CN107407606A - 残余应力推定方法及残余应力推定装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种残余应力推定方法及残余应力推定装置，前述残余应力推定方法及残余应力推定装置在不使残余应力的推定精度降低的情况下，能够抑制用于测量固有应变的切断片的选取数。在设想在结构物上固有应变在一个方向上相同地分布的情况下，使用者从在前述固有应变相同地分布的区域内被选取的切断片测量残余应力，将测量值向残余应力推定装置输入。残余应力推定装置使用被赋予的残余应力的测量值，推定结构物的与一个方向正交的解析面的固有应变的二维分布，将被推定的固有应变的二维分布向前述一个方向转印，推定结构物的固有应变的三维分布。

Description

残余应力推定方法及残余应力推定装置
技术领域
本发明涉及用于基于固有应变法来推定结构物的残余应力的残余应力推定方法及残余应力推定装置。
背景技术
在结构物处产生的残余应力有时成为疲劳裂纹等损伤的原因，准确地把握结构物的残余应力的分布较为重要。作为推定结构物的残余应力的方法，已知有使用固有应变法的方法(例如，参照专利文献1及2)。
在基于以往的固有应变法的残余应力的推定方法中，从结构物切出两种切断片，对各切断片测量弹性应变或残余应力，将被测量的切断片的弹性应变或残余应力的测量值应用于基于有限元法的反解析处理。在反解析处理中，使用分布函数用最小二乘法来近似固有应变，确定结构物的固有应变的分布，根据所得到的固有应变分布计算切断前的结构物的残余应力。
在专利文献1中，记载有如下内容：从结构物的试验片切出T片及L片的切断片，将T片及L片分别进一步切断来分割成多个小片，测量弹性(释放)应变。
专利文献1：日本特开2005-181172号公报。
专利文献2：日本特开2003-121273号公报。
从结构物选取切断片的作业非常烦杂，成本及作业时间也较多。此外，若测量对象的切断片变多，则容易包括形状的误差、加工误差、测量误差，导致残余应力的推定精度的下降。另一方面，若切断片的选取数过少，则弹性应变或残余应力的测量数不充分，不能高精度地推定结构物的残余应力。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而作出的，其主要目的在于，提供能够解决上述问题的残余应力推定方法及残余应力推定装置。
为了解决上述问题，本发明的一个方案的残余应力推定方法具有以下步骤：取得测量值的步骤，前述测量值与从切断片测量的残余应力相关，前述切断片在设想在结构物上固有应变在一个方向上相同地分布的情况下，在前述固有应变相同地分布的区域内被选取；基于被取得的前述测量值，推定前述结构物的与前述一个方向交叉的方向的固有应变的二维分布的步骤；推定固有应变的三维分布的步骤，以被推定的前述固有应变的二维分布在前述一个方向上连续的方式，推定前述结构物的固有应变的三维分布。
在该方案中，也可以是，在前述取得测量值的步骤中，将在前述切断片的与前述一个方向交叉的方向上被切断的切断面上被测量的弹性应变或残余应力作为前述测量值来取得。
此外，在上述方案中，也可以是，在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在多个计算点在3维上排列地配置的前述结构物的3维模型中，将与前述一个方向交叉的一个面的各计算点的前述固有应变的推定值，转印至与前述一个方向交叉的其他面的各计算点。
此外，在上述方案中，也可以是，在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述其他面上存在未被转印固有应变的推定值的计算点时，在将前述一个面重叠于前述其他面的情况下，基于未被转印前述固有应变的推定值的计算点的周围的前述一个面的固有应变，填补前述计算点的固有应变。
