KR20010019771A - Method of Heat Distribution for Welding - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An analyzing method for welding heat distribution is provided to precisely estimate heat distribution generated in case of welding in a short time at a low cost, and extract an optimum welding condition to be easily utilized in a site. CONSTITUTION: An analyzing method for welding heat distribution includes the steps of inputting an initial data with relation to a model to analyze, computing a final sum of the model, computing a bandwidth of the model, initializing a thermal conductivity matrix with relation to a whole coordinates system, determining whether a fused metal is to be heated or not, computing an increased heating time period if the fused metal is to be heated, determining whether the heating is to be finished, determining existing components, defining nodal points of the components(S9), setting a local nodal temperature after the increased heating time period(S10), forming a thermal conduction stiffness matrix of the local coordinates system(S11), forming a heat capacity matrix of the system, forming heat transfer matrix of the system(S12), forming heat flux vectors of the system(S14), making the local coordinates to the whole coordinates(S15), forming a heat conductivity equation and explaining the equation(S16), and determining an increased temperature amount for a next step(S17).

Description

용접 열분포 해석방법{Method of Heat Distribution for Welding}Method of Heat Distribution for Welding

본 발명은 열분포 해석방법에 관한 것으로, 특히 유한요소법을 이용하여 이동열원의 열분포를 해석하는 용접 열분포 해석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat distribution analysis method, and more particularly to a weld heat distribution analysis method for analyzing the heat distribution of the moving heat source using the finite element method.

통상적으로, 순간열원을 투열하여 상기 순간열원의 해를 구하여 열전도현상을 분석함에 의해 열원분포(Heat Distribution)를 해석 하게 된다. 이 경우, 순간열원에 의한 해를 구하는 방법은 평면열원, 선열원, 점열원에 의해서 구해진다. 이에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.Typically, the heat source distribution is analyzed by dividing the instantaneous heat source, solving the instantaneous heat source, and analyzing the thermal conductivity. In this case, the solution of the instantaneous heat source is determined by the planar heat source, linear heat source, and 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 in Equation 1 when the temperature of the minute region a rises by Ti (= θ io ) instantaneously.

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 범위내에 존재한다. 즉, 열의확산은이다. 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 반비례한다. 이때, 최고온도는 열원의세기(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) of administration of the heat source, most of the dose (q) (eg, 96-99%) It exists in the range of. In other words, the diffusion 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, 순간열원에의한 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 increase in temperature, the amount of heat retained in the region from the origin to the distance r (qr), the time to reach the maximum temperature (t m ), the maximum reaching temperature (T m ), the cooling at the origin The thermal conduction is solved by a simple transplant by calculating the velocity (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 도출되고 있다. 상기와 같은 간이식을 이용하여 구해진 해는 용접구조물의 열전도 문제만을 고려할수 있을뿐 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 파악하는것에 국한되며 그 결과에 대한 정확도 및 예측이 매우 부족한 문제점이 도출되고 있다. 이에따라, 상기 문제점을 해결할수 있는 새로운 방법이 절실히 요구되고 있다.Since the heat source distribution by the analytical method used to date uses a simple transplant based on experience and simplified experiments, some problems described below have been derived. 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, have not been 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 transplantation, and thus is limited to only grasping a simple phenomenon, and a problem of lack of accuracy and prediction of the result is derived. Accordingly, there is an urgent need for a new method to solve the above problem.

따라서, 본 발명의 목적은 유한요소법을 이용하여 이동열원의 열분포를 해석하는 용접 열분포 해석방법을 제공 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a welding heat distribution analysis method for analyzing a heat distribution of a moving heat source using the finite element method.

도 1은 순간 열원에의한 온도변화를 도시한 도면.1 is a view showing the temperature change by the instantaneous heat source.

도 2는 본 발명의 용접 열분포 해석방법을 설명하기위해 도시한 도면.Figure 2 is a view showing for explaining the welding heat distribution analysis method of the present invention.

