JP7568936B2 - Method for estimating thickness of spot welded joints - Google Patents
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Description
本発明は、いわゆる熱弾性応力測定法の測定結果を用いて、重ね合わせられた板材をスポット溶接することにより形成されるスポット溶接継手の溶接部における前記板材の板厚を推定可能な方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating the thickness of a plate material at a welded portion of a spot-welded joint formed by spot welding overlapping plate materials, using the results of a so-called thermoelastic stress measurement method.
重ね合わせられた鋼板等の板材をスポット溶接(抵抗スポット溶接)することにより形成されるスポット溶接継手は、スポット溶接の生産性が高く、低コストであるため、自動車や家電製品の部材として広く用いられている。
スポット溶接継手の溶接部のナゲット(溶融凝固した部分)は、重ね合わせられた板材の重ね合わせ面(内面)側に生成される。スポット溶接継手の溶接部の場合、応力集中が生じて破壊の危険性があるのは、ナゲットが生成される内面側の部位である。しかしながら、溶接部のナゲットを直接目視することで溶接部の良否を検査することはできない。また、溶接部の外面から応力集中部位である内面までの距離、すなわち、溶接部における板材の板厚は、加工等によって変化し得るが、溶接部を外面から目視してもこれを推定することができない。
2. Description of the Related Art Spot welded joints formed by spot welding (resistance spot welding) overlapping steel plates or other plate materials are widely used as components for automobiles and home appliances because spot welding is highly productive and low cost.
The nugget (melted and solidified portion) of the welded portion of a spot welded joint is formed on the overlapping surface (inner surface) side of the overlapping plate materials. In the case of the welded portion of a spot welded joint, it is the inner surface side where the nugget is formed that is at risk of fracture due to stress concentration. However, it is not possible to inspect the quality of the welded portion by directly visually inspecting the nugget of the welded portion. In addition, the distance from the outer surface of the welded portion to the inner surface where the stress is concentrated, i.e., the thickness of the plate material at the welded portion, can change due to processing, etc., but this cannot be estimated by visually inspecting the welded portion from the outer surface.
目視検査できない構造物等の被測定物の検査方法(具体的には、応力評価方法)として、有限要素法(以下、適宜「FEM」(Finite Element Method)という)解析が用いられる場合がある。
しかしながら、FEM解析の数値解析モデルは、計算機上で幾何情報を数値化して作成されるため、スポット溶接継手の溶接部のナゲットのような複雑な形状を正確にモデル化することは困難である。また、FEM解析の数値解析モデルは、六面体等の要素(メッシュ)に分割されるため、スポット溶接時に溶接部のナゲット以外の部位(本明細書において「熱影響部」と称する)に生じる圧痕など、微妙な変化を有する形状を反映できない場合がある。
したがって、FEM解析のみを用いて、スポット溶接継手の溶接部の内面応力(板材の重ね合わせ面側の応力)を精度良く評価することが困難な場合がある。また、FEM解析を用いても、変化し得る溶接部における板材の板厚を推定することはできない。
2. Description of the Related Art Finite element method (hereinafter, occasionally referred to as "FEM") analysis is sometimes used as an inspection method (specifically, a stress evaluation method) for objects such as structures that cannot be visually inspected.
However, since the numerical analysis model of the FEM analysis is created by digitizing geometric information on a computer, it is difficult to accurately model a complex shape such as a nugget of a welded part of a spot-welded joint. Also, since the numerical analysis model of the FEM analysis is divided into elements (meshes) such as hexahedrons, it may not be possible to reflect shapes that have subtle changes, such as indentations that occur in parts of the welded part other than the nugget during spot welding (referred to as the "heat-affected zone" in this specification).
Therefore, it may be difficult to accurately evaluate the internal stress of the welded portion of a spot welded joint (the stress on the overlapping surface side of the plate materials) using only FEM analysis. In addition, even if FEM analysis is used, it is not possible to estimate the plate thickness of the plate material at the welded portion, which may change.
一方、被測定物に発生する応力を非接触で測定する方法として、赤外線撮像装置(サーモグラフィ)を用いた熱弾性応力測定法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
熱弾性応力測定法は、被測定物が断熱的に弾性変形する際に温度変化が生じるという熱弾性効果を利用し、繰り返し荷重が付加される被測定物を赤外線撮像装置を用いて連続的に撮像することで被測定物の温度の時間的変化(所定時間内における温度の変化)を測定し、この測定した温度の時間的変化を被測定物の応力の時間的変化(所定時間内における応力の変化)に換算する方法である。応力の初期値を把握していれば(実際に応力を測定して把握している場合のみならず、想定可能な場合も含む)、この初期値に応力の時間的変化を加算することで、所定時間経過後の応力を測定可能である。
On the other hand, a thermoelastic stress measurement method using an infrared imaging device (thermography) has been proposed as a method for non-contact measurement of stress occurring in an object to be measured (see, for example, Non-Patent Document 1).
The thermoelastic stress measurement method utilizes the thermoelastic effect that a temperature change occurs when the object to be measured elastically deforms adiabatically, and measures the temperature change over time (temperature change within a specified time) of the object to be measured by continuously imaging the object to which a repeated load is applied using an infrared imaging device, and converts this measured temperature change over time into the stress change over time (stress change within a specified time) of the object to be measured. If the initial value of the stress is known (including not only cases where the stress is actually measured and known, but also cases where it can be assumed), the stress after the specified time has passed can be measured by adding the stress change over time to this initial value.
この熱弾性応力測定法を用いて被測定物の温度の時間的変化を測定する際、被測定物の周囲の熱(赤外線)が被測定物の表面で反射し、赤外線撮像装置で受光される場合がある。換言すれば、赤外線撮像装置を用いて測定した被測定物の温度の時間的変化に、熱弾性効果によって生じる温度変化(被測定物から放射される赤外線の強度変化)以外の要因で生じた温度変化が含まれる場合がある。熱弾性効果によって生じる温度変化は極微小であるため、被測定物表面における赤外線の反射率が大きければ、熱弾性効果によって生じる温度変化が被測定物表面における赤外線の反射強度の変化に埋もれてしまい、被測定物の応力の時間的変化を精度良く算出できないおそれがある。 When using this thermoelastic stress measurement method to measure the change in temperature of an object over time, the heat (infrared rays) surrounding the object may be reflected by the surface of the object and received by the infrared imaging device. In other words, the change in temperature of the object over time measured using the infrared imaging device may include temperature changes caused by factors other than the temperature change caused by the thermoelastic effect (change in the intensity of infrared rays emitted from the object). Since the temperature change caused by the thermoelastic effect is extremely small, if the reflectance of infrared rays on the surface of the object is large, the temperature change caused by the thermoelastic effect will be buried in the change in the reflection intensity of infrared rays on the surface of the object, and there is a risk that the change in stress of the object over time cannot be calculated accurately.
このため、非特許文献1に記載の技術では、赤外線撮像装置から出力された画像信号から、測定対象とする熱弾性効果によって生じる温度変化に応じた信号波形をロックイン処理している。すなわち、赤外線撮像装置から出力された画像信号から、所定の周波数成分のみを抽出している。
具体的には、例えば、被測定物に繰り返し荷重を付加する疲労試験機から出力され、付加する繰り返し荷重と同じ周波数の参照信号を利用する。この参照信号で画像信号を同期検波し、参照信号に応じた周波数帯域の画像信号成分のみ(参照信号と同じ周波数を有する画像信号成分のみ又は参照信号と同じ周波数を含む狭周波数帯域の画像信号のみ)を抽出することで、測定すべき熱弾性効果によって生じる温度変化のS/N比を向上させている。そして、抽出した画像信号成分の大きさと、予め記憶されている画像信号成分の大きさ及び温度の対応関係とに応じて、被測定物の温度の時間的変化(赤外線撮像装置で撮像した撮像画像を構成する画素毎の温度の時間的変化)を算出する。次いで、被測定物の温度の時間的変化と、温度の時間的変化及び応力の時間的変化の間の所定の関係式とに基づき、被測定物の応力の時間的変化を算出する。
For this reason, in the technology described in Non-Patent
Specifically, for example, a reference signal output from a fatigue testing machine that applies a repeated load to a measured object and having the same frequency as the applied repeated load is used. The image signal is synchronously detected by this reference signal, and only the image signal components in the frequency band corresponding to the reference signal (only the image signal components having the same frequency as the reference signal or only the image signal in a narrow frequency band including the same frequency as the reference signal) are extracted, thereby improving the S/N ratio of the temperature change caused by the thermoelastic effect to be measured. Then, the time change in temperature of the measured object (the time change in temperature of each pixel constituting the image captured by the infrared imaging device) is calculated according to the magnitude of the extracted image signal components and the correspondence relationship between the magnitude of the image signal components and the temperature stored in advance. Next, the time change in stress of the measured object is calculated based on the time change in temperature of the measured object and a predetermined relational expression between the time change in temperature and the time change in stress.
