JP7496121B2 - How to create a heating plan for distortion relief - Google Patents
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Description
本発明は、ひずみ取りのための加熱方案の作成方法に関する。 This invention relates to a method for creating a heating plan for removing distortion.
溶接により構造物を製作する際には溶接ひずみ（製作誤差）が発生する。この溶接ひずみは溶接構造の精度や見た目に大きく影響する。溶接ひずみを最小限に抑えるには熟練した作業が必要となる。また、溶接後に溶接構造に熱を加えることにより生じる熱変形を利用して溶接ひずみを修正することができるが熟練した作業が必要である。
また、線状加熱による金属板の曲げ加工に用いる加熱方案の算出方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
When manufacturing structures by welding, welding distortion (manufacturing error) occurs. This welding distortion has a significant effect on the precision and appearance of the welded structure. Skilled work is required to minimize welding distortion. Also, welding distortion can be corrected by utilizing the thermal deformation that occurs when heat is applied to the welded structure after welding, but skilled work is required.
Also, a method for calculating a heating plan used in bending a metal plate by line heating is known (see, for example, Patent Document 1).
熟練作業者が行っている溶接ひずみの修正を経験の浅い作業者やロボットなどが行うことを可能にする方法が求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶接ひずみを適切に修正することができる加熱方案の作成方法を提供する。
There is a demand for a method that allows inexperienced workers or robots to correct welding distortions that are currently performed by experienced workers.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for creating a heating plan that can appropriately correct welding distortion.
本発明は、発生した溶接ひずみのひずみ取りのための加熱方案の作成方法であり、前記溶接ひずみが発生した溶接構造の形状を読み取り前記溶接構造の解析モデルを作成するステップと、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを用いて前記解析モデルについてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を第２加熱条件を変えて繰り返し、解析結果が溶接ひずみのない目的形状に近づくように第２加熱条件を最適化するステップとを含む。前記データベースは、前記溶接構造の母材の材料、前記溶接構造の溶接に用いた溶接方法及び前記溶接構造の溶接継手の種類に対応したデータベースである。 The present invention is a method for creating a heating plan for removing welding distortion, which includes the steps of reading the shape of a welded structure in which welding distortion has occurred and creating an analytical model of the welded structure, and repeating FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis of the analytical model by changing second heating conditions using a database relating to the relationship between first heating conditions and corrected distortion, thereby optimizing the second heating conditions so that the analysis results approach the target shape without welding distortion. The database corresponds to the material of the base material of the welded structure, the welding method used to weld the welded structure, and the type of welded joint of the welded structure.
本発明によれば、母材の材料、溶接方法、溶接継手の種類に対応したデータベースを用いてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を行う。このため、板部と継手部との熱変形の度合いの違いを考慮したＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を行うことができる。また、繰り返し行うＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析で第２加熱条件を最適化するため、最適化された第２加熱条件（加熱方案）に従い溶接構造を加熱し熱変形させることにより溶接ひずみを適切に修正することができる。 According to the present invention, FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis is performed using a database corresponding to the base material, welding method, and type of welded joint. Therefore, it is possible to perform FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis that takes into account the difference in the degree of thermal deformation between the plate portion and the joint portion. In addition, since the second heating conditions are optimized by repeatedly performing FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis, the welding structure is heated and thermally deformed according to the optimized second heating conditions (heating method), so that welding distortion can be appropriately corrected.
本発明は、発生した溶接ひずみのひずみ取りのための加熱方案の作成方法であり、前記溶接ひずみが発生した溶接構造の形状を読み取り前記溶接構造の解析モデルを作成するステップと、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを用いて前記解析モデルについてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を第２加熱条件を変えて繰り返し、解析結果が溶接ひずみのない目的形状に近づくように第２加熱条件を最適化するステップとを含む。前記データベースは、前記溶接構造の母材の材料、前記溶接構造の溶接に用いた溶接方法及び前記溶接構造の溶接継手の種類に対応したデータベースである。 The present invention is a method for creating a heating plan for removing welding distortion, which includes the steps of reading the shape of a welded structure in which welding distortion has occurred and creating an analytical model of the welded structure, and repeating FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis of the analytical model by changing second heating conditions using a database relating to the relationship between first heating conditions and corrected distortion, thereby optimizing the second heating conditions so that the analysis results approach the target shape without welding distortion. The database corresponds to the material of the base material of the welded structure, the welding method used to weld the welded structure, and the type of welded joint of the welded structure.
本発明の加熱方案作成方法において、ランダムサーチ法、コンプレックス法、遺伝的アルゴリズム又は人工知能を用いて第２加熱条件を最適化することが好ましい。
前記データベースは、第１加熱条件と溶接残留応力との関係、又は第１加熱条件と加熱による残留応力との関係を含むことが好ましく、第２加熱条件の最適化は、溶接残留応力が低減するように、又は加熱による残留応力が低くなるように行われることが好ましい。このことにより、溶接残留応力や加熱による残留応力を小さくすることができる加熱方案を作成することができる。
第１及び第２加熱条件のぞれぞれは、入熱量及び加熱位置を含むことが好ましい。
前記データベースは、実験データに基づくデータベース又はＦＥＭ熱弾塑性解析を用いて作成されたデータベースであることが好ましい。
In the heating recipe creation method of the present invention, it is preferred to optimize the second heating conditions by using a random search method, a complex method, a genetic algorithm or an artificial intelligence.
