JP2009036669A - Welding residual stress analysis method and welding residual stress analysis system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶接残留応力を解析によって計算する方法およびそのシステムに係り、特に、3次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高くかつその計算時間を削減可能な溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムに関する。 The present invention relates to a method and system for calculating welding residual stress by analysis, and in particular, even in a welded structure under conditions where three-dimensional constraints are strongly generated, the analysis accuracy is high and the calculation time can be reduced. The present invention relates to a welding residual stress analysis method and a welding residual stress analysis system.
一般に、配管などの溶接構造物は、溶接時の熱源によって引き起こされる急激、且つ局所的な温度変化により残留応力が発生する。この発生する残留応力の値によっては、応力腐食割れ(SCC:Stress Corrosion Cracking)などの問題を起こすことがあるために、溶接時の残留応力を予測することは溶接構造物の健全性を評価する上で重要である。このような溶接時の残留応力を予測する方法、すなわち、大型計算機などによって残留応力を数値解析によって予測する方法がある。 Generally, in a welded structure such as a pipe, a residual stress is generated due to a rapid and local temperature change caused by a heat source during welding. Depending on the value of the generated residual stress, problems such as stress corrosion cracking (SCC) may occur, so predicting the residual stress during welding evaluates the soundness of the welded structure. Is important above. There is a method of predicting the residual stress during welding, that is, a method of predicting the residual stress by numerical analysis using a large computer or the like.
従来の溶接構造物の残留応力を予測する方法およびシステムは、解析精度の向上や計算時間の短縮および計算費用の削減などを目的に以下のような種々の方法およびシステムが提案されており、その一例としては、例えば、特開2004−53366号公報(特許文献1)に開示されている。 Conventional methods and systems for predicting residual stress in welded structures have been proposed for the purpose of improving analysis accuracy, reducing calculation time, and reducing calculation costs. As an example, it is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-53366 (patent document 1), for example.
また、溶接時の残留応力を解析する際に、溶接構造物を模擬した3次元解析モデルを用いて伝熱計算(伝熱解析)を行い、溶接構造物の温度分布と温度時刻歴変化を求めるシステムおよび方法がある。このようなシステムおよび方法は、例えば、特開2005−83810号公報(特許文献2)に開示されている。
上述した従来技術では、2次元解析モデルを用いて残留応力解析を行っている。これは、溶接パスごとに実際の入熱状況を模擬した3次元モデル解析を行うと、溶接パス数が多い部材または部品を対象とした場合、現在の大型計算機の性能をもってしても多大な計算時間と計算費用が必要となるためである。すなわち、残留応力を高精度に解析するための最も信頼性の高い解析手法である3次元モデル解析を行うためには、溶接パス数が少ない部材等に対象が限定されるという課題がある。 In the prior art described above, residual stress analysis is performed using a two-dimensional analysis model. This is because if a three-dimensional model analysis that simulates the actual heat input situation for each welding pass is performed, if a member or part with a large number of welding passes is targeted, even if it has the performance of the current large-scale computer, This is because time and calculation costs are required. That is, in order to perform a three-dimensional model analysis which is the most reliable analysis method for analyzing the residual stress with high accuracy, there is a problem that the target is limited to a member having a small number of welding passes.
一方、計算時間と計算費用を削減する観点から上述した従来の2次元解析モデルを用いた残留応力解析の場合、溶接構造物の幾何形状(例えば、配管径や板厚等)により、溶接構造物内部で3次元的な拘束が強く発生する条件下では、解析精度が悪くなるという課題がある。例えば、小口径の配管などは、上記の3次元的な拘束が強く発生する条件下にあり、従来の解析方法では残留応力を高精度で予測することが困難である。 On the other hand, in the case of residual stress analysis using the above-described conventional two-dimensional analysis model from the viewpoint of reducing calculation time and calculation cost, the welded structure depends on the geometry of the welded structure (for example, pipe diameter, plate thickness, etc.). There is a problem that the analysis accuracy deteriorates under conditions in which three-dimensional constraints are strongly generated inside. For example, a small-diameter pipe or the like is under a condition in which the above three-dimensional constraint is strongly generated, and it is difficult to predict the residual stress with high accuracy by the conventional analysis method.
本発明の目的は、3次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用の低減可能な解析手法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an analysis method that is high in analysis accuracy and capable of reducing the calculation time and calculation cost even in a welded structure under a condition in which three-dimensional constraints are strongly generated.
本発明に係る溶接残留応力解析方法は、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、3次元溶接構造物の有限要素法による残留応力解析方法において、前記3次元溶接構造物の3次元熱変形量を取得する3次元熱変形量取得ステップと、前記3次元熱変形量取得ステップで取得した3次元熱変形量に基づき、前記溶接構造物の回転軸を対称軸として2次元にモデル化された2次元対称モデルの変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、前記変形補正量算出ステップで算出された変形補正量に基づき前記2次元対称モデルの変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、前記変形拘束条件設定ステップで設定された条件下で前記2次元対称モデルの2次元熱弾塑性解析を行い、前記溶接構造物の溶接残留応力を得る2次元熱弾塑性解析ステップと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the welding residual stress analysis method according to the present invention includes a three-dimensional welded structure according to the finite element method of a three-dimensional welded structure as described in the claims. Based on the three-dimensional thermal deformation amount acquisition step for acquiring the three-dimensional thermal deformation amount of the object and the three-dimensional thermal deformation amount acquired in the three-dimensional thermal deformation amount acquisition step, the rotational axis of the welded structure is 2 A deformation correction amount calculating step for calculating a deformation correction amount of the two-dimensional symmetric model modeled in two dimensions, and setting a deformation constraint condition of the two-dimensional symmetric model based on the deformation correction amount calculated in the deformation correction amount calculating step A deformation constraint condition setting step, and a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis of the two-dimensional symmetric model under the conditions set in the deformation constraint condition setting step. Characterized in that it comprises a two-dimensional thermal elastic-plastic analysis to obtain the power, the.
本発明に係る溶接残留応力解析システムは、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載したように、溶接残留応力解析の対象となる溶接構造物の2次元対称モデルを用いて2次元熱弾塑性解析を行う際に設定する前記2次元対称モデルの変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段と、前記変形拘束条件設定手段が決定した変形拘束条件を考慮して前記2次元対称モデルを用いた2次元熱弾塑性解析を行い前記溶接構造物の溶接残留応力解析結果を得る溶接残留応力解析手段とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the welding residual stress analysis system according to the present invention uses a two-dimensional symmetry model of a welded structure to be subjected to welding residual stress analysis as described in the claims. Deformation constraint condition setting means for determining the deformation constraint condition of the two-dimensional symmetry model set when performing the thermoelastic-plastic analysis, and the two-dimensional symmetry model in consideration of the deformation constraint condition determined by the deformation constraint condition setting means And a welding residual stress analysis means for obtaining a welding residual stress analysis result of the welded structure by performing a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis using a welding.
本発明によれば、比較的短時間で計算可能な3次元モデルを用いた熱弾性解析を行い得られた溶接構造物の熱変形の情報を変形拘束条件として、3次元モデルを用いた熱弾塑性解析に比べて計算時間がはるかに少ない2次元対称モデルを用いた熱弾塑性解析を行うので、3次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用の低減可能な溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムを提供することができる。 According to the present invention, information on the thermal deformation of a welded structure obtained by performing a thermoelastic analysis using a three-dimensional model that can be calculated in a relatively short time is used as a deformation constraint, and a thermal elastic using the three-dimensional model. Thermoelastic-plastic analysis using a two-dimensional symmetric model that requires much less calculation time than plastic analysis, so even in a welded structure where three-dimensional constraints occur strongly, the analysis accuracy is high, and A welding residual stress analysis method and a welding residual stress analysis system capable of reducing the calculation time and calculation cost can be provided.
以下、本発明に係る溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システムについて、添付の図面を参照して説明する。 Hereinafter, a welding residual stress analysis method and a welding residual stress analysis system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
尚、本発明に係る溶接残留応力解析システムは、ハードウェアであるコンピュータとソフトウェアである溶接残留応力解析用プログラムとが協働することで、すなわち、コンピュータが溶接残留応力解析用プログラムを実行することで実現されるシステムである。すなわち、以下に説明する各実施形態に係る溶接残留応力解析システムは、ユーザーが指令を入力する入力手段およびコンピュータがユーザーへ情報を提示する出力手段等のマン−マシンインターフェイスや電子情報を所定の記録媒体に記録する記録手段等、コンピュータとして標準的な手段を備えている。 In the welding residual stress analysis system according to the present invention, the hardware computer and the software welding residual stress analysis program cooperate, that is, the computer executes the welding residual stress analysis program. It is a system realized by. That is, the welding residual stress analysis system according to each embodiment described below has a predetermined record of man-machine interface and electronic information such as an input means for a user to input a command and an output means for a computer to present information to the user. Standard means are provided as a computer, such as recording means for recording on a medium.
