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JP7759142B2 - Prediction method and program - Google Patents
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JP7759142B2 - Prediction method and program - Google Patents

Prediction method and program

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JP7759142B2 JP2024514275A JP2024514275A JP7759142B2 JP 7759142 B2 JP7759142 B2 JP 7759142B2 JP 2024514275 A JP2024514275 A JP 2024514275A JP 2024514275 A JP2024514275 A JP 2024514275A JP 7759142 B2 JP7759142 B2 JP 7759142B2
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Description

本発明は、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)、残留応力分布又は変形を予測するための予測方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a prediction method and program for predicting plastic strain distribution (intrinsic strain distribution), residual stress distribution or deformation.

溶接によって発生する残留応力を計算するため熱弾塑性解析法を用いた数値解析が一般的に行われている。熱弾塑性解析法を用いることで、対象の鋼材を溶接する際の溶接条件についてデジタル空間上で検討が可能となる。しかし、熱弾塑性解析法では、加熱から冷却終了まで刻々と変化する温度分布の時系列データを入力する必要がある。このため、計算量が膨大となり、解析時間が長くなる。また、複雑な形状の対象物体について解析を行う場合、解析時間がさらに長くなる。
解析時間を短くする方法として固有ひずみ法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
Numerical analysis using thermo-elastic-plastic analysis is commonly used to calculate residual stresses generated by welding. Using thermo-elastic-plastic analysis, it is possible to consider the welding conditions when welding the target steel material in a digital space. However, with thermo-elastic-plastic analysis, it is necessary to input time-series data of the temperature distribution that changes from moment to moment, from heating to the end of cooling. This results in a huge amount of calculation and long analysis times. Furthermore, when analyzing an object with a complex shape, the analysis time becomes even longer.
The inherent strain method is known as a method for shortening the analysis time (see, for example, Patent Document 1).

特開2020-144425号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-144425

しかし、固有ひずみ法の解析結果である変形を、熱弾塑性解析法の解析結果である変形と比較すると、解析結果が乖離している場合が多い。また、固有ひずみ法の解析結果である変形を、溶接済み部材の変形と比較すると、変形が乖離している場合が多い。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、塑性ひずみ分布、変形分布又は残留応力分布を短時間かつ高精度で予測することができる予測方法を提供する。
However, when the deformations obtained by the inherent strain method are compared with those obtained by the thermo-elastic-plastic analysis method, the analysis results often deviate.Furthermore, when the deformations obtained by the inherent strain method are compared with those of welded components, the deformations often deviate.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a prediction method that can predict plastic strain distribution, deformation distribution, or residual stress distribution in a short time with high accuracy.

本発明は、対象物体の塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)、残留応力分布又は変形を予測するための予測方法であって、前記予測方法は、加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱条件を含む予測用入力データから塑性ひずみ分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む予測方法を提供する。 The present invention provides a prediction method for predicting the plastic strain distribution (inherent strain distribution), residual stress distribution, or deformation of a target object, which includes a step of outputting prediction output data corresponding to the plastic strain distribution from prediction input data including heating conditions using a machine learning model trained with training data including learning input data including heating conditions and training output data corresponding to the plastic strain distribution (inherent strain distribution) calculated from the heating conditions using a numerical analysis method.

本発明によれば、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)、変形又は残留応力分布を短時間かつ高精度で予測することができる。また、複雑な対象物体の塑性ひずみ分布、変形又は残留応力分布を短時間で予測することが可能になる。
本発明の予測方法では煩雑な要素メッシュ作成作業が不要であるため、解析者の作業量を減らすことができる。
According to the present invention, it is possible to predict the plastic strain distribution (inherent strain distribution), deformation or residual stress distribution in a short time with high accuracy. Furthermore, it is possible to predict the plastic strain distribution, deformation or residual stress distribution of a complex target object in a short time.
The prediction method of the present invention does not require the tedious task of creating an element mesh, thereby reducing the workload of the analyst.

本発明の一実施形態の予測方法の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a prediction method according to an embodiment of the present invention. 入力側の加熱位置を示す幾何的な条件の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of geometric conditions showing the heating position on the input side. 入力側の加熱位置を示す幾何的な条件の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of geometric conditions showing the heating position on the input side. すみ肉溶接時に必要な入力項目の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of input items required for fillet welding. 固有変形と固有ひずみの関係式である。This is the relationship between inherent deformation and inherent strain. 熱弾塑性解析で用いた対象物体の解析モデルの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an analytical model of a target object used in a thermo-elastic-plastic analysis. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布であり、(b)は予測用出力データから作成したx方向の塑性ひずみ分布である。10A is the plastic strain distribution in the x direction created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis, and FIG. 10B is the plastic strain distribution in the x direction created from the prediction output data. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布であり、(b)は予測用出力データから作成したx方向の塑性ひずみ分布である。10A is the plastic strain distribution in the x direction created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis, and FIG. 10B is the plastic strain distribution in the x direction created from the prediction output data. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したy方向の塑性ひずみ分布であり、(b)は予測用出力データから作成したy方向の塑性ひずみ分布である。(a) is the plastic strain distribution in the y direction created from the analysis results of the thermo-elastic-plastic analysis, and (b) is the plastic strain distribution in the y direction created from the prediction output data. (a)~(d)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形とを比較したグラフである。6A to 6D are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational expressions in FIG. 5 with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布であり、(b)は予測用出力データから作成したx方向の塑性ひずみ分布である。10A is the plastic strain distribution in the x direction created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis, and FIG. 10B is the plastic strain distribution in the x direction created from the prediction output data. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したy方向の塑性ひずみ分布であり、(b)は予測用出力データから作成したy方向の塑性ひずみ分布である。(a) is the plastic strain distribution in the y direction created from the analysis results of the thermo-elastic-plastic analysis, and (b) is the plastic strain distribution in the y direction created from the prediction output data. (a)~(d)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形とを比較したグラフである。6A to 6D are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational expressions in FIG. 5 with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布であり、(b)はこの予測用出力データから作成したx方向の塑性ひずみ分布である。(a) is the plastic strain distribution in the x direction created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis, and (b) is the plastic strain distribution in the x direction created from this prediction output data. (a)は熱弾塑性解析の解析結果から作成したx方向の残留応力分布であり、(b)は予測用出力データを弾性解析することにより算出したデータから作成したx方向の残留応力分布である。(a) is the residual stress distribution in the x direction created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis, and (b) is the residual stress distribution in the x direction created from data calculated by elastically analyzing the prediction output data. (a)(b)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形とを比較したグラフである。6A and 6B are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational expression in FIG. 5 with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った角変形量分布である。This is the angular distortion distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った角変形量分布である。This is the angular distortion distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った角変形量分布である。This is the angular distortion distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った角変形量分布である。This is the angular distortion distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った横収縮量分布である。This is a distribution of transverse shrinkage along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った横収縮量分布である。This is a distribution of transverse shrinkage along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った横収縮量分布である。This is a distribution of transverse shrinkage along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った横収縮量分布である。This is a distribution of transverse shrinkage along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦収縮量分布である。This is a longitudinal shrinkage distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦収縮量分布である。This is a longitudinal shrinkage distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦収縮量分布である。This is a longitudinal shrinkage distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦収縮量分布である。This is a longitudinal shrinkage distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦曲り分布である。This is a vertical bending distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦曲り分布である。This is a vertical bending distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦曲り分布である。This is a vertical bending distribution along the heating direction created from the prediction output data. 予測用出力データから作成した加熱方向に沿った縦曲り分布である。This is a vertical bending distribution along the heating direction created from the prediction output data.

