JP2003014601A - Method for evaluating progress in fatigue crack - Google Patents

Method for evaluating progress in fatigue crack

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JP2003014601A
JP2003014601A JP2001197984A JP2001197984A JP2003014601A JP 2003014601 A JP2003014601 A JP 2003014601A JP 2001197984 A JP2001197984 A JP 2001197984A JP 2001197984 A JP2001197984 A JP 2001197984A JP 2003014601 A JP2003014601 A JP 2003014601A
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JP
Japan
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crack
mode
crack growth
fracture
ratio
Prior art date
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JP2001197984A
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Japanese (ja)
Inventor
Kentaro Yoshimoto
賢太郎 吉本
Minoru Tomimatsu
実 冨松
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for performing an accurate fatigue crack progress evaluation for each individual crack by assuming a case where pull load and torsion load are operated simultaneously. SOLUTION: The method for evaluating the progress in fatigue cracks due to the machine fatigue of a rotary shaft comprises a crack angle measurement process, a mode ratio calculation process, a crack progress judgment process, and further a breakdown mode judgment process and a life evaluation process as needed, or a change point calculation process and a life evaluation process.

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】本発明は、疲労き裂進展の評
価方法に関し、特に、ポンプ軸等の繰り返しねじり及び
回転曲げが同時に作用する回転軸について、機械的疲労
によるき裂進展を精度良く評価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 evaluating fatigue crack growth, and more particularly, to a highly accurate evaluation of crack growth due to mechanical fatigue for a rotary shaft such as a pump shaft on which repeated torsion and rotary bending simultaneously act. It is about how to do it.

【0002】[0002]

【従来の技術】高温の水を送り出すポンプの主軸等にお
いては、温度揺らぎにより熱疲労亀裂が発生することが
あるが、この熱疲労亀裂をきっかけにして機械的な繰り
返し負荷によって、疲労き裂が進展する場合がある。一
般に、回転軸には回転力を与えるために、ねじり負荷
と、回転軸の自重その他による回転曲げ負荷が作用す
る。この場合、トルクによる回転力と曲げが同時に作用
するので、このような条件を考慮したき裂に対する評価
が必要である。一方、従来の評価法では、例えば丸棒の
円周上にき裂が発生していた場合、これに対する上下方
向からの引張り負荷に対する評価が行われていた。
2. Description of the Related Art In a main shaft or the like of a pump that pumps high-temperature water, thermal fatigue cracks may occur due to temperature fluctuations. It may progress. Generally, in order to apply a rotational force to the rotating shaft, a torsional load and a rotating bending load due to the weight of the rotating shaft and other factors act. In this case, since the rotational force due to the torque and the bending act simultaneously, it is necessary to evaluate the crack considering such conditions. On the other hand, in the conventional evaluation method, when a crack is generated on the circumference of a round bar, for example, the tensile load from the vertical direction is evaluated.