このように、ロックイン処理を用いれば、原理的には、被測定物の応力の時間的変化、ひいては被測定物の応力を精度良く算出することが可能であると考えられる。そして、赤外線撮像装置を用いて実際に被測定物を撮像した撮像画像に基づき、被測定物の応力を算出するため、溶接部のような複雑な形状にも適用可能である。
したがって、スポット溶接継手の溶接部を検査する際、具体的には、溶接部の内面応力を評価する際に、FEM解析ではなく、ロックイン処理を適用した熱弾性応力測定法を用いることが考えられる。
In this way, by using the lock-in process, it is believed that in principle it is possible to accurately calculate the change in stress of the object with time, and therefore the stress of the object. Furthermore, since the stress of the object is calculated based on an image of the object actually captured by an infrared imaging device, it is also applicable to complex shapes such as welded parts.
Therefore, when inspecting the welded portion of a spot welded joint, specifically when evaluating the internal stress of the welded portion, it is considered to use a thermoelastic stress measurement method to which lock-in processing is applied, rather than FEM analysis.
しかしながら、スポット溶接継手の溶接部の内面応力を評価する際に熱弾性応力測定法を用いる場合、赤外線撮像装置は、溶接部の外面(板材の重ね合わせ面と反対側の面)を撮像することになる。このため、熱弾性応力測定法で直接測定できる応力は、溶接部の外面応力(外面側の応力)であって、溶接部の内面応力ではない。また、赤外線撮像装置が溶接部の外面を撮像するため、溶接部における板材の板厚を直接推定することはできない。 However, when using the thermoelastic stress measurement method to evaluate the internal stress of the welded part of a spot welded joint, the infrared imaging device images the outer surface of the welded part (the surface opposite the overlapping surfaces of the plate materials). Therefore, the stress that can be directly measured by the thermoelastic stress measurement method is the outer surface stress of the welded part (stress on the outer surface side), not the internal stress of the welded part. In addition, because the infrared imaging device images the outer surface of the welded part, it is not possible to directly estimate the thickness of the plate material at the welded part.
特許文献1~4には、熱弾性応力測定法の測定精度を高める方法について提案されているものの、上記の問題を解決できるものではない。
本発明は、上記のように、溶接部の内面応力を直接測定できないことや、溶接部における板材の板厚を直接推定することはできないという、熱弾性応力測定法をスポット溶接継手の溶接部の検査に用いる際に生じる問題点のうち、特に、溶接部における板材の板厚を推定可能な方法を提供することを課題とする。 As described above, the present invention aims to provide a method that can estimate the thickness of the plate material at the welded part, among the problems that arise when using the thermoelastic stress measurement method to inspect the welded part of a spot welded joint, namely, that the internal stress of the welded part cannot be directly measured and that the thickness of the plate material at the welded part cannot be directly estimated.
前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討し、以下の(1)~(3)の知見を得た。
(1)スポット溶接継手の数値解析モデルを対象として、スポット溶接継手に付加する繰り返し荷重の最大荷重及び最小荷重を用いて熱弾性応力測定法を模擬した応力場及び温度場の連成有限要素法解析を実行することで、熱弾性応力測定法で測定した溶接部の外面応力と同等の外面応力σfを算出可能である。すなわち、熱弾性応力測定法を用いた溶接部の外面応力の測定を、連成有限要素法解析で再現可能である。
(2)数値解析モデルの板材の板厚tと、数値解析モデルに付加するものとして設定した繰り返し荷重の最大荷重(想定最大荷重)と最小荷重(想定最小荷重)との差である想定荷重差ΔPとを種々の値に変更して連成有限要素法解析を実行することで、想定荷重差ΔP毎に溶接部の外面応力をσfを算出すると、同じ板厚tについては、想定荷重差ΔPが外面応力σfの線形関数で精度良く近似でき、この線形関数の傾きuは板厚tによって変化する。この線形関数の傾きuと板材の板厚tとの関係は、指数関数等の関係式で表すことができる。
(3)上記の(1)及び(2)から、評価対象であるスポット溶接継手に、繰り返し荷重を付加し、熱弾性応力測定法を用いて、溶接部の外面応力σirを測定するステップを、繰り返し荷重の最大荷重と最小荷重との差である荷重差ΔP’を変更して複数回実行することで、荷重差ΔP’毎に溶接部の外面応力σirを測定し、荷重差ΔP’を溶接部の外面応力σirの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出すれば、この傾きu’と、上記の(2)の関係式(線形関数の傾きuと板材の板厚tとの関係式)とを用いて、評価対象であるスポット溶接継手の溶接部における板材の板厚t’を推定可能である。
In order to solve the above problems, the present inventors have conducted extensive research and have obtained the following findings (1) to (3).
(1) By performing a coupled finite element method analysis of stress field and temperature field simulating the thermoelastic stress measurement method using the maximum and minimum loads of repeated loads applied to the spot-welded joint for a numerical analysis model of a spot-welded joint, it is possible to calculate an outer surface stress σf equivalent to the outer surface stress of the weld measured by the thermoelastic stress measurement method. In other words, the measurement of the outer surface stress of the weld using the thermoelastic stress measurement method can be reproduced by the coupled finite element method analysis.
(2) When a coupled finite element analysis is performed by varying the thickness t of the plate material in the numerical analysis model and the assumed load difference ΔP, which is the difference between the maximum load (assumed maximum load) and the minimum load (assumed minimum load) of the repeated load set to be added to the numerical analysis model, to calculate the outer surface stress σf of the weld for each assumed load difference ΔP, for the same plate thickness t, the assumed load difference ΔP can be accurately approximated by a linear function of the outer surface stress σf, and the slope u of this linear function changes depending on the plate thickness t. The relationship between the slope u of this linear function and the plate thickness t of the plate material can be expressed by a relational expression such as an exponential function.
(3) From (1) and (2) above, by applying a cyclic load to the spot-welded joint to be evaluated and measuring the outer stress σir of the weld using a thermoelastic stress measurement method multiple times while changing the load difference ΔP', which is the difference between the maximum load and the minimum load of the cyclic load, the outer stress σir of the weld is measured for each load difference ΔP', and the load difference ΔP' is expressed as a linear function of the outer stress σir of the weld. Then, by calculating the slope u' of the linear function when the load difference ΔP' is expressed as a linear function of the outer stress σir of the weld, the thickness t' of the plate material at the weld of the spot-welded joint to be evaluated can be estimated using this slope u' and the above relational equation (2) (the relational equation between the slope u of the linear function and the thickness t of the plate material).
本発明は、本発明者らの上記の知見に基づき完成したものである。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、重ね合わせられた板材をスポット溶接することにより形成されるスポット溶接継手の溶接部における前記板材の板厚を推定する方法であって、以下の(A)~(C)の手順を含む、ことを特徴とするスポット溶接継手の板厚推定方法を提供する。
(A)関係式導出手順:前記板材の板厚tを変更した前記スポット溶接継手の複数の数値解析モデルを対象として、それぞれ前記スポット溶接継手に付加されるせん断方向の繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力場及び温度場の連成有限要素法解析を、前記想定最大荷重と前記想定最小荷重との差である想定荷重差ΔPを変更して複数回実行することで、前記想定荷重差ΔP毎に前記溶接部の外面応力σfを算出し、前記想定荷重差ΔPを前記溶接部の外面応力σfの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きuを前記板材の板厚t毎に算出して、前記線形関数の傾きuと前記板材の板厚tとの関係式を導出する。
(B)外面応力測定手順:評価対象である前記スポット溶接継手に、前記繰り返し荷重を付加し、熱弾性応力測定法を用いて、前記溶接部の外面応力σirを測定するステップを、前記繰り返し荷重の最大荷重と最小荷重との差である荷重差ΔP’を変更して複数回実行することで、前記荷重差ΔP’毎に前記溶接部の外面応力σirを測定する。
(C)板厚算出手順:前記荷重差ΔP’を前記溶接部の外面応力σirの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出し、当該傾きu’を前記導出した関係式に入力することで、前記評価対象である前記スポット溶接継手の前記溶接部における前記板材の板厚t’を算出する。
The present invention has been completed based on the above findings of the present inventors.
That is, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a method for estimating the plate thickness of a spot welded joint formed by spot welding overlapping plate materials, the method comprising the following steps (A) to (C):
(A) Procedure for deriving the relational equation: For multiple numerical analysis models of the spot welded joint in which the thickness t of the plate material is changed, a coupled finite element method analysis of the stress field and temperature field using the assumed maximum load and assumed minimum load of the repeated load in the shear direction applied to the spot welded joint is performed multiple times while changing the assumed load difference ΔP, which is the difference between the assumed maximum load and the assumed minimum load, to calculate the outer surface stress σf of the welded portion for each assumed load difference ΔP, and when the assumed load difference ΔP is expressed as a linear function of the outer surface stress σf of the welded portion, the slope u of the linear function is calculated for each thickness t of the plate material, and a relational equation between the slope u of the linear function and the thickness t of the plate material is derived.
(B) Outer surface stress measurement procedure: The step of applying the cyclic load to the spot welded joint to be evaluated and measuring the outer surface stress σir of the weld using a thermoelastic stress measurement method is repeated multiple times while changing the load difference ΔP', which is the difference between the maximum load and the minimum load of the cyclic load, thereby measuring the outer surface stress σir of the weld for each load difference ΔP'.
(C) Plate thickness calculation procedure: When the load difference ΔP′ is expressed as a linear function of the outer surface stress σir of the welded portion, the slope u′ of the linear function is calculated, and the slope u′ is input into the derived relational equation to calculate the plate thickness t′ of the plate material at the welded portion of the spot-welded joint to be evaluated.