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム1Aの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a functional block diagram schematically showing functional components of a welding residual
図1に示される溶接残留応力解析システム1Aは、溶接残留応力解析の対象となる溶接構造物(以下、単に解析対象物とする。)の2次元対称モデル30(後述する図5参照)を用いて2次元熱弾塑性解析を行う際に設定する2次元対称モデル30の変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段2Aと、変形拘束条件設定手段2Aが決定した変形拘束条件を考慮して解析対象物の2次元対称モデル30を用いて溶接残留応力解析を得る溶接残留応力解析手段3とを具備する。溶接残留応力解析システム1Aが求めた溶接残留応力解析結果は、例えば、表示手段4に画像出力される等してユーザーに提示される。
A welding residual
このように、溶接残留応力解析システム1Aが、2次元対称モデル30の変形拘束条件を考慮して解析対象物の溶接残留応力解析を行うように構成される理由は、溶接構造物26(後述する図3参照)の形状によっては、溶接残留応力分布の解析精度が低下する場合があり、この解析精度の低下を抑制するためである。
As described above, the reason why the welding residual
溶接残留応力分布の解析精度の低下の要因の一つは、従来の溶接残留応力解析システムでは、2次元対称モデル30の周方向(図5において、紙面に垂直な方向)の温度分布は一様となるため、溶接残留応力解析手段3で取り扱われる温度情報においても、周方向に一様な温度分布条件で計算される点にある。例えば、小口径配管の溶接や板に配管を溶接した溶接構造物26などを解析対象とした場合、これらの3次元的な変形挙動が、溶接残留応力の解析結果に対して誤差を与えるものと考えられる。そこで、本発明に係る溶接残留応力解析システム1では、3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対しては、2次元対称モデル30を仮想的に変形拘束して計算することで誤差の低減化を図っている。
One of the causes of a decrease in the analysis accuracy of the welding residual stress distribution is that in the conventional welding residual stress analysis system, the temperature distribution in the circumferential direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 5) of the two-dimensional
続いて、溶接残留応力解析システム1Aが具備する変形拘束条件設定手段2Aおよび溶接残留応力解析手段3について説明する。
Next, the deformation constraint
変形拘束条件設定手段2Aは、3次元伝熱解析を行い解析対象(溶接構造物)の3次元温度分布を示す情報(以下、溶接構造物温度分布とする)5を得る3次元伝熱解析部6と、溶接構造物温度分布5に基づき3次元熱弾性解析を行い解析対象の3次元熱変形量を得る3次元熱弾性解析部7と、解析対象の3次元熱変形量に基づき解析対象の3次元変形補正量を算出する変形補正量算出部8と、変形補正量算出部8が算出した変形補正量を考慮して2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する拘束条件を具現化した型枠モデル31(後述する図5参照)を作成する型枠モデル作成部9とを備える。
The deformation constraint condition setting means 2A performs a three-dimensional heat transfer analysis and obtains information (hereinafter referred to as a welded structure temperature distribution) 5 indicating the three-dimensional temperature distribution of the analysis target (welded structure) 5D. 6, a three-dimensional
3次元伝熱解析部6は、3次元モデル21によってモデル化された溶接構造物26の3次元伝熱解析を行う機能を有する(3次元伝熱解析機能)。当該機能を用いて、3次元伝熱解析部6は解析対象の溶接条件から伝熱解析を行う。3次元伝熱解析部6は、伝熱解析を行うことで、解析対象の3次元温度分布情報である溶接構造物温度分布5を得る。
The three-dimensional heat
3次元熱弾性解析部7は、3次元熱弾性解析を行う機能を有する(3次元熱弾性解析機能)。3次元熱弾性解析部7は、3次元伝熱解析部6から解析対象である溶接構造物の溶接構造物温度分布5を取得して、解析対象の3次元熱弾性解析を行う。3次元熱弾性解析部7は、3次元熱弾性解析を行うことで、解析対象の3次元熱変形量を得る。
The three-dimensional
変形補正量算出部8は、例えば、4方位(0度,90度,180度,270度)等の数箇所以上において解析対象の3次元熱変形量の情報を取得し、全方位(上記例では4ポイント)の平均熱変形量を算出する。また、変形補正量算出部8は、取得した全方位の解析対象の3次元熱変形量の情報に基づき最大の熱変形量を取得する。そして、最大の熱変形量と平均熱変形量との差分を算出し、算出結果を3次元変形補正量とする。この変形補正量が、2次元対称モデル30の変形拘束条件となる。
The deformation correction amount calculation unit 8 acquires information on the three-dimensional thermal deformation amount to be analyzed in several locations such as four directions (0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees), for example. Then, an average thermal deformation amount of 4 points) is calculated. Further, the deformation correction amount calculation unit 8 acquires the maximum amount of thermal deformation based on the acquired information on the three-dimensional thermal deformation amount of the omnidirectional analysis target. Then, the difference between the maximum thermal deformation amount and the average thermal deformation amount is calculated, and the calculation result is set as a three-dimensional deformation correction amount. This deformation correction amount becomes a deformation constraint condition of the two-dimensional
型枠モデル作成部9は、変形補正量算出部8が算出した3次元変形補正量を考慮して、溶接残留応力解析手段3が熱弾塑性解析時に使用する3次元モデル21に対応する2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成する機能を有する(変形拘束モデル作成機能)。拘束条件決定部としての型枠モデル作成部9は、変形補正量算出部8から3次元変形補正量を取得し、取得した3次元変形補正量を考慮して、2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成する。
The formwork model creation unit 9 takes into consideration the three-dimensional deformation correction amount calculated by the deformation correction amount calculation unit 8, and the two-dimensional model corresponding to the three-
また、溶接残留応力解析手段3は、設定された所定の変形拘束条件下において、2次元対称モデル30の2次元熱弾塑性解析を行うことで、溶接構造物26の溶接残留応力解析結果を得る手段である。溶接残留応力解析手段3は、3次元伝熱解析部6が得た解析対象の溶接構造物温度分布5および溶接速度に基づいて解析対象の2次元対称モデル30の温度推移(温度の時刻歴変化)を得る温度情報取得部11と、2次元対称モデル30を用いて、変形拘束条件を考慮した2次元の熱弾塑性解析を行う熱弾塑性解析部12とを備える。
Further, the welding residual stress analysis means 3 obtains a welding residual stress analysis result of the
温度情報取得部11は、3次元伝熱解析部6が得た解析対象の溶接構造物温度分布5および溶接速度に基づいて得られる3次元モデル21の3次元温度推移(温度の時刻歴変化)を、2次元対称モデル30における2次元の温度分布情報および温度推移情報に変換して取得する機能を有する(2次元温度情報取得機能)。温度情報取得部11は、2次元温度情報取得機能を用いて、2次元対称モデル30の温度情報(2次元温度分布および当該温度分布の時刻歴)を取得し、取得した情報を熱弾塑性解析部12へ送る。
The temperature
熱弾塑性解析部12は、2次元対称モデル30等の2次元モデルについて2次元の熱弾塑性解析を行う機能を有する(2次元熱弾塑性解析機能)。熱弾塑性解析部12は、2次元熱弾塑性解析機能を用いて、2次元対称モデル30の熱弾塑性解析を行う。2次元対称モデル30の熱弾塑性解析については、例えば、特開2004−53366号公報(特許文献1)に開示される公知技術等を採用することで実施する。
The thermoelastic-
尚、溶接残留応力解析システム1Aにおいて使用するモデル(2次元対称モデル30他)は、いわゆるソリッドモデルである。
A model (two-dimensional
次に、図2乃至図5を引用して、変形拘束条件設定手段2Aの各構成要素の機能および作用について説明する。 Next, the function and action of each component of the deformation constraint condition setting means 2A will be described with reference to FIGS.
