解析装置、評価装置、解析方法および評価方法
【課題】溶接変形及び残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上する解析装置を提供する。
【解決手段】この解析装置１は、溶接部の部材の材料物性、溶接入熱、継手形状、溶接速度、開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて溶接部の二次元熱弾塑性解析を行い、二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める解析手段２と、求めた二次元モデルにおける第１固有ひずみ分布を三次元モデルにおける溶接線中心で溶接線と直交する断面での第１固有ひずみ分布に変換する変換手段３と、変換した三次元モデルにおける第１固有ひずみの分布に基づいて溶接線長手方向の第２固有ひずみ分布を出力する出力手段４と、第１固有ひずみ分布と第２固有ひずみ分布とに基づいて固有ひずみ法を用いた三次元モデルの弾性解析を行い、構造物の溶接変形や残留応力を求める弾性解析手段５と、を備える。
【解決手段】この解析装置１は、溶接部の部材の材料物性、溶接入熱、継手形状、溶接速度、開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて溶接部の二次元熱弾塑性解析を行い、二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める解析手段２と、求めた二次元モデルにおける第１固有ひずみ分布を三次元モデルにおける溶接線中心で溶接線と直交する断面での第１固有ひずみ分布に変換する変換手段３と、変換した三次元モデルにおける第１固有ひずみの分布に基づいて溶接線長手方向の第２固有ひずみ分布を出力する出力手段４と、第１固有ひずみ分布と第２固有ひずみ分布とに基づいて固有ひずみ法を用いた三次元モデルの弾性解析を行い、構造物の溶接変形や残留応力を求める弾性解析手段５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、構造物に発生する溶接変形や残留応力を解析、評価する解析装置、評価装置、解析方法および評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
解析方法としては、有限要素法（Finite Element Method：以下「ＦＥＭ」という）を用いた熱弾塑性解析を行って、溶接時の構造物に発生する溶接変形や溶接後の構造物に残留する残留応力を評価するもの、また構造物の固有ひずみ等の概念を用いて弾性解析で簡易的に、溶接時の構造物に発生する溶接変形や溶接後の構造物に残留する残留応力を評価するものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５０８２９号公報
【特許文献２】特開平６−１８６１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、現状の装置では、構造物の溶接変形及び残留応力を評価することは現実的には困難であった。すなわち、このような装置では、三次元熱弾塑性解析を行うためにその計算量が多くなって構造物の溶接変形や残留応力の評価に多大な時間が必要になって、構造物の形状が複雑になるほど評価が困難になったり、また実際の構造物の固有ひずみ分布等を考慮せずに代表的な固有ひずみのみを用いた弾性解析を行うので、実際の構造物の評価精度が低くなって正しい評価が困難となっていた。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、溶接変形及び残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上することのできる解析装置、評価装置、解析方法および評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の解析装置は、入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める二次元熱弾塑性解析手段と、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換する固有ひずみ変換手段と、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力する固有ひずみ分布出力手段と、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求める固有ひずみ法弾性解析手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、実施形態の評価装置は、上記記載の解析装置と、入力された構造物の拘束の強さ、溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、構造物の溶接変形や残留応力を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、実施形態の解析方法は、二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、実施形態の評価方法は、二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、評価手段が、入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接変形及び残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図２】構造物の二次元熱弾塑性解析モデルの一例を示す図である。
【図３】構造物の三次元有限要素モデルを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の構成を示す構成ブロック図である。
【図５】溶接線の中心からのＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図６】溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数の一例を示す図である。
【図７】分布ＤＢに記憶された溶接部の溶接線方向の中心での固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図８】固有ひずみ分布抽出部によって抽出された固有ひずみ値の分布データの一例を示す図である。
【図９】三次元固有ひずみ法弾性解析の結果を示す図である。
【図１０】解析装置による溶接変形や残留応力の解析を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態２の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図１２】実施形態２における溶接線の中心からのＸ軸方向の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図１４】実施形態３における溶接線の長手方向の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図１５】解析された溶接変形、溶接残留応力を評価する評価装置の概念を説明するための概念図である。
【図１６】評価装置による溶接変形や残留応力の評価を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態の概念）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。図２は、構造物の二次元熱弾塑性解析モデルの一例を示す図である。図３は、構造物の三次元有限要素モデルを示す図である。
【００１３】
まず、図１〜図３を用いて実施形態の概念について説明する。
図１に示すように、この解析装置１は、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、固有ひずみ法を用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６とから構成されている。
【００１４】
図２に示すように、二次元熱弾塑性解析モデル２０は、構造物の溶接部２１と母材２２，２２を有限要素モデルとしてモデル化しており、要素として一般化平面ひずみ要素を用いる。このような有限要素モデルは、Ｘ軸−Ｙ軸（以下、「Ｘ−Ｙ」という）平面上にモデル化されており、Ｚ軸方向は入熱が均一あると仮定されている。
【００１５】
すなわち、一般化平面ひずみ要素は、図３に示す溶接線Ｚ０方向に十分に長い三次元弾性解析モデル３０で考えた場合、溶接部２１の溶接線Ｚ０の中心で溶接線Ｚ０と直交する平面３１での応力・ひずみ状態に近いものとなる。二次元熱弾塑性解析手段２は、この溶接線Ｚ０の中心Ｓで溶接線Ｚ０と直交する平面３１に発生する固有ひずみとほぼ等しいＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみを得るものである。なお、入熱は、溶接線Ｚ０の中心Ｓに行った場合である。
【００１６】
さらに、この二次元熱弾塑性解析で得られた固有ひずみを、固有ひずみ変換手段３が三次元解析用の固有ひずみの基本データ（以下、「基本固有ひずみ」という）に変換し、この基本固有ひずみの分布をもとに、固有ひずみ分布出力手段４が溶接線Ｚ０の長手方向の三次元弾性解析用の固有ひずみ（以下、「溶接線固有ひずみ」という）分布を求める。
【００１７】
そして、この求めた三次元解析用の基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布をもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００１８】
ここで、Ｘ−Ｙ断面の基本固有ひずみ分布、Ｚ軸方向の溶接線固有ひずみ分布が三次元的に得られたので、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５においては、この三次元的分布を有する固有ひずみを弾性ひずみとして三次元弾性解析モデルの初期条件に入力して弾性解析を行う。このように、固有ひずみを弾性ひずみとして弾性解析モデルに与える計算手法には、例えば固有ひずみ法がある。この固有ひずみ法を用いた三次元固有ひずみ法弾性解析手段５により求められた弾性解析結果は、溶接変形・残留応力出力手段６によって溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分として出力される。
【００１９】
（実施形態１）
図４は本発明の一実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１０の構成を示す構成ブロック図である。
【００２０】
図４に示すように、構造物の溶接変形や残留応力を解析、評価する解析装置１０は、データ入力を行うデータ入力部１１、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行う二次元熱弾塑性解析部１２、後述する条件のデータに基づく分布データを記憶する分布データベース（以下、「分布ＤＢ」という）１３、後述する条件のデータに基づく補正係数を記憶する補正係数データベース（以下、「補正係数ＤＢ」という）１４、補正係数ＤＢ１４から所定の補正係数を抽出する補正係数抽出部１５、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換部１６、三次元弾性解析用の固有ひずみを抽出する固有ひずみ分布抽出部１７、固有ひずみ法を用いた三次元固有ひずみ法弾性解析を行う三次元弾性解析部１８、解析された溶接変形や残留応力を出力する出力部１９、溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を表示する表示部２５を備える。
【００２１】
この実施形態の解析装置１０は、分布ＤＢ１３、補正係数ＤＢ１４に記憶されたデータに基づいて解析対象となる構造物の溶接変形や残留応力を解析する。
なお、解析対象としては、たとえばガスタービン機器のケーシング部およびロータの溶接部などの他、一般の構造物の溶接部等も対象とする。
【００２２】
図４に示すデータ入力部１１は、たとえばユーザによって設定された図示しない構造物の溶接部の被溶接部材（例えば図２の母材２２，２２に相当）および溶接部材（例えば図２の溶接部材２３に相当）の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の解析に必要な条件のデータを入力する。なお、このデータ入力とは、コンピュータ支援設計システム（computer aided design：ＣＡＤ）を用いて上記のデータからなる図２および図３のモデルをコンピュータ内に作成処理して設計することも含まれる。
【００２３】
ここで、材料物性とは、母材２２，２２および溶接部材２３の弾性係数、熱伝導率、熱膨張係数などのデータである。
溶接入熱とは、溶接部の溶接を行うレーザのレーザ出力である。
溶接部の継手形状とは、たとえば突合せ継手、Ｔ継手、十字継手などの継手形状の条件である。
溶接速度とは、レーザ光の移動速度である。
開先形状とは、たとえばＶ形、Ｉ形などの溶接を行う母材２２，２２間に設ける溝の形状である。
板厚は、母材２２，２２の厚さ（図２のＹ軸方向の厚さ）である。