本発明の予測方法は、対象物体の塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)、残留応力分布又は変形を予測するための予測方法であって、前記予測方法は、加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した塑性ひずみ分布に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱条件を含む予測用入力データから塑性ひずみ分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む。 The prediction method of the present invention is a prediction method for predicting the plastic strain distribution (intrinsic strain distribution), residual stress distribution, or deformation of a target object, and includes a step of outputting prediction output data corresponding to the plastic strain distribution from prediction input data including heating conditions using a machine learning model trained with training data including learning input data including heating conditions and training output data corresponding to the plastic strain distribution calculated from the heating conditions using a numerical analysis method.

本発明の予測方法は、予測用出力データから変形又は残留応力分布を算出するステップを含むことが好ましい。このことにより、変形又は残留応力分布を短時間かつ高精度で予測することができる。
前記学習用入力データに含まれる加熱条件は、ビードオン溶接、開先溶接、すみ肉溶接、プラグ溶接、スロット溶接、多層溶接、金属積層造形、加熱によるひずみ取り、加熱による切断および加熱による曲げ加工のうち少なくとも1つの加熱条件を含むことが好ましい。
また、本発明は、対象物体の加熱方向に沿った固有変形分布を予測するための予測方法であって、前記予測方法は、加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した加熱方向に沿った固有変形分布に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱条件を含む予測用入力データから加熱方向に沿った固有変形分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む予測方法も提供する。
また、本発明は、本発明の予測方法をコンピューターに実行させるように設けられたプログラムも提供する。
The prediction method of the present invention preferably includes a step of calculating a deformation or residual stress distribution from the prediction output data, thereby making it possible to predict the deformation or residual stress distribution in a short time with high accuracy.
It is preferable that the heating conditions included in the learning input data include at least one of bead-on welding, groove welding, fillet welding, plug welding, slot welding, multi-layer welding, metal additive manufacturing, strain relief by heating, cutting by heating, and bending by heating.
The present invention also provides a prediction method for predicting the inherent deformation distribution along the heating direction of a target object, the prediction method including a step of outputting prediction output data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction from prediction input data including heating conditions using a machine learning model trained with teacher data including learning input data including heating conditions and learning output data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction calculated from the heating conditions using a numerical analysis method.
The present invention also provides a program configured to cause a computer to execute the prediction method of the present invention.

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。 An embodiment of the present invention will be described below using the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

第1実施形態
図1は、本実施形態の予測方法の説明図である。
第1実施形態の予測方法は、対象物体の塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)、残留応力分布又は変形を予測するための予測方法である。本実施形態の予測方法は、加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱条件を含む予測用入力データから塑性ひずみ分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む。また、本実施形態の予測方法は、前記予測用出力データから変形又は残留応力分布を算出するステップをさらに含むことができる。
本実施形態の予測方法は、例えば、ビードオン溶接、開先溶接、すみ肉溶接、プラグ溶接、スロット溶接、多層溶接、金属積層造形、加熱によるひずみ取り、加熱による切断および加熱による曲げ加工などにより生じる対象物体の塑性ひずみ分布、残留応力分布又は変形を予測するための予測方法である。
また、本実施形態のプログラムは、本実施形態の予測方法をコンピューターに実行させるように設けられる。
First Embodiment FIG. 1 is an explanatory diagram of a prediction method according to this embodiment.
The prediction method of the first embodiment is a prediction method for predicting the plastic strain distribution (inherent strain distribution), residual stress distribution, or deformation of a target object. The prediction method of this embodiment includes a step of outputting prediction output data corresponding to the plastic strain distribution from prediction input data including heating conditions using a machine learning model trained with teacher data including training input data including heating conditions and training output data corresponding to the plastic strain distribution (inherent strain distribution) calculated from the heating conditions using a numerical analysis method. The prediction method of this embodiment may also include a step of calculating the deformation or residual stress distribution from the prediction output data.
The prediction method of this embodiment is a prediction method for predicting the plastic strain distribution, residual stress distribution, or deformation of a target object caused by, for example, bead-on welding, groove welding, fillet welding, plug welding, slot welding, multi-layer welding, metal additive manufacturing, strain relief by heating, cutting by heating, and bending by heating.
The program of this embodiment is provided to cause a computer to execute the prediction method of this embodiment.

まず、本実施形態の予測方法に用いる機械学習モデルの作成について説明する。
教師データの作成には、数値解析法を用いる。数値解析法は、例えば、熱弾塑性解析、弾塑性解析、弾性解析などであり、熱弾塑性解析を用いることが好ましい。また、熱弾塑性解析は熱伝導解析を含むことができる。熱弾塑性解析には、理想化陽解法FEMを用いることができる。以下の説明では、熱弾塑性解析を用いて教師データを作成している。
具体的には、図1に示したように、対象物体の形状データ(メッシュデータなど)(解析モデル)、対象物体の材料に関する情報(具体的には、比熱、密度、熱伝導係数、ヤング率、降伏応力、ポアソン比、線膨張係数、加工硬化係数など)、加熱条件(具体的には、入熱量、熱源分布パラメータ、加熱速度、加熱の始点の座標、加熱の終点の座標など)を用いて解析を行い、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応するデータを算出する。また、必要に応じて、残留応力分布又は固有変形を算出することができる。「熱源分布パラメータ」とは、熱源分布の形を正規分布と仮定したときの標準偏差σなどに相当する。
「塑性ひずみ」は、溶接などで局所的に溶融した対象物体又は局所的に加熱された対象物体が冷却されることにより生じるひずみを含む。「塑性ひずみ」は、「固有ひずみ」又は「永久ひずみ」であってもよい。また、「塑性ひずみ」は、数値解析法の解析結果としてでてくる「ひずみ」であってもよい。
また、加熱条件は、ビードオン溶接、開先溶接、すみ肉溶接、シーム溶接、プラグ溶接、スロット溶接、多層溶接、多パス溶接、金属積層造形(例えば、3Dプリンター、3D金属積層造形)、加熱によるひずみ取り、加熱による切断(例えば、溶断)、加熱による曲げ加工(例えば、線状加熱)、溶射のうち少なくとも1つの加熱条件を含むことができる。
また、対象物体の形状データ(解析モデル)は、突合せ継手、重ね継手、両面当て金継手、片面当て金継手、角継手、T継手、十字継手、へり継手、金属積層造形、ひずみ取り、曲げ加工のうちいずれか1つの対象物体の形状データとすることができる。
First, the creation of a machine learning model used in the prediction method of this embodiment will be described.
Numerical analysis is used to create the training data. Examples of numerical analysis methods include thermo-elastic-plastic analysis, elasto-plastic analysis, and elastic analysis, and it is preferable to use thermo-elastic-plastic analysis. Furthermore, thermo-elastic-plastic analysis can include heat conduction analysis. Idealized explicit FEM can be used for thermo-elastic-plastic analysis. In the following explanation, the training data is created using thermo-elastic-plastic analysis.
Specifically, as shown in Figure 1, analysis is performed using shape data (mesh data, etc.) (analysis model) of the target object, information on the target object's material (specific heat, density, thermal conductivity coefficient, Young's modulus, yield stress, Poisson's ratio, linear expansion coefficient, work hardening coefficient, etc.), and heating conditions (specifically, heat input, heat source distribution parameters, heating rate, coordinates of the heating start point, coordinates of the heating end point, etc.), and data corresponding to the plastic strain distribution (intrinsic strain distribution) is calculated. Furthermore, residual stress distribution or inherent deformation can be calculated as necessary. The "heat source distribution parameters" correspond to the standard deviation σ when the heat source distribution is assumed to be a normal distribution.
"Plastic strain" includes strain that occurs when a target object is cooled after being locally melted or locally heated by welding, etc. "Plastic strain" may be "intrinsic strain" or "permanent strain.""Plasticstrain" may also be "strain" that results from a numerical analysis.
The heating conditions may also include at least one of bead-on welding, groove welding, fillet welding, seam welding, plug welding, slot welding, multi-layer welding, multi-pass welding, metal additive manufacturing (e.g., 3D printer, 3D metal additive manufacturing), strain relief by heating, cutting by heating (e.g., melt cutting), bending by heating (e.g., linear heating), and thermal spraying.
In addition, the shape data (analysis model) of the target object can be shape data of any one of a butt joint, lap joint, double-sided pad joint, single-sided pad joint, corner joint, T-joint, cross joint, edge joint, metal additive manufacturing, strain relief, and bending.

