專利名稱：焊接變形分析方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及利用數(shù)值分析計算焊接構(gòu)造物(有時也簡稱為“構(gòu)造物”)的變形、殘留應力等的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在通過焊接施工制造大型構(gòu)造物時，由于對焊接部附近的熱積累及其后的冷卻而發(fā)生焊接變形。為了降低該焊接變形，通常進行約束夾具的安裝或焊接后的矯正作業(yè)等。在這種情況下，利用有限元法等數(shù)值分析來預測變形，以謀求應對變形的最佳化，這對于提高生產(chǎn)效率和降低成本是極為重要的。在利用有限元法進行的焊接變形分析中，大致分為熱彈塑性分析和固有應變法兩種方法。利用熱彈塑性分析進行的焊接變形分析，是在作為分析對象的焊接構(gòu)造物中，由非穩(wěn)定熱傳導分析求出焊接中的熱履歷，接著利用作為非線性分析的熱彈塑性分析，分析焊接中的位移、應變及應力的履歷的方法。另一方面，利用固有應變法進行的焊接變形分析，是一種給予焊接構(gòu)造物在焊接部及其附近產(chǎn)生的固有應變，利用作為線性分析的(熱)彈性分析來計算焊接變形的方法。 由焊接產(chǎn)生的固有應變是從表觀應變中減去彈性應變的值，固體力學的范圍內(nèi)等同于殘留塑性應變。為了利用該固有應變法推定焊接構(gòu)造物的焊接變形或殘留應力，采取以下的步驟。首先，計測由實際的焊接產(chǎn)生的固有的焊接變形或殘留應力，或者，利用將用于焊接構(gòu)造物的焊接法、接頭形狀、焊接條件等圖形化的單元模型，通過熱彈塑性分析求出焊接變形或殘留應力，將它們作為應變的最佳值并數(shù)據(jù)庫化。其次，將數(shù)據(jù)庫化的應變的最佳值賦予焊接構(gòu)造物的模型，利用彈性分析法計算焊接變形或殘留應力。在專利文獻1中揭示了一種焊接殘留應力分析方法，所述方法將通過進行采用了三維模型的熱彈性分析獲得的熱變形的結(jié)果作為變形約束條件，通過進行采用了二維模型的熱彈塑性分析，能夠提高分析精度，并且減少計算時間。在專利文獻2中揭示了一種分析方法，所述方法將利用線性分析的固有應變法分析焊接構(gòu)造物整體的模型的各個固有應變成分轉(zhuǎn)換成局部坐標系，計算出焊接變形、殘留應力。在專利文獻3中揭示了一種分析方法，所述方法在利用焊接構(gòu)造物的殘留應力有限元法進行分析時，通過制約從焊接線到分析模型邊界的軸向距離，縮短分析時間。在專利文獻4中揭示了一種分析方法，所述分析方法利用在約束條件下獲得的焊接固有應變，求出在沒有焊接后約束條件時的焊接變形。在專利文獻5中揭示了一種分析方法，所述分析方法只進行焊接附近的非線性分析，通過對于被焊接物進行線性分析，計算兩個區(qū)域的臨界面處的反作用力，通過以該反作用力之差處于規(guī)定的范圍內(nèi)的方式進行收斂運算，在短時間內(nèi)計算出焊接變形。[現(xiàn)有技術(shù)文獻]
[專利文獻][專利文獻1]特開2009-36669號公報[專利文獻2]特開2004-330212號公報[專利文獻3]特開2003-194637號公報[專利文獻4]特開2006-879號公報[專利文獻 5]W02005/09361
發(fā)明內(nèi)容
利用熱彈塑性分析法進行的變形分析，由于將從焊接開始到完畢的過程以微小的時間間隔進行分析，所以，可以模擬近似于實際焊接的變形履歷。但是，在大型焊接構(gòu)造物的情況下，在分析模型中，需要龐大的元素數(shù)，熱彈塑性分析需要長時間的計算時間，在現(xiàn)實當中，在很多情況下是不可能的。根據(jù)專利文獻1所揭示的方法，由于進行熱彈塑性分析的是二維模型，所以可以縮短計算時間。但是，對于復雜的大型構(gòu)造物的焊接變形，在很多情況下不能采用二維模型，存在著應用受到限制的問題。固有應變法變形分析，由于只利用構(gòu)造物的彈性分析進行分析就可以進行變形計算，所以，可以大幅度縮短計算時間。但是，將通過計算獲得的固有應變分布賦予焊接構(gòu)造物全體是不容易的。S卩，由于在各個單元模型的熱彈塑性分析時使用的模型網(wǎng)格與實際計算的焊接構(gòu)造物的模型的網(wǎng)格不同，所以，在將由單元模型數(shù)據(jù)庫化的固有應變賦予焊接構(gòu)造物的模型時，易于由于坐標之間的換算而產(chǎn)生誤差。結(jié)果，根據(jù)場合的不同，會產(chǎn)生將與實際焊接不同的固有應變分布賦予構(gòu)造物模型的問題。進而，在求出固有應變時使用的單元模型的約束條件一般不能反映焊接構(gòu)造物的約束條件。因此，存在著賦予構(gòu)造物模型的、由單元模型獲得的固有應變的分布與由實際焊接產(chǎn)生的實際構(gòu)造物的固有應變不同的問題。在很多情況下，通過將在與實際構(gòu)造物不同的約束條件下獲得的固有應變賦予構(gòu)造物模型而計算出的變形，與實際焊接構(gòu)造物的變形傾向不一致。