図2は、3次元伝熱解析部6が行う3次元伝熱解析の概念を説明する模式図であり、解析対象物の一例として溶接部20を有する構造物(以下、溶接構造物とする)の3次元モデル21の一例を示したものである。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the concept of the three-dimensional heat transfer analysis performed by the three-dimensional heat
図2に示されるように、変形拘束条件設定手段2Aの3次元伝熱解析部6では、溶接構造物に対して固定した溶接棒22の先端を溶接の熱源23として同じ速度で移動する移動座標系または熱源23と同じ角速度で回転する回転座標系を用いて伝熱計算(伝熱解析)を実施する。尚、図2において、符号20aおよび20bは溶接完了部および溶接未完了部、矢印は溶接棒22に対する回転方向、符号Lは3次元モデル21の対称軸、すなわち、回転座標系における回転軸である。
As shown in FIG. 2, in the three-dimensional heat
図3は、図2に示される3次元モデル21としてモデル化された溶接構造物26の溶接部20およびその周辺を拡大して示した概略図である。
FIG. 3 is an enlarged schematic view showing the welded
図3に示される溶接構造物26は、二つの被溶接金属である母材26a,26bを長手方向(軸方向)に突き合わせ、溶接金属で形成される溶接パス27を5層等の複数層形成(肉盛り)することによって接合された構成された構造物である。図3に示される溶接部20では、溶接部20が凹状の形状をしており、この凹状部分について図2に示される溶接棒22を用いて周方向に5層5パスの溶接が実施されているため、最終的には、溶接部20の近傍付近に溶接残留応力が発生していると考えられる。
The welded
3次元伝熱解析部6は、まず、伝熱解析として、溶接パス27毎に用いる電流値、電圧値、溶接速度および溶接効率等の溶接条件から溶接部20への入熱量を求める。そして、各溶接パス27が盛られる順に、順次繰り返し各溶接パス27に溶接部20の溶接条件から得られた入熱量を与える。
First, as a heat transfer analysis, the three-dimensional heat
続いて、母材26a,26bおよび溶接パス27として使用する金属の熱伝導率および表面熱伝達率等の解析条件および与えられた熱量に基づき、溶接部20の温度分布および温度変化等の温度情報の解析を行う。上記伝熱解析は、例えば、特開2005−83810号公報(特許文献2)に開示された公知技術等の一般的な手法を採用することで実施することができる。上記伝熱解析を行った結果、3次元伝熱解析部6は、3次元モデル(3次元解析メッシュ)21でモデル化された溶接構造物26において各溶接パス27が盛られるときの3次元解析メッシュの温度分布を求めることができる。
Subsequently, based on analysis conditions such as the thermal conductivity and surface heat transfer coefficient of the metals used as the
図4は、図2に示される3次元モデル21を回転軸Lと平行な方向(高さ方向)から見た場合における平面図である。
FIG. 4 is a plan view when the three-
3次元熱弾性解析部7は、3次元解析メッシュの温度分布、すなわち、溶接構造物26の溶接構造物温度分布5に基づき3次元熱変形量を得るが、3次元熱変形量の求め方は、例えば、図4に示されるように、ある高さの断面において4方位(0度,90度,180度,270度)等の数箇所以上の解析箇所において解析対象(ここでは3次元モデル21)の軸(図2に示される回転軸L)方向および径方向の外表面および内表面における熱変形量を算出する。軸方向および径方向の熱変形量の算出は、3次元モデル21の高さ方向において解析に必要な長さ(全長または部分長)に亘り所定の間隔毎に算出される。この結果、溶接構造物の内表面および外表面の3次元熱変形量の情報が得られる。
The three-dimensional
変形補正量算出部8は、例えば、4方位(0度,90度,180度,270度)等の数箇所以上において解析対象の3次元熱変形量の情報を取得し、全方位(上記例では4ポイント)の平均熱変形量を算出する。また、変形補正量算出部8は、取得した全方位の解析対象の3次元熱変形量の情報に基づき最大の熱変形量を取得する。そして、最大の熱変形量と平均熱変形量との差分を算出し、算出結果を3次元変形補正量とする。 The deformation correction amount calculation unit 8 acquires information on the three-dimensional thermal deformation amount to be analyzed in several locations such as four directions (0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees), for example. Then, an average thermal deformation amount of 4 points) is calculated. Further, the deformation correction amount calculation unit 8 acquires the maximum amount of thermal deformation based on the acquired information on the three-dimensional thermal deformation amount of the omnidirectional analysis target. Then, the difference between the maximum thermal deformation amount and the average thermal deformation amount is calculated, and the calculation result is set as a three-dimensional deformation correction amount.
型枠モデル作成部9は、変形補正量算出部8が算出した3次元変形補正量を考慮して、溶接残留応力解析手段3が熱弾塑性解析時に使用する3次元モデル21に対応する2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成する機能を有する(変形拘束モデル作成機能)。型枠モデル作成部9は、変形補正量算出部8から3次元変形補正量を取得し、取得した3次元変形補正量を考慮して、2次元対称モデル30の変形を拘束する型枠モデル31を作成する。
The formwork model creation unit 9 takes into consideration the three-dimensional deformation correction amount calculated by the deformation correction amount calculation unit 8, and the two-dimensional model corresponding to the three-
図5は、溶接残留応力解析手段3が熱弾塑性解析時に使用する2次元対称モデル30および型枠モデル作成部9が作成する型枠モデル31について概略的に表した概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing a two-dimensional
図5に示される2次元対称モデル30とは、図2に示される回転軸Lを含む平面で3次元モデル21を切断した場合の断面示す2次元モデルであって溶接残留応力解析手段3が熱弾塑性解析時に使用する2次元モデルである。この2次元対称モデル30の残留応力を周の全長に亘って解析すれば、3次元モデル21で模擬される解析対象の残留応力を解析することができる。
The two-dimensional
また、型枠モデル31とは、従来、3次元熱弾塑性解析時の熱変形量の誤差に対して大きくなる2次元熱弾塑性解析時の熱変形量の誤差を抑制するため、2次元対称モデル30の変形を拘束する変形拘束条件に基づき具体的に2次元対称モデル30の変形を拘束する変形拘束用治具としてモデル化した2次元モデルである。
In addition, the
型枠モデル31は、解析を行う座標系に完全固定されており、いかなる外部負荷に対して変形しない物体として模擬される。また、型枠モデル31と2次元対称モデル30との接触条件として両者は熱的に絶縁されるという条件が与えられており、型枠モデル31が接触面Sを介して熱の影響を受けることはない。
The
次に、本発明の第1の実施形態に係る溶接残留応力解析方法(以下、第1の溶接残留応力解析方法とする)について説明する。 Next, a welding residual stress analysis method according to the first embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a first welding residual stress analysis method) will be described.
