粒子法-格子法の連成による溶接プロセス統合解析モデルの構築

溶接の熱変形や残留応力は継手性能の低下等の問題の大きな要因となることから, その力学的挙動の適切な抑制・制御のため, 数値解析を用いた検討が積極的に行われている. しかし, この数値解析には差分法や有限要素法(以下, FEM)が広く用いられているが, いずれも解析時に規定された空間(メッシュ)を要するため, 溶接中の自由表面および自由境界を伴う溶融池の形成過程と, それに伴い生じる材料剛性の強い非線形性を有する不連続場の取り扱いが困難であり, このことが溶接の力学的挙動に関する数値解析の高度化を困難にしていた. 一方, 近年では, 自由表面や界面の大変形を含む現象を取り扱う数値解析法として粒子法が提唱されているが, 解析コストが比較的大きく, また, 近年になって普及してきた解析手法であるため歴史が浅く, 解析モデルの整備や様々の問題に対する妥当性に関する検証も不足している. 本研究では, 溶接現象の可視化や理解, 評価, 予測を行っていく上での第一歩として, 粒子法を用いた溶接プロセス解析および溶接力学解析を汎用的かつ実用的な解析時間で行うための数値解析手法について検討を行い, 離散化手法, 求解手法, 各種基本的な現象のモデル化, 妥当性の検証といった, 実用的なプロセス解析および力学解析を行うために不可欠である一連の枠組みを構築した. また, 溶接プロセス-力学の統合化大規模3次元解析について検討を行い, 溶接時の移流熱輸送を伴う入熱過程や, 溶融・凝固に伴う材料剛性の強い非線形性を有する不連続場, 溶接中の自由表面や自由境界などの, 従来まで格子に基づく解析手法上の困難をメッシュに依存しない場として表現することで, 溶接プロセスおよび溶接力学の数値解析を統一的に解析できる計算手法を構築した.

溶接の熱変形や残留応力は継手性能の低下等の問題の大きな要因となることから, その力学的挙動の適切な抑制・制御のため, 数値解析を用いた検討が積極的に行われている. しかし, この数値解析には差分法や有限要素法(以下, FEM)が広く用いられているが, いずれも解析時に規定された空間(メッシュ)を要するため, 溶接中の自由表面および自由境界を伴う溶融池の形成過程と, それに伴い生じる材料剛性の強い非線形性を有する不連続場の取り扱いが困難であり, このことが溶接の力学的挙動に関する数値解析の高度化を困難にしていた. 一方, 近年では, 自由表面や界面の大変形を含む現象を取り扱う数値解析法として粒子法が提唱されているが, 解析コストが比較的大きく, また, 近年になって普及してきた解析手法であるため歴史が浅く, 解析モデルの整備や様々の問題に対する妥当性に関する検証も不足している. 本研究では, 溶接現象の可視化や理解, 評価, 予測を行っていく上での第一歩として, 粒子法を用いた溶接プロセス解析および溶接力学解析を汎用的かつ実用的な解析時間で行うための数値解析手法について検討を行い, 離散化手法, 求解手法, 各種基本的な現象のモデル化, 妥当性の検証といった, 実用的なプロセス解析および力学解析を行うために不可欠である一連の枠組みを構築した. また, 溶接プロセス-力学の統合化大規模3次元解析について検討を行い, 溶接時の移流熱輸送を伴う入熱過程や, 溶融・凝固に伴う材料剛性の強い非線形性を有する不連続場, 溶接中の自由表面や自由境界などの, 従来まで格子に基づく解析手法上の困難をメッシュに依存しない場として表現することで, 溶接プロセスおよび溶接力学の数値解析を統一的に解析できる計算手法を構築した.