JP2009250828A - Method for two-dimensional analysis of welding deformation and residual stress - Google Patents
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Description
本発明は、溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する際に用いられる溶接変形及び残留応力の解析方法に係わり、特に、一般化平面歪や軸対称モデルなどの2次元化が可能な溶接に用いるのに好適である溶接変形及び残留応力の2次元解析方法に関するものである。 The present invention relates to a method for analyzing welding deformation and residual stress used in analyzing deformations such as stress remaining after welding and shrinkage and strain generated during welding, and in particular, 2 methods such as generalized plane strain and axisymmetric model. The present invention relates to a two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress, which is suitable for use in welding capable of dimensioning.
上記した溶接後に残留する応力や溶接時に生じる変形は、溶接部が局部的に加熱冷却されることにより生じるが、その発生要因としては、溶接金属の凝固時における母材の熱膨張や、溶接部付近の母材に生じる塑性歪や、溶接金属が凝固してから室温に冷却されるまでに生じる塑性歪などが挙げられる。
従来において、これらのような溶接変形及び残留応力を解析する方法としては、例えば、溶接により生じる固有ひずみ分布を溶接条件から推定して弾性解析を行う方法や、3次元モデルによる熱源の移動を考慮した3次元熱伝導解析を行って、この解析結果に基づいて3次元モデルによる熱弾塑性解析を行う方法が知られている。
The stress that remains after welding and the deformation that occurs during welding occur when the welded part is locally heated and cooled. The cause of this is the thermal expansion of the base metal during solidification of the weld metal, Examples thereof include plastic strain generated in a nearby base material and plastic strain generated from when the weld metal solidifies until it is cooled to room temperature.
Conventional methods of analyzing welding deformation and residual stress as described above include, for example, a method in which an inherent strain distribution caused by welding is estimated from welding conditions and an elastic analysis is performed, and a movement of a heat source by a three-dimensional model is considered. There is known a method of performing a three-dimensional heat conduction analysis and performing a thermoelastic-plastic analysis using a three-dimensional model based on the analysis result.
上記した解析方法のうちの固有ひずみによる弾性解析を用いた方法では、溶接によって生じる固有ひずみの大きさや分布領域があらかじめ判らないと解析を行うことができないという欠点があり、一方、3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた方法では、もっとも実際の現象に近いことから、高い解析精度が得られるものの、解析に要する時間が膨大になってしまうという欠点がある。 Among the analysis methods described above, the method using the elastic analysis based on the inherent strain has a drawback that the analysis cannot be performed unless the size and distribution region of the inherent strain generated by welding is known in advance. The method using the thermo-elasto-plastic analysis is closest to the actual phenomenon, so that high analysis accuracy can be obtained, but there is a drawback that the time required for the analysis becomes enormous.
そこで、解析に要する時間の短縮を図るうえで、一般化平面歪や軸対称モデルなどの2次元化が可能な溶接の場合には、すなわち、平板に対するビードオンプレート溶接や管体の突合せ溶接や円孔に対する円板の嵌め込み溶接などの2次元化が可能な溶接の場合には、溶接入熱による過渡温度を2次元モデルによる非定常熱伝導解析(2次元熱伝導解析)によって計算し、この解析結果に基づいて2次元モデルによる熱弾塑性解析を行う方法が広く採用されている(例えば、特許文献1参照)。
ところが、上記した2次元モデルによる熱弾塑性解析を行う解析方法にあっては、3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と比較して、解析に要する時間を大幅に短縮することはできるものの、熱の3次元的な移動を考慮していないので、その分だけ溶接変形及び残留応力の解析精度が劣ってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。 However, in the analysis method for performing the thermo-elasto-plastic analysis using the above-described two-dimensional model, the time required for the analysis can be significantly shortened compared with the analysis method using the thermo-elasto-plastic analysis using the three-dimensional model. Although it is possible, since the three-dimensional movement of heat is not taken into consideration, there is a problem that the analysis accuracy of welding deformation and residual stress is inferior, and solving this problem has been a conventional problem. It was.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、解析時間の大幅な短縮を実現したうえで、3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度の高い精度で溶接変形及び残留応力の解析を行うことが可能である溶接変形及び残留応力の2次元解析方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-described conventional problems. In addition to realizing a significant reduction in analysis time, the present invention has the same high accuracy as an analysis method using a thermoelastic-plastic analysis using a three-dimensional model. It is an object of the present invention to provide a two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress that can analyze welding deformation and residual stress.