本発明において、「板材の板厚」とは、重ね合わせられた各板材の重ね合わせ方向の寸法のうち、熱弾性応力測定法を適用する側(熱弾性応力測定法に用いる赤外線撮像装置を対向配置する側)の板材の重ね合わせ方向の寸法を意味する。
本発明において、「せん断方向」とは、板材の重ね合わせ方向に直交する方向を意味する。
本発明において、「想定最大荷重」とは、スポット溶接継手の数値解析モデルに付加するものとして設定した繰り返し荷重の最大荷重を意味する。外面応力測定手順でスポット溶接継手に実際に付加する繰り返し荷重の最大荷重と必ずしも同じ値である必要はない。実際に付加する繰り返し荷重の最大荷重が不明である場合、想定最大荷重は任意の値に設定すればよい。
本発明において、「想定最小荷重」とは、スポット溶接継手の数値解析モデルに付加するものとして設定した繰り返し荷重の最小荷重を意味する。外面応力測定手順でスポット溶接継手に実際に付加する繰り返し荷重の最小荷重と必ずしも同じ値である必要はない。実際に付加する繰り返し荷重の最小荷重が不明である場合、想定最小荷重は任意の値に設定すればよい。
本発明において、「外面応力」とは、板材の重ね合わせ面と反対側の面側の応力を意味する。また、「溶接部の外面応力」として、具体的には、板材の重ね合わせ方向から見て、溶接部のナゲットの中心部に対応する位置にある溶接部の熱影響部の応力を例示できる。ただし、これに限るものではなく、溶接部のナゲットと熱影響部との境界部分に対応する位置にある熱影響部の応力や、溶接部の外面側の所定部位の平均応力等を算出することも可能である。
本発明において、「溶接部の外面応力σfを算出する」とは、溶接部の外面応力そのものを算出する場合の他、溶接部の外面応力の時間的変化を算出する場合も含む概念である。
本発明において、「溶接部の外面応力σirを測定する」とは、溶接部の外面応力そのものを測定する場合の他、溶接部の外面応力の時間的変化を測定する場合も含む概念である。
In the present invention, the "thickness of the plate material" means the dimension in the overlapping direction of each stacked plate material on the side to which the thermoelastic stress measurement method is applied (the side facing the infrared imaging device used for the thermoelastic stress measurement method).
In the present invention, the "shear direction" means a direction perpendicular to the overlapping direction of the plate materials.
In the present invention, the "assumed maximum load" refers to the maximum load of the repeated load set to be applied to the numerical analysis model of the spot welded joint. It does not necessarily have to be the same value as the maximum load of the repeated load actually applied to the spot welded joint in the external stress measurement procedure. If the maximum load of the repeated load actually applied is unknown, the assumed maximum load may be set to any value.
In the present invention, the "assumed minimum load" means the minimum load of the repeated load set to be applied to the numerical analysis model of the spot welded joint. It does not necessarily have to be the same value as the minimum load of the repeated load actually applied to the spot welded joint in the external stress measurement procedure. If the minimum load of the repeated load actually applied is unknown, the assumed minimum load may be set to any value.
In the present invention, "external stress" refers to stress on the surface side opposite to the overlapping surface of the plate material. In addition, specifically, the "external stress of the welded portion" can be exemplified by stress in the heat-affected portion of the welded portion located at a position corresponding to the center of the nugget of the welded portion when viewed from the overlapping direction of the plate material. However, this is not limited thereto, and it is also possible to calculate stress in the heat-affected portion located at a position corresponding to the boundary between the nugget and the heat-affected portion of the welded portion, average stress in a predetermined portion on the outer surface side of the welded portion, etc.
In the present invention, the term "calculating the outer surface stress σf of the weld" refers to a concept including calculation of the outer surface stress of the weld as it is as well as calculation of the change in the outer surface stress of the weld over time.
In the present invention, the term "measuring the outer surface stress σir of the weld" refers to a concept including not only the measurement of the outer surface stress of the weld itself but also the measurement of the change in the outer surface stress of the weld over time.
本発明によれば、関係式導出手順において、板材の板厚tを変更したスポット溶接継手の複数の数値解析モデルを対象として、それぞれ連成有限要素法解析を想定荷重差ΔPを変更して複数回実行することで、想定荷重差ΔPを溶接部の外面応力σfの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きuと、板材の板厚tとの関係式を導出する。次に、外面応力測定手順において、評価対象であるスポット溶接継手に、熱弾性応力測定法を用いて溶接部の外面応力σirを実際に測定するステップを荷重差ΔP’を変更して複数回実行することで、荷重差ΔP’毎に溶接部の外面応力σirを測定する。最後に、板厚算出手順において、荷重差ΔP’を外面応力測定手順で実際に測定した溶接部の外面応力σirの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出し、当該傾きu’を導出した関係式に入力することで、評価対象であるスポット溶接継手の溶接部における板材の板厚t’を算出する。
以上のように、本発明によれば、連成有限要素法解析で導出した関係式と、熱弾性応力測定法で実際に測定した評価対象であるスポット溶接継手の溶接部の外面応力σirとを用いて、スポット溶接継手の溶接部における板材の板厚t’を算出(推定)可能である。
According to the present invention, in the relational expression derivation procedure, a coupled finite element method analysis is performed multiple times with different assumed load differences ΔP for multiple numerical analysis models of spot-welded joints with different plate thicknesses t, thereby deriving a relational expression between the slope u of a linear function of the assumed load difference ΔP expressed as a linear function of the outer stress σf of the welded portion and the plate thickness t of the plate. Next, in the outer stress measurement procedure, a step of actually measuring the outer stress σir of the welded portion using a thermoelastic stress measurement method is performed multiple times with different load differences ΔP', thereby measuring the outer stress σir of the welded portion for each load difference ΔP'. Finally, in the plate thickness calculation procedure, a slope u' of the linear function of the load difference ΔP' expressed as a linear function of the outer stress σir of the welded portion actually measured in the outer stress measurement procedure is calculated, and the slope u' is input into the derived relational expression to calculate the plate thickness t' of the plate at the welded portion of the spot-welded joint to be evaluated.
As described above, according to the present invention, it is possible to calculate (estimate) the plate thickness t' of the plate material at the welded portion of a spot-welded joint by using the relational equation derived by coupled finite element method analysis and the outer surface stress σir of the welded portion of the spot-welded joint that is the subject of evaluation, which is actually measured by a thermoelastic stress measurement method.
なお、関係式を導出するには、板材の板厚が既知で且つ互いに板厚が異なる複数の試験片を用意し、各試験片について熱弾性応力測定法を荷重差を変更して複数回実行することも考えられるものの、試験片の製作や熱弾性応力法を実行するための工数やコストが嵩むという問題がある。本発明によれば、連成有限要素法解析で関係式を導出するため、このような問題が生じない。本発明では、評価対象であるスポット溶接継手に対してのみ、傾きu’を算出するために荷重差ΔP’を変更して少なくとも2回の熱弾性応力測定法を実行するだけでよいため、工数やコストを抑制可能である。
また、本発明において、関係式導出手順を1回実行して関係式を導出しておけば、複数の評価対象に対して外面応力測定手順及び板厚算出手順を実行する際に、導出した同じ関係式を繰り返し用いることが可能である。すなわち、本発明によって複数の評価対象の溶接部における板厚を推定する際、関係式導出手順を評価対象の数だけ実行する必要はなく、予め1回だけ実行しておけばよい。
In order to derive the relational expression, it is possible to prepare a plurality of test pieces having different thicknesses of the plate material, and perform the thermoelastic stress measurement method for each test piece by changing the load difference, but this would result in an increase in labor and cost for producing the test pieces and performing the thermoelastic stress measurement method. According to the present invention, the relational expression is derived by a coupled finite element method analysis, so such a problem does not occur. In the present invention, it is only necessary to perform the thermoelastic stress measurement method at least twice by changing the load difference ΔP' to calculate the gradient u' only for the spot welded joint to be evaluated, so that the labor and cost can be reduced.
In addition, in the present invention, if the relational equation is derived by executing the relational equation deriving procedure once, the derived relational equation can be repeatedly used when executing the external stress measurement procedure and the plate thickness calculation procedure for a plurality of evaluation objects. In other words, when estimating plate thicknesses at the welds of a plurality of evaluation objects according to the present invention, it is not necessary to execute the relational equation deriving procedure as many times as the number of evaluation objects, and it is sufficient to execute the relational equation deriving procedure only once in advance.
ここで、本発明の関係式導出手順で実行する連成有限要素法解析を、繰り返し荷重を付加する所定時間だけ行うには、繰り返し荷重の周期毎に所定時間だけ計算を繰り返す必要があり、計算時間が増大するため、コストが嵩むという問題がある。
そこで、本発明者らは鋭意検討し、線形変形の弾性解析であれば、繰り返し荷重によって生じる応力の時間的変化が、繰り返し荷重の各周期間で殆ど変わらないことに着目し、これを利用すればよいことに想到した。具体的には、応力場の解析は、繰り返し荷重の周期毎に計算を繰り返すことなく、1周期における繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を条件として用いて1回だけ行い、これにより算出される応力の時間的変化を温度場の解析に利用すれば、熱弾性効果によって生じる温度変化のみを、迅速に且つ十分な精度で容易に算出できることに想到した。
Here, in order to perform the coupled finite element method analysis executed in the relational equation derivation procedure of the present invention for a specified time period during which a repeated load is applied, it is necessary to repeat calculations for a specified time period for each cycle of the repeated load, which increases the calculation time and therefore poses the problem of increased costs.