【0003】しかしながら、回転曲げ疲労に対するき裂
進展寿命評価は確立していても、引張り負荷にねじり負
荷を含めた負荷の重畳を考慮したき裂進展評価法は開発
されていなかった。特に、回転曲げ負荷に対するねじり
負荷の比率やねじり負荷のレベルによっては、破壊形態
が大きく変化し、き裂進展速度が急速に加速することが
あり、破壊形態の変化点を予測することが重要であるに
もかかわらず、これらを考慮した評価方法は検討されて
いなかった。
However, even though the crack growth life evaluation against rotational bending fatigue has been established, a crack growth evaluation method considering the superposition of loads including a tensile load and a torsion load has not been developed. In particular, depending on the ratio of the torsional load to the rotational bending load and the level of the torsional load, the fracture morphology may change significantly and the crack growth rate may accelerate rapidly.It is important to predict the change point of the fracture morphology. Despite this, evaluation methods that take these into consideration have not been examined.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、引張り負荷とねじり負荷とが同時に作用す
るような場合を想定して、個別のき裂毎に精度の高い疲
労き裂進展評価、あるいは寿命評価が可能となる方法を
開発すべく、鋭意検討した。その結果、本発明者らは、
回転曲げ負荷に対するねじり負荷の比率であるモード比
を算出し、このモード比を用いてき裂進展や破壊形態変
化を予測することによって、かかる問題点が解決される
ことを見い出した。本発明は、かかる見地より完成され
たものである。
In view of the above problems, the present inventors have assumed a case in which a tensile load and a torsion load are simultaneously applied, and have a high degree of accuracy in fatigue cracking for each individual crack. We have conducted intensive studies to develop a method that enables evaluation of crack growth or life. As a result, the inventors
It has been found that such a problem can be solved by calculating a mode ratio, which is a ratio of a torsional load to a rotating bending load, and using the mode ratio to predict a crack growth and a change in fracture morphology. The present invention has been completed from this point of view.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、回
転軸の機械疲労による疲労き裂進展の評価方法であっ
て、き裂が発生した部分の割れについて、回転軸方向と
垂直な円周面に対する該割れの傾き角度ψを測定する、
角度測定工程と、該角度ψから、回転曲げ負荷に対する
ねじり負荷の比率であるモード比を算出する、モード比
算出工程と、き裂進展下限界線を用いて、該モード比に
おけるき裂進展領域を力学的パラメーターの範囲として
算出し、き裂が発生した回転軸についての力学的パラメ
ーターΔK が該き裂進展領域に属するか否かを判定す
る、き裂進展判定工程と、を含むことを特徴とする疲労
き裂進展の評価方法を提供するものである。
[Means for Solving the Problems] That is, the present invention is
This is an evaluation method for fatigue crack growth due to mechanical fatigue of the rolling axis.
The crack in the cracked part,
Measuring the inclination angle ψ of the crack with respect to the vertical circumferential surface,
From the angle measurement process and the angle ψ,
The mode ratio, which is the ratio of the torsional load, is calculated.
Using the calculation process and the crack growth lower limit line,
The crack propagation region in the range of mechanical parameters
Calculated and mechanical parameters for the axis of rotation where the crack is generated.
Starter ΔK IWhether or not belongs to the crack growth area
Fatigue characterized by including a crack growth determination process
It provides a method for evaluating crack growth.

【0006】本発明の疲労き裂進展の評価方法では、前
記工程にさらに加えて、モード変化限界線を用いて、そ
の前後で異なる破壊モードとなる破壊形態変化点の有無
を判定する、破壊モード判定工程と、判定された破壊モ
ードにて、力学的パラメーターΔKとき裂進展速度と
の関係から、き裂進展による回転軸破壊までの寿命を評
価する、寿命評価工程と、を含む態様も提供する。また
別の工程として、前記工程に加えて、モード変化限界線
を用いて、その前後で異なる破壊モードとなる破壊形態
変化点を前記モード比において算出する、変化点算出工
程と、該破壊形態変化点の前後の2つの破壊モードのう
ち、力学的パラメーターΔKとき裂進展速度との関係
から、より速い進展速度の破壊モードによって、き裂進
展による回転軸破壊までの寿命を評価する、寿命評価工
程と、を含む態様も提供するものである。
In the fatigue crack growth evaluation method of the present invention, in addition to the above steps, the mode change limit line is used to determine the presence / absence of a fracture mode change point that causes different fracture modes before and after that. Also provided is an aspect including a judgment step and a life evaluation step of evaluating the life until the rotation axis failure due to crack growth from the relationship between the dynamic parameter ΔK I and the crack growth rate in the judged fracture mode. To do. As another step, in addition to the above steps, a change point calculation step of calculating a fracture form change point at the mode ratio that causes different fracture modes before and after using a mode change limit line, and the fracture form change Of the two failure modes before and after the point, from the relationship with the mechanical parameter ΔK I and the crack growth rate, the life up to the rotating shaft failure due to crack growth is evaluated by the fracture mode with a faster growth rate. An embodiment including a step is also provided.