溶接パスとは、例えば多層溶接等で溶接部２１に溶接される溶接部材２３の積層数である。
【００２４】
図４に示す二次元熱弾塑性解析部１２は、データ入力部１１から入力した溶接部２１の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部２１の継手形状の条件、溶接速度、溶接部２１の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って、二次元のＸ−Ｙ方向の固有ひずみ値（図３に示す溶接線Ｚ０方向と直交し、溶接線Ｚ０の中心を含む平面３１に発生する二次元の固有ひずみ値）の分布を算出する。
データ入力部１１および二次元熱弾塑性解析部１２は、図１に示した二次元弾塑性解析手段２を構成する。
【００２５】
図５は、溶接線Ｚ０の中心からのＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合を示し、◇印が二次元熱弾塑性解析を行った場合を示す。
【００２６】
図５では、横軸が入熱した溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ軸方向）を示す。縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と三次元熱弾塑性解析とによる固有ひずみ値を示し、溶接線Ｚ０の中心Ｓの固有ひずみ値、◆印では「１」、◇印では「０．９」を基準とした比で固有ひずみの分布を表している。なお、図５では、入熱した溶接線Ｚ０の中心ＳからのＸ軸のプラス（例えば図２に示した紙面の右）方向の距離での固有ひずみの分布データを示したが、マイナス（例えば図２に示した紙面の左）方向の距離での固有ひずみの分布データも同様の値の分布をしている。
【００２７】
この図５の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に二次元熱弾塑性解析と三次元熱弾塑性解析との固有ひずみ分布は分布の形状がほぼ同様で、溶接線Ｚ０の中心Ｓに近づくほど一定の割合で固有ひずみ値の差が大きくなる傾向にある。
【００２８】
そこで、二次元熱弾塑性解析部１２で算出された固有ひずみ分布に所定の補正係数を乗算することで、二次元熱弾塑性解析の固有ひずみ分布を三次元熱弾塑性解析の固有ひずみ分布に一致させることが可能となる。
また、この補正係数を決定するデータとしては、入力データのうちの溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせが上述した条件のデータとなるものである。
【００２９】
図４に示す補正係数ＤＢ１４は、上述した条件のデータ、すなわち上記の入力データのうちの溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数を記憶する。
【００３０】
図６は、この溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数の一例を示す図である。この図６では、溶接部の継手形状が「突合せ継手」で、溶接入熱が「８００（Ｊ／ｃｍ）」で、溶接部の板厚ｄが「１５（ｍｍ）」で、溶接速度が「５（ｍｍ／ｓ）」で、溶接パス数が「３」の組み合わせの時の補正係数が「１．２」であることを示している。
【００３１】
なお、継手形状の種類としては、例えば「突合せ継手」、「Ｔ継手」が設定されている。また、入熱の種類としては、例えば「５００（Ｊ／ｃｍ）」から１００（Ｊ／ｃｍ）おきに「１５００（Ｊ／ｃｍ）」までが設定されている。また、板厚の種類としては、例えば「５（ｍｍ）」から５（ｍｍ）おきに「５０（ｍｍ）」までが設定されている。また、溶接速度の種類としては、例えば「１（ｍｍ／ｓ）」から１（ｍｍ／ｓ）おきに「１０（ｍｍ／ｓ）」までが設定されている。また、溶接パス数の種類としては例えば「１」、「３」、「６」、「１０」が設定されている。補正係数ＤＢ１４には、これらのデータの組み合わせに基づいて予め設定された補正係数が記憶されている。
【００３２】
図４に示す補正係数抽出部１５は、データ入力部１１から入力した溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づいた補正係数を補正係数ＤＢ１４から抽出することができる。
【００３３】
図４に示す固有ひずみ変換部１６は、二次元熱弾塑性解析部１２で解析された二次元の固有ひずみ値（図５参照）に、補正係数抽出部１５で抽出された補正係数を乗算することで、二次元の固有ひずみ値の分布データを三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換している。
補正係数ＤＢ１４、補正係数抽出部１５および固有ひずみ変換部１６は、図１に示した固有ひずみ変換手段３を構成する。
【００３４】
図４に示す分布ＤＢ１３は、固有ひずみ変換部１６で変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の度合いの条件のデータの組み合わせに基づいた溶接線Ｚ０の長手方向の三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データを複数記憶するデータベースである。これら三次元弾性解析用の固有ひずみ値の分布データとしては、三次元の固有ひずみ値（図５参照）、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の度合いの条件のデータの組み合わせに基づく、固有ひずみ値の分布の変化を求め、この求めた固有ひずみ値の分布データをデータベース化しておく。
【００３５】
図７は、分布ＤＢ１３に記憶された溶接部の溶接線Ｚ０の長手方向（図３参照）の三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印がマイナス（図中、−１０００（ｍｍ））方向からプラス（図中、＋１０００（ｍｍ））方向に溶接を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印がプラス（図中、＋１０００（ｍｍ））方向からマイナス（図中、−１０００（ｍｍ））方向に溶接を行った場合の固有ひずみ分布を示す。また、縦軸は、溶接線中心Ｓの固有ひずみ値、◆印、◇印ともに「１」を基準とした比で固有ひずみの分布を表している。
【００３６】
この図７の溶接線固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に溶接部の溶接線Ｚ０の長手方向での固有ひずみ分布は、分布の形状が同様の逆Ｕ字形状になる傾向にある。
この弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データは、予め上記条件のデータの組み合わせで複数計測された三次元の分布データを、分布ＤＢ１３にそれぞれ上記条件の組み合わせに基づいて求め、この条件の組み合わせに対応させて記憶させている。
【００３７】
なお、この三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、入熱された溶接線Ｚ０の中心Ｓを「０」として、溶接方向がプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向とマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向を示している。この弾性解析用の固有ひずみ値の分布データでは、同じ溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および構造物の拘束の強さの条件のデータの組み合わせでも、図７に示すように、溶接方向が、マイナス方向からプラス方向に溶接した場合と、プラス方向からマイナス方向に溶接した場合とでは、固有ひずみ値の分布が異なるので、この溶接方向が異なる両方の場合を予め求めて分布ＤＢ１３にそれぞれ記憶させておく。
【００３８】
ここで、溶接長とは、レーザのレーザ光によって溶接部に溶接を行う長さである。
溶接方向とは、上述した溶接線Ｚ０を「０」としてプラス方向からマイナス方向に溶接を行う場合と、マイナス方向からプラス方向に溶接を行う場合を示すものである。
構造物の拘束の強さとは、例えば図３に示した母材２２，２２を１箇所で固定するか、数箇所で固定するか等の強さを示すものである。
【００３９】
これらの条件のデータは、データ入力部１１によって入力指示されている。なお、これらの条件データは、上述した材料物性等の条件のデータとともに、解析の開始時に入力されてもよいし、固有ひずみ値の分布データ抽出時に入力されてもよい。
図４に示す固有ひずみ分布抽出部１７は、三次元の固有ひずみ値（図５参照）、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの条件のデータの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から対応する分布データを抽出している。すなわち、この実施形態では、このような条件のデータ（パラメータ）の違いを考慮した固有ひずみ値の分布データを求めることができる。分布ＤＢ１３および固有ひずみ分布抽出部１７は、図１に示した固有ひずみ分布出力手段４を構成する。
【００４０】
図８は、固有ひずみ分布抽出部１７によって抽出された溶接部の溶接線Ｚ０方向（図３参照）の中心で入熱がある場合の溶接線Ｚ０方向の中心での三次元の弾性解析用の固有ひずみ値の分布データの一例を示す図である。
図８に示す分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、例えば溶接線Ｚ０の中心Ｓをプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向からマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向へと溶接する場合の分布データである。この例の分布データは、溶接線の中心で溶接始点（距離１０００（ｍｍ））の固有ひずみ値を約０．２５とし、距離約４００（ｍｍ）〜−４００（ｍｍ）間の固有ひずみ値を１とし、溶接終点（−１０００（ｍｍ））の固有ひずみ値を０．１とする逆Ｕ字形状に示されている。
【００４１】
図４に示す三次元弾性解析部１８は、固有ひずみ変換部１６で変換された三次元の基本固有ひずみ値と、固有ひずみ分布抽出部１７で抽出された三次元の溶接線固有ひずみ値（図８参照）に基づいて、ＦＥＭでの三次元固有ひずみ法弾性解析を行って構造物の溶接変形や溶接残留応力を求める。三次元弾性解析部１８は、図１に示した三次元固有ひずみ法弾性解析手段５を構成する。
【００４２】
図９は、三次元固有ひずみ法弾性解析の結果を示す図である。この図９は、解析結果を三次元有限要素モデル３０として表している。
図４に示す溶接変形・残留応力出力部１９は、三次元固有ひずみ法弾性解析の結果から三次元有限要素モデル３０を生成して出力する。すなわち、溶接変形・残留応力出力部１９は、解析結果である構造物の溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）を生成して出力する。なお、この三次元有限要素モデル３０では、溶接に伴って溶接部２１に発生した残留応力により、母材２２，２２のそれぞれの端部（溶接線Ｚ０の中心から紙面の右側と左側の母材の端部）がＹ軸の矢印方向に曲がり、くの字に変形した状態を示している。
【００４３】
表示部２５は、一般的な液晶ディスプレイ等からなり、溶接変形・残留応力出力部１９から出力される三次元有限要素モデル３０を表示し、ユーザによる構造物の溶接変形や残留応力の認識を可能にする。溶接変形・残留応力出力部１９および表示部２５は、図１に示した溶接変形・残留応力出力手段６を構成する。
【００４４】
図１０は、解析装置１０の溶接変形や残留応力の解析を説明するためのフローチャートである。
図１０に示すように、まず、データ入力部１１から解析に必要な条件のデータ（構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ）が入力される（ステップＳ１０１）。
【００４５】
次に、二次元熱弾塑性解析部１２がこの条件のデータのうち、構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って二次元の固有ひずみ値の分布データを算出する（ステップＳ１０２）。
【００４６】
さらに、補正係数抽出部１５が上記溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接速度、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、補正係数ＤＢ１４から対応する補正係数を抽出し（ステップＳ１０３）、固有ひずみ変換部１６がステップＳ１０２で算出された二次元の固有ひずみ値の分布データにステップＳ１０３で抽出された補正係数を乗算して三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換する（ステップＳ１０４）。
【００４７】
次に、固有ひずみ分布抽出部１７がこの変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向、および拘束の強さの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から弾性解析用の溶接線固有ひずみの分布データを抽出する（ステップＳ１０５）。この一連の解析動作により、図３のＸ−Ｙ平面における三次元の基本固有ひずみ値の分布データ（図５中の実線の分布データと同様）と、図３の溶接線Ｚ０の長手方向（Ｚ軸方向）の三次元の溶接線固有ひずみ値の分布データ（図８の分布データ）とを得ることができる。