在專利文獻2、3、4中揭示了各種各樣的固有應變方法，通過坐標系的換算或分析模型的簡化或者計算范圍的縮小，可以謀求計算精度的提高和計算時間的縮短。但是，存在著不能進行在構(gòu)造物全體的變形中產(chǎn)生的應變或者應力分布等的計算的問題。專利文獻5中揭示的分析方法存在著對于大型構(gòu)造物進行收斂計算花費時間的問題。因此，鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是兼顧大型焊接構(gòu)造物的焊接變形預測中計算精度的提高和計算時間的縮短。為了達到所述目的的本申請發(fā)明的特征是，不進行固有應變的計算或向構(gòu)造物的賦予(變換)，并且只在焊接部及其附近進行熱彈塑性分析的所謂部分熱彈塑性分析(有時，也稱之為“焊接變形分析”)。具體地說，本發(fā)明的焊接變形分析方法包括利用網(wǎng)格生成工序?qū)⒊蔀榉治鰧ο蟮臉?gòu)造物制成整體模型，從成為變形分析對象的、彈性分析所必要的焊接構(gòu)造物的整體模型中提取包含有部分熱彈塑性分析所必要的焊接部的局部模型的工序；對所述局部模型和整體模型的剩余部分的邊界部給予約束，對所述局部模型進行熱彈塑性分析的工序；在所述局部模型的熱彈塑性分析工序結(jié)束之后，將包含有通過所述熱彈塑性分析獲得的焊接完畢之后的最終的應變分布和應力分布的所述局部模型貼到所述整體模型的剩余部分上，借此再次構(gòu)筑整體模型的工序；通過進行整體模型的彈性分析，求出構(gòu)造物的焊接變形和應力的工序。由于所述局部模型是從所述整體模型中直接提取的，所以，構(gòu)成所述局部模型的網(wǎng)格的元素及節(jié)點的結(jié)構(gòu)和相對坐標關(guān)系與所述整體模型的一部分相一致。在進行所述局部模型的熱分析時，對于局部模型與整體模型的剩余部分在分析上的邊界部給予適當?shù)募s束條件，其中，所述邊界部在實際的構(gòu)造物中并不存在，而是通過提取所述局部模型的工序形成的。這時，考慮實際構(gòu)造物的約束狀況來設定邊界部的約束條件。對于所述整體模型的再次構(gòu)筑，可以將滿足在進行所述局部模型的熱彈塑性分析時給予的約束條件、包含有通過熱彈塑性分析獲得的焊接完畢之后的最終的應變分布和應力分布的所述局部模型貼到所述整體模型上?；蛘?，也可以將提取出所述局部模型之后的整體模型的剩余部分貼到包含有通過熱彈塑性分析獲得的焊接完畢之后的最終的應變分布和應力分布的所述局部模型上。在通過整體模型的彈性分析計算構(gòu)造物的焊接變形時，解除在進行所述局部模型的熱彈塑性分析時給予的約束條件，設定接近于實際構(gòu)造物的約束條件，進行彈性分析，求出構(gòu)造物整體的焊接變形和應力。詳細情況將在后面進行描述。根據(jù)本發(fā)明，可以兼顧地在大型焊接構(gòu)造物的焊接變形預測中計算精度的提高及計算時間的縮短。


圖1是本實施方式的分析裝置的硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是表示根據(jù)本實施方式的利用有限元法進行的焊接變形分析處理的流程圖。圖3是表示作為分析對象的焊接構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)的圖示。圖4是表示圖3的焊接構(gòu)造物的整體模型的圖示。圖5是表示提取的局部模型的圖示。圖6是局部模型的邊界部的放大圖。圖7是表示再次構(gòu)筑的整體模型的圖示。圖8是表示局部模型的圖示。圖9是本發(fā)明的焊接變形分析方法、現(xiàn)有的熱彈塑性法、現(xiàn)有的固體應變法的分析時間及分析精度的比較表。圖10是表示實施例2中的整體模型的再次構(gòu)筑的形式的圖示。
具體實施例方式下面，參照適當?shù)母綀D，對實施本發(fā)明的方式(下面，稱之為“實施方式”)進行說明?！督Y(jié)構(gòu)》圖1是本實施方式的分析裝置的硬件結(jié)構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖1所示的分析裝置100是計算機，作為硬件結(jié)構(gòu)，該計算機包括輸入部110、輸出部120、控制部130以及存儲部140。該分析裝置100在存儲部140中存儲CAD (計算機輔助設計)數(shù)據(jù)141，并且， 存儲作為軟件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)模型生成 加工部142、分析部143及參數(shù)取得部144的焊接變形分析方法用的程序。輸入部110例如是接受使用者的操作的鼠標或鍵盤，包括將由使用者輸入的信號傳送給控制部130的輸入接口。輸出部120例如是顯示成為分析對象的焊接構(gòu)造物的CAD數(shù)據(jù)或者其模型、數(shù)值分析的計算結(jié)果等的顯示器，包括根據(jù)來自于控制部130的指令(包括繪圖指令)顯示規(guī)定的圖像的輸出接口。