此外，在上述方案中，也可以是，在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述计算点的周围设定探索区域，在前述探索区域内存在被重叠于前述其他面的前述一个面的计算点的情况下，基于前述探索区域内的前述一个面的计算点的固有应变的推定值，填补前述固有应变未被转印的计算点的固有应变。
此外，在上述方案中，也可以是，在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述探索区域内不存在重叠于前述其他面的前述一个面的计算点的情况下，重新设定比前述探索区域大的探索区域。
此外，本发明的一技术方案的残余应力推定装置具备输入部、第1推定机构、第2推定机构、显示部，前述输入部接收测量值的输入，前述测量值与从切断片测量的残余应力相关，前述切断片在设想在结构物上固有应变在一个方向上相同地分布的情况下，在前述固有应变相同地分布的区域内被选取，前述第1推定机构基于被前述输入部接收的前述测量值，推定前述结构物的与前述一个方向交叉的方向的固有应变的二维分布，前述第2推定机构以被前述第1推定机构推定的前述固有应变的二维分布在前述一个方向上连续的方式，推定前述结构物的固有应变的三维分布，前述显示部显示基于被前述第2推定机构推定的固有应变的三维分布的残余应力的推定结果。
根据本发明，能够在不使残余应力的推定精度下降的情况下，抑制用于测量弹性应变、或者残余应力的切断片的选取数。
附图说明
图1是表示本发明的残余应力推定装置的一实施方式的结构的框图。
图2是表示曲柄轴的结构的侧视图。
图3是用于说明相对于曲柄轴的塑性加工的放大侧视图。
图4A是表示轴颈轴（ジャーナル軸）的加工范围的剖视图。
图4B是表示销轴的加工范围的剖视图。
图5是表示本发明的残余应力推定方法的一实施方式的流程的流程图。
图6是用于说明从结构物选取的切断片的一例的立体图。
图7是用于说明C片的选取的轴颈轴的剖视图。
图8是用于说明切断片的残余应力测量的一例的概略图。
图9是用于说明解析面的固有应变向周向的转印的立体图。
图10是用于说明某转印面的固有应变的填补的概略图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行说明。
本实施方式的残余应力推定装置在设想在一个方向上固有应变相同地分布的情况下，推定与结构物的一个方向正交的面的固有应变的二维分布，将被推定的固有应变的二维分布转印到与一个方向正交的其他面，推定结构物的固有应变的三维分布，基于固有应变的三维分布，推定结构物的残余应力。
[残余应力推定装置的结构]
残余应力推定装置1通过微型计算机10来被实现。如图1所示，微型计算机10具备主体11、输入部12、显示部13。主体11具备中央处理器111、只读存储器112、随机存储器113、硬盘115、读取装置114、输入输出接口116、及图像输出接口117，中央处理器111、只读存储器112、随机存储器113、硬盘115、读取装置114、输入输出接口116、及图像输出接口117通过总线被连接。
中央处理器111能够执行被加载于随机存储器113的微型计算机程序。并且，该中央处理器111执行作为残余应力推定用的微型计算机程序的残余应力推定程序110，由此微型计算机10作为残余应力推定装置1发挥功能。残余应力推定程序110是基于有限元法的反解析处理程序，能够推定结构物的固有应变的分布状况。
只读存储器112由掩模型只读存储器、可编程序只读存储器、电可编程序只读存储器、或电可擦可编程序只读存储器等构成，记录有被中央处理器111执行的微型计算机程序及被用于其的数据等。
随机存储器113由静态随机存取存储器或动态随机存取存储器等构成。随机存储器113被用于被记录于硬盘115的残余应力推定程序110的读取。此外，在中央处理器111执行微型计算机程序时，作为中央处理器111的作业区域被利用。