도 3은 도 2의 국부좌표계 열전도 강성 매트릭스 구성방법을 상세하게 설명하기위해 도시한 도면.3 is a view illustrating in detail the method of constructing a local coordinate system thermal conductivity stiffness matrix of 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 설명하기위해 도시한 도면.FIG. 6 is a diagram illustrating in detail a method of constructing a heat flux vector of the local coordinate system of FIG. 2; FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of the code | symbol about the main part of drawing>

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 해석모델에 대한 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와, 해석모델의 미지수 총수를 계산하는 제2 단계와, 해석모델의 대역폭을 계산하는 제3 단계와, 전체좌표계에 대한 열전도 매트릭스를 초기화하는 제4 단계와, 융착금속의 히팅여부를 판단하는 제5 단계와, 융착금속이 히팅될 경우 히팅 시간증분을 계산하는 제6 단계와, 융착금속의 히팅 종료 여부를 판단하는 제7 단계와, 존재하는 요소를 판단하는 제8 단계와, 요소의 절점좌표를 정의하는 제9 단계와, 시간증분후 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, 국부좌표를 전체좌표화 하는 제15 단계와, 열전도 방정식을 구성한후 풀이하는 제16 단계와, 다음 단계의 온도 증분을 결정하는 제17 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the weld heat distribution analysis method of the present invention includes a first step of inputting initial data for an analysis model, a second step of calculating the total number of unknowns of the analysis model, and a third step of calculating the bandwidth of the analysis model. 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, a sixth step of calculating a heating time increment when the fused metal is heated, and A seventh step of determining whether heating is finished, an eighth step of determining an existing element, a ninth step of defining a node coordinate of the element, a tenth step of setting a local node temperature after time increment, and a local coordinate system An eleventh step of constructing the 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, and a local A fourteenth step of constructing a coordinate system heat flux vector, a fifteenth step of globalizing a local coordinate, a sixteenth step of solving and solving a thermal conductivity equation, and a seventeenth step of determining a temperature increment of a next step.

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 발명의 용접 열분포 해석방법에 적용되는 기술적인 원리는 후술하는 바와같다. 첫째, 용접 및 기타 열원분포의 명확한 해석을 위하여 열원의 이동효과를 고려 하였다. 둘째, 해석의 정도를 높이기위해 자연좌표계를 이용하여 요소좌표와 변위를 동일한 보간함수로 하여 절점 및 요소에서 뿐만 아니라 임의의 적분점에서도 필요한 값을 알 수 있는 아이소-파라메트릭(Iso-Parametric) 4절점 유한요소를 도입하였다. 섯째, 용접의 경우 시간에 따라 온도가 변화하므로 재료의 물리정수(즉, 비열, 밀도, 열전도도 등)가 변화하게 되므로 이를 고려하였다.The technical principle applied to the welding heat distribution analysis method of this invention is as follows. First, the effect of heat source movement is considered for clear analysis of welding and other heat source distributions. Second, Iso-Parametric 4, which uses the natural coordinate system to find the required values at any integral point as well as at the nodes and elements, using the natural coordinate system as the same interpolation function. Node finite element is introduced. Fifth, in the case of welding, since the temperature changes with time, the physical constant of the material (that is, specific heat, density, thermal conductivity, etc.) changes, so this is considered.

또한, 용접 열분포를 수치적인 방법에의해 구하기 위하여 본 발명에 도입된 이론의 정식화 과정을 설명하기로 한다. 금속의 재료가 등방성(Isotropic)일때, 연속체의 비정상 열전도문제의 지배방정식(Governing Equation)은 수학식 7과 같이 나타나게 된다.In addition, the formalization 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 2차원 비정상 열전도 방정식으로 기술하면 수학식 8과 같이 나타나게 된다.In addition, when Equation 7 is described as a two-dimensional abnormal heat conduction equation, Equation 8 is expressed as Equation 8.

