JP2001324432A - Method for predicting creep life of equipment under narrow-band random stress variation and narrow-band random temperature variation - Google Patents

Method for predicting creep life of equipment under narrow-band random stress variation and narrow-band random temperature variation

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JP2001324432A
JP2001324432A JP2000140419A JP2000140419A JP2001324432A JP 2001324432 A JP2001324432 A JP 2001324432A JP 2000140419 A JP2000140419 A JP 2000140419A JP 2000140419 A JP2000140419 A JP 2000140419A JP 2001324432 A JP2001324432 A JP 2001324432A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for predicting a creep life, when both narrow- band random stress variations and narrow-band random temperature variations are applied on equipment. SOLUTION: In the method for predicting the creep life of equipment under random stress variations and random temperature variations for obtaining the probability density function of the amount of damage accumulation, on the basis of a Robinson damage sum and to predict the life of the equipment on the basis of the probability density function, (1) a damage coefficient which expresses the amount of damage per unit time is approximated by a linear expression, when the random stress variations and random temperature variations lie within narrow bands, and (2) the random stress variations σ(t)(instant) are expressed by the sum of a time mean value σ(t)(mean) and probability amount of variations σ', and the random temperature variations θ(t)(instant) are expressed by the sum of a time mean value θ(t)(mean) and a probability amount of variations θ'(t).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、工業用のガス機
器等の寿命を予測する方法に関するものであり、更に詳
細には、ガス機器の部品等の損傷過程を確率過程として
取り扱うことによってガス機器等のクリープ寿命を予測
する方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for predicting the life of an industrial gas appliance or the like, and more particularly, to a gas appliance by treating a damage process of a gas appliance component or the like as a stochastic process. And other methods for predicting creep life.

【0002】[0002]

【従来の技術】工業炉をはじめとする高温用のガス機器
材料には、点検の時期や方法に関する共通の基準はな
く、機器の用途に応じた対策が行われている。これらの
機器は、高温や腐食など熱的・化学的に厳しい環境で使
用されることが多く、全く同じ仕様の機器でも利用者に
よって機器に対する負荷が異なり、機器の被る損傷の蓄
積速度や機器寿命比較的に大きなばらつきが生ずる。こ
の問題に対処するためには、機器の部品の状態を詳細に
監視する方法が考えられるが、センサーの動作環境や設
置場所の制限、監視に要するコスト増加などの問題が生
じるため、実用可能な技術がほとんどないのが現状であ
る。
2. Description of the Related Art High-temperature gas equipment materials such as industrial furnaces do not have a common standard for inspection timing and method, and countermeasures are taken according to the use of the equipment. These devices are often used in thermally and chemically harsh environments such as high temperatures and corrosion.Even if the devices have exactly the same specifications, the load on the devices differs depending on the user, and the accumulation speed of damage to the devices and the life of the devices A relatively large variation occurs. To address this problem, a method of monitoring the state of the components of the device in detail is conceivable.However, there are problems such as limitations on the operating environment of the sensor and installation location, and an increase in the cost required for monitoring. At present there is little technology.

【0003】特に、実働条件下のガス機器では、機器の
操業スケジュールに伴う起動と停止の繰り返しや、被加
熱物等との熱伝達量のばらつきが生じ、材料には比較的
に熱応力などの負荷応力のピーク値がランダムに変動す
る狭帯域ランダム応力変動や、温度の負荷温度のピーク
値がランダムに変動する狭帯域ランダム温度変動が加わ
る。ここで、狭帯域とは熱応力の負荷応力又は温度の負
荷温度のピーク値におけるばらつきが比較的に狭い範囲
であるという意味である。また、高温のガス機器では、
クリープ変形による損傷が起こると考えられる。クリー
プ変形とは、ある材料において絶対温度における融点の
半分以上の温度の下で一定の大きさの応力が作用すると
き、歪みが時間ととも増加することによっておこる変形
である。このため、高温のガス機器開発では、実働条件
下の負荷変動によって引き起こされるクリープ変形によ
る損傷蓄積を評価することが可能な損傷評価技術の開発
が必要とされている。
[0003] In particular, in gas equipment under actual operating conditions, the starting and stopping of the equipment are repeated according to the operation schedule of the equipment, and the amount of heat transfer with an object to be heated is varied. Narrow band random stress fluctuation in which the peak value of the load stress fluctuates randomly, and narrow band random temperature fluctuation in which the peak value of the temperature of the load fluctuates randomly. Here, the narrow band means that the variation in the peak value of the applied stress of the thermal stress or the applied temperature of the temperature is relatively narrow. In high temperature gas appliances,
It is considered that damage due to creep deformation occurs. Creep deformation is a deformation caused by an increase in strain with time when a certain amount of stress is applied to a material at a temperature equal to or more than half the melting point at an absolute temperature. For this reason, in the development of high-temperature gas appliances, it is necessary to develop a damage evaluation technique capable of evaluating damage accumulation due to creep deformation caused by load fluctuation under actual operating conditions.

【0004】このような、損傷評価技術として、材料の
損傷過程を確率過程として取り扱う方法が知られてい
る。その方法においては次の2種類の方法が知られてい
る。
[0004] As such a damage evaluation technique, a method of treating a damage process of a material as a stochastic process is known. The following two types of methods are known.

【0005】第1の方法は、材料中のき裂の進展を確率
過程として取り扱うもので、さらに、損傷発展のモデル
中の不規則性の要因として、き裂進展抵抗を採用した研
究と、負荷応力の不規則性を採用した研究に分類するこ
とが可能である。これらは、不規則性の原因によらず基
本的にクラック進展を表す決定論的方程式であるPais則
の一部に不規則性の源であるランダム項を取り入れ、確
率微分方程式とすることによって損傷発展のモデルを構
築している。
[0005] The first method treats crack propagation in a material as a stochastic process, and furthermore, studies using crack propagation resistance as a factor of irregularity in a model of damage development, and research on load application. It can be categorized into studies employing stress irregularities. These are damaged by introducing a random term, which is the source of the irregularity, into a part of the Pais rule, which is basically a deterministic equation that expresses crack propagation regardless of the cause of the irregularity, and forming it as a stochastic differential equation. Build a model of development.

【0006】第2の方法は、連続体損傷力学の概念に基
づくもので、変動荷重や、マイクロクラックなどの発生
による微視的な材料特性の時間的、空間的変動が、材料
強度の巨視的な特性の変化に与える影響を定式化し、損
傷の発展を記述する方法である.この方法は、巨視的特
性から定義が可能な損傷パラメータを取り扱うことか
ら、実用的な方法の一つである。
[0006] The second method is based on the concept of continuum damage mechanics, in which the temporal and spatial variations of microscopic material properties due to the occurrence of fluctuating loads and microcracks are caused by macroscopic changes in material strength. It is a method of formulating the effect on the change of various characteristics and describing the evolution of damage. This method is one of practical methods because it deals with damage parameters that can be defined from macroscopic characteristics.

【0007】上記方法の代表的な例として、Silberschm
idtによる研究がある。この研究では、ランダムに変動
する短軸引張り荷重(Iモード)の損傷蓄積に対して非線
形のランジュバン方程式
As a typical example of the above method, Silberschm
There is a study by idt. In this study, the nonlinear Langevin equation for the damage accumulation of randomly varying short-axis tensile loads (I-mode) was

【数1】 を与えた。ここでf(p)は、モードI損傷に対する決定論
的方程式の右辺
(Equation 1) Gave. Where f (p) is the right-hand side of the deterministic equation for mode I damage

【数2】 L(t)は確率項、A、B、C、Dは実験値であり、g(p)は、確
率項の強度がある時刻における損傷の蓄積度に比例する
と仮定してモデル化されている。また、Silberschmidt
の解析においては、非線形ランジュバン方程式を数値的
に解くことにより応力変動強度の変化に対するPDFの定
性的な変化を示し、応力変動がある場合に起る材料の短
命化に関する経験的事実を計算によって示している。
(Equation 2) L (t) is a probability term, A, B, C, and D are experimental values, and g (p) is modeled assuming that the strength of the probability term is proportional to the degree of damage accumulation at a given time . Also, Silberschmidt
The numerical analysis of the nonlinear Langevin equation shows the qualitative change of the PDF with respect to the change of the stress fluctuation strength, and the calculation shows the empirical facts about the shortening of the material life caused by the stress fluctuation. ing.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述す
る機器クリープ寿命の予測方法には、次のような問題点
がある。すなわち、第1の方法によってガス機器のクリ
ープ寿命を予測する場合、基本的にクラックの進展を基
にして計算するため、機器のうちクラックが形成されや
すい場所を決定する必要がある。このとき、一般的に、
機器のうち応力が集中しやすい場所を基にして、クラッ
クが発生しやすい場所を決定する。しかしながら、生産
現場で稼動するガス機器を構成する部品は形状が複雑で
あるため、機器のうちクラックを生じやすい場所を予測
することが困難な場合が多い。また、ガス機器を構成す
る部品は形状が複雑であることによって、クラックが形
成される場所によって、破壊に至るまでのプロセスが大
きく異なる場合がある。さらに、クラックが形成された
場合において、その状況を詳細に測定しなければならな
いが、ガス機器を構成する部品は形状が複雑であるた
め、それを詳細に測定することは困難である。
However, the above-described method for estimating the creep life of equipment has the following problems. That is, when estimating the creep life of a gas appliance by the first method, since the calculation is basically based on the progress of the crack, it is necessary to determine a place where the crack is easily formed in the appliance. At this time, generally,
A location where cracks are likely to occur is determined based on a location where stress is likely to be concentrated in the equipment. However, since the components constituting the gas equipment operating at the production site have complicated shapes, it is often difficult to predict a place where cracks are likely to occur in the equipment. Further, since the components constituting the gas appliance are complicated in shape, the process up to destruction may greatly differ depending on the place where the crack is formed. Furthermore, when a crack is formed, the situation must be measured in detail, but it is difficult to measure the situation in detail because the components constituting the gas appliance have a complicated shape.