【0007】本発明では、回転軸に熱疲労割れ等による
き裂が発見された場合、そのき裂に対してどのようなね
じり負荷と引張り負荷が作用するかを予測して、モード
比を決定する。さらに、き裂進展の限界線を導き出すこ
とによって、決定したモード比において、き裂箇所から
更に進展するか、あるいは進展しないか、の判定が可能
になる。そして、き裂が進展するき裂進展領域に入って
いる場合には、寿命評価工程によって寿命を算出する。
さらに、破断形態変位点を有するような場合には、き裂
の進展が引張支配型あるいはせん断型のいすれであるの
かを判定して、寿命を予測する。この本発明の方法によ
れば、従来の評価方法に比べて的確で精度の良いき裂進
展予測が可能となる。
According to the present invention, when a crack due to thermal fatigue cracks or the like is found on the rotating shaft, it is predicted what kind of torsional load and tensile load will act on the crack and the mode ratio is determined. To do. Furthermore, by deriving the limit line of crack growth, it becomes possible to determine whether or not the crack mode further propagates or does not progress at the determined mode ratio. Then, when the crack is in the crack growth region where it propagates, the life is calculated by the life evaluation step.
Furthermore, in the case where there is a fracture mode displacement point, it is judged whether the crack growth is of the tensile dominant type or the shear type, and the life is predicted. According to the method of the present invention, it is possible to accurately and accurately predict crack growth as compared with the conventional evaluation method.

【0008】なお、モード比とは、き裂について作用す
る、回転曲げ負荷(引張り負荷)に対するねじり負荷の
比率であり、検査等で発見されたき裂が生じた部分の傾
きから判定する。具体的には図1のようなグラフによっ
て、ねじれ角からモード比が算出可能であり、これによ
って図2の傾きが確定する。また、本発明で用いられる
力学的パラメーターΔKは、き裂がフラットな状態に
対する力学的パラメーターであり、実際に対象とする混
合モードでは、これにねじり負荷を加えた予測を行わな
くてはならない。2つの負荷が作用する場合に、き裂進
展が始まる限界線を表す式は、次のように表すことがで
きる。
The mode ratio is the ratio of the torsional load to the rotational bending load (tensile load) that acts on the crack, and is determined from the inclination of the cracked portion found by inspection or the like. Specifically, the mode ratio can be calculated from the twist angle by the graph as shown in FIG. 1, and the inclination of FIG. 2 is determined by this. Further, the mechanical parameter ΔK I used in the present invention is a mechanical parameter for a state in which a crack is flat, and in the actually targeted mixed mode, it is necessary to make a prediction by adding a torsional load thereto. . The equation representing the limit line at which crack growth begins when two loads act can be expressed as:

【0009】[0009]

【数1】 [Equation 1]

【0010】本発明では、各材料毎に実験によって、モ
ードIおよびIIIにおける進展速度(da/dN)
(da/dN)IIIを求めておく必要がある。また、各
材料毎に実験によって、異なるモード比(III/I)に
おけるモード変化する点(da/dN)=(da/d
N)IIIから、モード変化限界線を求めておく必要があ
る。以下、本発明に係る方法を実施するための形態につ
いて説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定
されるものではない。
In the present invention, it is necessary to experimentally determine the growth rates (da / dN) I and (da / dN) III in modes I and III for each material. In addition, a point (da / dN) I = (da / d) at which the mode changes at a different mode ratio (III / I) is experimentally determined for each material.
N) It is necessary to obtain the mode change limit line from III . Hereinafter, modes for carrying out the method according to the present invention will be described. The present invention is not limited to the embodiments below.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】先ず、本発明の評価方法を実際に
適用するに際し、回転軸の破断面から異なるモードの確
認、および、モードによる進展速度の違いについて考察
する。図3に、回転軸に引張り負荷とねじり負荷とが同
時に作用する場合の実験結果を示す。横軸がモードI
(回転曲げ負荷)の作用応力、縦軸がき裂進展速度であ
り、繰り返しの作用応力が大きくなると進展速度も大き
くなってくることが分かる。実験では、ねじり負荷と引
張り負荷との比率を変化させる。ねじりの比率が大きく
なると、き裂進展速度が速くなる傾向にある。そして、
ある条件で急に進展速度が大きくなる箇所があり、傾き
が変化する箇所(破壊形態変化点)で急に進展速度が速
くなった。これは、破壊モード自体が変化するためであ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, when actually applying the evaluation method of the present invention, the confirmation of different modes from the fracture surface of the rotating shaft and the difference in the propagation speed depending on the modes will be considered. FIG. 3 shows an experimental result when a tensile load and a torsion load act simultaneously on the rotating shaft. Horizontal axis is mode I
It is understood that the action stress of (rotary bending load) and the crack growth rate are plotted on the vertical axis, and the rate of propagation increases as the repeated action stress increases. In the experiment, the ratio of torsional load to tensile load is changed. The crack growth rate tends to increase as the twist ratio increases. And
Under certain conditions, there was a point where the growth rate suddenly increased, and at a point where the slope changed (fracture morphology change point), the growth rate suddenly increased. This is because the destruction mode itself changes.