여기에서, z는 y,z 방향의 열전도율[㎈/㎝·sec·℃]을 의미한다.Here, z means the thermal conductivity [㎈ / cm * sec * degreeC] of ay, z direction.

물체표면의 열적 경계조건은 푸리에 법칙(Fourier 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 Law.

여기에서, q는 열유속(Heat Flow) [㎈/sec·㎠], n은 물체표면의 외법선방향을 의미한다. 이러한 경계에서 열전달이 있을 경우 q는 수학식 10을 만족하게 된다.Here, q means heat flow [Flow / sec · cm 2], and n means the outer normal direction of the surface of the object. 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 표현할수 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.Meanwhile, when the shape function [N] is applied to the equation (8) as the weighting function, it is expressed as shown in 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.

2차원 비정상 열전도식을 매트릭스화하면 수학식 14와 같이 표현할수 있다.When the two-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 풀 경우에 {??}와 {????/??t}의 2개의 미지량이 존재하지만 시간증분을 Δt라 하고 증분전의 온도를 ΦB,증분후의 온도를 ΦA및 그 중간의 온도를 ΦM이라고 할 경우, 수학식 18과 같이 표현되게 된다.In the case of solving Equation 14 by substituting Equations 15 to 17, two unknown amounts of {??} and {???? / ?? t} exist, but the time increment is called Δt and the temperature before the increment Φ B , When the temperature after the increment is Φ A and the temperature in the middle thereof is Φ M , it is expressed as in Equation 18.

수학식 18로 부터 수학식 19가 구성된다.Equation 19 is constructed from Equation 18.

이에따라, 수학식 14는 수학식 20과 같이 최종적으로 구할수 있다.Accordingly, Equation 14 can be finally obtained as in Equation 20.

여기에서, Δt는 시간증분, ΦA는 증분후의 절점온도, ΦB는 증분전의 절점온도를 의미한다. 상기 수학식 20에서 시간 t에 대한 {ΦB}의 값을 알면 이 연립방정식의 해인 {ΦA}를 구할수 있다. 즉, 초기조건으로써 {ΦB}t=0의 값을 대입하면 된다. 이러한 과정에 의해 용접 열분포를 해석 하도록 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 process attempts to formulate a weld heat distribution.

이에따라, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 전술한 수학식들에 의거하여 구성되어진다.Accordingly, the weld heat distribution analysis method of the present invention is constructed based on the above equations.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 용접 열분포 해석방법을 설명하기위한 흐름도가 도시되어 있다.2A and 2B, there is shown a flow chart for explaining the weld heat distribution analysis method of the present invention.

