JP2002310867A - フレッテイング疲労評価方法 - Google Patents
フレッテイング疲労評価方法Info
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- JP2002310867A JP2002310867A JP2001116296A JP2001116296A JP2002310867A JP 2002310867 A JP2002310867 A JP 2002310867A JP 2001116296 A JP2001116296 A JP 2001116296A JP 2001116296 A JP2001116296 A JP 2001116296A JP 2002310867 A JP2002310867 A JP 2002310867A
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- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】動翼ダブテールのフレッテイング疲労寿命を精
度良く予測し、圧縮機の強度信頼性の向上を図る。 【解決手段】接触端近傍の応力特異場の強さＨを、有限
要素法から得られる最大応力分布から求めて、応力特異
場の強さΔＨとき裂発生限界応力特異場の強さΔＨｃの
比率で、疲労試験結果を整理した。また、接触端近傍の
応力特異場の強さＨを算出するための応力分布を、分子
動力学解析、又は実験的手法としてナノインデンテーシ
ョン、Ｘ線応力測定法、中性子回折応力測定法により求
めた。
度良く予測し、圧縮機の強度信頼性の向上を図る。 【解決手段】接触端近傍の応力特異場の強さＨを、有限
要素法から得られる最大応力分布から求めて、応力特異
場の強さΔＨとき裂発生限界応力特異場の強さΔＨｃの
比率で、疲労試験結果を整理した。また、接触端近傍の
応力特異場の強さＨを算出するための応力分布を、分子
動力学解析、又は実験的手法としてナノインデンテーシ
ョン、Ｘ線応力測定法、中性子回折応力測定法により求
めた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、軸流圧縮機の動翼
ダブテールに関し、特に高い接触圧が存在する翼ダブテ
ールとホイールダブテールのフレッテイング疲労寿命評
価に有効な方法に関するものである。
ダブテールに関し、特に高い接触圧が存在する翼ダブテ
ールとホイールダブテールのフレッテイング疲労寿命評
価に有効な方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、軸流圧縮機動翼ダブテールのフレ
ッテイング疲労評価は、応力特異場の理論を適用し、有
限要素法により求めた円周応力分布より接触端に発生す
る応力特異場の強さ範囲ΔHとき裂発生限界応力特異場
の強さ範囲ΔHｃの比率を用いて、試験片で得られた疲
労寿命を整理することにより実機の疲労寿命を予測して
いた。従来技術としては、服部敏雄（日立機械研）: 日
本船舶機関学会誌, 第33巻, 第3号, (1998−3) 203.、
及び服部敏雄, 渡辺孝（日立）: 応力特異場を用いた汎
用的強度評価基準の検討, Ｍ＆Ｍ2000講演予稿集 (2000
−10) 413.等がある。
ッテイング疲労評価は、応力特異場の理論を適用し、有
限要素法により求めた円周応力分布より接触端に発生す
る応力特異場の強さ範囲ΔHとき裂発生限界応力特異場
の強さ範囲ΔHｃの比率を用いて、試験片で得られた疲
労寿命を整理することにより実機の疲労寿命を予測して
いた。従来技術としては、服部敏雄（日立機械研）: 日
本船舶機関学会誌, 第33巻, 第3号, (1998−3) 203.、
及び服部敏雄, 渡辺孝（日立）: 応力特異場を用いた汎
用的強度評価基準の検討, Ｍ＆Ｍ2000講演予稿集 (2000
−10) 413.等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、圧
縮機動翼ダブテールのように、高い平均接触面圧で接触
面圧と摺動荷重が変動する場合には、応力特異場の強さ
