2020 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification of uncertainty in ultimate strength of ship structure by developing integrated analysis system of construction, strength and reliability
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20H02375
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
生島 一樹 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80734003)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
辰巳 晃 大阪大学, 工学研究科, 助教 (60736487)
藤 公博 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80790716)
小森山 祐輔 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (90805110)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 船体建造工程 / 船体最終強度 / 信頼性解析 / 溶接力学解析 / 不確実性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は、理想化陽解法FEM(Finite Element Method: 有限要素法)に基づく高速大規模溶接変形解析システムの開発するために、熱弾塑性理論に基づき船体ブロックの建造を対象にした解析システムを構築した。構築手法では、Element Birth法を導入することで、溶接後の各部材間のギャップや目違いをモデル化した。理想化陽解法FEMは、従来手法に比べて圧倒的に大規模な非線形構造解析を実現しており、ここでは、本手法基づく溶接力学解析手法を導入し、更に、領域分割法によりGPU(Graphics Processing Unit: 画像処理装置)クラスタを用いて一層大規模な高速解析手法を構築した。また、本手法を使用して、2億自由度規模の溶接力学解析の試解析を実施し、本手法が船体ブロック規模の熱弾塑性解析を実施可能であることを示した。
加えて、本研究では溶接力学解析と最終強度解析を連携させることで、構造物の最終強度に及ぼす溶接組立の影響の明確化することを目標としていることから、実大の船体ブロック構造物の最終強度を解析するために、動的陽解法FEMに対してGPU並列化を導入した高速解法を構築した。構築したGPU並列化は、上記の理想化陽解法FEMの解析システムに動的陽解法FEMを導入する形で実装した。本手法を基礎的な動的弾塑性解析に適用し、本手法により大規模な動的弾塑性解析が高速に実行できることを確認した。
また、本研究の目標である溶接組立の最終強度への影響の明確化にアプローチするために、翌年度以降の検討に先立ち、基礎的な試験片において、溶接初期不整のバラツキを統計的手法を用いてモデル化し、最終強度への影響について評価を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度は、熱弾塑性理論に基づき船体ブロックの建造を対象にした解析システムを構築することを目標とした。これを実現するために、理想化陽解法FEMに基づく高速大規模溶接変形解析システムの開発を行った。建造工程においては多数の部品の溶接を考慮する必要があるため、その際に発生するギャップや目違いをElement Birth法を導入することでモデル化し、その影響について検討可能な手法を構築した。船体ブロック建造工程の解析においては、解析規模が膨大となることから、理想化陽解法FEMに対して、領域分割法によりGPUクラスタを用いて一層大規模な高速解析手法を構築した。また、本手法を使用して、2億自由度規模の溶接力学解析の試解析を実施し、本手法が船体ブロック規模の熱弾塑性解析を実施可能であることを示した。以上の研究開発を通して、理想化陽解法FEMによる船体ブロック建造工程の解析手法の構築を達成した。
加えて、本研究の目標である溶接力学解析と最終強度解析の連携による構造物の最終強度に及ぼす溶接組立の影響の明確化を達成するために、実大の船体ブロック構造物の最終強度解析を実行できる手法が必要である。ここでは、動的陽解法FEMに対してGPU並列化を導入した高速解法を構築し、基礎的な動的弾塑性解析に適用することで、本手法により大規模な動的弾塑性解析が高速に実行できることを確認できたことから、おおむね目標を達成したものと考えられる。
また、本研究の目標である溶接組立の最終強度への影響の明確化にアプローチするために、翌年度以降の検討に先立ち、基礎的な試験片において、溶接初期不整のバラツキを統計的手法を用いてモデル化し、最終強度への影響について評価を実施した。このように、当初の計画を一部前倒しして実行しており、本研究は全体として順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、2020年度に開発した大規模溶接力学解析手法を基に、構造最終強度に及ぼす溶接変形や残留応力の影響について検討可能な解析システムを構築する。本システムを構築するためには、ソリッド要素を用いて実施される溶接力学解析の結果を、最終強度解析で使用されるシェル要素モデル上に補間する必要があるため、シェル要素の積分点に対応するソリッド要素モデルの物理量を求める手法について検討する。
上記において構築する最終強度解析システムを用いて、溶接により製作される防撓構造の最終強度に及ぼす溶接組立の影響について検討する。まず、大規模溶接力学解析手法を用いて、対象とする防撓構造の溶接変形および残留応力分布に対する種々の溶接条件の影響について検討する。その後、最終強度解析において使用可能なシェル要素モデル上に、溶接変形および残留応力分布を補間し、最終強度を予測することにより、溶接組立の影響を考慮した解析を実施し、その影響について議論する。
数値解析によって得られる溶接条件が構造最終強度に及ぼす影響について検証するために、数値解析で対象とする防撓構造モデルと同等の試験体を製作し、可能であれば今年度中に最終強度試験を実施する。最終強度試験を実施する前に、初期不整に相当する溶接組立後の変形分布をステレオ画像法等により計測する。最終強度試験中においても変形分布を計測する予定である。今年度の試験実施が困難な場合は試験体のみ今年度中に先行して製作し、来年度に試験を実施する。
また、可能であれば、溶接条件のバラツキが最終強度に及ぼす影響について検討するために、信頼性解析を用いて議論するための基礎的な検討および調査を行う。
最終年度については、2021年度までの研究成果を統合し、信頼性解析の観点から船体ブロックを模擬した試験体において、船体建造に伴う最終強度のバラツキの明確化することを予定している。
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