해석 모델에 대한 초기 데이터를 입력한다. (제1 단계) 먼저, 메쉬(Mesh) 데이터를 입력한다. 이 과정에는 모델의 두께, 절점수 및 절점좌표, 요소수, 중첩되는 절점, 존재하지 않는 요소수, 대역폭(Bandwidth)을 줄이기위한 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. 미지수 총수를 계산한다. (제2 단계) 해석 모델의 형상에 따른 열전달 및 열복사 유무를 판단한다. 이어서, 각 좌표에 대한 절점을 자동으로 나누어 요소를 분할한다. 상기 절점의 변수번호 넘버링, 변수총수 데이터로부터 미지수 총수를 계산한다. 이때, 미지수는 상기 모델의 각 절점에서의 온도를 의미한다. 대역폭을 계산한다. (제3 단계) 강성 매트릭스는 대칭적인 매트릭스 구조를 가지므로 전체 매트릭스중 필요한 영역만을 선택함으로서 계산시간 및 계산공간을 줄이므로 계산의 효율성을 높이게 된다. 즉, 필요한 영역만을 선택함에 의해 미지수를 줄게되므로 대역폭을 줄이게 된다. 전체좌표계의 열전도 매트릭스를 초기화한다. (제4 단계) 전체좌표계의 강성 매트릭스 및 열하중 매트릭스를 초기화 하도록 "0"을 세팅한다. 융착금속의 히팅여부를 판단한다. (제5 단계) 시간증분에 따라 용접이 끝난 요소는 온도 하강 과정을 수행하는 반면에, 용접이 수행되는 요소는 온도상승 과정을 겪게된다. 융착금속이 히팅되지 않은 경우, 상온(Room Temperature) 또는 설정된 온도를 판단하여 시간증분을 계산하게 된다. 융착금속이 히팅될 경우 시간증분을 계산한다. (제6 단계) 최고치 온도를 판단하여 시간증분을 계산하게 된다. 금속의 히팅종료 여부를 판단한다. (제7 단계) 온도상승 과정에서 설정된 히팅값과 히팅시의 시간증분값을 비교하여 금속의 히팅종료 여부를 판단한다. 존재하지 않는 요소를 판단한다. (제8 단계) 유한요소법을 사용하기위해 해석모델을 유한개로 분할할 경우 현재의 요소가 해석모델의 요소인지의 여부를 판단하게 된다. 요소의 절점좌표를 정의한다. (제9 단계) 존재하는 요소인 경우, 입력된 데이터를 참조하여 요소의 절점좌표를 정의하게 된다. 시간증분후 국부절점의 온도를 세팅한다. (제10 단계) 임의의 한 요소에서의 시간을 증분시키면서 각 시간에 따른 온도를 세팅하게 된다. 국부좌표계의 열전도강성 매트릭스 [K]를 구성한다. (제11 단계) 도 3을 결부하여 국부좌표계에서의 열전도 강성 매트릭스 구성방법에 대하여 살펴보기로 한다. 제111 단계에서 가우스적분의 적분점 좌표 및 가중함수(Weight Function)를 세팅하게 된다. 이어서, 제112 단계에서 온도구배 보간 매트릭스[B]를 구성하게 된다. 다음으로, 열전도율(α)을 선택하게 된다. 제111 내지 제113 단계를 수행한후 제114 단계에서 열전도강성 매트릭스[K]를 구성하게 된다. 국부좌표계의 열용량 매트릭스 [C]를 구성한다. (제12 단계) 도 4를 결부하여 국부좌표계에서의 열용량 매트릭스 구성방법에 대하여 살펴보기로 한다. 제121 단계에서 가우스적분의 적분점 좌표 및 가중함수(Weight Function)를 세팅하게 된다. 이어서, 제122 단계에서 온도 보간 매트릭스[N]를 구성하게 된다. 다음으로, 비중값(ρ) 비열값(c)을 선택하게 된다. 제121 내지 제123 단계를 수행한후 제124 단계에서 열용량 매트릭스[C]를 구성하게 된다. 국부좌표계의 열전달 매트릭스[T]를 구성한다. (제13 단계) 도 5를 결부하여 국부좌표계에서의 열전달 매트릭스 구성방법에 대하여 살펴보기로 한다. 제131 단계에서 열전달면을 구분하게 된다. 이어서, 제132 단계에서 온도 보간 매트릭스[N]를 구성하게 된다. 다음으로, 열전도율(α)을 선택하게 된다. 제131 내지 제133 단계를 수행한후 제134 단계에서 열전도 매트릭스[T]를 구성하게 된다. 국부좌표계의 열유속 벡터 {F}를 구성한다. (제14 단계) 도 6을 결부하여 국부좌표계에서의 열유속 벡터 {F} 구성방법에 대하여 살펴보기로 한다. 제141 단계에서 응고금속 열밀도(Q)를 계산한다. 이어서, 제142 단계에서 가우스 적분의 적분점 좌표와 가중함수(Weight Function)를 세팅한다. 다음으로, 제143 단계에서 온도 보간 매트릭스[N]를 구성하게 된다. 제141 내지 제143 단계를 수행한후 제144 단계에서 열유속 벡터 {F}를 구성하게 된다. 국부좌표를 전체좌표화 시킨다. (제15 단계) 전 요소의 히팅시간을 판단하여 전체계에 있어서 강성 매트릭스와 하중 벡터의 전체좌표화를 수행하게 된다. 열전도 방정식을 구성한후, 이를 풀이하여 얻어진 절점온도를 정의한다. (제16 단계) 이러한 과정에의해 시간에 따른 절점의 온도를 정의하게 된다. 시간증분 전후의 온도에의한 다음 단계의 온도증분을 결정한다. (제17 단계) 시간에 따른 온도증분 계산하고, 요소에 대한 열영향부(HAZ) 여부를 판정하여 출력하게 된다.Enter initial data for the analysis model. (First Step) First, mesh data is input. In this process, the node numbering data is input to reduce the thickness of the model, the number of nodes and node coordinates, the number of elements, the overlapping nodes, the number of nonexistent elements, and the bandwidth. Subsequently, heat transfer data is input. In this process, data about the limit temperature of the heat affected zone (HAZ), the initial time increment at the time of cooling and heating, and the surface with heat transfer are input. Calculate the total number of unknowns. (Step 2) Determine the presence of heat transfer and heat radiation according to the shape of the analysis model. Subsequently, the nodes are divided by automatically dividing the nodes for each coordinate. The unknown total number is calculated from the variable number numbering and the variable total data of the node. In this case, the unknown means the temperature at each node of the model. Calculate your bandwidth. (Step 3) Since the rigid matrix has a symmetric matrix structure, the computation time and computation space are reduced by selecting only the necessary area of the entire matrix, thereby increasing the computational efficiency. That is, by selecting only the required area, the unknown value is reduced, thereby reducing the bandwidth. Initialize the thermal conductivity matrix of the global coordinate system. (Step 4) Set "0" to initialize the stiffness matrix and the heat load matrix of the global coordinate system. Determine whether the fused metal is heated. (Step 