焊接变形分析方法

专利名称：焊接变形分析方法
技术领域：
本发明涉及利用数值分析计算焊接构造物(有时也简称为“构造物”)的变形、残留应力等的技术。
背景技术：
在通过焊接施工制造大型构造物时，由于对焊接部附近的热积累及其后的冷却而发生焊接变形。为了降低该焊接变形，通常进行约束夹具的安装或焊接后的矫正作业等。在这种情况下，利用有限元法等数值分析来预测变形，以谋求应对变形的最佳化，这对于提高生产效率和降低成本是极为重要的。在利用有限元法进行的焊接变形分析中，大致分为热弹塑性分析和固有应变法两种方法。利用热弹塑性分析进行的焊接变形分析，是在作为分析对象的焊接构造物中，由非稳定热传导分析求出焊接中的热履历，接着利用作为非线性分析的热弹塑性分析，分析焊接中的位移、应变及应力的履历的方法。另一方面，利用固有应变法进行的焊接变形分析，是一种给予焊接构造物在焊接部及其附近产生的固有应变，利用作为线性分析的(热)弹性分析来计算焊接变形的方法。 由焊接产生的固有应变是从表观应变中减去弹性应变的值，固体力学的范围内等同于残留塑性应变。为了利用该固有应变法推定焊接构造物的焊接变形或残留应力，采取以下的步骤。首先，计测由实际的焊接产生的固有的焊接变形或残留应力，或者，利用将用于焊接构造物的焊接法、接头形状、焊接条件等图形化的单元模型，通过热弹塑性分析求出焊接变形或残留应力，将它们作为应变的最佳值并数据库化。其次，将数据库化的应变的最佳值赋予焊接构造物的模型，利用弹性分析法计算焊接变形或残留应力。在专利文献1中揭示了一种焊接残留应力分析方法，所述方法将通过进行采用了三维模型的热弹性分析获得的热变形的结果作为变形约束条件，通过进行采用了二维模型的热弹塑性分析，能够提高分析精度，并且减少计算时间。在专利文献2中揭示了一种分析方法，所述方法将利用线性分析的固有应变法分析焊接构造物整体的模型的各个固有应变成分转换成局部坐标系，计算出焊接变形、残留应力。在专利文献3中揭示了一种分析方法，所述方法在利用焊接构造物的残留应力有限元法进行分析时，通过制约从焊接线到分析模型边界的轴向距离，缩短分析时间。在专利文献4中揭示了一种分析方法，所述分析方法利用在约束条件下获得的焊接固有应变，求出在没有焊接后约束条件时的焊接变形。在专利文献5中揭示了一种分析方法，所述分析方法只进行焊接附近的非线性分析，通过对于被焊接物进行线性分析，计算两个区域的临界面处的反作用力，通过以该反作用力之差处于规定的范围内的方式进行收敛运算，在短时间内计算出焊接变形。[现有技术文献]
[专利文献][专利文献1]特开2009-36669号公报[专利文献2]特开2004-330212号公报[专利文献3]特开2003-194637号公报[专利文献4]特开2006-879号公报[专利文献 5]W02005/09361
发明内容
利用热弹塑性分析法进行的变形分析，由于将从焊接开始到完毕的过程以微小的时间间隔进行分析，所以，可以模拟近似于实际焊接的变形履历。但是，在大型焊接构造物的情况下，在分析模型中，需要庞大的元素数，热弹塑性分析需要长时间的计算时间，在现实当中，在很多情况下是不可能的。根据专利文献1所揭示的方法，由于进行热弹塑性分析的是二维模型，所以可以缩短计算时间。但是，对于复杂的大型构造物的焊接变形，在很多情况下不能采用二维模型，存在着应用受到限制的问题。固有应变法变形分析，由于只利用构造物的弹性分析进行分析就可以进行变形计算，所以，可以大幅度缩短计算时间。但是，将通过计算获得的固有应变分布赋予焊接构造物全体是不容易的。S卩，由于在各个单元模型的热弹塑性分析时使用的模型网格与实际计算的焊接构造物的模型的网格不同，所以，在将由单元模型数据库化的固有应变赋予焊接构造物的模型时，易于由于坐标之间的换算而产生误差。结果，根据场合的不同，会产生将与实际焊接不同的固有应变分布赋予构造物模型的问题。进而，在求出固有应变时使用的单元模型的约束条件一般不能反映焊接构造物的约束条件。因此，存在着赋予构造物模型的、由单元模型获得的固有应变的分布与由实际焊接产生的实际构造物的固有应变不同的问题。