図6は、第1の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム1Aの処理ステップ(以下、第1の溶接残留応力解析手順とする)を示した処理フロー図である。
FIG. 6 is a process flow diagram showing processing steps of the welding residual
第1の溶接残留応力解析手順では、図6に示されるように、溶接残留応力解析手順の実行要求を受け付けて、処理ステップが開始されると(START)、まず、ステップS1で3次元伝熱解析ステップが実行される。3次元伝熱解析ステップでは、3次元伝熱解析部6が溶接構造物26の伝熱解析を行い、当該溶接構造物26の溶接構造物温度分布5を得る。3次元伝熱解析部6が解析対象の溶接構造物温度分布5を得ると、ステップS2およびステップS5に進み、一方のステップS2では3次元熱弾性解析ステップが、他方のステップS5では温度情報取得ステップが実行される。
In the first welding residual stress analysis procedure, as shown in FIG. 6, when an execution request for the welding residual stress analysis procedure is received and a processing step is started (START), first, three-dimensional heat transfer is performed in step S1. An analysis step is performed. In the three-dimensional heat transfer analysis step, the three-dimensional heat
ステップS1に引き続き実行される3次元熱弾性解析ステップ(ステップS2)では、3次元熱弾性解析部7が、溶接構造物温度分布5に基づいて解析対象である溶接構造物26の3次元熱弾性解析を実行し、解析対象の3次元熱変形量を得る。3次元熱弾性解析部7が、溶接構造物26の3次元熱変形量を得ると、ステップS3に進み、変形補正量算出ステップが実行される。
In the three-dimensional thermoelasticity analysis step (step S2) executed subsequent to step S1, the three-dimensional
変形補正量算出ステップ(ステップS3)では、変形補正量算出部8が、溶接構造物26の3次元熱変形量に基づき、2次元対称モデル30の変形拘束条件となる3次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部8が、3次元変形補正量を算出すると、続いて、ステップS4に進み、型枠モデル作成ステップが実行される。
In the deformation correction amount calculation step (step S3), the deformation correction amount calculation unit 8 calculates a three-dimensional deformation correction amount that is a deformation constraint condition of the two-dimensional
型枠モデル作成ステップ(ステップS4)では、変形補正量算出ステップ(ステップS3)で算出された3次元変形補正量を考慮して、型枠モデル作成部9が、2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成する。型枠モデル作成部9が、2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成すると、ステップS6に進み、2次元熱弾塑性解析ステップが実行される。
In the mold model creation step (step S4), the mold model creation unit 9 deforms the two-
他方、ステップS1に引き続き実行される温度情報取得ステップ(ステップS5)では、温度情報取得部11が溶接構造物温度分布5および溶接速度に基づいて解析対象(溶接構造物26)の温度情報、すなわち、2次元対称モデル30の温度分布および温度推移情報(温度の時刻歴変化)を得る。温度情報取得部11が2次元対称モデル30の温度分布および当該温度の時刻歴変化の情報を得ると、ステップS6に進み、2次元熱弾塑性解析ステップが実行される。
On the other hand, in the temperature information acquisition step (step S5) executed subsequent to step S1, the temperature
2次元熱弾塑性解析ステップ(ステップS6)では、熱弾塑性解析部12が、ステップS5で得られた2次元対称モデル30の温度情報と、ステップS4で作成された型枠モデル31に基づき、2次元対称モデル30を型枠モデル31で拘束した状態、すなわち、変形拘束条件を考慮した熱弾塑性解析を行う。熱弾塑性解析部12が、2次元対称モデル30を型枠モデル31で拘束した状態下で熱弾塑性解析を行い、当該解析結果を得ると、2次元熱弾塑性解析ステップは完了し、第1の溶接残留応力解析手順の全処理ステップが完了する(END)。2次元熱弾塑性解析ステップで得られた熱弾塑性解析の結果は、溶接構造物26の溶接残留応力解析結果として、例えば、図1に示される表示手段4等の情報出力手段を通じてユーザーに提示される。
In the two-dimensional thermoelastic-plastic analysis step (step S6), the thermoelastic-
第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法によれば、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
According to the first welding residual
また、溶接時の電流、電圧、溶接速度等の溶接条件がわかれば当該溶接条件に基づいて溶接残留応力を計算(解析)することができるので、溶接構造物26の温度、ひずみ、変位などを測定する必要がなく、簡便に溶接残留応力を解析することができる。
In addition, if the welding conditions such as the current, voltage, and welding speed during welding are known, the welding residual stress can be calculated (analyzed) based on the welding conditions. Therefore, the temperature, strain, displacement, etc. of the welded
さらに、比較的短時間で計算可能な3次元モデルを用いた熱弾性解析を行い得られた溶接構造物の熱変形の情報を変形拘束条件として、3次元モデル21を用いた熱弾塑性解析に比べて計算時間がはるかに少ない2次元対称モデル30を用いた熱弾塑性解析を行うので、3次元的な拘束が強く発生する条件の溶接構造物26においても、解析精度が高く、かつ、その計算時間および計算費用を低減することができる。より具体的には、3次元モデル21を用いた熱弾塑性解析を実施した場合に対して、計算時間は約1/30〜1/20に削減することができる。
Furthermore, thermal elastic-plastic analysis using the three-
解析の精度については、溶接残留応力解析結果についての評価を説明する説明図として添付した図7(A)および図7(B)を参照して説明する。なお、図7(A)および図7(B)において、横軸の応力は、正が引張応力、負が圧縮応力を示しており、縦軸の溶接部中央からの距離は、3次元モデル21の軸方向の距離であり、正負は溶接部20からの方向を示す。
The accuracy of the analysis will be described with reference to FIG. 7A and FIG. 7B attached as explanatory diagrams for explaining the evaluation of the welding residual stress analysis result. 7A and 7B, the stress on the horizontal axis indicates tensile stress on the horizontal axis and the compressive stress on the negative axis, and the distance from the center of the weld on the vertical axis is the three-
図7(A)および図7(B)に示されるように、本発明を適用した場合における残留応力分布32、3次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布33、および、従来の2次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布34を比較すれば、本発明を適用した場合、従来の2次元熱弾塑性解析を行った場合よりも精度良く、かつ、3次元熱弾塑性解析を行う場合と大差ない解析精度を得られることがわかる。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the
尚、第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法において、溶接残留応力解析時に与える変形拘束条件としての型枠モデル31は、計算簡略化の観点から、配管外径側の型枠モデル31を除いた配管内径側のみに型枠モデル31を配置して行っても良い。これは、配管を溶接した溶接構造物26の場合、溶接部20の塑性変形により、溶接部20の近傍では配管中心方向に変形することが一般的に知られており、このような事情を踏まえたものである。配管内面側のみの型枠モデル31を配置した場合にも、配管外面側の型枠モデル31を除かない場合と比べて同様の効果があることを確認している。
In the first welding residual
また、3次元熱弾性解析部7が3次元熱変形量を求める際に、3次元熱変形測定箇所は数箇所以上であれば任意で良いが、多くしすぎると測定データが増大してしまうため、必要最低限度の解析精度を維持しつつデータ量を抑制する観点から、図3に示されるように、中心角90度の均等間隔で4箇所程度を抽出して行うことが好ましい。
In addition, when the three-dimensional
[第2の実施形態]
図8は、本発明の第2の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム1Bの機能的構成要素を概略的に示した機能ブロック図である。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a functional block diagram schematically showing functional components of a welding residual stress analysis system 1B which is an example of a welding residual stress analysis system according to the second embodiment of the present invention.
図8に示されるように、溶接残留応力解析システム1Bは、変形拘束条件設定手段2Bと、溶接残留応力解析手段3とを具備する。すなわち、図1に示される溶接残留応力解析システム1Aに対して、変形拘束条件設定手段2Aの代わりに変形拘束条件設定手段2Bを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段2Bを中心に説明し、溶接残留応力解析システム1Bの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
As shown in FIG. 8, the welding residual
図8によれば、変形拘束条件設定手段2Bは、3次元伝熱解析部6と、3次元熱弾性解析部7と、変形補正量算出部8と、変形補正量算出部8が算出した変形補正量を考慮して2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束するための圧力条件(拘束条件)を与える拘束条件決定部としての圧力条件設定部36とを備える。圧力条件設定部36が設定する圧力分布および圧力値は、補正すべき変位量と圧力による変位量が同等となる圧力条件である。
According to FIG. 8, the deformation constraint condition setting means 2B includes the deformation calculated by the three-dimensional heat
後述する図9を引用して、圧力条件設定部36が設定する圧力分布および圧力値(圧力条件)について説明する。
With reference to FIG. 9 described later, the pressure distribution and pressure value (pressure condition) set by the pressure
図9は、解析対象物としての2次元対称モデル30と、圧力条件設定部36が設定する圧力条件との関係を説明する説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the two-dimensional
溶接構造物26の時刻歴毎の径方向変形を考察すると、溶接パス27に熱を与えた瞬間から最大温度に達するまでは径方向に対して外側方向に変形すると考えられる。また、最大温度から冷却までは径方向に対して内側方向に変形すると考えられる。そこで、このような温度推移および変形過程を考慮して圧力条件を決定する。
Considering radial deformation of the welded
圧力条件設定部36が設定する圧力条件、すなわち、圧力を与える場所とタイミングは、図9に示されるように、溶接パス27に熱を与えた瞬間から最大温度までは、溶接構造物26を模擬した2次元対称モデル30の外壁面39に圧力を与える方向に、最大温度から冷却までは、2次元対称モデル30の内壁面40に圧力を与える方向とすることが望ましい。また、与える圧力の大きさは、例えば、図8に示されるように、溶接部20からの距離(軸方向位置)が近い程圧力を高く、離れるに従い圧力を低下させるように変化させる。
As shown in FIG. 9, the pressure condition set by the pressure
このように第2の溶接残留応力解析システム1Bでは、圧力条件を決定して与えることによって、型枠モデル31を用いて変形を拘束した第1の溶接残留応力解析システム1Aと同様の作用および効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
As described above, in the second welding residual stress analysis system 1B, the same actions and effects as those in the first welding residual
次に、本発明の第2の実施形態に係る溶接残留応力解析方法(以下、第2の溶接残留応力解析方法とする)について説明する。 Next, a welding residual stress analysis method according to the second embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a second welding residual stress analysis method) will be described.
図10は、第2の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム1Bの処理ステップ(以下、第2の溶接残留応力解析手順とする)を示した処理フロー図である。 FIG. 10 is a process flow diagram showing processing steps of the welding residual stress analysis system 1B executed as an example of the second welding residual stress analysis method (hereinafter referred to as a second welding residual stress analysis procedure).