The database preferably includes a relationship between the first heating condition and the welding residual stress, or a relationship between the first heating condition and the residual stress due to heating, and the optimization of the second heating condition is preferably performed so as to reduce the welding residual stress or the residual stress due to heating, thereby making it possible to create a heating plan that can reduce the welding residual stress or the residual stress due to heating.
Each of the first and second heating conditions preferably includes a heat input amount and a heating position.
The database is preferably a database based on experimental data or a database created using FEM thermo-elasto-plastic analysis.
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.
図１（ａ）は、溶接ひずみが発生していない溶接構造１０の概略斜視図であり、図１（ｂ）は溶接ひずみが発生した溶接構造１０の概略斜視図である。
本発明は、溶接構造１０に発生した溶接ひずみのひずみ取りのための加熱方案の作成方法である。加熱方案は、溶接構造１０を加熱することにより生じる熱変形を用いて溶接構造１０に発生した溶接ひずみを修正するための加熱プランである。加熱方案は、本実施形態の加熱方案作成方法により作成される。加熱方案は、作業者により実行できるように作成されてもよく、ロボットにより実行できるように作成されてもよい。また、本実施形態の加熱方案作成方法は、コンピューターを用いて実行することができる。
FIG. 1( a ) is a schematic perspective view of a welded structure 10 in which no welding distortion occurs, and FIG. 1( b ) is a schematic perspective view of the welded structure 10 in which welding distortion occurs.
The present invention provides a method for creating a heating scheme for removing welding distortion that occurs in a welded structure 10. The heating scheme is a heating plan for correcting welding distortion that occurs in the welded structure 10 by using thermal deformation caused by heating the welded structure 10. The heating scheme is created by the heating scheme creating method of this embodiment. The heating scheme may be created so that it can be executed by a worker, or may be created so that it can be executed by a robot. Furthermore, the heating scheme creating method of this embodiment can be executed using a computer.
例えば、本発明の加熱方案作成方法は、図１（ｂ）に示したような溶接ひずみが発生した溶接構造１０を加熱し熱変形させることにより、図１（ａ）に示したような溶接ひずみが発生していない溶接構造１０に近づけ溶接ひずみを修正すること（ひずみ取り）ができる加熱方案（加熱プラン）を作成する方法である。従って、図１（ａ）に示したような溶接ひずみが発生していない溶接構造１０が加熱方案を算出するための目的形状となる。 For example, the heating plan creation method of the present invention is a method for creating a heating plan that can correct welding distortion (relieve distortion) by heating and thermally deforming a welded structure 10 with welding distortion as shown in FIG. 1(b) to bring it closer to a welded structure 10 without welding distortion as shown in FIG. 1(a). Therefore, the welded structure 10 without welding distortion as shown in FIG. 1(a) becomes the target shape for calculating the heating plan.
溶接構造１０は、溶接により２つ以上の母材２、３が一体化された構造体である。溶接は、溶加材を加える溶接であってもよく、溶加材を加えない溶接であってもよい。溶接構造は、母材の板部４と、継手部５とを有する。
母材２、３は、溶接対象となる部材である。母材２、３の材料は、鉄、アルミニウム、チタンなどの金属材料であってもよく、プラスチック、カーボンなどの非金属材料であってもよい。プラスチック、カーボンなどはレーザー溶接などにより溶接することができる。
The welded structure 10 is a structure in which two or more base materials 2, 3 are integrated by welding. The welding may be welding with or without adding a filler metal. The welded structure has a plate portion 4 of the base material and a joint portion 5.
The base materials 2 and 3 are members to be welded. The material of the base materials 2 and 3 may be a metal material such as iron, aluminum, titanium, etc., or a non-metal material such as plastic, carbon, etc. Plastic, carbon, etc. can be welded by laser welding, etc.
継手部５（溶接継手）は、例えば、Ｔ継手、突合せ継手、重ね継手、十字継手、角継手、当て金継手、へり継手などである。図１（ａ）（ｂ）に例示した溶接構造１０では、第１母材２と第２母材３とをＴ継手により組み合わせている。
溶接構造１０の溶接に用いた溶接方法は、例えば、開先溶接、すみ肉溶接、シーム溶接、せん溶接、スロット溶接などである。また、溶接方法は、例えば、溶融電極式アーク溶接（マグ溶接、ミグ溶接、サブマージアーク溶接など）、非溶融電極式アーク溶接（ティグ溶接、プラズマ溶接など）、レーザー溶接などである。
図１（ａ）（ｂ）に例示した溶接構造１０では、第１母材２と第２母材３とをすみ肉溶接により接合している。
The joint portion 5 (welded joint) is, for example, a T-joint, a butt joint, a lap joint, a cross joint, a corner joint, a backing joint, an edge joint, etc. In the welded structure 10 illustrated in Fig. 1 (a) and (b), a first base material 2 and a second base material 3 are joined together by a T-joint.
The welding method used for welding the welded structure 10 is, for example, groove welding, fillet welding, seam welding, shear welding, slot welding, etc. Also, the welding method is, for example, molten electrode arc welding (MAG welding, MIG welding, submerged arc welding, etc.), non-molten electrode arc welding (TIG welding, plasma welding, etc.), laser welding, etc.
In the welded structure 10 illustrated in FIGS. 1(a) and 1(b), a first base material 2 and a second base material 3 are joined by fillet welding.