在硬盘115上安装有操作系统及应用程序等用来使中央处理器111执行的各种微型计算机程序、以及用于该微型计算机程序的执行的数据。残余应力推定程序110也被安装于该硬盘115。
在硬盘115上，安装有例如美国微软公司制造销售的Windows(注册商标)等操作系统。在以下的说明中，涉及本实施方式的残余应力推定程序110在该操作系统上动作。
读取装置114由软盘驱动器、光盘只读存储器驱动器、或数字通用盘只读存储器驱动器（DVD-RAM drive）等构成，能够读取被记录于移动式记录媒体120的微型计算机程序或数据。在移动式记录媒体120上，储存有用于使微型计算机作为残余应力推定装置来发挥功能的残余应力推定程序110，微型计算机10从该移动式记录媒体120读取残余应力推定程序110，能够将该残余应力推定程序110安装于硬盘115。
输入输出接口116由例如USB、IEEE1394、或RS-232C等串行接口、SCSI、IDE、或IEEE1284等并行接口、及由D/A转换器、A/D转换器等构成的模拟接口等构成。在输入输出接口116上连接有由键盘及鼠标构成的输入部12，使用者使用该输入部12，由此能够向微型计算机10输入数据。
图像输出接口117被连接于由LCD或CRT等构成的显示部13，将与从中央处理器111被施加的图像数据对应的映像信号向显示部13输出。显示部13根据被输入的映像信号来显示图像(画面)。
[基于固有应变法的残余应力推定的原理]
(1)使用固有应变的残余应力的计算
若将固有应变设为ε0，则残余应力σ如下式所示。
σ＝D(ε-ε0) …(1)
其中，D是弹性系数矩阵，ε是下式的关系的总应变。
【公式1】
然后，在已知固有应变的情况下，残余应力被如下所述地求出。
根据式(2)及(3)，给出以下公式。
【公式2】
若对式(4)求解来求出u，则从式(3)及(1)得到残余应力。
(2)使用测量残余应力的固有应变的计算
将N个测量残余应力表示为σm。与其对应，将从固有应变求出的N个计算残余应力设为σc，将与测量残余应力的残差R用以下公式来定义。
【公式3】
此外，通过将任意点的固有应变设为M个分布函数参数a，来用下面的线形函数来表示。
【公式4】
这里，M是坐标的函数，关于坐标也可以是非线形的。
若根据式(8)确定固有应变，测量残余应力通过上述(1)的方法求出，其结果由如下所述的线形的关系式得到。
【公式5】
然后，将式(9)代入式(7)，若以R为最小的方式确定a，则确定测量残余应力和测量点的计算残余应力的误差最小的固有应变分布。
[残余应力推定装置的动作]
以下，对本实施方式的残余应力推定装置1的动作进行说明。
残余应力推定装置1执行如以下说明的残余应力推定处理，推定结构物的残余应力。
结构物通过塑性加工来形成。这里，作为结构物的一例，对曲柄轴进行说明。曲柄轴200如图2所示，构成为轴颈轴201和销轴203借助曲柄臂202被连接。轴颈轴201和曲柄臂202的连接部位、及销轴203和曲柄臂202的连接部位在使用时容易产生较大的应力。若在这些连接部位的内部产生拉伸残余应力，则能够成为疲劳裂纹等损伤的原因。为了提高疲劳寿命，辊加工或喷丸硬化等塑性加工被施加于上述连接部位，导入压缩残余应力。
图3是用于说明对于曲柄轴的塑性加工的图。在图3中，表示了辊加工的情况。在辊加工中，在辊300被推压至轴颈轴201(或销轴203)和曲柄臂202的连接部位的状态下，轴颈轴201旋转。由此，在连接部位上形成圆角204，以在轴颈轴201的周向上相同地分布的方式施加压缩残余应力。
对于轴颈轴201，遍及整周地实施辊加工，相对于销轴203，对于周向的一部分实施辊加工。如图4A所示，在轴颈轴201上遍及整周的环状的加工范围210上，被实施辊加工。因此，在轴颈轴201上遍及整周地形成圆角204。另一方面，如图4B所示，在销轴203上在180°的加工范围220内实施辊加工。因此，在销轴203上在180°的范围形成圆角204。