控制部130例如是CPU (中央處理器)，讀出存儲部140存儲的程序中記載的編碼， 實施相應的信息處理(包括數(shù)值分析的運算處理)。存儲部140例如是R0M(只讀存儲器也稱為“存儲介質(zhì)”)、RAM(隨機存儲器)、 HDD (硬盤驅(qū)動器)，如前面所述，存儲作為CAD數(shù)據(jù)141、模型生成 加工部142、分析部143 及參數(shù)取得部144起作用的程序。CAD數(shù)據(jù)141是利用CAD進行設計作為分析對象的焊接構(gòu)造物而生成的例如三維數(shù)據(jù)。在CAD數(shù)據(jù)141中還包括表示焊接構(gòu)造物的物理性質(zhì)的物理參數(shù)。配備有圖中未示出的通信接口且連接到網(wǎng)絡上的分析裝置100，也可以從連接到該網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)庫服務器等外部取得CAD數(shù)據(jù)141。模型生成 加工部142由CAD數(shù)據(jù)141例如生成焊接構(gòu)造物的三維分析模型(有時，也簡單地稱之為“模型”)，或者，根據(jù)來自于輸入部110的輸入進行加工。在模型的生成中，從CAD數(shù)據(jù)141獲得分析對象的形狀，同時，也根據(jù)由來自于輸入部110的輸入指定的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，進行網(wǎng)格的生成。如果獲得了形狀，例如，利用在模型內(nèi)預先設定的三維坐標(在本實施方式中，以坐標軸正交的情況進行說明)的坐標值來決定該焊接構(gòu)造物所占據(jù)的位置，并且，進而，決定構(gòu)成位于該坐標值上的部件的物質(zhì)的物理參數(shù)，存儲在存儲部 140。所述物理參數(shù)由CAD數(shù)據(jù)141獲取。另外，在模型的加工中，例如，包括后面將要描述的局部模型的提取、網(wǎng)格的節(jié)點的約束、約束的解除、整體模型的再次構(gòu)筑等處理。生成或者加工的模型(整體模型或局部模型等)被存儲在存儲部140中。分析部143對于生成或者加工的模型進行數(shù)值分析，求出規(guī)定的分析結(jié)果。在本實施方式中進行的數(shù)值分析中，例如，包括作為非線性分析的熱彈塑性分析或作為線性分析的彈性分析。如果在本實施方式中采用固有應變法，則由分析部143來進行這些分析。參數(shù)取得部144，例如，獲得由輸入部110的輸入指定的參數(shù)。該參數(shù)是為了由模型生成 加工部142進行模型的生成、加工或由分析部143進行數(shù)值分析所必要的值、條件等，具體地說，是有關(guān)網(wǎng)格構(gòu)成的初始條件(例如所使用的網(wǎng)格數(shù)、尺寸、形狀)，從整體模型中提取局部模型時確定的局部模型與整體模型的剩余部分的邊界部，或者網(wǎng)格的節(jié)點的約束條件(例如約束對象的網(wǎng)格的節(jié)點、該節(jié)點的約束的方向(X方向、Y方向、Z方向中的至少一個))。另外，所謂網(wǎng)格的節(jié)點的“約束”是指即使進行數(shù)值分析該節(jié)點的位移量仍然為零。通過這種約束，確定分析模型的數(shù)值分析中的位置的基準。在三維分析模型中，在進行數(shù)值分析時，至少需要六個自由度的約束。但是，不用考慮約束的節(jié)點的位置或方向。上面，對本實施方式的分析裝置的結(jié)構(gòu)的說明結(jié)束。《處理》其次，對于利用本實施方式的分析裝置100實施的處理進行說明。該處理，S卩，主要關(guān)于焊接變形分析的處理，在由控制部130進行的控制下，通過在RAM等的存儲區(qū)域讀出存儲在存儲部140中的程序來實現(xiàn)。圖2是表示根據(jù)本實施方式的有限元法進行的焊接變形分析的處理的流程圖。該控制的主體是控制部130。在該處理中，首先，對作為分析對象的焊接構(gòu)造物進行三維分析模型化，構(gòu)筑整體模型(Si)。在構(gòu)筑該整體模型時，為了得到由熱彈塑性分析獲得的足夠的分析精度，對于包括包含在焊接構(gòu)造物中的焊接部及其附近在內(nèi)的熱彈塑性分析所必需的范圍，設定細 (密)的網(wǎng)格。對于除此之外的范圍，由于只進行彈性分析，所以設定粗的網(wǎng)格。只進行上述彈性分析的范圍的網(wǎng)格的尺寸是上述熱彈塑性分析所必需的范圍的網(wǎng)格尺寸的數(shù)倍到數(shù)十倍。結(jié)果，整體模型的元素數(shù)減少，可以縮短計算時間。這些網(wǎng)格的尺寸或元素數(shù)是作為參數(shù)取得部144的參數(shù)取得的。