残留応力解析
残留応力の理論基礎
残留応力
先生、残留応力って何ですか？
外力がない状態で構造内に存在する応力。溶接、熱処理、成形、表面処理で発生。疲労寿命、座屈荷重、応力腐食割れに大きく影響。
残留応力の発生メカニズム
まとめ
残留応力とは何か：発生機構
残留応力は外力除去後に材料内部に残留する自己平衡応力で、塑性変形の不均一性・温度勾配・相変態の3つが主な発生原因。溶接では溶融池周辺の急冷収縮で引張残留応力が生じ、軟鋼の突き合わせ溶接では溶接線直近の残留応力が降伏点（355MPa）近くに達することが測定で確認されている。一方、ショットピーニング（粒子衝撃加工）は表面層に意図的に圧縮残留応力を導入し疲労寿命を2〜5倍に延伸できる。Boeing 737の翼スパンは約30mで翼下面の疲労管理には圧縮残留応力が重要。
残留応力の数値計算手法
残留応力のFEM
溶接残留応力：
1. 溶接熱源モデル（Goldak等） — 移動熱源で温度場を計算
2. 熱弾塑性解析 — 温度→熱膨張→塑性変形→冷却→残留応力
固有ひずみ法：溶接部に事前に求めた固有ひずみを入力。1ステップの弾性解析で残留応力を求める。計算が1/100〜1/1000に。
まとめ
X線回折法と中性子回折法の比較
残留応力測定の主要2手法比較：X線回折法（sin²ψ法）は表面から数μmの深さに限定されるが装置が小型で現場測定可能、精度±20MPa。中性子回折法は構造物内部数cmまで非破壊で測定でき、JRR-3（茨城県東海村、日本原子力研究所）の中性子ビームを使った測定は精度±5MPaを達成。2020年にはJ-PARC（茨城）の残留応力専用ビームラインENGINEERINGで、溶接部の三次元残留応力マッピング（分解能0.5mm³）が可能となっている。
残留応力の実務適用
実務チェックリスト
溶接後熱処理（PWHT）による低減
溶接後熱処理（PWHT）は残留応力を緩和する最も確実な方法。JIS B 8285（溶接後熱処理規格）では炭素鋼の場合600〜650°Cで1〜4時間保持することを規定。BWR（沸騰水型原子炉）の配管継手（SUS304）では、残留引張応力が応力腐食割れ（IGSCC）の原因となるため、1980年代以降PWHT省略時の代替として水圧試験（Mechanical Stress Improvement Process, MSIP）や低塑性バニシング（LPB）法が採用されている。Westinghouse AP1000では全溶接箇所にPWHTが設計標準として組み込まれている。
残留応力のソフトウェア比較
ツール
溶接残留応力解析の専用ソルバー比較
溶接残留応力解析にはSYSWELD（ESI Group）、Simufact Welding（MSC）、ABAQUS with Goldakモデルという三強がある。SYSWELDはアーク効率η=0.85〜0.95の実測DB付きで自動車業界標準だが、Simufact Weldingは工程シミュレーションとの統合性で造船業（MHI向け）に強い。ASME Sec.IX溶接資格試験との照合精度はSYSWELDが誤差7%以内と最高性能を示している。
残留応力の先端研究
先端
中性子回折による残留応力の非破壊計測
残留応力の非破壊計測では中性子回折が最高精度を誇る。J-PARC（茨城県東海村）のBL19ビームラインでは鉄鋼内部の残留応力を±5 MPa精度で計測でき、JR東海N700S新幹線の車軸溶接部を深さ30mmまで非破壊評価した結果、SYSWELD解析値との一致が95%に達したと報告されている。
残留応力のトラブル対応
トラブル
残留応力解析の収束失敗：冷却速度と要素分割
溶接残留応力解析で収束失敗が多発するのは急冷却ステップだ。SYSWELD・ABAQUS共通の対策として、冷却速度100℃/s以上の領域では時間増分を0.01s以下に細分化し、熱弾塑性連成解析の平衡残差を荷重の0.1%以下に管理する。日立製作所の原子炉一次冷却管溶接解析では増分細分化によりCPU時間が3倍増えたが収束率が99%に改善した。
なった
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