【0012】破壊のモード比はΔKIII/ΔK で表さ
れ、数値が大きい程、ねじり負荷の比率が高くなる。実
際の回転軸の破断した面を観察すると、モード比0(純
モードI:引張り負荷のみ),モード比0.5,モード
比1.0については、進展速度がほとんど変化しない。
それに対して、モード比2.5では、進展速度が大きく
変化する。モード比を変えた場合について、それぞれの
破断面を比較して観察してみると、モード比0〜1.0
には、ひだ状の模様が形成されている(引張り支配
型)。破壊のメカニズムとして、純粋なねじり負荷だけ
の場合には、主応力の向きが45°になり、それに対し
て垂直にき裂が生じる。ねじり負荷の比率が大きくなる
と応力の向きが45°に近くなるのである。
The fracture mode ratio is represented by ΔK III / ΔK I , and the larger the numerical value, the higher the ratio of the torsional load. Observing the fractured surface of the actual rotating shaft, there is almost no change in the propagation speed when the mode ratio is 0 (pure mode I: only tensile load), the mode ratio is 0.5, and the mode ratio is 1.0.
On the other hand, when the mode ratio is 2.5, the growth rate changes greatly. When comparing the fracture surfaces when changing the mode ratio, the mode ratio is 0 to 1.0.
Has a pleated pattern (tensile dominant type). As a failure mechanism, in the case of pure torsional load only, the principal stress direction is 45 °, and a crack is generated perpendicularly thereto. As the ratio of torsional load increases, the direction of stress approaches 45 °.

【0013】ねじり負荷の比率が更に大きくなったモー
ド比2.5の場合には、き裂が主応力に対して垂直に進
行せずに、せん断力(せん断型)によって進行する。こ
のような異なる負荷比率による破断の仕方の相違によっ
て、実機においては、どの様な状態でき裂が進展するの
かを予測できないと、寿命を想定することもできず、突
然に破断してしまうことにもなりかねない。よって、こ
のような異なる負荷を考慮に入れて、そこから正確なき
裂進展を評価し、寿命を予測するのが本発明の方法であ
る。
When the ratio of the torsional load is further increased and the mode ratio is 2.5, the crack does not propagate perpendicularly to the principal stress but propagates by a shearing force (shear type). Due to the difference in the way of fracture due to such different load ratios, in the actual machine, if it is not possible to predict what kind of state and how the crack will propagate, it will not be possible to predict the service life and suddenly fracture. It can happen. Therefore, the method of the present invention is to evaluate such accurate crack growth and predict the life by taking such different loads into consideration.