【0009】以上のことから、生産現場で稼動するガス
機器のクリープ寿命を高い精度で予測する場合に、サイ
ズや位置の明確なクラックとして直接計算することによ
って、基本的にクラック進展を表す決定論的方程式であ
るParis則の一部に不規則性の源であるランダム項を取
り入れ、確率微分方程式とすることによって損傷発展の
モデルを構築することは困難な場合が多い。
[0009] From the above, when predicting the creep life of gas equipment operating at a production site with high accuracy, determinism basically representing crack propagation by directly calculating as a clear crack having a clear size and position. It is often difficult to construct a model of damage evolution by incorporating a random term, which is a source of irregularity, into a part of the Paris rule, which is a statistical equation, and forming a stochastic differential equation.

【0010】また、第2の方法のうちSilberschmidtの
方法よってガス機器のクリープ寿命を予測する方法で
は、クラックの進展を考慮する必要がないという利点が
あるが、温度変動する場合については何ら触れておら
ず、その影響については評価できない。従って、温度変
動がある場合ではクリープ寿命を正確に予測することが
できない。しかしながら、ガス機器では、通常、応力の
みではなく温度も変動する場合が多く、その場合には適
用できないという問題があった。従って、この方法によ
ってガス機器の寿命を正確に予測することは困難であ
る。
In the second method, the method of predicting the creep life of gas equipment by the method of Silberschmidt has the advantage that it is not necessary to consider the progress of cracks. However, there is no mention of the case where the temperature fluctuates. No, its impact cannot be evaluated. Therefore, the creep life cannot be accurately predicted when there is a temperature fluctuation. However, in gas appliances, usually, not only the stress but also the temperature often fluctuates, and in such a case, there is a problem that the gas appliance cannot be applied. Therefore, it is difficult to accurately predict the life of gas appliances by this method.

【0011】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものである。すなわち、その課題とするところは、
材料の損傷過程を確率過程として取り扱うときに、変動
荷重や、マイクロクラックなどの発生による微視的な材
料特性の時間的、空間的変動が、材料強度の巨視的な特
性の変化に与える影響を定式化し、損傷の発展を記述す
ることによって機器のクリープ寿命の予測する方法にお
いて、狭帯域ランダム応力変動と狭帯域ランダム温度変
動との両方が機器に加わる場合におけるクリープ寿命を
予測する方法を提供することである。
The present invention has been made to solve the above problems. That is, the subject is
When treating the damage process of a material as a stochastic process, the influence of the temporal and spatial fluctuations of microscopic material properties due to the occurrence of fluctuating loads and microcracks on the macroscopic changes in material strength A method for predicting creep life of equipment by formulating and describing the evolution of damage, providing a method for predicting creep life when both narrow-band random stress fluctuations and narrow-band random temperature fluctuations are applied to the equipment. That is.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のクリープ寿命の予測方法は、ロビンソン損
傷和に基づく損傷蓄積量の確率密度関数を求め、該確率
密度関数に基づいて機器の寿命を予測するランダム応力
変動及びランダム温度変動下における機器のクリープ寿
命予測方法において、(1)ランダム応力変動及びラン
ダム温度変動が狭帯域にあるとき、単位時間あたりの損
傷量を表す損傷係数を1次式で近似すること、(2)前
記ランダム応力変動σ(t)(瞬時)を時間平均値σ(t)(平
均)と確率的変動分σ´との和で表し、前記ランダム温
度変動θ(t)(瞬時)を時間平均値θ(t)(平均)と確率的変
動分θ´(t)との和で表すことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method for predicting creep life according to the present invention obtains a probability density function of a damage accumulation amount based on Robinson damage sum, and obtains a device based on the probability density function. In the method for predicting the creep life of equipment under random stress fluctuations and random temperature fluctuations for predicting the service life of a device, (1) when the random stress fluctuations and the random temperature fluctuations are in a narrow band, the damage coefficient representing the amount of damage per unit time is calculated. (2) expressing the random stress fluctuation σ (t) (instantaneous) by the sum of a time average σ (t) (average) and a stochastic fluctuation σ ′; It is characterized in that θ (t) (instantaneous) is represented by the sum of the time average value θ (t) (average) and the stochastic variation θ ′ (t).

【0013】このような特徴を有するクリープ寿命の予
測方法によれば、ロビンソンの損傷和をによる損傷係数
を使用して損傷蓄積量の確率密度関数を求ている。ロビ
ンソンの損傷和とは横軸にラーソン、ミラーのパラメー
タを用い、縦軸に応力を用いた損傷度曲線により決定さ
れる寿命を累積することによって損傷蓄積量を算出する
方法である。ラーソン、ミラーのパラメータとは、クリ
ープ破壊の場合において、応力が温度と寿命とによって
表された経験的な関数である。従って、寿命を予測する
ときに応力と温度との両方を考慮することができる。さ
らに、前記ランダム応力振幅変動σ(t)(瞬時)を時間平
均値σ(t)(平均)と確率的変動分σ´(t)との和で表し、
前記ランダム温度変動θ(t)(瞬時)を時間平均値θ(t)
(平均)と確率的変動分θ´(t)との和で示し、さらに、
1回当たりの損傷量を表す損傷係数を1次式で近似する
ことにより、損傷蓄積量のランジュバン方程式が導出さ
れる。ここで損傷蓄積量のランジュバン方程式とは、応
力、温度が一定である場合のロビンソンの損傷和によっ
て示された損傷発展を示す力学方程式に応力変動、温度
変動による確率過程を含む関数が取り入れられた確率微
分方程式のことである。これにより、ロビンソンの損傷
和は、負荷応力及び負荷温度が狭帯域でランダムに変動
する場合に拡張される。これにより、このランジュバン
方程式を解くことによって負荷応力と負荷温度との両方
が狭帯域でランダムに変動する場合におけるクリープ変
形による損傷蓄積量の発展のモデルを示すことができ
る。すなわち、応力と温度との両方が変動するガス機器
の寿命を正確に予測することができる。
According to the creep life prediction method having such characteristics, the probability density function of the amount of accumulated damage is obtained using the damage coefficient based on the sum of Robinson's damages. Robinson's damage sum is a method of calculating the damage accumulation amount by using the Larson and Miller parameters on the horizontal axis and accumulating the life determined by the damage degree curve using stress on the vertical axis. Larson and Miller parameters are empirical functions where stress is represented by temperature and lifetime in the case of creep rupture. Therefore, both stress and temperature can be considered when estimating life. Furthermore, the random stress amplitude fluctuation σ (t) (instantaneous) is represented by the sum of a time average value σ (t) (average) and a stochastic fluctuation σ ′ (t),
The random temperature fluctuation θ (t) (instantaneous) is the time average value θ (t)
(Average) and the stochastic variation θ ′ (t).
By approximating the damage coefficient representing the damage amount per one time with a linear expression, a Langevin equation of the damage accumulation amount is derived. Here, the Langevin equation of damage accumulation is a function that includes a stochastic process due to stress fluctuations and temperature fluctuations in a dynamic equation that shows the damage evolution indicated by Robinson's damage sum when the stress and temperature are constant. Stochastic differential equation. Thus, Robinson's sum of damages is extended when the load stress and load temperature fluctuate randomly in a narrow band. Accordingly, a model of the development of damage accumulation due to creep deformation when both the applied stress and the applied temperature randomly fluctuate in a narrow band by solving the Langevin equation can be shown. That is, it is possible to accurately predict the life of a gas appliance in which both the stress and the temperature fluctuate.

【0014】また、前記損傷蓄積過程として、ランジュ
バン方程式とそれに相当するフォッカープランクの方程
式を用いることを特徴とする。
Further, the damage accumulation process uses a Langevin equation and an equivalent Fokker-Planck equation.

