을 증분시키면서 각 시간에 따른 온도를 세팅하게 된다.온도 세팅 후 국부좌표계의 열전도 강성 매트릭스[K]를 구성한다.(S11) 이를 도 3과 결부하여 강성 매트릭스 구성방법을 살펴보면, 먼저 가우스 적분의 적분점 좌표 및 가중함수(Weight Function)를 세팅하게 된다.(S111) 이어서, 온도구배 보간 매트릭스[B]를 구성하게 된다.(S112) 온도구배 보간 매트릭스의 구성은 모형 기능(SHAPE FUNCTION)을 이용하는데, 모형 기능은 어떤 변수와 그 변수의 절점에서의 값 사이의 관계를 나타내주는 좌표함수의 집합을 말한다. 이후 상기 온도 의존성을 고려한 열전도율(α)을 선택하게 된다.(S113) S111 내지 S113 단계를 수행한 후 S114 단계에서 열전도 강성 매트릭스[K]를 구성하게 된다. 이 때 열전도 강성 매트릭스[K]는 간단히 다음과 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 용접 열분포 해석방법에 의해 도출된 결과를 상용프로그램인 그래퍼(Grapher) 및 텍플롯(Tecplot)등과 같은 범용 프로그램의 입력데이터로 하여 자동적으로 결과를 포스트 프로세싱(Post-Processing)할 수 있도록 인터페이스화(Interface)하여 도 7에 도시된 바와 같은 용접 모델에 용접시 열분포를 3차원으로 정확하게 구현하게 된다. 예를 들어 설명하면, 용접 모델로부터 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법으로 출력된 데이터를 그래퍼에 적용할 경우의 열분포가 도 8에서와 같이 도시되어진다. 또한, 용접 모델로부터 본 발명의 열분포 해석방법으로 출력된 데이터를 텍플롯에 적용할 경우의 열분포는 도 9에서와 같이 도시되게 된다. 이에 따라, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 용접시 열분포를 정확하게 출력할 수 있도록 구성되어 있다.On the other hand, the results derived by the welding heat distribution analysis method of the present invention as described above are automatically processed into post processing (Post-) by using the input data of general-purpose programs such as Grapher and Teplot, which are commercial programs. The interface is interfaced so that the heat distribution can be accurately realized in three dimensions in the welding model as shown in FIG. 7. For example, the heat distribution when the data output from the weld model by the three-dimensional weld heat distribution analysis method of the present invention is applied to the grapher is shown as in FIG. 8. In addition, the heat distribution in the case of applying the data output by the heat distribution analysis method of the present invention from the weld model to the techplot is shown as in FIG. Accordingly, the welding heat distribution analysis method of the present invention is configured to accurately output the heat distribution during welding.
상술한 바와 같이, 본 발명의 3차원 용접 열분포 해석방법은 용접시 발생하는 열분포를 3차원으로 정확하게 예측이 가능할 뿐만 아니라, 그 결과의 정확도가 매우 높은 장점이 있다. 또한 시간의 변화에 따른 온도 상승 및 냉각과정에 대한 정확한 이력은 용접부에 생기는 응력 및 변형의 초기 데이터로 사용할 수 있다. 이로인해 기존의 수치해석 및 실험적인 방법보다 시간과 비용 및 정확도 면에서 매우 높은 비교우위를 차지할수 있다. 또한, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 최적용접 조건을 도출하여 경제적이고 효율적인 용접조건을 테이터화하여, 실제의 산업현장에서 비전문가도 기본적인 데이터를 입력함으로써 자동적으로 원하는 결과를 도출하고 이를 활용할수 있도록 구성되어 기술력의 향상과 아울러 공정수를 감축시킬수 있는 장점이 있다.As described above, the three-dimensional welding heat distribution analysis method of the present invention has the advantage that the heat distribution generated during welding can be accurately predicted in three dimensions, and the accuracy of the result is very high. In addition, accurate history of temperature rise and cooling over time can be used as initial data for stresses and deformations in welds. This gives us a much higher comparative advantage in terms of time, cost and accuracy than conventional numerical and experimental methods. In addition, the welding heat distribution analysis method of the present invention is configured to derive the optimum welding conditions to data economical and efficient welding conditions, to derive the desired results automatically by inputting the basic data in the actual industrial site, and to utilize them As a result, the technology can be improved and the number of processes can be reduced.
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.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present 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.
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