Therefore, the inventors have conducted extensive research and have come to the conclusion that, in the case of elastic analysis of linear deformation, the change in stress over time caused by repeated loading hardly changes between cycles of the repeated loading, and that this fact can be utilized. Specifically, the analysis of the stress field is performed only once using the assumed maximum load and assumed minimum load of the repeated loading in one cycle as conditions, without repeating the calculation for each cycle of the repeated loading, and the change in stress over time calculated in this way is utilized in the analysis of the temperature field, thereby making it possible to quickly and easily calculate only the temperature change caused by the thermoelastic effect with sufficient accuracy.
以下の好ましい方法は、本発明者らの上記の知見に基づき完成したものである。
すなわち、好ましくは、前記関係式導出手順で実行する連成有限要素法解析は、前記数値解析モデルを対象として、前記繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力解析を行い、前記数値解析モデルの応力分布を算出する応力解析ステップと、前記応力解析ステップで算出した前記数値解析モデルの応力分布と、前記スポット溶接継手の材料特性と、前記繰り返し荷重の周波数とを用いて、熱流束を算出する熱流束算出ステップと、前記熱流束算出ステップで算出した熱流束を用いた伝熱解析を行い、前記数値解析モデルの温度分布を算出する伝熱解析ステップと、を含み、前記熱流束算出ステップ及び前記伝熱解析ステップを前記繰り返し荷重を付加する所定時間だけ繰り返し実行することで、前記所定時間経過後の前記数値解析モデルの温度分布を算出し、前記所定時間経過後の前記数値解析モデルの温度分布に基づき、前記溶接部の外面温度を算出し、前記溶接部の外面温度を前記溶接部の外面応力σfに換算する換算ステップを更に含む。
The following preferred method has been completed based on the above findings of the present inventors.
That is, preferably, the coupled finite element method analysis performed in the relational equation deriving procedure includes a stress analysis step of performing a stress analysis using an assumed maximum load and an assumed minimum load of the repeated load for the numerical analysis model to calculate a stress distribution of the numerical analysis model, a heat flux calculation step of calculating a heat flux using the stress distribution of the numerical analysis model calculated in the stress analysis step, the material properties of the spot welded joint, and the frequency of the repeated load, and a heat transfer analysis step of performing a heat transfer analysis using the heat flux calculated in the heat flux calculation step to calculate a temperature distribution of the numerical analysis model, and further includes a conversion step of calculating a temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed by repeatedly executing the heat flux calculation step and the heat transfer analysis step for a predetermined time period during which the repeated load is applied, calculating an outer surface temperature of the weld based on the temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed, and converting the outer surface temperature of the weld into an outer surface stress σf of the weld.
上記の好ましい方法において、「溶接部の外面温度を算出」するとは、溶接部の外面温度そのものを算出する場合の他、溶接部の外面温度の時間的変化を算出する場合も含む概念である。
上記の好ましい方法によれば、応力解析ステップにおいて、スポット溶接継手の数値解析モデルを対象として、繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力解析を行い、数値解析モデルの応力分布を算出する。この応力解析ステップは、繰り返し実行する必要がなく、繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いて1回実行すればよい。
次に、上記の好ましい方法によれば、熱流束算出ステップにおいて、応力解析ステップで算出した数値解析モデルの応力分布と、スポット溶接継手の材料特性と、繰り返し荷重の周波数とを用いて、熱流束を算出する。熱流束算出ステップで用いるスポット溶接継手の材料特性としては、スポット溶接継手(板材)の熱弾性係数、密度及び比熱を例示できる。
次に、上記の好ましい方法によれば、伝熱解析ステップにおいて、熱流束算出ステップで算出した熱流束を用いた伝熱解析を行い、数値解析モデルの温度分布を算出する。
そして、上記の熱流束算出ステップ及び伝熱解析ステップを繰り返し荷重を付加する所定時間だけ繰り返し実行することで、所定時間経過後の数値解析モデルの温度分布を算出可能である。
最後に、上記の好ましい方法によれば、換算ステップにおいて、所定時間経過後の数値解析モデルの温度分布に基づき、溶接部の外面温度を算出可能であり、この溶接部の外面温度を溶接部の外面応力σfに換算可能である。溶接部の外面温度を外面応力σfに換算するには、温度と応力との間の公知の関係式を用いればよい。
In the above-mentioned preferred method, "calculating the outer surface temperature of the weld" is a concept that includes not only the calculation of the outer surface temperature of the weld itself, but also the calculation of the change in the outer surface temperature of the weld over time.
According to the above-mentioned preferred method, in the stress analysis step, a stress analysis is performed using an assumed maximum load and an assumed minimum load of a repeated load on a numerical analysis model of a spot welded joint, and a stress distribution of the numerical analysis model is calculated. This stress analysis step does not need to be performed repeatedly, and it is sufficient to perform it once using the assumed maximum load and the assumed minimum load of the repeated load.
Next, according to the above-mentioned preferred method, in the heat flux calculation step, the heat flux is calculated using the stress distribution of the numerical analysis model calculated in the stress analysis step, the material properties of the spot-welded joint, and the frequency of the repeated load. Examples of the material properties of the spot-welded joint used in the heat flux calculation step include the thermoelastic coefficient, density, and specific heat of the spot-welded joint (plate material).
Next, according to the above-mentioned preferred method, in the heat transfer analysis step, a heat transfer analysis is performed using the heat flux calculated in the heat flux calculation step, and a temperature distribution in the numerical analysis model is calculated.
Then, by repeatedly executing the above-mentioned heat flux calculation step and heat transfer analysis step for a predetermined time during which the repeated load is applied, it is possible to calculate the temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed.
Finally, according to the above-mentioned preferred method, in the conversion step, the outer surface temperature of the welded portion can be calculated based on the temperature distribution of the numerical analysis model after a predetermined time has elapsed, and the outer surface temperature of the welded portion can be converted into the outer surface stress σf of the welded portion. To convert the outer surface temperature of the welded portion into the outer surface stress σf, a known relational expression between temperature and stress may be used.
前記関係式導出手順で算出する前記関係式としては、前記板厚tを前記線形関数の傾きuの指数関数で表したものを例示できる。 An example of the relational equation calculated in the relational equation derivation procedure is one in which the plate thickness t is expressed as an exponential function of the slope u of the linear function.
本発明によれば、熱弾性応力測定法の測定結果を用いて、スポット溶接継手の溶接部における板材の板厚を推定可能である。 According to the present invention, it is possible to estimate the thickness of the plate material at the welded portion of a spot welded joint using the measurement results of the thermoelastic stress measurement method.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係るスポット溶接継手の板厚推定方法(以下、適宜、単に「板厚推定方法」という)について説明する。
図1は、本実施形態に係る板厚推定方法の手順を概略的に示すフロー図である。図2は、スポット溶接継手の数値解析モデル(有限要素解析モデル)の一例を示す。図2(a)は数値解析モデルの半分を示す斜視図であり、図2(b)は図2(a)の破線Aで囲った領域の拡大斜視図である。図2において、X方向は、スポット溶接継手に繰り返し荷重を付加する方向(せん断方向)を示す。Z方向は、スポット溶接継手の板材の重ね合わせ方向を示す。Y方向は、スポット溶接継手に繰り返し荷重を付加する方向及びスポット溶接継手の板材の重ね合わせ方向に直交する方向を示す。図2(a)は、数値解析モデル全体を溶接部の中心を通りXZ平面に平行な平面で分割した数値解析モデルの半分である。
Hereinafter, a method for estimating thickness of a spot-welded joint according to one embodiment of the present invention (hereinafter, simply referred to as a "plate thickness estimation method") will be described with reference to the attached drawings as appropriate.
FIG. 1 is a flow diagram that shows a schematic procedure of the plate thickness estimation method according to the present embodiment. FIG. 2 shows an example of a numerical analysis model (finite element analysis model) of a spot welded joint. FIG. 2(a) is a perspective view showing half of the numerical analysis model, and FIG. 2(b) is an enlarged perspective view of the area surrounded by the dashed line A in FIG. 2(a). In FIG. 2, the X direction indicates the direction in which a repeated load is applied to the spot welded joint (shear direction). The Z direction indicates the overlapping direction of the plate materials of the spot welded joint. The Y direction indicates the direction in which a repeated load is applied to the spot welded joint and the direction perpendicular to the overlapping direction of the plate materials of the spot welded joint. FIG. 2(a) shows half of the numerical analysis model obtained by dividing the entire numerical analysis model by a plane that passes through the center of the weld and is parallel to the XZ plane.