範囲ΔHとき裂発生限界応力特異場の強さ範囲ΔHｃの比
率で整理できないという問題があった。有限要素法解析
で得られた円周方向分布から求めたΔH／Ｈcでは、ΔH
／Ｈc＝１を境にしてき裂発生を予測できないという問
題もあった。また、有限要素解析によって求めた応力特
異場の強さ範囲ΔHにバラツキがあり、ΔH／Ｈc＝１を
境にしたき裂発生予測の精度と信頼性が低いという問題
があった。
縮機動翼ダブテールのように、高い平均接触面圧で接触
面圧と摺動荷重が変動する場合には、応力特異場の強さ
範囲ΔHとき裂発生限界応力特異場の強さ範囲ΔHｃの比
率で整理できないという問題があった。有限要素法解析
で得られた円周方向分布から求めたΔH／Ｈcでは、ΔH
／Ｈc＝１を境にしてき裂発生を予測できないという問
題もあった。また、有限要素解析によって求めた応力特
異場の強さ範囲ΔHにバラツキがあり、ΔH／Ｈc＝１を
境にしたき裂発生予測の精度と信頼性が低いという問題
があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記従来の方法の問題点
を解決するために、以下の技術的手段を採用した。
を解決するために、以下の技術的手段を採用した。
【０００５】接触端近傍の応力特異場の強さＨを、有限
要素法から得られる最大応力分布から求めて、応力特異
場の強さΔＨとき裂発生限界応力特異場の強さΔＨｃの
比率で、疲労試験結果を整理した。また、接触端近傍の
応力特異場の強さＨを算出するための応力分布を、分子
動力学解析、又は実験的手法としてナノインデンテーシ
ョン、Ｘ線応力測定法、中性子回折応力測定法により求
めた。
要素法から得られる最大応力分布から求めて、応力特異
場の強さΔＨとき裂発生限界応力特異場の強さΔＨｃの
比率で、疲労試験結果を整理した。また、接触端近傍の
応力特異場の強さＨを算出するための応力分布を、分子
動力学解析、又は実験的手法としてナノインデンテーシ
ョン、Ｘ線応力測定法、中性子回折応力測定法により求
めた。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面によ
り説明する。
り説明する。
【０００７】図１は、フレッテイング疲労嵌合試験の方
法を示す概略図である。圧縮機動翼を模擬した動翼ダブ
テール試験片１０１は、圧縮機ホイールを模擬したホイ
ールダブテール１０２に嵌合された状態で、動翼の遠心
力を模擬した軸力１０３と、動翼のガス曲げ力を模擬し
た軸力１０４を加える。疲労試験中、動翼ダブテール試
験片１０１とホイールダブテール試験片１０２の摺動に
より、多量の摩耗粉が生じ、接触端１０５の高い接触応
力によりフレッテイング疲労き裂１０６が発生する。
法を示す概略図である。圧縮機動翼を模擬した動翼ダブ
テール試験片１０１は、圧縮機ホイールを模擬したホイ
ールダブテール１０２に嵌合された状態で、動翼の遠心
力を模擬した軸力１０３と、動翼のガス曲げ力を模擬し
た軸力１０４を加える。疲労試験中、動翼ダブテール試
験片１０１とホイールダブテール試験片１０２の摺動に
より、多量の摩耗粉が生じ、接触端１０５の高い接触応
力によりフレッテイング疲労き裂１０６が発生する。
【０００８】図２は、試験片に加える変動荷重の概略図
である。圧縮機翼の遠心力を摸擬した最大荷重Ｆ２０１
を一定とし、圧縮機の定常又は起動、停止、異常時に発
生するガス曲げ力を変動荷重ΔＦ２０２として加える。
最大荷重Ｆ２０１と変動荷重ΔＦ２０２の差と、最大荷
重Ｆ２０１の比率である応力比Ｒは、0〜0.91まで変化
させる。
である。圧縮機翼の遠心力を摸擬した最大荷重Ｆ２０１
を一定とし、圧縮機の定常又は起動、停止、異常時に発
生するガス曲げ力を変動荷重ΔＦ２０２として加える。
最大荷重Ｆ２０１と変動荷重ΔＦ２０２の差と、最大荷
重Ｆ２０１の比率である応力比Ｒは、0〜0.91まで変化
させる。
【０００９】接触端近傍の応力分布は、次式で表わせ
る。
る。
【００１０】σ（ｒ）＝Ｈ／ｒλ ここで、σ（ｒ）は応力（MPa）、ｒは特異点（接触
端）からの距離（mm）、Ｈは応力特異場の強さ、λは特
異性の指数である。図３は、有限要素法（ＦＥＭ）解析
