KR100879259B1 - Welding distortion analysis method of large shell structure using the residual strain as boundary condition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 관한 것으로, 특히 열간가공부의 고유변형도를 재료 물성치인 열팽창계수로 이용하여 용접변형의 열변형 및 열응력 결과를 도출해 낼 수 있는 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 관한 것이다. The present invention relates to a welding deformation analysis method of a large shell structure having a deformation degree as a boundary condition. In particular, the thermal deformation and thermal stress results of the welding deformation can be derived by using the inherent strain of the hot working part as a thermal expansion coefficient which is a material property. The present invention relates to a method for analyzing weld deformation of large shell structures with possible deformations as boundary conditions.
본 발명에 따른 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법은 열간가공부의 구조를 모델링하는 모델링단계; 상기 열간가공부의 강종 및 냉각속도를 파악하여, 고유변형도를 계산하는 고유변형도 계산단계; 상기 고유변형도를 이용하여 가상의 열팽창계수를 계산하는 열팽창계수 계산단계; 상기 열간가공부의 절점에 대한 온도 프로파일을 계산하는 온도 프로파일 계산단계; 상기 모델링에 상기 열팽창계수 및 상기 온도 프로파일을 부여하는 데이터입력단계; 상기 열간가공부의 탄소성 해석 수행 후 열변형 및 열응력 결과를 도출해내는 열간가공부해석단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Welding deformation analysis method of a large shell structure having a deformation degree as a boundary condition according to the present invention comprises the modeling step of modeling the structure of the hot working portion; An inherent strain calculation step of calculating the inherent strain by grasping the steel grade and the cooling rate of the hot working part; A thermal expansion coefficient calculating step of calculating a virtual thermal expansion coefficient using the inherent strain; A temperature profile calculating step of calculating a temperature profile for the node of the hot working part; A data input step of applying the thermal expansion coefficient and the temperature profile to the modeling; And a hot working part analysis step of deriving a heat deformation and a thermal stress result after performing the elasto-plastic analysis of the hot working part.
용접변형, 고유변형도, 열팽창계수, 열영향부, 온도 프로파일, 열변형 Welding strain, natural strain, coefficient of thermal expansion, heat affected zone, temperature profile, thermal strain
Description
도 1은 본 발명에 따른 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다. 1 is a flow chart showing an embodiment of a welding deformation analysis method of a large shell structure having a deformation degree as a boundary condition according to the present invention.
본 발명은 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간가공부 강종 및 냉각속도를 파악하여 고유변형도를 계산한 후 이러한 고유변형도를 재료 물성치인 열팽창계수로 치환 이용하여 용접변형의 열변형 및 열응력 결과를 도출해 낼 수 있는 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 관한 것이다. The present invention relates to a welding deformation analysis method of a large shell structure having a strain condition as a boundary condition, and more particularly, after grasping the steel grade and the cooling rate of the hot working part and calculating the inherent strain, the inherent strain is determined as the material property value. The present invention relates to a method for analysis of weld deformation of large shell structures with deformations that can produce thermal deformation and thermal stress results.
일반적으로 선박과 같은 대형의 쉘 구조물은 주로 용접에 의해 조립된다. 또한, 접합뿐 아니라 가공에 있어서도 그 크기 때문에 열간으로 변형을 유발하는 작 업을 하기도 한다. In general, large shell structures such as ships are assembled by welding. In addition, because of its size not only in the bonding but also in the processing, the work that causes deformation in some cases is performed.