図2に示すように、本実施形態に係る板厚推定方法は、重ね合わせられた板材11、12をスポット溶接することにより形成されるスポット溶接継手10に、疲労試験機等によってせん断方向(X方向)の繰り返し荷重を付加して、スポット溶接継手10の溶接部13の外面応力を測定することで、スポット溶接継手10の溶接部13における板材の板厚を推定する方法である。
溶接部13の外面応力は、溶接部13に生じる応力のうち、板材11、12の重ね合わせ面(板材11、12の互いに対向する面である、板材11の面11a及び板材12の面12a)と反対側の面(板材11の面11b及び板材12の面12b)側の応力を意味する。具体的には、溶接部13の外面応力として、板材11、12の重ね合わせ方向(Z方向)から見て、溶接部13のナゲット13aの中心部131に対応する位置にある溶接部13の熱影響部の部位111又は部位121の応力を例示できる。
本実施形態では、後述の外面応力測定手順S2において、赤外線撮像装置を板材11の表面(外面)に対向配置し、溶接部13の板材11側の外面応力(例えば、溶接部13の熱影響部の部位111の応力)を測定する場合を例に挙げるため、後述の関係式導出手順S1で用いる板材の板厚として、板材11の板厚tを使用する。この場合、後述の板厚算出手順S3で算出される溶接部13における板材の板厚は、溶接部13における板材11の板厚t’である。ただし、後述の外面応力測定手順S2において、赤外線撮像装置を板材12の表面(外面)に対向配置し、溶接部13の板材12側の外面応力を測定することも可能である。この場合には、後述の関係式導出手順S1で用いる板材の板厚は、板材12の板厚tであり、後述の板厚算出手順S3で算出される溶接部13における板材の板厚は、溶接部13における板材12の板厚t’である。図2に示す例では、関係式導出手順S1で用いる数値解析モデルの板材11、12の板厚は同じ値のtであるが、異なる値にすることも可能である。
As shown in FIG. 2 , the plate thickness estimation method according to the present embodiment is a method for estimating the plate thickness of the plate material at the welded
The outer surface stress of the welded
In this embodiment, in the external stress measurement procedure S2 described later, an infrared imaging device is disposed facing the surface (outer surface) of the
図1に示すように、本実施形態に係る板厚推定方法は、関係式導出手順S1と、外面応力測定手順S2と、板厚算出手順S3と、を含む。以下、各手順S1~S3について順に説明する。 As shown in FIG. 1, the plate thickness estimation method according to this embodiment includes a relational equation deriving step S1, an outer surface stress measurement step S2, and a plate thickness calculation step S3. Each of steps S1 to S3 will be described below in order.
<関係式導出手順S1>
図1に示す関係式導出手順S1では、図2に示すようなスポット溶接継手10の数値解析モデルを対象として、繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力場及び温度場の連成有限要素法解析(連成FEM解析)を実行する。
具体的には、板材11の板厚tを変更した複数の数値解析モデルを対象として、それぞれ連成FEM解析を、想定最大荷重と想定最小荷重との差である想定荷重差ΔPを変更して複数回実行することで、想定荷重差ΔP毎に溶接部13の外面応力σfを算出する。連成FEM解析の具体的な内容については後述する。
<Relational Equation Deriving Procedure S1>
In the relational equation derivation procedure S1 shown in FIG. 1, a coupled finite element analysis (coupled FEM analysis) of a stress field and a temperature field using an assumed maximum load and an assumed minimum load of repeated loads is performed on a numerical analysis model of a spot welded joint 10 as shown in FIG. 2.
Specifically, the coupled FEM analysis is performed multiple times for multiple numerical analysis models in which the plate thickness t of the
より具体的には、関係式導出手順S1では、ある板厚tの数値解析モデルについて、溶接部13の外面応力σfを想定荷重差ΔP毎に算出し、次に、別の板厚tの数値解析モデルについて、溶接部13の外面応力σfを想定荷重差ΔP毎に算出する。以上の手順を全ての板厚tの数値解析モデルについて繰り返し実行する。
図3は、板厚tの異なる複数の数値解析モデルについて、想定荷重差ΔP毎に算出した外面応力σfの一例を示す図である。図3に示す例では、板厚t=0.8mm、1.2mm、1.6mm、2.0mmの各数値解析モデルについて、異なる想定荷重差ΔP毎に外面応力σfを算出している。図3に示すように、本発明者らの知見によれば、同じ板厚tについては、想定荷重差ΔPが外面応力σfの線形関数で精度良く近似でき、この線形関数の傾きuが板厚tによって変化することが分かった。すなわち、以下の式(1)が成立することが分かった。
ΔP=u・σf+v ・・・(1)
上記の式(1)において、u、vは、所定の定数を意味する。
図3に示すように、線形関数の傾きuは、板厚tが大きくなるほど大きくなる。
なお、想定荷重差ΔPを近似する式(1)の線形関数は、想定荷重差ΔP毎に算出した外面応力σfに基づき、最小二乗法等の近似計算によって算出可能である。
More specifically, in the relational equation deriving step S1, for a numerical analysis model having a certain plate thickness t, the outer surface stress σf of the welded
3 is a diagram showing an example of the outer surface stress σf calculated for each assumed load difference ΔP for a plurality of numerical analysis models with different plate thicknesses t. In the example shown in FIG. 3, the outer surface stress σf is calculated for each different assumed load difference ΔP for each numerical analysis model with plate thicknesses t = 0.8 mm, 1.2 mm, 1.6 mm, and 2.0 mm. As shown in FIG. 3, according to the knowledge of the inventors, for the same plate thickness t, the assumed load difference ΔP can be accurately approximated by a linear function of the outer surface stress σf, and it was found that the slope u of this linear function changes depending on the plate thickness t. That is, it was found that the following formula (1) is established.
ΔP=u・σf+v (1)
In the above formula (1), u and v represent predetermined constants.
As shown in FIG. 3, the slope u of the linear function increases as the plate thickness t increases.
The linear function of equation (1) that approximates the assumed load difference ΔP can be calculated by an approximation calculation such as the least squares method based on the outer surface stress σf calculated for each assumed load difference ΔP.
次に、関係式導出手順S1では、式(1)に示すように、想定荷重差ΔPを溶接部13の外面応力σfの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きuを板材11の板厚t毎に算出する。
図4は、関係式導出手順S1において、板材11の板厚t毎に算出した線形関数の傾きuの一例を示す図である。具体的には、図4は、図3に示すデータを用いて、板材11の板厚t毎に算出した線形関数の傾きuを示す図である。図4に示すように、本発明者らの知見によれば、板材11の板厚tは、線形関数の傾きuの指数関数で精度良く近似できることが分かった。すなわち、以下の式(2)が成立することが分かった。
t=c・ed・u ・・・(2)
上記の式(2)において、c、dは、所定の定数を意味し、eは、自然対数の底を意味する。
したがって、関係式導出手順S1では、線形関数の傾きuと板材11の板厚tとの関係式として、式(2)を導出する。なお、板厚tを近似する式(2)の指数関数は、板厚t毎に算出した線形関数の傾きuに基づき、最小二乗法等の近似計算によって算出可能である。
Next, in the relational equation derivation step S1, as shown in equation (1), when the expected load difference ΔP is expressed as a linear function of the outer surface stress σf of the welded
Fig. 4 is a diagram showing an example of the slope u of the linear function calculated for each thickness t of the
t=c・e d・u ...(2)
In the above formula (2), c and d represent predetermined constants, and e represents the base of the natural logarithm.
Therefore, in the relational equation deriving step S1, equation (2) is derived as a relational equation between the slope u of the linear function and the plate thickness t of the
<外面応力測定手順S2>
図1に示す外面応力測定手順S2では、評価対象であるスポット溶接継手10に繰り返し荷重を付加し、熱弾性応力測定法を用いて、評価対象であるスポット溶接継手10の溶接部13の外面応力σirを実際に測定する。具体的には、板材11の表面(外面)に対向配置した赤外線撮像装置を用いて、疲労試験機等によってせん断方向の繰り返し荷重が所定時間だけ付加されるスポット溶接継手10の溶接部13を含む板材11の表面(外面)を連続的に撮像する。そして、好適には、赤外線撮像装置から出力された画像信号から、測定対象とする熱弾性効果によって生じる温度変化に応じた信号波形をロックイン処理する。これにより、評価対象であるスポット溶接継手10の撮像領域の外面応力の分布を測定でき、ひいては溶接部13の外面応力σirを測定可能である。
外面応力測定手順S2では、上記のような溶接部13の外面応力σirを測定するステップを、繰り返し荷重の最大荷重と最小荷重との差である荷重差ΔP’を変更して複数回実行することで、荷重差ΔP’毎に溶接部13の外面応力σirを測定する。
なお、熱弾性応力測定法のより具体的な内容については公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
<External surface stress measurement procedure S2>
In the external stress measurement procedure S2 shown in Fig. 1, a repeated load is applied to the spot welded joint 10 to be evaluated, and the external stress σir of the welded
In the outer stress measurement procedure S2, the step of measuring the outer stress σir of the welded
Since the specific details of the thermoelastic stress measurement method are publicly known, a detailed description thereof will be omitted here.