【００４８】
次に、この基本固有ひずみ値と溶接線固有ひずみ値の分布データに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、溶接変形や残留応力を求め（ステップＳ１０６）、さらにこの解析結果は、溶接変形・残留応力出力部１９において、溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）が生成され、表示部２５に表示される（ステップＳ１０７）。
【００４９】
このように、この実施形態では、三次元熱弾塑性解析を行うことなく、Ｘ−Ｙ平面における三次元の固有ひずみ値の分布データとＺ軸方向の三次元の固有ひずみ値の分布データを求め、これらの分布データに基づいて、三次元の固有ひずみ法弾性解析を行い溶接変形や残留応力を求めるので、溶接変形や残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上することができる。
【００５０】
また、この実施形態では、様々な条件によって変化する固有ひずみ値の分布を考慮することによって、高精度に溶接方向、構造物の拘束の強さの影響を考慮した溶接変形や残留応力の解析を行うことができる。
【００５１】
（実施形態２）
図１１は、本発明の実施形態２の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１の概念を説明するための概念図である。
この解析装置１は、図１と同様、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備え、固有ひずみ変換手段３は応力三軸度の比を算出する溶接部応力三軸度計算部７を有する。
【００５２】
この溶接部応力三軸度計算部７は、図２に示した二次元弾性解析モデルの溶接部２１の溶接線Ｚ０の応力三軸度Ｔ（以下、「Ｔ（２ｄ）」という）と、図３に示した三次元弾性解析モデルの溶接線Ｚ０の中心Ｓでの溶接部２１の応力三軸度Ｔ（以下、「Ｔ（３ｄ）」という）をそれぞれ求め、これらの比である係数Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）を計算する。
【００５３】
ここで、溶接部の応力三軸度Ｔは、当該溶接部に働く応力によって、構造物が拘束される度合いを示すもので、以下のように求めることができる。
σm＝(σ1+σ2+σ3)/３ …（１）
σeq＝{[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/２}1/2 …（２）
Ｔ＝σm/σeq …（３）
なお、σ1、σ2、σ3はそれぞれ弾性熱応力の応力成分であり、σmはこれら応力成分の平均値であり、σeqはこれら応力成分の相当応力（応力差の２乗和）である。
【００５４】
また、（３）式からＴ（２ｄ）とＴ（３ｄ）は、
Ｔ（２ｄ）＝σm（２ｄ）/σeq（２ｄ）
Ｔ（３ｄ）＝σm（３ｄ）/σeq（３ｄ）
である。
【００５５】
したがって、比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］は、
Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）＝（σm（３ｄ）/σeq（３ｄ））／（σm（２ｄ）/σeq（２ｄ）） …（４）
となる。
【００５６】
なお、実施形態の概念でも述べたように、二次元熱弾塑性解析モデル２０は、構造物の溶接部２１と母材２２，２２を有限要素モデルとしてモデル化しており、要素として一般化平面ひずみ要素を用いる。このような有限要素モデルは、Ｘ−Ｙ平面上にモデル化されており、Ｚ軸方向は十分長さがあると仮定されている。このように平面ひずみ要素を用いた二次元熱弾塑性解析モデルは、「平面ひずみ状態」にある。
【００５７】
この平面ひずみ状態のときは、物体（溶接部）は以下のような応力σ1、σ2、σ3を受ける。
σ1＝[Ｅ／(１＋ν)] [ε1＋ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
σ2＝[Ｅ／(１＋ν)] [ε2＋ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
σ3＝[Ｅ／(１＋ν)] [ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
なお、Ｅは弾性係数、νはポアソン比、ε1、ε2は解析で求められるひずみである。
【００５８】
このように、この実施形態では、溶接部の応力三軸度Ｔを求めるために、図２に示した二次元モデルの溶接部（図３の溶接線Ｚ０に相当する位置）および図３に示した三次元モデルの溶接部（溶接線Ｚ０の中心Ｓの位置）に任意の一定温度を与えて、ＦＥＭによる弾性熱応力解析をそれぞれ行い、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比を計算する。なお、任意の一定温度とは、例えば図３に示した母材２２，２２および溶接部材２３の融点以下の一定温度に溶接線Ｚ０の中心Ｓを昇温又は降温することで、この一定温度の時に発生する二次元と三次元の熱応力を求め、さらに式（４）から比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を計算する。
【００５９】
このようにして求めた応力三軸度の比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を、固有ひずみ変換手段３の係数として用いる。すなわち、この実施形態では、固有ひずみ変換手段３が、二次元熱弾塑性解析手段２によって得られた固有ひずみ値（図２に示すＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ値）に、応力三軸度の比である係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算することによって、基本データである三次元解析用の基本固有ひずみ値に変換する。そして、この基本固有ひずみ値をもとに、固有ひずみ分布出力手段４が三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ分布を求めて出力する。
【００６０】
さらに、この求められた基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布とをもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００６１】
図１２は、溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からのＸ軸方向の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印が二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に上記係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を示す。
【００６２】
図１２では、横軸が溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］により求めた固有ひずみ値と、三次元熱弾塑性解析による固有ひずみ値とをそれぞれ示す。なお、図１２では、溶接線中心からのＸ軸のプラス（例えば図２に示した紙面の右）方向の距離での固有ひずみの分布データを示したが、マイナス（例えば図２に示した紙面の左）方向の距離での固有ひずみの分布データも同様の分布をしている。
【００６３】
この図１２から、二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の基本固有ひずみ分布は、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とほぼ一致することが分かる。
【００６４】
なお、この図１２の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布と、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とは、分布の形状がほぼ同様になる。
【００６５】
このように、この実施形態では、二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を用いれば、三次元熱弾塑性解析を行わず、かつ補正係数ＤＢ１４（図４参照）を構築せずに、三次元熱弾塑性解析を行った場合と同等の固有ひずみ分布を得ることができる。
【００６６】
なお、この実施形態では、構造物が拘束される度合いを示す応力三軸度Ｔから二次元弾性解析によって得られた固有ひずみ値の係数を求めたが、これに限らず、応力三軸度以外の構造物が拘束される度合いの解析から係数を設定してもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図１３は、本発明の実施形態３の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１の概念を説明するための概念図である。なお、この実施形態では、実施形態２と同様に、二次元熱弾塑性解析モデルと三次元弾性解析モデルの応力三軸度の比である係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を計算するものとする。
【００６８】
この解析装置１は、図１１と同様、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、係数を算出する溶接部応力三軸度計算部７、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備え、固有ひずみ分布出力手段４は溶接部の溶接線Ｚ０（図３参照）の各部での溶接部の応力三軸度Ｔ（Ｚ）と、溶接部２１の溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３の参照）での溶接部の応力三軸度Ｔ（Ｃ）との比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を計算する溶接部応力三軸度計算部８を有する。
【００６９】
この溶接部応力三軸度計算部８は、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて実施形態２で示した式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比を計算する。
【００７０】
ここでは、構造物が拘束されている度合いを示す、溶接部の応力三軸度を求めるために、実施形態２と同様、図３に示した三次元弾性解析モデルの溶接部（溶接線Ｚ０の中心Ｓの位置）に任意の一定温度を与えて、ＦＥＭによる弾性熱応力解析を行い、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて上記式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を計算する。
【００７１】
すなわち、（３）式から［Ｔ（Ｃ）とＴ（Ｚ）］は、
Ｔ（Ｃ）＝σm（Ｃ）/σeq（Ｃ）
Ｔ（Ｚ）＝σm（Ｚ）/σeq（Ｚ）
である。
【００７２】
したがって、応力三軸度の比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］は、
Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）＝（σm（Ｚ）/σeq（Ｚ））／（σm（Ｃ）/σeq（Ｃ））
…（５）
となる。
【００７３】
このようにして求めた応力三軸度の比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を、三次元弾性解析用の固有ひずみ分布出力手段４の係数として用いる。すなわち、この実施形態では、固有ひずみ変換手段３によって得られた三次元解析用の基本固有ひずみ値に、この係数［（Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算することによって、溶接線Ｚ０の溶接線固有ひずみ分布を求めることができる。
【００７４】
さらに、この求められた基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布とをもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００７５】
図１４は、実施形態３における溶接線Ｚ０の長手方向の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印が求められた弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を示す。
【００７６】