【0015】すなわち、前記ランジュバン方程式に相当
するフォッカープランク方程式を導出する。ここでフォ
ッカープランク方程式とは、連続的なマルコフ過程にお
いて、推移量の3次以上の高次のモーメントを無視でき
るとして導かれた確率密度関数における2階の偏微分方
程式である。また、マルコフ過程とは、確率変数に関す
る将来の時点t2の情報が現時点t1における情報によっ
て完全に記述される過程である。そして、このフォッカ
ープランク方程式を解くことにより、実験開始から破壊
に至るまでの任意の時刻における損傷蓄積量の確率密度
関数を正規分布形で表すことができる。さらに、このフ
ォッカープランク方程式に基づいて、既に損傷を受けて
いる材料における任意の損傷蓄積量からの残存寿命の予
測式を求めることができる。従って、応力と温度との両
方が狭帯域でランダムに変動する場合における損傷の確
率密度関数や残存クリープ寿命の予測式を求めることが
できる。
That is, a Fokker-Planck equation corresponding to the Langevin equation is derived. Here, the Fokker-Planck equation is a second-order partial differential equation in a probability density function which is derived assuming that a third or higher order moment of a transition amount can be ignored in a continuous Markov process. In addition, the Markov process is a process in which the future information time t 2 on the probability variable is fully described by the information at the present time t 1. By solving this Fokker-Planck equation, the probability density function of the damage accumulation amount at an arbitrary time from the start of the experiment to the destruction can be expressed in a normal distribution form. Furthermore, based on this Fokker-Planck equation, it is possible to obtain an equation for predicting the remaining life from an arbitrary damage accumulation amount in a material that has already been damaged. Therefore, it is possible to obtain a probability density function of damage and a predictive expression of the remaining creep life when both stress and temperature fluctuate randomly in a narrow band.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明における狭帯域ラン
ダム応力変動及び狭帯域ランダム温度変動下における機
器のクリープ寿命の予測方法を具体化した実施の形態に
ついて、添付図面及び数式を参照しつつ詳細に説明す
る。尚、本実施の形態の数式に使用された記号の説明を
簡単に図1に示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment embodying a method for predicting the creep life of equipment under narrow-band random stress fluctuation and narrow-band random temperature fluctuation according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and mathematical expressions. Will be described. In addition, FIG. 1 briefly describes the symbols used in the mathematical expressions of the present embodiment.

【0017】(確率微分方程式による損傷モデルの考え
方)確率微分方程式による材料の損傷発展のモデルは、
材料中にあるき裂の長さや材料に蓄積される損傷量など
の状態量の変化を確率過程として捉え、状態空間中での
ランダムな時間発展を表す方法である。
(Thought of Damage Model by Stochastic Differential Equation) A model of damage development of a material by a stochastic differential equation is as follows.
It is a method of expressing random time evolution in the state space, considering changes in state quantities such as the length of cracks in the material and the amount of damage accumulated in the material as a stochastic process.

【0018】図2の曲線(1)乃至(3)は、実験開始時t=tb
に初期損傷p=pbを持った材料にランダム応力変動及びラ
ンダム温度変動を加えた時、材料に蓄積する損傷p(t)が
p-t平面上でたどる経路を模式的に示している。こうい
った経路を記述するために用いるのが確率微分方程式
で、本実施の形態ではその中でも次のランジュバン方程
式を用いる。
The curves (1) to (3) 2, the start of the experiment at t = t b
When random stress fluctuation and random temperature fluctuation are applied to a material having initial damage p = p b , the damage p (t) accumulated in the material is
Fig. 3 schematically shows a path taken on a pt plane. A stochastic differential equation is used to describe such a path. In the present embodiment, the following Langevin equation is used.

【数3】 ここで、a(p,t)は、損傷の発展に関する決定論的微
分方程式の右辺、b(p,t)は損傷の発展に対してラン
ダムな変動応力が与える影響を表し、dWはWiener過程の
増分を表す。この式は、1回の実験結果で得た損傷の発
展経路を表すのでなく、むしろ多数の実験結果によって
描かれる経路全体を表している。
(Equation 3) Where a (p, t) is the right side of the deterministic differential equation for damage development, b (p, t) is the effect of random fluctuating stress on damage development, and dW is the Wiener process Represents the increment of. This equation does not represent the path of development of the damage obtained in a single experimental result, but rather the entire path drawn by multiple experimental results.

【0019】図2中の2分布g(p,t | pb,tb)、 t=t
g1、tg2は、同じ初期条件(pb,tb)で実験を繰り返した
結果、p-t平面上に描かれる経路が、ある特定の領域を
通過する頻度から見積もられる確率密度関数(PDF)の
時間変化を表している。PDFは、実験の開始直後にはデ
ルタ関数的であるが、その後の損傷の発展に伴ってピー
クが図中の破線Cのように減衰し、それと共に分布の幅
が広がる。このようなPDFの時間変化を表すのがフォッ
カープランク方程式
The two distributions g (p, t | p b , t b ) in FIG. 2, t = t
g1 and t g2 are the probability density functions (PDF) estimated from the frequency of the path drawn on the pt plane as a result of repeating the experiment under the same initial conditions (p b , t b ). It represents the time change. The PDF is delta-like immediately after the start of the experiment, but as the damage develops thereafter, the peak attenuates as shown by the dashed line C in the figure, and the width of the distribution expands with it. It is the Fokker-Planck equation that represents the time change of such PDF

【数4】 である。この式は、式(数3)から導出することがで
き、これを解くことによって、実験開始後の任意の時刻
における損傷確率分布や損傷蓄積量の平均(図中の2点
鎖線E)、偏差などを見積もることができる。また、PDF
と後述するFirst Passage Time の考え方に基づいて残
存寿命分布の計算も可能である。
(Equation 4) It is. This equation can be derived from the equation (Equation 3). By solving this equation, the damage probability distribution and the average damage accumulation amount at any time after the start of the experiment (two-dot chain line E in the figure), deviation Etc. can be estimated. Also PDF
It is also possible to calculate the remaining life distribution based on the concept of First Passage Time described later.

【0020】(クリープ寿命評価への適用)以下に示す
解析は、ラーソン、ミラーのパラメータで示された一定
応力・温度条件下でクリープ損傷度曲線を基準とした線
形損傷則であるロビンソンの寿命比則を、ランジュバン
方程式とフォッカープランク方程式を用いて狭帯域ラン
ダム応力振幅変動及び狭帯域ランダム温度変動の場合に
拡張したものである。
(Application to Creep Life Evaluation) The following analysis shows Robinson's life ratio which is a linear damage law based on a creep damage curve under a constant stress and temperature condition indicated by Larson and Miller parameters. The rule is extended to the case of narrow-band random stress amplitude fluctuation and narrow-band random temperature fluctuation using Langevin equation and Fokker-Planck equation.

【0021】すなわち、ある材料がクリープが問題とな
る応力・温度域にあり、ランダムな変動応力と変動温度
が加わる場合を考える。今、これらの変動値を、等しい
時間間隔Δt毎に飛躍し、次の飛躍までの間一定の応力
σiと温度θiを保つ階段状の関数により近似することが
できるものと仮定する。ここで、下付き添え字iは、実
験開始から起算し、注目している時間までのΔt毎の飛
躍の回数を表す。実験開始後のある繰り返し数nの時点
で材料に蓄積される損傷量(以降、損傷蓄積量と呼ぶ)
pnは、ロビンソンの損傷和に従って矩形波毎に材料に蓄
積される損傷量の総和をとって
That is, consider a case where a material is in a stress / temperature range where creep is a problem, and a random fluctuating stress and fluctuating temperature are applied. Now, it is assumed that these fluctuation values can be approximated by a step-like function that jumps at equal time intervals Δt and keeps constant stress σ i and temperature θ i until the next jump. Here, the subscript i represents the number of jumps for each Δt from the start of the experiment until the time of interest. Damage accumulated in the material at a certain number of repetitions n after the start of the experiment (hereinafter referred to as damage accumulation)
pn is the sum of the damage accumulated in the material for each square wave according to Robinson's damage sum

【数5】 と表せる。ここでpnΔtはnΔt秒後の損傷蓄積量を、Ti
は、未損傷材料に対して一定応力かつ一定温度を加えた
時の材料のクリープ破断時間を表す。実用上は、Tiは応
力と温度の関数Ti = Ti(σ,θ)と考え、ラーソン、
ミラーのパラメータσ=θ(k+logTi )を用いた損傷
度曲線から見積もることができる。ここで、kは実験に
よって決定される定数である。式(数5)においては、
形式上1/Tiが単位時間当たりに材料が被る損傷量を表
す。そこで、ある応力σと温度θでクリープ試験を行っ
た時の単位時間当たりの損傷蓄積量を表す関数
(Equation 5) Can be expressed as Where p n delta t is damage accumulation amount after nΔt seconds, T i
Represents the creep rupture time of the material when a constant stress and a constant temperature are applied to the undamaged material. In practice, T i is assumed to be a function of stress and temperature T i = T i (σ, θ), and Larson,
It can be estimated from a damage degree curve using the mirror parameter σ = θ (k + logT i ). Here, k is a constant determined by experiment. In the equation (Equation 5),
Formally, 1 / T i represents the amount of damage the material suffers per unit time. Therefore, a function representing the amount of damage accumulated per unit time when a creep test is performed at a certain stress σ and temperature θ

【数6】 を定義してこれをクリープ損傷係数と呼び、クリープ損
傷蓄積過程を決定付ける基本的な量とする。クリープ損
傷係数を用いれば、ある時間間隔dtに材料が蓄積する損
傷量dpを以下の式で表すことができる。
(Equation 6) And this is called the creep damage coefficient, which is a basic quantity that determines the creep damage accumulation process. By using the creep damage coefficient, the damage amount dp accumulated by the material at a certain time interval dt can be expressed by the following equation.