용접의 경우에는 그 변형을 막기 위해서, 아울러 열간가공의 경우에는 그 변형을 최대로 하기 위해서, 자동화를 목표로 하는 공정에서는 이러한 열변형(Thermal distortion)에 대한 해석을 정확하고도 능률적으로 수행할 수 있어야 한다. In order to prevent the deformation in the case of welding and to maximize the deformation in the case of hot working, the analysis for the thermal distortion can be performed accurately and efficiently in the process aimed at automation. Should be
이러한 열변형 해석을 위해서 주로 상용 유한요소해석 코드(Nastran, Marc, Ansys, Abaqus 등)가 이용되는데, 이제까지의 해석방법으로는 크게 열탄소성해석법(Thermal elasto-plastic analysis)과 등가하중법(Equivalent forces method, '간이해석법' 이라고도 불린다)이 주를 이루었다. Commercial finite element analysis codes (Nastran, Marc, Ansys, Abaqus, etc.) are mainly used for the thermal deformation analysis. The analysis methods so far are largely thermal elasto-plastic analysis and equivalent load method. forces methods, also called simple interpretation methods).
1980년대부터 열변형 해석을 위해 가장 표준적인 해석법으로 자리해온 열탄소성해석법은 열을 입력인자(Input parameter)로 하여 응력(Stress) 및 변형도(Strain)을 결과물로 도출해내는 방법이다. 열탄소성해석법은 열전달(Heat transient)과 탄소성(Elato-Plastic)을 연성 해석하는 방법으로서, 실제의 물리적 메커니즘을 파악하여 변형 결과물을 비롯한 결과물에 존재하는 잔류응력(Residual stress)까지도 알 수 있게 해준다.Thermoelastic analysis, which has been the most standard method for thermal deformation analysis since the 1980s, is a method of deriving stress and strain as a result using heat as an input parameter. Thermoelastic analysis is a method of ductile analysis of heat transient and elastoplastic, and it is possible to understand the actual physical mechanisms and to know the residual stresses in the resultant including the deformation result. Do it.
하지만, 이러한 열탄소성해석법은 과도한 해석시간을 요구한다. 현재의 컴퓨터 연산 조건하에서는 대략 1m의 용접선을 해석하는데 1시간이 소요되므로, 단 하나의 선체블록을 분석하기 위해 일단위/주단위의 해석시간이 요구된다. 게다가 장시간의 해석시간을 투자하여도 온전한 수렴성을 보장받기가 힘들며, 용접과 같은 고온이력을 가지는 해석에서 강(Steel)의 상변태(Phase transformation)와 같은 금 속적 성질을 쉽게 반영하지 못하여 비교적 적은 가정을 두고 수행되어도 결과물은 정성적인 부분부터 만족시키지 못하는 경우가 빈번하였다. However, this thermoelastic analysis method requires excessive analysis time. Under current computer computing conditions, it takes about one hour to analyze a weld line of approximately 1m, so analysis time of one unit / week is required to analyze only one hull block. In addition, even after investing a long analysis time, it is difficult to guarantee complete convergence, and in analysis with high temperature history such as welding, it is difficult to easily reflect the metallic properties such as phase transformation of steel, so that relatively small assumptions are made. Even if it was done, the result was often not satisfied from the qualitative part.
한편, 1990대에 등장한 등가하중법은 현실적으로 대형구조물의 열변형에 적용시킬 수 있는 유일한 대안으로 각광받아왔다. 등가하중법은 가상의 하중을 입력인자로 갖는데, 이때의 하중이란 열영향부(HAZ: Heat affect zone)에 최종 잔류하는 고유변형도(Inherent strain)를 외력으로 만들어 내기 위하여 가하는 것이다. On the other hand, the equivalent load method introduced in the 1990s has been in the spotlight as the only alternative that can be applied to thermal deformation of large structures. The equivalent load method has a virtual load as an input factor, and the load is applied to generate an inherent strain that remains in the heat affect zone (HAZ) as an external force.
이러한 등가하중법은 근본적으로 탄성해석으로 수행되므로, 선체블록 단위의 열변형 해석에 필요한 시간이 일단위에서 초단위로 단축되는 혁신적인 프로세서가 가능해졌다. 게다가 최근 10년간 열변형부에 내재된 고유변형도를 수학적-역학적으로 평가할 수 있는 기술의 진보가 있어, 이러한 등가하중법을 이용하는데 상변태와 같은 재료적인 변형과 관계된 부분에 간편하게 고유변형도를 선(先) 반영시킬 수 있게 되었다. Since the equivalent load method is basically performed by elastic analysis, an innovative processor capable of shortening the time required for the heat deformation analysis of the hull block unit from one unit to the second is enabled. In addition, advances in technology that can mathematically and mechanically evaluate the inherent strains inherent in thermal deformation over the past 10 years have made it possible to use the equivalent load method to easily calculate the inherent strains in parts related to material deformation such as phase transformation. Can be reflected.