在很多情况下，通过将在与实际构造物不同的约束条件下获得的固有应变赋予构造物模型而计算出的变形，与实际焊接构造物的变形倾向不一致。在专利文献2、3、4中揭示了各种各样的固有应变方法，通过坐标系的换算或分析模型的简化或者计算范围的缩小，可以谋求计算精度的提高和计算时间的缩短。但是，存在着不能进行在构造物全体的变形中产生的应变或者应力分布等的计算的问题。专利文献5中揭示的分析方法存在着对于大型构造物进行收敛计算花费时间的问题。因此，鉴于上述情况，本发明的目的是兼顾大型焊接构造物的焊接变形预测中计算精度的提高和计算时间的缩短。为了达到所述目的的本申请发明的特征是，不进行固有应变的计算或向构造物的赋予(变换)，并且只在焊接部及其附近进行热弹塑性分析的所谓部分热弹塑性分析(有时，也称之为“焊接变形分析”)。具体地说，本发明的焊接变形分析方法包括利用网格生成工序将成为分析对象的构造物制成整体模型，从成为变形分析对象的、弹性分析所必要的焊接构造物的整体模型中提取包含有部分热弹塑性分析所必要的焊接部的局部模型的工序；对所述局部模型和整体模型的剩余部分的边界部给予约束，对所述局部模型进行热弹塑性分析的工序；在所述局部模型的热弹塑性分析工序结束之后，将包含有通过所述热弹塑性分析获得的焊接完毕之后的最终的应变分布和应力分布的所述局部模型贴到所述整体模型的剩余部分上，借此再次构筑整体模型的工序；通过进行整体模型的弹性分析，求出构造物的焊接变形和应力的工序。由于所述局部模型是从所述整体模型中直接提取的，所以，构成所述局部模型的网格的元素及节点的结构和相对坐标关系与所述整体模型的一部分相一致。在进行所述局部模型的热分析时，对于局部模型与整体模型的剩余部分在分析上的边界部给予适当的约束条件，其中，所述边界部在实际的构造物中并不存在，而是通过提取所述局部模型的工序形成的。这时，考虑实际构造物的约束状况来设定边界部的约束条件。对于所述整体模型的再次构筑，可以将满足在进行所述局部模型的热弹塑性分析时给予的约束条件、包含有通过热弹塑性分析获得的焊接完毕之后的最终的应变分布和应力分布的所述局部模型贴到所述整体模型上。或者，也可以将提取出所述局部模型之后的整体模型的剩余部分贴到包含有通过热弹塑性分析获得的焊接完毕之后的最终的应变分布和应力分布的所述局部模型上。在通过整体模型的弹性分析计算构造物的焊接变形时，解除在进行所述局部模型的热弹塑性分析时给予的约束条件，设定接近于实际构造物的约束条件，进行弹性分析，求出构造物整体的焊接变形和应力。详细情况将在后面进行描述。根据本发明，可以兼顾地在大型焊接构造物的焊接变形预测中计算精度的提高及计算时间的缩短。


图1是本实施方式的分析装置的硬件结构及软件结构的结构图。图2是表示根据本实施方式的利用有限元法进行的焊接变形分析处理的流程图。图3是表示作为分析对象的焊接构造物的结构的图示。图4是表示图3的焊接构造物的整体模型的图示。图5是表示提取的局部模型的图示。图6是局部模型的边界部的放大图。图7是表示再次构筑的整体模型的图示。图8是表示局部模型的图示。图9是本发明的焊接变形分析方法、现有的热弹塑性法、现有的固体应变法的分析时间及分析精度的比较表。图10是表示实施例2中的整体模型的再次构筑的形式的图示。
具体实施例方式下面，参照适当的附图，对实施本发明的方式(下面，称之为“实施方式”)进行说明。《结构》图1是本实施方式的分析装置的硬件结构及软件结构的结构图。图1所示的分析装置100是计算机，作为硬件结构，该计算机包括输入部110、输出部120、控制部130以及存储部140。该分析装置100在存储部140中存储CAD (计算机辅助设计)数据141，并且， 存储作为软件结构的实现模型生成 加工部142、分析部143及参数取得部144的焊接变形分析方法用的程序。输入部110例如是接受使用者的操作的鼠标或键盘，包括将由使用者输入的信号传送给控制部130的输入接口。输出部120例如是显示成为分析对象的焊接构造物的CAD数据或者其模型、数值分析的计算结果等的显示器，包括根据来自于控制部130的指令(包括绘图指令)显示规定的图像的输出接口。