加熱条件などをランダムに変えながらこのような熱弾塑性解析を繰り返す。例えば、1000回以上熱弾塑性解析を繰り返すことができる。例えば、入熱量、加熱速度、加熱の始点の座標及び加熱の終点の座標のそれぞれをランダムに変えながら熱弾塑性解析を繰り返すことができる。対象物体の形状データ、対象物体の材料に関する情報などは、繰り返す熱弾塑性解析において同じものを用いることができる。また、対象物体の形状データ又は対象物体の材料に関する情報も変えながら熱弾塑性解析を繰り返してもよい。 Such thermo-elastic-plastic analysis is repeated while randomly changing heating conditions, etc. For example, thermo-elastic-plastic analysis can be repeated more than 1,000 times. For example, thermo-elastic-plastic analysis can be repeated while randomly changing the heat input, heating rate, coordinates of the heating start point, and coordinates of the heating end point. The same shape data of the target object, information about the material of the target object, etc. can be used in repeated thermo-elastic-plastic analyses. Thermo-elastic-plastic analysis can also be repeated while changing the shape data of the target object or information about the material of the target object.

入力側の加熱位置を示す幾何的な条件については、以下のように設定することができる。
1次元問題の変数群を設定する場合、図2のように設定することができる(長さの単位は[mm]で統一)。加熱条件の基本情報の表現として、Qnet:単位長さの正味の熱量[kJ/s]、Qhh:入熱パラメータ[J/mm3]、Speed:加熱速度[mm/s]、thickness:板厚[mm]、sigma:熱源パラメータσ[mm]、SE_length:加熱長さを用いることができる。対象点Pでの剛性の表現として、P_L1:対象点Pの端部までの最短距離(平行)、P_L2:対象点Pの端部までの最短距離(垂直)を用いることができる。加熱の方向の影響の表現として、PS_vector:対象点Pと始点Sまでの符号付距離、PE_vector:対象点Pと終点Eまでの符号付距離を用いることができる。このことにより、ひずみの分布の多様性を幾何的な距離などで特徴づけできる。
入熱パラメータは、入熱量と加熱速度と板厚の関係から決まる入熱の大きさを表すパラメータであり、(Q/v)/h2で表される。ここで、Qは入熱量(W)であり、vは加熱速度(mm/s)であり、hは板厚(mm)である。
The geometric conditions indicating the heating position on the input side can be set as follows:
The set of variables for a one-dimensional problem can be set as shown in Figure 2 (the unit of length is unified to [mm]). The basic information of the heating conditions can be expressed as follows: Qnet: net heat per unit length [kJ/s], Qhh: heat input parameter [J/ mm3 ], Speed: heating rate [mm/s], thickness: plate thickness [mm], sigma: heat source parameter σ [mm], and SE_length: heating length. The stiffness at the target point P can be expressed as P_L1: shortest distance (parallel) to the edge of the target point P, and P_L2: shortest distance (perpendicular) to the edge of the target point P. The influence of the heating direction can be expressed as PS_vector: signed distance between the target point P and the start point S, and PE_vector: signed distance between the target point P and the end point E. This allows the diversity of strain distribution to be characterized by geometric distances, etc.
The heat input parameter is a parameter that represents the magnitude of heat input determined by the relationship between the heat input, heating rate, and plate thickness, and is expressed as (Q/v)/ h2 , where Q is the heat input (W), v is the heating rate (mm/s), and h is the plate thickness (mm).

3次元問題の変数群を設定する場合、図3のように設定することができる(長さの単位は[mm]で統一)。加熱条件の基本情報の表現として、Qnet:単位長さの正味の熱量[kJ/s]、Qhh:入熱パラメータ[J/mm3]、Speed:加熱速度[mm/s]、thickness:板厚[mm]、sigma:熱源パラメータσ[mm]、SE_length:加熱長さを用いることができる。対象点Pでの剛性の表現として、P_L1:対象点Pの端部までの最短距離(平行)、P_L2:対象点Pの端部までの最短距離(垂直)、P_L3:対象点Pの端部までの最短距離(深さ)を用いることができる。加熱の方向の影響の表現として、PS_vector:対象点Pと始点Sまでの符号付距離、PE_vector:象点Pと終点Eまでの符号付距離を用いることができる。始点終点付近での熱影響の表現として、S_L1:始点Sの端部までの最短距離(平行)、S_L2:始点Sの端部までの最短距離(垂直)、E_L1:終点Eの端部までの最短距離(平行)、E_L2:終点Eの端部までの最短距離(垂直)、TH_length:施工可能最大長さを用いることができる。加熱中心からの距離として、P_heatline_L2:対象点Pの加熱部との最小距離(垂直)、P_heatline_R:対象点Pの加熱部の半径(≠L2)、P_depth:対象点Pの加熱面からの深さ(≠L3)を用いることができる。 The variables for a three-dimensional problem can be set as shown in Figure 3 (the unit of length is unified as [mm]). The basic information for heating conditions can be expressed as follows: Qnet: net heat per unit length [kJ/s], Qhh: heat input parameter [J/ mm³ ], Speed: heating rate [mm/s], thickness: plate thickness [mm], sigma: heat source parameter σ [mm], and SE_length: heating length. The stiffness at target point P can be expressed as follows: P_L1: shortest distance to the edge of target point P (horizontal), P_L2: shortest distance to the edge of target point P (perpendicular), and P_L3: shortest distance to the edge of target point P (depth). The influence of heating direction can be expressed as follows: PS_vector: signed distance between target point P and start point S, and PE_vector: signed distance between target point P and end point E. To express the thermal impact near the start and end points, the following can be used: S_L1: shortest distance (parallel) to the edge of start point S, S_L2: shortest distance (perpendicular) to the edge of start point S, E_L1: shortest distance (parallel) to the edge of end point E, E_L2: shortest distance (perpendicular) to the edge of end point E, TH_length: maximum possible length of construction. As distances from the heating center, the following can be used: P_heatline_L2: shortest distance (perpendicular) to the heated part of target point P, P_heatline_R: radius of the heated part of target point P (≠ L2), P_depth: depth of target point P from the heated surface (≠ L3).

図4に示したようなすみ肉溶接時に必要な入力項目(ユーザーによる入力)は、Qnet:単位長さの正味の熱量[kJ/s]、Speed:加熱速度[mm/s]、sigma:熱源パラメータσ[mm]、Xs, Ys, Zs:溶接開始点の座標(x, y, z) [mm]、Xe, Ye, Ze:溶接終了点の座標(x, y, z) [mm]、モデルのCADデータ、Thickness_plate:母材板厚[mm]、Thickness_web:ウェブ板厚[mm]、板寸法 [mm]となる。これらのユーザーが入力した項目が機械学習用の幾何的な説明変数にシステム内部で変換される。 The input items (entered by the user) required for fillet welding as shown in Figure 4 are: Qnet: net heat per unit length [kJ/s], Speed: heating rate [mm/s], sigma: heat source parameter σ [mm], Xs, Ys, Zs: coordinates of the welding start point (x, y, z) [mm], Xe, Ye, Ze: coordinates of the welding end point (x, y, z) [mm], CAD data for the model, Thickness_plate: base material plate thickness [mm], Thickness_web: web plate thickness [mm], plate dimensions [mm]. These user-entered items are converted internally into geometric explanatory variables for machine learning.