其次，從構(gòu)筑的整體模型中提取包括焊接部及其附近在內(nèi)的、熱彈塑性分析所必需的范圍的元素，作為熱彈塑性分析用的局部模型(S2)。由于該局部模型是從整體模型中原樣提取出來的，所以，模型及網(wǎng)格的生成限于一次，可以縮短網(wǎng)格的生成工序。在局部模型的提取中，作為參數(shù)取得部144的參數(shù)，獲取并設定局部模型的邊界部與整體模型的剩余部分的邊界部。其次，在提取出局部模型之后，給予局部模型的邊界部適當?shù)募s束條件，約束邊界部(S3)，進行局部模型的熱彈塑性分析(S4)。上述局部模型的邊界部是與上述整體模型的剩余部分的邊界面。另外，考慮到實際構(gòu)造物的約束狀況來設定邊界部的約束條件。對于形成在整體模型的剩余部分中的邊界部也進行所述約束。作為參數(shù)取得部144的參數(shù)設定該約束。另外，優(yōu)選地，在局部模型的邊界部的節(jié)點被約束的狀態(tài)下，進行熱彈塑性分析， 但是，在未約束邊界部的節(jié)點的狀態(tài)下，也可以實施局部模型的熱彈塑性分析。另外，關(guān)于局部模型的邊界部(以及整體模型的剩余部分的邊界部)的節(jié)點的約束，可以對全部節(jié)點進行，也可以對一部分節(jié)點進行。其次，在結(jié)束局部模型的熱彈塑性分析之后，通過將包含有成為分析結(jié)果的熱分布、應力分布及應變分布在內(nèi)的局部模型貼到(合并到)整體模型的剩余部分上，或者通過將除去局部模型之外的整體模型的剩余部分貼到(合并到)包含有熱彈塑性分析結(jié)果的局部模型上，再次構(gòu)筑彈性分析用的整體模型(S5)。另外，在局部模型的熱彈塑性分析時對局部模型的邊界部不設定約束的情況下， 在再次構(gòu)筑彈性分析的整體模型時，以使整體模型的剩余部分的邊界部的節(jié)點與局部模型的邊界部的節(jié)點重合的方式使之移動，將整體模型的網(wǎng)格貼到局部模型上。
在再次構(gòu)筑整體模型之后，撤除上述局部模型的邊界部的約束條件，消除邊界部的約束之后(S6)，利用再次構(gòu)筑的整體模型，設定與實際構(gòu)造物相同的約束構(gòu)件(例如 構(gòu)造物的端部的約束。詳細情況將在后面描述)，通過實施彈性分析，計算構(gòu)造物的變形 (S7)。上面關(guān)于本實施方式的分析裝置的處理的說明完畢。[實施例1]其次，作為實施例1，說明將本實施方式的分析方法應用于具體的形狀一定的焊接構(gòu)造物的情況。圖3是表示作為分析對象的焊接構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)的圖示。該焊接構(gòu)造物是管狀構(gòu)造物。由被焊接材料A和被焊接材料B的環(huán)焊接C構(gòu)成。焊接之后的構(gòu)造物長度約5m，直徑約200mm，厚度為7mm 13mm。通過將該圖3所示的焊接構(gòu)造物有限元模型化，生成三維模型，通過實施網(wǎng)格生成工序(由模型生成·加工部142進行的處理之一)構(gòu)筑整體模型。圖4是表示圖3的焊接構(gòu)造物的整體模型的圖示。該整體模型由局部模型4(用網(wǎng)紋表示)和整體模型的剩余部分5構(gòu)成，所述局部模型4由作為與被焊接材料A的一部分對應的模型的被焊接部1、作為與被焊接材料B對應的模型的被焊接部2以及作為與環(huán)焊接(焊接部位)C對應的模型的焊接部3構(gòu)成。所述整體模型的剩余部分5包括作為與被焊接材料A的剩余部分對應的模型的被焊接部。在生成所述整體模型的網(wǎng)格時，將包含焊接部3及其附近的熱彈塑性分析所必需的范圍作為局部模型4，設定細的網(wǎng)格。對于除此之外的范圍、即整體模型的剩余部分5，由于只進行彈性分析，所以，生成粗的網(wǎng)格。上述熱彈塑性分析所必需的局部模型4的網(wǎng)格的尺寸是上述彈性分析所必需的整體模型的剩余部分5的網(wǎng)格的尺寸的幾分之一 幾十分之一。但是，為了便于說明，在圖4中，省略了設定的網(wǎng)格的圖示。上述熱彈塑性分析所必需的局部模型4的網(wǎng)格比只進行彈性分析的整體模型的剩余部分5的網(wǎng)格小很多，但是，也可以將整體模型的剩余部分5和局部模型4 一起設定成相同程度尺寸的網(wǎng)格。這是因為，即使在相同程度的元素數(shù)的情況下，與彈性分析相關(guān)的時間也在熱彈塑性分析的時間的幾千分之一以下。即，盡管若將整體模型的剩余部分5的網(wǎng)格分割成與局部模型4的網(wǎng)格相同程度的粗細，則元素數(shù)目增加，但是，由于增加程度的網(wǎng)格只進行彈性分析，并且整體的分析時間主要由局部模型4的熱彈塑性分析支配，所以，整體的分析時間的增加程度與熱彈塑性分析的時間相比，小到可以忽略的程度。考慮到實際焊接條件和焊縫的截面形狀來決定本實施例的模型的網(wǎng)格分割。對于元素的類型，優(yōu)選采用分析精度高的六面體元素。另外，也可以采用四面體元素、三角柱元素，或者也可以采用它們的混合元素。生成六面體網(wǎng)格的整體模型的規(guī)模為大約100，000個元素、150，000個節(jié)點的程度。其中，包括焊接附近的熱彈塑性分析所需要的局部模型部分的規(guī)模為大約25，000個元素、40，000個節(jié)點的程度。由于焊接是通過激光·電弧復合焊接、單一焊道焊接進行的，所以，熱源模型采用線狀高斯(Gaussian)熱源(相當于激光熱源)和點狀高斯(Gaussian) 熱源(相當于電弧熱源)的復合移動熱源。考慮到實際焊接條件及焊縫截面形狀來決定分析的熱量輸入條件。焊接時間和實際焊接相同，為90秒。