【数7】 これが時間の経過に伴ったクリープ損傷の発展を表す力
学方程式である。
(Equation 7) This is the dynamic equation that represents the evolution of creep damage over time.

【0022】次に、損傷の力学方程式(数7)における
ランダムに変動する応力と温度の影響を調べる。以降、
時間と共にランダムに変動する応力と温度をそれぞれ変
動応力、変動温度と呼ぶ。また、それらの瞬時値を、変
動応力についてはσ(瞬時)、変動温度についてはθ
(瞬時)で表す。ここでは、実働機械の定常運転を想定
して、変動応力と変動温度がある時間平均値周りでラン
ダムな変動をするものと考え、これらを以下のように時
間平均値σ(平均)(t)、 θ(平均(t)と確率的変動分
σ´, θ´に分解する。
Next, the influence of randomly fluctuating stress and temperature on the damage dynamic equation (Equation 7) will be examined. Or later,
The stress and temperature that fluctuate randomly with time are referred to as fluctuating stress and fluctuating temperature, respectively. The instantaneous values are represented by σ (instantaneous) for the fluctuating stress and θ for the fluctuating temperature.
(Instantaneous). Here, assuming the steady operation of the working machine, it is assumed that the fluctuating stress and the fluctuating temperature fluctuate randomly around a certain time average value, and these are changed to the time average value σ (average) (t) as follows. , Θ (mean (t) and stochastic fluctuations σ ′, θ ′.

【数8】 (Equation 8)

【数9】 これらの式中の各項は、時間の関数である。また、ここ
では式(数8)(数9)の成分のうち、確率的変動分の大
きさが平均値に比べて十分に小さい狭帯域変動
(Equation 9) Each term in these equations is a function of time. Further, here, among the components of the equations (8) and (9), the narrow-band fluctuation in which the magnitude of the stochastic fluctuation is sufficiently smaller than the average value.

【数10】 (Equation 10)

【数11】 を考える。式(数12)(数13)の右辺の確率的変動
分を、変動の強度を表すパラメータQσ、 Qθと、確率
的な変動を表現するためのノイズξσ(t)、 ξθ(t)に
より以下のように表す。
[Equation 11] think of. The stochastic variation on the right side of Equations (Equation 12) and (Equation 13) is calculated using parameters Qσ and Qθ representing the magnitude of the variation and noise ξσ (t) and ξθ (t) for expressing the probabilistic variation. It expresses like.

【数12】 (Equation 12)

【数13】 ここで、ξi(t)、 i =σ,θはガウス分布を有する変
化の速い不規則な関数の数学的表現で、そのアンサンブ
ル平均は〈ξi(t) 〉 = 0、異なる時刻t ≠ t´におけ
る値ξi(t)、ξi(t´)が統計的に独立で、自己相関関数
がディラックのデルタ関数δ(t)を用いて〈 ξi(t) ξi
(t´)〉 =δ(t-t´)と表されるものである。また、ξσ
(t)、 ξθ(s)は、互いに独立〈 ξσ(t) ξθ(s)〉=
0とする。従って、σ´,θ´は以下の性質をもつこと
になる。 (a)σ´のアンサンブル平均は、
(Equation 13) Here, ξ i (t), i = σ, θ is a mathematical expression of a fast-changing irregular function having a Gaussian distribution, and its ensemble average is <ξ i (t)> = 0, different time t ≠ The values ξ i (t) and ξ i (t ′) at t ′ are statistically independent, and the autocorrelation function is <ξ i (t) ξ i using the Dirac delta function δ (t).
(t ′)> = δ (tt ′). Also, ξσ
(t) and ξθ (s) are independent of each other <ξσ (t) ξθ (s)> =
Set to 0. Therefore, σ ′ and θ ′ have the following properties. (a) The ensemble average of σ´ is

【数14】 [Equation 14]

【数15】 (b) 自己相関および相互相関は、(Equation 15) (b) The auto-correlation and cross-correlation are

【数16】 (Equation 16)

【数17】 [Equation 17]

【数18】 (c) σ´(t)、θ´(t)はガウス分布を示す。損傷蓄積量
を見積もるためには、変動応力の瞬時値σ(瞬時)、及
び変動温度の瞬時値θ(瞬時)からφc (σ(瞬時),
θ(瞬時))を計算する必要があるが、実用上は変動応
力や変動温度を直接利用するのは困難である。そこで、
以下に示すように、損傷係数φc(σ(瞬時),θ(瞬
時))をσ(平均)とθ(平均)周りでテイラー展開
し、それぞれの平均値と変動の強度から損傷係数を見積
もる。
(Equation 18) (c) σ ′ (t) and θ ′ (t) show a Gaussian distribution. In order to estimate the amount of damage accumulation, the instantaneous value σ (instantaneous) of the fluctuating stress and the instantaneous value θ (instantaneous) of the fluctuating temperature are used to calculate φ c (σ (instant),
θ (instantaneous)), but it is practically difficult to directly use the fluctuating stress and fluctuating temperature. Therefore,
As shown below, the damage coefficient φ c (σ (instantaneous), θ (instantaneous)) is Taylor-expanded around σ (average) and θ (average), and the damage coefficient is estimated from the average value and the intensity of fluctuation. .

【数19】 ここでは、式(数8)式(数9)を使用した。ところ
が、狭帯域変動の条件式(数10)(数11 )のもと
では、式(数19)の2次以上の高次の項が他の項に非
常に小さくなる。そのため、式(数19)中の2次以上
の微小項を無視して、
[Equation 19] Here, equation (8) and equation (9) were used. However, under the conditional expressions (Equation 10) and (Equation 11) of the narrow band fluctuation, the second-order and higher-order terms of the equation (Equation 19) become very small to other terms. Therefore, ignoring second-order or higher minute terms in equation (Equation 19),

【数20】 により損傷係数を近似する。この式(数20)を式(数
7)に代入することにより、次式
(Equation 20) To approximate the damage factor. By substituting equation (20) into equation (7), the following equation is obtained.

【数21】 を得る。この式が、狭帯域ランダム応力・温度変動の場
合のロビンソンの損傷則を表すランジュバン方程式であ
る。上式中のφc(平均)はφc(σ(平均),θ(平
均))を表し、dWσ(t)およびdWθ(t)はそれぞれσ´,
θ´についてのWiener過程の増分である。なお、dWi
ξi、 i=σ,θの間には、dWi = ξi dtの関係がある。
式(数21)の右辺の各項の係数は定数であるので簡単
に積分することができ、次式のようにp(t)の発展式が得
られる。
(Equation 21) Get. This equation is a Langevin equation representing Robinson's damage law in the case of narrow-band random stress / temperature fluctuation. Φ c (average) in the above equation represents φ c (σ (average), θ (average)), and dWσ (t) and dWθ (t) are σ ′,
This is the increment of the Wiener process for θ ′. Note that there is a relationship dW i = ξ i dt between dW i and ξ i , i = σ, θ.
Since the coefficient of each term on the right side of the equation (Equation 21) is a constant, it can be easily integrated, and a developed equation of p (t) is obtained as in the following equation.

【数22】 ここで、tbは試験の開始時刻、pbは時刻tbの時点で既に
材料に存在した初期損傷量を表す。この式は、いわば初
期状態(pb,tb)から始まる無数のクリープ試験の結果を
表すものである。ところが、実用上で必要となるのは時
刻tの時点で蓄積されている損傷の確率的期待値である
ので、上式のアンサンブル平均〈p〉を取ることで、平
均値の発展を見積もることができる。
(Equation 22) Here, t b is the start time of the test, p b represents the initial amount of damage that has already existed in the material at time t b. This equation represents the results of countless creep tests starting from the initial state (p b , t b ). However, since what is needed in practical use is the stochastic expected value of damage accumulated at time t, it is possible to estimate the evolution of the average value by taking the ensemble average <p> of the above equation. it can.

【数23】 この式から明らかなように、このモデルにおいては損傷
の平均値の発展は、変動のない場合に通常の方法でロビ
ンソンの損傷則により計算される損傷の発展と一致す
る。更に、損傷蓄積量の変動の2乗偏差は、
(Equation 23) As is evident from this equation, the evolution of the mean value of the damage in this model is consistent with the evolution of the damage calculated by Robinson's damage law in the usual way in the absence of variation. Furthermore, the square deviation of the change in damage accumulation is

【数24】 となる。ここで、α = (∂φc(平均)/ ∂σ) Qσ、
β = (∂φc(平均)/ ∂θ) Qθとした。従って、材料
が損傷を受け始めてから破壊するまでの間の任意の時刻
における損傷の分布は、クリープによる損傷度曲線の勾
配と応力および温度の変動強度、そして経過時間の平方
根に比例した広がりを持つことになる。
(Equation 24) Becomes Where α = (∂φ c (mean) / ∂σ) Qσ,
β = (∂φ c (average) / ∂θ) Qθ. Thus, the distribution of damage at any time between the time the material begins to fail and the time it breaks has a slope proportional to the slope of the damage curve due to creep and the magnitude of stress and temperature fluctuations, and a spread proportional to the square root of the elapsed time. Will be.

