第 3 章 疲労強度へのブローホールの影響が継手形式によって異なる原因
4.4 荷重分担率の検討
荷 重 非 伝 達 型 す み 肉 溶 接 十 字 継 手 の 荷 重 分 担 率 に つ い て は ， 主 板 厚 ， 溶 接 サ イ ズ や 溶 接 形 状 な ど の 影 響 が 大 き い と 考 え ら れ る ． こ こ で は ， 主 板 厚 Tm， 付 加 板 厚 Ta， 溶 接 サ イ ズ S，溶 接 脚 長 比 Sa/Sm（Sa： 付 加 板 側 溶 接 脚 長 ，Sm： 主 板 側 溶 接 脚 長 ）を パ ラ メ ー タ と し た FE 解 析 を 行 い ， そ れ ら の パ ラ メ ー タ を 加 味 し た 荷 重 分 担 率 の 算 定 式 に つ い て 検 討 す る ．
4.4.1 解 析 モ デ ル
解 析 モ デ ル と 要 素 分 割 図 の 例 を図 -4.7 に 示 す ．た だ し ，す み 溶 接 十 字 継 手 の 形 状 の 対 称 性 を 考 慮 し ，1/4 モ デ ル と し て い る ． 先 に 述 べ た 主 板 厚 や 溶 接 サ イ ズ を パ ラ メ ー タ と し て FE 解 析 を 行 っ た ． 解 析 ケ ー ス を表 -4.2 に 示 す ． こ こ で は ケ ー ス No.１ を 基 本 モ デ ル と し て い る ． 解 析 は ２ 次 元 平 面 ひ ず み 条 件 下 で 行 っ た ． 解 析 の プ リ ポ ス ト コ ー ド に は FEMAP Ver7.1， 解 析 コ ー ド に は CAEFEM Ver6.0 を 用 い た ． 要 素 寸 法 は ， 溶 接 部 近 傍 で 0.2mm と し て い る ． 鋼 材 の ヤ ン グ 率 は 2.0×105N/mm2， ポ ア ソ ン 比 は 0.3 と し ， モ デ ル 長 手 方 向 に 等 分 布 の 引 張 力 を 作 用 さ せ た ． 荷 重 分 担 率 は ，1/4 モ デ ル の
図 -4.7 1/4 解 析 モ デ ル(単 位 ：mm) 32
0.01 Tm/2
Ta/2 60
Tm： 主 板 厚 Ta： 付 加 板 厚
Sa： 付 加 板 側 溶 接 脚 長 Sm： 主 板 側 溶 接 脚 長 Sm
Sa
（ 付 加 板 反 力 範 囲 ）
（ 主 板 反 力 範 囲 ）
拘 束 点 で の 主 板 と 付 加 板 の 反 力 を 求 め る こ と に よ り 計 算 し た ．基 本 モ デ ル（ ケ ー ス No.
１ ） の 荷 重 分 担 率 αs tは 0.283 で あ っ た ．
4.4.2 荷 重 分 担 率 に 対 す る 各 パ ラ メ ー タ の 影 響
基 本 モ デ ル の 主 板 厚 Tm=12mmと し て ，溶 接 サ イ ズ S を 3, 4, 5, 6, 7, 8mmと 変 化 さ せ た 解 析 に よ っ て 求 め た 荷 重 分 担 率 と 主 板 厚 で 無 地 元 化 し た 溶 接 サ イ ズ の 関 係 を図 -4.8 に 示 す ． 溶 接 サ イ ズ が 大 き く な る に し た が っ て 荷 重 分 担 率 も 大 き く な っ て い る ． す な わ ち ， 溶 接 サ イ ズ が 大 き く な る こ と で ， 溶 接 を 介 し て 付 加 板 に 伝 達 さ れ る 荷 重 の 割 合 が 高 く な っ て い る ． こ の 関 係 を 基 本 モ デ ル （ 溶 接 サ イ ズ 6mm） の 分 担 率 を 基 準 と し ， 最 小 二 乗 法 で 直 線 近 似 す る と ， 式(4.2)が 得 ら れ る ．
f S/T 0.347 S/T 0.107
0.283 4.2
表 -4.2 解 析 モ デ ル 一 覧 ケース
No
主板厚 Tm(mm)
付加板厚 Ta(mm)
付加板側 溶接脚長 Sa(mm)
主板側 溶接脚長
Sm(mm)
溶接 脚長比
Sa/Sm
1 12 12 6 6 1.00
2 12 12 3 3 1.00
3 12 12 4 4 1.00
4 12 12 5 5 1.00
5 12 12 7 7 1.00
6 12 12 8 8 1.00
7 12 6 6 6 1.00
8 12 8 6 6 1.00
9 12 10 6 6 1.00
10 12 16 6 6 1.00
11 12 20 6 6 1.00
12 12 24 6 6 1.00
13 12 12 6 12 0.50
14 12 12 6 8 0.75
15 12 12 7.5 6 1.25
16 12 12 9 6 1.50
17 12 12 12 6 2.00
18 6 12 6 6 1.00
19 8 12 6 6 1.00
20 10 12 6 6 1.00
21 16 12 6 6 1.00
22 20 12 6 6 1.00
23 28 12 6 6 1.00
24 36 12 6 6 1.00
基 本 モ デ ル の 主 板 厚 Tm=12mmに 対 し て ，Tmを 6 , 8 , 10 , 16 , 20，28 , 36mmと 変 化 さ せ た 解 析 に よ っ て 求 め た 荷 重 分 担 率 と 主 板 厚 の 関 係 を図 -4.9 に 示 す ．主 板 厚 が 大 き く な る ほ ど 荷 重 分 担 率 は 小 さ く な っ て い る ． こ れ は ， 主 板 が 厚 く な る こ と に よ っ て 主 板 で 伝 達 さ れ る 荷 重 の 割 合 が 高 く な る た め で あ る ． こ の 関 係 を 基 本 モ デ ル の 分 担 率 を 基 準 と し ， 最 小 二 乗 法 で 直 線 近 似 す る と ， 式(4.3)が 得 ら れ る ．