によって得られる最大主応力方向３０１と円周応力方向
３０２の応力分布から求めた応力特異場の強さＨと、特
異性の指数λである。ここで、図１に示すように、ダブ
テール肩角度１０７を30°、35°、及び40°と変化させ
てそれぞれの値を求めた。図４は、接触端からある一定
の距離（深さ）の応力が限界値に達した時に、き裂が発
生すると仮定した場合のき裂発生距離４０１を示すグラ
フである。き裂発生距離４０１は、動翼ダブテール１０
１の材料の平滑材疲労限σwo４０２と、き裂進展限界応
力拡大係数の範囲ΔKth４０３の交点より求めることが
できる。該き裂発生距離４０１と平滑材疲労限σwo４０
２、き裂進展限界応力拡大係数の範囲ΔKth４０３よ
り、き裂発生限界応力特異場の強さΔHc４０４が求ま
る。該き裂発生限界応力特異場の強さΔHc４０４に対し
て、各ダブテール肩角度で決まる応力特異場の強さΔH
をプロットする。図５は、円周方向応力分布から得られ
る応力特異場の強さΔH５０１をプロットしたグラフで
ある。図６は、最大主応力分布から得られる応力特異場
の強さΔH６０１をプロットしたグラフである。
端）からの距離（mm）、Ｈは応力特異場の強さ、λは特
異性の指数である。図３は、有限要素法（ＦＥＭ）解析
によって得られる最大主応力方向３０１と円周応力方向
３０２の応力分布から求めた応力特異場の強さＨと、特
異性の指数λである。ここで、図１に示すように、ダブ
テール肩角度１０７を30°、35°、及び40°と変化させ
てそれぞれの値を求めた。図４は、接触端からある一定
の距離（深さ）の応力が限界値に達した時に、き裂が発
生すると仮定した場合のき裂発生距離４０１を示すグラ
フである。き裂発生距離４０１は、動翼ダブテール１０
１の材料の平滑材疲労限σwo４０２と、き裂進展限界応
力拡大係数の範囲ΔKth４０３の交点より求めることが
できる。該き裂発生距離４０１と平滑材疲労限σwo４０
２、き裂進展限界応力拡大係数の範囲ΔKth４０３よ
り、き裂発生限界応力特異場の強さΔHc４０４が求ま
る。該き裂発生限界応力特異場の強さΔHc４０４に対し
て、各ダブテール肩角度で決まる応力特異場の強さΔH
をプロットする。図５は、円周方向応力分布から得られ
る応力特異場の強さΔH５０１をプロットしたグラフで
ある。図６は、最大主応力分布から得られる応力特異場
の強さΔH６０１をプロットしたグラフである。
【００１１】図７は、フレッテイング疲労試験結果を、
変動荷重ΔF２０２と最大荷重F２０１の比率ΔＦ／Ｆで
まとめたグラフである。ここで、白抜きの記号がき裂発
生した試験片を、黒抜きの記号がき裂がき裂発生しなか
った試験片を示す。図５に示した前記円周応力分布から
得られる応力特異場の強さΔH５０１と、き裂発生限界
応力特異場の強さΔHc４０４の比率で、図７に示した疲
労試験結果を整理したグラフが図８である。また、図６
に示した前記最大主応力分布から得られる応力特異場の
強さΔH６０１と、き裂発生限界応力特異場の強さΔHc
４０４の比率で、図７に示した疲労試験結果を整理した
グラフが図９である。ここで、白抜きの記号がき裂発生
した試験片を、黒抜きの記号がき裂がき裂発生しなかっ
た試験片を示す。図８に示すように、円周方向応力分布
でまとめると、ΔH／ΔHc＝1を境にして、き裂発生を予
測できない。しかしながら、図９に示すように、本発明
では最大主応力でまとめると、ΔH／ΔHc＝1を境にして
き裂発生の予測が可能でになるという効果がある。
変動荷重ΔF２０２と最大荷重F２０１の比率ΔＦ／Ｆで
まとめたグラフである。ここで、白抜きの記号がき裂発
生した試験片を、黒抜きの記号がき裂がき裂発生しなか
った試験片を示す。図５に示した前記円周応力分布から
得られる応力特異場の強さΔH５０１と、き裂発生限界
応力特異場の強さΔHc４０４の比率で、図７に示した疲
労試験結果を整理したグラフが図８である。また、図６
に示した前記最大主応力分布から得られる応力特異場の
強さΔH６０１と、き裂発生限界応力特異場の強さΔHc
４０４の比率で、図７に示した疲労試験結果を整理した
グラフが図９である。ここで、白抜きの記号がき裂発生
した試験片を、黒抜きの記号がき裂がき裂発生しなかっ