【0014】1)モード比の算出 モード比の算出は主に、き裂が発生した部分の割れにつ
いて、回転軸方向と垂直な円周面に対する該割れの傾き
角度ψを測定する、き裂角度測定工程と、角度ψから、
回転曲げ負荷に対するねじり負荷の比率であるモード比
を算出する、モード比算出工程と、からなる。実際の装
置内に設置されている回転軸において、その軸に負荷さ
れている応力については、ねじりと引張りの比率が分か
っていない。よって、回転軸方向と垂直な円周面に対す
るき裂の傾き角ψを測定することにより、図1に示す曲
線から、モード比ΔKIII/ΔKを推定し、ねじり負
荷の比率を決定する。図1は、ねじりと引張り負荷の比
率を数段階に分けて実際に破断面を形成させてから、そ
の破断面を実測してねじれ角を測定した、実測値(●
点)に、主応力方向を計算して、応力に対して垂直の方
向に割れが生じるとした場合の予測線(実線)をフィッ
ティングしたものである。縦軸にあたるファセットのね
じれ角ψを測定すれば、概略の混合モード比が算定でき
る。例えば実際の装置では検査等において、き裂が発見
されれば、き裂角度から図1を用いてモード比を推定す
る。き裂の割れは表面に見られるが破断までには至って
いない場合には、表面を削ってスンプ等によって軸に対
する傾き角度を測定する。
1) Calculation of Mode Ratio The calculation of the mode ratio is mainly performed on a crack in a portion where a crack occurs, by measuring an inclination angle ψ of the crack with respect to a circumferential surface perpendicular to the rotation axis direction. From the measurement process and the angle ψ,
A mode ratio calculating step of calculating a mode ratio, which is a ratio of a torsion load to a rotating bending load. As for the stress applied to the rotating shaft installed in the actual device, the ratio of torsion to tension is not known. Therefore, the mode ratio ΔK III / ΔK I is estimated from the curve shown in FIG. 1 by measuring the inclination angle ψ of the crack with respect to the circumferential surface perpendicular to the rotation axis direction, and the torsional load ratio is determined. Fig. 1 shows the measured values of the fracture angle measured by actually measuring the fracture surface after forming the fracture surface by dividing the ratio of torsion and tensile load into several stages.
The point) is the fitting of the prediction line (solid line) when the principal stress direction is calculated and cracks occur in the direction perpendicular to the stress. The approximate mixed mode ratio can be calculated by measuring the twist angle ψ of the facet, which is the vertical axis. For example, in an actual device, if a crack is found in inspection or the like, the mode ratio is estimated from the crack angle using FIG. If cracks appear on the surface but have not yet been broken, the surface is shaved and the tilt angle with respect to the axis is measured by a sump or the like.

【0015】2)き裂進展の判定 き裂進展の判定では、き裂進展下限界線を用いて、上記
モード比におけるき裂進展領域を力学的パラメーターΔ
Ithの範囲として算出し、き裂が発生した回転軸につ
いての力学的パラメーターΔKが該き裂進展領域に属
するか否かを判定する。回転軸に対してある一定の負荷
以下では、き裂が進展しなくなる限界値が存在する。引
張り負荷単独の場合と、引張り負荷とねじり負荷が重畳
した場合とでは、このき裂進展限界値も異なる。図2に
て、プロット点が実験を行った測定値である。ここで、
モードI応力拡大係数とは引張り負荷に対する力学パラ
メーター、モードIII応力拡大係数とはねじり負荷に対
する応力パラメーターである。縦軸と横軸の切片は、そ
れぞれの負荷単独におけるき裂進展の開始点を示してい
る。図2において、●はその条件でき裂が進展するデー
タ、○はその条件でき裂が進展しないデータである。純
粋に引張り負荷だけの場合には、ΔKI/ΔKIth=1で
あり、純粋にねじり負荷だけの場合には、ΔKIII/Δ
Ith=1.35程度であった。その間の2つの負荷が
作用する場合には、(a)の限界線を超えるとき裂進展
が始まる。き裂進展下限界線の式は、次のように表すこ
とができる。
2) Judgment of Crack Growth In the judgment of crack growth, the crack growth lower limit line is used to determine the crack growth region at the above mode ratio by the mechanical parameter Δ.
It is calculated as the range of K Ith , and it is determined whether or not the mechanical parameter ΔK I for the rotation axis in which the crack has occurred belongs to the crack growth region. Below a certain load on the rotating shaft, there is a limit value at which the crack does not propagate. This crack growth limit value also differs between the case of tensile load alone and the case of overlapping tensile load and torsion load. In FIG. 2, the plotted points are the measured values of the experiment. here,
The mode I stress intensity factor is a mechanical parameter for tensile loading, and the mode III stress intensity factor is a stress parameter for torsional loading. The intercepts on the ordinate and the abscissa indicate the starting points of crack growth under each load alone. In FIG. 2, ● indicates data in which cracks propagate under the conditions, and ○ indicates data in which cracks do not propagate under the conditions. In the case of pure tensile load only, ΔK I / ΔK Ith = 1; in the case of pure torsion load only, ΔK III / Δ
K Ith was about 1.35. When two loads in between act, crack growth begins when the limit line in (a) is exceeded. The equation for the crack growth lower limit line can be expressed as follows.