溶接ひずみは、母材２、３を溶接し一体化することにより溶接構造１０に生じるひずみである。溶接ひずみは、例えば、横収縮、縦収縮、縦曲り変形、角変形（横曲り変形）、座屈変形などである。図１（ａ）に例示した溶接構造１０では溶接ひずみは発生しておらず、図１（ｂ）に示した溶接構造１０では縦曲り変形及び角変形（横曲り変形）が発生している。 Welding distortion is distortion that occurs in the welded structure 10 when the base materials 2 and 3 are welded together. Examples of welding distortion include lateral contraction, longitudinal contraction, longitudinal bending, angular distortion (lateral bending), and buckling. No welding distortion occurs in the welded structure 10 shown in FIG. 1(a), whereas longitudinal bending and angular distortion (lateral bending) occur in the welded structure 10 shown in FIG. 1(b).
本実施形態の加熱方案作成方法は、溶接ひずみが発生した溶接構造１０の形状を読み取り溶接構造１０の解析モデルを作成するステップと、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを用いて解析モデルについてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を第２加熱条件を変えて繰り返し、解析結果が溶接ひずみのない目的形状に近づくように第２加熱条件を最適化するステップとを含む。
作成した加熱方案に従った溶接ひずみの修正に用いる熱源は、ガスバーナーであってもよく、レーザーであってもよく、誘導加熱であってもよい。溶接ひずみを修正する際の溶接構造１０の加熱の仕方は、点焼きであってもよく、線焼き（松葉焼き、クロス焼き、格子焼きを含む）であってもよく、三角焼きであってもよい。また、点焼き、線焼き、三角焼きのうち少なくとも２つを混ぜて溶接構造１０を加熱してもよい。第１加熱条件及び第２加熱条件は、熱源及び加熱の仕方を考慮して決定される。
The heating plan creation method of this embodiment includes the steps of reading the shape of the welded structure 10 in which welding distortion has occurred and creating an analytical model of the welded structure 10, and repeating FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis of the analytical model by changing the second heating condition using a database regarding the relationship between the first heating condition and the corrected distortion, and optimizing the second heating condition so that the analysis result approaches the target shape without welding distortion.
The heat source used to correct the welding distortion according to the created heating plan may be a gas burner, a laser, or induction heating. The method of heating the welded structure 10 when correcting the welding distortion may be spot burning, line burning (including pine needle burning, cross burning, and lattice burning), or triangular burning. The welded structure 10 may also be heated by mixing at least two of spot burning, line burning, and triangular burning. The first heating condition and the second heating condition are determined in consideration of the heat source and the heating method.
データベース（修正ひずみデータベース）は、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースである。第１加熱条件は、データベースを作成するための加熱条件である。第１加熱条件は、入熱量と加熱位置を含むことができる。修正ひずみとは、溶接ひずみを修正するために、第１又は第２加熱条件で溶接構造１０を加熱した場合に溶接構造１０に生じるひずみである。
データベースは、実験データに基づくデータベースであってもよい。例えば、溶接ひずみが発生した溶接構造１０の形状を３次元スキャナなどで読み取った後、第１加熱条件で溶接構造１０を加熱し、溶接構造１０を熱変形させる。そして、熱変形後の溶接構造１０の形状を３次元スキャナなどで読み取る。加熱前後の溶接構造１０の形状の変化が修正ひずみとなる。このような加熱前後の溶接構造１０の形状の読み取りを、第１加熱条件を変えて繰り返すことにより、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを作成することができる。
The database (corrected strain database) is a database relating to the relationship between the first heating condition and the corrected strain. The first heating condition is a heating condition for creating the database. The first heating condition may include a heat input and a heating position. The corrected strain is a strain that occurs in the welded structure 10 when the welded structure 10 is heated under the first or second heating condition in order to correct the welding strain.
The database may be a database based on experimental data. For example, the shape of the welded structure 10 in which welding distortion has occurred is read by a three-dimensional scanner or the like, and then the welded structure 10 is heated under a first heating condition to thermally deform the welded structure 10. The shape of the welded structure 10 after thermal deformation is then read by a three-dimensional scanner or the like. The change in the shape of the welded structure 10 before and after heating is the corrected distortion. By repeatedly reading the shape of the welded structure 10 before and after heating while changing the first heating condition, a database relating to the relationship between the first heating condition and the corrected distortion can be created.
データベースは、ＦＥＭ熱弾塑性解析（有限要素法による熱弾塑性解析）を用いて作成されたデータベースであってもよい。ＦＥＭ熱弾塑性解析を用いることにより実験では事実上得られない規模の大量のデータを蓄積することができる。
ＦＥＭ熱弾塑性解析では、溶接ひずみが発生した溶接構造１０の解析モデルを用いて第１加熱条件を設定して実行される。また、構造解析では、母材２、３の材料物性値（ヤング率、ポアソン比、密度など）、溶加材の材料物性値などを用いる。ＦＥＭ熱弾塑性解析を第１加熱条件を変えて繰り返し実行することにより、第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを作成することができる。
ＦＥＭ熱弾塑性解析では、加熱条件（設定した加熱の位置及び入熱量(J/mm)）に対して選び出した要素の縦収縮，横収縮，角変形，縦曲りの４成分の固有ひずみ量を算出する。ＦＥＭ熱弾塑性解析では、熱及び変形履歴を逐次再現し変形解析を行うため、過渡の状況を解析できる。
The database may be a database created using FEM thermo-elasto-plastic analysis (thermal elastic-plastic analysis using the finite element method). By using FEM thermo-elasto-plastic analysis, it is possible to accumulate a large amount of data on a scale that cannot be practically obtained by experiments.