控制部130例如是CPU (中央处理器)，读出存储部140存储的程序中记载的编码， 实施相应的信息处理(包括数值分析的运算处理)。存储部140例如是R0M(只读存储器也称为“存储介质”)、RAM(随机存储器)、 HDD (硬盘驱动器)，如前面所述，存储作为CAD数据141、模型生成 加工部142、分析部143 及参数取得部144起作用的程序。CAD数据141是利用CAD进行设计作为分析对象的焊接构造物而生成的例如三维数据。在CAD数据141中还包括表示焊接构造物的物理性质的物理参数。配备有图中未示出的通信接口且连接到网络上的分析装置100，也可以从连接到该网络上的数据库服务器等外部取得CAD数据141。模型生成 加工部142由CAD数据141例如生成焊接构造物的三维分析模型(有时，也简单地称之为“模型”)，或者，根据来自于输入部110的输入进行加工。在模型的生成中，从CAD数据141获得分析对象的形状，同时，也根据由来自于输入部110的输入指定的网格结构，进行网格的生成。如果获得了形状，例如，利用在模型内预先设定的三维坐标(在本实施方式中，以坐标轴正交的情况进行说明)的坐标值来决定该焊接构造物所占据的位置，并且，进而，决定构成位于该坐标值上的部件的物质的物理参数，存储在存储部 140。所述物理参数由CAD数据141获取。另外，在模型的加工中，例如，包括后面将要描述的局部模型的提取、网格的节点的约束、约束的解除、整体模型的再次构筑等处理。生成或者加工的模型(整体模型或局部模型等)被存储在存储部140中。分析部143对于生成或者加工的模型进行数值分析，求出规定的分析结果。在本实施方式中进行的数值分析中，例如，包括作为非线性分析的热弹塑性分析或作为线性分析的弹性分析。如果在本实施方式中采用固有应变法，则由分析部143来进行这些分析。参数取得部144，例如，获得由输入部110的输入指定的参数。该参数是为了由模型生成 加工部142进行模型的生成、加工或由分析部143进行数值分析所必要的值、条件等，具体地说，是有关网格构成的初始条件(例如所使用的网格数、尺寸、形状)，从整体模型中提取局部模型时确定的局部模型与整体模型的剩余部分的边界部，或者网格的节点的约束条件(例如约束对象的网格的节点、该节点的约束的方向(X方向、Y方向、Z方向中的至少一个))。另外，所谓网格的节点的“约束”是指即使进行数值分析该节点的位移量仍然为零。通过这种约束，确定分析模型的数值分析中的位置的基准。在三维分析模型中，在进行数值分析时，至少需要六个自由度的约束。但是，不用考虑约束的节点的位置或方向。上面，对本实施方式的分析装置的结构的说明结束。《处理》其次，对于利用本实施方式的分析装置100实施的处理进行说明。该处理，S卩，主要关于焊接变形分析的处理，在由控制部130进行的控制下，通过在RAM等的存储区域读出存储在存储部140中的程序来实现。图2是表示根据本实施方式的有限元法进行的焊接变形分析的处理的流程图。该控制的主体是控制部130。在该处理中，首先，对作为分析对象的焊接构造物进行三维分析模型化，构筑整体模型(Si)。在构筑该整体模型时，为了得到由热弹塑性分析获得的足够的分析精度，对于包括包含在焊接构造物中的焊接部及其附近在内的热弹塑性分析所必需的范围，设定细 (密)的网格。对于除此之外的范围，由于只进行弹性分析，所以设定粗的网格。只进行上述弹性分析的范围的网格的尺寸是上述热弹塑性分析所必需的范围的网格尺寸的数倍到数十倍。结果，整体模型的元素数减少，可以缩短计算时间。这些网格的尺寸或元素数是作为参数取得部144的参数取得的。其次，从构筑的整体模型中提取包括焊接部及其附近在内的、热弹塑性分析所必需的范围的元素，作为热弹塑性分析用的局部模型(S2)。由于该局部模型是从整体模型中原样提取出来的，所以，模型及网格的生成限于一次，可以缩短网格的生成工序。在局部模型的提取中，作为参数取得部144的参数，获取并设定局部模型的边界部与整体模型的剩余部分的边界部。其次，在提取出局部模型之后，给予局部模型的边界部适当的约束条件，约束边界部(S3)，进行局部模型的热弹塑性分析(S4)。