た試験片を示す。図８に示すように、円周方向応力分布
でまとめると、ΔH／ΔHc＝1を境にして、き裂発生を予
測できない。しかしながら、図９に示すように、本発明
では最大主応力でまとめると、ΔH／ΔHc＝1を境にして
き裂発生の予測が可能でになるという効果がある。
【００１２】図３に示した最大主応力方向３０１の応力
分布を求めるために、実験的手法を用いた。図１０は、
ナノインデンテーションにより最大主応力方向の応力分
布を求める方法を示す概略図である。前記動翼ダブテー
ル試験片１０１の表面上で、鋭利なプローブ１００１を
押しつけ、圧痕１００２を形成させる。圧痕１００２が
生じる際に得られる応力―ひずみ曲線１００３は、荷重
が負荷されず応力が存在しない場合の応力―ひずみ曲線
１００４と異なる。該両者の差から最大主応力方向３０
１上での最大主応力を推定する。該ナノインデンテーシ
ョン以外の実験的手法としては、中性子回折応力測定
た、Ｘ線回折応力測定等も適用可能である。さらに、原
子レベルの解析手法として、分子動力学も適用できる。
図１１は、該実験的手法や分子動力学を用いて得られた
最大主応力方向３０１上の応力分布より求まる応力特異
場の強さΔHで、疲労試験結果をまとめたグラフであ
る。図９の有限要素法解析の結果と同様に、ΔH／ΔHc
＝1を境にしてき裂発生を予測できるが、さらに試験片
間のバラツキ１１０１が小さくなり、き裂発生予測の精
度と信頼性が向上するという効果がある。
分布を求めるために、実験的手法を用いた。図１０は、
ナノインデンテーションにより最大主応力方向の応力分
布を求める方法を示す概略図である。前記動翼ダブテー
ル試験片１０１の表面上で、鋭利なプローブ１００１を
押しつけ、圧痕１００２を形成させる。圧痕１００２が
生じる際に得られる応力―ひずみ曲線１００３は、荷重
が負荷されず応力が存在しない場合の応力―ひずみ曲線
１００４と異なる。該両者の差から最大主応力方向３０
１上での最大主応力を推定する。該ナノインデンテーシ
ョン以外の実験的手法としては、中性子回折応力測定
た、Ｘ線回折応力測定等も適用可能である。さらに、原
子レベルの解析手法として、分子動力学も適用できる。
図１１は、該実験的手法や分子動力学を用いて得られた
最大主応力方向３０１上の応力分布より求まる応力特異
場の強さΔHで、疲労試験結果をまとめたグラフであ
る。図９の有限要素法解析の結果と同様に、ΔH／ΔHc
＝1を境にしてき裂発生を予測できるが、さらに試験片
間のバラツキ１１０１が小さくなり、き裂発生予測の精
度と信頼性が向上するという効果がある。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、動翼ダブテールのフレ
ッテイング疲労寿命を精度良く予測できるので、圧縮機
の強度信頼性の向上を図ることができるという効果があ
る。
ッテイング疲労寿命を精度良く予測できるので、圧縮機
の強度信頼性の向上を図ることができるという効果があ
る。
【図１】フレッテイング疲労嵌合試験の方法を示す概略
図である。
図である。
【図２】試験片に加える変動荷重の概略図である。
【図３】有限要素法（ＦＥＭ）解析によって得られる最
大主応力方向と円周応力方向の応力分布から求めた応力
特異場の強さＨと特異性の指数λを示す表である。
大主応力方向と円周応力方向の応力分布から求めた応力
特異場の強さＨと特異性の指数λを示す表である。
【図４】接触端からある一定の距離（深さ）の応力が限
界値に達した時に、き裂が発生すると仮定した場合のき
裂発生距離を示すグラフである。
界値に達した時に、き裂が発生すると仮定した場合のき
裂発生距離を示すグラフである。
【図５】円周方向応力分布から得られる応力特異場の強
さをプロットしたグラフである。
さをプロットしたグラフである。
【図６】最大主応力分布から得られる応力特異場の強さ
ΔH６０１をプロットしたグラフである。
ΔH６０１をプロットしたグラフである。
【図７】フレッテイング疲労試験結果を変動荷重ΔFと
最大荷重Fの比率ΔＦ／Ｆでまとめたグラフである。
最大荷重Fの比率ΔＦ／Ｆでまとめたグラフである。