【0023】(フォッカープランク方程式)材料の損傷
評価や寿命評価においては、ある時点で材料に蓄積され
る損傷の平均値や偏差だけでなく、損傷のPDFや確率分
布が重要な役割を果たす。一般的に使用される正規分布
や対数正規分布、ワイブル分布は、破壊の確率を対象と
するものであるが、フォッカープランク方程式を解くこ
とによって、材料に蓄積される損傷量のPDFの時間変化
を捉えることができる。
(Foker-Planck Equation) In the damage evaluation and life evaluation of a material, not only the average value and deviation of damage accumulated in the material at a certain point in time, but also the PDF and probability distribution of damage play an important role. The commonly used normal distribution, lognormal distribution, and Weibull distribution are intended for the probability of failure.However, by solving the Fokker-Planck equation, the time change of the PDF of the amount of damage accumulated in the material can be calculated. Can be caught.

【0024】フォッカープランク方程式は、ランジュバ
ン方程式から導出することができ、本解析の場合には、
式(数21)から以下に示す偏微分方程式を得る。
The Fokker-Planck equation can be derived from the Langevin equation. In this analysis,
The following partial differential equation is obtained from the equation (Equation 21).

【数25】 この式が、狭帯域ランダム応力振幅変動及び狭帯域ラン
ダム温度変動に対する疲労損傷蓄積過程のフォッカープ
ランク方程式である。ここで、g(p,t|pb,tb)は、初
期値(p,t)=(pb,tb)によって条件付けられた条件付
きPDFである。上式は、各項の係数が定数であるため、g
(p,t|pb,tb)について解析的に解くことが可能であ
る。最終的に得られる解は、次の正規分布となる。
(Equation 25) This equation is the Fokker-Planck equation of the fatigue damage accumulation process for the narrow band random stress amplitude fluctuation and the narrow band random temperature fluctuation. Here, g (p, t | p b , t b ) is a conditional PDF conditioned by an initial value (p, t) = (p b , t b ). In the above equation, since the coefficient of each term is a constant, g
(p, t | p b , t b ) can be solved analytically. The final solution is the following normal distribution:

【数26】 この式により、初期損傷(pb,tb)が存在する条件下で、
損傷を受け始めてから破壊に至るまでの間の任意の時刻
における損傷蓄積量のPDF確率密度分布、あるいは任意
の損傷蓄積量に到達する時間のPDFを見積もることが可
能である。
(Equation 26) From this equation, under the condition that the initial damage (p b , t b ) exists,
It is possible to estimate the PDF probability density distribution of the damage accumulation amount at an arbitrary time from the start of damage to the destruction, or the PDF of the time to reach the arbitrary damage accumulation amount.

【0025】また、余寿命評価First Passage Timeの考
え方により、材料の残存寿命分布を見積もることができ
る。First Passage Timeとは、本解析の場合、未破壊の
状態0 ≦ p < 1にある損傷値が最も短期間に破壊の状態
p=1に到達するのに要する平均時間を意味する。この時
間はフォッカープランク方程式とその解から以下のよう
に求められる。
Further, the remaining life distribution of the material can be estimated based on the concept of remaining life evaluation First Passage Time. In this analysis, the First Passage Time is the undestructed state. The damage value in 0 ≤ p <1 is the destruction state in the shortest time.
It means the average time required to reach p = 1. This time is obtained from the Fokker-Planck equation and its solution as follows.

【数27】 ここでT(p)は、ある時点での損傷蓄積量pから予想され
る平均の残存寿命を表す。右辺第1項は、くり返し毎の
応力振幅及び温度に変動がない場合に既存のロビンソン
の損傷則によって与えられる残存寿命値を表し、第2項
以降は残存寿命に与える変動の影響を表す。
[Equation 27] Here, T (p) represents the average remaining life expected from the damage accumulation amount p at a certain point in time. The first term on the right-hand side represents the remaining life value given by the existing Robinson's damage rule when there is no change in the stress amplitude and temperature for each iteration, and the second and subsequent terms show the effect of the change on the remaining life.

【0026】以上詳細に説明したように、本実施の形態
における狭帯域ランダム応力変動下における機器の寿命
予測方法では、損傷係数φc(σ(瞬時),θ(瞬時))
をσ(平均)とθ(平均)周りでテイラー展開し、変動
応力の平均値と変動の強度から損傷係数を見積もられた
式(数19)中の2次以上の微小項を無視して、式(数
20)を得る。さらに、この式を式(数7)に代入する
ことにより、狭帯域ランダム応力変動及び狭帯域ランダ
ム温度変動の場合のロビンソンの損傷和を表すランジュ
バン方程式(数21)を得ることができる。式(数2
1)の右辺の各項の係数は定数であるので簡単に積分す
ることができ、式(数22)のように正規化された損傷
蓄積量p(t)の発展式が得られる。これにより、応力と温
度との両方が狭帯域でランダムに変動する場合における
ある時点で材料に蓄積される損傷の平均値や偏差を求め
ることができる。従って、応力及び温度の両方がランダ
ムに変動する機器の寿命を正確に予測することができ
る。
As described above in detail, in the method for predicting the life of a device under a narrow-band random stress fluctuation according to the present embodiment, the damage coefficient φ c (σ (instant), θ (instant))
Is subjected to Taylor expansion around σ (average) and θ (average), ignoring second-order and higher-order small terms in the equation (Equation 19) in which the damage coefficient is estimated from the average value of fluctuation stress and the intensity of fluctuation. , Equation (20) is obtained. Further, by substituting this equation into Equation (Equation 7), it is possible to obtain a Langevin equation (Equation 21) representing the sum of Robinson's damages in the case of narrow-band random stress fluctuation and narrow-band random temperature fluctuation. Equation (Equation 2)
Since the coefficient of each term on the right side of 1) is a constant, it can be easily integrated, and a development formula of the normalized damage accumulation amount p (t) is obtained as in Expression (22). Thereby, the average value and deviation of damage accumulated in the material at a certain point in time when both stress and temperature fluctuate randomly in a narrow band can be obtained. Therefore, it is possible to accurately predict the life of a device in which both the stress and the temperature fluctuate randomly.

【0027】また、ランジュバン方程式に相当するロビ
ンソンの損傷和に関する条件付確率密度関数の発展を表
すフォッカープランク方程式(数25)を導きだし、式
(数25)中の各係数は定数であるため、それを解くこ
とによって最終的に式(数26)示す正規分布型の条件
付き確率密度関数 g(p,t | pb,tb)が得られる。こ
れにより、このフォッカープランク方程式を解くことに
よって、応力及び温度の両方がランダムに変動する場合
における正規分布型の条件付き確率密度関数が得られ、
さらに、この確率密度関数により、初期損傷(pb,tb)が
存在する条件下で、損傷を受け始めてから破壊に至るま
での間の任意の時刻における損傷蓄積量の確率密度分
布、あるいは任意の損傷蓄積量に到達する時間の確率密
度分布を見積もることが可能である。さらに、フォッカ
ープランク方程式に基づいて、既に損傷を受けている材
料の、任意の損傷蓄積量からの残存寿命の予測式を求め
ることができる。従って、応力と温度との両方が変動す
るガス機器の寿命を正確に予測することができる。
Further, a Fokker-Planck equation (Equation 25) representing the evolution of a conditional probability density function relating to Robinson's damage sum corresponding to the Langevin equation is derived. Since each coefficient in the equation (Equation 25) is a constant, By solving it, a conditional probability density function g (p, t | p b , t b ) of the normal distribution type shown in the equation (Formula 26) is finally obtained. By solving this Fokker-Planck equation, a normally distributed conditional probability density function in the case where both stress and temperature fluctuate randomly is obtained,
Furthermore, the probability density function calculates the probability density distribution of the damage accumulation amount at any time from the start of damage to the destruction under the condition where the initial damage (p b , t b ) exists, or It is possible to estimate the probability density distribution of the time to reach the damage accumulation amount. Furthermore, based on the Fokker-Planck equation, a prediction formula of the remaining life of a material that has already been damaged from an arbitrary amount of damage accumulation can be obtained. Therefore, it is possible to accurately predict the life of a gas appliance in which both the stress and the temperature fluctuate.

【0028】なお、本実施の形態は、単なる例示にすぎ
ず本発明を何ら限定するものではない。従って、本発明
は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内での種々の変
形、改良が可能である。
It should be noted that the present embodiment is merely an example and does not limit the present invention in any way. Therefore, naturally, the present invention can be variously modified and improved without departing from the gist thereof.