図１４では、横軸が溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］により求めた固有ひずみ値と、三次元熱弾塑性解析による固有ひずみ値とをそれぞれ示す。なお、図１４に示す分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、例えば溶接線Ｚ０の中心Ｓをプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向からマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向へと溶接する場合の分布データである。
【００７７】
この図１４から、弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布は、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とほぼ一致することが分かる。
【００７８】
なお、この図１４の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に固有ひずみ分布出力手段４から得られた弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布と、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とは、分布の形状がほぼ同様となる。
【００７９】
このように、この実施形態では、実施形態２と同様の効果が得られるとともに、固有ひずみ分布出力手段４によって得られた基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を用いれば、三次元熱弾塑性解析を行わず、かつ溶接線固有ひずみ値の分布データを記憶する分布ＤＢ１３（図４参照）を構築せずに、三次元熱弾塑性解析を行った場合と同等の固有ひずみ分布を得ることができる。
【００８０】
すなわち、この実施形態によれば、三次元熱弾塑性解析を行うことなく、かつ、様々な条件によって変化する固有ひずみ分布を考慮することによって高精度に、溶接順序や方向、構造物の拘束の強さの影響を考慮した溶接変形及び残留応力の解析装置を提供することができる。
【００８１】
なお、この実施形態では、応力三軸度から固有ひずみ分布出力手段４によって得られた基本固有ひずみ値の係数を求めたが、これに限らず、応力三軸度以外の構造物が拘束される度合いの解析から係数を設定してもよい。
【００８２】
（実施形態４）
図１５は、解析された溶接変形、溶接残留応力を評価する評価装置４０の概念を説明するための概念図である。
図１５に示すように、この評価装置４０は、図１に示したＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備えるとともに、プロセス最適化計算手段４１、最適溶接条件出力手段４２を備える。
【００８３】
図１５に示すプロセス最適化計算手段４１は、構造物の拘束の強さ、溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、溶接部の継手形状、構造物の板厚、入熱、開先形状、溶接材料などをパラメータとし、溶接変形あるいは残留応力の低減を目的とした最適化探索機能により繰り返し計算を行うものである。このプロセス最適化計算手段４１には、例えばＣＡＤなどのエンジニアリング・プロセスにおいて、目標とする利用環境への統合を可能とするための最適化プロセスを提供するソフトウェアであるIsight（登録商標）などがある。
【００８４】
最適溶接条件出力手段４２は、プロセス最適化計算手段４１で溶接変形、あるいは、残留応力が設定した目標値以下となった場合に、その時の最適な溶接プロセス条件を出力する
【００８５】
図１６は、評価装置による溶接変形や残留応力の評価を説明するためのフローチャートである。
図１０に示すように、まず、データ入力部１１から解析に必要な条件のデータ（構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ）が入力されるとともに、目標とする溶接変形または残留応力が入力されると（ステップＳ１０１）、二次元熱弾塑性解析手段２がこの条件のデータのうち、構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って二次元の固有ひずみ値の分布データを算出する（ステップＳ１０２）。
【００８６】
次に、固有ひずみ変換手段３が、上記溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接速度、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、補正係数ＤＢ１４から対応する補正係数を抽出し（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０２で算出された二次元の固有ひずみ値の分布データにステップＳ１０３で抽出された補正係数を乗算して三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換する（ステップＳ１０４）。
【００８７】
次に、固有ひずみ分布出力手段４が、この変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向、および拘束の強さの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から弾性解析用の溶接線固有ひずみの分布データを抽出する（ステップＳ１０５）。この一連の解析動作により、図３のＸ−Ｙ平面における三次元の基本固有ひずみ値の分布データ（図５中の実線の分布データと同様）と、図３の溶接線Ｚ０の長手方向（Ｚ軸方向）の三次元の溶接線固有ひずみ値の分布データ（図８の分布データ）とを得ることができる。
【００８８】
次に、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が、この基本固有ひずみ値と溶接線固有ひずみ値の分布データに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、溶接変形や残留応力を求め（ステップＳ１０６）、さらにこの解析結果は、溶接変形・残留応力出力手段６において、溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分がプロセス最適化計算手段４１に出力する（ステップＳ１０７）。
【００８９】
プロセス最適化計算手段４１では、入力する溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分が、設定した目標値以下となったか否か判断し（ステップＳ１０８）、設定した目標値以下でない場合（ステップＳ１０８のＮｏの場合）、構造物の拘束の強さ、材料物性、溶接パス数、継手形状、構造物の板厚、入熱、開先形状、溶接材料などをパラメータの少なくとも１つを変更する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０１では、変更されたパラメータの入力が行われ、上記解析動作を繰り返す。
【００９０】
また、入力する溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分が、設定した目標値以下となった場合（ステップＳ１０８のＹｅｓの場合）、最適溶接条件出力手段４２が、この溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）を生成して表示する（ステップＳ１１０）。
【００９１】
このように、この実施形態では、実施形態１と同様の効果が得られるとともに、三次元熱弾塑性解析を行うことがないために、最適化の条件探索のための繰り返し計算が可能であり、合理的に最適溶接プロセス条件を得ることができる。
【００９２】
なお、本発明は、上記実施形態のみ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もよい。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を構成できる。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よい。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よい。
【符号の説明】
【００９３】
１…解析装置、２…二次元熱弾塑性解析手段、３…固有ひずみ変換手段、４…固有ひずみ分布出力手段、５…固有ひずみ法弾性解析手段、６…溶接変形・残留応力出力手段、７，８…溶接部応力三軸度計算部、１０…解析装置、１１…データ入力部、１２…二次元熱弾塑性解析部、１３…分布ＤＢ、１４…補正係数ＤＢ、１５…補正係数抽出部、１６…固有ひずみ変換部、１７…固有ひずみ分布抽出部、１８…三次元弾性解析部、１９…溶接変形・残留応力出力部、２０…二次元熱弾塑性解析モデル、２１…溶接部、２２，２２…被溶接部材（母材）、２３…溶接部材、２５…表示部、３０…三次元弾性解析モデル（三次元有限要素モデル）、３１…平面、４０…評価装置、４１…プロセス最適化計算手段、４２…最適溶接条件出力手段、Ｓ…溶接線中心、Ｚ０…溶接線。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、構造物に発生する溶接変形や残留応力を解析、評価する解析装置、評価装置、解析方法および評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
解析方法としては、有限要素法（Finite Element Method：以下「ＦＥＭ」という）を用いた熱弾塑性解析を行って、溶接時の構造物に発生する溶接変形や溶接後の構造物に残留する残留応力を評価するもの、また構造物の固有ひずみ等の概念を用いて弾性解析で簡易的に、溶接時の構造物に発生する溶接変形や溶接後の構造物に残留する残留応力を評価するものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５０８２９号公報
【特許文献２】特開平６−１８６１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、現状の装置では、構造物の溶接変形及び残留応力を評価することは現実的には困難であった。すなわち、このような装置では、三次元熱弾塑性解析を行うためにその計算量が多くなって構造物の溶接変形や残留応力の評価に多大な時間が必要になって、構造物の形状が複雑になるほど評価が困難になったり、また実際の構造物の固有ひずみ分布等を考慮せずに代表的な固有ひずみのみを用いた弾性解析を行うので、実際の構造物の評価精度が低くなって正しい評価が困難となっていた。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、溶接変形及び残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上することのできる解析装置、評価装置、解析方法および評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の解析装置は、入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める二次元熱弾塑性解析手段と、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換する固有ひずみ変換手段と、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力する固有ひずみ分布出力手段と、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求める固有ひずみ法弾性解析手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、実施形態の評価装置は、上記記載の解析装置と、入力された構造物の拘束の強さ、溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、構造物の溶接変形や残留応力を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、実施形態の解析方法は、二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、実施形態の評価方法は、二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、評価手段が、入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接変形及び残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図２】構造物の二次元熱弾塑性解析モデルの一例を示す図である。
【図３】構造物の三次元有限要素モデルを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の構成を示す構成ブロック図である。
【図５】溶接線の中心からのＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図６】溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数の一例を示す図である。