하지만, 이러한 등가하중법에는 그 시작 시부터 커다란 한계점이 내재되어 있었다. However, these equivalent loads have had great limitations since their inception.
먼저, 열간가공부의 최종상태는 최고도달온도 이후 자진 수축에 의해 잔류인장응력-잔류압축변형도를 갖는다. 그러나 변형을 맞추기 위한 가상의 하중은 상기 언급한 바 있는 상용 유한요소해석 코드의 자연스런 결과로서 압축응력을 제공한다. 즉, 이러한 등가하중법은 응력장의 결과가 무의미하여 단순 열변형만을 보여줄 수 있을 뿐 기타 다른 물리력(일 예로서 자중(自重)을 들 수 있다)과의 통합해석으로 확장되지 못한다. 이는 선박과 같은 대형구조물일수록 자중에 의한 변형이 가장 크다는 점에 있어서 일차적인 문제점으로 작용한다.First, the final state of the hot working part has a residual tensile stress-residual compressive strain due to the self-shrink after the maximum reaching temperature. However, the hypothetical loads to match the deformation provide the compressive stress as a natural result of the commercial finite element analysis code mentioned above. That is, the equivalent load method can only show simple thermal deformation because the result of the stress field is meaningless, and cannot be extended to integrated analysis with other physical forces (eg, self-weight). This is a primary problem in that large structures such as ships have the greatest deformation due to their own weight.
그리고 등가하중법의 또 다른 문제점으로 구조물이 곡(曲)부재에 용접된 경우를 들 수 있다. 용접할 부재가 평평하고 용접선도 직선인 경우에는 용접선 양끝과 인근 절점들에 적용된 하중은 그 방향성이 동일하고, 만일 주어진 일정속도로 자동용접을 수행할 경우엔 그 값 역시 변하지 않는다. 그러나 용접선이 공간상에 곡선으로 존재하면 각 요소의 양끝에서 그 요소의 지역좌표계에 의거하여 놓인 형상대로 절점마다 다른 하중을 가해야 한다. 그리고 이를 전체좌표계로 변환할 경우 방향성과 값이 매 절점마다 다르게 처리되어야 한다. 그런데 일반적인 선체 블록 하나에 용접선과 관련된 절점이 평균적으로 1만개 이상 존재한다고 가정하면, 컴퓨터 연산 해석시간에서 절약된 시간을 하중 모델링에 모두 낭비하는 것이 된다. And another problem of the equivalent load method is the case where the structure is welded to the curved member. If the member to be welded is flat and the weld line is straight, the load applied to both ends of the weld line and the adjacent nodes has the same direction and the value does not change if the automatic welding is performed at a given constant speed. However, if a weld line exists as a curve in space, different loads should be applied to each node in the shape placed on the element's local coordinate system at each end. And when converting it to the global coordinate system, the direction and value should be handled differently at every node. However, if it is assumed that there are more than 10,000 nodes related to welding seams in an average hull block, all of the time saved in computational analysis time is wasted in load modeling.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 선박과 같은 대형 쉘 구조물의 용접으로 인한 열변형을 해석함에 있어서, 하중입력과정 및 컴퓨터연산과정을 모두 신속하게 수행할 수 있으며, 정상적인 응력결과를 양호하게 도출해 낼 수 있는 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다. Therefore, in the present invention, in order to overcome the problems of the prior art as described above, in analyzing the thermal deformation due to welding of a large shell structure such as a ship, it is possible to perform both the load input process and the computer operation process quickly, It is a technical task to provide a method for analysis of weld deformation of large shell structures with strains as boundary conditions that can produce good stress results.