図10に示されるように第2の溶接残留応力解析手順では、図6に示される第1の溶接残留応力解析手順に対して、ステップS4の型枠モデル作成ステップの代わりに、ステップS11の圧力条件設定ステップを備える点で相違するが、その他の処理ステップは実質的に相違しない。すなわち、図6に示される処理フロー図において、ステップS4とステップS11とを置換した処理フロー図が、第2の溶接残留応力解析手順の処理フロー図となる。そこで、第2の溶接残留応力解析手順の説明では、ステップS11を中心に説明し、その他の処理ステップについての説明は省略する。 As shown in FIG. 10, in the second welding residual stress analysis procedure, the pressure in step S11 is used instead of the mold model creation step in step S4, in contrast to the first welding residual stress analysis procedure shown in FIG. Although different in that it includes a condition setting step, the other processing steps are not substantially different. That is, in the processing flow diagram shown in FIG. 6, a processing flow diagram in which Step S4 and Step S11 are replaced becomes a processing flow diagram of the second welding residual stress analysis procedure. Therefore, in the description of the second welding residual stress analysis procedure, step S11 will be mainly described, and description of other processing steps will be omitted.
第2の溶接残留応力解析手順は、まず、ステップS1で3次元伝熱解析ステップが実行された後、3次元熱弾性解析ステップ(ステップS2)および変形補正量算出ステップ(ステップS3)が実行され、続いて、ステップS11で圧力条件設定ステップが実行される。 In the second welding residual stress analysis procedure, first, after the three-dimensional heat transfer analysis step is executed in step S1, the three-dimensional thermoelastic analysis step (step S2) and the deformation correction amount calculation step (step S3) are executed. Subsequently, a pressure condition setting step is executed in step S11.
圧力条件設定ステップ(ステップS11)では、圧力条件設定部36がステップS3で算出された変形補正量を考慮して、2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束するための圧力条件を設定する。圧力条件設定ステップ(ステップS11)が完了すると、続いて、ステップS6に進む。
In the pressure condition setting step (step S11), the pressure
他方、第2の溶接残留応力解析手順においても、第1の溶接残留応力解析手順と同様、ステップS2とは別に、温度時刻歴情報取得ステップ(ステップS5)がステップS1に続いて実行される。温度時刻歴情報取得ステップ(ステップS5)が完了し、圧力条件設定ステップ(ステップS11)が完了している場合には、ステップS6で2次元熱弾塑性解析ステップが実行される。2次元熱弾塑性解析ステップが完了すると、第2の溶接残留応力解析手順の全処理ステップが完了する。 On the other hand, also in the second welding residual stress analysis procedure, a temperature time history information acquisition step (step S5) is executed subsequent to step S1, as in the first welding residual stress analysis procedure. When the temperature time history information acquisition step (step S5) is completed and the pressure condition setting step (step S11) is completed, a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis step is executed in step S6. When the two-dimensional thermoelastic-plastic analysis step is completed, all processing steps of the second welding residual stress analysis procedure are completed.
第2の溶接残留応力解析システム1Bおよび第2の溶接残留応力解析方法によれば、第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
According to the second welding residual stress analysis system 1B and the second welding residual stress analysis method, the same effects as those of the first welding residual
尚、圧力条件設定の際には、計算簡略化のため、板厚全体で仮想的な変形拘束条件を決定し、圧力値を溶接構造物26の溶接パス27の層の深さ毎、すなわち、溶接パス27の層の厚さの割合に応じて変化させても良い。
When setting the pressure condition, for the sake of simplification of calculation, a virtual deformation constraint condition is determined for the entire plate thickness, and the pressure value is determined for each layer depth of the
[第3の実施形態]
図11は、本発明の第3の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム1Cの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
[Third Embodiment]
FIG. 11 is a functional block diagram schematically showing functional components of a welding residual stress analysis system 1C which is an example of a welding residual stress analysis system according to the third embodiment of the present invention.
溶接残留応力解析システム1Cは、図2に示される3次元モデル21の有限要素法の要素タイプがいわゆるソリッドタイプではなく板厚方向の計算点を簡略化したシェルタイプ(3次元シェル要素)となる点で異なる。3次元シェル要素の3次元モデル21を使用する場合、溶接構造物26の板厚方向の計算点が簡略化されているため、3次元伝熱解析部6が伝熱解析を行っても、溶接構造物26の径方向の温度分布を得ることができないという点で溶接残留応力解析システム1Aと違いがある。
In the welding residual stress analysis system 1C, the element type of the finite element method of the three-
上記のような相違点を有することから、図11に示される溶接残留応力解析システム1Cは、溶接残留応力解析システム1Aに対して、溶接残留応力解析手段3の代わりに、溶接残留応力解析手段3Cを具備する点で相違する。より具体的には、図11に示される溶接残留応力解析システム1Cは、温度情報取得部11の代わりに、溶接構造物26の2次元対称モデル30を用いた2次元伝熱解析結果に基づいて、2次元温度分布および温度時刻歴を得る温度情報取得部11Cを備える点で相違するが、その他の点については、実質的に相違しない。そこで、溶接残留応力解析システム1Aの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
Because of the differences as described above, the welding residual stress analysis system 1C shown in FIG. 11 is different from the welding residual
図11によれば、溶接残留応力解析システム1Cは、変形拘束条件設定手段2Cと、変形拘束条件設定手段2Cが決定した変形拘束条件を考慮して解析対象物の2次元対称モデル30を用いて溶接残留応力解析を行う溶接残留応力解析手段3Cとを具備する。変形拘束条件設定手段2Cは、図1に示される変形拘束条件設定手段2Aと同じく3次元伝熱解析部6、3次元熱弾性解析部7、変形補正量算出部8および型枠モデル作成部9を備えており、3次元熱弾性解析手段7が3次元伝熱解析部6から3次元伝熱解析結果としての溶接構造物26の3次元温度分布を取得して処理を実行する点を除き実質的に相違しない。すなわち、各手段6,7,8,9で実行される処理内容は実質的に同様である。
According to FIG. 11, the welding residual stress analysis system 1C uses the deformation constraint condition setting means 2C and the deformation constraint condition determined by the deformation constraint condition setting means 2C using the two-dimensional
また、溶接残留応力解析手段3Cは、溶接構造物26の2次元対称モデル30を用いた2次元伝熱解析結果に基づいて、2次元温度分布および温度時刻歴を得る温度情報取得部11Cと、熱弾塑性解析部12とを備える。温度情報取得部11Cは、2次元伝熱解析結果に基づいて、2次元温度分布および温度時刻歴を得る機能を有する(温度情報取得機能)。温度情報取得部11Cは、温度情報取得機能を用いて、2次元対称モデル30の2次元温度分布および温度時刻歴を示す情報を取得し、取得した情報を熱弾塑性解析部12へ送る。
Further, the welding residual stress analysis means 3C includes a temperature information acquisition unit 11C that obtains a two-dimensional temperature distribution and a temperature time history based on a two-dimensional heat transfer analysis result using the two-dimensional
このように構成される溶接残留応力解析システム1Cによれば、3次元モデル21として3次元シェル要素を用いれば、ソリッド要素の3次元モデル21を用いて行う場合に比べて、解析時間の短縮化が図れるメリットがある。尚、溶接残留応力解析システム1Cでは、2次元伝熱解析結果を得るために別途2次元伝熱解析を行う必要があるが、変形拘束条件設定手段2Cが変形拘束条件を決定するまでの間に、2次元伝熱解析および2次元対称モデル30の2次元温度分布および温度時刻歴を示す情報を取得することができるので、別途2次元伝熱解析を行う必要がある点は特段の不利益にはならない。
According to the weld residual stress analysis system 1C configured as described above, if a three-dimensional shell element is used as the three-
次に、本発明の第3の実施形態に係る溶接残留応力解析方法(以下、第3の溶接残留応力解析方法とする)の一例として実行される溶接残留応力解析システム1Cの処理ステップ(以下、第3の溶接残留応力解析手順とする)について説明する。 Next, processing steps (hereinafter, referred to as a welding residual stress analysis system 1C) executed as an example of a welding residual stress analysis method (hereinafter referred to as a third welding residual stress analysis method) according to the third embodiment of the present invention. The third welding residual stress analysis procedure will be described.
第3の溶接残留応力解析手順は、図6に示される第1の溶接残留応力解析手順に対して、ステップS5の温度情報取得ステップの処理内容が相違するが、その他の処理ステップは実質的に相違しない。そこで、第3の溶接残留応力解析手順の説明では、ステップS5を中心に説明し、その他の処理ステップについての説明は省略する。 The third welding residual stress analysis procedure is different from the first welding residual stress analysis procedure shown in FIG. 6 in the processing contents of the temperature information acquisition step in step S5, but the other processing steps are substantially the same. No difference. Therefore, in the description of the third welding residual stress analysis procedure, step S5 will be mainly described, and description of other processing steps will be omitted.