上述局部模型的边界部是与上述整体模型的剩余部分的边界面。另外，考虑到实际构造物的约束状况来设定边界部的约束条件。对于形成在整体模型的剩余部分中的边界部也进行所述约束。作为参数取得部144的参数设定该约束。另外，优选地，在局部模型的边界部的节点被约束的状态下，进行热弹塑性分析， 但是，在未约束边界部的节点的状态下，也可以实施局部模型的热弹塑性分析。另外，关于局部模型的边界部(以及整体模型的剩余部分的边界部)的节点的约束，可以对全部节点进行，也可以对一部分节点进行。其次，在结束局部模型的热弹塑性分析之后，通过将包含有成为分析结果的热分布、应力分布及应变分布在内的局部模型贴到(合并到)整体模型的剩余部分上，或者通过将除去局部模型之外的整体模型的剩余部分贴到(合并到)包含有热弹塑性分析结果的局部模型上，再次构筑弹性分析用的整体模型(S5)。另外，在局部模型的热弹塑性分析时对局部模型的边界部不设定约束的情况下， 在再次构筑弹性分析的整体模型时，以使整体模型的剩余部分的边界部的节点与局部模型的边界部的节点重合的方式使之移动，将整体模型的网格贴到局部模型上。
在再次构筑整体模型之后，撤除上述局部模型的边界部的约束条件，消除边界部的约束之后(S6)，利用再次构筑的整体模型，设定与实际构造物相同的约束构件(例如 构造物的端部的约束。详细情况将在后面描述)，通过实施弹性分析，计算构造物的变形 (S7)。上面关于本实施方式的分析装置的处理的说明完毕。[实施例1]其次，作为实施例1，说明将本实施方式的分析方法应用于具体的形状一定的焊接构造物的情况。图3是表示作为分析对象的焊接构造物的结构的图示。该焊接构造物是管状构造物。由被焊接材料A和被焊接材料B的环焊接C构成。焊接之后的构造物长度约5m，直径约200mm，厚度为7mm 13mm。通过将该图3所示的焊接构造物有限元模型化，生成三维模型，通过实施网格生成工序(由模型生成·加工部142进行的处理之一)构筑整体模型。图4是表示图3的焊接构造物的整体模型的图示。该整体模型由局部模型4(用网纹表示)和整体模型的剩余部分5构成，所述局部模型4由作为与被焊接材料A的一部分对应的模型的被焊接部1、作为与被焊接材料B对应的模型的被焊接部2以及作为与环焊接(焊接部位)C对应的模型的焊接部3构成。所述整体模型的剩余部分5包括作为与被焊接材料A的剩余部分对应的模型的被焊接部。在生成所述整体模型的网格时，将包含焊接部3及其附近的热弹塑性分析所必需的范围作为局部模型4，设定细的网格。对于除此之外的范围、即整体模型的剩余部分5，由于只进行弹性分析，所以，生成粗的网格。上述热弹塑性分析所必需的局部模型4的网格的尺寸是上述弹性分析所必需的整体模型的剩余部分5的网格的尺寸的几分之一 几十分之一。但是，为了便于说明，在图4中，省略了设定的网格的图示。上述热弹塑性分析所必需的局部模型4的网格比只进行弹性分析的整体模型的剩余部分5的网格小很多，但是，也可以将整体模型的剩余部分5和局部模型4 一起设定成相同程度尺寸的网格。这是因为，即使在相同程度的元素数的情况下，与弹性分析相关的时间也在热弹塑性分析的时间的几千分之一以下。即，尽管若将整体模型的剩余部分5的网格分割成与局部模型4的网格相同程度的粗细，则元素数目增加，但是，由于增加程度的网格只进行弹性分析，并且整体的分析时间主要由局部模型4的热弹塑性分析支配，所以，整体的分析时间的增加程度与热弹塑性分析的时间相比，小到可以忽略的程度。考虑到实际焊接条件和焊缝的截面形状来决定本实施例的模型的网格分割。对于元素的类型，优选采用分析精度高的六面体元素。另外，也可以采用四面体元素、三角柱元素，或者也可以采用它们的混合元素。生成六面体网格的整体模型的规模为大约100，000个元素、150，000个节点的程度。其中，包括焊接附近的热弹塑性分析所需要的局部模型部分的规模为大约25，000个元素、40，000个节点的程度。由于焊接是通过激光·电弧复合焊接、单一焊道焊接进行的，所以，热源模型采用线状高斯(Gaussian)热源(相当于激光热源)和点状高斯(Gaussian) 热源(相当于电弧热源)的复合移动热源。考虑到实际焊接条件及焊缝截面形状来决定分析的热量输入条件。焊接时间和实际焊接相同，为90秒。