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명인 변형도를 경계조건 으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법의 바람직한 실시예에 따르면 열간가공부의 구조를 모델링하는 모델링단계; 상기 열간가공부의 강종 및 냉각속도를 파악하여, 고유변형도를 계산하는 고유변형도 계산단계; 상기 고유변형도를 이용하여 가상의 열팽창계수를 계산하는 열팽창계수 계산단계; 상기 열간가공부의 절점에 대한 온도 프로파일을 계산하는 온도 프로파일 계산단계; 상기 모델링에 상기 열팽창계수 및 상기 온도 프로파일을 부여하는 데이터입력단계; 상기 열간가공부의 탄소성 해석 수행 후 열변형 및 열응력 결과를 도출해내는 열간가공부해석단계를 포함한다. In order to achieve the above technical problem, according to a preferred embodiment of the welding deformation analysis method of a large shell structure having a deformation degree of the present invention as a boundary condition modeling step of modeling the structure of the hot working portion; An inherent strain calculation step of calculating the inherent strain by grasping the steel grade and the cooling rate of the hot working part; A thermal expansion coefficient calculating step of calculating a virtual thermal expansion coefficient using the inherent strain; A temperature profile calculating step of calculating a temperature profile for the node of the hot working part; A data input step of applying the thermal expansion coefficient and the temperature profile to the modeling; And a hot working part analysis step of deriving a heat deformation and a thermal stress result after performing the elasto-plastic analysis of the hot working part.
이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 고유변형도 계산단계에서 기 고유변형도는 전체변형도에서 탄성변형도를 뺀 것으로, 외력이 제거되어도 회복되지 않는 변형도인 것이 좋다. 즉, 고유변형도는 전체변형도에서 탄성변형도를 뺀 것으로써 용접 주변부의 구속력이 제하여져도 회복되지 않는 변형도로 정의된다. In this case, according to a preferred embodiment of the present invention, the existing inherent strain in the inherent strain calculation step is obtained by subtracting the elastic strain from the total strain, and the strain may not be recovered even when the external force is removed. That is, the intrinsic strain is defined as the strain which is not recovered even if the restraint force of the weld periphery is removed by subtracting the elastic strain from the overall strain.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 열팽창계수 계산단계에서 상기 열팽창계수는 상기 고유변형도가 열변형도의 구현 알고리즘을 통해 구조물에 발현되도록 계산된 가상의 수치로써 존재하는 것이다. 즉, 본 실시예에선 상기 열팽창계수가 재료의 고유한 물성치가 아닌 단지 선단계의 고유변형도를 대입하는 가상의 물성치로서, 평균값으로 단위온도를 갖는 상기 온도 프로파일과 곱해지게 되면 자동적으로 구조물에 내재된 잔류 변형도를 가상의 열변형도로 그대로 구현할 수 있다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, in the thermal expansion coefficient calculation step, the thermal expansion coefficient is present as a virtual value calculated so that the intrinsic strain is expressed in the structure through an implementation algorithm of thermal strain. In other words, in this embodiment, the coefficient of thermal expansion is a virtual property value that substitutes the inherent strain of the linear stage instead of the inherent property of the material, and is multiplied by the temperature profile having the unit temperature as an average value. The residual strain can be realized as a virtual thermal strain.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 온도 프로파일 계산단계에 는 상기 열간가공부의 단면 기하학적 정보로부터 열영향부의 중립축 기준 상하비율을 계산하는 상하비율 계산단계가 더 포함되어, 상기 상하비율 및 이상적인 열영향부 단면적 대비 실제 열영향부 단면적비를 고려하여 상기 온도 프로파일이 계산되는 것이 좋다. Further, according to a preferred embodiment of the present invention, the temperature profile calculation step further includes a vertical ratio calculation step of calculating the vertical ratio based on the neutral axis of the heat-affected portion from the cross-sectional geometric information of the hot working portion, the vertical ratio and ideal It is preferable that the temperature profile is calculated in consideration of the actual heat affected zone cross-sectional ratio to the heat affected zone cross-sectional area.