上記の繰り返した熱弾塑性解析に用いた入力データ及び解析結果から教師データを作成することができる。この教師データでは、例えば、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱速度及び加熱の始点の座標及び加熱の終点の座標が学習用入力データのデータ項目となり、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応するデータが学習用出力データ(正解データ)となる。教師データは、学習用入力データと学習用入力データ(正解データ)のペアを多数含む。また、学習用入力データは、対象物体の材料に関する情報を含んでもよい。
また、すべての熱弾塑性解析において対象物体の形状データが同じである場合、この形状データは、学習用入力データから除外することが可能である。すべての熱弾塑性解析において熱源分布パラメータが同じである場合、この熱源分布パラメータは、学習用入力データから除外することが可能である。
Training data can be created from the input data and analysis results used in the repeated thermo-elastic-plastic analysis. For example, the training input data items for this training data include the shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input amount, heating rate, and coordinates of the heating start point and the heating end point, and the training output data (correct answer data) includes data corresponding to the plastic strain distribution (intrinsic strain distribution). The training data includes many pairs of training input data and training input data (correct answer data). The training input data may also include information about the material of the target object.
Furthermore, if the shape data of the target object is the same in all thermo-elastic-plastic analyses, this shape data can be excluded from the training input data.If the heat source distribution parameters are the same in all thermo-elastic-plastic analyses, this heat source distribution parameters can be excluded from the training input data.

次に、作成した教師データを用いて機械学習フレームワークを学習させることにより機械学習モデルを作成することができる。 Next, a machine learning model can be created by training a machine learning framework using the created training data.

次に、予測用入力データを機械学習モデルに入力し、予測用出力データを出力する。予測用入力データは、正解データのわからない入力データであり、機械学習モデルを用いてこの入力データから正解データ(予測用出力データ)を予測する。予測用入力データのデータ項目は、学習用入力データのデータ項目と同じにすることができる。
予測用入力データは、例えば、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱速度、加熱の始点の座標及び加熱の終点の座標であり、これらの入力データを機械学習モデルに入力し、予測用出力データとして塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応するデータを出力する。このデータから塑性ひずみ分布を作成することにより、予測用入力データの加熱条件により加熱したときに予測される塑性ひずみ分布を知ることができる。
Next, the prediction input data is input to the machine learning model, and prediction output data is output. The prediction input data is input data for which the correct answer data is unknown, and the machine learning model is used to predict the correct answer data (prediction output data) from this input data. The data items of the prediction input data can be the same as the data items of the training input data.
The prediction input data includes, for example, shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input, heating rate, coordinates of the heating start point, and coordinates of the heating end point. These input data are input into a machine learning model, and data corresponding to the plastic strain distribution (intrinsic strain distribution) is output as prediction output data. By creating a plastic strain distribution from this data, it is possible to know the plastic strain distribution predicted when heating is performed under the heating conditions of the prediction input data.

例えば、候補となるたくさんの加熱条件を作成し、機械学習モデルを用いてそれぞれの加熱条件から予測される塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)を作成することができる。そして、最も適切な塑性ひずみ分布を選択し、選択した塑性ひずみ分布に対応する加熱条件を用いて溶接等の過熱を実行することができる。本実施形態の予測方法では、予測される塑性ひずみ分布を短時間で作成することができるため、候補となる加熱条件をたくさん設定することができ、より適切な加熱条件を見つけることが可能となる。また、対象物体が複雑な形状を有する場合でも、予測される塑性ひずみ分布を短時間で作成することができる。 For example, many candidate heating conditions can be created, and a machine learning model can be used to create a predicted plastic strain distribution (intrinsic strain distribution) from each heating condition. The most appropriate plastic strain distribution can then be selected, and overheating, such as welding, can be performed using the heating conditions corresponding to the selected plastic strain distribution. The prediction method of this embodiment can create a predicted plastic strain distribution in a short period of time, allowing for the setting of many candidate heating conditions and the identification of more appropriate heating conditions. Furthermore, even if the target object has a complex shape, a predicted plastic strain distribution can be created in a short period of time.

また、本実施形態の予測方法は、予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)から変形を算出するステップを含むことができる。変形は、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)について積分することにより算出することができる。例えば、図5に示したような関係式を用いて塑性ひずみ分布に対応するデータから固有変形(縦収縮、縦曲り、横収縮、横曲り)を算出することができる。このことにより、予測用入力データの加熱条件により加熱したときに予測される固有変形を知ることができる。本実施形態の予測方法では、予測される固有変形を短時間で算出することができるため、候補となる加熱条件をたくさん設定することができ、より適切な加熱条件を見つけることが可能となる。また、対象物体が複雑な形状を有する場合でも、予測される固有変形を短時間で算出することができる。 The prediction method of this embodiment can also include a step of calculating deformation from prediction output data (data corresponding to plastic strain distribution). Deformation can be calculated by integrating the plastic strain distribution (intrinsic strain distribution). For example, the inherent deformation (longitudinal shrinkage, longitudinal bending, lateral shrinkage, lateral bending) can be calculated from data corresponding to the plastic strain distribution using the relationship shown in Figure 5. This makes it possible to know the inherent deformation predicted when heated under the heating conditions of the prediction input data. The prediction method of this embodiment can calculate the predicted inherent deformation in a short time, allowing for the setting of many candidate heating conditions and the identification of more appropriate heating conditions. Furthermore, even if the target object has a complex shape, the predicted inherent deformation can be calculated in a short time.

また、本実施形態の予測方法は、予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)を用いて弾性解析を行い残留応力分布に対応するデータを算出するステップを含むことができる。この残留応力分布に対応するデータから残留応力分布を作成することができる。例えば、塑性ひずみ分布(固有ひずみ分布)に対応するデータ(機械学習モデルの出力データ)を無応力状態の解析モデルに与えて弾性解析を行うことで残留応力分布に対応するデータを算出することができる。本実施形態の予測方法では、予測される残留応力分布を比較的短時間で作成することができるため、候補となる加熱条件をたくさん設定することができ、より適切な加熱条件を見つけることが可能となる。また、対象物体が複雑な形状を有する場合でも、予測される残留応力分布を短時間で作成することができる。
第1実施形態の予測方法では、塑性ひずみ分布、固有変形分布及び残留応力分布を予測することができるため、総合的な判断をしたいときに有効である。
The prediction method of this embodiment may also include a step of performing elastic analysis using prediction output data (data corresponding to the plastic strain distribution) to calculate data corresponding to the residual stress distribution. A residual stress distribution can be created from the data corresponding to this residual stress distribution. For example, data corresponding to the plastic strain distribution (inherent strain distribution) (output data of the machine learning model) can be provided to a stress-free analytical model and elastic analysis can be performed to calculate data corresponding to the residual stress distribution. The prediction method of this embodiment can create a predicted residual stress distribution in a relatively short time, allowing for the setting of many candidate heating conditions and the identification of more appropriate heating conditions. Furthermore, even when the target object has a complex shape, a predicted residual stress distribution can be created in a short time.
The prediction method of the first embodiment is effective when a comprehensive judgment is desired because it is possible to predict the plastic strain distribution, the inherent deformation distribution, and the residual stress distribution.

第2実施形態
第2実施形態の予測方法は、対象物体の加熱方向に沿った固有変形分布を予測するための予測方法であって、前記予測方法は、加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した加熱方向に沿った固有変形分布に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱条件を含む予測用入力データから加熱方向に沿った固有変形分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む。
Second Embodiment A prediction method of the second embodiment is a prediction method for predicting the inherent deformation distribution along the heating direction of a target object, and includes a step of outputting prediction output data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction from prediction input data including heating conditions using a machine learning model trained with teacher data including training input data including heating conditions and training output data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction calculated from the heating conditions using a numerical analysis method.