【0029】(セラミックにおけるガス機器の寿命予
測)次に、セラミックにおけるガス機器の寿命予測をセ
ラミック亀裂進展則に基づいて行う。SCGの挙動は、通
常応力拡大係数KIとクラック伝播速度vの関係
(Estimation of Life of Gas Appliances in Ceramic) Next, estimation of the life of gas appliances in ceramic is performed based on the ceramic crack growth rule. Behavior of SCG typically relationship stress intensity factor K I and crack propagation velocity v

【数28】 により表される。ここでaはクラック長を、KIはIモード
の応力拡大係数を表す。大部分の構造用セラミック材料
では、べき乗則型のクラック伝播速度
[Equation 28] Is represented by Where a is the crack length, K I denotes a stress intensity factor of I mode. For most structural ceramic materials, the power law crack propagation velocity

【数29】 によって表される。ここでKICは、臨界応力拡大係数、A
とnは材料定数である。また、応力拡大係数は、次式に
より負荷応力σとaに関連付けられる。
(Equation 29) Represented by Where K IC is the critical stress intensity factor, A
And n are material constants. The stress intensity factor is related to the applied stress σ and a by the following equation.

【数30】 ここでYはクラックの形状に関するパラメータである。
本節では、式(数28)〜(数30)によるセラミック
のクラック伝播則
[Equation 30] Here, Y is a parameter related to the shape of the crack.
In this section, the crack propagation law of ceramics by equations (28) to (30) is used.

【数31】 を対象として、負荷応力がランダムに変動したときのク
ラック長の発展およびクラック長の確率密度関数の発展
について考察する。本解析では特に応力が狭帯域ランダ
ム変動を示しているものとする。
(Equation 31) Consider the evolution of the crack length and the probability density function of the crack length when the applied stress fluctuates randomly. In this analysis, it is assumed that the stress particularly indicates a narrow-band random fluctuation.

【0030】(クラック進展速度のランジュバン方程
式)今、クラック進展速度da/dtに対する応力変動の影
響を次式のように、式(数31)に対する付加項により
表す。
(Lange-Vang Equation of Crack Growth Rate) The influence of stress fluctuation on the crack growth rate da / dt is expressed by an additional term to the equation (Equation 31) as follows.

【数32】 ここで、右辺第1項は、応力σが一定の場合のクラック
の進展速度を示し、クラック進展式が通常使用される応
力に変動がない場合のクラック進展速度に相当する。右
辺第2項は負荷応力のランダムな変動に起因するクラッ
ク進展速度への影響を表していて、係数αは変動の強度
に関係する係数、ξ(t)はそのアンサンブル平均が〈 ξ
(t) 〉 = 0、自己相関関数が〈 ξ(t) ξ(t-τ) 〉 =
δ(τ) ;τ=0の特徴を持つランダム関数である。今、一
つの試みとして、応力が時間と共にある平均値に対して
ランダムに変動している状態を想定する。
(Equation 32) Here, the first term on the right-hand side indicates the crack propagation speed when the stress σ is constant, and corresponds to the crack propagation speed when the stress used normally in the crack propagation equation does not change. The second term on the right side represents the effect on the crack growth rate due to the random fluctuation of the applied stress.The coefficient α is a coefficient related to the strength of the fluctuation, and ξ (t) is the ensemble average of which <ξ
(t)〉 = 0, and the autocorrelation function is <ξ (t) ξ (t-τ)〉 =
δ (τ) is a random function having the characteristic of τ = 0. Now, as one attempt, assume a state in which the stress fluctuates randomly over time with respect to some average value.

【数33】 ここで、σ(瞬時) は変動応力の瞬時値、σ(平均)
は時間平均値、 ´は変動分を表す。また、この応力の
変動分は以下の性質を示すものと仮定する。すなわち、 (1) σ´のアンサンブル平均は
[Equation 33] Here, σ (instant) is the instantaneous value of the fluctuating stress, σ (average)
Indicates a time average value, and 'indicates a variation. Further, it is assumed that the variation of the stress exhibits the following properties. That is, (1) the ensemble average of σ ′ is

【数34】 となる。 (2) σ´はランダム変数ξ(t)と変動の強度に関する
定数Qにより
(Equation 34) Becomes (2) σ ′ is determined by the random variable ξ (t) and the constant Q related to the intensity of fluctuation.

【数35】 と表され、そのの自己相関関数は(Equation 35) And its autocorrelation function is

【数36】 となる。 (3) σ´はガウス分布を示す。 (4) また、狭帯域のランダム変動を考えているの
で、
[Equation 36] Becomes (3) σ ′ indicates a Gaussian distribution. (4) Also, since we are considering random fluctuation in a narrow band,

【数37】 以上の性質を持つ変動応力を材料に負荷した結果として
生ずるクラック進展速度は、ランダム変数となる。この
時のクラック進展速度を得るために、式(数33)を式
(数31)に代入する。但し、変動応力が上記の性質(I
V)を持つことを考慮して、式(数31)を以下のように
σ(平均)についてテイラー展開する。
(37) The crack growth rate resulting from the application of the fluctuating stress having the above properties to the material is a random variable. In order to obtain the crack propagation speed at this time, Expression (Equation 33) is substituted into Expression (Equation 31). However, the fluctuating stress has the above property (I
In consideration of having V), the equation (Equation 31) is subjected to Taylor expansion for σ (average) as follows.

【数38】 式(数33)を用いれば、(38) Using equation (33),

【数39】 となり、これが変動応力が負荷されたときのクラックの
進展に関するランジュバン方程式である。上式中の、γ
= A (Y σ(平均) / KIC)nを示す。式(数39)は式
(数32)に相当し、右辺第2項の応力の変動強度に関
する係数は
[Equation 39] This is the Langevin equation relating to crack propagation when a variable stress is applied. Γ in the above equation
= A (Y σ (average) / K IC ) n The equation (39) corresponds to the equation (32), and the coefficient of the second term on the right-hand side with respect to the stress fluctuation strength is

【数40】 のように決定できる。式(数39)はn=0,2のとき線形
方程式となるが、n=0の場合は通常使用される決定論的
方程式となり本解析の対象ではない。また、一般的なn>
0かつn ≠ 0.2のときには、式(数39)は非線形方程
式となる。本解析では、後者の一般的な場合を対象とす
るが、このままでは数値解析による解法に頼らざるを得
ない。しかしながら、次の変数変換
(Equation 40) Can be determined as follows. The equation (Equation 39) becomes a linear equation when n = 0,2, but when n = 0, it becomes a commonly used deterministic equation and is not the subject of this analysis. Also common n>
When 0 and n ≠ 0.2, equation (39) is a nonlinear equation. In this analysis, the latter general case is targeted, but as it is, it is necessary to rely on a numerical analysis method. However, the following variable transformation

【数41】 を行うことにより解析的に解くことができる。このとき[Equation 41] Can be solved analytically. At this time

【数42】 であるので、式(数39)を次式のようなIto型の確率
微分方程式に変換することができる。
(Equation 42) Therefore, equation (39) can be converted into an Ito-type stochastic differential equation as shown in the following equation.

【数43】 ここでdW(t)は、1次元ウィナー過程の増分を表す。この
方程式では、移流項である右辺第1項の係数(2-n/n)γ
と、拡散項である第2項の係数[n(2-n)/2](γ/σ(平
均)) Q を定数として取り扱うことができるので容易に
積分することができて、
[Equation 43] Here, dW (t) represents the increment of the one-dimensional Wiener process. In this equation, the coefficient of the first term on the right side, which is the advection term (2-n / n) γ
And the coefficient [n (2-n) / 2] (γ / σ (average)) Q of the second term, which is the diffusion term, can be treated as a constant, so that it can be easily integrated,

【数44】 を得る。ここでz(tb)はz(t)の初期値、tbは本確率過程
の開始時刻である。
[Equation 44] Get. Here, z (t b ) is the initial value of z (t), and t b is the start time of the present stochastic process.

【0031】(マイナー則を対象としたセラミックにお
ける寿命予測)最後に、マイナー則を対象として、セラ
ミックにおける狭帯域のランダム応力変動の影響を考察
する。本解析には、Ohjiらによって与えられた窒化珪素
の寿命値を使用する。Ohjiらにより材料に負荷する応力
σと材料の寿命tLの関係が与えられた。
(Life Prediction in Ceramics for Miner's Rule) Finally, the influence of random stress fluctuation in a narrow band on ceramics for Miner's rule will be considered. In this analysis, the lifetime value of silicon nitride given by Ohji et al. Is used. Relationship lifetime t L of the stress σ and the material loaded on the material is given by Ohji et al.

【数45】 この式は未損傷に応力σを負荷したときの残存寿命を表
す。ここで、次の[1/時間]の次元を持ち、単位時間当た
りに材料が被る損傷を表す関数
[Equation 45] This equation represents the remaining life when the stress σ is applied to the undamaged. Here, a function that has the following dimension of [1 / hour] and expresses the damage that material suffers per unit time

【数46】 を定義して、これを損傷係数と呼ぶことにする。今、時
刻tbに疲労実験を開始し、Nf回繰返し後の時刻teに材料
が破断したとする。この時間の区間[tb,te]を長さの等
しいNf個の微小時間間隔Δ tに分割し、時間順に番号を
付ける。
[Equation 46] And this is called the damage factor. Now, to start the fatigue experiment in time t b, the material is broken to the time t e after N f times repeatedly. This section of time [t b , t e ] is divided into N f minute time intervals Δt of equal length, and numbers are assigned in chronological order.