5) According to the time increment, the welded element undergoes the temperature lowering process, while the welded element undergoes the temperature increase process. When the fusion metal is not heated, the time increment is calculated by determining the room temperature or the set temperature. If the fused metal is heated, calculate the time increment. The sixth step is to determine the maximum temperature and calculate the time increment. It is determined whether the heating of the metal is finished. (Step 7) It is determined whether the heating of the metal is finished by comparing the heating value set in the temperature rising process with the time increment value during heating. Determine which element does not exist. (Step 8) When the analysis model is divided into finite elements to use the finite element method, it is determined whether the current element is an element of the analysis model. Defines the node coordinates of the element. (Step 9) In the case of an existing element, the node coordinates of the element are defined by referring to the input data. Set temperature of local node after time increment. (Step 10) The temperature for each time is set while incrementing the time in any one element. The thermal conductivity stiffness matrix [K] of the local coordinate system is constructed. An eleventh step will be described with reference to FIG. 3 to construct a thermally conductive stiffness matrix in a local coordinate system. In step 111, the integral point coordinates of the Gaussian integral and the weight function are set. Subsequently, in step 112, a temperature gradient interpolation matrix B is formed. Next, the thermal conductivity α is selected. After performing steps 111 to 113, a heat conductive stiffness matrix [K] is formed in step 114. The heat capacity matrix [C] of the local coordinate system is constructed. 12, a method of constructing a heat capacity matrix in a local coordinate system will be described. In operation 121, the coordinates of the integral point of the Gaussian integral and the weight function are set. Subsequently, a temperature interpolation matrix [N] is formed in step 122. Next, specific gravity value (rho) specific heat value (c) is selected. After performing steps 121 through 123, the heat capacity matrix C may be configured in step 124. It constructs the heat transfer matrix [T] of the local coordinate system. A thirteenth step will be described with reference to FIG. 5 to construct a heat transfer matrix in a local coordinate system. In operation 131, the heat transfer surfaces are distinguished. Subsequently, in step 132, a temperature interpolation matrix N is formed. Next, the thermal conductivity α is selected. After performing steps 131 to 133, a heat conduction matrix T is formed in step 134. The heat flux vector {F} of the local coordinate system is constructed. Referring to FIG. 6, a method of constructing the heat flux vector {F} in the local coordinate system will be described. In step 141, the coagulated metal thermal density (Q) is calculated. Subsequently, in step 142, the coordinates of the integral point of the Gaussian integral and the weight function are set. Next, in step 143, the temperature interpolation matrix [N] is configured. After performing steps 141 to 143, a heat flux vector {F} is configured in step 144. Local coordinates are globalized. (Step 15) The heating time of all elements is determined, and global coordinates of the stiffness matrix and the load vector are performed in the overall system. After constructing the thermal conductivity equation, we define the nodal temperature obtained by solving it. This step defines the temperature of the node over time. The temperature increment of the next step is determined by the temperature before and after the time increment. (Step 17) The temperature increment is calculated according to time, and it is determined whether or not the heat affected zone (HAZ) for the element is output.