【図７】分布ＤＢに記憶された溶接部の溶接線方向の中心での固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図８】固有ひずみ分布抽出部によって抽出された固有ひずみ値の分布データの一例を示す図である。
【図９】三次元固有ひずみ法弾性解析の結果を示す図である。
【図１０】解析装置による溶接変形や残留応力の解析を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態２の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図１２】実施形態２における溶接線の中心からのＸ軸方向の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。
【図１４】実施形態３における溶接線の長手方向の固有ひずみ分布の一例を示す図である。
【図１５】解析された溶接変形、溶接残留応力を評価する評価装置の概念を説明するための概念図である。
【図１６】評価装置による溶接変形や残留応力の評価を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態の概念）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置の概念を説明するための概念図である。図２は、構造物の二次元熱弾塑性解析モデルの一例を示す図である。図３は、構造物の三次元有限要素モデルを示す図である。
【００１３】
まず、図１〜図３を用いて実施形態の概念について説明する。
図１に示すように、この解析装置１は、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、固有ひずみ法を用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６とから構成されている。
【００１４】
図２に示すように、二次元熱弾塑性解析モデル２０は、構造物の溶接部２１と母材２２，２２を有限要素モデルとしてモデル化しており、要素として一般化平面ひずみ要素を用いる。このような有限要素モデルは、Ｘ軸−Ｙ軸（以下、「Ｘ−Ｙ」という）平面上にモデル化されており、Ｚ軸方向は入熱が均一あると仮定されている。
【００１５】
すなわち、一般化平面ひずみ要素は、図３に示す溶接線Ｚ０方向に十分に長い三次元弾性解析モデル３０で考えた場合、溶接部２１の溶接線Ｚ０の中心で溶接線Ｚ０と直交する平面３１での応力・ひずみ状態に近いものとなる。二次元熱弾塑性解析手段２は、この溶接線Ｚ０の中心Ｓで溶接線Ｚ０と直交する平面３１に発生する固有ひずみとほぼ等しいＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみを得るものである。なお、入熱は、溶接線Ｚ０の中心Ｓに行った場合である。
【００１６】
さらに、この二次元熱弾塑性解析で得られた固有ひずみを、固有ひずみ変換手段３が三次元解析用の固有ひずみの基本データ（以下、「基本固有ひずみ」という）に変換し、この基本固有ひずみの分布をもとに、固有ひずみ分布出力手段４が溶接線Ｚ０の長手方向の三次元弾性解析用の固有ひずみ（以下、「溶接線固有ひずみ」という）分布を求める。
【００１７】
そして、この求めた三次元解析用の基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布をもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００１８】
ここで、Ｘ−Ｙ断面の基本固有ひずみ分布、Ｚ軸方向の溶接線固有ひずみ分布が三次元的に得られたので、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５においては、この三次元的分布を有する固有ひずみを弾性ひずみとして三次元弾性解析モデルの初期条件に入力して弾性解析を行う。このように、固有ひずみを弾性ひずみとして弾性解析モデルに与える計算手法には、例えば固有ひずみ法がある。この固有ひずみ法を用いた三次元固有ひずみ法弾性解析手段５により求められた弾性解析結果は、溶接変形・残留応力出力手段６によって溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分として出力される。
【００１９】
（実施形態１）
図４は本発明の一実施形態の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１０の構成を示す構成ブロック図である。
【００２０】
図４に示すように、構造物の溶接変形や残留応力を解析、評価する解析装置１０は、データ入力を行うデータ入力部１１、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行う二次元熱弾塑性解析部１２、後述する条件のデータに基づく分布データを記憶する分布データベース（以下、「分布ＤＢ」という）１３、後述する条件のデータに基づく補正係数を記憶する補正係数データベース（以下、「補正係数ＤＢ」という）１４、補正係数ＤＢ１４から所定の補正係数を抽出する補正係数抽出部１５、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換部１６、三次元弾性解析用の固有ひずみを抽出する固有ひずみ分布抽出部１７、固有ひずみ法を用いた三次元固有ひずみ法弾性解析を行う三次元弾性解析部１８、解析された溶接変形や残留応力を出力する出力部１９、溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を表示する表示部２５を備える。
【００２１】
この実施形態の解析装置１０は、分布ＤＢ１３、補正係数ＤＢ１４に記憶されたデータに基づいて解析対象となる構造物の溶接変形や残留応力を解析する。
なお、解析対象としては、たとえばガスタービン機器のケーシング部およびロータの溶接部などの他、一般の構造物の溶接部等も対象とする。
【００２２】
図４に示すデータ入力部１１は、たとえばユーザによって設定された図示しない構造物の溶接部の被溶接部材（例えば図２の母材２２，２２に相当）および溶接部材（例えば図２の溶接部材２３に相当）の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の解析に必要な条件のデータを入力する。なお、このデータ入力とは、コンピュータ支援設計システム（computer aided design：ＣＡＤ）を用いて上記のデータからなる図２および図３のモデルをコンピュータ内に作成処理して設計することも含まれる。
【００２３】
ここで、材料物性とは、母材２２，２２および溶接部材２３の弾性係数、熱伝導率、熱膨張係数などのデータである。
溶接入熱とは、溶接部の溶接を行うレーザのレーザ出力である。
溶接部の継手形状とは、たとえば突合せ継手、Ｔ継手、十字継手などの継手形状の条件である。
溶接速度とは、レーザ光の移動速度である。
開先形状とは、たとえばＶ形、Ｉ形などの溶接を行う母材２２，２２間に設ける溝の形状である。
板厚は、母材２２，２２の厚さ（図２のＹ軸方向の厚さ）である。
溶接パスとは、例えば多層溶接等で溶接部２１に溶接される溶接部材２３の積層数である。
【００２４】
図４に示す二次元熱弾塑性解析部１２は、データ入力部１１から入力した溶接部２１の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部２１の継手形状の条件、溶接速度、溶接部２１の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って、二次元のＸ−Ｙ方向の固有ひずみ値（図３に示す溶接線Ｚ０方向と直交し、溶接線Ｚ０の中心を含む平面３１に発生する二次元の固有ひずみ値）の分布を算出する。
データ入力部１１および二次元熱弾塑性解析部１２は、図１に示した二次元弾塑性解析手段２を構成する。
【００２５】
図５は、溶接線Ｚ０の中心からのＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合を示し、◇印が二次元熱弾塑性解析を行った場合を示す。
【００２６】
図５では、横軸が入熱した溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ軸方向）を示す。縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と三次元熱弾塑性解析とによる固有ひずみ値を示し、溶接線Ｚ０の中心Ｓの固有ひずみ値、◆印では「１」、◇印では「０．９」を基準とした比で固有ひずみの分布を表している。なお、図５では、入熱した溶接線Ｚ０の中心ＳからのＸ軸のプラス（例えば図２に示した紙面の右）方向の距離での固有ひずみの分布データを示したが、マイナス（例えば図２に示した紙面の左）方向の距離での固有ひずみの分布データも同様の値の分布をしている。
【００２７】
この図５の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に二次元熱弾塑性解析と三次元熱弾塑性解析との固有ひずみ分布は分布の形状がほぼ同様で、溶接線Ｚ０の中心Ｓに近づくほど一定の割合で固有ひずみ値の差が大きくなる傾向にある。
【００２８】
そこで、二次元熱弾塑性解析部１２で算出された固有ひずみ分布に所定の補正係数を乗算することで、二次元熱弾塑性解析の固有ひずみ分布を三次元熱弾塑性解析の固有ひずみ分布に一致させることが可能となる。
また、この補正係数を決定するデータとしては、入力データのうちの溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせが上述した条件のデータとなるものである。
【００２９】
図４に示す補正係数ＤＢ１４は、上述した条件のデータ、すなわち上記の入力データのうちの溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数を記憶する。
【００３０】
図６は、この溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づく補正係数の一例を示す図である。この図６では、溶接部の継手形状が「突合せ継手」で、溶接入熱が「８００（Ｊ／ｃｍ）」で、溶接部の板厚ｄが「１５（ｍｍ）」で、溶接速度が「５（ｍｍ／ｓ）」で、溶接パス数が「３」の組み合わせの時の補正係数が「１．２」であることを示している。
【００３１】
なお、継手形状の種類としては、例えば「突合せ継手」、「Ｔ継手」が設定されている。また、入熱の種類としては、例えば「５００（Ｊ／ｃｍ）」から１００（Ｊ／ｃｍ）おきに「１５００（Ｊ／ｃｍ）」までが設定されている。また、板厚の種類としては、例えば「５（ｍｍ）」から５（ｍｍ）おきに「５０（ｍｍ）」までが設定されている。また、溶接速度の種類としては、例えば「１（ｍｍ／ｓ）」から１（ｍｍ／ｓ）おきに「１０（ｍｍ／ｓ）」までが設定されている。また、溶接パス数の種類としては例えば「１」、「３」、「６」、「１０」が設定されている。補正係数ＤＢ１４には、これらのデータの組み合わせに基づいて予め設定された補正係数が記憶されている。
【００３２】
図４に示す補正係数抽出部１５は、データ入力部１１から入力した溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接部の板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づいた補正係数を補正係数ＤＢ１４から抽出することができる。
【００３３】
図４に示す固有ひずみ変換部１６は、二次元熱弾塑性解析部１２で解析された二次元の固有ひずみ値（図５参照）に、補正係数抽出部１５で抽出された補正係数を乗算することで、二次元の固有ひずみ値の分布データを三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換している。
補正係数ＤＢ１４、補正係数抽出部１５および固有ひずみ変換部１６は、図１に示した固有ひずみ変換手段３を構成する。
【００３４】
図４に示す分布ＤＢ１３は、固有ひずみ変換部１６で変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の度合いの条件のデータの組み合わせに基づいた溶接線Ｚ０の長手方向の三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データを複数記憶するデータベースである。これら三次元弾性解析用の固有ひずみ値の分布データとしては、三次元の固有ひずみ値（図５参照）、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の度合いの条件のデータの組み合わせに基づく、固有ひずみ値の分布の変化を求め、この求めた固有ひずみ値の分布データをデータベース化しておく。
【００３５】
図７は、分布ＤＢ１３に記憶された溶接部の溶接線Ｚ０の長手方向（図３参照）の三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印がマイナス（図中、−１０００（ｍｍ））方向からプラス（図中、＋１０００（ｍｍ））方向に溶接を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印がプラス（図中、＋１０００（ｍｍ））方向からマイナス（図中、−１０００（ｍｍ））方向に溶接を行った場合の固有ひずみ分布を示す。また、縦軸は、溶接線中心Ｓの固有ひずみ値、◆印、◇印ともに「１」を基準とした比で固有ひずみの分布を表している。