<板厚算出手順S3>
図1に示す板厚算出手順S3では、外面応力測定手順S2における荷重差ΔP’を溶接部13の外面応力σirの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出する。
具体的には、関係式導出手順S1で想定荷重差ΔPを近似する式(1)の線形関数を算出したのと同様に、荷重差ΔP’毎に測定した外面応力σirに基づき、最小二乗法等の近似計算によって、以下の式(1)’で表される線形関数の傾きu’を算出する。
ΔP’=u’・σir+v’ ・・・(1)’
上記の式(1)’において、u’、v’は、所定の定数を意味する。
なお、外面応力算出手順S2において、2つの荷重差ΔP’についてのみ外面応力σirを測定した場合には、線形関数は、各荷重差ΔP’と各荷重差ΔP’について測定した外面応力σirとを座標とする2点を結ぶ直線として算出される。
<Plate thickness calculation procedure S3>
In the plate thickness calculation step S3 shown in FIG. 1, when the load difference ΔP′ in the external stress measurement step S2 is expressed as a linear function of the external stress σir of the welded
Specifically, in the same manner as in the step S1 of deriving the relational expression, the linear function of the formula (1) that approximates the assumed load difference ΔP is calculated, the following is calculated based on the outer surface stress σir measured for each load difference ΔP′ by the least squares method: By performing approximate calculations such as the above, the gradient u' of the linear function expressed by the following formula (1)' is calculated.
ΔP'=u'・σir+v'...(1)'
In the above formula (1)′, u′ and v′ represent predetermined constants.
In the external stress calculation step S2, when the external stress σir is measured only for two load differences ΔP′, the linear function is expressed by expressing each load difference ΔP′ and the external stress σir measured for each load difference ΔP′. It is calculated as a straight line connecting the two coordinate points.
次に、板厚算出手順S3では、上記のようにして算出した傾きu’を関係式導出手順S1で導出した関係式(式(2))に入力することで、評価対象であるスポット溶接継手10の溶接部13における板材11の板厚t’を算出する。具体的には、式(2)の右辺のuの代わりにu’を入力することで得られる左辺の値を板厚t’として算出する。すなわち、以下の式(2)’によって板厚t’を算出する。
t’=c・ed・u’ ・・・(2)’
Next, in the plate thickness calculation procedure S3, the slope u' calculated as described above is input into the relational equation (equation (2)) derived in the relational equation derivation procedure S1, thereby calculating the plate thickness t' of the
t'=c・e d・u' ...(2)'
以下、関係式導出手順S1で実行する連成FEM解析の具体的な内容について説明する。
図5は、関係式導出手順S1で実行する連成FEM解析の手順を概略的に示すフロー図である。図5に示すように、関係式導出手順S1で実行する連成FEM解析は、応力解析ステップS11と、熱流束算出ステップS12と、伝熱解析ステップS13と、換算ステップS15と、を含む。以下、各ステップS11~S15について順に説明する。
The specific contents of the coupled FEM analysis executed in the relational equation deriving step S1 will be described below.
5 is a flow diagram showing the procedure of the coupled FEM analysis executed in the relational equation deriving procedure S1. As shown in FIG. 5, the coupled FEM analysis executed in the relational equation deriving procedure S1 includes a stress analysis step S11, a heat flux calculation step S12, a heat transfer analysis step S13, and a conversion step S15. Each of steps S11 to S15 will be described below in order.
[応力解析ステップS11]
応力解析ステップS11では、図2に示すようなスポット溶接継手10の数値解析モデルを対象として、スポット溶接継手10に付加される繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力解析を行い、数値解析モデルの応力分布を算出する。この応力解析には、スポット溶接継手10に付加される繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重の他、板材11、12のヤング率及びポアソン比や、境界条件(対称条件、拘束条件など)が用いられる。
具体的には、本実施形態の応力解析ステップS11では、応力解析を実行することで、数値解析モデルの応力分布の時間的変化を算出する。換言すれば、数値解析モデルの要素毎に応力(主応力和ともいう)の時間的変化Δσを算出する。
なお、応力解析を実行するためのソフトウェアとしては、例えば、SIMULIA社製の汎用非線形有限要素解析プログラム「Abaqus」を好適に用いることができるが、本発明はこれに限るものではない。算出した数値解析モデルの応力分布の時間的変化は、後述の熱流束算出ステップS12で用いるため、例えば、各ステップS11~S15を実行するためのコンピュータが具備するメモリ、ハードディスク、CD-ROM等の記憶媒体に保存すればよい。
[Stress analysis step S11]
In the stress analysis step S11, a stress analysis is performed using an assumed maximum load and an assumed minimum load of the repeated load applied to the spot-welded joint 10 for a numerical analysis model of the spot-welded joint 10 as shown in Fig. 2, and a stress distribution in the numerical analysis model is calculated. In addition to the assumed maximum load and assumed minimum load of the repeated load applied to the spot-welded joint 10, the Young's modulus and Poisson's ratio of the
Specifically, in the stress analysis step S11 of the present embodiment, the stress analysis is performed to calculate the change over time in the stress distribution of the numerical analysis model. In other words, the change over time Δσ in stress (also called the sum of principal stresses) is calculated for each element of the numerical analysis model.
As software for performing the stress analysis, for example, the general-purpose nonlinear finite element analysis program "Abaqus" manufactured by SIMULIA, Inc. can be suitably used, but the present invention is not limited to this. The calculated change in stress distribution over time of the numerical analysis model is used in the heat flux calculation step S12 described later, and may be stored in a storage medium such as a memory, a hard disk, or a CD-ROM provided in a computer for executing each of steps S11 to S15.
[熱流束算出ステップS12]
熱流束算出ステップS12では、応力解析ステップS11で算出した数値解析モデルの応力分布(応力分布の時間的変化)と、スポット溶接継手10の材料特性(例えば、板材11、12の熱弾性係数、密度及び比熱)と、繰り返し荷重の周波数とを用いて、熱流束を算出する。
具体的には、本実施形態の熱流束算出ステップS12では、まず以下の式(3)に基づき、数値解析モデルの要素毎に温度の時間的変化ΔTを算出する。
ΔT=-K・T・Δσ ・・・(3)
上記の式(3)において、ΔTは温度の時間的変化を、Kは板材11、12の熱弾性係数を、Δσは応力の時間的変化を、Tは数値解析モデルの温度を意味する。なお、熱流束算出ステップS12を最初に実行する際、Tには初期温度として雰囲気温度(例えば、20℃)が入力される。
[Heat flux calculation step S12]
In the heat flux calculation step S12, the heat flux is calculated using the stress distribution (change in stress distribution over time) of the numerical analysis model calculated in the stress analysis step S11, the material properties of the spot welded joint 10 (e.g., the thermoelastic coefficient, density, and specific heat of the
Specifically, in the heat flux calculation step S12 of this embodiment, first, a time change ΔT in temperature is calculated for each element of the numerical analysis model based on the following equation (3).
ΔT=-K・T・Δσ...(3)
In the above formula (3), ΔT is the change in temperature over time, K is the thermoelastic coefficient of the
次に、熱流束算出ステップS12では、以下の式(4)又は式(5)に基づき、数値解析モデルの要素毎に熱流束Fを算出する。
F=-2・ΔT・ρ・Cp・Hz ・・・(4)
F=2・ΔT・ρ・Cp・Hz ・・・(5)
上記の式(4)及び式(5)において、Fは熱流束を、ρは板材11、12の密度を、Cpは板材11、12の比熱を、Hzは繰り返し荷重の周波数を意味する。圧縮方向に荷重が変化するときには上記の式(4)が用いられ、引張方向に荷重が変化するときには上記の式(5)が用いられる。
なお、熱流束算出ステップS12を実行するためのソフトウェアは、例えば、上記の式(3)~式(5)を実行するプログラムをSIMULIA社製の汎用非線形有限要素解析プログラム「Abaqus」が具備するユーザーサブルーチンとして作成することができるが、本発明はこれに限るものではない。
Next, in a heat flux calculation step S12, a heat flux F is calculated for each element of the numerical analysis model based on the following formula (4) or (5).
F=-2・ΔT・ρ・Cp・Hz ...(4)
F=2・ΔT・ρ・Cp・Hz ...(5)
In the above formulas (4) and (5), F represents the heat flux, ρ represents the density of the
The software for executing the heat flux calculation step S12 can be created as a user subroutine of the general-purpose nonlinear finite element analysis program "Abaqus" manufactured by SIMULIA, for example, a program for executing the above equations (3) to (5). However, the present invention is not limited to this.
[伝熱解析ステップS13]
伝熱解析ステップS13では、熱流束算出ステップS12で算出した熱流束Fを用いた伝熱解析を行い、数値解析モデルの温度分布を算出する。具体的には、本実施形態の伝熱解析ステップS13では、伝熱解析を実行することで、数値解析モデルの温度分布の時間的変化を算出する。換言すれば、数値解析モデルの要素毎に温度の時間的変化ΔTを算出する。
具体的には、伝熱解析には、熱流束Fの他、数値解析モデルの温度T、板材11、12の対流熱伝達係数及び放射率が用いられる。なお、伝熱解析ステップS13を最初に実行する際、Tには初期温度として雰囲気温度(例えば、20℃)が入力される。
なお、伝熱解析を実行するためのソフトウェアとしては、例えば、SIMULIA社製の汎用非線形有限要素解析プログラム「Abaqus」を好適に用いることができるが、本発明はこれに限るものではない。
[Heat transfer analysis step S13]
In the heat transfer analysis step S13, a heat transfer analysis is performed using the heat flux F calculated in the heat flux calculation step S12, and a temperature distribution of the numerical analysis model is calculated. Specifically, in the heat transfer analysis step S13 of this embodiment, a heat transfer analysis is performed to calculate a change in temperature distribution over time in the numerical analysis model. In other words, a change in temperature over time ΔT is calculated for each element of the numerical analysis model.