한편, 상술한바와같은 본 발명의 용접 열분포 해석방법에의해 출력된 데이터를 이용하여 그래퍼(Grapher) 및 텍플롯(Tecplot)등과 같은 범용 프로그램에 적용할 경우 도 7에 도시된 바와같은 용접 모델에 용접시 열분포를 정확하게 판단하게 된다. 예를들어 설명하면, 용접 모델로부터 본 발명의 열분포 해석방법으로 출력된 데이터를 그래퍼에 적용할 경우의 열분포가 도 8에 도시되어 있다. 또한, 용접 모델로부터 본 발명의 열분포 해석방법으로 출력된 데이터를 텍플롯에 적용할 경우의 열분포가 도 9에 도시되어 있다. 이에따라, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 용접시 열분포를 정확하게 출력할수 있도록 구성되어 있다.On the other hand, when applied to a general program such as a grapher (Traphp), Tekplot, etc. by using the data output by the welding heat distribution analysis method of the present invention as described above, welding to the welding model as shown in FIG. Accurately determine the time heat distribution. For example, FIG. 8 shows the heat distribution when the data output by the heat distribution analysis method of the present invention from the weld model is applied to the grapher. In addition, the heat distribution when the data output by the heat distribution analysis method of the present invention from the weld model is applied to the techplot is shown in FIG. 9. Accordingly, the weld heat distribution analysis method of the present invention is configured to accurately output the heat distribution during welding.