【数47】 [Equation 47]

【数48】 時刻tiの時点で材料に負荷する応力値をσ(ti) = σi
すると、tiからti + Δtの間に材料が受ける損傷Δ pi
[Equation 48] Assuming that the stress value applied to the material at time t i is σ (t i ) = σ i , damage Δ p i to the material between t i and t i + Δt
Is

【数49】 と表すことができる。従って、時刻tbから時刻tNまでに
材料に蓄積される損傷p(tN)は、各微小時間間隔で被る
損傷Δ piの総和をとることにより、
[Equation 49] It can be expressed as. Therefore, the damage p (t N ) accumulated in the material from the time t b to the time t N is calculated by taking the sum of the damage Δ p i incurred at each minute time interval.

【数50】 で与えることができる。ここで、式(数50)においてΔ
t → 0の極限をとると、
[Equation 50] Can be given by Here, Δ in equation (50)
If we take the limit of t → 0,

【数51】 となる。次に、式(数51)に対する変動応力の影響を調
べる。ここで、変動応力を以下のように決定論的項σ
(平均)(t)と確率的変動分σ´に分解する。
(Equation 51) Becomes Next, the effect of the fluctuating stress on the equation (Equation 51) will be examined. Here, the fluctuating stress is defined as a deterministic term σ as follows:
(Average) (t) and a stochastic variation σ ′.

【数52】 これらの式中の各項は、時間の関数である。(Equation 52) Each term in these equations is a function of time.

【0032】今、変動温度と変動応力を式(数52)のよ
うに分解したとき、確率的変動分の大きさが決定論的項
の大きさと比較して十分に小さく
Now, when the fluctuating temperature and fluctuating stress are decomposed as in equation (52), the magnitude of the stochastic variation is sufficiently smaller than the size of the deterministic term.

【数53】 と表すことができるような狭帯域の変動を考える。ま
た、確率的変動分σ´が以下の性質を有すると仮定す
る。 (a) σ´のアンサンブル平均について
(Equation 53) Consider a narrow band variation that can be expressed as: It is also assumed that the stochastic variation σ ′ has the following properties. (a) About the ensemble average of σ´

【数54】 (b) σ´の自己相関関数が(Equation 54) (b) The autocorrelation function of σ´ is

【数55】 となる。 (c) σ´(t)はガウス分布を示す。これらの条件の下
で、式(数51))を、σ(平均)まわりでテイラー展
開する。
[Equation 55] Becomes (c) σ ′ (t) indicates a Gaussian distribution. Under these conditions, the equation (Equation 51) is Taylor-expanded around σ (average).

【数56】 上式中の2次以上の微小項は小帯域変動では他の項と比
較して小さいことからこれを無視し、さらに式(数52)
を使用すると、
[Equation 56] Since the second-order or higher-order minute terms in the above equation are small compared to the other terms in the small-band fluctuation, this is ignored.
Using

【数57】 となる。そして、確率的な損傷蓄積に関する確率微分方
程式
[Equation 57] Becomes And a stochastic differential equation for stochastic damage accumulation

【数58】 を得る。なお、上式中のdWσ(t)は、σ´についてのWie
ner過程の増分を表す。式(数58)の右辺の各項の係数
は定数であるので、p(t)の発展は単純に積分することに
より得られる。
[Equation 58] Get. Note that dWσ (t) in the above equation is Wie for σ ′
Indicates the increment of the ner process. Since the coefficient of each term on the right side of the equation (Equation 58) is a constant, the development of p (t) can be obtained by simple integration.

【数59】 ここでpbは、時刻tbの時点で既に材料に存在した初期損
傷を表す。従って、ある時刻tで蓄積されている損傷の
確率的期待値は、上式のアンサンブル平均を取ることに
より
[Equation 59] Here, p b represents the initial damage already existing in the material at the time t b . Therefore, the stochastic expected value of damage accumulated at a certain time t can be calculated by taking the ensemble average of the above equation.

【数60】 となり、変動のない場合の発展と一致する。更に、蓄積
される損傷の変動の2乗偏差は、
[Equation 60] Which is consistent with the development when there is no change. Furthermore, the squared deviation of the accumulated damage variation is:

【数61】 となる。[Equation 61] Becomes

【0033】(Fokker-Plank方程式)材料の損傷評価や
寿命評価においては、ある時点で材料に蓄積される損傷
の平均値や偏差だけでなく、損傷の確率密度分布や確率
分布が重要な役割を果たす。損傷の確率密度分布は正規
分布、対数正規分布を示すのが一般的であるが、応力が
ランダムに変動する場合の分布は現在のところ明らかで
はない。ここでは、ランジュバン方程式
(Fokker-Plank equation) In the damage evaluation and life evaluation of a material, not only the average value and deviation of damage accumulated in a material at a certain point in time, but also the probability density distribution and probability distribution of damage play an important role. Fulfill. The probability density distribution of damage generally shows a normal distribution or a lognormal distribution, but the distribution when the stress fluctuates randomly is not clear at present. Here, the Langevin equation

【数62】 と等価なFokker-Plank方程式とその解である損傷の確率
密度分布関数を導出し、ランダムな応力変動が材料に負
荷される条件のもとで、ある時刻において材料に蓄積さ
れる損傷の確率分布形状と分布形状を特徴付けるパラメ
ータの決定を試みる。
(Equation 62) Derives the Fokker-Plank equation equivalent to and the solution to the probability density distribution function of damage, and the probability distribution of damage accumulated in the material at a certain time under the condition that random stress fluctuation is applied to the material. Attempt to determine the parameters that characterize the shape and distribution shape.

【0034】今、ランダム変数p(t)の関数f(p (t))を導
入する。微小な時間間隔dtの間の関数fの変化を
Now, a function f (p (t)) of the random variable p (t) is introduced. The change of the function f during the minute time interval dt

【数63】 のように表す。高階の微分の微小な時間間隔dtに比例し
た寄与を考慮に入れるため、dpの2次の冪まで展開す
る。さらに、式(数58)を代入して整理すると次式を得
る。
[Equation 63] It expresses like. Expand to the second power of dp to take into account the contribution of the higher order derivative in proportion to the small time interval dt. Further, the following equation is obtained by substituting the equation (Equation 58) and organizing it.

【数64】 ここで、(dt)2 → 0、dt ; dWσ → 0、(dWσ)2 = dtを
使用した。この式の両辺のアンサンブル平均をとると、
[Equation 64] Here, (dt) 2 → 0, dt; dWσ → 0, (dWσ) 2 = dt were used. Taking the ensemble average of both sides of this equation,

【数65】 となる。ここでは、〈 dWσ 〉 = 0とした。関数f(p
(t))が、t=tbにおいて初期値p = pbで条件付けられた条
件付確率密度関数(以降、条件付PDF)g(p, t | pb,
tb)を持つと仮定して、g(p, t | pb, tb)により(数6
5)を再び表すと以下のようになる。
[Equation 65] Becomes Here, <dWσ> = 0. The function f (p
(t)) is a conditional probability density function (hereinafter referred to as a conditional PDF) conditioned at t = t b with an initial value p = p b g (p, t | p b ,
t b ) and g (p, t | p b , t b )
5) is expressed again as follows.

【数66】 g(∞, t | pb, tb) = g(-∞, t | pb, tb)=0、∂g(∞,
t | pb, tb) / ∂p = ∂g(-∞, t | pb, tb) / ∂p = 0
としてこの式を積分すると、以下の偏微分方程式を得
る。
[Equation 66] g (∞, t | p b , t b ) = g (-∞, t | p b , t b ) = 0, ∂g (∞,
t | p b , t b ) / ∂p = ∂g (-∞, t | p b , t b ) / ∂p = 0
By integrating this equation as follows, the following partial differential equation is obtained.

