K6-58 - 日本大学理工学部

平成 26 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
K6-58
アーク溶接構造の公称構造応力算出法
－アーク溶接コーナー部への適用－
Method for Calculating Nominal Structural Stress of Arc Welded Structure
－Applying to the corner of arc weld－
○渡邉浩隆 1, 金子達彦 2, 岡部顕史 3, 冨岡昇 3
*Hirotaka Watanabe1, Tatsuhiko Kaneko2, Akifumi Okabe3, Noboru Tomioka 3
Recently, a development of the fatigue life prediction technology of the arc weld by CAE is demanded. In our laboratory, the
nominal structural stress (NSS) calculation method of the spot weld is studied in order to improve the fatigue life prediction
technology of the spot weld. This NSS calculation method was applied to the arc welded joints, it was shown that the nominal
structural stress was able to be obtained accurately at the toe of arc weld. In this study, the nominal structural stress calculation
method was applied to the corner of arc weld, it was shown that the stress was accurately obtained.
1. 緒
言
ある．評価部はビード幅を直径 d とする剛体円とする．
自動車のシャシ構造に多用されるアーク溶接部につ
いて，CAE による疲労寿命予測手法の確立が望まれて
また評価部を中心とする直径 D 円板内の応力は以下の
ようにして得ることができる．
いる．一方，スポット溶接構造の公称構造応力算出法
1) 円板の中央に作用する荷重(分担荷重)を荷重条件，
を図 1 のような FE モデルに適用することにより，
公称
円板円周上の変位を変位境界条件とする問題を，
[1],[2]
構造応力を精度よく算出する手法を提案し
，この算
板理論を用いて解き，円板内の応力解を得る．
出法から得られた公称構造応力値を用いて，疲労デー
2) 内外周を固定した円板内に強制変位が生じた問
タを狭いバンド幅でまとめられることを示してきた．
題を，板理論を用いて解き，円板内の応力解を得
この公称構造応力算出法を用いた疲労寿命予測手法を
る．
アーク溶接構造に適用し，疲労データを整理すること
ができれば，車体の開発設計段階において有用である
と考えられる．
3) 上記 1)と 2)で得られた応力解を重ね合わせ，円板
内の応力解を得る．
ここで，上記 2)の強制変位とはアーク溶接のビード部
アーク溶接の疲労き裂は，溶接止端部やコーナー部
で生じる変位のことである．
Arc weld
z
から発生する傾向にある．本研究ではコーナー部を対
fd
象とし，公称構造応力算出法から得られる応力解の精
fD
度について検討した．アーク溶接部の FE モデルは，図
1 で示すようなビード幅を直径とする円柱ビーム要素
と剛体バー要素から成るモデルを用いる．
Bea
dw
wi , wi ,
r
Fz
z
Fy
Mz
Mx
y
idth x
z
y
My
Fx
wi
y
Fixed
x
Fixed
x
Fig. 2 Method for calculating the nominal structural stress
Upper plate
z
Arc weld
Rigid Bar
y
3. アーク溶接コーナー部への適用
r
q
Width of bead
図 3 は自動車技術会疲労信頼性部門委員会(JSAE
x
Beam
Rigid Bar
Committee of Fatigue-Reliability Section)よりアーク溶接
Lower plate
Fig. 1 FE model of arc welded structure
構造継手の疲労実験で用いられた T 字継手試験片であ
り，下板両端を拘束し，上板穴部に荷重 Fz =980[N]，
2. アーク溶接構造の公称構造応力算出法
を作用させた．
アーク溶接構造の公称構造応力算出法は，図 2 のよ
うにアーク溶接の評価部をスポット溶接のナゲットと
見なし，弾性学の板理論を用いて応力解を得る手法で
1:日大理工・学部・機械
2:日大理工・院(前)・機械
図 4 に溶接コーナー部の上面図を示す．公称構造応
力算出法を用いて，アーク溶接コーナー部から図 4 に
示す x 軸方向上に生じる応力を求めた．
3:日大理工・教員・機械
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平成 26 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
y
80
250
Fz
Fy
x
Thickness t [mm]
E = 206000 [N/mm2]
Stress r,q,trq [MPa]
z
R5
Corner
R6
80
40
5
r (NSS)
q (NSS)
trq (NSS)
r (Shell)
q (Shell)
trq (Shell)
r (Solid)
q (Solid)
trq (Solid)
200
150
100
50
0
-50
190
0
5
10
15
20
Radius r [mm]
150
Unit : mm
Fig. 6 Stress distribution of T joint specimen (Fz =980[N])
(Stress r ,q,trqon the line of q = 0°)
Fig. 3 T joint specimen of JSAE committee of fatigue reliability
section
Principal stress p1 [MPa]
60
Width of Bead
Plate thickness
y
q
x, r
Arc weld
Fig. 4 Corner part of arc weld
NSS
Nominal structural stress
50
Bead
Bead
40
30
20
10
0
-10
0
公称構造応力算出法を用いて得られた円周上主応力
分布を図 5 に示す．角度q=15°付近で公称構造応力(最
90
180
Angleq [deg]
270
360
Fig. 7 Principal stress distribution of T joint specimen
(Fy =-980[N])
大主応力)が生じることが分かる．図 6 はq=0°上の応力
公称構造応力算出法を用いて得られた応力成分は，
FE シェルモデルや FE ソリッドモデルの FE 解析結果
とほぼ一致し，溶接コーナー部付近からビード部にき
裂が発生する場合でも，公称構造応力算出法を適用で
きる可能性を示すことができた．
荷重 Fy =-980[N]を作用させ，公称構造応力算出法を
用いて得られた円周上主応力分布を図 7 に示す．角度
q=25°付近で公称構造応力(最大主応力)が生じること
Stress r,q,trq [MPa]
50
成分 σr，σθ，τrθ を示す．
30
20
10
0
-10
0
を用いて得られた応力成分は，FE シェルモデルや FE
ソリッドモデルの FE 解析結果とほぼ一致した．
5
10
15
20
Radius r [mm]
Fig. 8 Stress distribution of T joint specimen (Fy =-980[N])
(Stress r ,q,trqon the line of q = 0°)
が分かる．図 8 はq=0°上の応力成分 σr，σθ，τrθ を示す．
Fy に荷重を作用させた場合でも，公称構造応力算出法
r (NSS)
q (NSS)
trq (NSS)
r (Shell)
q (Shell)
trq (Shell)
r (Solid)
q (Solid)
trq (Solid)
40
4. 結言
アーク溶接部を剛体バー要素とビーム要素でモデル
化した FE モデルから，
公称構造応力算出法を用いて溶
接コーナー部に生じる応力を算出し，精度よく得られ
Principal stress p1 [MPa]
250
Nominal structural stress
200
Bead
ることを示した．
NSS
Bead
参考文献
[1] 岡部顕史, 冨岡昇, 澤村崇, “面内荷重に対する
スポット溶接構造の公称構造応力算出法”, 自動車
技術会論文集 Vol.35, No.3, p.187-192 (2004)
[2] 岡部顕史, 冨岡昇, 金子恒昭, “スポット溶接構
150
100
50
0
0
90
180
Angleq [deg]
270
360
造の公称構造応力算出法－スポット溶接周辺の
FEM モデルの検討－”, 自動車技術会論文集, Vol.36,
Fig. 5 Principal stress distribution of T joint specimen
(Fz =980[N])
No.6, p.145-150 (2005)
832

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