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 온도 프로파일 계산단계에서는 용접변형 해석에 필요치 않은 주변부 절점에 0℃를 부여하는 것이 좋다. 이는 해석이 요구되는 열간가공부 이외의 주변부 절점으로 열전도 되어 불필요한 데이터가 추가적으로 처리되어야 하는 것을 방지하기 위함이다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, in the temperature profile calculation step, it is good to give 0 ° C to the peripheral nodes that are not necessary for the welding deformation analysis. This is to prevent the unnecessary data from being processed further by conducting heat to peripheral nodes other than the hot working parts requiring analysis.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다. 1 is a flow chart showing an embodiment of a welding deformation analysis method of a large shell structure having a deformation degree as a boundary condition according to the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저 대형 쉘 구조물에서 열간가공부의 구조를 모델링하는 모델링단계(S101)를 포함한다. 자동화를 목표로 하는 공정에서는 주로 열변형을 해석하기 위하여 상용 유한요소해석(FEM) 코드(예; Nastran, Marc, Ansys, Abaqus 등)를 이용하는데, 본 실시예에서도 먼저 용접이 이루어질 대형 쉘 구조물의 유한요소해석(FEM) 모델링 작업이 먼저 요구된다.Referring to Figure 1, first includes a modeling step (S101) for modeling the structure of the hot working portion in a large shell structure. In the process aimed at automation, commercial finite element analysis (FEM) codes (e.g. Nastran, Marc, Ansys, Abaqus, etc.) are mainly used to analyze thermal deformation. Finite element analysis (FEM) modeling work is required first.
다음으로, 상기 열간가공부의 강종(鋼種) 및 냉각속도를 파악하여 고유변형도를 계산하는 고유변형도 계산단계(S103)를 포함한다. 고유변형도(Inherent strain)란 전체변형도에서 탄성변형도가 제외된 잔류된 변형도를 말하는 개념으로서, 종래의 등가하중법과 관련되어 최근 10여 년간 누적되어온 고유변형도 계산에 대한 많은 연구성과들을 그대로 본 실시예에 이용하여 고유변형도를 계산해 낼 수 있다. Next, a natural strain calculation step (S103) of calculating the natural strain by grasping the steel grade (냉각) and the cooling rate of the hot working portion. Inherent strain refers to the residual strain excluding the elastic strain from the total strain, and many research results on the calculation of the inherent strain accumulated over the last decade in relation to the conventional equivalent load method The inherent strain can be calculated as it is in this embodiment.
다음으로, 상기 고유변형도를 이용하여 열팽창계수를 계산하는 열팽창계수 계산단계(S105)를 포함한다. Next, a thermal expansion coefficient calculation step (S105) of calculating a thermal expansion coefficient using the inherent strain.
이전 모델링단계(S101)에서 이용된 상용 유한요소해석 코드에서는 응력(stress) 및 변형도(Strain)을 입력 값으로 받지 못하도록 되어 있으며, 만일 가능하다 하여도 이러한 응력 및 변형도 값은 절점에 남지 않고 힘의 평형 방적식에 의해 전 모델링으로 퍼지게 되는 문제점이 있었다. 즉, 열간가공부의 각 절점에 고유변형도를 선(先)계산해 두었다 하더라도 각 절점에 입력된 고유변형도를 붙잡아 둘 수 있는 방법이 없었다.In the commercial finite element analysis code used in the previous modeling step (S101), stress and strain are not received as input values, and even if possible, such stress and strain values do not remain in nodes. There was a problem of spreading to the whole modeling by the force equilibrium equation. That is, even if the inherent strain is pre-calculated at each node of the hot working part, there is no way to hold the inherent strain entered at each node.
