10 点

デモンストレーションデモンストレーション実継ぎ手（３層３パス）

実継ぎ手（３層３パス）

07 組織WG-２３

３−１、実測値−予測値の比較３−１、実測値−予測値の比較

３層３パス _①

②

③

予測実測

α 58.3 60.0 AF 32.2 30.1 P 9.5 3.5

予測実測 α 87.0 81.0 AF 0.0 0.0

P 12.9 18.5

予測実測

α 93.0 80.0 AF 0.0 0.0

P 7.0 18.7

多層盛り溶接においても組織予測可能多層盛り溶接においても組織予測可能

１４７Hv １４５Ｊ１６３Hv １３２Ｊ予測値

実測値

10 ４、組織 _WG の全体総括

１、特性シミュレーション

•常温強度はSi%とﾌｪﾗｲﾄ分率で予測できることを見出し、モデル化に成功した。

•衝撃特性は構成組織毎の場合分けで予測できることを見出し、モデル化に成功した。

２、組織シミュレーション

•各構成組織のモデル化を行い、それらを統合した組織シミュレーションを完成させた。

３、各（特性、組織、プロセス）シミュレーションの統合化

・各シミュレーションの統合化を進め、多層盛り溶接で予測精度の検証に成功した。

± 8.5J

±1010JJ ０℃シャルピー吸収エネルギ

49 MPa

±5050MPaMPa 室温強度

± 4.6%

±10%10%

アシキュラフェライト分率

± 5.1%

±5%5%

フェライト分率

検証結果検証結果目標値

目標値評価項目

評価項目

07 組織WG-２５

本ソフトは原則、公的・民間の研究機関に公開し、各研究機関での活用を可能とする。

国内外の多様な溶接工法・材料規格対応

→Ｐ，Ｓ等の不純物元素、各種微量元素等への拡張 JSSCや国内外大学、業界へのテスト利用と普及促進仕様規定(現行：パス間温度規定）対応

→高効率高信頼溶接工法の合理的選定の重要性拡大 JSSCや国内外大学、業界へのテスト利用と普及促進世界的な溶接部信頼性向上と

耐震性・安全性確保に貢献性能規定への円滑移行に貢献社

外利用

高パス間温度、７８０MPa級対応

各種元素（C,Mo,Ni,Cr,Ti,B等）への更なる成分拡張新規溶接材料開発ツール

物件受注活動の効率化、工期短縮、コストダウンに寄与モデルを590MPa、特殊元素（Mo,Ni,Cr,B等）へ拡張溶接施工条件決定支援ツール

熟練溶接施工技術者減少対応

初心者に施工管理条件ポイントを効果的に理解溶接施工技術者教育ツール

社内利用

備考活用方法

５、実用化の見通し（案）

07 組織WG-２６

「溶接技術の高度化による高効率・

高信頼性溶接技術の開発」

変形ＷＧ成果報告

平成

17

年

5

月

7

日

大阪大学接合科学研究所村川英一

08 溶接変形予測–１

溶接変形の種類と解析法

(i) 横収縮 (ii) 縦収縮 (iii) 回転変形

(a) 面内変形

(i) 角変形 (ii) 縦曲り (iii) 座屈変形 (iv) 捩じれ変形 (b) 面外変形

(i) 横収縮 (ii) 縦収縮 (iii) 回転変形

(a) 面内変形

(i) 角変形 (ii) 縦曲り (iii) 座屈変形 (iv) 捩じれ変形 (b) 面外変形

固有変形＋弾性解析

08 溶接変形予測– ２

熱弾塑性解析

溶接方向

240 mm

25 mm

380 mm

Q=533 J/mm

溶接速度：v=1.5 mm/s 空間のメッシュ≒溶融池の寸法

50×20×10＝10000

要素

34779 自由度

大次元の連立方程式を解く

溶接シミュレーションの特徴①

08 溶接変形予測– ３

溶接シミュレーションの特徴②

s dt C

dT

/

≈ 200

ひずみ塑性ひずみ

降伏応力

σ

材料非線形：塑性

鋼の場合、温度上昇が約

120 ℃を越えると

塑性変形が生じる。

10

℃程度の温度増分毎に計算を進める

08 溶接変形予測– ４

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

80 100 120 140 160 180 200

温度 ℃

時間

s dt C

dT

/

≈ 200

熱弾塑性理論による詳細解析

　　：数万自由度の連立方程式を数千回解く　　　　　　　　計算の高速化、高精度化が必要計算の高速化、高精度化が必要計算の高速化、高精度化が必要計算の高速化、高精度化が必要

