Welding simulation is one of the most commonly used methods among all the types of simulations used in a shipyard. This is because the cost of reworking welding distortions significantly increases the construction cost of ships. In order to reduce the cost of the mitigation process, it is desirable to predict and subsequently avoid welding distortion. Currently, there are several methods that can predict the distortion of the welding, such as the equivalent load method based on the inherent strain, the strain as boundary condition (SDB) and composite shell method. However, those methods cannot be used for fillet welding used in multi-pass welding. Therefore, a new method to predict the welding distortion using layered shell elements for fillet joints, as well for butt joint has been developed. Based on the composite shell method, a solution was developed where the heat affected zone is divided into multiple layers in order to properly distribute the inherent strain throughout the thickness of the weld.
In this research, a simplified method using shell elements that can predict the multi-pass welding deformation for the butt and fillet welding process is presented. This new approach can analyze the effects of geometric factors, such as groove shape, number of passes and plate thickness for multi-pass welding, especially for large structures used in offshore systems. To calculate the distortion of the multi-pass welding, increase the productivity and reduce the computation time, the thickness of the part is divided into multiple layers. For each layer, a different thermal expansion coefficient is applied according to the circumstances of each welding pass. This approach makes it possible to calculate for both members of fillet joint simultaneously. The method is compared with 3D thermal elastic plastic analysis, existing methods, as well as with experimental results.
용접 시뮬레이션은 조선소에서 가장 일반적으로 사용되는 시뮬레이션 중 하나이다. 이는 선박 건조 과정에서 발생하는 용접 변형으로 인한 재작업 비용이 전체 공정 비용에 비해 무시할 수 없을 정도로 크기 떼문이다. 이러한 재작업 비용을 줄이기 위해서는 용접변형을 정확하게 예측하는 과정이 필수적이다. 고유변형률 기반 등가하중법, 변형률 경계법, 복합재 쉘 방법과 같이 용접 변형을 예측할 수 있는 몇몇의 방법이 개발되었다. 하지만 이러한 방법들은 다층용접에 대한 필렛 용접을 고려하지 않았기 때문에 본 연구에서는 필렛 이음부와 맞대기 용접부에 대해 적층 쉘 요소를 이용한 용접변형을 예측하는 새로운 방법론이 개발하였다. 본 연구에서는 복합재 쉘 방법을 기반으로 하며 두께가 고려된 고유변형률을 적절하게 분배하기 위해서 용접열영향부가 다층으로 나뉘어지는 해결책을 개발하였다. 이를 통해 맞대기 용접과 필렛 용접에 대한 다층용접 변형을 예측할 수 있는 쉘 요소를 적용한 간이 해석법을 제시하였다. 기본적으로 이 새로운 접근법은 특히 해양 구조물에서 자주 사용되는 대형 후판 구조물에 대한 그루브 형상, 층의 개수, 다층용접에서의 판 두께와 같은 기하학적 요소들의 영향을 다룰 수 있다. 다층용접의 영향을 고려하기 위해서 다층 (multiple layers)으로 나뉘어진 복합재 쉘 요소를 사용하였으며, 각 층에 대한 서로 다른 열팽창계수는 각 용접 층의 환경에 따라 적용되며 동시에 필렛 이음부에서의 보강재와 판의 변형에 대한 계산을 가능하게 한다. 본 연구에서 제시한 방법을 3차원 열탄소성 다층 용접해석, 기존의 방법, 실험결과와 비교함으로써 타당성을 확인하였다.