【００３６】
この図７の溶接線固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に溶接部の溶接線Ｚ０の長手方向での固有ひずみ分布は、分布の形状が同様の逆Ｕ字形状になる傾向にある。
この弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データは、予め上記条件のデータの組み合わせで複数計測された三次元の分布データを、分布ＤＢ１３にそれぞれ上記条件の組み合わせに基づいて求め、この条件の組み合わせに対応させて記憶させている。
【００３７】
なお、この三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ値の分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、入熱された溶接線Ｚ０の中心Ｓを「０」として、溶接方向がプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向とマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向を示している。この弾性解析用の固有ひずみ値の分布データでは、同じ溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および構造物の拘束の強さの条件のデータの組み合わせでも、図７に示すように、溶接方向が、マイナス方向からプラス方向に溶接した場合と、プラス方向からマイナス方向に溶接した場合とでは、固有ひずみ値の分布が異なるので、この溶接方向が異なる両方の場合を予め求めて分布ＤＢ１３にそれぞれ記憶させておく。
【００３８】
ここで、溶接長とは、レーザのレーザ光によって溶接部に溶接を行う長さである。
溶接方向とは、上述した溶接線Ｚ０を「０」としてプラス方向からマイナス方向に溶接を行う場合と、マイナス方向からプラス方向に溶接を行う場合を示すものである。
構造物の拘束の強さとは、例えば図３に示した母材２２，２２を１箇所で固定するか、数箇所で固定するか等の強さを示すものである。
【００３９】
これらの条件のデータは、データ入力部１１によって入力指示されている。なお、これらの条件データは、上述した材料物性等の条件のデータとともに、解析の開始時に入力されてもよいし、固有ひずみ値の分布データ抽出時に入力されてもよい。
図４に示す固有ひずみ分布抽出部１７は、三次元の固有ひずみ値（図５参照）、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの条件のデータの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から対応する分布データを抽出している。すなわち、この実施形態では、このような条件のデータ（パラメータ）の違いを考慮した固有ひずみ値の分布データを求めることができる。分布ＤＢ１３および固有ひずみ分布抽出部１７は、図１に示した固有ひずみ分布出力手段４を構成する。
【００４０】
図８は、固有ひずみ分布抽出部１７によって抽出された溶接部の溶接線Ｚ０方向（図３参照）の中心で入熱がある場合の溶接線Ｚ０方向の中心での三次元の弾性解析用の固有ひずみ値の分布データの一例を示す図である。
図８に示す分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、例えば溶接線Ｚ０の中心Ｓをプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向からマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向へと溶接する場合の分布データである。この例の分布データは、溶接線の中心で溶接始点（距離１０００（ｍｍ））の固有ひずみ値を約０．２５とし、距離約４００（ｍｍ）〜−４００（ｍｍ）間の固有ひずみ値を１とし、溶接終点（−１０００（ｍｍ））の固有ひずみ値を０．１とする逆Ｕ字形状に示されている。
【００４１】
図４に示す三次元弾性解析部１８は、固有ひずみ変換部１６で変換された三次元の基本固有ひずみ値と、固有ひずみ分布抽出部１７で抽出された三次元の溶接線固有ひずみ値（図８参照）に基づいて、ＦＥＭでの三次元固有ひずみ法弾性解析を行って構造物の溶接変形や溶接残留応力を求める。三次元弾性解析部１８は、図１に示した三次元固有ひずみ法弾性解析手段５を構成する。
【００４２】
図９は、三次元固有ひずみ法弾性解析の結果を示す図である。この図９は、解析結果を三次元有限要素モデル３０として表している。
図４に示す溶接変形・残留応力出力部１９は、三次元固有ひずみ法弾性解析の結果から三次元有限要素モデル３０を生成して出力する。すなわち、溶接変形・残留応力出力部１９は、解析結果である構造物の溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）を生成して出力する。なお、この三次元有限要素モデル３０では、溶接に伴って溶接部２１に発生した残留応力により、母材２２，２２のそれぞれの端部（溶接線Ｚ０の中心から紙面の右側と左側の母材の端部）がＹ軸の矢印方向に曲がり、くの字に変形した状態を示している。
【００４３】
表示部２５は、一般的な液晶ディスプレイ等からなり、溶接変形・残留応力出力部１９から出力される三次元有限要素モデル３０を表示し、ユーザによる構造物の溶接変形や残留応力の認識を可能にする。溶接変形・残留応力出力部１９および表示部２５は、図１に示した溶接変形・残留応力出力手段６を構成する。
【００４４】
図１０は、解析装置１０の溶接変形や残留応力の解析を説明するためのフローチャートである。
図１０に示すように、まず、データ入力部１１から解析に必要な条件のデータ（構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ）が入力される（ステップＳ１０１）。
【００４５】
次に、二次元熱弾塑性解析部１２がこの条件のデータのうち、構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って二次元の固有ひずみ値の分布データを算出する（ステップＳ１０２）。
【００４６】
さらに、補正係数抽出部１５が上記溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接速度、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、補正係数ＤＢ１４から対応する補正係数を抽出し（ステップＳ１０３）、固有ひずみ変換部１６がステップＳ１０２で算出された二次元の固有ひずみ値の分布データにステップＳ１０３で抽出された補正係数を乗算して三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換する（ステップＳ１０４）。
【００４７】
次に、固有ひずみ分布抽出部１７がこの変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向、および拘束の強さの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から弾性解析用の溶接線固有ひずみの分布データを抽出する（ステップＳ１０５）。この一連の解析動作により、図３のＸ−Ｙ平面における三次元の基本固有ひずみ値の分布データ（図５中の実線の分布データと同様）と、図３の溶接線Ｚ０の長手方向（Ｚ軸方向）の三次元の溶接線固有ひずみ値の分布データ（図８の分布データ）とを得ることができる。
【００４８】
次に、この基本固有ひずみ値と溶接線固有ひずみ値の分布データに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、溶接変形や残留応力を求め（ステップＳ１０６）、さらにこの解析結果は、溶接変形・残留応力出力部１９において、溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）が生成され、表示部２５に表示される（ステップＳ１０７）。
【００４９】
このように、この実施形態では、三次元熱弾塑性解析を行うことなく、Ｘ−Ｙ平面における三次元の固有ひずみ値の分布データとＺ軸方向の三次元の固有ひずみ値の分布データを求め、これらの分布データに基づいて、三次元の固有ひずみ法弾性解析を行い溶接変形や残留応力を求めるので、溶接変形や残留応力の解析が簡易で、かつ評価精度を向上することができる。
【００５０】
また、この実施形態では、様々な条件によって変化する固有ひずみ値の分布を考慮することによって、高精度に溶接方向、構造物の拘束の強さの影響を考慮した溶接変形や残留応力の解析を行うことができる。
【００５１】
（実施形態２）
図１１は、本発明の実施形態２の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１の概念を説明するための概念図である。
この解析装置１は、図１と同様、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備え、固有ひずみ変換手段３は応力三軸度の比を算出する溶接部応力三軸度計算部７を有する。
【００５２】
この溶接部応力三軸度計算部７は、図２に示した二次元弾性解析モデルの溶接部２１の溶接線Ｚ０の応力三軸度Ｔ（以下、「Ｔ（２ｄ）」という）と、図３に示した三次元弾性解析モデルの溶接線Ｚ０の中心Ｓでの溶接部２１の応力三軸度Ｔ（以下、「Ｔ（３ｄ）」という）をそれぞれ求め、これらの比である係数Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）を計算する。
【００５３】
ここで、溶接部の応力三軸度Ｔは、当該溶接部に働く応力によって、構造物が拘束される度合いを示すもので、以下のように求めることができる。
σm＝(σ1+σ2+σ3)/３ …（１）
σeq＝{[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/２}1/2 …（２）
Ｔ＝σm/σeq …（３）
なお、σ1、σ2、σ3はそれぞれ弾性熱応力の応力成分であり、σmはこれら応力成分の平均値であり、σeqはこれら応力成分の相当応力（応力差の２乗和）である。
【００５４】
また、（３）式からＴ（２ｄ）とＴ（３ｄ）は、
Ｔ（２ｄ）＝σm（２ｄ）/σeq（２ｄ）
Ｔ（３ｄ）＝σm（３ｄ）/σeq（３ｄ）
である。
【００５５】
したがって、比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］は、
Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）＝（σm（３ｄ）/σeq（３ｄ））／（σm（２ｄ）/σeq（２ｄ）） …（４）
となる。
【００５６】
なお、実施形態の概念でも述べたように、二次元熱弾塑性解析モデル２０は、構造物の溶接部２１と母材２２，２２を有限要素モデルとしてモデル化しており、要素として一般化平面ひずみ要素を用いる。このような有限要素モデルは、Ｘ−Ｙ平面上にモデル化されており、Ｚ軸方向は十分長さがあると仮定されている。このように平面ひずみ要素を用いた二次元熱弾塑性解析モデルは、「平面ひずみ状態」にある。
【００５７】
この平面ひずみ状態のときは、物体（溶接部）は以下のような応力σ1、σ2、σ3を受ける。
σ1＝[Ｅ／(１＋ν)] [ε1＋ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
σ2＝[Ｅ／(１＋ν)] [ε2＋ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
σ3＝[Ｅ／(１＋ν)] [ν(ε1＋ε2) /(１−２ν)]
なお、Ｅは弾性係数、νはポアソン比、ε1、ε2は解析で求められるひずみである。
【００５８】
このように、この実施形態では、溶接部の応力三軸度Ｔを求めるために、図２に示した二次元モデルの溶接部（図３の溶接線Ｚ０に相当する位置）および図３に示した三次元モデルの溶接部（溶接線Ｚ０の中心Ｓの位置）に任意の一定温度を与えて、ＦＥＭによる弾性熱応力解析をそれぞれ行い、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比を計算する。なお、任意の一定温度とは、例えば図３に示した母材２２，２２および溶接部材２３の融点以下の一定温度に溶接線Ｚ０の中心Ｓを昇温又は降温することで、この一定温度の時に発生する二次元と三次元の熱応力を求め、さらに式（４）から比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を計算する。
【００５９】
このようにして求めた応力三軸度の比［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を、固有ひずみ変換手段３の係数として用いる。すなわち、この実施形態では、固有ひずみ変換手段３が、二次元熱弾塑性解析手段２によって得られた固有ひずみ値（図２に示すＸ−Ｙ方向の断面の固有ひずみ値）に、応力三軸度の比である係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算することによって、基本データである三次元解析用の基本固有ひずみ値に変換する。そして、この基本固有ひずみ値をもとに、固有ひずみ分布出力手段４が三次元弾性解析用の溶接線固有ひずみ分布を求めて出力する。