关于如上述那样压缩残余应力在一个方向上被相同地施加的结构物，使用残余应力推定装置1来推定残余应力。图5是表示本实施方式的残余应力推定方法的流程的流程图。
使用者将结构物切断加工来选取切断片，从切断片测量残余应力(步骤S1)。具体地，将结构物在一个方向上较薄地切断来选取切断片(T片)，在与前述一个方向正交的方向上切断来选取切断片(L片)。
这里，残余应力是对弹性应变乘以杨氏模量所得到的值，测量弹性应变和测量残余应力是等价的。因此，也可以从切断片测量弹性应变及残余应力的某一个。在本实施方式中，对测量残余应力的情况进行说明。
如图6所示，在被在周向上相同地施加有压缩残余应力的轴颈轴或销轴那样的轴对称的结构物的情况下，T片通过在半径方向上切断来得到。若固有应变在周向上相同地分布，则即使在周向上的哪个部分得到T片，固有应变也不变。因此，可以仅选取一个T片。由此，能够使T片的选取数变少，所以能够减轻切断加工及切断片的残余应力测量的作业负担。
另一方面，关于轴长方向，固有应变的分布复杂。因此，需要在轴长方向的多个部位上选取L片。
另外，如曲柄轴的圆角部那样具有曲面的情况下，也可以不选取L片，而是选取沿曲面的法线方向切断的圆锥形状的切断片(以下称作“C片”)。此外，也可以不选取L片及C片，而是仅选取T片。在图7中，各图是将轴颈轴在旋转轴轴长方向上切断时的剖视图。C片500是在圆角的曲面的法线方向上、即在截面上沿圆弧状的圆角的半径方向将结构物切断而得到的。轴颈轴是轴对称形状，所以C片500的切断面501绕轴颈轴的旋转中心轴圆锥状地延伸。该C片改变圆角的中心角来选取多个点(例如从20°至110°每隔10°来选取)。
此外，相对于在一个方向上较长的棒状的结构物，被在长度方向上相同地施加压缩残余应力的情况下，能够在长度方向的一个部位上仅选取一个T片。
使用者相对于如上所述地选取的切断片，借助X射线等直接测量残余应力。在测量弹性应变的情况下，使用者将应变仪贴在切断片上，进而切断成多个小片，测量各小片的释放应变(弹性应变)。在残余应力或释放应变(弹性应变)的测量中，测量互不相同的多个成分。
在图8中，表示了在轴颈轴(或销轴)的圆角部的T片处测量残余应力的例子。T片400具有与轴颈轴(或销轴)的周向正交的切断面401，使用者测量在该切断面401上互相正交的r方向及z方向的各成分σr及σz。一般地，在T片处测量这两个成分，在L片(或C片)处也测量互相正交的两个方向成分。
再参照图5。使用者将切断片的残余应力向残余应力推定装置1输入。残余应力推定装置1的中央处理器111收到被从输入部12输入的切断片的残余应力(步骤S2)。
接着，中央处理器111确定固有应变的分布函数(步骤S3)。作为分布函数，能够选择任意的多次多项式或三角级数。该情况下，可以是中央处理器111自动地选择分布函数，也可以是使用者使用输入部12来指定所希望的分布函数。此外，也可以在残余应力推定装置1处，预先设定分布函数。
在步骤S3中被确定的分布函数用于推定在一个方向上固有应变相同地分布的结构物的固有应变。具体地，是用于表现与轴颈轴(或销轴)的周向正交的截面上的固有应变的二维分布的分布函数。因此，不使用用于表现周向的固有应变的分布的分布函数。
接着，中央处理器111使分布函数的参数最佳化(步骤S4)。以下，对步骤S4的处理具体地说明。
中央处理器111首先确定式(9)的H。其流程如下所述。
(a)设a＝[1，0，0，…，0]T，求出ε0＝Ma。
(b)求解式(4)，求出u。
(c)根据式(3)求出ε。
(d)根据式(1)求出σ。
(e)从σ的成分中抽取与残余应力测定点对应的N个值，设其为H的第1列。
(f)设a＝[0，1，0，…，0]T，H的第2列也同样地通过(b)~(f)的流程求出。
接着，中央处理器111以式(7)的R最小的方式来确定a。由此，使分布函数的参数最佳化。
进而，中央处理器111算出在结构物处与固有应变同样地分布的方向正交的解析面的固有应变的二维分布(步骤S5)。