在生成包含有设定了细网格的局部模型的整体模型之后，在生成的整体模型中， 将包含焊接部及其附近的、有必要进行热弹塑性分析的范围作为局部模型4，进行局部模型的提取工序(由模型生成·加工部142进行的处理之一)。图5是表示提取出来的局部模型的图示。该局部模型4的网格与图4所示的作为整体模型的一部分的局部模型4的网格结构完全一致。例如，提取出来的网格的节点的坐标值表示与提取前的坐标值相同的值。另外，在提取时，在局部模型4上，形成作为与整体模型的剩余部分5的边界面的边界部6，边界部6的位置由参数取得部144设定。其次，用提取出来的局部模型4进行热弹塑性分析。在该局部模型4的热弹塑性分析中包括三个步骤1 3。在局部模型4的热弹塑性分析的步骤1中，实施热分析。作为具体的流程，首先， 设定模拟实际焊接条件的热量输入条件，其次，以微小的时间间隔对从焊接开始到完毕的过程进行热分析，计算接近于实际焊接的热履历。从而，获得在焊接部3及其附近的温度分布的履历。另外，在计算上述局部模型4的热履历时，采用局部模型4，但是，采用整体模型实施热分析也没有问题。但是，在这种情况下，由计算获得的焊接部3及其附近的温度分析履历(热履历)有必要能够模拟实际焊接的热履历。在局部模型4的热弹塑性分析的步骤2中，设定在下一个步骤3中实施预定的热弹塑性分析时成为必要条件的边界部6的约束条件。该边界部6是通过上述局部模型4的提取工序形成的、局部模型4与整体模型的剩余部分5在分析上的边界面，在实际的构造物中并不存在这样的边界面。另外，也约束整体模型的剩余部分5的边界面的节点。图6是局部模型的交界部的放大图。参照图6，对局部模型的边界部的约束条件的设定进行说明。本实施例的分析模型由用标号10、11表示的六面体元素构成。一个个六面体元素的每一个具有8个用标号20 23表示的节点。这里，节点20不属于局部模型4的边界部6的边界面，节点21 23属于边界部6的边界面。从而，局部模型4的边界部6的约束条件的设定给予如节点21 23这样的位于边界部6的边界面上的节点以约束条件。考虑到实际构造物的约束状况来设定边界部6的约束条件。在本实施例的情况下，在如图6所示的节点21 23这样的边界部6的全部节点中，使该图所示的坐标方向的 X方向、Y方向、Z方向的位移量为0。在局部模型的热弹塑性分析的步骤3中，在设定了上述边界部6的约束条件之后， 将在热弹塑性分析的步骤1中获得的局部模型4的热履历的分析结果作为输入条件，实施非线性的热弹塑性分析。通过步骤3的分析，获得局部模型4的应变履历及应力履历。其次，利用上述局部模型4的热弹塑性分析的结果，再次构筑构造物的整体模型， 对该整体模型进行弹性分析，计算构造物的变形。在该整体模型的弹性分析中，也包含三个步骤1 3。另外，图7是表示再次构筑的整体模型的图示。在整体模型的弹性分析的步骤1中，将包含热弹塑性分析结果的局部模型4贴到整体模型上，再次构筑图7所示的整体模型。在实施局部模型4的热弹塑性分析时，由于局部模型4和整体模型的剩余部分5的边界部的节点受到约束，所以，可以简单地实现局部模型4向整体模型的剩余部分5的贴附。另外，将通过局部模型4的热弹塑性分析获得的应变分布及应力分布也贴到整体模型的剩余部分5上。结果，在再次构筑的整体模型中，包含通过局部模型4的热弹塑性分析获得的焊接附近的应变分布、应力分布等信息。在再次构筑上述整体模型时，将局部模型4贴到整体模型的剩余部分5上，但是， 也可以反过来，将通过提取局部模型4而剩下的整体模型的剩余部分5的网格贴到含有所述热弹塑性分析结果的局部模型4上。在整体模型的弹性分析的步骤2中，解除在进行局部模型4的热弹塑性分析时设定的局部模型的边界部6的约束条件，设定能够模拟实际构造物的约束的约束条件。在本实施例中，如图7所示，对属于整体模型的端部7的节点41设定X方向、Y方向、Z方向三个约束，对于节点42给予Y方向和Z方向的约束，对于节点43设定Z方向的约束。