The FEM thermo-elastic-plastic analysis is performed by setting the first heating condition using an analytical model of the welded structure 10 in which welding strain has occurred. The structural analysis uses the material properties (Young's modulus, Poisson's ratio, density, etc.) of the base materials 2 and 3, the material properties of the filler metal, etc. By repeatedly performing the FEM thermo-elastic-plastic analysis by changing the first heating condition, it is possible to create a database relating to the relationship between the first heating condition and the corrected strain.
In FEM thermo-elastic-plastic analysis, the inherent strain of four components (longitudinal shrinkage, transverse shrinkage, angular distortion, and longitudinal bending) of the selected element is calculated for the heating conditions (set heating position and heat input (J/mm)). In FEM thermo-elastic-plastic analysis, the thermal and deformation history is reproduced sequentially and deformation analysis is performed, so transient conditions can be analyzed.
また、データベースは、第１加熱条件と溶接残留応力との関係、又は第１加熱条件と加熱による残留応力との関係を含むことができる。溶接残留応力及び加熱による残留応力は、例えば、ＦＥＭ熱弾塑性解析により算出することができる。 The database may also include a relationship between the first heating condition and the welding residual stress, or a relationship between the first heating condition and the residual stress due to heating. The welding residual stress and the residual stress due to heating may be calculated, for example, by FEM thermal elastic-plastic analysis.
また、加熱方案の作成に用いるデータベースは、加熱方案の作成の対象となる溶接構造１０の母材２、３の材料、加熱方案の作成の対象となる溶接構造１０の溶接に用いた溶接方法及び加熱方案の作成の対象となる溶接構造１０の溶接継手の種類に対応したデータベースである。このようなデータベースを加熱方案の作成に用いることにより、板部４と継手部５との間での曲がる度合いの違いを考慮してＦＥＭ弾性解析（有限要素法による弾性解析）又はＦＥＭ熱弾塑性解析を実行することができる。また、このデータベースは、母材２、３の厚さ、溶接ひずみを修正するために用いる熱源及び溶接ひずみの種類にも対応したデータベースであってもよい。また、このデータベースは、溶接ひずみを修正するための加熱位置や、溶接構造１０の残留応力にも対応したデータベースであってもよい。
例えば、母材２、３の材料・厚さ、溶接方法、溶接継手の種類、溶接ひずみを修正するために用いる熱源、溶接ひずみの種類などが異なる様々なデータベースを予め作成しておき、加熱方案の作成の対象となる溶接構造１０に応じて適切なデータベースを選択し、選択したデータベースを用いて加熱方案を作成することができる。また、ひずみを取る場所や部品ごとの修正ひずみデータベースを作成してもよい。
The database used to create the heating plan is a database corresponding to the material of the base materials 2 and 3 of the welded structure 10 for which the heating plan is to be created, the welding method used to weld the welded structure 10 for which the heating plan is to be created, and the type of welded joint of the welded structure 10 for which the heating plan is to be created. By using such a database to create the heating plan, it is possible to perform FEM elastic analysis (elastic analysis by the finite element method) or FEM thermal elastic-plastic analysis taking into account the difference in the degree of bending between the plate portion 4 and the joint portion 5. This database may also be a database corresponding to the thickness of the base materials 2 and 3, the heat source used to correct the welding distortion, and the type of welding distortion. This database may also be a database corresponding to the heating position for correcting the welding distortion and the residual stress of the welded structure 10.
For example, various databases that differ in the materials and thicknesses of the base materials 2 and 3, the welding methods, the types of welded joints, the heat sources used to correct welding distortion, the types of welding distortion, etc. may be created in advance, and an appropriate database may be selected according to the welded structure 10 for which a heating plan is to be created, and a heating plan may be created using the selected database. Also, a correction distortion database may be created for each location where distortion is to be removed or for each component.
本実施形態の加熱方案作成方法は、上述のデータベースを用いてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を第２加熱条件を変えて繰り返し、解析結果が溶接ひずみのない目的形状に近づくように第２加熱条件を最適化するステップを含む。第２加熱条件は溶接構造１０の溶接ひずみを修正するための加熱条件であり、第２加熱条件を最適化することにより加熱方案が作成される。第２加熱条件は、入熱量及び加熱位置を含む。
第２加熱条件の最適化には、例えば、ランダムサーチ法、コンプレックス法、遺伝的アルゴリズム又は人工知能（ＤＱＮ強化学習、ニューラルネットワークなど）を用いることができる。本明細書では、ランダムサーチ法及びコンプレックス法を用いて第２加熱条件を最適化する方法について説明するが、第２加熱条件は、遺伝的アルゴリズム又は人工知能を用いることにより最適化することもできる。
The heating plan creation method of the present embodiment includes a step of repeating the FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis by changing the second heating condition using the above-mentioned database, and optimizing the second heating condition so that the analysis result approaches a target shape without welding distortion. The second heating condition is a heating condition for correcting the welding distortion of the welded structure 10, and a heating plan is created by optimizing the second heating condition. The second heating condition includes a heat input and a heating position.
For example, a random search method, a complex method, a genetic algorithm, or artificial intelligence (DQN reinforcement learning, neural network, etc.) can be used to optimize the second heating condition. In this specification, a method for optimizing the second heating condition using a random search method and a complex method is described, but the second heating condition can also be optimized using a genetic algorithm or artificial intelligence.