在步骤S5的处理中，在将曲柄轴的销轴和曲柄臂的连接部分作为解析对象的情况下，与销轴的周向正交的面为解析面。中央处理器111根据式(8)来求出解析面的任意的点的固有应变。
接着，中央处理器111将被算出的解析面的固有应变的二维分布转印至周向(固有应变相同地分布的方向)(步骤S6)。此时，中央处理器111在解析对象为轴颈轴的情况下，在360°的范围将固有应变转印，在销轴的情况下，在180°的范围内将固有应变转印。由此，能够适合于实际的加工范围来转印固有应变。
步骤S6的处理如图9所示，在被在假想的3维空间构筑的结构物的3维模型(解析模型)处被执行。解析模型构成为多个立体要素(4面体、6面体等)排列。这里，在立体要素的重心点设置计算点。在图9中，在解析面501上的计算点a~e的每一个，赋予固有应变的推定值。考虑相对于从解析面501绕作为旋转中心的z轴隔开θ的转印面502，转印固有应变的情况。中央处理器111对于与计算点a~e对应的转印面上的计算点a’~e’，转印计算点a~e的各自的固有应变的推定值。即，使计算点a’~e’的固有应变的值与计算点a~e的各自的固有应变的值相同。中央处理器111遍及转印范围(轴颈轴的情况为360°，销轴的情况为180°)来执行这样的处理。
另外，在解析对象为在直线方向上被同样地施加压缩应力的结构物的情况下，中央处理器111将与前述直线方向正交的解析面的固有应变的二维分布转印至前述直线方向。
接着，中央处理器111在解析模型中存在固有应变不被转印的点(以下称作“缺损点”)的情况下，填补缺损点的固有应变(步骤S7)。
用图10来说明步骤S7的处理。在图10中，在转印面502上的计算点P为缺损点的情况下，中央处理器111设定以缺损点P为中心的圆形的探索区域503。
中央处理器111使解析面501绕z轴以θ移动，在使解析面501重叠于转印面502时，判定探索区域503中是否存在解析面501的计算点。在探索区域503中存在解析面501的计算点的情况下，中央处理器111根据该计算点的固有应变的推定值来填补缺损点的固有应变。对于固有应变的填补，能够利用公知的内插法、外插法、或其他推定方法。例如，能够将缺损点的最附近的计算点的固有应变的推定值设为缺损点的固有应变的推定值(最附近插值)。此外，计算点为2以上被探索的情况下，可以使用样条插值、多项式插值、线形插值等(外插法也一样)，也可以将各计算点的固有应变的推定值平均。
另外，在步骤S7的处理中，可以至少探索1个计算点，也可以探索多个计算点。
在探索区域503上，在不存在解析面501的计算点的情况下，中央处理器111设定大一圈的新的探索区域来探索计算点。之后，中央处理器111在计算点被探索为止，依次设定较大的探索区域。
在步骤S7中，若全部的缺损点的固有应变被填补，则中央处理器111算出残余应力的推定值(步骤S8)。
在步骤S8的处理中，中央处理器111在各点，从固有应变求解式(4)来求出u，将所得到的u应用到式(3)来求出ε，将所得到的ε应用到式(1)来求出σ。
接着，中央处理器111使显示部13显示所得到的残余应力的推定值(步骤S9)。
在步骤S9之后，中央处理器111结束处理。
通过如上那样地构成，关于在一个方向(绕轴的周向或直线方向等)上残余应力相同地分布的结构物，能够在不使残余应力的推定精度下降的情况下，减少用于测量固有应变的切断片的选取数。
(其他实施方式)
另外，在上述的实施方式中，对推定被塑性加工的结构物的残余应力进行了说明，但不限于此。对被施加焊接或热处理等塑性加工以外的加工而在一个方向上固有应变同样地存在的结构物，也能够同样地推定残余应力。
此外，在上述实施方式中，对如下方案进行了记述，但不限于此，所述方案是，从结构物的切断片测量残余应力，以被测量的残余应力和通过分布函数被计算的残余应力的差最小的方式，使分布函数的参数最佳化。也可以是如下方案：从结构物的切断片测量释放应变(弹力应变)，以使被测量的释放应变和通过分布函数被计算的弹性应变的差最小的方式，使分布函数的参数最佳化。