상술한 바와같이, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 용접시 발생하는 열분포를 정확하게 예측이 가능할 뿐만 아니라 그 결과의 정확도가 매우 높은 장점이 있다. 이로인해, 기존의 실험적인 방법보다 시간과 비용에서 비교우위를 차지할수 있다. 또한, 본 발명의 용접 열분포 해석방법은 최적용접 조건을 도출하여 경제적이고 효율적인 용접조건을 테이터화하여 실제의 산업현장에서 비전문가도 손쉽게 활용할수 있도록 구성되어 기술력을 향상함과 아울러 공정수를 감축시킬수 있는 장점이 있다.As described above, the welding heat distribution analysis method of the present invention has the advantage that the heat distribution generated during welding can be accurately predicted and the accuracy of the result is very high. This gives us a comparative advantage in time and cost over traditional experimental methods. In addition, the welding heat distribution analysis method of the present invention is configured to derive the optimal welding conditions to data economical and efficient welding conditions to be easily utilized by non-experts in the actual industrial field, which can improve the technical skills and reduce the number of processes There is an advantage.

이상 설명한 내용을 통해 당업자 라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 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.

Claims (5)

해석모델에 대한 초기 데이터를 입력하는 제1 단계와,A first step of inputting initial data for the analysis model; 상기 해석모델의 미지수 총수를 계산하는 제2 단계와,A second step of calculating an unknown total number of the analysis model; 상기 해석모델의 대역폭을 계산하는 제3 단계와,Calculating a bandwidth of the analysis model; 전체좌표계에 대한 열전도 매트릭스를 초기화하는 제4 단계와,A fourth step of initializing the thermal conductivity matrix for the global coordinate system, 융착금속의 히팅여부를 판단하는 제5 단계와,A fifth step of determining whether the fused metal is heated; 상기 융착금속이 히팅될 경우 히팅 시간증분을 계산하는 제6 단계와,A sixth step of calculating a heating time increment when the fused metal is heated; 상기 융착금속의 히팅 종료 여부를 판단하는 제7 단계와,A seventh step of determining whether the heating of the fused metal is finished; 존재하는 요소를 판단하는 제8 단계와,An eighth step of judging an element present; 요소의 절점좌표를 정의하는 제9 단계와,A ninth step of defining the nodal coordinates of the element, 시간증분후 국부절점 온도를 설정하는 제10 단계와,A tenth step of setting the local node temperature after time increment; 국부좌표계 열전도 강성 매트릭스를 구성하는 제11 단계와,An eleventh step of constructing a local coordinate system thermal conductivity stiffness matrix, 상기 국부좌표계 열용량 매트릭스를 구성하는 제12 단계와,A twelfth step of constructing the local coordinate system heat capacity matrix; 상기 국부좌표계 열전달 매트릭스를 구성하는 제13 단계와,A thirteenth step of constructing the local coordinate system heat transfer matrix; 상기 국부좌표계 열유속 벡터를 구성하는 제14 단계와,A fourteenth step of constructing the local coordinate system heat flux vector; 국부좌표를 전체좌표화 하는 제15 단계와,A fifteenth step of globalizing the local coordinates; 열전도 방정식을 구성한후 풀이하는 제16 단계와,The sixteenth step of constructing and solving the thermal conductivity equation, 다음 단계의 온도 증분을 결정하는 제17 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 열분포 해석방법.And a seventeenth step of determining a temperature increment of the next step. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 11 단계가,The eleventh step, 가우스 적분의 적분점 좌표 및 가중함수를 설정하는 단계와,Setting integral point coordinates and weighting functions of the Gaussian integral; 온도 구배 보간 매트릭스를 구성하는 단계와,Constructing a temperature gradient interpolation matrix, 열전도율을 선택하는 단계와,Selecting a thermal conductivity, 열전도 강성 매트릭스를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 열분포 해석방법.Weld heat distribution analysis method further comprises the step of forming a thermally conductive stiffness matrix. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 12 단계가,The twelfth step, 가우스 적분의 적분점 좌표 및 가중함수를 설정하는 단계와,Setting integral point coordinates and weighting functions of the Gaussian integral; 온도 보간 매트릭스를 구성하는 단계와,Constructing a temperature interpolation matrix, 비중값, 비열값을 선택하는 단계와,Selecting specific gravity values and specific heat values, 열용량 매트릭스를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 열분포 해석방법.Weld heat distribution analysis method further comprising the step of constructing a heat capacity matrix. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 13 단계가,The thirteenth step, 열전달면을 구분하는 단계와,Separating heat transfer surfaces, 온도 보간 매트릭스를 구성하는 단계와,Constructing a temperature interpolation matrix, 열전도율을 선택하는 단계와,Selecting a thermal conductivity, 열전달 매트릭스를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 열분포 해석방법.Weld heat distribution analysis method further comprising the step of constructing a heat transfer matrix. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제14 단계가,The fourteenth step, 응고금속 열밀도를 계산하는 단계와,Calculating the coagulated metal thermal density, 가우스 적분의 적분점 좌표와 가중함수를 설정하는 단계와,Setting an integral point coordinate and a weighting function of the Gaussian integral; 온도 보간 매트릭스를 구성하는 단계와,Constructing a temperature interpolation matrix, 열유속 벡터를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 열분포 해석방법.Weld heat distribution analysis method further comprising the step of constructing a heat flux vector.
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