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Ansysブログ

June 23, 2021

Ansys Mechanicalでの溶接部のメッシュ生成とシミュレーション方法

前回のブログ「 構造解析のためのFEAメッシングの基礎 」では、有限要素法(FEA)のメッシングとは何か、メッシング手法の種類、そしてシミュレーションの精度を高めるために良質なメッシュが重要である理由をご紹介しました。

そのブログにあったバイクのフレームの例をもう一度使ってみましょう。溶接部やボルト締結部があるジオメトリで異なるメッシング戦略 を使用すると、モデル全体ではなく、特定の場所でより洗練されたメッシュを生成できるため、解析に時間がかかる場合があります。このブログでは、溶接のメッシングと、なぜ溶接解析に良質なメッシュが必要なのかについてご紹介します。

モーターサイクルのフレーム形状は、異なるタイプの溶接接続を示しています。

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

溶接構造に使用される要素タイプ

溶接は、熱を利用して局所的に材料を溶かし、接合する母材を融解させて複数の部品をつなぐ便利な加工方法です。溶接は、エンジンブロックのような厚肉の鋳造部品や、自動車のフレームのような薄肉の部品によく用いられます。

シミュレーションは、これらの溶接構造物の強度と耐久性を解析するために広く使用され、定評のある手法です。溶接部のメッシュに細心の注意を払うことで、溶接部の耐用年数を正確に計算したり、衝突やNVH(Noise, Vibration and Harshness)解析のための構造体の剛性を表現したりすることができます。

溶接構造の解析には、一般的にソリッド、シェル、ビーム要素が混在して使用されています。

鋳造や鍛造で製造された大型の部品をモデル化するにはソリッド要素を使用しますが、シートメタルの成形、圧延、絞り加工で製造された薄肉の形状を表現するにはシェル要素やビーム要素が便利です。ビーム要素やシェル要素の曲率変化をひずみにリンクさせることで、薄肉部をより小さなサイズで高精度なモデルで表現することができます。

溶接部をシェル要素やビーム要素でシミュレーション

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

溶接のメッシングとシミュレーション

溶接のシミュレーションに構造化メッシュと非構造化メッシュを使い分ける

複雑な薄肉形状に対するメッシング技術が大幅に進歩し、複雑な形状であっても構造化メッシュが可能になりました。いくつかのアプリケーションでは、変形パターンやひずみ値の変化に優先的な方向性があるため、構造化メッシュが望ましいとされています。

構造化メッシュは、非構造化メッシュと比較して、比較的大きな要素で、メッシュサイズに依存しない正確な解を得ることができるので便利です。これは、個々の溶接部の寿命を評価する場合に特に有効です。

溶接形状における構造化メッシュと非構造化メッシュの比較

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

なぜ溶接のシミュレーションは難しいのか?

溶接構造の解析で特に問題となるのは、解析用の溶接部の作成とメッシュの作成です。例えば、一般的な自動車のフレーム構造には数千個のスポット溶接があり、オフロード車のシャーシ構造には数十個のシーム溶接があると言われています。

Ansys Mechanical では、スポット溶接やシーム溶接を効率的かつ自動化された方法で作成、モデリングすることができます。ユーザーは、コンピュータ支援設計(CAD)システムから溶接部の位置を取り込むことで、スポット溶接の接続を迅速に作成することができます。これには、正確な表現のために個々の溶接部の剛性を制御する機能も含まれています。便利なメッシュツールにより、疲労寿命を予測する上で重要な、溶接ルートの位置や熱影響部に適切なメッシュパターンでシーム溶接を作成することができます。

溶接部のメッシュ品質と寿命の重要性

溶接構造物は、調和的またはランダムに変化する負荷、タンクの加圧、減圧、加速、制動、道路の凹凸を受ける自動車のシャーシなど、さまざまな負荷条件にさらされています。

このような疲労荷重下での溶接部の寿命を評価する際には、基本的な材料特性を変化させる溶接プロセスを考慮する必要があります。溶接プールを急冷すると、延性は低下するものの、硬度が高くなります。また、溶接プロセス中の不純物は、個々の溶接部の強度に悪影響を及ぼします。正確な寿命予測のためには、上記と、溶接プロセス後の母材の残留ひずみを考慮する必要があります。

疲労計算のために、溶接接合部の熱影響部を維持する。

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

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これらの要素は、以下の計算の際に考慮することができます。 疲労ツールを使用して溶接部の寿命を予測します。寿命予測は敏感なので 溶接熱影響部の応力勾配を考慮すると、以下の点が重要です。 この領域では、メッシュは適切な大きさになります。

このような状況では、構造化された四辺形メッシュが理想的です。 溶接部のつま先のピーク応力と、その周辺の急な応力勾配を捉えるのに適しています。 溶接部の耐久性を評価する場合は、 規則的な形状で段階的なメッシュサイズが理想的ですが、 衝突安全解析の場合は要件が異なります。 ここでは、計算効率の観点から、均一なサイズのメッシュが好まれます。

メッシュサイズの勾配が悪いと、陽解法ソルバーの解析時間が長くなる可能性があります。 衝突解析とNVH解析のいずれにおいても、 溶接部の剛性を正確に表現することが最も重要です。 これは、動的な衝突荷重や、モーダル解析・調和解析における固有振動数モードの下で 構造によるエネルギー吸収を正確に計算するために必要不可欠です。

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シーム溶接を六面体要素でシミュレーションし、溶接のルートとトウの位置を維持

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

Ansys Mechanical は、溶接構造物のパラメトリック設計を行う上で非常に優れた機能を備えています。また、設計変更時に溶接部を自動的に再生成する機能により、生産性が大幅に向上します。衝突、耐久性、NVH のワークフローにおいて、最小限の設定でメッシュを生成できる利便性と、疲労寿命を計算するための Ansys nCode DesignLife とのシームレスな接続性により、パワフルなユーザーエクスペリエンスを提供します。

オンデマンドウェビナーで詳しくご紹介します Ansys MechanicalによるFEA前処理の生産性向上.

また、 Ansys Learning Hub の「Ansys Explicit Dynamics Course」を受講することもできます。

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