【0016】[0016]

【数2】 式(1)中、Yは純粋なねじり負荷(純モードIII)にて
0.74であり、νはポアソン比を示す。
[Equation 2] In the equation (1), Y is 0.74 under a pure torsion load (pure mode III), and ν is a Poisson's ratio.

【0017】この式に従う限界曲線は、実機でのモード
比を考慮した実験結果とも良く整合しており、き裂進展
の各モードにおける限界を的確に判断できる。ねじり負
荷と回転曲げ負荷との混合モードでは、円周上に対して
斜めにき裂が発生するので、斜めの割れに対する力学パ
ラメーターΔKIthを上記式(1)から算出する。な
お、通常の力学的パラメーターΔK値の計算において
は、回転軸の円周上に沿って真直ぐのき裂が生じている
場合を想定して行う。しかし、実際の回転軸のき裂で
は、円周から傾き角度ψを有するき裂が発生する。特
に、本発明が解析の対象とする引張り負荷とねじり負荷
とが同時に作用するような場合には、それらの負荷の比
率により円周上から傾きを有するき裂が生じる。そこ
で、本発明では、円周上にき裂が存在しており、その先
端から傾いたき裂が発生している場合を想定して、き裂
に対する力学的パラメーターΔK値は、上記式(1)の
ように表すものとした。
The limit curve according to this equation is in good agreement with the experimental result considering the mode ratio in the actual machine, and the limit in each mode of crack growth can be accurately judged. In the mixed mode of the torsional load and the rotational bending load, a crack is obliquely generated on the circumference. Therefore, the mechanical parameter ΔK Ith for the oblique crack is calculated from the above formula (1). In the calculation of the normal mechanical parameter ΔK value, it is assumed that a straight crack is formed along the circumference of the rotation axis. However, in the actual crack of the rotating shaft, a crack having an inclination angle ψ is generated from the circumference. In particular, when the tensile load and the torsional load, which are targets of analysis in the present invention, act simultaneously, a crack having an inclination from the circumference occurs due to the ratio of the loads. Therefore, in the present invention, assuming that a crack exists on the circumference and a crack inclined from the tip thereof is generated, the mechanical parameter ΔK value for the crack is expressed by the above formula (1). It is expressed as follows.

【0018】したがって、図2を用いて、実機で想定さ
れるモード比に対し、混合荷重下でのき裂進展に対する
限界線を用いて、モードI(回転曲げ負荷)に対するき
裂進展下限界値ΔKIthを求める。実機で想定されるΔ
Iに対し、ΔKI≧ΔKIthの場合、き裂が進展し、Δ
I<ΔKIthの場合、き裂が進展しないと判定する。こ
のように実機の条件(モード比)が判明すれば、どのよ
うな場合にき裂が進展し始めるかを想定できる。
Therefore, referring to FIG. 2, the crack propagation lower limit value for mode I (rotary bending load) is determined by using the limit line for crack growth under mixed load with respect to the mode ratio assumed in the actual machine. Calculate ΔK I th. Assumed in actual machine Δ
For K I, the case of ΔK I ≧ ΔK I th, the crack progress, Δ
When K I <ΔK I th, it is determined that the crack does not propagate. If the condition (mode ratio) of the actual machine is known in this way, it can be assumed in what case the crack will start to propagate.