产业上的可利用性
本发明的残余应力推定方法及残余应力推定装置为，作为用于基于固有应变法来推定结构物的残余应力的残余应力推定方法及残余应力推定装置是有用的。
本申请是基于2015年3月5日申请的日国专利申请(特愿2015-043082)而作出的，将其内容作为参照加入于此。
附图标记说明
1　 残余应力推定装置
10　 微型计算机
12　 输入部
13　 显示部
110　残余应力推定程序
111　中央处理器
115　硬盘
116　输入输出接口
117　图像输出接口
200　曲柄轴(结构物)
400　T片(切断片)
401　切断面
500　C片(切断片)
501　切断面
503　探索区域。

Claims (7)

1.一种基于固有应变的残余应力推定方法，其特征在于，
具有以下步骤：
取得测量值的步骤，前述测量值与从切断片测量的残余应力相关，前述切断片在设想在结构物上固有应变在一个方向上相同地分布的情况下，在前述固有应变相同地分布的区域内被选取；
基于被取得的前述测量值，推定前述结构物的与前述一个方向交叉的方向的固有应变的二维分布的步骤；
推定固有应变的三维分布的步骤，以被推定的前述固有应变的二维分布在前述一个方向上连续的方式，推定前述结构物的固有应变的三维分布。
2.如权利要求1所述的残余应力推定方法，其特征在于，
在前述取得测量值的步骤中，将在前述切断片的与前述一个方向交叉的方向上被切断的切断面上被测量的弹性应变或残余应力作为前述测量值来取得。
3.如权利要求1或2所述的残余应力推定方法，其特征在于，
在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在多个计算点在3维上排列地配置的前述结构物的3维模型中，将与前述一个方向交叉的一个面的各计算点的前述固有应变的推定值，转印至与前述一个方向交叉的其他面的各计算点。
4.如权利要求3所述的残余应力推定方法，其特征在于，
在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述其他面上存在未被转印固有应变的推定值的计算点时，在将前述一个面重叠于前述其他面的情况下，基于未被转印前述固有应变的推定值的计算点的周围的前述一个面的固有应变，填补前述计算点的固有应变。
5.如权利要求4所述的残余应力推定方法，其特征在于，
在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述计算点的周围设定探索区域，在前述探索区域内存在被重叠于前述其他面的前述一个面的计算点的情况下，基于前述探索区域内的前述一个面的计算点的固有应变的推定值，填补前述固有应变未被转印的计算点的固有应变。
6.如权利要求5所述的残余应力推定方法，其特征在于，
在前述推定固有应变的三维分布的步骤中，在前述探索区域内不存在重叠于前述其他面的前述一个面的计算点的情况下，重新设定比前述探索区域大的探索区域。
7.一种残余应力推定装置，其特征在于，
具备输入部、第1推定机构、第2推定机构、显示部，
前述输入部接收测量值的输入，前述测量值与从切断片测量的残余应力相关，前述切断片在设想在结构物上固有应变在一个方向上相同地分布的情况下，在前述固有应变相同地分布的区域内被选取，
前述第1推定机构基于被前述输入部接收的前述测量值，推定前述结构物的与前述一个方向交叉的方向的固有应变的二维分布，
前述第2推定机构以被前述第1推定机构推定的前述固有应变的二维分布在前述一个方向上连续的方式，推定前述结构物的固有应变的三维分布，
前述显示部显示基于被前述第2推定机构推定的固有应变的三维分布的残余应力的推定结果。
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