本発明に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法は、溶接後に残留する応力や溶接時に生じる収縮や歪などの変形を解析する溶接変形及び残留応力の解析方法、特に、一般化平面歪や軸対称モデルなどの2次元化が可能な溶接に用いるのに好適な解析方法であって、請求項1として、熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って3次元モデルである母材における溶接入熱による過渡温度を計算し、前記3次元モデルである母材の一断面としての2次元モデルを作成した後、前記3次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた前記2次元モデルによる熱弾塑性解析を行う構成としたことを特徴としており、この溶接変形及び残留応力の2次元解析方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
The two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to the present invention is a welding deformation and residual stress analysis method for analyzing deformations such as residual stress after welding and shrinkage and strain generated during welding, in particular, generalized plane strain and An analysis method suitable for use in welding capable of two-dimensionalization, such as an axially symmetric model, according to
また、本発明の請求項2に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法は、熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析によって、3次元モデルである母材の中間部分における過渡温度を計算する構成としている。
さらに、本発明の請求項3に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法において、前記3次元モデルである母材の中間部分における一断面を前記2次元モデルとした構成としている。
In addition, in the two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress according to claim 2 of the present invention, the transient temperature in the intermediate portion of the base material, which is a three-dimensional model, is calculated by unsteady heat conduction analysis considering heat source movement. It is configured.
Furthermore, in the two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress according to claim 3 of the present invention, one cross section in the intermediate portion of the base material, which is the three-dimensional model, is configured as the two-dimensional model.
本発明に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法では、母材の一断面としての2次元モデルによる熱弾塑性解析を行う際に、3次元モデルによる非定常熱伝導解析を行って得た任意断面の非定常の温度履歴を温度荷重データとして用いるので、母材内部の3次元的な熱の流れを2次元モデルで考慮し得ることとなり、その結果、解析時間の大幅な短縮が図られるのに加えて、3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度にまで、溶接変形及び残留応力の解析精度が向上することとなる。 In the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to the present invention, the thermal elasto-plastic analysis by the two-dimensional model as one section of the base material is performed by performing the unsteady heat conduction analysis by the three-dimensional model. Since an unsteady temperature history of an arbitrary cross section is used as temperature load data, the three-dimensional heat flow inside the base material can be considered in the two-dimensional model, and as a result, the analysis time can be greatly shortened. In addition to the above, the analysis accuracy of welding deformation and residual stress is improved to the same extent as the analysis method using the thermoelastic-plastic analysis by the three-dimensional model.
本発明の請求項1に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法によれば、上記した構成としているので、解析時間の大幅な短縮を実現したうえで、溶接変形及び残留応力の解析を高精度に行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、本発明の請求項2に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法によれば、上記した構成としているので、解析精度をより高めつつ解析時間のより一層の短縮を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項3に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法によれば、上記した構成としていることから、解析精度をより一層高めることができるという非常に優れた効果がもたらされる。
According to the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to
Further, according to the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to claim 2 of the present invention, since the above-described configuration is adopted, it is possible to further reduce the analysis time while further improving the analysis accuracy. According to the method for two-dimensional analysis of welding deformation and residual stress according to claim 3 of the present invention, the above-described configuration further enhances the analysis accuracy. This is a very good effect.