図２は、ランダムサーチ法を用いて最適化を行う加熱方案作成方法のフローチャートである。このフローチャートを用いて本実施形態の加熱方案作成方法について説明する。
まず、溶接ひずみが発生した溶接構造１０の形状をスキャナなどを用いて読み取り、コンピューターを用いて溶接構造１０の解析モデルを作成する。例えば、レーザー光などを用いる三次元スキャナ、多視点画像を用いる三次元形状復元などにより溶接構造１０の形状を読み取ることができる。
2 is a flowchart of a heating plan generating method using a random search method for optimization, which will be described with reference to the flowchart.
First, the shape of the welded structure 10 in which welding distortion has occurred is read using a scanner or the like, and a computer is used to create an analytical model of the welded structure 10. For example, the shape of the welded structure 10 can be read using a three-dimensional scanner that uses laser light or the like, or three-dimensional shape restoration that uses multi-viewpoint images.
解析モデルでは、読み取った溶接構造１０の三次元形状に基づき、溶接構造１０の長さ、幅、厚さなどを設定する。また、解析モデルを複数個の要素（メッシュ）に分割する。要素は、例えば、四角形又は三角形のシェルであってもよく、立方体、直方体、三角錐、三角柱などのソリッドであってもよい。また、要素の各頂点が節点となる。 In the analysis model, the length, width, thickness, etc. of the welded structure 10 are set based on the three-dimensional shape of the welded structure 10 that has been read. The analysis model is also divided into a number of elements (meshes). The elements may be, for example, quadrilateral or triangular shells, or may be solids such as cubes, rectangular parallelepipeds, triangular pyramids, and triangular prisms. Each vertex of the element becomes a node.
次に、目的形状のモデルを作成する。目的形状は、加熱方案を用いる加熱による熱変形の目標となる形状であり、溶接ひずみが発生していない溶接構造１０の形状である。例えば、加熱方案作成の対象となる溶接構造１０が図１（ｂ）のような形状を有する場合、目的形状は図１（ａ）のような形状となる。
また、目的形状のモデルは、解析モデルと比較できるように複数個の要素（メッシュ）に分割されている。目的形状のモデルは、例えば、溶接構造１０の解析モデルの形状が目的形状となるように節点を動かして作成することができる。
Next, a model of the target shape is created. The target shape is a target shape for thermal deformation caused by heating using a heating plan, and is the shape of the welded structure 10 without welding distortion. For example, when the welded structure 10 for which a heating plan is created has a shape as shown in Fig. 1(b), the target shape becomes a shape as shown in Fig. 1(a).
In addition, the model of the target shape is divided into a plurality of elements (meshes) so that it can be compared with the analytical model. The model of the target shape can be created, for example, by moving nodes so that the shape of the analytical model of the welded structure 10 becomes the target shape.
次に、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析に用いる上述のデータベースを選択する。具体的には、溶接構造１０の母材２、３の材料、溶接構造１０の溶接に用いた溶接方法、溶接構造１０の溶接継手の種類に対応したデータベースを、予め作成している複数のデータベースの中から選択する。
また、溶接構造１０に対応したデータベースを予め作成している場合には、そのデータベースを用いる。
Next, the above-mentioned database to be used for the FEM elastic analysis or FEM thermo-elasto-plastic analysis is selected. Specifically, a database corresponding to the materials of the base materials 2 and 3 of the welded structure 10, the welding method used for welding the welded structure 10, and the type of welded joint of the welded structure 10 is selected from a plurality of databases created in advance.
Furthermore, if a database corresponding to the welded structure 10 has been created in advance, that database is used.
次に、解析モデルにおいて加熱線の位置、長さ、角度をランダムに選択し、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を決定する。試行条件の決定には極座標系を用いることができる。加熱線は、溶接構造１０を加熱する箇所に対応する。加熱線は、溶接構造１０の表面の加熱線を選択してもよく、溶接構造１０の裏面の加熱線を選択してもよい。また、母材２の表面又は裏面の加熱線を選択してもよく、母材３の表面又は裏面の加熱線を選択してもよく、母材２と母材３にまたがる加熱線を選択してもよい。また、継手部５の加熱線を選択してもよい。また、試行条件Ｘtrialは、複数本の加熱線を含んでもよい。また、選択する加熱線は直線であってもよく、曲線であってもよい。また、選択する加熱線の長さが短い場合は点焼きとなる。 Next, the position, length, and angle of the heating line are randomly selected in the analysis model to determine the trial condition X trial (second heating condition). A polar coordinate system can be used to determine the trial condition. The heating line corresponds to the location where the welded structure 10 is heated. The heating line may be selected from the front surface of the welded structure 10, or may be selected from the back surface of the welded structure 10. The heating line may be selected from the front or back surface of the base material 2, or may be selected from the front or back surface of the base material 3, or may be selected from the heating line spanning the base material 2 and the base material 3. The heating line of the joint portion 5 may be selected. The trial condition X trial may include multiple heating lines. The selected heating line may be straight or curved. If the length of the selected heating line is short, spot burning occurs.