冷却後の状態（固有変形固有変形固有変形）に固有変形注目した弾性簡易解析固有変形データベースが必要固有変形データベースが必要固有変形データベースが必要固有変形データベースが必要溶接時間＝溶接長さ／溶接速度

　　　　　　　　＝240／1.5=　160　秒温度増分を10℃とした時のステップ数

　　　　　　　　＝200×160／10＝3600　ステップ

08 溶接変形予測– ５

溶接変形予測溶接変形予測溶接変形予測

溶接変形予測WGではではではでは

溶接現象の特殊性を計算理論あるいはモデル化に反映し、

溶接変形高精度予測のための ①高精度溶接変形予測システムと ②計算速度向上新理論を開発する。

大型構造物の溶接変形予測のための ③-a 固有変形を用いた弾性解析法および

③-b 固有変形データベース構築法を開発する。

④溶接高温割れシミュレーションのための基礎的検討を行う。

08 溶接変形予測– ６

最終目標

中規模程度の実用構造物の溶接割れを予測できるシミュレーションモデルを開発

数値目標：適正施工条件の指示により割れ発生を1/5に低減溶接高温割れ予測

(阪大村川)

大型構造物の大局的な溶接変形を固有変形データベースを用いた弾性計算により推定できる予測システムを開発数値目標：予測を活用し工作誤差を

1/4

程度に低減データベースに

基づく溶接変形予測システムの開発

(阪大村川)

高精度・高効率な溶接熱弾塑性解析法を開発数値目標：計算時間を

50%

に短縮

計算速度向上新理論構築

(

阪大中長

)

溶接変形が精度良く予測できる熱変形予測システムを開発

数値目標：±15%の精度で溶接変形を予測高精度溶接変形

予測

(阪大金)

｢溶接変形予測シミュレーションモデルの開発｣の達成目標

08 溶接変形予測– ７

システムの開発基本機能の開発

③データベースに基づく溶接変形予測システム開発

H14, H15, H16 H12, H13

モデルの開発・検証

④溶接高温割れ解析モデル開発

プログラムの開発解析理論の展開

②計算速度向上新理論構築

システムの開発解析理論の検討

①高精度溶接変形予測システム構築

開発内容研究開発項目

溶接変形予測シミュレーションモデルの開発スケジュール

08 溶接変形予測– ８

① 高精度溶接変形予測システム構築

溶接変形が精度良く予測できる熱変形予測システムを開発

[数値目標]：±15%以内の精度で溶接変形を予測

最終目標

08 溶接変形予測– ９

変形予測の精度に影響を与える因子

(1) ロッキングによる剛性の過大評価 ⇒ 低減積分の採用 (2) 入熱分布 ⇒ 溶込形状を再現する入熱分布 (3) 高温度域での誤差 ⇒ 塑性計算における高精度化

SM400 Material

Rib plate Flange plate

8 12 140 600 12

600 600

Leg length Thickne Breadth ss Length Thickne Breadth ss Length

14000 45

35 300

CO₂ 1 DW-100V

φ1.2 2 300 35 45 14000

Heat input (J/cm) Speed

(cm/min) Voltage

(V) Current Pass (A)

Shield gas Welding

wire

①

②

実験による検証

08 溶接変形予測– １０

隅肉溶接の順番と方向

鋼材と溶接条件

溶込形状を反映した入熱分布を採用

(a) １パス (b) ２パス

T1 ₁₆ T2 T3 T4

31 56mm

08 溶接変形予測– １１

-300 -200 -100 0 100 200 300

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

-300 -200 -100 0 100 200 300

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

Experiment (x) -280 -150 0 mm 150 280

y (mm)

Analysis (x) -280 -150 0 mm 150 280

Di sp la ce m e n t w ( m m )

溶込み形状無視

溶込み形状考慮

実験と予測の比較（横曲り変形）

08 溶接変形予測– １２

実験と解析の比較

08 溶接変形予測– １３

横曲り変形縦曲り変形

(1) 低減積分

(2)溶込形状を反映した入熱 (3)高温塑性域での高精度化

変形予測の精度を確認（±15%以内の精度）

② 計算速度向上新理論構築

高速化の手段

(i) 大規模連立方程式を毎回解かない解析法 “増分反復全ひずみ法”

(ii) 大温度増分を許す解析法 “大温度増分反復全ひずみ法”

高精度・高効率な溶接熱弾塑性解析法を開発数値目標：計算時間を50%に短縮

最終目標

08 溶接変形予測– １４

毎回連立方程式を解く

１回解けば良い

(2) 増分反復全ひずみ法における全体剛性方程式

08 溶接変形予測– １５

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 200 400 600 800 1000 1200 Material Properties Poisson's ratio(x10^-2)

