Arc-welded structures are widely used in ship constructions, heavy industries, nuclear power plants etc. and the structural analysis of these arc-welded structures has been a key concern in the light of the structural integrity and quality control.
Material elements undergo a complex thermomechanical process combined with metallurgical phase transformation in welding, and this results in a substantial amount of residual deformation and stress in the welded structure. Therefore it is essential to analyze the welding process for accurate evaluation of structural integrity of welded structure. However, the process is a complex nonlinear process involving phase transformation, heat transfer, and time dependent finite strain thermoelastic plastic deformations, and so it requires an enormous amount of computing time to analyze the process, particularly for a three dimensional structure. To establish a fast and effective solution procedure, in this study we consider an efficient numerical implementation of finite element formulation of welding process, and explore the application of adaptive meshing technique and parallel computation.
We choose Leblond and Devaux[19] for the kinetic equations of phase transformation and Leblond et al[23, 24] for the constitutive equations in consideration of transformation plasticity for the formulation of welding processes. The kinetic equations and the constitutive model have drawn a great deal of attention in the welding community and adopted in the commercial code SYSWELD. We proposed an efficient formulation and implementation for the finite element analysis of welding processes including metallurgical phase transformation employed by the hyper-thermo-elasto-plastic formulation and multiplicative decomposition of deformation gradients. Furthermore, the closed form consistent tangent moduli for the formulation are derived and we demonstrate the accuracy and the efficiency of the present implementation by comparison to SYSWELD through some butt-welding examples. Finally we discuss the application of an adaptive meshing technique, wherin the moving heat source is traced with three-dimensional hypercubes, and the application of the parallel computation by parallel multi-frontal solver.
조선, 중공업, 원자력 발전소 등에 광범위하게 사용되는 아크 용접 구조물에 대해서 유한 요소법을 이용한 열 및 구조 해석은 구조물의 안정성 평가 및 설계에서 매우 중요하다.
특히 야금학적 상변태와 상변태시 발생하는 변태 소성은 해석의 정확성을 위해 반드시 고려되어야 하며 이러한 고려는 구성방정식의 복잡함, 재료의 비선형성 증가 등을 유발시키고 특히 3차원 거대 구조물의 경우 매우 많은 해석 수행 시간을 요구한다. 본 논문에서는 이러한 해석을 위한 효과적인 해석 방법에 대해서 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 Leblond and Devaux[19]의 상변태 진화 방정식과 Leblond et al[23, 24]의 구성 방정식을 사용하여 상변태와 변태 소성을 고려하였다. 이 모델들은 상용용접 전용 해석 코드인 SYSWELD에 채택되어 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 상변태 진화 방정식의 효과적인 해석을 위한 알고리즘과 변형 구배 텐서의 곱분해에 기반한 초탄소성적 수식화를 이용한 해석법을 제안하였으며 이 방법의 정확성과 빠른 해석 수렴 속도를 기존의 SYSWELD와 비교 검증하였다.
나아가서 용접 공정의 해석 수행시 요구되는 과도한 해석 시간을 줄이기 위하여 3차원 hypercube 요소를 이용한 용접 진행에 적응된 자동 격자 세분화법을 적용을 하였으며 이 방법을 장단점에 대하여 논하였다. 그리고 빠른 해석의 수행을 위하여 다중 프론탈 해법을 이용한 병렬처리 해법을 적용하고 이에 대한 해석 수행의 효율성 대해서 논하였다.