따라서, 본 발명에서는 고유변형도 계산단계(S103)에서 계산된 고유변형도를 각 절점마다 영구 대입해 둘 수 있는 방법으로서 재료의 물성치 중의 하나인 열팽창계수(Thermal expansion coefficient)를 이용한다. Therefore, in the present invention, the thermal expansion coefficient, which is one of the physical properties of the material, is used as a method to permanently substitute the natural strain calculated in the natural strain calculation step (S103) at each node.
용접으로 인한 열변형에 있어서, 종래의 방법론들에서는 고유변형도는 적분되어 하중으로 유한요소해석 모델링에 적용되어 왔다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상용 유한요소해석 코드에 내재된 열변형도 발현 기능을 활용하여 고유변형도를 마치 가상의 물성치(열팽창계수)로 활용하고 이를 구현하기 위해 각각의 절점에 각각의 가상의 단위온도를 부여할 수 있다. In thermal deformation due to welding, inherent strains have been integrated in conventional methodologies and applied to finite element analysis modeling by load. However, in the preferred embodiment of the present invention, by utilizing the thermal strain expression function inherent in the commercial finite element analysis code, intrinsic strain is used as a virtual property value (coefficient of thermal expansion), and each node is implemented at each node. A virtual unit temperature can be given.
다음으로, 상기 열간가공부 단면의 기하학적 요인을 파악하여, 열영향부 단면의 중립축을 기준으로 단면적의 상하비율을 계산하는 상하비율 계산단계(S107)을 포함한다. 열간가공부는 인입되는 면을 향하여 각(角)변형이 발생되기 마련인데, 이러한 각 변형에 의해서 수축과 굽힘이 발생한다. 이러한 수축 및 굽힘은 앞서 언급된 상용 유한요소해석 코드 상에 이후 계산된 온도 프로파일을 부여 시, 열영향부 (HAZ: Heat affect zone)의 상부(Top)와 하부(Bottom)을 나누어 부여함으로써 해석될 수 있다. 이를 위하여, 본 단계(S107)에서는 열영향부의 중립축 기준으로 상하(上下)비율을 계산한다. 본 단계(S107)의 다양한 적용예로서, 열간가공부 단면의 개선각에 따라 이상적인 I형, X형, K형 등의 개선이면 단순하게 1:1, V형 개선이면 3:1을 사용할 수 있을 것이다. 그러나 실제 열간가공시 용접 부재간 갭이나 과도 열전달 등의 기타조건에 대해 구체적으로 알고 있을 때에는 사전 열전달 해석결과를 통하여 열영향부의 상하비율을 구할 수도 있다.Next, the upper and lower ratio calculation step (S107) of grasping the geometric factors of the cross section of the hot working portion, and calculates the vertical ratio of the cross-sectional area on the basis of the neutral axis of the cross section of the heat affected zone. The hot working part is angularly deformed toward the drawn surface, and shrinkage and bending are caused by the angular deformation. This shrinkage and bending can be interpreted by dividing the top and bottom of the heat affect zone (HAZ) when imparting the temperature profile calculated on the commercial finite element analysis code mentioned above. Can be. To this end, in this step (S107), the upper and lower ratios are calculated based on the neutral axis of the heat affected zone. As various application examples of this step (S107), according to the improvement angle of the cross section of the hot working part, if it is an improvement of the ideal type I, X type, K type, etc., it is possible to simply use 1: 1 and V type 3: 1 for improvement. . However, in case of knowing in detail about other conditions such as gap between welding members or excessive heat transfer during actual hot working, it is possible to obtain the up-down ratio of heat-affected zone through the results of pre-heat transfer analysis.