在生成包含有設定了細網(wǎng)格的局部模型的整體模型之后，在生成的整體模型中， 將包含焊接部及其附近的、有必要進行熱彈塑性分析的范圍作為局部模型4，進行局部模型的提取工序(由模型生成·加工部142進行的處理之一)。圖5是表示提取出來的局部模型的圖示。該局部模型4的網(wǎng)格與圖4所示的作為整體模型的一部分的局部模型4的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完全一致。例如，提取出來的網(wǎng)格的節(jié)點的坐標值表示與提取前的坐標值相同的值。另外，在提取時，在局部模型4上，形成作為與整體模型的剩余部分5的邊界面的邊界部6，邊界部6的位置由參數(shù)取得部144設定。其次，用提取出來的局部模型4進行熱彈塑性分析。在該局部模型4的熱彈塑性分析中包括三個步驟1 3。在局部模型4的熱彈塑性分析的步驟1中，實施熱分析。作為具體的流程，首先， 設定模擬實際焊接條件的熱量輸入條件，其次，以微小的時間間隔對從焊接開始到完畢的過程進行熱分析，計算接近于實際焊接的熱履歷。從而，獲得在焊接部3及其附近的溫度分布的履歷。另外，在計算上述局部模型4的熱履歷時，采用局部模型4，但是，采用整體模型實施熱分析也沒有問題。但是，在這種情況下，由計算獲得的焊接部3及其附近的溫度分析履歷(熱履歷)有必要能夠模擬實際焊接的熱履歷。在局部模型4的熱彈塑性分析的步驟2中，設定在下一個步驟3中實施預定的熱彈塑性分析時成為必要條件的邊界部6的約束條件。該邊界部6是通過上述局部模型4的提取工序形成的、局部模型4與整體模型的剩余部分5在分析上的邊界面，在實際的構(gòu)造物中并不存在這樣的邊界面。另外，也約束整體模型的剩余部分5的邊界面的節(jié)點。圖6是局部模型的交界部的放大圖。參照圖6，對局部模型的邊界部的約束條件的設定進行說明。本實施例的分析模型由用標號10、11表示的六面體元素構(gòu)成。一個個六面體元素的每一個具有8個用標號20 23表示的節(jié)點。這里，節(jié)點20不屬于局部模型4的邊界部6的邊界面，節(jié)點21 23屬于邊界部6的邊界面。從而，局部模型4的邊界部6的約束條件的設定給予如節(jié)點21 23這樣的位于邊界部6的邊界面上的節(jié)點以約束條件?？紤]到實際構(gòu)造物的約束狀況來設定邊界部6的約束條件。在本實施例的情況下，在如圖6所示的節(jié)點21 23這樣的邊界部6的全部節(jié)點中，使該圖所示的坐標方向的 X方向、Y方向、Z方向的位移量為0。在局部模型的熱彈塑性分析的步驟3中，在設定了上述邊界部6的約束條件之后， 將在熱彈塑性分析的步驟1中獲得的局部模型4的熱履歷的分析結(jié)果作為輸入條件，實施非線性的熱彈塑性分析。通過步驟3的分析，獲得局部模型4的應變履歷及應力履歷。其次，利用上述局部模型4的熱彈塑性分析的結(jié)果，再次構(gòu)筑構(gòu)造物的整體模型， 對該整體模型進行彈性分析，計算構(gòu)造物的變形。在該整體模型的彈性分析中，也包含三個步驟1 3。另外，圖7是表示再次構(gòu)筑的整體模型的圖示。在整體模型的彈性分析的步驟1中，將包含熱彈塑性分析結(jié)果的局部模型4貼到整體模型上，再次構(gòu)筑圖7所示的整體模型。在實施局部模型4的熱彈塑性分析時，由于局部模型4和整體模型的剩余部分5的邊界部的節(jié)點受到約束，所以，可以簡單地實現(xiàn)局部模型4向整體模型的剩余部分5的貼附。另外，將通過局部模型4的熱彈塑性分析獲得的應變分布及應力分布也貼到整體模型的剩余部分5上。結(jié)果，在再次構(gòu)筑的整體模型中，包含通過局部模型4的熱彈塑性分析獲得的焊接附近的應變分布、應力分布等信息。在再次構(gòu)筑上述整體模型時，將局部模型4貼到整體模型的剩余部分5上，但是， 也可以反過來，將通過提取局部模型4而剩下的整體模型的剩余部分5的網(wǎng)格貼到含有所述熱彈塑性分析結(jié)果的局部模型4上。在整體模型的彈性分析的步驟2中，解除在進行局部模型4的熱彈塑性分析時設定的局部模型的邊界部6的約束條件，設定能夠模擬實際構(gòu)造物的約束的約束條件。在本實施例中，如圖7所示，對屬于整體模型的端部7的節(jié)點41設定X方向、Y方向、Z方向三個約束，對于節(jié)點42給予Y方向和Z方向的約束，對于節(jié)點43設定Z方向的約束。