【００６０】
さらに、この求められた基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布とをもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００６１】
図１２は、溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からのＸ軸方向の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印が二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に上記係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を示す。
【００６２】
図１２では、横軸が溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］により求めた固有ひずみ値と、三次元熱弾塑性解析による固有ひずみ値とをそれぞれ示す。なお、図１２では、溶接線中心からのＸ軸のプラス（例えば図２に示した紙面の右）方向の距離での固有ひずみの分布データを示したが、マイナス（例えば図２に示した紙面の左）方向の距離での固有ひずみの分布データも同様の分布をしている。
【００６３】
この図１２から、二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の基本固有ひずみ分布は、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とほぼ一致することが分かる。
【００６４】
なお、この図１２の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布と、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とは、分布の形状がほぼ同様になる。
【００６５】
このように、この実施形態では、二次元熱弾塑性解析によって得られた固有ひずみ値に係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を用いれば、三次元熱弾塑性解析を行わず、かつ補正係数ＤＢ１４（図４参照）を構築せずに、三次元熱弾塑性解析を行った場合と同等の固有ひずみ分布を得ることができる。
【００６６】
なお、この実施形態では、構造物が拘束される度合いを示す応力三軸度Ｔから二次元弾性解析によって得られた固有ひずみ値の係数を求めたが、これに限らず、応力三軸度以外の構造物が拘束される度合いの解析から係数を設定してもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図１３は、本発明の実施形態３の溶接変形、溶接残留応力の解析装置１の概念を説明するための概念図である。なお、この実施形態では、実施形態２と同様に、二次元熱弾塑性解析モデルと三次元弾性解析モデルの応力三軸度の比である係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］を計算するものとする。
【００６８】
この解析装置１は、図１１と同様、ＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、係数を算出する溶接部応力三軸度計算部７、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備え、固有ひずみ分布出力手段４は溶接部の溶接線Ｚ０（図３参照）の各部での溶接部の応力三軸度Ｔ（Ｚ）と、溶接部２１の溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３の参照）での溶接部の応力三軸度Ｔ（Ｃ）との比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を計算する溶接部応力三軸度計算部８を有する。
【００６９】
この溶接部応力三軸度計算部８は、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて実施形態２で示した式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比を計算する。
【００７０】
ここでは、構造物が拘束されている度合いを示す、溶接部の応力三軸度を求めるために、実施形態２と同様、図３に示した三次元弾性解析モデルの溶接部（溶接線Ｚ０の中心Ｓの位置）に任意の一定温度を与えて、ＦＥＭによる弾性熱応力解析を行い、発生した弾性熱応力の応力成分（第１、第２、第３主応力σ1、σ2、σ3）を用いて上記式（１）〜式（３）の計算を行い、求めた応力三軸度Ｔの比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を計算する。
【００７１】
すなわち、（３）式から［Ｔ（Ｃ）とＴ（Ｚ）］は、
Ｔ（Ｃ）＝σm（Ｃ）/σeq（Ｃ）
Ｔ（Ｚ）＝σm（Ｚ）/σeq（Ｚ）
である。
【００７２】
したがって、応力三軸度の比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］は、
Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）＝（σm（Ｚ）/σeq（Ｚ））／（σm（Ｃ）/σeq（Ｃ））
…（５）
となる。
【００７３】
このようにして求めた応力三軸度の比［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を、三次元弾性解析用の固有ひずみ分布出力手段４の係数として用いる。すなわち、この実施形態では、固有ひずみ変換手段３によって得られた三次元解析用の基本固有ひずみ値に、この係数［（Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算することによって、溶接線Ｚ０の溶接線固有ひずみ分布を求めることができる。
【００７４】
さらに、この求められた基本固有ひずみ分布と溶接線固有ひずみ分布とをもとに、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、構造物の溶接変形や残留応力を求め、溶接変形・残留応力出力手段６がこの求めた溶接変形の変位成分や残留応力の応力成分を出力するものである。
【００７５】
図１４は、実施形態３における溶接線Ｚ０の長手方向の固有ひずみ分布の一例を示す図であり、◆印が三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布を示し、◇印が求められた弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を示す。
【００７６】
図１４では、横軸が溶接線Ｚ０の中心Ｓ（図３参照）からの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸がある構造物に対する二次元熱弾塑性解析と係数［Ｔ（３ｄ）／Ｔ（２ｄ）］により求めた固有ひずみ値と、三次元熱弾塑性解析による固有ひずみ値とをそれぞれ示す。なお、図１４に示す分布データは、縦軸が固有ひずみ値で、横軸が溶接線Ｚ０（図３参照）の中心Ｓからの距離で、例えば溶接線Ｚ０の中心Ｓをプラス（例えば図３に示した紙面の前）方向からマイナス（例えば図３に示した紙面の後）方向へと溶接する場合の分布データである。
【００７７】
この図１４から、弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布は、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とほぼ一致することが分かる。
【００７８】
なお、この図１４の固有ひずみ分布は代表例であるが、相対的に固有ひずみ分布出力手段４から得られた弾性解析用の基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布と、三次元熱弾塑性解析を行った場合の固有ひずみ分布とは、分布の形状がほぼ同様となる。
【００７９】
このように、この実施形態では、実施形態２と同様の効果が得られるとともに、固有ひずみ分布出力手段４によって得られた基本固有ひずみ値に係数［Ｔ（Ｚ）／Ｔ（Ｃ）］を乗算した場合の固有ひずみ分布を用いれば、三次元熱弾塑性解析を行わず、かつ溶接線固有ひずみ値の分布データを記憶する分布ＤＢ１３（図４参照）を構築せずに、三次元熱弾塑性解析を行った場合と同等の固有ひずみ分布を得ることができる。
【００８０】
すなわち、この実施形態によれば、三次元熱弾塑性解析を行うことなく、かつ、様々な条件によって変化する固有ひずみ分布を考慮することによって高精度に、溶接順序や方向、構造物の拘束の強さの影響を考慮した溶接変形及び残留応力の解析装置を提供することができる。
【００８１】
なお、この実施形態では、応力三軸度から固有ひずみ分布出力手段４によって得られた基本固有ひずみ値の係数を求めたが、これに限らず、応力三軸度以外の構造物が拘束される度合いの解析から係数を設定してもよい。
【００８２】
（実施形態４）
図１５は、解析された溶接変形、溶接残留応力を評価する評価装置４０の概念を説明するための概念図である。
図１５に示すように、この評価装置４０は、図１に示したＦＥＭを用いた解析を行う二次元熱弾塑性解析手段２、二次元の固有ひずみを三次元の固有ひずみに変換する固有ひずみ変換手段３、三次元の固有ひずみ分布を出力する固有ひずみ分布出力手段４、ＦＥＭを用いた解析を行う三次元固有ひずみ法弾性解析手段５、三次元の溶接変形や残留応力を出力する溶接変形・残留応力出力手段６を備えるとともに、プロセス最適化計算手段４１、最適溶接条件出力手段４２を備える。
【００８３】
図１５に示すプロセス最適化計算手段４１は、構造物の拘束の強さ、溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、溶接部の継手形状、構造物の板厚、入熱、開先形状、溶接材料などをパラメータとし、溶接変形あるいは残留応力の低減を目的とした最適化探索機能により繰り返し計算を行うものである。このプロセス最適化計算手段４１には、例えばＣＡＤなどのエンジニアリング・プロセスにおいて、目標とする利用環境への統合を可能とするための最適化プロセスを提供するソフトウェアであるIsight（登録商標）などがある。
【００８４】
最適溶接条件出力手段４２は、プロセス最適化計算手段４１で溶接変形、あるいは、残留応力が設定した目標値以下となった場合に、その時の最適な溶接プロセス条件を出力する
【００８５】
図１６は、評価装置による溶接変形や残留応力の評価を説明するためのフローチャートである。
図１０に示すように、まず、データ入力部１１から解析に必要な条件のデータ（構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数、溶接長、溶接方向および拘束の強さ）が入力されるとともに、目標とする溶接変形または残留応力が入力されると（ステップＳ１０１）、二次元熱弾塑性解析手段２がこの条件のデータのうち、構造物の溶接部の被溶接部材２２，２２および溶接部材２３の材料物性、溶接入熱、溶接部の継手形状、溶接速度、溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、ＦＥＭによる二次元熱弾塑性解析を行って二次元の固有ひずみ値の分布データを算出する（ステップＳ１０２）。
【００８６】
次に、固有ひずみ変換手段３が、上記溶接部の継手形状、溶接入熱、溶接速度、板厚、溶接パス数の組み合わせに基づいて、補正係数ＤＢ１４から対応する補正係数を抽出し（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０２で算出された二次元の固有ひずみ値の分布データにステップＳ１０３で抽出された補正係数を乗算して三次元の基本固有ひずみ値の分布データに変換する（ステップＳ１０４）。
【００８７】
次に、固有ひずみ分布出力手段４が、この変換された三次元の基本固有ひずみ値、溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向、および拘束の強さの組み合わせに基づいて、分布ＤＢ１３から弾性解析用の溶接線固有ひずみの分布データを抽出する（ステップＳ１０５）。この一連の解析動作により、図３のＸ−Ｙ平面における三次元の基本固有ひずみ値の分布データ（図５中の実線の分布データと同様）と、図３の溶接線Ｚ０の長手方向（Ｚ軸方向）の三次元の溶接線固有ひずみ値の分布データ（図８の分布データ）とを得ることができる。
【００８８】
次に、三次元固有ひずみ法弾性解析手段５が、この基本固有ひずみ値と溶接線固有ひずみ値の分布データに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元の固有ひずみ法弾性解析を行って、溶接変形や残留応力を求め（ステップＳ１０６）、さらにこの解析結果は、溶接変形・残留応力出力手段６において、溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分がプロセス最適化計算手段４１に出力する（ステップＳ１０７）。