第2実施形態では、第1実施形態と同様に繰り返した熱弾塑性解析に用いた入力データ及び解析結果から教師データを作成する。ただし、熱弾塑性解析では、加熱方向に沿った固有変形分布に対応する学習用出力データを算出する。
次に、作成した教師データを用いて機械学習フレームワークを学習させることにより機械学習モデルを作成することができる。
次に、予測用入力データを機械学習モデルに入力し、予測用出力データを出力する。
予測用入力データは、例えば、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱速度、加熱の始点の座標及び加熱の終点の座標であり、これらの入力データを機械学習モデルに入力し、予測用出力データとして加熱方向に沿った固有変形分布(角変形量分布、横収縮分布、縦収縮分布、縦曲がり分布)に対応するデータを出力する。このデータから固有変形分布を作成することにより、予測用入力データの加熱条件により加熱したときに予測される固有変形分布を知ることができる。
第2実施形態の予測方法は、固有変形分布のみを知りたいときに有効である。固有変形分布であれば、横断面ごとに4成分(縦収縮、縦曲がり、横収縮、横曲がり)しかないので、その加熱線方向分布(百個程度)を取るのは自由度が少なく、比較的簡単に予測できる。
In the second embodiment, training data is created from input data and analysis results used in repeated thermo-elastic-plastic analyses, similar to the first embodiment, except that in the thermo-elastic-plastic analyses, training output data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction is calculated.
Next, a machine learning model can be created by training a machine learning framework using the created training data.
Next, input data for prediction is input to the machine learning model, and output data for prediction is output.
The input data for prediction include, for example, shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input, heating rate, coordinates of the heating start point, and coordinates of the heating end point. These input data are input to a machine learning model, and data corresponding to the intrinsic deformation distribution along the heating direction (angular distortion distribution, lateral shrinkage distribution, longitudinal shrinkage distribution, longitudinal bending distribution) is output as output data for prediction. By creating an intrinsic deformation distribution from this data, it is possible to know the intrinsic deformation distribution predicted when heating is performed under the heating conditions of the input data for prediction.
The prediction method of the second embodiment is effective when only the inherent deformation distribution is required. Since the inherent deformation distribution has only four components (longitudinal shrinkage, longitudinal bending, transverse shrinkage, and transverse bending) for each cross section, there is little freedom in obtaining the distribution in the heating line direction (approximately 100 components), and prediction is relatively easy.

機械学習モデルの作成1
熱弾塑性解析を行い教師データを作成し、この教師データを用いて学習させた機械学習モデルを作成した。熱弾塑性解析には理想化陽解法FEMを用いた。
図6は、熱弾塑性解析で用いた対象物体の解析モデル(対象物体の形状データ)の概略図である。対象物体は、縦400mm、横400mm、厚さ16mmの鋼板である。解析モデルの縦方向をx方向とし、解析モデルの横方向をy方向とし、解析モデルの厚さ方向をz方向とした。解析モデルは複数個の要素(メッシュ)に分割されており、各要素の各頂点が節点となる。また、解析モデルには、解析モデルのy方向に延びる2つの辺のそれぞれの中点を結んだ線(x方向に延びる線)を中央にして幅80mm、長さ400mmの領域にメッシュサイズ2.5mmの要素に分割された領域を作成した。
Creating a machine learning model 1
A machine learning model was created using training data obtained by performing a thermal elastic-plastic analysis. The idealized explicit FEM method was used for the thermal elastic-plastic analysis.
FIG. 6 is a schematic diagram of the analytical model (shape data of the target object) used in the thermo-elastic-plastic analysis. The target object is a steel plate with a length of 400 mm, a width of 400 mm, and a thickness of 16 mm. The longitudinal direction of the analytical model is defined as the x-direction, the lateral direction of the analytical model is defined as the y-direction, and the thickness direction of the analytical model is defined as the z-direction. The analytical model is divided into a plurality of elements (mesh), and each vertex of each element is a node. In addition, the analytical model has a region with a width of 80 mm and a length of 400 mm, centered on a line (a line extending in the x-direction) connecting the midpoints of two sides of the analytical model extending in the y-direction. The region is divided into elements with a mesh size of 2.5 mm.

このような解析モデルを用いて様々な加熱条件(ガス加熱)を設定して3900回の熱弾塑性解析を行い、各熱弾塑性解析において塑性ひずみ分布に対応するデータを算出した。すべての熱弾塑性解析において、熱効率を1.0とし、熱源分布パラメータσを20mmとした。また、各熱弾塑性解析における加熱線の始点及び終点のそれぞれは、解析モデルのy方向に延びる2つの辺のそれぞれの中点を結んだ線(x方向に延びる線)上にランダムに設定した。また、各熱弾塑性解析における入熱量は、2000W~40000W(2kW~40kW)の範囲でランダムに設定した。また、各熱弾塑性解析における加熱速度は、1mm/sec~20mm/secの範囲でランダムに設定した。
また、解析モデルのy方向に延びる2つの辺のそれぞれの中点を結んだ線における前記加熱線の始点及び終点を表すために、前記中点を結んだ線の一方の端を0とし他方の端を400とするx座標(0→400がx方向)を用いる。
Using this analytical model, 3,900 thermo-elastic-plastic analyses were performed under various heating conditions (gas heating), and data corresponding to the plastic strain distribution was calculated for each analysis. In all analyses, the thermal efficiency was set to 1.0, and the heat source distribution parameter σ was set to 20 mm. The starting and ending points of the heating lines in each analysis were randomly set on a line connecting the midpoints of two edges extending in the y direction of the analytical model (a line extending in the x direction). The heat input in each analysis was randomly set within a range of 2,000 W to 40,000 W (2 kW to 40 kW). The heating rate in each analysis was randomly set within a range of 1 mm/sec to 20 mm/sec.
In addition, to represent the start point and end point of the heating line on a line connecting the midpoints of two sides extending in the y direction of the analytical model, an x-coordinate is used in which one end of the line connecting the midpoints is 0 and the other end is 400 (0 → 400 is the x-direction).

3900回の熱弾塑性解析の解析結果に基づき、学習用入力データのデータ項目を、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱線の始点及び終点、加熱速度とし、学習用出力データを塑性ひずみ分布に対応するデータとする教師データを作成し、この教師データを用いて機械学習フレームワークに学習させ機械学習モデルを作成した。 Based on the results of 3,900 thermal elastic-plastic analyses, training data was created in which the data items for the learning input data were the shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input, starting and ending points of the heating line, and heating rate, and the learning output data was data corresponding to the plastic strain distribution.This training data was used to train a machine learning framework and create a machine learning model.