f T 0.489logT 0.827
0.283 4.3
基 本 モ デ ル の 付 加 板 厚 Ta=12 ㎜ に 対 し て ， 付 加 板 厚 Taを 6 , 8 , 10 , 16 , 20 , 24 ㎜ と 変 化 さ せ た 解 析 に よ っ て 求 め た 荷 重 分 担 率 と 板 厚 比（Ta/Tm）の 関 係 を図 -4.10に 示 す ． 付 加 板 厚 が 大 き く な る ほ ど 荷 重 分 担 率 は 大 き く な っ て い る ． す な わ ち ， 付 加 板 が 厚 く な る こ と で 溶 接 側 に 力 が 伝 わ り や す く な っ て い る ． こ の 関 係 を 基 本 モ デ ル の 分 担 率 を 基 準 と し ， 最 小 二 乗 法 で ２ 次 曲 線 近 似 す る と ， 式(4.4)が 得 ら れ る ．
f T /T 0.014 T T 0.102 T T 0.194
0.283 4.4
基 本 モ デ ル の 溶 接 脚 長 比（ 付 加 板 側 溶 接 脚 長Sa/主 板 側 溶 接 脚 長Sm）=1.00に 対 し て ， 溶 接 脚 長 比 を 0.50 , 0.75 , 1.25 , 1.50 , 2.00 と 変 化 さ せ た 解 析 に よ っ て 求 め た 荷 重 分 担 率 と 溶 接 脚 長 比 の 関 係 を図 -4.11に 示 す ． 等 脚 の 溶 接 に 比 べ て ど ち ら か の 溶 接 サ イ ズ
図 -4.8 荷 重 分 担 率 と 溶 接 サ イ ズ の 関 係 図 -4.9 荷 重 分 担 率 と 主 板 厚 の 関 係
0 0.4 0.8
0 0.2 0.4 0.6
主板厚で無次元化した溶接サイズSm/Tm
荷重分担率α
0.347(Sm/Tm)+0.107 Tm=12mm
Ta/Tm=1.0 Sa/Sm=1.0
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.0 0
0.2 0.4 0.6
主板厚Tm
荷重分担率α
0.489logTm+0.827
Ta=12mm Sa=Sm=6mm
が 大 き く な る と ， 荷 重 分 担 率 は 高 く な っ て い る ． ま た ， そ の 程 度 は Sa/Sm が １ 以 下 の 領 域 で 顕 著 と な っ て い る ． こ れ ら の 関 係 を 基 本 モ デ ル の 分 担 率 を 基 準 と し ， 最 小 二 乗 法 で 直 線 近 似 す る と ， 式(4.5) (4.6)が 得 ら れ る ．
Sa／Sm≧1 の と き
f S /S 0.0226 S /S 0.260
0.283 4.5
Sa／Sm≦1の と き
f S /S 0.200 S S 0.480
0.283 4.6
0 1 2
0 0.2 0.4 0.6
溶接脚長比Sa/Sm
荷重分担率α
0.200(Sa/Sm)+0.480
0.0226(Sa/Sm)+0.260 Tm=12mm
min(Sa,Sm)=6mm Ta=12mm
図 -4.10 荷 重 分 担 率 と 板 厚 比 の 関 係 図 -4.11 荷 重 分 担 率 と 溶 接 脚 長 比 の 関 係
0 1 2
0 0.2 0.4 0.6
板厚比Ta/Tm
荷重分担率α
0.014(Ta/Tm)2+0.102(Ta/Tm)+0.194 Tm=12mm
Sa=Sm=6mm
図 -4.12 荷 重 分 担 率 と 断 面 積 比 の 関 係
0 0.2 0.4
0 0.2 0.4 0.6
(のど断面積)／(のど断面積＋主板断面積)
荷重分担率α
疲 労 強 度 評 価 の 簡 略 の た め に ， こ こ で 求 め た 荷 重 分 担 率 と 断 面 積 比 （（ の ど 断 面 積 ）
／（ の ど 断 面 積 ＋ 主 板 断 面 積 ））の 関 係 を 調 べ た ．そ の 結 果 を図 -4.12に 示 す ．同 じ 断 面 積 比 で も 荷 重 分 担 率 に ば ら つ き が あ る た め ， 荷 重 分 担 率 を 断 面 積 比 で 表 す こ と は 難 し い と 考 え ら れ る ．
ま た ， 付 加 板 と 主 板 の 節 点 反 力 分 布 を図 -4.13 に 示 す ． い ず れ の ケ ー ス に お い て も 付 加 板 長 さ の 3 割 程 度 の 範 囲 の み 反 力 が 作 用 し て お り ， 主 板 か ら 離 れ た 範 囲 で は 反 力 が 作 用 し て い な い こ と が 分 か る ．
4.4.3 荷 重 分 担 率 の 算 定 式
基 本 モ デ ル の 荷 重 分 担 率 を 基 準 （ αs t=0.283） と し て ， 解 析 か ら 求 め た 溶 接 サ イ ズ ， 主 板 厚 ， 付 加 板 厚 ， 溶 接 脚 長 比 の 補 正 係 数 を 使 い ， 任 意 の 寸 法 ・ 形 状 の 継 手 の 荷 重 分 担 率 α を 式(4.7)で 算 出 す る こ と を 提 案 す る ．
α f S /T f T f T /T f S /S 0.283 4.7