第3の溶接残留応力解析手順では、まず、ステップS1で3次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、3次元熱弾性解析ステップ(ステップS2)、変形補正量算出ステップ(ステップS3)および型枠モデル作成ステップ(ステップS4)が実行される。他方では、ステップS1に引き続き温度情報取得ステップ(ステップS5)が実行される。 In the third welding residual stress analysis procedure, first, a three-dimensional heat transfer analysis step is executed in step S1. Thereafter, on the other hand, a three-dimensional thermoelastic analysis step (step S2), a deformation correction amount calculation step (step S3), and a form model creation step (step S4) are executed. On the other hand, a temperature information acquisition step (step S5) is executed subsequent to step S1.
第3の溶接残留応力解析手順における温度情報取得ステップでは、温度情報取得部11Cが、2次元対称モデル30の2次元温度分布および温度推移情報(温度時刻歴を示す情報)を取得する。この点が、2次元対称モデル30の温度分布および温度推移情報(温度の時刻歴変化)を得る第1の溶接残留応力解析手順における温度情報取得ステップと異なる点である。
In the temperature information acquisition step in the third welding residual stress analysis procedure, the temperature information acquisition unit 11C acquires the two-dimensional temperature distribution and temperature transition information (information indicating the temperature time history) of the two-
第3の溶接残留応力解析システム1Cおよび第3の溶接残留応力解析方法によれば、第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法による効果に加え、解析時間の更なる短縮化を図ることができる。尚、図9に示される溶接残留応力解析システム1Cは、シェル要素の3次元モデル21を用いた解析を溶接残留応力解析システム1Aに適用した例であるが、他の実施形態に係る溶接残留応力解析システム1B,1D,1Eに適用しても良い。
According to the third welding residual stress analysis system 1C and the third welding residual stress analysis method, the analysis time is further increased in addition to the effects of the first welding residual
[第4の実施形態]
図12は、本発明の第4の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム1Dの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 is a functional block diagram schematically showing functional components of a welding residual
図12に示されるように、溶接残留応力解析システム1Dは、変形拘束条件設定手段2Dと、溶接残留応力解析手段3とを具備する。すなわち、図1に示される溶接残留応力解析システム1Aに対して、変形拘束条件設定手段2Aの代わりに変形拘束条件設定手段2Dを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段2Dを中心に説明し、溶接残留応力解析システム1Dの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
As shown in FIG. 12, the welding residual
溶接残留応力解析システム1Dの変形拘束条件設定手段2Dは、3次元伝熱解析部6と、この3次元伝熱解析部6が溶接構造物26の3次元伝熱解析を行った結果得られる3次元温度分布情報(溶接構造物温度分布)5および溶接構造物26である母材26a,26bの線膨張係数に基づいて3次元変形補正量を算出する変形補正量算出部8Dと、型枠モデル作成部9とを備える。すなわち、変形拘束条件設定手段2Dは、図1に示される変形拘束条件設定手段2Aに対して変形量補正の方法が異なる。
The deformation constraint condition setting means 2D of the welding residual
図13は、変形拘束条件設定手段2Dにおいてなされる変形量補正の方法について説明する説明図である。より具体的には、図13(A)は、溶接構造物26の2次元対称モデル30の周方向温度分布を示す図であり、図13(B)は、仮想的な変形状態を示す概略図である。尚、図13(A)において、符号41は従来の2次元熱弾塑性解析において用いる2次元対称モデル30(詳細は図5を参照)の周方向の温度分布であり、符号42は実際の溶接構造物26の周方向の温度分布である。
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining a deformation amount correction method performed in the deformation constraint
図13(A)および図13(B)を引用して、変形拘束条件設定手段2Dにおいてなされる変形量補正の方法について説明する。まず、従来の2次元対称モデル30を用いての2次元熱弾塑性解析では、図13(A)に示されるように、周方向の温度を均一とみなした温度分布41を使用していたが、実際の温度分布42とは乖離していたため、現実の溶接構造物26の変形と比較すると、当該溶接構造物26の径方向および軸方向に対して過剰な変形が起き、熱弾塑性解析の精度の低下を招来していた。
With reference to FIGS. 13A and 13B, a deformation amount correction method performed in the deformation constraint
そこで、変形拘束条件設定手段2Dでは、3次元温度分布情報(溶接構造物温度分布)5および母材26a,26b(溶接構造物26)の線膨張係数に基づいて3次元変形補正量を算出し、算出した3次元変形補正量を考慮した2次元熱弾塑性解析を行う。この結果、溶接残留応力解析システム1Dは、従来の2次元熱弾塑性解析よりも精度が良く、3次元熱弾塑性解析を行う場合よりも簡易な弾塑性解析の提供を実現する。
Therefore, the deformation constraint condition setting means 2D calculates the three-dimensional deformation correction amount based on the three-dimensional temperature distribution information (welded structure temperature distribution) 5 and the linear expansion coefficients of the
変形補正量算出部8Dが行う具体的な変形量補正方法は、まず、図13(B)に示されるように、実際に周方向の温度勾配が存在する領域、すなわち、変形を生じる周方向側の長さ(以下、変形範囲長とする)Lを特定する。変形範囲長Lの特定は、溶接構造物温度分布5に基づいて行う。続いて、変形範囲長Lから推測される仮想的な径方向変形範囲43を算出する。
A specific deformation amount correction method performed by the deformation correction
径方向変形範囲43の算出は、溶接構造物26の材質(線膨張係数)およびその場所における板厚といった既知の物性値と、変形補正算出時に設定される溶接構造物26における場所および当該場所の温度とに基づいて行う。ここで、溶接構造物26に関する物性値の情報は、予め格納しておいた所定の場所から読み出される場合もあるし、変形補正算出を開始する際にユーザーの入力によって与えられる場合もある。
The calculation of the
続いて、変形補正量算出部8Dは、算出した径方向変形範囲43と周方向全長と比率を求め、この比率を周方向に対して一様に変形している径方向変位量に積算することにより、変形補正量を決定する。実際に周方向の温度勾配が存在する領域(変形範囲長L)は、実験的な温度測定結果および3次元伝熱解析の結果から、60mmであることが判っている。この変形補正量を基にして仮想的な変形拘束条件を設定する。すなわち、型枠モデル作成部9が2次元対称モデル30の変形を仮想的に拘束する型枠モデル31を作成する。
Subsequently, the deformation correction
次に、本発明の第4の実施形態に係る溶接残留応力解析方法(以下、第4の溶接残留応力解析方法とする)について説明する。 Next, a welding residual stress analysis method according to the fourth embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a fourth welding residual stress analysis method) will be described.
図14は、第4の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム1Dの処理ステップ(以下、第4の溶接残留応力解析手順とする)の処理フロー図である。尚、第4の溶接残留応力解析手順の説明において、上述した溶接残留応力解析手順と重複する処理ステップについての説明は省略する。
FIG. 14 is a process flow diagram of processing steps (hereinafter referred to as a fourth welding residual stress analysis procedure) of the welding residual
第4の溶接残留応力解析手順では、まず、ステップS1で3次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、ステップS21に進み、変形補正量算出ステップ(ステップS21)が実行される。変形補正量算出ステップ(ステップS21)では、変形補正量算出部8Dが3次元温度分布情報(溶接構造物温度分布)5および母材26a,26b(溶接構造物26)の線膨張係数に基づいて3次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部8Dが3次元変形補正量を算出すると、変形補正量算出ステップは完了し、続いて、ステップS4に進む。ステップS4以降の処理ステップおよびステップS1以降の他方の処理ステップ(ステップS5およびステップS6)は第1の溶接残留応力解析手順と同様である。
In the fourth welding residual stress analysis procedure, first, a three-dimensional heat transfer analysis step is executed in step S1. Thereafter, on the other hand, the process proceeds to step S21, and a deformation correction amount calculating step (step S21) is executed. In the deformation correction amount calculating step (step S21), the deformation correction
尚、図14に示される第4の溶接残留応力解析手順では、型枠モデル作成ステップ(ステップS4)を備えているが、型枠モデル作成ステップの代わりに圧力条件設定ステップ(ステップS11)を備えても良い。 The fourth welding residual stress analysis procedure shown in FIG. 14 includes a mold model creation step (step S4), but includes a pressure condition setting step (step S11) instead of the mold model creation step. May be.