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図1〜図3は、本発明の溶接変形及び残留応力の2次元解析方法の一実施形態を示しており、この実施形態において、ビードオンプレート溶接(ビード溶接)に本発明の溶接変形及び残留応力の2次元解析方法を適用した場合を示している。
図1に示すように、長さ寸法(Z方向寸法)500mm,幅寸法(X方向寸法)180mm,厚さ寸法(Y方向寸法)60mmの母材である平板1に対して開先加工を行って、図1(b)の拡大円内にも示すように、上面1aにおける中心線L上に半径Rが約5mmで且つ深さdが約3mmの断面半円形状を成す開先溝1bを形成した後、この開先溝1bに対してアーク溶接によるビード溶接を行った。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3 show an embodiment of a two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to the present invention. In this embodiment, bead-on-plate welding (bead welding) involves welding deformation and residual according to the present invention. The case where the two-dimensional analysis method of stress is applied is shown.
As shown in FIG. 1, groove processing is performed on a
次に、この実施形態における溶接変形及び残留応力の2次元解析方法を用いて、上記したビード溶接に対する溶接変形及び残留応力の解析を行う際の要領を説明する。
図2及び図3(a)に示すように、まず、ステップST1において、3次元モデルによる熱源Sの溶接線(中心線L)に沿う長さZ方向の移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って、3次元モデルである平板1における過渡温度を計算する。
Next, the point at the time of analyzing the welding deformation and residual stress for the above-described bead welding using the two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress in this embodiment will be described.
As shown in FIGS. 2 and 3A, first, in step ST1, unsteady heat conduction analysis is performed in consideration of the movement in the length Z direction along the weld line (center line L) of the heat source S according to the three-dimensional model. The transient temperature in the
次いで、ステップST2において、図3(b),(c)に示すように、3次元モデルである平板1の長さZ方向の中間部分における一断面を2次元モデル1Aとして作成する。
なお、この実施形態において、3次元モデルである平板1の長さZ方向の中間部分における一断面は、溶接線Lを境にしてX方向で対称形状を成しているため、上記一断面の片側(図示右側)を2次元モデル1Aとして採用した。
Next, in step ST2, as shown in FIGS. 3B and 3C, a cross section in the intermediate portion in the length Z direction of the
In this embodiment, since one cross section in the intermediate portion in the length Z direction of the
そして、ステップST3において、上記した3次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた2次元モデル1Aによる熱弾塑性解析を行う。
そこで、この実施形態における溶接変形及び残留応力の2次元解析方法による解析結果を図4に示し、比較のために、上記したビード溶接に対して従来の2次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて溶接変形及び残留応力の解析を行った際の解析結果を図5に示す。
Then, in step ST3, thermal elastic-plastic analysis is performed by the two-
Therefore, FIG. 4 shows the result of analysis by the two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress in this embodiment. For comparison, the conventional method of thermoelastic-plastic analysis using a two-dimensional model is used for the above-described bead welding. FIG. 5 shows the analysis results when the welding deformation and residual stress are analyzed.
図5に示す平板1の上面1aにおける応力分布において、従来の2次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得た解析結果(従1Z)では、高い解析精度が得られる3次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得た解析結果(従2Z)と比べて、溶接線LからX方向に約30mm離れた部位での溶接線Lに沿うZ方向の応力の大きさに明らかな差異が見られる。
In the stress distribution on the
これに対して、図4に示す平板1の上面1aにおける応力分布において、この実施形態における解析方法で得た解析結果(実Z)では、高い解析精度が得られる3次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得た解析結果(従2Z)と比べて、溶接線LからX方向に約30mm離れた部位での溶接線Lに沿うZ方向の応力に大きな差異が見られないことから、この実施形態における溶接変形及び残留応力の2次元解析方法では、3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と同程度の高い精度で溶接変形及び残留応力の解析を行い得ることが実証できた。
On the other hand, in the stress distribution on the
また、上記3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法では、熱源の移動を考慮した非定常熱伝導解析に約30分を費やしていると共に、この非定常熱伝導解析の結果(D)を用いた熱弾塑性解析には約32時間もの時を費やしているのに対して、この実施形態における溶接変形及び残留応力の2次元解析方法では、上記非定常熱伝導解析の結果(D)を用いた熱弾塑性解析を僅か1時間程度で完了し得るので、上記3次元モデルによる熱弾塑性解析を用いた解析方法と比較して、解析時間の大幅な短縮を実現し得ることが実証できた。 Moreover, in the analysis method using the thermoelastic-plastic analysis based on the three-dimensional model, about 30 minutes are spent on the unsteady heat conduction analysis considering the movement of the heat source, and the result of the unsteady heat conduction analysis (D) In contrast, it takes about 32 hours to perform the thermoelastic-plastic analysis using the welding method, whereas in the two-dimensional analysis method of welding deformation and residual stress in this embodiment, the result of the unsteady heat conduction analysis (D) Because it can be completed in just one hour using thermo-elastic-plastic analysis using, it has been demonstrated that the analysis time can be significantly shortened compared to the analysis method using thermo-elastic-plastic analysis based on the above three-dimensional model. did it.