【図８】図５に示した前記円周応力分布から得られる応
力特異場の強さΔHと、き裂発生限界応力特異場の強さ
ΔHcの比率で、図７の疲労試験結果を整理したグラフで
ある。
力特異場の強さΔHと、き裂発生限界応力特異場の強さ
ΔHcの比率で、図７の疲労試験結果を整理したグラフで
ある。
【図９】図６に示した前記最大主応力分布から得られる
応力特異場の強さΔHと、き裂発生限界応力特異場の強
さΔHの比率で、図７の疲労試験結果を整理したグラフ
である。
応力特異場の強さΔHと、き裂発生限界応力特異場の強
さΔHの比率で、図７の疲労試験結果を整理したグラフ
である。
【図１０】ナノインデンテーションにより最大主応力方
向の応力分布を求める方法を示す概略図である。
向の応力分布を求める方法を示す概略図である。
【図１１】実験的手法や分子動力学を用いて得られた最
大主応力方向上の応力分布より求まる応力特異場の強さ
ΔHで、図７の疲労試験結果をまとめたグラフである。
大主応力方向上の応力分布より求まる応力特異場の強さ
ΔHで、図７の疲労試験結果をまとめたグラフである。
１０１…動翼ダブテール試験片、１０２…ホイールダブ
テール、１０３…動翼の遠心力を模擬した軸力、１０４
…動翼のガス曲げ力を模擬した軸力、１０５…接触端、
１０６…フレッテイング疲労き裂、２０１…最大荷重
Ｆ、２０２…変動荷重ΔＦ、３０１…最大主応力方向、
４０１…き裂発生距離、４０２…平滑材疲労限σwo、４
０３…き裂進展限界応力拡大係数の範囲ΔKth、４０４
…き裂発生限界応力特異場の強さΔHc、５０１…円周方
向応力分布から得られる応力特異場の強さΔH、６０１
…最大主応力分布から得られる応力特異場の強さΔH、
１００１…鋭利なプローブ、１００２…圧痕、１００３
…応力―ひずみ曲線、１００４…荷重が負荷されず応力
が存在しない場合の応力―ひずみ曲線、１１０１…試験
片間のバラツキ。
テール、１０３…動翼の遠心力を模擬した軸力、１０４
…動翼のガス曲げ力を模擬した軸力、１０５…接触端、
１０６…フレッテイング疲労き裂、２０１…最大荷重
Ｆ、２０２…変動荷重ΔＦ、３０１…最大主応力方向、
４０１…き裂発生距離、４０２…平滑材疲労限σwo、４
０３…き裂進展限界応力拡大係数の範囲ΔKth、４０４
…き裂発生限界応力特異場の強さΔHc、５０１…円周方
向応力分布から得られる応力特異場の強さΔH、６０１
…最大主応力分布から得られる応力特異場の強さΔH、
１００１…鋭利なプローブ、１００２…圧痕、１００３
…応力―ひずみ曲線、１００４…荷重が負荷されず応力
が存在しない場合の応力―ひずみ曲線、１１０１…試験
片間のバラツキ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 敏雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 2G001 AA01 AA04 BA18 CA01 CA04 GA01 GA13 KA07 2G061 AB05 BA03 CA01 CB03 CB13 CB18 DA11 DA12 EC02
Claims (7)
- 【請求項１】 接触面圧を受ける部材からなる摺動部に
おいて、接触端に応力特異場理論を適用し、有限要素法
解析から得られた最大主応力分布より求めた接触端に発
生する応力特異場の強さ範囲Hとき裂発生限界応力特異
場の強さ範囲ΔHｃの比率を用いて、試験片で得られた
疲労寿命を整理することにより実機の疲労寿命を予測す
ることを特徴とするフレッテイング疲労評価方法。 - 【請求項２】 接触面圧を受ける部材からなる摺動部に
おいて、接触端に応力特異場理論を適用し、実験的手法
により求めた接触端に発生する応力特異場の強さ範囲Δ
Hとき裂発生限界応力特異場の強さ範囲ΔHｃの比率を用
いて、試験片で得られた疲労寿命を整理することにより
実機の疲労寿命を予測することを特徴とするフレッテイ
ング疲労評価方法。 - 【請求項３】 接触面圧を受ける部材からなる摺動部に
おいて、接触端に応力特異場理論を適用し、分子動力学
により求めた接触端に発生する応力特異場の強さ範囲Δ
Hとき裂発生限界応力特異場の強さ範囲ΔHｃの比率を用
