Development of assessment technology for welding process conditions maximizing fatigue performance of welded structures

开发焊接工艺条件评估技术，最大限度地提高焊接结构的疲劳性能

基本信息

批准号：
21H01545
负责人：
堤成一郎
金额：
$ 10.48万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

各種溶接構造物の接合部を起点とする疲労損傷事例が多数報告されており、その要因として、溶接部と構造的な不連続部が一致する、かつ溶接余盛や時に欠陥も存在するため高応力となる、溶接入熱による母材と溶接金属の希釈およびその後の冷却速度など、溶接プロセス条件に依存して不均一な材料組織/形状/強度分布と残留応力/残留変形が生じる、さらに構造物が実際に経験する応力や変形状態は、多軸/非比例/変動履歴となるため、実験的な検討にも限界があることなどが挙げられる。そこで、これまで開発を進めている巨視的弾性条件下となる高サイクル疲労にも適用可能な繰返し弾塑性モデルに対して、応力急変時の変形挙動を予測可能なモデルへと拡張するとともに、損傷累積関数をLode角の関数へと拡張した。これより、多軸/非比例/変動応力条件下の材料変形挙動の予測精度を向上させた弾塑性モデルと高効率な変形解析技術を開発した。また、多軸/非比例/変動応力条件下の局所的な弾塑性応答を反映した疲労亀裂発生から伝播までの寿命を評価可能な手法のプロトタイプを完成させた。そのモデル検証のために、各種疲労試験を実施した。特に、亀裂発生から伝播までの性能を定量化するとともに、亀裂前方のひずみ状況を可視化する目的で、SENT試験体を対象とした3D-DICひずみ解析を実施した。また、溶接プロセスシミュレーションツールとして、プロトタイプを開発済の溶融池形成シミュレーション技術に加えて、既存技術の熱弾塑性解析技術と疲労性能評価技術を連成させることにより、溶接プロセス条件と荷重履歴を考慮した疲労亀裂発生・伝播寿命評価システムのプロトタイプを完成させた。また提案手法の精度検証を目的として、継手疲労実験も実施した。

Many cases of fatigue damage starting from the joints of various welded structures have been reported, and the reasons for this include the fact that the weld portions are consistent with the structural discontinuities, and the presence of welding excess and sometimes defects, resulting in high stresses, dilution of the base material and weld metal due to the heat of welding input and subsequent cooling rates, and uneven material structure/shape/strength distribution and residual stress/residual变形取决于焊接过程条件。此外，应力和变形表明结构实际上是多轴/非比例/变异史，因此实验检查受到限制。因此，在循环弹性塑性模型中，该模型适用于直到现在开发的宏观弹性条件下的高周期疲劳，我们已经扩展了突然的应力变化在可以预测的模型中的变形行为，并将损伤积累功能扩展到裂痕角度的功能。由此，我们开发了一种弹性模型和高效的变形分析技术，该技术提高了在多轴/非比例/可变/可变应力条件下材料变形行为的预测准确性。我们还完成了一种方法的原型，该原型可以评估从疲劳裂纹引发到传播的寿命，从而反映了在多轴/非比例/非比例/可变应力条件下局部弹性反应。进行了各种疲劳测试以验证模型。特别是，在发送的样品上进行了3D-DIC应变分析，目的是量化从裂纹启动到传播的性能，并可视化裂缝前的应变状况。此外，作为一种焊接过程仿真工具，我们完成了一个原型，用于疲劳裂纹启动和传播生命评估系统，该系统通过将现有技术热弹性塑性分析技术与疲劳性能评估技术相结合，来考虑焊接过程条件和负载历史记录。此外，还进行了关节疲劳实验以验证所提出方法的准确性。