S-N法を用いたシーム溶接疲労解析(FPM)

この手法は、薄いメタルシートに適用可能なホットスポット応力アプローチです。

ホットスポット応力は溶接線における節点力から計算されます。この方式は、1.0～3.0mmのシート厚に対し、ラボでのテスト結果と十分な一致を示しています。通常、この方式では、2つのS-N曲線が必要です。1つは曲げ応力による曲げS-N曲線で、もう1つは面内応力による面内S-N曲線です。

本チュートリアルの実行には、optistruct.zipに含まれる下記のファイルが必要です。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。

SeamWeld_frame.fem

または

本チュートリアルで使用されるモデルファイル群のコピーは、<install_directory>/tutorials/hwsolvers/optistructで入手できます。

本チュートリアルでフレームには、縦方向の曲げに加え、前方および後方ねじり荷重がかかっています。シーム溶接は、フレームを形成するセクション間にモデル化されています。


図 1. 自動車のフレーム
シーム（フィレット）溶接位置で生じる損傷を計算することができます。ソルバーデックのセットアップは、Process Managerを用いて行います。以下の内容がカバーされます：
  • Fatigue Process Managerの起動
  • モデルの読み込み
  • 疲労サブケースの生成
  • 疲労解析パラメータの定義
  • 疲労要素とS-Nプロパティの定義
  • 荷重時刻歴と荷重順序の定義
  • ジョブのサブミット
  • 結果サマリーの確認とポスト処理のためのHyperViewの起動

HyperMeshの起動とOptiStructユーザープロファイルの設定

本演習に使用されるモデルは、図 1に示すような自動車のフレームのモデルです。入力ファイルには、フレームが受ける3つの静的荷重ステップFrontal torsion、Rear torsionおよびVertical bendingです。

  1. HyperMeshを起動します。
    User Profilesダイアログが現れます。
  2. OptiStructを選択し、OKをクリックします。
    これで、ユーザープロファイルが読み込まれます。ユーザープロファイルには、適切なテンプレート、マクロメニュー、インポートリーダーが含まれており、OptiStructモデルの生成に関連したもののみにHyperMeshの機能を絞っています。
  3. Tools > Fatigue Process > Create Newをクリックします。
  4. New Sessionで、作業ディレクトリフォルダーに名称を入力します。
  5. Createをクリックします。
    これで、現在ロードされている疲労プロセステンプレートの内容を保存するための新しいファイルが生成されます。

モデルの読み込み

  1. File > Import > Solver Deckをクリックします。
    Importタブがタブメニューに追加されます。
  2. File typeにOptiStructを選択します。
  3. Filesアイコンfiles_panelを選択します。
    Select OptiStruct Fileブラウザが開きます。
  4. 自身の作業ディレクトリに保存したSeamWeld_frame.femファイルを選択します。モデルファイルへのアクセスをご参照ください。
  5. Openをクリックします。
  6. Import、続いてCloseをクリックし、Importタブを閉じます。
    疲労解析のセットアップの大筋は、以下のステップで得られます。


    図 2. 疲労のセットアップ - フィレットシーム溶接

モデルのセットアップ

疲労サブケースの生成

  1. Fatigue Analysisツリーの中でタスクFatigue Subcaseが選択されていることを確認します。
  2. Create new fatigue subcase欄に、Fatigue_3LCs_SeamWeldと入力します。
  3. Createをクリックします。
  4. Select existing fatigue subcase欄に新たに生成された疲労サブケースFatigue_3LCs_SeamWeldを選択します。
    Fatigue_3LCs_SeamWeldがアクティブな疲労サブケースとして選択されました。続くプロセス（解析パラメータ、疲労評価の要素とプロパティ、載荷順序など）はこのサブケースで行われます。
  5. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクAnalysis Parametersに導かれます。




    図 3. 処理するアクティブな疲労サブケースの生成と選択

疲労パラメータの定義

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. Nameにfatparamと入力します。
  3. Card Imageに、FATPARMを選択します。
  4. TYPEがSNに設定されていることを確認します。
  5. STRESS COMBINEをSGVON (Signed von Mises)に設定します。
  6. STRESS CORRECTIONをGERBERに設定します。
  7. STRESSUをMPA (Stress Units)に設定します。
  8. RAINFLOW RTYPEをLOADに設定します。
  9. GATERELを0.0に設定します。
  10. CERTNTY SURVCERTを0.5に設定します。
  11. SMWLDの横のボックスにチェックマークを入れ、以下のオプションを選択します：

    METHOD = VOLVO

    Mean Stress Connection = FKM

    SURVCERT = 1e-9

    THCKCORR = YES

  12. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクであるElements and Materialsに進みます。詳細については、Altair Simulation 2022ヘルプをご参照ください。

疲労要素と材料の追加

Fatigue AnalysisツリーでタスクElements and Materialsが選択されていることを確認します。

  1. Add Materialをクリックします。
    Material Dataウィンドウが開きます。


    図 4. 材料データ定義
  2. Material名にSteelを選択します。
  3. Stress unitがMPAにセットされていることを確認します。
  4. Ultimate tensile strength (UTS)に、600と入力します。
  5. Seam Weld Material Propertiesを選択し、Seam Weld Material Propertiesをクリックします。
  6. Mean Stress Sensitivity、MSS2、Structural SN Curve、およびBending SNとMembrane SNのカーブ材料値に、下に示す値を入力します。




    図 5. Seam Weld Material Propertiesダイアログ
  7. OKをクリックします。
  8. Saveをクリックします。
  9. Add Propertyをクリックします。


    図 6. Property Dataダイアログ
  10. Property Typeにを選択します。
  11. Closeをクリックし、選択された要素へのSNデータ定義を保存します。