いて、試験片で得られた疲労寿命を整理することにより
実機の疲労寿命を予測することを特徴とするフレッテイ
ング疲労評価方法。 - 【請求項４】 請求項２記載のフレッテイング疲労評価
方法において、前記実験的手法がナノインデンテーショ
ンであることを特徴とするフレッテイング疲労評価方
法。 - 【請求項５】 請求項２記載のフレッテイング疲労評価
方法において、前記実験的手法がX線応力測定であるこ
とを特徴とするフレッテイング疲労評価方法。 - 【請求項６】 請求項２記載のフレッテイング疲労評価
方法において、前記実験的手法が中性子回折応力測定で
あることを特徴とするフレッテイング疲労評価方法。 - 【請求項７】 請求項１〜６記載のフレッテイング疲労
評価方法において、前記接触面圧を受ける部材からなる
摺動部が圧縮機動翼ダブテールであることを特徴とする
フレッテイング疲労評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001116296A JP2002310867A (ja) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | フレッテイング疲労評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001116296A JP2002310867A (ja) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | フレッテイング疲労評価方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002310867A true JP2002310867A (ja) | 2002-10-23 |
Family
ID=18967051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001116296A Pending JP2002310867A (ja) | 2001-04-16 | 2001-04-16 | フレッテイング疲労評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002310867A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011039004A (ja) * | 2009-08-18 | 2011-02-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 磨耗現象解析システム及び磨耗現象解析方法 |
| JP2011513700A (ja) * | 2008-02-25 | 2011-04-28 | スネクマ | ベーン基部のコーティングを試験する方法 |
| JP2011513701A (ja) * | 2008-02-25 | 2011-04-28 | スネクマ | ベーン基部のコーティングを試験するための装置 |
| JP2015081790A (ja) * | 2013-10-21 | 2015-04-27 | 三菱重工業株式会社 | フレッティング疲労試験装置及びフレッティング疲労試験方法 |
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| CN114813327A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-07-29 | 西南交通大学 | 一种榫结构微动疲劳试验系统和微动疲劳裂纹检测方法 |
| CN116429362A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-14 | 西安航天动力研究所 | 一种用于发动机管路结构的疲劳试验方法 |
-
2001
- 2001-04-16 JP JP2001116296A patent/JP2002310867A/ja active Pending
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