次に、選択したデータベースを用いてＦＥＭ弾性解析（固有ひずみ法による弾性解析）又はＦＥＭ熱弾塑性解析を実行し、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）に対応する変形を算出する。
固有ひずみ法による弾性解析では、加熱による溶接構造１０（解析モデル）の変形は、固有変形によって発生すると考える。この固有変形が既知であれば、加熱による溶接構造１０（解析モデル）の変形が，弾性解析において加熱線に沿って固有変形を強制ひずみとして加える事で予測可能になる。従って、固有ひずみ法による弾性解析では、予め算出した又は測定した固有ひずみ（選択したデータベース）を用いて構造解析をおこなう。固有ひずみ法による弾性解析は、入熱量と固有ひずみとの関係を表す式を用いて行うことができる。
また、固有ひずみ法は、弾性解析であるため，計算時間が熱弾塑性解析に比べてかなり短時間であることが特徴として挙げられる。
次に、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析の解析結果である変形後の形状と、目的形状との差（変形誤差）を算出する。
Next, using the selected database, an FEM elastic analysis (elastic analysis using the inherent strain method) or an FEM thermo-elasto-plastic analysis is executed to calculate the deformation corresponding to the trial condition X trial (second heating condition).
In elastic analysis using the inherent strain method, it is considered that the deformation of the welded structure 10 (analysis model) due to heating occurs due to inherent deformation. If this inherent deformation is known, the deformation of the welded structure 10 (analysis model) due to heating can be predicted by applying the inherent deformation as a forced strain along the heating line in elastic analysis. Therefore, in elastic analysis using the inherent strain method, structural analysis is performed using inherent strains calculated or measured in advance (selected database). Elastic analysis using the inherent strain method can be performed using an equation that expresses the relationship between heat input and inherent strain.
In addition, since the inherent strain method is an elastic analysis, it has the characteristic that the calculation time is significantly shorter than that of a thermal elastic-plastic analysis.
Next, the difference (deformation error) between the shape after deformation, which is the analysis result of the FEM elastic analysis or FEM thermo-elasto-plastic analysis, and the target shape is calculated.
このような試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）の決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析、変形誤差の算出を試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を変えながらＹ回繰り返す。例えば、１００回繰り返すことができる。変形誤差の小さい試行条件Ｘtrialが１００回で見つからなければ、繰り返し回数を適宜増やしてもよい。
試行条件Ｘtrialの決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析、変形誤差の算出の繰り返しがＹ回に達すると、変形誤差が小さかった試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を加熱方案として選択し、加熱方案が完成する。選択する試行条件Ｘtrialは、変形誤差の小ささ、加熱の容易さなどを考慮して決定することができる。
このように、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）をランダムサーチを繰り返し変形誤差の小さい試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を選択することにより、第２加熱条件を最適化することができる。
The determination of the trial condition X trial (second heating condition), the FEM elastic analysis or FEM thermo-elasto-plastic analysis, and the calculation of the deformation error are repeated Y times while changing the trial condition X trial (second heating condition). For example, it can be repeated 100 times. If the trial condition X trial with a small deformation error is not found after 100 times, the number of repetitions may be increased as appropriate.
When the determination of the trial condition X trial , the FEM elastic analysis or FEM thermal elastoplastic analysis, and the calculation of the deformation error are repeated Y times, the trial condition X trial (second heating condition) with the smallest deformation error is selected as the heating plan, and the heating plan is completed. The trial condition X trial to be selected can be determined taking into consideration the smallness of the deformation error, ease of heating, etc.
In this manner, by repeating a random search of the trial conditions X trial (second heating conditions) and selecting the trial conditions X trial (second heating conditions) with the smallest deformation error, it is possible to optimize the second heating conditions.
選択したデータベースが、第１加熱条件と修正ひずみとの関係及び第１加熱条件と溶接残留応力との関係を含む場合、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析により、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）に対応する変形及び溶接残留応力を算出することができる。
この場合、繰り返した試行条件Ｘtrialの中から選択する試行条件Ｘtrialは、変形誤差の小ささ、溶接残留応力の小ささ、加熱の容易さなどを考慮して決定することができる。
When the selected database includes the relationship between the first heating condition and the corrected strain and the relationship between the first heating condition and the welding residual stress, the deformation and the welding residual stress corresponding to the trial condition X trial (second heating condition) can be calculated by FEM elastic analysis or FEM thermo-elastic-plastic analysis.
In this case, the trial condition X trial selected from the repeated trial conditions X trial can be determined taking into consideration the smallness of deformation error, the smallness of welding residual stress, ease of heating, and the like.
選択したデータベースが、第１加熱条件と修正ひずみとの関係及び第１加熱条件と加熱による残留応力との関係を含む場合、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析により、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）に対応する変形及び加熱による残留応力を算出することができる。
この場合、繰り返した試行条件Ｘtrialの中から選択する試行条件Ｘtrialは、変形誤差の小ささ、加熱による残留応力の小ささ、加熱の容易さなどを考慮して決定することができる。
When the selected database includes the relationship between the first heating condition and the corrected strain and the relationship between the first heating condition and the residual stress due to heating, the deformation corresponding to the trial condition X trial (second heating condition) and the residual stress due to heating can be calculated by FEM elastic analysis or FEM thermo-elasto-plastic analysis.
In this case, the trial condition X trial selected from the repeated trial conditions X trial can be determined taking into consideration the smallness of deformation error, the smallness of residual stress due to heating, ease of heating, and the like.