塑性ひずみ分布及び固有ひずみの算出
予測用入力データ(対象物体の形状データ、熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:2mm/sec)を、作成した機械学習モデルに入力し予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)を出力した。図7(b)は、この予測用出力データから作成したx方向(縦方向)の塑性ひずみ分布(予測分布)である。
また、図7(a)は、熱弾塑性解析(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:2mm/sec、解析モデル:上述のものと同じ)の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布である。
また、予測用入力データ(対象物体の形状データ、熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:4mm/sec)を、作成した機械学習モデルに入力し予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)を出力した。図8(b)は、この予測用出力データから作成したx方向(縦方向)の塑性ひずみ分布(予測分布)である。また、図9(b)は、この予測用出力データから作成したy方向(横方向)の塑性ひずみ分布(予測分布)である。
また、図8(a)は、熱弾塑性解析(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:4mm/sec、解析モデル:上述のものと同じ)の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布である。また、図9(a)はこの熱弾塑性解析の解析結果から作成したy方向の塑性ひずみ分布である。
図7~図9に示したように、機械学習モデルの出力データから作成した塑性ひずみ分布(予測分布)は、熱弾塑性解析の解析結果から作成した塑性ひずみ分布と良好に一致することがわかった。
Calculation and prediction of plastic strain distribution and inherent strain Input data for prediction (shape data of the target object, heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 0, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 2 mm/sec) was input into the created machine learning model, and prediction output data (data corresponding to the plastic strain distribution) was output. Figure 7 (b) shows the plastic strain distribution (predicted distribution) in the x-direction (vertical direction) created from this prediction output data.
FIG. 7(a) shows the plastic strain distribution in the x direction created from the results of a thermo-elastic-plastic analysis (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 0, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 2 mm/sec, analysis model: same as above).
In addition, prediction input data (shape data of the target object, heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 0, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 4 mm/sec) was input into the created machine learning model, and prediction output data (data corresponding to plastic strain distribution) was output. Figure 8(b) is the plastic strain distribution (predicted distribution) in the x-direction (vertical direction) created from this prediction output data. Also, Figure 9(b) is the plastic strain distribution (predicted distribution) in the y-direction (horizontal direction) created from this prediction output data.
8(a) shows the plastic strain distribution in the x direction created from the results of a thermo-elastic-plastic analysis (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 0, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 4 mm/sec, analytical model: same as above). Also, FIG. 9(a) shows the plastic strain distribution in the y direction created from the results of this thermo-elastic-plastic analysis.
As shown in Figures 7 to 9, it was found that the plastic strain distribution (predicted distribution) created from the output data of the machine learning model was in good agreement with the plastic strain distribution created from the results of the thermo-elastic-plastic analysis.

次に、図5に示したような固有変形と固有ひずみの関係式を用いて、図7(b)図8(b)図9(b)に示した塑性ひずみ分布に対応するデータ(機械学習モデルの出力データ)から固有変形4成分(縦収縮、横収縮、縦曲がり、横曲がり)を算出した。
また、熱弾塑性解析を用いて、図7(a)図8(a)図9(a)に示した塑性ひずみ分布に対応する固有変形(縦収縮、横収縮、縦曲がり、横曲がり)を算出した。
図10(a)~図10(d)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形(「予測」と表示)と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形(「熱弾塑性解析」と表示)とを比較したグラフである。
図10(a)~図10(d)のグラフに示したように、機械学習モデルの出力データから算出した固有変形4成分は、それぞれ熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形4成分と良好に一致することがわかった。
Next, using the relational equation between inherent deformation and inherent strain shown in Figure 5, the four components of inherent deformation (longitudinal shrinkage, lateral shrinkage, longitudinal bending, and lateral bending) were calculated from the data corresponding to the plastic strain distributions shown in Figures 7(b), 8(b), and 9(b) (output data of the machine learning model).
Furthermore, using thermo-elastic-plastic analysis, the inherent deformations (longitudinal shrinkage, lateral shrinkage, longitudinal bending, lateral bending) corresponding to the plastic strain distributions shown in Figures 7(a), 8(a), and 9(a) were calculated.
10(a) to 10(d) are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational equation in FIG. 5 (labeled "Prediction") with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis (labeled "Thermal-elastic-plastic analysis").
As shown in the graphs in Figures 10(a) to 10(d), it was found that the four inherent deformation components calculated from the output data of the machine learning model were in good agreement with the four inherent deformation components calculated using thermal elastic-plastic analysis.

次に、予測用入力データ(対象物体の形状データ、熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:200、終点のx座標:400、加熱速度:4mm/sec)を、作成した機械学習モデルに入力し予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)を出力した。図11(b)は、この予測用出力データから作成したx方向(縦方向)の塑性ひずみ分布(予測分布)である。また、図12(b)は、この予測用出力データから作成したy方向(横方向)の塑性ひずみ分布(予測分布)である。
また、図11(a)は、熱弾塑性解析(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:200、終点のx座標:400、加熱速度:4mm/sec、解析モデル:上述のものと同じ)の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布である。また、図12(a)はこの熱弾塑性解析の解析結果から作成したy方向の塑性ひずみ分布である。
図11、図12に示したように、機械学習モデルの出力データから作成した塑性ひずみ分布(予測分布)は、熱弾塑性解析の解析結果から作成した塑性ひずみ分布と良好に一致することがわかった。
Next, the prediction input data (shape data of the target object, heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of the starting point: 200, x-coordinate of the ending point: 400, heating rate: 4 mm/sec) was input into the created machine learning model, and prediction output data (data corresponding to the plastic strain distribution) was output. Figure 11(b) shows the plastic strain distribution (predicted distribution) in the x-direction (vertical direction) created from this prediction output data. Figure 12(b) shows the plastic strain distribution (predicted distribution) in the y-direction (horizontal direction) created from this prediction output data.
11(a) shows the plastic strain distribution in the x direction created from the results of a thermo-elastic-plastic analysis (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 200, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 4 mm/sec, analytical model: same as above). Also, FIG. 12(a) shows the plastic strain distribution in the y direction created from the results of this thermo-elastic-plastic analysis.
As shown in Figures 11 and 12, it was found that the plastic strain distribution (predicted distribution) created from the output data of the machine learning model was in good agreement with the plastic strain distribution created from the analysis results of the thermo-elastic-plastic analysis.

次に、図5に示したような固有変形と固有ひずみの関係式を用いて、図11(b)図12(b)に示した塑性ひずみ分布に対応するデータ(機械学習モデルの出力データ)から固有変形4成分(縦収縮、横収縮、縦曲がり、横曲がり)を算出した。
また、熱弾塑性解析を用いて、図11(a)図12(a)に示した塑性ひずみ分布に対応する固有変形(縦収縮、横収縮、縦曲がり、横曲がり)を算出した。
図13(a)~図13(d)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形(「予測」と表示)と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形(「熱弾塑性解析」と表示)とを比較したグラフである。
図13(a)~図13(d)のグラフに示したように、機械学習モデルの出力データから算出した固有変形4成分は、それぞれ熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形4成分と良好に一致することがわかった。
Next, using the relational equation between inherent deformation and inherent strain shown in Figure 5, the four components of inherent deformation (longitudinal shrinkage, lateral shrinkage, longitudinal bending, and lateral bending) were calculated from the data corresponding to the plastic strain distribution shown in Figure 11(b) and Figure 12(b) (output data of the machine learning model).
Furthermore, the inherent deformations (longitudinal shrinkage, lateral shrinkage, longitudinal bending, lateral bending) corresponding to the plastic strain distributions shown in Fig. 11(a) and Fig. 12(a) were calculated using a thermo-elastic-plastic analysis.
13(a) to 13(d) are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational equations in FIG. 5 (labeled "Prediction") with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis (labeled "Thermal-elastic-plastic analysis").
As shown in the graphs in Figures 13(a) to 13(d), it was found that the four inherent deformation components calculated from the output data of the machine learning model were in good agreement with the four inherent deformation components calculated using thermal elastic-plastic analysis.