다음으로, 상기 상하비율을 고려하여 상기 열간가공부의 절점의 온도 프로파일을 계산하는 온도 프로파일 계산단계(S109)를 포함한다. 이때, 상기 열간가공부의 절점의 온도 프로파일을 계산하는 데 있어 기준으로 삼아야 할 것은, 이상적인 유한요소해석 요소분할과 동일한 폭을 갖는 직사각형 단면 형상의 열영향부에 대해서는 열간가공부 절점의 상부와 하부 모두에 단위온도가 대입된다는 것이다. 이상적인 경우에서는 단위 온도(1℃)가 조건으로 부가된 재료가 열팽창계수로 선(先) 대입된 고유변형도 만큼 수축될 수 있다. Next, a temperature profile calculation step (S109) of calculating the temperature profile of the node of the hot working part in consideration of the up and down ratio. In this case, the reference for calculating the temperature profile of the node of the hot working part should be used as a reference for both the upper and the lower part of the hot working node for the heat affected part of the rectangular cross-sectional shape having the same width as the ideal finite element analysis element division. The unit temperature is substituted. In an ideal case, a material added with a unit temperature (1 ° C.) may shrink by the intrinsic strain introduced in advance by the coefficient of thermal expansion.
하지만, 일반적인 열간가공인 가열(加熱), 용접 등에서는 위와 같은 이상적 인 경우로 볼 수 있는 경우가 많지 않기 때문에 본 단계(S109)를 통하여 이상적인 직사각형 단면적 대비 실제 열영향부의 넓이비를 가열부 절점에 대입한다.However, in the case of heating or welding, which is a general hot work, it is not often seen as the ideal case as described above, the area ratio of the actual heat affected portion to the heating node node is compared to the ideal rectangular cross-sectional area through this step (S109). Assign.
이후, 상기 모델링에 상기 열팽창계수 및 상기 온도 프로파일을 부여하는 데이터입력단계(S111)를 포함한다. 앞서 고유변형도를 이용하여 계산된 열팽창계수와 열영향부의 단면형상에 의해 계산된 온도 프로파일은 데이터화 되고, 상기 모델링단계(S101)에서 작성된 모델링에 상용 유한요소해석 코드마다의 적절한 방식에 의해 구해진 데이터는 입력된다. 이때, 본 실시예에서 해석될 필요가 없는 주변부 절점에는 0℃를 부여해줌에 따라 해석이 요구되는 절점 이외로 열전도 되어 불필요한 데이터 처리로 인한 작업시간 지연을 방지할 수 있다. Thereafter, a data input step (S111) of giving the thermal expansion coefficient and the temperature profile to the modeling. The temperature profile calculated by the coefficient of thermal expansion and the cross-sectional shape of the heat-affected portion previously calculated using the inherent strain is dataized, and the data obtained by an appropriate method for each commercial finite element analysis code in the modeling created in the modeling step (S101). Is entered. At this time, since the peripheral node that does not need to be analyzed in this embodiment is given 0 ° C., heat conduction is performed in addition to the node for which analysis is required, thereby preventing work time delay due to unnecessary data processing.
마지막으로, 상기 열간가공부의 탄소성 해석 수행 후 열변형 및 열응력 결과를 도출해내는 열간가공부해석단계(S113)를 포함한다. 본 실시예에서 제시된 방법은 열간가공부의 내적 수축이 열팽창계수를 통한 내력으로 실제 모사되었기에, 가공 대상 재료의 항복응력 정보만 존재하면 탄성 해석보다 더욱 정밀한 응력 결과를 도출할 수 있어, 소성 과정을 포함하는 탄소성 해석 모드로 상용 유한요소해석 코드를 이용할 수 있다. 또한, 종래의 등가하중법에서 열변형을 해석하기 위해, 비현실적으로 이용하였던 가상의 압축응력을 이용하지 않고, 고유의 물성치, 즉 열팽창계수를 이용하여, 실제적인 수축-굽힘을 유인하는 인장응력을 설명할 수 있게 된다. 여기서, 본 실시예를 이용한 응력장 해석을 통해, 다른 물리력과의 통합해석이 가능해 질 수 있음을 알 수 있다. 선박과 같은 대형구조물에서는 자중, 크레인에 의한 이송 등 기타 다른 물리력으로 인한 변형도가 크다는 사실을 염두해 볼 때, 종전과 비교하여 보다 융합적인 열변형 및 열응력 해석이 가능해 질 수 있음을 알 수 있다. Finally, the hot working part analysis step (S113) to derive the heat deformation and thermal stress results after performing the elasticity analysis of the hot working part. Since the internal shrinkage of the hot working part is actually simulated by the strength through the coefficient of thermal expansion, the method presented in this embodiment can yield more accurate stress results than the elastic analysis if the yield stress information of the material to be processed is present, thus including a plastic process. A commercial finite element analysis code can be used as the elasto-plastic analysis mode. In addition, in order to analyze thermal deformation in the conventional equivalent load method, a tensile stress that induces actual shrinkage-bending is obtained by using an inherent physical property value, that is, a thermal expansion coefficient, without using an imaginary compressive stress that was unrealistically used. I can explain. Here, it can be seen that through the stress field analysis using the present embodiment, integrated analysis with other physical forces can be enabled. In view of the fact that large structures such as ships have a high degree of deformation due to other physical forces, such as self-weight and transportation by crane, it can be seen that more converging thermal strain and thermal stress analysis can be achieved than before. have.