なお、図4では、この実施形態における溶接変形及び残留応力の2次元解析方法で得たX方向の応力解析結果(実X)と高い解析精度が得られる3次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得たX方向の応力解析結果(従2X)を参考表示し、図5では、従来の2次元モデルによる熱弾塑性解析方法で得たX方向の応力解析結果(従1X)と高い解析精度が得られる3次元モデルによる熱弾塑性解析方法を用いて得たX方向の応力解析結果(従2X)を参考表示している。
FIG. 4 shows a thermal elastic-plastic analysis method based on a stress analysis result (actual X) in the X direction obtained by the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress in this embodiment and a three-dimensional model that provides high analysis accuracy. The X-direction stress analysis result (
上記した実施形態に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法では、図2のステップST1において、非定常熱伝導解析によって、3次元モデルである平板1の全長における過渡温度を計算するようにしているが、これに限定されるものではなく、3次元モデルである平板1の長さZ方向の中間部分における過渡温度を計算するようにしてもよい。
また、上記した実施形態に係る溶接変形及び残留応力の2次元解析方法では、図2のステップST2において、3次元モデルである平板1の長さZ方向の中間部分における一断面を2次元モデル1Aとして作成するようにしているが、これに限定されるものではなく、温度が定常的であるならば、3次元モデルである平板1の長さZ方向の端部よりの部分における一断面を2次元モデル1Aとして作成するようにしてもよい。
In the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to the above-described embodiment, in step ST1 of FIG. 2, the transient temperature over the entire length of the
Further, in the two-dimensional analysis method for welding deformation and residual stress according to the above-described embodiment, in step ST2 of FIG. 2, one cross section in the intermediate portion in the length Z direction of the
1 平板(母材)
1A 2次元モデル
1a 平板の上面
S 熱源
1 Flat plate (base material)
1A Two-
Claims (3)
熱源移動を考慮した非定常熱伝導解析を行って3次元モデルである母材における溶接入熱による過渡温度を計算し、
前記3次元モデルである母材の一断面としての2次元モデルを作成した後、
前記3次元モデルによる非定常熱伝導解析の結果である過渡温度を用いた前記2次元モデルによる熱弾塑性解析を行う
ことを特徴とする溶接変形及び残留応力の2次元解析方法。 A welding deformation and residual stress analysis method for analyzing deformations such as stress remaining after welding and shrinkage and strain generated during welding,
Transient heat transfer analysis considering heat source movement is performed to calculate the transient temperature due to welding heat input in the base metal, which is a three-dimensional model,
After creating a two-dimensional model as a section of the base material that is the three-dimensional model,
A method for two-dimensional analysis of welding deformation and residual stress, characterized by performing thermoelastic-plastic analysis by the two-dimensional model using a transient temperature that is a result of unsteady heat conduction analysis by the three-dimensional model.
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JP2013036902A (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-21 | Toshiba Corp | Analyzer, evaluation device, analysis method, and evaluation method |
CN110887594A (en) * | 2019-12-06 | 2020-03-17 | 哈尔滨工业大学 | Characterization method of residual stress of ceramic/metal heterogeneous soldered joint |
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