塑性ひずみ分布、固有ひずみ及び残留応力分布の算出
図14(a)(b)、図15(a)(b)に示したようなT継手の解析モデル(対象物体の形状データ)を用いて様々な加熱条件(裏側ひずみ取りとしてのガス加熱)を設定して熱弾塑性解析を複数回行い、各熱弾塑性解析において塑性ひずみ分布に対応するデータを算出した。熱弾塑性解析には理想化陽解法FEMを用いた。対象物体は、縦400mm、横400mm、厚さ16mmの鋼板に、縦400mm、横84mm、厚さ15mmの鋼板がT字形に溶接された形状を有している。
すべての熱弾塑性解析において、熱効率を1.0とし、熱源分布パラメータσを20mmとした。また、各熱弾塑性解析における加熱線の始点及び終点のそれぞれは、解析モデルのy方向に延びる2つの辺のそれぞれの中点を結んだ線(x方向に延びる線)上にランダムに設定した。また、各熱弾塑性解析における入熱量は、2000W~40000W(2kW~40kW)の範囲でランダムに設定した。また、各熱弾塑性解析における加熱速度は、1mm/sec~20mm/secの範囲でランダムに設定した。
熱弾塑性解析の解析結果に基づき、学習用入力データのデータ項目を、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱線の始点及び終点、加熱速度とし、学習用出力データを塑性ひずみ分布に対応するデータとする教師データを作成し、この教師データを用いて機械学習フレームワークに学習させ機械学習モデルを作成した。
Calculation of plastic strain distribution, inherent strain, and residual stress distribution. Using the analytical model of a T-joint (shape data of the target object) shown in Figures 14(a) and 14(b) and 15(a) and 15(b), thermo-elastic-plastic analyses were performed multiple times under various heating conditions (gas heating for backside strain relief), and data corresponding to the plastic strain distribution were calculated for each analysis. An idealized explicit FEM method was used for the thermo-elastic-plastic analyses. The target object had a steel plate 400 mm long, 400 mm wide, and 16 mm thick, to which another steel plate 400 mm long, 84 mm wide, and 15 mm thick was welded in a T-shape.
In all thermo-elastic-plastic analyses, the thermal efficiency was set to 1.0, and the heat source distribution parameter σ was set to 20 mm. The start and end points of the heating lines in each thermo-elastic-plastic analysis were randomly set on a line (extending in the x-direction) connecting the midpoints of two sides extending in the y-direction of the analysis model. The heat input in each thermo-elastic-plastic analysis was randomly set within a range of 2,000 W to 40,000 W (2 kW to 40 kW). The heating rate in each thermo-elastic-plastic analysis was randomly set within a range of 1 mm/sec to 20 mm/sec.
Based on the results of the thermal elastic-plastic analysis, training data was created in which the data items of the learning input data were the shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input, starting and ending points of the heating line, and heating rate, and the learning output data was data corresponding to the plastic strain distribution.This training data was used to train a machine learning framework and create a machine learning model.

次に、予測用入力データ(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:2mm/sec)を、作成した機械学習モデルに入力し予測用出力データ(塑性ひずみ分布に対応するデータ)を出力した。図14(b)は、この予測用出力データから作成したx方向(縦方向)の塑性ひずみ分布である。
また、図14(a)は、熱弾塑性解析(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:2mm/sec、解析モデル:上述のT継手の解析モデル)の解析結果から作成したx方向の塑性ひずみ分布である。
図14(a)(b)に示したように、対象物体がT継手であっても、機械学習モデルの出力データから作成した塑性ひずみ分布は、熱弾塑性解析の解析結果から作成した塑性ひずみ分布と良好に一致することがわかった。
Next, the prediction input data (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x-coordinate of starting point: 0, x-coordinate of ending point: 400, heating rate: 2 mm/sec) was input into the created machine learning model, and prediction output data (data corresponding to the plastic strain distribution) was output. Figure 14(b) shows the plastic strain distribution in the x-direction (vertical direction) created from this prediction output data.
FIG. 14(a) shows the plastic strain distribution in the x direction created from the results of a thermo-elastic-plastic analysis (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x coordinate of starting point: 0, x coordinate of ending point: 400, heating rate: 2 mm/sec, analytical model: the above-mentioned T-joint analytical model).
As shown in Figures 14(a) and (b), even when the target object is a T-joint, it was found that the plastic strain distribution created from the output data of the machine learning model was in good agreement with the plastic strain distribution created from the analysis results of the thermal elastic-plastic analysis.

次に、図14(b)に示した塑性ひずみ分布に対応するデータ(機械学習モデルの出力データ)を無応力状態の解析モデルに与えて弾性解析を行うことでx方向の残留応力分布に対応するデータを算出した。図15(b)は、算出したデータから作成したx方向の残留応力分布である。
また、図15(a)は、熱弾塑性解析(熱源分布パラメータσ:20mm、入熱量:10000W(10kW)、始点のx座標:0、終点のx座標:400、加熱速度:2mm/sec、解析モデル:上述のT継手の解析モデル)の解析結果から作成したx方向の残留応力分布である。
図15(a)(b)に示したように、対象物体がT継手であっても、機械学習モデルの出力データから作成した残留応力分布は、熱弾塑性解析の解析結果から作成した残留応力分布と良好に一致することがわかった。
Next, data corresponding to the plastic strain distribution shown in Fig. 14(b) (output data of the machine learning model) was applied to a stress-free analytical model, and elastic analysis was performed to calculate data corresponding to the residual stress distribution in the x direction. Fig. 15(b) shows the residual stress distribution in the x direction created from the calculated data.
FIG. 15(a) shows the residual stress distribution in the x direction created from the results of a thermo-elastic-plastic analysis (heat source distribution parameter σ: 20 mm, heat input: 10,000 W (10 kW), x coordinate of starting point: 0, x coordinate of ending point: 400, heating rate: 2 mm/sec, analysis model: the above-mentioned T-joint analysis model).
As shown in Figures 15(a) and 15(b), even when the target object is a T-joint, the residual stress distribution created from the output data of the machine learning model was found to be in good agreement with the residual stress distribution created from the analysis results of the thermal elastic-plastic analysis.

次に、図5に示したような固有変形と固有ひずみの関係式を用いて、図14(b)に示した塑性ひずみ分布に対応するデータ(機械学習モデルの出力データ)から固有変形(縦収縮、横曲がり(角変形))を算出した。
また、熱弾塑性解析を用いて、図14(a)に示した塑性ひずみ分布に対応する固有変形(縦収縮、横曲がり(角変形))を算出した。
図16(a)(b)は、図5の関係式を用いて算出した固有変形(「予測」と表示)と、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形(「熱弾塑性解析」と表示)とを比較したグラフである。
図16(a)(b)のグラフに示したように、対象物体がT継手であっても、機械学習モデルの出力データから算出した固有変形は、熱弾塑性解析を用いて算出した固有変形と良好に一致することがわかった。
Next, using the relational equation between inherent deformation and inherent strain as shown in Figure 5, the inherent deformation (longitudinal shrinkage, lateral bending (angular distortion)) was calculated from the data corresponding to the plastic strain distribution shown in Figure 14(b) (output data of the machine learning model).
Furthermore, the inherent deformation (longitudinal shrinkage and lateral bending (angular distortion)) corresponding to the plastic strain distribution shown in FIG. 14(a) was calculated using a thermo-elastic-plastic analysis.
16(a) and 16(b) are graphs comparing the inherent deformation calculated using the relational equations in FIG. 5 (labeled "Prediction") with the inherent deformation calculated using thermo-elastic-plastic analysis (labeled "Thermal-elastic-plastic analysis").
As shown in the graphs in Figures 16(a) and (b), even when the target object is a T-joint, it was found that the inherent deformation calculated from the output data of the machine learning model is in good agreement with the inherent deformation calculated using thermal elastic-plastic analysis.