在整體模型的彈性分析的步驟3中，利用包括局部模型4的應變分布和應力分布、 設定了新的約束條件(在端部7處的約束)的整體模型，進行彈性分析，計算構(gòu)造物的變形。[與現(xiàn)有技術(shù)的比較]作為比較，采用圖3所示的本實施例的分析對象，利用現(xiàn)有的熱彈塑性分析法、現(xiàn)有的固有應變法、本發(fā)明的部分熱彈塑性分析法進行分析，對于直到獲得分析結(jié)果的所有時間及分析精度，對三種方法進行比較。在進行現(xiàn)有的熱彈塑性分析時，利用本實施例的整體模型來實施。該模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與圖7所示的本實施例中使用的整體模型相同。但是，由于現(xiàn)有的熱彈塑性分析對整體模型實施熱彈塑性分析，所以，在該整體模型中，同時包含溫度、應力、應變、變形量等作為熱彈塑性分析結(jié)果的信息。由于焊接是通過激光、電弧復合焊接由一道焊接進行的，所以，熱源模型采用線狀高斯(Gaussian)熱源(相當于激光熱源)和點狀高斯(Gaussian) 熱源(相當于電弧熱源)的復合移動熱源?？紤]到實際焊接條件及焊縫截面形狀來決定分析的熱量輸入條件。焊接時間和實際焊接相同，為90秒。在設定了上述分析模型及焊接條件(熱量輸入條件)之后，利用和本實施例所記載的所述局部模型4的熱彈塑性分析法同樣的分析方法，進行整體模型的熱彈塑性分析 (下述步驟1 3)。在熱彈塑性分析步驟1中，實施熱分析。設定模擬實際焊接條件的熱量輸入條件， 設定微小的時間間隔對從焊接開始到完畢的過程進行熱分析，計算接近于實際焊接的熱履歷。從而，作為分析結(jié)構(gòu)，獲得包含焊接部3及其附近的整體模型的溫度分布的履歷。在步驟2，設定可以模擬實際構(gòu)造物的約束的、成為焊接變形分析所必需的邊界條件的約束條件。與在本實施例中實施的整體模型的彈性分析時設定的約束條件一樣，對于屬于圖7所示的整體模型的端部7的節(jié)點41，設定X方向、Y方向、Z方向三個約束，對節(jié)點 42給予Y方向和Z方向的約束，對于節(jié)點43設定Z方向的約束。在步驟3，在設定了上述端部7的約束條件之后，將在熱彈塑性分析的步驟1中獲得的整體模型的熱履歷的分析結(jié)果作為輸入條件，實施非線性的熱彈塑性分析。通過實施， 獲得整體模型的應變履歷和應力履歷、或者各節(jié)點的位移履歷。由該位移履歷可以計算焊接構(gòu)造物的整體的變形。另外，在實施現(xiàn)有的固有應變法時，首先，有必要利用熱彈塑性分析法計算焊接部 3及其附近的固有應變分布。為此，采用在本實施例中使用的熱彈塑性分析的局部模型4的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。圖8是表示局部模型的圖示。該圖相當于改變圖5所示的局部模型4的觀察點、 且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不同的圖示，表示局部模型4的端部8。分析所必需的熱量輸入條件也和本實施例一樣地設定，但是，對于約束條件，如圖 8所示，對于局部模型4和整體模型5的邊界部6的相反側(cè)的端部8設定適當?shù)募s束。艮口， 對于端部8的節(jié)點81，設定X方向、Y方向、Z方向三個約束，對于端部8的節(jié)點82給予Y 方向和Z方向的約束，對于端部8的節(jié)點83設定Z方向的約束。設定約束條件之后，利用和所述局部模型的熱彈塑性分析法同樣的分析法，進行局部模型4的熱彈塑性分析。結(jié)果，作為固有應變，獲得焊接部3及其附近的溫度履歷、應變履歷、應力履歷等。其次，從上述結(jié)果中提取焊接附近的固有應變，將該固有應變賦予整體模型，所述整體模型包含有和圖7所示的本實施例中使用的整體模型同樣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并且，當前處于在全部元素及節(jié)點上應變、應力、溫度等全部為零的狀態(tài)。在將上述固有應變給予整體模型之后，設定整體模型的約束條件，進行彈性分析。 約束條件的設定和本實施例一樣，如圖7所示，對于屬于整體模型的端部7的節(jié)點41，設定 X方向、Y方向、Z方向三個約束，對于節(jié)點42給予Y方向和Z方向的約束，對于節(jié)點43設定Z方向的約束。之后，進行整體模型的彈性分析，計算整體的變形。圖9是本發(fā)明的焊接變形分析方法、現(xiàn)有的熱彈塑性法、現(xiàn)有的固體應變法的分析時間及分析精度的比較表。變形量的分析精度最高的是現(xiàn)有技術(shù)的熱彈塑性分析法(用 “◎”表示)，在本發(fā)明的分析方法中，也比現(xiàn)有的固有應變法(用“Δ”表示)更優(yōu)異的、獲得足夠的分析精度(用“〇”表示)。