Specifically, in addition to the heat flux F, the heat transfer analysis uses the temperature T of the numerical analysis model, and the convection heat transfer coefficients and emissivity of the
As software for performing the heat transfer analysis, for example, the general-purpose nonlinear finite element analysis program "Abaqus" manufactured by SIMULIA Corporation can be suitably used, but the present invention is not limited to this.
そして、関係式導出手順S1では、上記の熱流束算出ステップS12及び伝熱解析ステップS13を所定時間(外面応力測定手順S2で実際に赤外線撮像装置を用いてスポット溶接継手10を連続的に撮像する所定時間と同じ時間)だけ繰り返し実行する。すなわち、図5のステップS14で、所定時間が経過したか否かを判断し、所定時間が経過していない場合(図5のステップS14で「No」の場合)には、再び熱流束算出ステップS12及び伝熱解析ステップS13を実行する。所定時間が経過した場合(図5のステップS14で「Yes」の場合)には、熱流束算出ステップS12及び伝熱解析ステップS13での計算を終了する。これにより、所定時間経過後の数値解析モデルの温度分布の時間的変化を算出可能である。 Then, in the relational equation derivation procedure S1, the above-mentioned heat flux calculation step S12 and heat transfer analysis step S13 are repeatedly executed for a predetermined time (the same time as the predetermined time for continuously capturing images of the spot welded joint 10 using an infrared imaging device in the external stress measurement procedure S2). That is, in step S14 of FIG. 5, it is determined whether or not the predetermined time has elapsed, and if the predetermined time has not elapsed (if "No" in step S14 of FIG. 5), the heat flux calculation step S12 and heat transfer analysis step S13 are executed again. If the predetermined time has elapsed (if "Yes" in step S14 of FIG. 5), the calculations in the heat flux calculation step S12 and heat transfer analysis step S13 are terminated. This makes it possible to calculate the change over time in the temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed.
[換算ステップS15]
換算ステップS15では、所定時間経過後の数値解析モデルの温度分布(温度分布の時間的変化)に基づき、溶接部13の外面温度を算出する。そして、この溶接部13の外面温度を溶接部13の外面応力σfに換算する。外面応力σfへの換算には、温度と応力との間の公知の関係式を用いればよい。
[Conversion step S15]
In the conversion step S15, the outer surface temperature of the welded
以上に説明した連成FEM解析を関係式導出手順S1で実行することにより、外面応力測定手順S2で熱弾性応力測定法を用いて測定する溶接部13の外面応力σirと同等の外面応力σfを算出可能である。
By performing the coupled FEM analysis described above in the relational equation derivation procedure S1, it is possible to calculate the outer surface stress σf equivalent to the outer surface stress σir of the welded
以上に説明した本実施形態に係る板厚推定方法によれば、連成FEM解析で導出した関係式と、熱弾性応力測定法で実際に測定した評価対象であるスポット溶接継手10の溶接部13の外面応力σirとを用いて、スポット溶接継手10の溶接部13における板材11の板厚t’を算出(推定)可能である。
なお、本実施形態に係る板厚推定方法によって推定される溶接部13における板材11の板厚t’は、溶接部13の外面11bから応力集中部位である内面11aまでの距離である。このため、スポット溶接継手10に限らず、一般的な板材に対しても本実施形態に係る板厚推定方法を適用することで、板材の表面から応力集中部位である板材の内部に存在する欠陥までの距離を推定できることが期待できる。
According to the plate thickness estimation method of this embodiment described above, it is possible to calculate (estimate) the plate thickness t' of the
The plate thickness t' of the
以下、本実施形態に係る板厚推定方法を実行した実施例について説明する。
本実施例では、590Mpa級鋼板である板材11、12をスポット溶接することにより形成されるスポット溶接継手10を評価対象として、疲労試験機を用いて周波数が7Hzのせん断方向の繰り返し荷重(引張荷重)を所定時間(10sec)だけ付加し、板材11の板厚t’を推定した。
Hereinafter, an example in which the plate thickness estimation method according to this embodiment is executed will be described.
In this embodiment, a spot welded joint 10 formed by spot welding 590 MPa class
本実施例において、関係式導出手順S1では、図2に示すような複数(板厚t=0.8mm、1.2mm、1.6mm、2.0mmの4種類)の数値解析モデルを対象として、繰り返し荷重の想定荷重差ΔPを、板厚t=0.8mmについては0.5kN~1.7kNの範囲で変更し、板厚t=1.2mmについては0.8kN~2.6kNの範囲で変更し、板厚t=1.6mmについては1.1kN~3.5kNの範囲で変更し、板厚t=2.0mmについては1.3kN~4.3kNの範囲で変更して、それぞれ連成FEM解析を実行することで、想定荷重差ΔP毎に溶接部13の外面応力σfを算出した。何れの想定荷重差ΔPについても、応力比R(R=想定最小荷重/想定最大荷重)は0.05とした。また、板材11、12のヤング率を205.9GPa、ポアソン比を0.3とした。
連成FEM解析の熱流束算出ステップS12では、数値解析モデルの初期温度を20℃とし、板材11、12の熱弾性係数Kを3.14e-6(eは自然対数の底)とした。また、板材11、12の密度ρを7.8e-6kg/mm3(eは自然対数の底)とし、板材11、12の比熱Cpを460kJ/kgとした。さらに、熱流束Fを算出する際に、繰り返し荷重の想定最大荷重から想定最小荷重に変化する際には前述の式(4)を用い、想定最小荷重から想定最大荷重に変化する際には前述の式(5)を用いた。
連成FEM解析の伝熱解析ステップS13では、数値解析モデルの初期温度を20℃とし、板材11、12の対流熱伝達係数を11.628W/(m2・K)とし、板材11、12の放射率を0.8とした。
本実施例の関係式導出手順S1では、以上に述べた条件で、想定荷重差ΔPを溶接部13の外面応力σfの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きuを板材11の板厚t毎に算出して、線形関数の傾きuと板材11の板厚tとの関係式を導出した。具体的には、前述の式(2)の定数c、dの値を導出した。この導出した定数c、dの値は、後述の本実施例の板厚算出手順S3で使用する式(2)’に用いた。
In this embodiment, in the relational expression derivation procedure S1, the assumed load difference ΔP of the repeated load was changed in the range of 0.5 kN to 1.7 kN for the plate thickness t = 0.8 mm, in the range of 0.8 kN to 2.6 kN for the plate thickness t = 1.2 mm, in the range of 1.1 kN to 3.5 kN for the plate thickness t = 1.6 mm, and in the range of 1.3 kN to 4.3 kN for the plate thickness t = 2.0 mm, as shown in Figure 2, and the outer surface stress σf of the welded
In the heat flux calculation step S12 of the coupled FEM analysis, the initial temperature of the numerical analysis model was set to 20° C., and the thermoelastic coefficient K of the
In the heat transfer analysis step S13 of the coupled FEM analysis, the initial temperature of the numerical analysis model was set to 20° C., the convection heat transfer coefficient of the
In the relational equation deriving procedure S1 of this embodiment, under the above-mentioned conditions, the slope u of the linear function when the assumed load difference ΔP is expressed as a linear function of the outer surface stress σf of the welded
図6は、本実施例において、連成FEM解析を実行することで得られた数値解析モデルの外面応力分布の一例を示す。具体的には、図6は、周波数が7Hzで想定荷重差ΔPが2.6kN(応力比R=0.05)の繰り返し荷重の想定最大荷重を付加した場合における外面応力分布であり、板厚t=1.2mmの数値解析モデル全体を溶接部13の中心を通りXZ平面に平行な平面で分割した数値解析モデルの半分の外面応力分布を示す。図6に示す数値解析モデルの外面応力分布に基づき算出された溶接部13の外面応力σfは135MPa(圧縮応力)であった。
Figure 6 shows an example of the outer surface stress distribution of the numerical analysis model obtained by performing a coupled FEM analysis in this embodiment. Specifically, Figure 6 shows the outer surface stress distribution when a maximum assumed load of repeated loads with a frequency of 7 Hz and an assumed load difference ΔP of 2.6 kN (stress ratio R = 0.05) is applied, and shows the outer surface stress distribution of half of the numerical analysis model obtained by dividing the entire numerical analysis model with a plate thickness t = 1.2 mm by a plane that passes through the center of the welded
前述の図3に示す例は、本実施例の関係式導出手順S1によって得られた想定荷重差ΔP毎の外面応力σfである。また、前述の図4は、本実施例の関係式導出手順S1によって得られた板材11の板厚t毎の線形関数の傾きuである。
The example shown in Figure 3 above is the outer surface stress σf for each assumed load difference ΔP obtained by the relational equation derivation procedure S1 of this embodiment. Also, Figure 4 above shows the slope u of the linear function for each thickness t of the
本実施例において、外面応力測定手順S2では、前述のように、評価対象であるスポット溶接継手10に疲労試験機を用いて周波数が7Hzのせん断方向の繰り返し荷重(引張荷重)を所定時間(10sec)だけ付加し、熱弾性応力測定法(ロックイン処理あり)を用いて、溶接部13の外面応力σirを実際に測定した。荷重差ΔP’は2.0kN(応力比R=0.05)、0.8kN(応力比R=0.05)の2条件で外面応力σirを測定した。荷重差ΔP’=2.0kNのときの外面応力σir=117MPa、荷重差ΔP’=0.8kNのときの外面応力σir=53MPaであった。
図7は、熱弾性応力測定法を実行することで得られた外面応力分布の一例を示す。具体的には、図7は、図6に結果を示す連成FEM解析の場合と同様に、荷重差ΔP’が2.6kN(応力比R=0.05)の繰り返し荷重の最大荷重を付加した場合に、熱弾性応力測定法を実行することで得られた外面応力分布である。図7に示す外面応力分布は、図6に示す連成FEM解析を実行することで得られた数値解析モデルの外面応力分布に近似した分布になっていることが分かる。図7に示す外面応力分布に基づき算出された外面応力σirは139MPa(圧縮応力)であり、図6に示す外面応力分布に基づき算出された外面応力σf=135MPa(圧縮応力)と同等であった。
In this embodiment, in the external stress measurement procedure S2, as described above, a repeated load (tensile load) in the shear direction with a frequency of 7 Hz was applied to the spot welded joint 10 to be evaluated using a fatigue testing machine for a predetermined time (10 sec), and the external stress σir of the welded
FIG. 7 shows an example of an outer surface stress distribution obtained by performing a thermoelastic stress measurement method. Specifically, FIG. 7 shows an outer surface stress distribution obtained by performing a thermoelastic stress measurement method when a maximum load of a repeated load with a load difference ΔP′ of 2.6 kN (stress ratio R=0.05) is applied, as in the case of the coupled FEM analysis shown in FIG. 6. It can be seen that the outer surface stress distribution shown in FIG. 7 is a distribution that is close to the outer surface stress distribution of the numerical analysis model obtained by performing the coupled FEM analysis shown in FIG. 6. The outer surface stress σir calculated based on the outer surface stress distribution shown in FIG. 7 was 139 MPa (compressive stress), which was equivalent to the outer surface stress σf=135 MPa (compressive stress) calculated based on the outer surface stress distribution shown in FIG. 6.