Young's modults (x10⁴ MPa)

thermal expansion (x10^-6) Yield stress(X10 MPa)

Temperature(^oC)

150

200

拘束溶接

試験溶接

拘束溶接

60 80 60

y開先拘束割れ試験

材料の力学的性質の温度依存性

08 溶接変形予測– １６

大温度増分反復全ひずみ法の有効性検証

x

y

従来解析法

y軸に沿った残留応力分布σ

08 溶接変形予測– １７

新解析法

y=-10 x=0

0 5 10 15 20 25

‑75 ‑50 ‑25 0

：1600

： 400

： 200

： 100

： 50

y (mm) σ y(x10MPa)

0 5 10 15 20 25

‑75 ‑50 ‑25 0

：1600

： 200

： 50

： 25

： 10

y (mm)

σ

(x10MPa)

y=-10 x=0

Usual incremental method New method

σ

σ :

( at x=0,y=-10mm) (Tc：CPU Time)

解析精度と計算時間の比較

08 溶接変形予測– １８

0.9695 0.5168

800 0.0708 0.0073

10 0.3647 0.0189

25 0.5304 0.0383

50 0.6808 0.0741

100 0.7758 0.1401

200 0.9718 0.2781

400 1.0000 1.0000

1600

Number of

Increments T

/ T

_c_⋅_u₁₆₀₀

σ

/ σ

_y_⋅_u¹⁶⁰⁰

0.9980

0.8400 0.0259

10 0.9845 0.0437

25 1.0223 0.0591

50 1.0124 0.0937

100 0.9952 0.1472

200 1.0037 0.2187

400 0.3373 800

0.9933 0.8562

1600

Number of

Increments T

/ T

_c_⋅_u¹⁶⁰⁰

^σ

^/ ^σ

^y^⋅^u¹⁶⁰⁰

計算時間が約

1/10

大型構造物の大局的な溶接変形を固有変形データベースを用いた弾性計算により推定できる予測システムを開発

[数値目標]：予測を活用し工作誤差を1/4程度に低減最終目標

③データベースに基づく溶接変形予測システムの開発

溶接線

基本的考え方：

溶接線に固有変形を与え構造全体の溶接変形を弾性解析により予測する。

08 溶接変形予測– １９

750 1500 750

3000

250500500250 1500

300 6

3rib 140×12×3000

10 10

R112505 250500250 1000

1PL1500×9×

3000

1500 1PL750×9×1500 3rib 140×12×3000

模擬ブロック溶接変形試験体

側面図 Model A （ギャップ＝0mm）

側面図 Model B （ギャップ：両端＝10mm、中央＝0mm）

模擬ブロック溶接変形試験

（平成

15

年度実施）

Model C (ギャップ＝0 mm) Model D (端部ギャップ＝10 mm)

板：

9 mm

縦骨：

12 mm

脚長 (mm)

電流

（A）

ARC電圧

（V）

速度 (cm/min)

効率 (%)

入熱量 (J/mm) 予備解析 6 220 30 58 100 (仮) 683

実験 6 270 29 40 100 (仮) 1175

目的 ① 固有変形の同定

② 固有変形を用いた弾性解析の精度検証 ③ ギャップの影響解明

08 溶接変形予測– ２０

弾性ＦＥＭによる溶接変形の予測

固有変形の同定

・計測→逆解析

・熱弾塑性FEM解析

固有変形

08 溶接変形予測– ２１

L-S-継手

T-S継手

T-L継手

小型試験体(C, D)

大型試験体(A, B)

Gap (10 mm) stiffener 1

stiffener 2

Line 2 Line 1

Line 1

変形の予測（モデルＣ）

変形の予測値と実験値の比較

（モデルＣ、Line-1上の撓み分布）

-15 -10 -5 0 5

0 200 400 600 800 1000

実験

固有変形(熱弾塑性FEM) 固有変形(逆解析)

撓み (mm)

Y‑座標 (mm)

変形の予測値と実験値の比較

（モデルＣ、Line-2上の撓み分布）

-1 5 -1 0 -5 0 5

0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 実験

固有変形 ( 熱弾塑性 F E M ) 固有変形 ( 逆解析 )

撓み (mm)

X ‑ 座標 ( mm )

実験と予測の比較

(Model-C, D)

変形の予測（モデルＤ）

08 溶接変形予測–２２

Line 1 Line 2 Line 4

Line 3

変形の予測値と実験値の比較ラインとギャップ

Gap (10 mm)