在整体模型的弹性分析的步骤3中，利用包括局部模型4的应变分布和应力分布、 设定了新的约束条件(在端部7处的约束)的整体模型，进行弹性分析，计算构造物的变形。[与现有技术的比较]作为比较，采用图3所示的本实施例的分析对象，利用现有的热弹塑性分析法、现有的固有应变法、本发明的部分热弹塑性分析法进行分析，对于直到获得分析结果的所有时间及分析精度，对三种方法进行比较。在进行现有的热弹塑性分析时，利用本实施例的整体模型来实施。该模型的网格结构与图7所示的本实施例中使用的整体模型相同。但是，由于现有的热弹塑性分析对整体模型实施热弹塑性分析，所以，在该整体模型中，同时包含温度、应力、应变、变形量等作为热弹塑性分析结果的信息。由于焊接是通过激光、电弧复合焊接由一道焊接进行的，所以，热源模型采用线状高斯(Gaussian)热源(相当于激光热源)和点状高斯(Gaussian) 热源(相当于电弧热源)的复合移动热源。考虑到实际焊接条件及焊缝截面形状来决定分析的热量输入条件。焊接时间和实际焊接相同，为90秒。在设定了上述分析模型及焊接条件(热量输入条件)之后，利用和本实施例所记载的所述局部模型4的热弹塑性分析法同样的分析方法，进行整体模型的热弹塑性分析 (下述步骤1 3)。在热弹塑性分析步骤1中，实施热分析。设定模拟实际焊接条件的热量输入条件， 设定微小的时间间隔对从焊接开始到完毕的过程进行热分析，计算接近于实际焊接的热履历。从而，作为分析结构，获得包含焊接部3及其附近的整体模型的温度分布的履历。在步骤2，设定可以模拟实际构造物的约束的、成为焊接变形分析所必需的边界条件的约束条件。与在本实施例中实施的整体模型的弹性分析时设定的约束条件一样，对于属于图7所示的整体模型的端部7的节点41，设定X方向、Y方向、Z方向三个约束，对节点 42给予Y方向和Z方向的约束，对于节点43设定Z方向的约束。在步骤3，在设定了上述端部7的约束条件之后，将在热弹塑性分析的步骤1中获得的整体模型的热履历的分析结果作为输入条件，实施非线性的热弹塑性分析。通过实施， 获得整体模型的应变履历和应力履历、或者各节点的位移履历。由该位移履历可以计算焊接构造物的整体的变形。另外，在实施现有的固有应变法时，首先，有必要利用热弹塑性分析法计算焊接部 3及其附近的固有应变分布。为此，采用在本实施例中使用的热弹塑性分析的局部模型4的网格结构。图8是表示局部模型的图示。该图相当于改变图5所示的局部模型4的观察点、 且网格结构不同的图示，表示局部模型4的端部8。分析所必需的热量输入条件也和本实施例一样地设定，但是，对于约束条件，如图 8所示，对于局部模型4和整体模型5的边界部6的相反侧的端部8设定适当的约束。艮口， 对于端部8的节点81，设定X方向、Y方向、Z方向三个约束，对于端部8的节点82给予Y 方向和Z方向的约束，对于端部8的节点83设定Z方向的约束。设定约束条件之后，利用和所述局部模型的热弹塑性分析法同样的分析法，进行局部模型4的热弹塑性分析。结果，作为固有应变，获得焊接部3及其附近的温度履历、应变履历、应力履历等。其次，从上述结果中提取焊接附近的固有应变，将该固有应变赋予整体模型，所述整体模型包含有和图7所示的本实施例中使用的整体模型同样的网格结构，并且，当前处于在全部元素及节点上应变、应力、温度等全部为零的状态。在将上述固有应变给予整体模型之后，设定整体模型的约束条件，进行弹性分析。 约束条件的设定和本实施例一样，如图7所示，对于属于整体模型的端部7的节点41，设定 X方向、Y方向、Z方向三个约束，对于节点42给予Y方向和Z方向的约束，对于节点43设定Z方向的约束。之后，进行整体模型的弹性分析，计算整体的变形。图9是本发明的焊接变形分析方法、现有的热弹塑性法、现有的固体应变法的分析时间及分析精度的比较表。变形量的分析精度最高的是现有技术的热弹塑性分析法(用 “◎”表示)，在本发明的分析方法中，也比现有的固有应变法(用“Δ”表示)更优异的、获得足够的分析精度(用“〇”表示)。另一方面，对于分析时间，现有的热弹塑性分析法最长(用“ X ”表示)，根据分析对象的不同，在很多情况下不能进行分析。