PFATSMWプロパティの定義

BRATIOは、補間されたSNカーブがどちらをベースに作成されたか、Bending MomentsまたはMembrane Forcesが最大応力に寄与しているかどうかを理解するのに役立ちます。

同様に、TREFとTREF_Nは板厚修正の説明に役立ちます。

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Propertyを選択します。
  2. NameにPFATSMW_7と入力します。
  3. Card Imageに、を選択します。
  4. BRATIOを0.6に設定します。
  5. TREF を 1.1に設定します。
  6. TREF_Nを0.1に設定します。
  7. Closeをクリックします。

FATDEF荷重コレクターの定義

  1. Modelブラウザ内で右クリックし、Create > Load Collectorを選択します。
  2. NameにFATDEF1と入力します。
  3. Card ImageをFATDEFに設定します。
  4. PTYPE エンティティエディターで、FATSEAMをアクティブにします。
  5. FATDEF_FATSEAM_NUMIDSに1と入力します。
  6. FATSEAMIDにFatSeam、PFATSMWIDにPFATSMW_7を選択します。
  7. Closeをクリックします。

荷重時刻歴の適用

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクLoad-Time Historyが選択されていることを確認します。
  2. Add by Fileをクリックします。
    Load Time Historyウィンドウが表示されます。
  3. Load-time history名にLTH1と入力します。
  4. Load-time historyタイプにCSVを選択します。
  5. Open load-time fileアイコンfiles_panelをクリックします。
    Open fileブラウザウィンドウが開きます。
  6. load1.csvを探して選択します。
  7. Open > Importをクリックします。
  8. Saveをクリックし、新しい荷重-時間履歴をHyperMeshデータベースに書き込みます。
  9. もう１つの荷重-時間履歴LTH2を load2.csvを読み込んで生成します。
  10. Plot L-Tをクリックし、荷重-時間履歴を表示させます。
  11. Load Time Historyウィンドウを閉じます。
  12. Applyをクリックします。
    これで現在の定義が保存され、Fatigue Analysisツリーの次のタスクLoading Sequencesに導かれます。


    図 7. 荷重時刻歴の定義
    注: RPC/RSPおよびDACファイルフォーマットはfpmでサポートされるようになっています。これには、HyperMesh Desktopアプリケーションをご使用ください。

荷重順序

このステップでは、2つの荷重時刻歴の1つのイベントが生成されます。言い換えれば、2つの荷重時刻歴で生じる応力の線形の重ね合わせが、解析の間に要求されたことになります。このイベントを用いて、1つの荷重順序が構成されます。
  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクLoading Sequencesが選択されていることを確認します。
  2. Addをクリックします。
    Loading Mappingウィンドウが開きます。
  3. ラジオボタンManualを有効にし、イベントの作成法はデフォルトのSingle Eventのままとします。
  4. +をクリックし、3つのサブケース、2つのチャンネルのシングルイベントを作成します。
  5. 新しく作成したイベントのSubcasesの下に、3つのサブケース（Front Torsional Stiffness、Rear Torsional Stiffness、Vertical Bending Stiffness）をドラッグ、ドロップしてください。
  6. 2 つのチャンネル（LTH1とLTH2）を 3つのサブケースにドラッグ、ドロップすると、下図のような荷重順序が作成されます。
  7. 最初のサブケース（Front Torsional Stiffness）にLTH1を、他の2つのサブケース（Rear Torsional StiffnessとVertical Bending Stiffness）にLTH2をドロップします。
  8. 3つのケースともLDMを0.1、Scaleを0.6に設定します。


    図 8. 荷重-時刻歴を静的サブケースと関連付けするための荷重マッピング
  9. Saveをクリックしてウィンドウを閉じ、選択されたサブケースとチャンネルを用いて疲労イベントを作成します。


    図 9. 荷重順序の定義

ジョブのサブミット

Fatigue Analysisツリーの中でSubmit Analysisタスクが選択されていることを確認します。

  1. AnalysisページからOptiStructパネルに入ります。
  2. input file欄に続くsave asをクリックします。
    Save Asダイアログが開きます。
  3. File nameに名称seamweld_frame_fat.femを入力します。
  4. Saveを2回クリックします。
  5. Run Optionにanalysisを選択します。
  6. Submitをクリックします。
    これでOptiStructが起動し、疲労解析が実行されます。
    ジョブが成功した場合、OptiStructモデルファイルが書かれたディレクトリに新しい結果ファイルがあるはずです。そのディレクトリに書かれるデフォルトのファイルは:
    seamweld_frame_fat.h3d
    静解析の結果と疲労解析の結果の両方の Hyper 3D バイナリ結果ファイル。
    seamweld_frame_fat.out
    ファイルのセットアップ、疲労問題のセットアップ、計算時間の情報などを含むOptiStruct出力ファイル。ワーニングやエラーもこのファイルで確認します。
    seamweld_frame_fat.stat
    解析のプロセスの間のそれぞれのステップでのCPU情報を提供する、解析のプロセスの要約。

結果のポスト処理

  1. Fatigue AnalysisツリーでタスクPost-processingが選択されていることを確認します。
    前のサブミットの後、疲労解析が正常に終了すると、自動的にこのタスクに入ります。
  2. FatigueサブケースにSelect Subcaseが選択されていることを確実にします。
  3. Result TypeとData Componentに、コンター表示したいデータをドロップダウンメニューから選択します。
  4. Load H3D Results (HV)をクリックします。
    これでHyperViewが起動し、seamweld_frame_fat.h3d結果ファイルが読み込まれます。これは、選択された結果タイプとコンポーネントについて、結果のコンターを適用します。より詳細な結果については、HyperViewを使用することができます。
  5. Exitをクリックし、Fatigue Process Managerをアンロードします。


    図 10. ポスト処理


    図 11. HyperViewでのダメージコンター