另一方面，對于分析時間，現(xiàn)有的熱彈塑性分析法最長(用“ X ”表示)，根據(jù)分析對象的不同，在很多情況下不能進行分析。與此相對，本發(fā)明的分析方法比固有應變法(用 “Δ”表示)，可以實現(xiàn)大幅度的縮短分析時間(用“〇”表示)。另外，本發(fā)明的分析方法， 由于不需要固有應變的計算和整體模型的賦予工序，分析時間最短。[實施例2]其次，作為實施例2，說明將本實施方式的分析方法應用于具體形狀確定的焊接構(gòu)造物的另外的情況。實施例2，是關(guān)于變更了實施例1的邊界部的約束條件的設定的情況的例子。本實施例的分析對象和實施例1中使用的對象相同，是圖3所示的管狀焊接構(gòu)造物。另外，關(guān)于分析方法，除與邊界部的約束條件的設定相關(guān)的處理之外，和實施例1同樣。 即，實施例2的分析方法包括首先利用生成網(wǎng)格的工序?qū)⒆鳛榉治鰧ο蟮臉?gòu)造物制成整體模型，將包含有熱彈塑性分析所必要的焊接部的局部模型從作為分析對象的彈性分析所必需的焊接構(gòu)造物的整體模型中提取出來的工序；不對所述局部模型的邊界部和整體模型的剩余部分的邊界部給予約束，對所述局部模型進行熱彈塑性分析的工序；在所述局部模型的熱彈塑性分析工序結(jié)束之后，對于包含有通過熱彈塑性分析獲得的焊接完畢之后的最終的應變分布和應力分布的所述局部模型，在考慮到由于熱彈塑性分析引起的位移量的同時，將其粘貼到所述整體模型的剩余部分上，借此，再次構(gòu)筑整體模型的工序；通過進行整體模型的彈性分析，求出構(gòu)造物的焊接變形和應力的工序。
生成整體模型的網(wǎng)格的工序、提取熱彈塑性分析所必要的局部模型的工序、進行局部模型的熱彈塑性分析的工序、以及進行整體模型的彈性分析的工序這四個分析步驟， 與實施例1所示的步驟一致。但是，對于在局部模型的熱彈塑性分析時所必要的邊界部的約束條件的設定及整體模型的再次構(gòu)筑，與實施例1不同。在本實施例中，不約束局部模型的邊界部，但是，在進行局部模型的熱彈塑性分析時，局部模型的端部受到約束。下面，參照圖8說明局部模型的端部的約束的詳細情況。在本實施例中，圖8所示的局部模型4是從圖3所示的整體模型中提取的模型，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和其整體模型的一部分相同。在設定本實施例的局部模型4的端部的約束條件時，如圖8所示，對于作為局部模型4的邊界部6的相反側(cè)的端面的端部8設定適當?shù)募s束。例如，對于節(jié)點81，設定X方向、Y方向、Z方向三個約束，對于節(jié)點82給予Y方向和Z方向的約束，對于節(jié)點83設定Z 方向的約束。另外，在再次構(gòu)筑彈性分析所必需的整體模型時，將整體模型的剩余部分5貼到包含有熱彈塑性分析結(jié)果的局部模型4上。這是為了應對這樣的現(xiàn)象即，在局部模型4的熱彈塑性分析時，對于局部模型4與整體模型的剩余部分5各自的邊界部不設定約束條件， 所以，在局部模型4的邊界部6的節(jié)點處發(fā)生位移。與整體模型的剩余部分的邊界部的節(jié)點的坐標不一致。具體地說，使整體模型的剩余部分5移動與通過熱彈塑性分析產(chǎn)生的位移量相當?shù)牧?以抵消位移量)，進行貼附。圖10是表示實施例2中的整體模型的再次構(gòu)筑的形式的圖示。如圖10所示，使實施局部模型4的熱彈塑性分析之前的整體模型的剩余部分5的邊界部61的節(jié)點移動，使之與實施了熱彈塑性分析的局部模型4的邊界部6的節(jié)點吻合。盡管為了使上述整體模型的剩余部分5的邊界部61的節(jié)點與局部模型4的邊界部6的節(jié)點相一致要花費相應的時間，但是，由于該節(jié)點的吻合只限于邊界部61的節(jié)點，所以，與像現(xiàn)有的固有應變法那樣將焊接部附近的龐大的節(jié)點的固有應變賦予整體模型的剩余部分5的工序相比，可以大幅度縮短時間。另外，也可以和所述貼附相反，將局部模型4貼到整體模型的剩余部分5上，再次構(gòu)筑整體模型。通過使整體模型的剩余部分5的邊界部61的節(jié)點與局部模型4的邊界部6的節(jié)點相吻合，在再次構(gòu)筑整體模型之后，利用再次構(gòu)筑的整體模型，進行彈性分析，計算焊接變形。利用實施例2的分析方法的分析時間和分析精度與圖9所示的比較表一樣?！犊偨Y(jié)》借助本實施方式，產(chǎn)生以下的效果。即，根據(jù)本實施方式的焊接變形分析，借助焊接附近的熱彈塑性分析，可以計算出殘留應力和殘留應變，并且，不進行固有應變的計算或測定、進而不進行將固有應變賦予整體模型等工序，就可以進行構(gòu)造物整體的彈性分析。從而，能夠短時間并且高精度地進行大型焊接構(gòu)造物的變形預測。另外，如實施例2所示，即使是不對局部模型進行約束時的焊接變形分析，也能夠短時間并且高精度地進行大型焊接構(gòu)造物的變形預測。《其它》