本実施例において、板厚算出手順S3では、外面応力測定手順S2における荷重差ΔP’(ΔP’=2.0kN、0.8kN)を溶接部13の外面応力σir(σir=117MPa、53MPa)の線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出した。具体的には、各荷重差ΔP’と各荷重差ΔP’について測定した外面応力σirとを座標とする2点を結ぶ直線の傾きとして、傾きu’を算出し、
u’=(2.0-0.8)/(117-53)=0.01875
が得られた。
このu’を前述の式(2)’の右辺に代入することで、板厚t’=1.22mmとなった。
評価対象であるスポット溶接継手10の溶接部13における板材11の実際の板厚は1.2mmであったため、誤差は(1.22-1.2)/1.2×100≒1.2%であり、溶接部13における板材11の板厚を精度良く推定できることが分かった。
In this embodiment, in the plate thickness calculation step S3, the load difference ΔP′ (ΔP′=2.0 kN, 0.8 kN) in the external stress measurement step S2 was expressed as a linear function of the external stress σir (σir=117 MPa, 53 MPa) of the welded
u'=(2.0-0.8)/(117-53)=0.01875
was obtained.
By substituting this u' into the right side of the above-mentioned equation (2)', the plate thickness t' becomes 1.22 mm.
Since the actual thickness of the
10・・・スポット溶接継手
11、12・・・板材
13・・・溶接部
S1・・・関係式導出手順
S2・・・外面応力測定手順
S3・・・板厚算出手順
10: Spot welded joint 11, 12: Plate material 13: Welded part S1: Relational equation derivation procedure S2: Outer surface stress measurement procedure S3: Plate thickness calculation procedure
Claims (3)
前記板材の板厚tを変更した前記スポット溶接継手の複数の数値解析モデルを対象として、それぞれ前記スポット溶接継手に付加されるせん断方向の繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力場及び温度場の連成有限要素法解析を、前記想定最大荷重と前記想定最小荷重との差である想定荷重差ΔPを変更して複数回実行することで、前記想定荷重差ΔP毎に前記溶接部の外面応力σfを算出し、前記想定荷重差ΔPを前記溶接部の外面応力σfの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きuを前記板材の板厚t毎に算出して、前記線形関数の傾きuと前記板材の板厚tとの関係式を導出する関係式導出手順と、
評価対象である前記スポット溶接継手に、前記繰り返し荷重を付加し、熱弾性応力測定法を用いて、前記溶接部の外面応力σirを測定するステップを、前記繰り返し荷重の最大荷重と最小荷重との差である荷重差ΔP’を変更して複数回実行することで、前記荷重差ΔP’毎に前記溶接部の外面応力σirを測定する外面応力測定手順と、
前記荷重差ΔP’を前記溶接部の外面応力σirの線形関数で表した場合の当該線形関数の傾きu’を算出し、当該傾きu’を前記導出した関係式に入力することで、前記評価対象である前記スポット溶接継手の前記溶接部における前記板材の板厚t’を算出する板厚算出手順と、を含む、
ことを特徴とするスポット溶接継手の板厚推定方法。 A method for estimating a plate thickness of a plate material at a welded portion of a spot welded joint formed by spot welding overlapping plate materials, comprising:
a relational equation deriving step of: performing coupled finite element analysis of stress field and temperature field using assumed maximum load and assumed minimum load of repeated load in shear direction applied to the spot welded joint for a plurality of numerical analysis models of the spot welded joint in which the thickness t of the plate material is changed, and changing an assumed load difference ΔP, which is the difference between the assumed maximum load and the assumed minimum load, to calculate an outer surface stress σf of the welded portion for each assumed load difference ΔP; and calculating a slope u of the linear function when the assumed load difference ΔP is expressed as a linear function of the outer surface stress σf of the welded portion for each thickness t of the plate material, to derive a relational equation between the slope u of the linear function and the thickness t of the plate material;
an outer surface stress measurement procedure in which the step of applying the cyclic load to the spot-welded joint to be evaluated and measuring the outer surface stress σir of the welded portion using a thermoelastic stress measurement method is performed multiple times while changing a load difference ΔP′, which is the difference between a maximum load and a minimum load of the cyclic load, thereby measuring the outer surface stress σir of the welded portion for each load difference ΔP′;
A plate thickness calculation step of calculating a slope u' of a linear function of the load difference ΔP' expressed as a linear function of the outer surface stress σir of the welded portion, and inputting the slope u' into the derived relational expression to calculate a plate thickness t' of the plate material at the welded portion of the spot-welded joint to be evaluated.
A method for estimating plate thickness of a spot welded joint, comprising:
前記数値解析モデルを対象として、前記繰り返し荷重の想定最大荷重及び想定最小荷重を用いた応力解析を行い、前記数値解析モデルの応力分布を算出する応力解析ステップと、
前記応力解析ステップで算出した前記数値解析モデルの応力分布と、前記スポット溶接継手の材料特性と、前記繰り返し荷重の周波数とを用いて、熱流束を算出する熱流束算出ステップと、
前記熱流束算出ステップで算出した熱流束を用いた伝熱解析を行い、前記数値解析モデルの温度分布を算出する伝熱解析ステップと、を含み、
前記熱流束算出ステップ及び前記伝熱解析ステップを前記繰り返し荷重を付加する所定時間だけ繰り返し実行することで、前記所定時間経過後の前記数値解析モデルの温度分布を算出し、
前記所定時間経過後の前記数値解析モデルの温度分布に基づき、前記溶接部の外面温度を算出し、前記溶接部の外面温度を前記溶接部の外面応力σfに換算する換算ステップを更に含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のスポット溶接継手の板厚推定方法。 The coupled finite element analysis performed in the procedure for deriving the relational equation is
a stress analysis step of performing a stress analysis using an assumed maximum load and an assumed minimum load of the repeated load on the numerical analysis model, and calculating a stress distribution of the numerical analysis model;
a heat flux calculation step of calculating a heat flux using the stress distribution of the numerical analysis model calculated in the stress analysis step, material properties of the spot welded joint, and a frequency of the repeated load;
a heat transfer analysis step of performing a heat transfer analysis using the heat flux calculated in the heat flux calculation step, and calculating a temperature distribution of the numerical analysis model,
by repeatedly executing the heat flux calculation step and the heat transfer analysis step for a predetermined time during which the repeated load is applied, a temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed is calculated;
The method further includes a conversion step of calculating an outer surface temperature of the welded portion based on a temperature distribution of the numerical analysis model after the predetermined time has elapsed, and converting the outer surface temperature of the welded portion into an outer surface stress σf of the welded portion.
The method for estimating a plate thickness of a spot welded joint according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のスポット溶接継手の板厚推定方法。 The relational equation calculated in the relational equation derivation procedure is an exponential function of the plate thickness t and the slope u of the linear function.
3. The method for estimating a plate thickness of a spot welded joint according to claim 1 or 2.
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