第4の溶接残留応力解析システム1Dおよび第4の溶接残留応力解析方法によれば、第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
According to the fourth welding residual
また、溶接構造物26(母材26a,26b)の温度と母材26a,26bの線膨張係数線に基づいて、3次元熱弾性解析を行うことなく、3次元変形補正量を算出するので、3次元熱弾性解析を行う第1の実施形態および第2の実施形態に係る溶接残留応力解析システムおよび溶接残留応力解析方法よりも簡易な弾塑性解析の提供を実現できる。
Further, since the three-dimensional deformation correction amount is calculated without performing the three-dimensional thermoelastic analysis based on the temperature of the welded structure 26 (the
尚、溶接残留応力解析システム1Dにおいて、変形拘束条件設定手段2Dは、型枠モデル作成部9を備えているが、第2の実施形態で説明したように、型枠モデル作成部9の代わりに圧力条件設定部36を備えていても良い。この場合、溶接パス27の層ごとに変形補正を求めても良いが、計算簡略化のために板厚全体で仮想的な変形拘束条件を決定し、圧力値を溶接パス27の層の深さ率で変化させることも可能である。
In the welding residual
また、第3の実施形態で説明したように、溶接残留応力解析手段3の代わりに、溶接残留応力解析手段3Cを具備して溶接残留応力解析システム1Dを構成しても良い。
Further, as described in the third embodiment, the welding residual
[第5の実施形態]
図15は、本発明の第5の実施形態に係る溶接残留応力解析システムの一実施例である溶接残留応力解析システム1Eの機能的構成要素を概略的に示す機能ブロック図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 15 is a functional block diagram schematically showing functional components of a welding residual
溶接残留応力解析システム1Eは、溶接構造物26の実物が存在し、例えば、溶接構造物26の残留変形量や残留ひずみの測定結果といった溶接構造物26の変形量に関する実際の測定データが存在する場合に有効なシステムであり、具体的には、図15に示されるように、溶接構造物26の実測した変形量のデータ(以下、単に実測データとする)に基づき、2次元対称モデル30の変形拘束条件を決定する変形拘束条件設定手段2Eと、溶接残留応力解析手段3とを具備する。すなわち、図1に示される溶接残留応力解析システム1Aに対して、変形拘束条件設定手段2Aの代わりに変形拘束条件設定手段2Eを具備する点で相違するが、その他の点では実質的な相違は無い。そこで、本実施形態では、変形拘束条件設定手段2Eを中心に説明し、溶接残留応力解析システム1Eの構成要素と実質的に相違しない構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。
In the welding residual
溶接残留応力解析システム1Eの変形拘束条件設定手段2Eは、図15に示されるように、3次元伝熱解析部6と、溶接構造物26の実測データに基づき、2次元対称モデル30の変形拘束条件としての変形補正量を決定する変形補正量算出部8Eと、型枠モデル作成部9とを備える。すなわち、図1に示される変形拘束条件設定手段2Aでは、3次元熱弾性解析結果に基づき2次元対称モデル30の変形拘束条件としての変形補正量を決定する点に対して、変形拘束条件設定手段2Eは、溶接構造物26の実測データに基づき2次元対称モデル30の変形拘束条件としての変形補正量を決定する点で異なる。尚、その他の点については実質的に相違しない。
As shown in FIG. 15, the deformation constraint condition setting means 2E of the welding residual
このように、構成される溶接残留応力解析システム1Eでは、溶接構造物26の溶接前後の変形を実際に測定した測定データがある場合、3次元熱弾性解析を行うことなく当該測定データを用いて変形補正量を決定することができるので、溶接残留応力解析システム1A,1B,1Dよりも簡易な弾塑性解析の提供を実現できる。
As described above, in the welding residual
尚、図15に示される溶接残留応力解析システム1Eでは、変形拘束条件設定手段2Eが型枠モデル作成部9を備えているが、型枠モデル作成部9の代わりに圧力条件設定部36を備える変形拘束条件設定手段2Eを構成しても構わない。この場合、測定データが板厚全体に対する変形量であるため、溶接パス27の層を順次盛っていく過程段階で溶接パス圧力値を溶接パス27の層の深さ率で変化させるが望ましい。
In the welding residual
次に、本発明の第5の実施形態に係る溶接残留応力解析方法(以下、第5の溶接残留応力解析方法とする)について説明する。 Next, a welding residual stress analysis method according to the fifth embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a fifth welding residual stress analysis method) will be described.
図16は、第5の溶接残留応力解析方法の一例として実行される溶接残留応力解析システム1Eの処理ステップ(以下、第5の溶接残留応力解析手順とする)の処理フロー図である。尚、第5の溶接残留応力解析手順の説明において、上述した溶接残留応力解析手順と重複する処理ステップについての説明は省略する。
FIG. 16 is a process flow diagram of processing steps (hereinafter referred to as a fifth welding residual stress analysis procedure) of the welding residual
第5の溶接残留応力解析手順は、図14に示される第4の溶接残留応力解析手順に対して、変形補正量算出ステップ(ステップS21)の代わりに、変形補正量算出ステップ(ステップS31)を備える点で相違するが、その他の点では実質的に相違しないので、ステップS31の変形補正量算出ステップについて説明し、その他の箇所については説明を省略する。 The fifth welding residual stress analysis procedure differs from the fourth welding residual stress analysis procedure shown in FIG. 14 in that a deformation correction amount calculating step (step S31) is used instead of the deformation correction amount calculating step (step S21). Although it differs in the point provided, since it is not substantially different in another point, the deformation | transformation amount calculation step of step S31 is demonstrated and description is abbreviate | omitted about another part.
第5の溶接残留応力解析手順は、では、まず、ステップS1で3次元伝熱解析ステップが実行される。その後、一方では、ステップS31に進み、溶接構造物26の実測データに基づき、2次元対称モデル30の変形補正量を決定する変形補正量算出ステップ(ステップS31)が実行される。変形補正量算出ステップ(ステップS31)では、変形補正量算出部8Eが溶接構造物26の実測の3次元熱変形量のデータに基づき、2次元対称モデル30の変形拘束条件となる3次元変形補正量を算出する。変形補正量算出部8Eが3次元変形補正量を算出すると、変形補正量算出ステップは完了し、続いて、ステップS4に進む。ステップS4以降の処理ステップおよびステップS1以降の他方の処理ステップ(ステップS5およびステップS6)は第1の溶接残留応力解析手順と同様である。
In the fifth welding residual stress analysis procedure, first, a three-dimensional heat transfer analysis step is executed in step S1. Thereafter, on the other hand, the process proceeds to step S31, and a deformation correction amount calculating step (step S31) for determining the deformation correction amount of the two-dimensional
尚、図16に示される第5の溶接残留応力解析手順でも、第4の溶接残留応力解析手順と同様に、型枠モデル作成ステップ(ステップS4)の代わりに圧力条件設定ステップ(ステップS11)を備えていても良い。 In the fifth welding residual stress analysis procedure shown in FIG. 16, as in the fourth welding residual stress analysis procedure, a pressure condition setting step (step S11) is performed instead of the mold model creation step (step S4). You may have.