이상에서 본 발명에 따른 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 대해 설명하였다. 본 발명은 컴퓨터가 이용가능한 기록매체에 기록될 수 있는 프로그램으로 이용된다.The welding deformation analysis method of the large shell structure having the deformation degree as the boundary condition according to the present invention has been described above. The present invention is used as a program that can be recorded on a computer-readable recording medium.
이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Such a technical configuration of the present invention will be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the foregoing description, and the meanings of the claims and All changes or modifications derived from the scope and the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 따르면, 종래의 열량을 입력인자로 가지는 열탄소성해석법에 비해, 상용 유한요소해석 코드를 이용한 용접변형(열변형, 열응력) 해석시간이 종전 100시간 대비 30초 정도로 대폭 단축될 수 있으며, 이러한 해석시간 단축에 의하여 해석의 수렴성도 양호해질 수 있으며, 열간가공부 금속 특성에 따른 상변태 반영이 가능하고, 응력장 해석을 통해 용접변형 이외의 기타 물리력(예, 자중)에 의한 변형도 파악할 수 있어, 전체변형에 끼친 용접변형의 공헌도를 단 한 번의 해석으로 가능케 하는 기술적 효과가 있다. As described above, according to the welding deformation analysis method of a large shell structure having the deformation degree as the boundary condition of the present invention, the welding deformation using a commercial finite element analysis code, as compared to the conventional thermal elasto-plastic analysis method having a heat amount as an input factor (Thermal deformation, thermal stress) Analysis time can be significantly reduced to about 30 seconds compared to the previous 100 hours, by reducing the analysis time can also improve the convergence of the analysis, it is possible to reflect the phase transformation according to the metal characteristics of the hot working part, Through stress field analysis, deformation by other physical forces (eg, self-weight) other than welding deformation can be grasped, and there is a technical effect that enables one-time analysis of the contribution of welding deformation to overall deformation.
또한, 본 발명인 변형도를 경계조건으로 갖는 대형 쉘 구조물의 용접변형 해석방법에 따르면, 종래의 가상의 압축하중을 입력인자로 가지는 등가하중법에 비해, 모델링 시간이 대략 20시간에서 대략 1분 정도로 단축될 수 있으며, 용접 시 수축-굽힘을 유인하는 인장응력을 실제적으로 모사할 수 있어, 용접변형 이외의 기타 물리력(예, 자중)에 의한 변형도 파악할 수 있게 되어, 전체변형에 끼친 용접변형의 공헌도를 단 한 번의 해석으로 가능케 하는 기술적 효과가 있다.In addition, according to the welding deformation analysis method of the large shell structure having the deformation degree as the boundary condition, the modeling time is about 20 hours to about 1 minute, compared to the equivalent load method having a conventional virtual compressive load as an input factor. It can be shortened and it can simulate the tensile stress that induces shrinkage-bending during welding, so that it is possible to grasp the deformation caused by other physical force (e.g. self-weight) other than the welding deformation. There is a technical effect that makes contributions possible with just one interpretation.
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