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技術コラム

【粒子法】Vol.19 摩擦撹拌接合(FSW)解析

2023年04月20日

粒子法流体解析ソフトウェアであるParticleworksを使用して、摩擦撹拌接合(FSW)解析を実施しました。

目的

摩擦撹拌接合を検証します。
以下を検証します。
　・温度分布、応力分布
　・ツールの接合速度や回転速度の依存性

解析形状

解析モデル

■流体物性値

本解析で用いる物性値は以下のとおりです[3]。

流体物性値

粘性係数は以下です[3]。（Appendix参照）

■移動定義

ツールの並進・回転条件

移動定義

■境界条件

剛体壁
　・熱物性（比熱、熱伝導率）は、液体と同じです。

剛体壁物性値

■その他

解析条件（その他）

※Case4-6は、時間刻みが粗く設定しているため、若干精度が落ちています。

重力方向

■計算機環境及び計算時間

以下の計算機を用いて解析を行いました。
　・OS : Windows 10 (64bit)
　・CPU : Intel Xeon E5-2637 v4 3.50GHz (4 スレッド計算)
　・メモリ : 64GB
　・GPU : NVIDIA Quadro GP100 (1GPU計算)
※計算負荷を下げる方法
　・粒子サイズ、物理時間、解析領域を小さくすると、計算時間が短くなります。

粒子数と計算時間

解析結果

■温度表示

回転速度を大きくすると、温度が上昇します。

Case1 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=500[ $rpm$ ]	Case2 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=750[ $rpm$ ]	Case3 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]

接合速度を大きくすると、若干温度が減少します。

Case4 $V$ =1.67[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]	Case5 $V$ =3.33[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]	Case6 $V$ =5.00[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]

■応力テンソル表示

応力
　・回転速度を大きくすると、応力が減少します。
　・接合速度を大きくすると、応力が上昇します。
　・[1]と同様の傾向です。

Case1 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=500[ $rpm$ ]	Case2 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=750[ $rpm$ ]	Case3 $V$ =1.00[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]

Case4 $V$ =1.67[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]	Case5 $V$ =3.33[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]	Case6 $V$ =5.00[ $m/s$ ] Ω=1000[ $rpm$ ]

考察

温度（下図：約42[s]での最大温度）
　・回転速度を大きくすると、温度が上昇します。
　・接合速度を大きくすると、若干温度が減少します。
　・[1]と同様の傾向です。

結論

摩擦撹拌接合を調べました。
以下を調べました。
　・温度分布
　・ツールの接合速度や回転速度の依存性

結果（温度）
　・回転速度を大きくすると、温度が上昇します。
　・接合速度を大きくすると、若干温度が減少します。

結果（応力）
　・回転速度を大きくすると、応力が減少します。
　・接合速度を大きくすると、応力が上昇します。

今後の課題

粒子法を用いて摩擦攪拌接合を解析できることがわかりました。

パラメータ比較
　・材料物性
　・ツールの移動条件
　　・回転速度、接合速度

検証する物理量・実験との比較
　・温度分布、応力分布

[From M.Kawahara]

使用ソフトウェア（Particleworks）

　・　流体解析ソフトウェア　Particleworks （パーティクルワークス）製品ページ
　　　https://www.sbd.jp/products/flow/particleworks.html

参考文献

[1] 家下輝也、生島一樹、宮坂史和、芝原正和、粒子法と有限要素法を用いたFSW力学解析手法の構築、溶接構造シンポジウム2017講演論文集（2017年12月）
[2] 宮坂史和、粒子法による摩擦撹拌接合現象のモデル化
　https://www.jstage.jst.go.jp/article/materia/54/9/54_54.444/_pdf/-char/ja
[3] 宮坂史和、粒子法を用いた粘弾性体の塑性流動解析-FSW（摩擦攪拌接合）シミュレーションモデルの開発-
　http://www-it.jwes.or.jp/technology/jisedai/2015-09.pdf
[4] 松下宗生、木谷靖、池田倫正、鉄鋼材料への摩擦攪拌接合（FSW）の適用性と接合部特性
　http://www.jfe-steel.co.jp/research/giho/034/pdf/034-15.pdf
[5] 藤井英俊、FSW（摩擦攪拌接合）-鉄鋼材料を中心に-
　https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjws/77/8/77_731/_pdf/-char/ja
[6] 大阪府立産業技術総合研究所、摩擦攪拌接合技術（FSW）
　http://tri-osaka.jp/technicalsheet/9001.PDF
[7] 摩擦攪拌接合について、愛産研ニュース 7 月号（2009.7）
　http://www.aichi-inst.jp/other/up_docs/no88_03.pdf
[8] A. Timesli, A. Moufki, H. Zahrouni, B. Braikat, H. Lahmam, Numerical model based on SPH method to simulate Friction Stir Welding
　https://www.researchgate.net/publication/242338720_Numerical_model_based_on_SPH_method_to_simulate_Friction_Stir_Welding
[9] A. Timesli, A. Moufki, H. Zahrouni, B. Braikat, H. Lahmam, Numerical model based on SPH method to simulate Friction Stir Welding (not English)
　https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00592694/document