与此相对，本发明的分析方法比固有应变法(用 “Δ”表示)，可以实现大幅度的缩短分析时间(用“〇”表示)。另外，本发明的分析方法， 由于不需要固有应变的计算和整体模型的赋予工序，分析时间最短。[实施例2]其次，作为实施例2，说明将本实施方式的分析方法应用于具体形状确定的焊接构造物的另外的情况。实施例2，是关于变更了实施例1的边界部的约束条件的设定的情况的例子。本实施例的分析对象和实施例1中使用的对象相同，是图3所示的管状焊接构造物。另外，关于分析方法，除与边界部的约束条件的设定相关的处理之外，和实施例1同样。 即，实施例2的分析方法包括首先利用生成网格的工序将作为分析对象的构造物制成整体模型，将包含有热弹塑性分析所必要的焊接部的局部模型从作为分析对象的弹性分析所必需的焊接构造物的整体模型中提取出来的工序；不对所述局部模型的边界部和整体模型的剩余部分的边界部给予约束，对所述局部模型进行热弹塑性分析的工序；在所述局部模型的热弹塑性分析工序结束之后，对于包含有通过热弹塑性分析获得的焊接完毕之后的最终的应变分布和应力分布的所述局部模型，在考虑到由于热弹塑性分析引起的位移量的同时，将其粘贴到所述整体模型的剩余部分上，借此，再次构筑整体模型的工序；通过进行整体模型的弹性分析，求出构造物的焊接变形和应力的工序。
生成整体模型的网格的工序、提取热弹塑性分析所必要的局部模型的工序、进行局部模型的热弹塑性分析的工序、以及进行整体模型的弹性分析的工序这四个分析步骤， 与实施例1所示的步骤一致。但是，对于在局部模型的热弹塑性分析时所必要的边界部的约束条件的设定及整体模型的再次构筑，与实施例1不同。在本实施例中，不约束局部模型的边界部，但是，在进行局部模型的热弹塑性分析时，局部模型的端部受到约束。下面，参照图8说明局部模型的端部的约束的详细情况。在本实施例中，图8所示的局部模型4是从图3所示的整体模型中提取的模型，网格结构和其整体模型的一部分相同。在设定本实施例的局部模型4的端部的约束条件时，如图8所示，对于作为局部模型4的边界部6的相反侧的端面的端部8设定适当的约束。例如，对于节点81，设定X方向、Y方向、Z方向三个约束，对于节点82给予Y方向和Z方向的约束，对于节点83设定Z 方向的约束。另外，在再次构筑弹性分析所必需的整体模型时，将整体模型的剩余部分5贴到包含有热弹塑性分析结果的局部模型4上。这是为了应对这样的现象即，在局部模型4的热弹塑性分析时，对于局部模型4与整体模型的剩余部分5各自的边界部不设定约束条件， 所以，在局部模型4的边界部6的节点处发生位移。与整体模型的剩余部分的边界部的节点的坐标不一致。具体地说，使整体模型的剩余部分5移动与通过热弹塑性分析产生的位移量相当的量(以抵消位移量)，进行贴附。图10是表示实施例2中的整体模型的再次构筑的形式的图示。如图10所示，使实施局部模型4的热弹塑性分析之前的整体模型的剩余部分5的边界部61的节点移动，使之与实施了热弹塑性分析的局部模型4的边界部6的节点吻合。尽管为了使上述整体模型的剩余部分5的边界部61的节点与局部模型4的边界部6的节点相一致要花费相应的时间，但是，由于该节点的吻合只限于边界部61的节点，所以，与像现有的固有应变法那样将焊接部附近的庞大的节点的固有应变赋予整体模型的剩余部分5的工序相比，可以大幅度缩短时间。另外，也可以和所述贴附相反，将局部模型4贴到整体模型的剩余部分5上，再次构筑整体模型。通过使整体模型的剩余部分5的边界部61的节点与局部模型4的边界部6的节点相吻合，在再次构筑整体模型之后，利用再次构筑的整体模型，进行弹性分析，计算焊接变形。利用实施例2的分析方法的分析时间和分析精度与图9所示的比较表一样。《总结》借助本实施方式，产生以下的效果。即，根据本实施方式的焊接变形分析，借助焊接附近的热弹塑性分析，可以计算出残留应力和残留应变，并且，不进行固有应变的计算或测定、进而不进行将固有应变赋予整体模型等工序，就可以进行构造物整体的弹性分析。从而，能够短时间并且高精度地进行大型焊接构造物的变形预测。另外，如实施例2所示，即使是不对局部模型进行约束时的焊接变形分析，也能够短时间并且高精度地进行大型焊接构造物的变形预测。《其它》