図３は、コンプレックス法を用いて最適化を行う加熱方案作成方法のフローチャートである。図４は、コンプレックス法の説明図である。これらを用いて本実施形態の加熱方案作成方法について説明する。
解析モデルの作成、目的形状のモデルの作成、データベースの選択、試行条件Ｘtrialの決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析の実行、変形誤差の算出は、ランダムサーチ法を用いて最適化した上述の説明と同様である。なお、図３のフローチャートでは、変形誤差から評価値を算出している。また、図３に示したフローチャートでは加熱線をランダムに選択しているが、経験則や選択したデータベースに基づいて加熱線を選択してもよい。
ランダムサーチ法を用いた最適化では、試行条件Ｘtrialの決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析の実行、変形誤差の算出を多数回繰り返したが、コンプレックス法を用いた最適化では、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）の決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析の実行、評価値の算出の繰り返しを例えばＮ回とすることができる。Ｎ回の繰り返しで決定した試行条件をＸ1～ＸNとする。この繰り返し回数Ｎは例えば４～１０回であってもよい。
Fig. 3 is a flow chart of a heating plan creation method using the complex method for optimization, and Fig. 4 is an explanatory diagram of the complex method. The heating plan creation method of this embodiment will be described with reference to these figures.
The creation of the analysis model, the creation of a model of the target shape, the selection of the database, the determination of the trial condition X trial , the execution of the FEM elastic analysis or the FEM thermo-elasto-plastic analysis, and the calculation of the deformation error are the same as those described above for optimization using the random search method. In the flowchart of Fig. 3, the evaluation value is calculated from the deformation error. Also, although the heating wire is selected randomly in the flowchart shown in Fig. 3, the heating wire may be selected based on experience or a selected database.
In the optimization using the random search method, the determination of the trial condition X trial , the execution of the FEM elastic analysis or the FEM thermo-elasto-plastic analysis, and the calculation of the deformation error are repeated many times, but in the optimization using the complex method, the determination of the trial condition X trial (second heating condition), the execution of the FEM elastic analysis or the FEM thermo-elasto-plastic analysis, and the calculation of the evaluation value can be repeated, for example, N times. The trial conditions determined by the N repetitions are designated as X 1 to X N. The number of repetitions N may be, for example, 4 to 10 times.
図４は、試行条件Ｘ1～Ｘ4（第２加熱条件）を点で示したグラフである（Ｎ＝４）。グラフの縦軸、横軸などは、例えば、加熱線の位置、加熱線の長さ、加熱線の角度、入熱量などである。ここでは、説明のために、２次元グラフ（２次元配列）として示しているが、３次元グラフ（３次元配列）であってもよく、４次元グラフ（４次元配列）であってもよく、５次元グラフ（５次元配列）であってもよく、それ以上の多次元グラフ（多次元配列）であってもよい。
図４には、試行条件Ｘ1～Ｘ4（第２加熱条件）の評価値を示している。この評価値は、各試行条件を１００点満点で評価した値であり、変形後の形状と目的形状との差（変形誤差）に基づき算出することができる。評価値が高いほど変形誤差が少ないことを表す。
また、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析により試行条件（第２加熱条件）に対応する溶接残留応力や加熱による残留応力を算出する場合、評価値は、変形誤差、溶接残留応力及び加熱による残留応力に基づいて算出することができる。変形誤差、溶接残留応力及び加熱による残留応力のそれぞれが小さいほど評価値は高くなる。
4 is a graph showing trial conditions X 1 to X 4 (second heating conditions) as dots (N=4). The vertical and horizontal axes of the graph indicate, for example, the position of the heating wire, the length of the heating wire, the angle of the heating wire, the amount of heat input, etc. Here, for the sake of explanation, a two-dimensional graph (two-dimensional array) is shown, but it may be a three-dimensional graph (three-dimensional array), a four-dimensional graph (four-dimensional array), a five-dimensional graph (five-dimensional array), or a multidimensional graph (multidimensional array) having more dimensions.
4 shows the evaluation values of the trial conditions X1 to X4 (second heating conditions). The evaluation value is a value obtained by evaluating each trial condition on a scale of 100 points, and can be calculated based on the difference between the shape after deformation and the target shape (deformation error). A higher evaluation value indicates a smaller deformation error.
Furthermore, when calculating the welding residual stress or the residual stress due to heating corresponding to the trial condition (second heating condition) by FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis, the evaluation value can be calculated based on the deformation error, the welding residual stress, and the residual stress due to heating. The smaller the deformation error, the welding residual stress, and the residual stress due to heating are, the higher the evaluation value becomes.
次に、試行条件Ｘ1～ＸNからＸworstとＸcenterを算出する。Ｘworstは試行条件Ｘ1～ＸNのうち最も評価値が低かった試行条件である。図４では試行条件Ｘ2がＸworstとなる。
Ｘcenterは、試行条件Ｘ1～ＸNからＸworstを除いた（Ｎ－１）個の試行条件の重心に位置する条件である。図４では算出した試行条件Ｘ1、Ｘ3、Ｘ4の重心がＸcenterとなる。
Next, X worst and X center are calculated from the trial conditions X 1 to X N. X worst is the trial condition with the lowest evaluation value among the trial conditions X 1 to X N. In FIG. 4, the trial condition X 2 is X worst .
Xcenter is a condition located at the center of gravity of the (N-1) trial conditions excluding Xworst from the trial conditions X1 to XN . In FIG. 4, the center of gravity of the calculated trial conditions X1 , X3 , and X4 is Xcenter .