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另外，所述實施方式是適合于實施本發(fā)明的方式，但是，實施方式并不限定與此， 在不超出本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，可以進行種種變形。例如，在本實施方式中，對于采用三維分析模型的數(shù)值分析進行了說明。但是，也可以采用一維或二維分析模型。另外，在本實施方式中，在提取局部模型時形成的局部模型的邊界部也可以形成兩個以上，也可以不沿著網(wǎng)格的面，而以與網(wǎng)格的面平行或者非平行地切斷網(wǎng)格的方式形成。在以切斷網(wǎng)格的方式形成的情況下，可以將通過該切斷形成的切斷面作為新的網(wǎng)格的另外，在本實施方式中，局部模型的邊界部作為從輸入部輸入的參數(shù)，由使用者指定。但是，在提取局部模型時，為了到達所希望的分析時間和所希望的分析精度，也可以采用能夠設定所述邊界部的程序。對于其它的硬件、軟件等具體的結(jié)構(gòu)，在不超出本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，可以適當?shù)刈兏工業(yè)上的利用可能性]本發(fā)明的焊接變形分析方法，不管形狀如何，在進行大型焊接構(gòu)造物的焊接變形的分析時是有效的。[符號說明]1被焊接部2被焊接部3焊接部4局部模型5整體模型的剩余部分6邊界部100分析裝置110輸入部120輸出部130控制部140存儲部14ICAD 數(shù)據(jù)142模型生成·加工部143分析部144參數(shù)取得部
權(quán)利要求
1.一種焊接變形分析方法，該焊接變形分析方法為將焊接構(gòu)造物模型化以進行數(shù)值分析的分析裝置的焊接變形分析方法，其特征在于，所述分析裝置的存儲部存儲所述焊接構(gòu)造物的整體模型，所述焊接構(gòu)造物的整體模型是利用用于進行所述數(shù)值分析的網(wǎng)格生成的，所述分析裝置的控制部進行以下步驟從所述整體模型中提取局部模型的步驟，所述局部模型包含對應于所述焊接構(gòu)造物的焊接部位的模型，約束構(gòu)成所提取的所述局部模型的與所述整體模型的剩余部分的邊界部的網(wǎng)格的節(jié)點的步驟，在所述局部模型中，進行作為所述數(shù)值分析的熱彈塑性分析的步驟，將所述局部模型和所述整體模型的剩余部分合并，再次構(gòu)筑整體模型的步驟，在再次構(gòu)筑的整體模型中，解除所述約束，進行作為所述數(shù)值分析的彈性分析，借此， 計算所述焊接構(gòu)造物的變形的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接變形分析方法，其特征在于，用于所述整體模型的剩余部分的網(wǎng)格比用于所述局部模型的網(wǎng)格粗。
3.一種焊接變形分析方法，該焊接變形分析方法為將焊接構(gòu)造物模型化以進行數(shù)值分析的分析裝置的焊接變形分析方法，其特征在于，所述分析裝置的存儲部存儲所述焊接構(gòu)造物的整體模型，所述焊接構(gòu)造物的整體模型是利用用于進行所述數(shù)值分析的網(wǎng)格生成的，所述分析裝置的控制部進行以下步驟從所述整體模型中提取局部模型的步驟，所述局部模型包含對應于所述焊接構(gòu)造物的焊接部位的模型，在所述局部模型中，進行作為所述數(shù)值分析的熱彈塑性分析的步驟，移動所述局部模型或者所述整體模型的剩余部分，以便抵消由所述熱彈塑性分析在所述局部模型中產(chǎn)生的位移量，將所述局部模型和所述整體模型的剩余部分合并，再次構(gòu)筑整體模型的步驟，在再次構(gòu)筑的整體模型中，通過進行作為所述數(shù)值分析的彈性分析，計算所述焊接構(gòu)造物的變形的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的課題是兼顧在大型焊接構(gòu)造物的焊接變形預測中的計算精度的提高及計算時間的縮短。根據(jù)本發(fā)明，在生成網(wǎng)格，將作為分析對象的焊接構(gòu)造物模型化并進行熱彈塑性分析的方法中，構(gòu)筑焊接構(gòu)造物的整體模型(S1)，從該整體模型中，提取出包含焊接部在內(nèi)的局部模型(S2)。其次，約束提取出來的局部模型與整體模型的剩余部分的邊界部(S3)，進行熱彈塑性分析(S4)，將包含有熱彈塑性分析的分析結(jié)果的局部模型貼到整體模型的剩余部分上，再次構(gòu)筑整體模型(S5)。之后，解除邊界部的約束(S6)，進行整體模型的彈性分析(S7)，由此計算焊接構(gòu)造物的變形。
文檔編號B23K31/00GK102152016SQ20111003660
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者張旭東 申請人:株式會社日立制作所