【数67】 この式が,クリープ歪に関する条件付PDFの発展を表すFo
kker-Plank方程式である。
[Equation 67] This equation gives Fo, which represents the evolution of conditional PDF for creep strain.
This is the kker-Plank equation.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、ロビンソンの損傷和に基づく損傷蓄積過程から
損傷蓄積量の確率密度関数を求め、該確率密度関数に基
づいて機器の寿命を予測するランダム応力変動及びラン
ダム温度変動下における機器のクリープ寿命の予測方法
において、(1)前記ランダム応力変動及び前記ランダ
ム温度変動が狭帯域にあるとき、単位時間あたりの損傷
量を表す損傷係数を1次式で近似し(2)前記ランダム
応力変動σ(t)(瞬時)を時間平均値σ(t)(平均)と確率的
変動分σ´(t)の和で表し、前記ランダム温度変動θ(t)
(瞬時)を時間平均値θ(t)(平均)と確率的変動分θ´(t)
との和で表すことことにより、応力、温度が一定である
場合のロビンソンの損傷和によって示された損傷発展を
示す力学方程式に確率過程を含むランジュバン方程式を
導出することができる。このランジュバン方程式は応力
変動による確率過程及び温度変動による確率過程の両方
を含むものである。これにより、応力及び温度の両方に
対する損傷蓄積量の発展のモデルを示すことができる。
従って、応力及び温度の両方が変動する機器の寿命を正
確に予測することができる。すなわち、Silberschmidt
の研究では、ランダムに変動する短軸引張り荷重(Iモー
ド)の損傷蓄積に対して非線形のLangevin方程式(数
1)を与えた。(数1)のf(p)は、式(数2)に示され
るようなモードI損傷に対する決定論的方程式の右辺で
あり、L(t)は確率項,A,B,C,Dは実験値であるが、g(p)
は未定で明確な関数形を与えておらず不十分である。こ
れに対し本発明では、損傷蓄積量に対する応力および温
度変動の影響を損傷度曲線の応力ならびに温度微係数か
ら明確に決定することができる。すなわち、Silberschm
idtの研究によれば、応力と温度との両方が変動する場
合における正確な損傷発展のモデルを示すことができな
かったが、本発明によれば、応力ならびに温度微係数か
ら応力と温度との両方が変動する場合における損傷発展
のモデルを明確に示すことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the probability density function of the damage accumulation amount is obtained from the damage accumulation process based on the sum of Robinson's damage, and the life of the device is determined based on the probability density function. In the method for predicting the creep life of a device under random stress fluctuation and random temperature fluctuation to be predicted, (1) when the random stress fluctuation and the random temperature fluctuation are in a narrow band, a damage coefficient representing a damage amount per unit time is calculated. (2) The random stress fluctuation σ (t) (instantaneous) is expressed by the sum of a time average σ (t) (average) and a stochastic fluctuation σ ′ (t), θ (t)
(Instantaneous) is converted to the time average value θ (t) (average) and the stochastic variation θ ′ (t)
Thus, the Langevin equation including the stochastic process can be derived from the dynamic equation showing the damage evolution indicated by Robinson's damage sum when the stress and the temperature are constant. This Langevin equation includes both a stochastic process due to stress fluctuation and a stochastic process due to temperature fluctuation. This can provide a model for the evolution of damage accumulation for both stress and temperature.
Therefore, it is possible to accurately predict the life of a device in which both the stress and the temperature fluctuate. That is, Silberschmidt
In this study, a nonlinear Langevin equation (Equation 1) was given for damage accumulation of randomly varying short-axis tensile loads (I-mode). F (p) in (Equation 1) is the right side of the deterministic equation for mode I damage as shown in Eq. (2), L (t) is a probability term, and A, B, C, and D are G (p)
Is unsatisfactory because it does not give an undefined and clear functional form. On the other hand, in the present invention, the influence of the stress and the temperature fluctuation on the damage accumulation amount can be clearly determined from the stress and the temperature derivative of the damage degree curve. That is, Silberschm
Although idt's study failed to provide an accurate model of damage development when both stress and temperature fluctuate, the present invention provides that stress and temperature derivatives can be used to determine the relationship between stress and temperature. A model of damage development when both fluctuate can be clearly shown.

【0036】また、本発明は、前記損傷蓄積過程とし
て、ランジュバン方程式とそれに相当するフォッカープ
ランクの方程式を用いることにより応力振幅及び温度が
ランダムに変動する場合における、実験開始から破壊に
至るまでの任意の時刻における損傷蓄積量の確率密度関
数を正規分布形で表すことができる。さらに、フォッカ
ープランク方程式に基づいて、既に損傷を受けている材
料の、任意の損傷蓄積量からの残存寿命の予測式を求め
ることができる。これにより、応力及び温度の両方がラ
ンダムに変動する場合における損傷の条件付き確率密度
関数や残存寿命の予測式を求めることができる。従っ
て、応力及び温度の両方が変動する機器の寿命を正確に
予測することができる。すなわち、Silberschmidtの解
析においては、非線形ランジュバン方程式を数値的に解
くことにより応力変動強度の変化に対するPDFの定性的
な変化を示し、応力変動がある場合に起る材料の短命化
に関する経験的事実を計算によって示しているが、PDF
の関数形や余寿命に対する影響は考察していない。さら
に、温度変動の有無については何ら触れておらず、その
影響については評価できないが、本解析では、ランダム
な応力変動と温度変動の両方の影響を考慮した損傷のPD
F導出し、分布形状の時間的な変化を明確に示すと共
に、両変動の存在下で任意の損傷蓄積量からの余寿命評
価が可能であることを明らかにした。これにより、Silb
erschmidtの解析においては、応力と温度との両方が変
動する機器における寿命の予測を正確に行うことができ
ないが、本発明では応力と温度との両方が変動する機器
の寿命を正確に予測することができる。
Further, the present invention uses the Langevin equation and the equivalent Fokker-Planck equation as the damage accumulating process so that the stress amplitude and temperature fluctuate randomly from the start of the experiment to the fracture. The probability density function of the damage accumulation amount at the time of can be expressed in a normal distribution form. Furthermore, based on the Fokker-Planck equation, a prediction formula of the remaining life of a material that has already been damaged from an arbitrary amount of damage accumulation can be obtained. This makes it possible to obtain a conditional probability density function of damage and a prediction equation of the remaining life when both stress and temperature fluctuate randomly. Therefore, it is possible to accurately predict the life of a device in which both the stress and the temperature fluctuate. In other words, in the analysis of Silberschmidt, the qualitative change of the PDF with respect to the change of the stress fluctuation strength is shown by numerically solving the nonlinear Langevin equation, and the empirical facts regarding the shortening of the material life caused by the stress fluctuation are shown. As shown by calculation, PDF
The effect on the functional form and the remaining life is not considered. In addition, although there is no mention of the presence or absence of temperature fluctuations, the effects cannot be evaluated, but in this analysis, the damage PD considering both the effects of random stress fluctuations and temperature fluctuations was not considered.
F was derived and the change over time in the distribution shape was clearly shown, and it was clarified that the remaining life could be evaluated from any amount of damage accumulation in the presence of both changes. This allows Silb
In the analysis of erschmidt, it is not possible to accurately predict the life of a device in which both stress and temperature fluctuate, but in the present invention, it is necessary to accurately predict the life of a device in which both stress and temperature fluctuate. Can be.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本実施の形態に使用されている数式の記号を示
す表である。
FIG. 1 is a table showing symbols of mathematical formulas used in the present embodiment.

【図2】p-t平面上におけるある特定の領域を通過する
頻度から見積もられる確率密度関数(PDF)の時間変化
を表すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a temporal change of a probability density function (PDF) estimated from the frequency of passing through a specific area on a pt plane.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ロビンソン損傷和に基づく損傷蓄積量の
確率密度関数を求め、該確率密度関数に基づいて機器の
寿命を予測するランダム応力変動及びランダム温度変動
下における機器のクリープ寿命の予測方法において、 (1)前記ランダム応力変動及び前記ランダム温度変動
が狭帯域にあるとき、単位時間あたりの損傷量を表す損
傷係数を1次式で近似すること、 (2)前記ランダム応力変動σ(t)(瞬時)を時間平均値
σ(t)(平均)と確率的変動分σ´との和で表し、前記ラ
ンダム温度変動θ(t)(瞬時)を時間平均値θ(t)(平均)と
確率的変動分θ´(t)との和で表すこと、 を特徴とする狭帯域ランダム応力変動及び狭帯域ランダ
ム温度変動下における機器のクリープ寿命の予測方法。
1. A method of predicting a creep life of a device under random stress fluctuation and random temperature fluctuation, wherein a probability density function of a damage accumulation amount based on a Robinson damage sum is obtained, and a life of the device is predicted based on the probability density function. (1) When the random stress fluctuation and the random temperature fluctuation are in a narrow band, a damage coefficient representing a damage amount per unit time is approximated by a linear expression, (2) The random stress fluctuation σ (t) (Instantaneous) is represented by the sum of the time average value σ (t) (average) and the stochastic variation σ ′, and the random temperature variation θ (t) (instantaneous) is represented by the time average value θ (t) (average). A method for predicting creep life of a device under a narrow-band random stress fluctuation and a narrow-band random temperature fluctuation, which is expressed by the sum of the stochastic fluctuation θ ′ (t).
【請求項2】請求項1に記載された狭帯域ランダム応力
変動及び狭帯域ランダム温度変動下における機器のクリ
ープ寿命の予測方法において、 前記損傷蓄積過程として、ランジュバン方程式とそれに
相当するフォッカープランクの方程式を用いることを特
徴とする狭帯域ランダム応力変動及び狭帯域ランダム温
度変動下における機器のクリープ寿命の予測方法。
2. The method for predicting creep life of equipment under a narrow-band random stress fluctuation and a narrow-band random temperature fluctuation according to claim 1, wherein the damage accumulation process includes a Langevin equation and an equivalent Fokker-Planck equation. A method for predicting the creep life of a device under a narrow-band random stress fluctuation and a narrow-band random temperature fluctuation, characterized by using:
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