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另外，所述实施方式是适合于实施本发明的方式，但是，实施方式并不限定与此， 在不超出本发明的主旨的范围内，可以进行种种变形。例如，在本实施方式中，对于采用三维分析模型的数值分析进行了说明。但是，也可以采用一维或二维分析模型。另外，在本实施方式中，在提取局部模型时形成的局部模型的边界部也可以形成两个以上，也可以不沿着网格的面，而以与网格的面平行或者非平行地切断网格的方式形成。在以切断网格的方式形成的情况下，可以将通过该切断形成的切断面作为新的网格的另外，在本实施方式中，局部模型的边界部作为从输入部输入的参数，由使用者指定。但是，在提取局部模型时，为了到达所希望的分析时间和所希望的分析精度，也可以采用能够设定所述边界部的程序。对于其它的硬件、软件等具体的结构，在不超出本发明的主旨的范围内，可以适当地变更。[工业上的利用可能性]本发明的焊接变形分析方法，不管形状如何，在进行大型焊接构造物的焊接变形的分析时是有效的。[符号说明]1被焊接部2被焊接部3焊接部4局部模型5整体模型的剩余部分6边界部100分析装置110输入部120输出部130控制部140存储部14ICAD 数据142模型生成·加工部143分析部144参数取得部
权利要求
1.一种焊接变形分析方法，该焊接变形分析方法为将焊接构造物模型化以进行数值分析的分析装置的焊接变形分析方法，其特征在于，所述分析装置的存储部存储所述焊接构造物的整体模型，所述焊接构造物的整体模型是利用用于进行所述数值分析的网格生成的，所述分析装置的控制部进行以下步骤从所述整体模型中提取局部模型的步骤，所述局部模型包含对应于所述焊接构造物的焊接部位的模型，约束构成所提取的所述局部模型的与所述整体模型的剩余部分的边界部的网格的节点的步骤，在所述局部模型中，进行作为所述数值分析的热弹塑性分析的步骤，将所述局部模型和所述整体模型的剩余部分合并，再次构筑整体模型的步骤，在再次构筑的整体模型中，解除所述约束，进行作为所述数值分析的弹性分析，借此， 计算所述焊接构造物的变形的步骤。
2.如权利要求1所述的焊接变形分析方法，其特征在于，用于所述整体模型的剩余部分的网格比用于所述局部模型的网格粗。
3.一种焊接变形分析方法，该焊接变形分析方法为将焊接构造物模型化以进行数值分析的分析装置的焊接变形分析方法，其特征在于，所述分析装置的存储部存储所述焊接构造物的整体模型，所述焊接构造物的整体模型是利用用于进行所述数值分析的网格生成的，所述分析装置的控制部进行以下步骤从所述整体模型中提取局部模型的步骤，所述局部模型包含对应于所述焊接构造物的焊接部位的模型，在所述局部模型中，进行作为所述数值分析的热弹塑性分析的步骤，移动所述局部模型或者所述整体模型的剩余部分，以便抵消由所述热弹塑性分析在所述局部模型中产生的位移量，将所述局部模型和所述整体模型的剩余部分合并，再次构筑整体模型的步骤，在再次构筑的整体模型中，通过进行作为所述数值分析的弹性分析，计算所述焊接构造物的变形的步骤。
全文摘要
本发明的课题是兼顾在大型焊接构造物的焊接变形预测中的计算精度的提高及计算时间的缩短。根据本发明，在生成网格，将作为分析对象的焊接构造物模型化并进行热弹塑性分析的方法中，构筑焊接构造物的整体模型(S1)，从该整体模型中，提取出包含焊接部在内的局部模型(S2)。其次，约束提取出来的局部模型与整体模型的剩余部分的边界部(S3)，进行热弹塑性分析(S4)，将包含有热弹塑性分析的分析结果的局部模型贴到整体模型的剩余部分上，再次构筑整体模型(S5)。之后，解除边界部的约束(S6)，进行整体模型的弹性分析(S7)，由此计算焊接构造物的变形。
文档编号B23K31/00GK102152016SQ20111003660
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月3日
发明者张旭东 申请人:株式会社日立制作所