【００８９】
プロセス最適化計算手段４１では、入力する溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分が、設定した目標値以下となったか否か判断し（ステップＳ１０８）、設定した目標値以下でない場合（ステップＳ１０８のＮｏの場合）、構造物の拘束の強さ、材料物性、溶接パス数、継手形状、構造物の板厚、入熱、開先形状、溶接材料などをパラメータの少なくとも１つを変更する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０１では、変更されたパラメータの入力が行われ、上記解析動作を繰り返す。
【００９０】
また、入力する溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分が、設定した目標値以下となった場合（ステップＳ１０８のＹｅｓの場合）、最適溶接条件出力手段４２が、この溶接変形の変位成分や溶接残留応力の応力成分による三次元有限要素モデル３０（図９参照）を生成して表示する（ステップＳ１１０）。
【００９１】
このように、この実施形態では、実施形態１と同様の効果が得られるとともに、三次元熱弾塑性解析を行うことがないために、最適化の条件探索のための繰り返し計算が可能であり、合理的に最適溶接プロセス条件を得ることができる。
【００９２】
なお、本発明は、上記実施形態のみ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もよい。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を構成できる。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よい。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よい。
【符号の説明】
【００９３】
１…解析装置、２…二次元熱弾塑性解析手段、３…固有ひずみ変換手段、４…固有ひずみ分布出力手段、５…固有ひずみ法弾性解析手段、６…溶接変形・残留応力出力手段、７，８…溶接部応力三軸度計算部、１０…解析装置、１１…データ入力部、１２…二次元熱弾塑性解析部、１３…分布ＤＢ、１４…補正係数ＤＢ、１５…補正係数抽出部、１６…固有ひずみ変換部、１７…固有ひずみ分布抽出部、１８…三次元弾性解析部、１９…溶接変形・残留応力出力部、２０…二次元熱弾塑性解析モデル、２１…溶接部、２２，２２…被溶接部材（母材）、２３…溶接部材、２５…表示部、３０…三次元弾性解析モデル（三次元有限要素モデル）、３１…平面、４０…評価装置、４１…プロセス最適化計算手段、４２…最適溶接条件出力手段、Ｓ…溶接線中心、Ｚ０…溶接線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める二次元熱弾塑性解析手段と、
前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換する固有ひずみ変換手段と、
前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力する固有ひずみ分布出力手段と、
前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求める固有ひずみ法弾性解析手段と、
を備えることを特徴とする解析装置。
【請求項２】
前記固有ひずみ変換手段は、
前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに対応する補正係数を記憶する記憶部と、
入力する前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づいて、前記対応する補正係数を前記記憶部から抽出する補正係数抽出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布と前記抽出された補正係数とを乗算して前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項３】
前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布データ、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに対応する前記第２固有ひずみの分布データを記憶する記憶部と、
入力する前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに基づいて、前記対応する前記第２固有ひずみの分布データを前記記憶部から抽出する分布抽出部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項４】
前記求められた構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項５】
前記固有ひずみ変換手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布と前記算出された応力三軸度の比とを乗算して、前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布を前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項６】
前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記固有ひずみ変換手段で変換された三次元の第１固有ひずみの分布と前記算出された前記応力三軸度の比とを乗算して、前記溶接線の長手方向の前記溶接部の第２固有ひずみの分布を求める分布算出部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項７】
請求項１記載の解析装置と、
入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価する評価手段と、
を備えることを特徴とする評価装置。
【請求項８】
前記評価された構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項７記載の評価装置。
【請求項９】
二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
を含むことを特徴とする解析方法。
【請求項１０】
二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
評価手段が、入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価するステップと、
を含むことを特徴とする評価方法。
【請求項１】
入力される構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求める二次元熱弾塑性解析手段と、
前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換する固有ひずみ変換手段と、
前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力する固有ひずみ分布出力手段と、
前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求める固有ひずみ法弾性解析手段と、
を備えることを特徴とする解析装置。
【請求項２】
前記固有ひずみ変換手段は、
前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに対応する補正係数を記憶する記憶部と、
入力する前記溶接部の継手形状、溶接入熱、板厚、溶接速度、溶接パス数の組み合わせに基づいて、前記対応する補正係数を前記記憶部から抽出する補正係数抽出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布と前記抽出された補正係数とを乗算して前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項３】
前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布データ、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに対応する前記第２固有ひずみの分布データを記憶する記憶部と、
入力する前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布、前記溶接部の継手形状、溶接長、溶接方向および拘束の強さの組み合わせに基づいて、前記対応する前記第２固有ひずみの分布データを前記記憶部から抽出する分布抽出部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項４】
前記求められた構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項５】
前記固有ひずみ変換手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記二次元熱弾塑性解析手段で求められた前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布と前記算出された応力三軸度の比とを乗算して、前記二次元モデルの第１固有ひずみの分布を前記三次元モデルの第１固有ひずみの分布に変換する変換部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項６】
前記固有ひずみ分布出力手段は、
前記二次元モデルの前記溶接部に一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行うとともに、前記三次元モデルの前記溶接線の中心の前記溶接部に前記一定温度を加えたときの弾性熱応力解析を行って、弾性熱応力の応力成分をそれぞれ求め、かつこの求めた前記弾性熱応力の応力成分から前記二次元モデルの前記溶接部での応力三軸度と前記三次元モデルの前記溶接部での応力三軸度とその比を算出する応力成分算出部と、
前記固有ひずみ変換手段で変換された三次元の第１固有ひずみの分布と前記算出された前記応力三軸度の比とを乗算して、前記溶接線の長手方向の前記溶接部の第２固有ひずみの分布を求める分布算出部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の解析装置。
【請求項７】
請求項１記載の解析装置と、
入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価する評価手段と、
を備えることを特徴とする評価装置。
【請求項８】
前記評価された構造物の溶接変形や残留応力に基づいて、前記構造物の三次元有限要素モデルを生成して出力する溶接変形・残留応力出力手段を、
さらに備えることを特徴とする請求項７記載の評価装置。
【請求項９】
二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
を含むことを特徴とする解析方法。
【請求項１０】
二次元熱弾塑性解析手段が、入力される前記構造物の溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接入熱、前記溶接部の継手形状、溶接速度、前記溶接部の開先形状、板厚、溶接パス数に基づいて、前記溶接部の二次元の熱弾塑性解析を行い、前記溶接部の溶接線方向に均一に入熱がある場合の二次元モデルにおける前記溶接部の平面での第１固有ひずみの分布を求めるステップと、
固有ひずみ変換手段が、前記求められた二次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布を、前記溶接線の中心で入熱がある場合の三次元モデルにおける前記溶接線の中心で前記溶接線と直交する断面での第１固有ひずみの分布に変換するステップと、
固有ひずみ分布出力手段が、前記変換された三次元モデルにおける前記第１固有ひずみの分布に基づいて、前記溶接部の溶接線の長手方向の第２固有ひずみの分布を出力するステップと、
固有ひずみ法弾性解析手段が、前記求められた第１固有ひずみの分布と前記出力された第２固有ひずみの分布とに基づいて、固有ひずみ法を用いた三次元モデルの固有ひずみ法弾性解析を行い、前記構造物の溶接変形や残留応力を求めるステップと、
評価手段が、入力された前記構造物の拘束の強さ、前記溶接部の被溶接部材および溶接部材の材料物性、溶接パス数、継手形状、板厚、入熱、開先形状、溶接材料に基づいて、前記構造物の溶接変形や残留応力を評価するステップと、
を含むことを特徴とする評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−３６９０２（Ｐ２０１３−３６９０２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４２６４（Ｐ２０１１−１７４２６４）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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