次に、式：Ｘtrial＝Ｘcenter＋α（Ｘcenter－Ｘworst）を用いて新たな試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を決定する。αは経験則により決められる数値である。
次に、上述のデータベースを用いてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を実行し、Ｘtrialに対応する変形を算出する。また、溶接残留応力又は加熱による残留応力を算出することができる。
次に、算出された変形後の解析モデルの形状と目的形状との差（変形誤差）を算出し、評価値を算出する。評価値は、変形誤差、溶接残留応力、加熱による残留応力などに基づいて決定することができる。
Ｘtrialの評価値がＸworstの評価値よりも低い場合、αを異なる数値に変えて新たな試行条件Ｘtrialを決定し、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を実行、評価値の算出を再び行う。例えば、図４に示したように、Ｘtrialの評価値が４であった場合には、新たな試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）を決定する（図４では、新たな試行条件Ｘtrialの評価値は２６となっている）。
Next, new trial conditions X trial (second heating conditions) are determined using the formula: X trial =X center +α(X center -X worst ), where α is a value determined empirically.
Next, the above database is used to perform FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis to calculate the deformation corresponding to X trial . Also, welding residual stress or residual stress due to heating can be calculated.
Next, the difference between the calculated shape of the analytical model after deformation and the target shape (deformation error) is calculated, and an evaluation value is calculated based on the deformation error, welding residual stress, residual stress due to heating, etc.
If the evaluation value of X trial is lower than the evaluation value of X worst , α is changed to a different value to determine new trial conditions X trial , and FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis is performed to calculate the evaluation value again. For example, as shown in FIG. 4, if the evaluation value of X trial is 4, a new trial condition X trial (second heating condition) is determined (in FIG. 4, the evaluation value of the new trial condition X trial is 26).
Ｘtrialの評価値がＸworstの評価値よりも高い場合、Ｘtrialの評価値が十分に高いかどうか（例えば、評価値が９９点以上であるかどうか）を判断する。
Ｘtrialの評価値が十分に高くない場合、Ｎ回の試行条件Ｘ1～ＸNからＸworst（図４ではＸ2）を除き、評価値がＸworstの評価値よりも高いＸtrialを加えて、Ｘworst、Ｘcenterの算出、式：Ｘtrial＝Ｘcenter＋α（Ｘcenter－Ｘworst）を用いた試行条件Ｘtrialの決定、ＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を実行、評価値の算出を再び行う。このようにＮ回の試行条件（第２加熱条件）から試行条件Ｘworstを除外し新たなＸtrial（第２加熱条件）を追加しながらＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を繰り返すことにより、試行条件Ｘtrial（第２加熱条件）の評価値は徐々に高くなっていく。そして、試行条件Ｘtrialの評価値が十分に大きくなると、評価値が最も高い試行条件（第２加熱条件）を加熱方案として選択し、加熱方案が完成する。
コンプレックス法を用いると、このようにして第２加熱条件を最適化することができ、加熱方案を作成することができる。
If the evaluation value of X trial is higher than the evaluation value of X worst , it is determined whether the evaluation value of X trial is sufficiently high (for example, whether the evaluation value is 99 points or more).
If the evaluation value of X trial is not high enough, X worst (X 2 in FIG. 4) is removed from the N trial conditions X 1 to X N , and an X trial with an evaluation value higher than that of X worst is added, and X worst and X center are calculated, the trial condition X trial is determined using the formula: X trial = X center + α (X center - X worst ), an FEM elastic analysis or an FEM thermo-elasto-plastic analysis is performed, and the evaluation value is calculated again. In this way, the evaluation value of the trial condition X trial (second heating condition) is gradually increased by removing the trial condition X worst from the N trial conditions (second heating condition) and adding a new X trial (second heating condition). Then, when the evaluation value of the trial condition X trial becomes sufficiently large, the trial condition (second heating condition) with the highest evaluation value is selected as the heating plan, and the heating plan is completed.
By using the complex method, the second heating conditions can be optimized in this manner, and a heating plan can be created.
２： 第１母材 ３：第２母材 ４：板部 ５：継手部 １０：溶接構造 2: First base material 3: Second base material 4: Plate section 5: Joint section 10: Welded structure
Claims (5)
前記溶接ひずみが発生した溶接構造の形状を読み取り前記溶接構造の解析モデルを作成するステップと、
第１加熱条件と修正ひずみとの関係に関するデータベースを用いて前記解析モデルについてＦＥＭ弾性解析又はＦＥＭ熱弾塑性解析を第２加熱条件を変えて繰り返し、解析結果が溶接ひずみのない目的形状に近づくように第２加熱条件を最適化するステップとを含み、
前記データベースは、前記溶接構造の母材の材料、前記溶接構造の溶接に用いた溶接方法及び前記溶接構造の溶接継手の種類に対応したデータベースであることを特徴とする加熱方案作成方法。 A method for creating a heating plan for removing welding distortion, comprising the steps of:
A step of reading a shape of the welded structure in which the welding distortion has occurred and creating an analysis model of the welded structure;
and optimizing the second heating conditions so that the analysis result approaches a target shape without welding distortion by repeating FEM elastic analysis or FEM thermal elastic-plastic analysis for the analysis model while changing the second heating conditions using a database relating to the relationship between the first heating conditions and the corrected distortion;
A heating plan creating method, characterized in that the database corresponds to a base material of the welded structure, a welding method used for welding the welded structure, and a type of weld joint of the welded structure.
第２加熱条件の最適化は、溶接残留応力が低減するように、又は加熱による残留応力が低くなるように行われる請求項１又は２に記載の作成方法。 The database includes a relationship between a first heating condition and a welding residual stress, or a relationship between the first heating condition and a residual stress due to heating,
The method according to claim 1 or 2, wherein the second heating conditions are optimized so as to reduce welding residual stress or so as to lower residual stress caused by heating.
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