【0019】3)破壊形態による寿命評価(予測) 上記のき裂進展の判定によって、き裂が進展すると判断
された場合、該き裂についてはモード比を考慮して破壊
形態別に寿命を評価する。この破壊形態による寿命評価
の1つには、モード変化限界線を用いて、その前後で異
なる破壊モードとなる破壊形態変化点の有無を判定す
る、破壊モード判定工程と、判定された破壊モードに
て、力学的パラメーターΔKとき裂進展速度との関係
から、き裂進展による回転軸破壊までの寿命を評価す
る、寿命評価工程と、からなる評価法がある。また、モ
ード変化限界線を用いて、その前後で異なる破壊モード
となる破壊形態変化点をモード比において算出する、変
化点算出工程と、該破壊形態変化点の前後の2つの破壊
モードのうち、力学的パラメーターΔKとき裂進展速
度との関係から、より速い進展速度の破壊モードによっ
て、き裂進展による回転軸破壊までの寿命を評価する、
寿命評価工程と、からなる評価法もある。ここでは、通
常の方法では的確な寿命評価が困難な、破壊形態変化点
を有する態様について、変化点算出工程を経て寿命評価
工程に至る評価法を説明する。
3) Evaluation of Life by Fracture Form (Prediction) When it is judged that a crack grows by the above-mentioned judgment of crack growth, the life of each crack is evaluated by considering the mode ratio. . One of the life evaluations based on the fracture mode is to determine the presence or absence of a fracture mode change point that causes different fracture modes before and after using the mode change limit line, and a destruction mode determination process and a determined fracture mode. Then, there is an evaluation method comprising a life evaluation step of evaluating the life up to fracture of the rotating shaft due to crack growth from the relationship between the mechanical parameter ΔK I and the crack growth rate. In addition, using a mode change limit line, a change point calculation step of calculating a change point of a change in the form of a fracture that is a different change mode before and after the change point, and two fracture modes before and after the change point of the change in the change point, From the relationship between the mechanical parameter ΔK I and the crack growth rate, the life up to fracture of the rotating shaft due to crack growth is evaluated by the fracture mode with a higher propagation rate.
There is also an evaluation method consisting of a life evaluation step. Here, an evaluation method of reaching a life evaluation step through a change point calculation step will be described for a mode having a fracture form change point, which is difficult to perform an accurate life evaluation by a normal method.

【0020】図3に示すように、混合荷重下での疲労き
裂進展では、ΔKのレベルやモード比によって破壊形態
が異なり、この破壊形態の変化点を境にして、進展速度
が異なる。この急激な進展速度の変化を生じる点を予測
できなければ、き裂進展による寿命を予測することもで
きない。よって、先ず図3の破壊形態変化点ΔKI tを予
測する。この破壊形態変化点ΔKI tは、図4に示すよう
な実機で想定されるモード比から予測できる。ここで、
横軸のΔKは引張り負荷に対する力学パラメーター、
縦軸のΔKIIIはねじり負荷に対する力学パラメーター
である。図4において、各モード比における実験では、
■がせん断型であり、□が引張り支配型である。そし
て、(b)線がモード変化限界線〔(da/dN)
(da/dN)II I〕であり、この(b)線より下部の
範囲ではモードI依存型〔(da/dN) >(da/
dN)III〕であり、上部の範囲ではモードIII依存型
〔(da/dN)<(da/dN)III〕である。こ
の図4からは、各モード比の値と応力の大きさによっ
て、破壊形態変化点は異なることがわかる。つまり、モ
ード比が高ければ、小さい応力でもモード変化が生じる
のに対して、モード比が一定以下の低い場合には、大き
な応力をかけてもモード変化が生じないこととなる。例
えば、図4の実機のモード比の場合には、(b)線と交
差したΔKにて破壊形態変化点が存在することがわか
る。
As shown in FIG. 3, fatigue fatigue under mixed loads
In crack growth, the fracture mode depends on the ΔK level and the mode ratio.
However, the speed of development is
Is different. Predict the point at which this rapid change in growth rate will occur
If it is not possible, it is possible to predict the life due to crack growth.
I can't come. Therefore, first, the fracture form change point ΔK in FIG.I tPre
Measure. This breaking mode change point ΔKI tAs shown in Figure 4
It can be predicted from the mode ratio that is assumed in a real machine. here,
ΔK on the horizontal axisIIs the mechanical parameter for tensile loading,
ΔK on the vertical axisIIIIs the mechanical parameter for the torsional load
Is. In FIG. 4, in the experiment at each mode ratio,
■ is a shear type, and □ is a tension dominant type. That
The line (b) is the mode change limit line [(da / dN)I=
(Da / dN)II I] And below the line (b)
Mode I dependent [(da / dN) in the range I> (Da /
dN)III], And in the upper range is mode III dependent
[(Da / dN)I<(Da / dN)III]. This
From Fig. 4 of Fig. 4, depending on the value of each mode ratio and the magnitude of stress,
Thus, it can be seen that the point of change in fracture mode is different. That is,
If the card ratio is high, mode change will occur even with small stress
On the other hand, if the mode ratio is lower than a certain level,
Even if a large stress is applied, the mode change does not occur. An example
For example, in the case of the mode ratio of the actual machine in Fig. 4, intersect with the line (b).
Delta KIKnow that there is a breaking point
It