第5の溶接残留応力解析システム1Eおよび第5の溶接残留応力解析方法によれば、第1の溶接残留応力解析システム1Aおよび第1の溶接残留応力解析方法と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
According to the fifth welding residual
また、溶接構造物26の溶接前後の変形を実際に測定した測定データがある場合、既存のデータを有効に活用することができ、溶接構造物26の溶接残留応力の解析時間を短縮することができるので、特に有効である。
Further, when there is measurement data obtained by actually measuring the deformation of the welded
以上、本発明によれば、従来、解析精度が低下していた小口径配管等の3次元的な変形挙動が顕著に現れる形状を持つ溶接構造物26に対する溶接残留応力解析の際に、仮想的な変形拘束条件を溶接残留応力解析手段3に与えることにより、溶接残留応力解析の精度を向上させることができる。
As described above, according to the present invention, when performing a welding residual stress analysis on a welded
尚、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化しても良い。また、上記の各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and may be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, you may delete a some component from all the components shown by embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1A,1B,1C,1D,1E 溶接残留応力解析システム
2(2A,2B,2C,2D,2E) 変形拘束条件設定手段
3,3C 溶接残留応力解析手段
4 表示手段
5 溶接構造物温度分布
6 3次元伝熱解析部
7 3次元熱弾性解析部
8,8D,8E 変形補正量算出部
9 型枠モデル作成部
11 温度情報取得部
12 熱弾塑性解析部
20 溶接部
20a 溶接完了部分
20b 溶接未完了部分
21 溶接構造物の3次元モデル
22 溶接棒
23 熱源
26 溶接構造物
26a,26b 母材(被溶接金属)
27 溶接パス
30 2次元対称モデル
31 型枠モデル
32 本発明を適用した場合における残留応力分布
33 3次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布
34 従来の2次元熱弾塑性解析を行った場合における残留応力分布
36 圧力条件設定部
39 2次元対称モデルの外壁面
40 2次元対称モデルの内壁面
41 2次元対称モデルの周方向の温度分布
42 実際の溶接構造物の周方向の温度分布
43 径方向変形範囲
L 3次元モデルの対称軸
S 2次元対称モデルと型枠モデルとの接触面
1A, 1B, 1C, 1D, 1E Welding residual stress analysis system 2 (2A, 2B, 2C, 2D, 2E) Deformation constraint condition setting means 3, 3C Welding residual stress analysis means 4 Display means 5 Welded
27
Claims (15)
前記3次元溶接構造物の3次元熱変形量を取得する3次元熱変形量取得ステップと、
前記3次元熱変形量取得ステップで取得した3次元熱変形量に基づき、前記溶接構造物の回転軸を対称軸として2次元にモデル化された2次元対称モデルの変形補正量を算出する変形補正量算出ステップと、
前記変形補正量算出ステップで算出された変形補正量に基づき前記2次元対称モデルの変形拘束条件を設定する変形拘束条件設定ステップと、
前記変形拘束条件設定ステップで設定された条件下で前記2次元対称モデルの2次元熱弾塑性解析を行い、前記溶接構造物の溶接残留応力を得る2次元熱弾塑性解析ステップと、を備えることを特徴とする溶接残留応力解析方法。 In the residual stress analysis method of the three-dimensional welded structure by the finite element method,
A three-dimensional thermal deformation amount acquisition step of acquiring a three-dimensional thermal deformation amount of the three-dimensional welded structure;
Deformation correction for calculating a deformation correction amount of a two-dimensional symmetric model modeled two-dimensionally with the rotation axis of the welded structure as a symmetric axis based on the three-dimensional thermal deformation amount acquired in the three-dimensional thermal deformation amount acquisition step A quantity calculating step;
A deformation constraint condition setting step of setting a deformation constraint condition of the two-dimensional symmetric model based on the deformation correction amount calculated in the deformation correction amount calculation step;
A two-dimensional thermoelastic-plastic analysis step of performing a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis of the two-dimensional symmetrical model under the conditions set in the deformation constraint condition setting step to obtain a welding residual stress of the welded structure. A welding residual stress analysis method characterized by
前記温度情報取得ステップで求めた温度情報に基づき3次元熱変形解析を実施して前記溶接構造物の3次元熱変形量を求める3次元熱弾性解析ステップと、を有することを特徴とする請求項1記載の溶接残留応力解析方法。 The three-dimensional thermal deformation amount acquisition step transfers heat transfer analysis of the welding process using either a moving coordinate system that moves at the same speed as the heat source or a rotating coordinate system that rotates at the same angular speed as the heat source. A temperature information acquisition step for performing heat calculation and obtaining temperature information of temperature distribution and temperature time history of the welded structure;
3. A three-dimensional thermoelastic analysis step for obtaining a three-dimensional thermal deformation amount of the welded structure by performing a three-dimensional thermal deformation analysis based on the temperature information obtained in the temperature information acquisition step. The welding residual stress analysis method according to 1.
前記温度情報取得ステップで求めた温度情報および前記溶接構造物の母材の線膨張率および板厚に基づいて前記溶接構造物の3次元熱変形量を求めるステップと、を有することを特徴とする請求項1記載の溶接残留応力解析方法。 The three-dimensional thermal deformation amount acquisition step transfers heat transfer analysis of the welding process using either a moving coordinate system that moves at the same speed as the heat source or a rotating coordinate system that rotates at the same angular speed as the heat source. A temperature information acquisition step for performing heat calculation and obtaining temperature information of temperature distribution and temperature time history of the welded structure;
Obtaining the three-dimensional thermal deformation amount of the welded structure based on the temperature information obtained in the temperature information obtaining step and the linear expansion coefficient and plate thickness of the base material of the welded structure. The welding residual stress analysis method according to claim 1.
取得した3次元温度分布と溶接速度に基づいて前記溶接構造物の2次元対称モデルの温度推移情報を得るステップ、および、前記溶接構造物の2次元伝熱解析を行った結果に基づいて当該溶接構造物の2次元対称モデルの温度推移情報を得るステップの何れかのステップを備えることを特徴とする請求項2または3記載の溶接残留応力解析方法。 The temperature information acquisition step performs a three-dimensional heat transfer analysis of the welded structure to obtain a three-dimensional temperature distribution of the welded structure,
Obtaining temperature transition information of a two-dimensional symmetrical model of the welded structure based on the acquired three-dimensional temperature distribution and welding speed, and the welding based on the result of performing two-dimensional heat transfer analysis of the welded structure The welding residual stress analysis method according to claim 2, further comprising any one of steps of obtaining temperature transition information of a two-dimensional symmetrical model of the structure.
前記変形拘束条件設定手段が決定した変形拘束条件を考慮して前記2次元対称モデルを用いた2次元熱弾塑性解析を行い前記溶接構造物の溶接残留応力解析結果を得る溶接残留応力解析手段とを具備することを特徴とする溶接残留応力解析システム。 A deformation constraint condition setting means for determining a deformation constraint condition of the two-dimensional symmetric model that is set when performing a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis using a two-dimensional symmetric model of a welded structure to be subjected to welding residual stress analysis;
Welding residual stress analysis means for obtaining a welding residual stress analysis result of the welded structure by performing a two-dimensional thermoelastic-plastic analysis using the two-dimensional symmetry model in consideration of the deformation constraint condition determined by the deformation constraint condition setting means; A welding residual stress analysis system comprising:
前記温度情報に基づき3次元熱変形解析を実施して前記溶接構造物の3次元熱変形量を求める3次元熱弾性解析部と、
前記3次元熱弾性解析部が求めた3次元熱変形量に基づき前記溶接構造物の3次元変形補正量を算出する変形補正量算出部と、
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記2次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項11記載の溶接残留応力解析システム。 The deformation constraint condition setting means performs heat transfer calculation using either a moving coordinate system that moves the heat transfer analysis of the welding process at the same speed as the heat source or a rotating coordinate system that rotates at the same angular speed as the heat source. 3D heat transfer analysis unit for obtaining temperature information indicating the temperature distribution and temperature time history of the welded structure,
A three-dimensional thermoelastic analysis unit for performing a three-dimensional thermal deformation analysis based on the temperature information to obtain a three-dimensional thermal deformation amount of the welded structure;
A deformation correction amount calculation unit that calculates a three-dimensional deformation correction amount of the welded structure based on the three-dimensional thermal deformation amount obtained by the three-dimensional thermoelastic analysis unit;
12. A constraint condition determination unit that determines a constraint condition for virtually constraining deformation of the two-dimensional symmetric model in consideration of the deformation correction amount calculated by the deformation correction amount calculation unit. Welding residual stress analysis system.
前記温度情報および前記溶接構造物を形成する母材の物性値に基づき前記溶接構造物の3次元熱変形量を求め、求めた3次元熱変形量に基づき前記溶接構造物の3次元変形補正量を算出する変形補正量算出部と、
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記2次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項11記載の溶接残留応力解析システム。 The deformation constraint condition setting means performs heat transfer calculation using either a moving coordinate system that moves the heat transfer analysis of the welding process at the same speed as the heat source or a rotating coordinate system that rotates at the same angular speed as the heat source. 3D heat transfer analysis unit for obtaining temperature information indicating the temperature distribution and temperature time history of the welded structure,
A three-dimensional thermal deformation amount of the welded structure is obtained based on the temperature information and a physical property value of a base material forming the welded structure, and a three-dimensional deformation correction amount of the welded structure is obtained based on the obtained three-dimensional thermal deformation amount. A deformation correction amount calculation unit for calculating
12. A constraint condition determination unit that determines a constraint condition for virtually constraining deformation of the two-dimensional symmetric model in consideration of the deformation correction amount calculated by the deformation correction amount calculation unit. Welding residual stress analysis system.
前記変形補正量算出部が算出した変形補正量を考慮して前記2次元対称モデルの変形を仮想的に拘束する拘束条件を決定する拘束条件決定部とを備えることを特徴とする請求項11記載の溶接残留応力解析システム。 The deformation constraint condition setting means includes a deformation correction amount calculation unit that acquires the three-dimensional thermal deformation amount from at least one of a measurement result of a residual deformation amount and a residual strain of the welded structure;
12. A constraint condition determination unit that determines a constraint condition for virtually constraining deformation of the two-dimensional symmetric model in consideration of the deformation correction amount calculated by the deformation correction amount calculation unit. Welding residual stress analysis system.
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