逆解析で同定した固有変形を用いて予測した撓み分布（モデル-A）

逆解析で同定した固有変形を用いて予測した撓み分布（モデル-B）

実験と予測の比較

(Model-A, B)

08 溶接変形予測–２３

-10 -5 0 5 10

0 250 500 750 1000 1250 1500 実験

固有変形(熱弾塑性FEM) 固有変形(逆解析)

撓み (mm)

Y‑座標 (mm)

（モデル-A, Line-3上の撓み分布）

-15 -10 -5 0 5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 実験

固有変形(熱弾塑性FEM) 固有変形(逆解析)

撓み (mm)

X‑座標 (mm)

（モデル-B, Line-1上の撓み分布）

-15 -10 -5 0 5

0 250 500 750 1000 1250 1500 実験

固有変形(熱弾塑性FEM) 固有変形(逆解析)

撓み (mm)

Y‑座標 (mm)

（モデル-B, Line-3上の撓み分布）

Line 1 Line 2 Line 4

Line 3 Line 1

Line 2 Line 4

Line 3

-6 -4 -2 0 2 4 6 8

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 実験

固有変形(熱弾塑性FEM) 固有変形(逆解析)

撓み (mm)

X‑座標 (mm)

（モデル-A, Line-1上の撓み分布）

08 溶接変形予測–２４

変形の予測値と実験値の比較

08 溶接変形予測– ２５

固有変形データベース

逆解析

弾性解析

検証実験

車両台車梁の溶接変形

検証実験における変形計測

08 溶接変形予測– ２６

3次元計測装置

ドキュメント内表紙 (ページ 61-75)

デモンストレーション デモンストレーション 実継ぎ手（３層３パス）

実継ぎ手（３層３パス）

３−１、実測値−予測値の比較 ３−１、実測値−予測値の比較

予測 実測

α 58.3 60.0 AF 32.2 30.1 P 9.5 3.5

予測 実測 α 87.0 81.0 AF 0.0 0.0

P 12.9 18.5

予測 実測

α 93.0 80.0 AF 0.0 0.0

P 7.0 18.7

10

４、組織 WG の全体総括

•常温強度はSi%とﾌｪﾗｲﾄ分率で予測できることを見出し、モデル化に成功した。

•衝撃特性は構成組織毎の場合分けで予測できることを見出し、モデル化に成功した。

•各構成組織のモデル化を行い、それらを統合した組織シミュレーションを完成させた。

５、実用化の見通し（案）

「溶接技術の高度化による高効率・

高信頼性溶接技術の開発」

変形ＷＧ成果報告

17

5

7

溶接変形の種類と解析法

溶接速度：v=1.5 mm/s 空間のメッシュ≒溶融池の寸法

要素

溶接シミュレーションの特徴①

溶接シミュレーションの特徴②

s dt C

dT

/

≈ 200

ひずみ 塑性ひずみ

降伏応力

σ

120 ℃を越えると

10

s dt C

dT

/

≈ 200

(阪大 村川)

1/4

50%

(

)

(阪大 金)

① 高精度溶接変形予測システム構築

[数値目標]：±15%以内の精度で溶接変形を予測

(1) ロッキングによる剛性の過大評価 ⇒ 低減積分の採用 (2) 入熱分布 ⇒ 溶込形状を再現する入熱分布 (3) 高温度域での誤差 ⇒ 塑性計算における高精度化

①

②

実験による検証

溶込形状を反映し た入熱分布を採用

(a) １パス (b) ２パス

-300 -200 -100 0 100 200 300

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

-300 -200 -100 0 100 200 300

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

y (mm)

Di sp la ce m e n t w ( m m )

(2) 増分反復全ひずみ法における全体剛性方程式

150

200

試験溶接

60 80 60

y開先拘束割れ試験

x

y

従来解析法

y軸に沿った残留応力分布σ

新解析法

σ

Usual incremental method New method

σ

σ :

( at x=0,y=-10mm) (Tc：CPU Time)

0.9695 0.5168

800

0.0708 0.0073

デモンストレーションデモンストレーション実継ぎ手（３層３パス）

３−１、実測値−予測値の比較３−１、実測値−予測値の比較

予測実測

予測実測 α 87.0 81.0 AF 0.0 0.0

予測実測

４、組織 _WG の全体総括

ひずみ塑性ひずみ

(阪大村川)

(阪大金)

溶込形状を反映した入熱分布を採用

^σ

^/ ^σ

[数値目標]：予測を活用し工作誤差を1/4程度に低減最終目標