機械学習モデルの作成2
熱弾塑性解析を行い教師データを作成し、この教師データを用いて学習させた機械学習モデルを作成した。熱弾塑性解析には理想化陽解法FEMを用いた。
解析モデルには、「機械学習モデルの作成1」と同じもの(図6の解析モデル)を用いた。このような解析モデルを用いて様々な加熱条件(ガス加熱)を設定して熱弾塑性解析を繰り返し行い、各熱弾塑性解析において変形(角変形量、横収縮、縦収縮、縦曲がり)に対応するデータを算出した。加熱条件は、「機械学習モデルの作成1」と同様に設定した。
熱弾塑性解析の解析結果に基づき、学習用入力データのデータ項目を、対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量、加熱線の始点及び終点、加熱速度とし、学習用出力データを加熱方向に沿った固有変形分布(角変形量分布、横収縮分布、縦収縮分布、縦曲がり分布)に対応するデータとする教師データを作成し、この教師データを用いて機械学習フレームワークに学習させ機械学習モデルを作成した。
Creating a machine learning model 2
A machine learning model was created using training data obtained by performing a thermal elastic-plastic analysis. The idealized explicit FEM method was used for the thermal elastic-plastic analysis.
The analytical model used was the same as that used in "Creating a Machine Learning Model 1" (analysis model in Figure 6). Using this analytical model, thermo-elastic-plastic analyses were repeatedly performed under various heating conditions (gas heating), and data corresponding to deformation (angular distortion, transverse shrinkage, longitudinal shrinkage, longitudinal bending) was calculated for each thermo-elastic-plastic analysis. The heating conditions were set in the same way as in "Creating a Machine Learning Model 1."
Based on the results of the thermal elastic-plastic analysis, training data was created in which the data items of the learning input data were the shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input, starting and ending points of the heating line, and heating rate, and the learning output data was data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction (angular distortion distribution, transverse shrinkage distribution, longitudinal shrinkage distribution, longitudinal bending distribution).This training data was used to train a machine learning framework, and a machine learning model was created.

予測用入力データ(対象物体の形状データ、熱源分布パラメータ、入熱量:20000W(20kW)、始点のx座標、終点のx座標、加熱速度)を、作成した機械学習モデルに入力し予測用出力データ(加熱方向に沿った固有変形分布に対応するデータ)を出力した。
図17~図20は、予測用出力データから作成した角変形量分布であり、図17では、始点のx座標が0、終点のx座標が400であり、図18では、始点のx座標が100、終点のx座標が300であり、図19では、始点のx座標が100、終点のx座標が350であり、図20では、始点のx座標が100、終点のx座標が400である。また、入熱パラメータQhh[J/mm3]及び加熱速度Speed [mm/s]は各図に示している。Qhhは、(Q/v)/h2で表され、ここで、Qは入熱量(W)であり、vは加熱速度(mm/s)であり、hは板厚(mm)である。
The prediction input data (shape data of the target object, heat source distribution parameters, heat input: 20,000 W (20 kW), x-coordinate of the starting point, x-coordinate of the ending point, heating rate) was input into the created machine learning model, and the prediction output data (data corresponding to the inherent deformation distribution along the heating direction) was output.
17 to 20 show angular distortion distributions created from the prediction output data. In Fig. 17, the x-coordinate of the start point is 0 and the x-coordinate of the end point is 400. In Fig. 18, the x-coordinate of the start point is 100 and the x-coordinate of the end point is 300. In Fig. 19, the x-coordinate of the start point is 100 and the x-coordinate of the end point is 350. In Fig. 20, the x-coordinate of the start point is 100 and the x-coordinate of the end point is 400. The heat input parameter Qhh [J/ mm3 ] and the heating rate Speed [mm/s] are also shown in each figure. Qhh is expressed as (Q/v)/ h2 , where Q is the heat input (W), v is the heating rate (mm/s), and h is the plate thickness (mm).

図21~図24は、予測用出力データから作成した横収縮量分布であり、図21では、始点のx座標が0、終点のx座標が400であり、図22では、始点のx座標が100、終点のx座標が300であり、図23では、始点のx座標が100、終点のx座標が350であり、図24では、始点のx座標が100、終点のx座標が400である。また、入熱パラメータQhh[J/mm3]及び加熱速度Speed [mm/s]は各図に示している。 21 to 24 show the distribution of transverse shrinkage amounts created from the prediction output data, with the x-coordinate of the start point being 0 and the x-coordinate of the end point being 400 in Fig. 21, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 300 in Fig. 22, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 350 in Fig. 23, and the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 400 in Fig. 24. The heat input parameter Qhh [J/ mm3 ] and the heating speed Speed [mm/s] are also shown in each figure.

図25~図28は、予測用出力データから作成した横収縮量分布であり、図21では、始点のx座標が0、終点のx座標が400であり、図22では、始点のx座標が100、終点のx座標が300であり、図23では、始点のx座標が100、終点のx座標が350であり、図24では、始点のx座標が100、終点のx座標が400である。また、入熱パラメータQhh[J/mm3]及び加熱速度Speed [mm/s]は各図に示している。 Figures 25 to 28 show the distribution of transverse shrinkage amounts created from the prediction output data, with the x-coordinate of the start point being 0 and the x-coordinate of the end point being 400 in Figure 21, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 300 in Figure 22, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 350 in Figure 23, and the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 400 in Figure 24. The heat input parameter Qhh [J/ mm3 ] and the heating rate Speed [mm/s] are also shown in each figure.

図29~図32は、予測用出力データから作成した縦収縮量分布であり、図29では、始点のx座標が0、終点のx座標が400であり、図30では、始点のx座標が100、終点のx座標が300であり、図31では、始点のx座標が100、終点のx座標が350であり、図32では、始点のx座標が100、終点のx座標が400である。また、入熱パラメータQhh[J/mm3]及び加熱速度Speed [mm/s]は各図に示している。
図17~図32から加熱方向に沿った固有変形分布を良好に予想できることがわかった。
29 to 32 show longitudinal shrinkage distributions created from the prediction output data, with the x-coordinate of the start point being 0 and the x-coordinate of the end point being 400 in Fig. 29, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 300 in Fig. 30, the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 350 in Fig. 31, and the x-coordinate of the start point being 100 and the x-coordinate of the end point being 400 in Fig. 32. The heat input parameter Qhh [J/ mm3 ] and the heating rate Speed [mm/s] are also shown in each figure.
It was found that the inherent deformation distribution along the heating direction can be predicted well from FIGS.

Claims (2)

対象物体の加熱線方向の角変形量分布、加熱線方向の横収縮量分布、加熱線方向の縦収縮量分布及び加熱線方向の縦曲がり分布を予測するための予測方法であって、
前記予測方法は、加熱線の始点及び終点を含む加熱条件を含む学習用入力データと、前記加熱条件から数値解析法を用いて算出した加熱線方向の角変形量分布、加熱線方向の横収縮量分布、加熱線方向の縦収縮量分布及び加熱線方向の縦曲がり分布に対応する学習用出力データとを含む教師データを用いて学習させた機械学習モデルを用いて、加熱線の始点及び終点を含む加熱条件を含む予測用入力データから加熱線方向の角変形量分布、加熱線方向の横収縮量分布、加熱線方向の縦収縮量分布及び加熱線方向の縦曲がり分布に対応する予測用出力データを出力するステップを含む予測方法。
A prediction method for predicting an angular distortion distribution in a heating line direction, a transverse shrinkage distribution in a heating line direction, a longitudinal shrinkage distribution in a heating line direction, and a longitudinal bending distribution in a heating line direction of an object, comprising:
The prediction method includes a step of outputting prediction output data corresponding to the angular distortion distribution in the heating line direction, the transverse shrinkage distribution in the heating line direction, the longitudinal shrinkage distribution in the heating line direction, and the longitudinal bending distribution in the heating line direction from the prediction input data including the heating conditions including the starting point and the end point of the heating line, using a machine learning model trained with teacher data including training input data including heating conditions including the starting point and the end point of the heating line, and training output data corresponding to the angular distortion distribution in the heating line direction, the transverse shrinkage distribution in the heating line direction, the longitudinal shrinkage distribution in the heating line direction, and the longitudinal bending distribution in the heating line direction, calculated from the heating conditions using a numerical analysis method.
請求項に記載の予測方法をコンピューターに実行させるように設けられたプログラム。 A program configured to cause a computer to execute the prediction method according to claim 1 .
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