【0021】図3の場合には、ΔKI≧ΔKI tの場合に
は進展曲線(d)、ΔKI<ΔKI tの場合には進展曲線
(c)を用いて、き裂進展寿命を算出する。図3にて、
進展速度(縦軸)がより速い曲線によって、き裂が進展
するので、破断形態変化点以降では、傾きが大きい
(d)線に沿って進展速度が増加する。ここで図3に示
した線は、モード比が2.5の場合のき裂進展速度を表
すものであり、破壊形態変化点を有している。この破壊
形態変化点は、図4において、モード比2.5の直線が
モード変化の限界線(b)と交差した箇所のΔKから
求めることができる。なお、図3にて、ΔKに対する
き裂進展速度を表す各直線(c)(d)の傾きは、材料
の種類によって異なるので、実験によって求める。ま
た、図4にて、モード変化の限界線(b)についても、
各材料においてモード比を変化させた実験によって求め
る。
[0021] In the case of Figure 3, progress curves in the case of ΔK I ≧ ΔK I t (d ), in the case of ΔK I <ΔK I t with the progress curve (c), the crack growth life calculate. In Figure 3,
A crack propagates according to a curve having a faster propagation speed (vertical axis), so that the propagation speed increases along the line (d) having a large slope after the fracture shape change point. Here, the line shown in FIG. 3 represents the crack growth rate when the mode ratio is 2.5, and has a fracture morphology change point. This breakage form change point can be obtained from ΔK I at the position where the straight line with the mode ratio of 2.5 intersects the limit line (b) of the mode change in FIG. In addition, in FIG. 3, since the slopes of the straight lines (c) and (d) representing the crack growth rate with respect to ΔK I differ depending on the type of material, they are obtained by experiments. Further, in FIG. 4, regarding the limit line (b) of the mode change,
It is determined by an experiment in which the mode ratio is changed for each material.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明の評価方法によれば、回転軸に発
生したき裂の進展の可能性を的確に評価できるととも
に、き裂が進展する場合、その進展による寿命を精度良
く予測することができる。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the evaluation method of the present invention, it is possible to accurately evaluate the possibility of crack growth occurring on a rotating shaft and, when a crack grows, accurately predict the life due to the growth. You can

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

【図1】割れの角度ψとモード比との関係を示したグラ
フである。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a crack angle ψ and a mode ratio.

【図2】力学的パラメーターに対するき裂進展領域を示
したグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a crack growth region with respect to mechanical parameters.

【図3】モードIにおける力学的パラメーターに対する
き裂進展速度の結果をプロットしたグラフである。
FIG. 3 is a graph plotting the results of crack growth rate against mechanical parameters in Mode I.

【図4】力学的パラメーターに対するモード変化の限界
線を示したグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a limit line of mode change with respect to mechanical parameters.

【図5】2つの力学的パラメーターによって、き裂進行
の支配型を決定するまでのプロセスの一例を表したフロ
ー図である。
FIG. 5 is a flow chart showing an example of a process for determining the dominant type of crack progress by two mechanical parameters.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回転軸 2 割れ(き裂) 1 rotation axis 2 cracks

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G024 AA06 AD03 BA21 CA30 DA06 2G061 AA17 AB05 BA03 CB13 DA11 EA10    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 2G024 AA06 AD03 BA21 CA30 DA06                 2G061 AA17 AB05 BA03 CB13 DA11                       EA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 回転軸の機械疲労による疲労き裂進展の
評価方法であって、 き裂が発生した部分の割れについて、回転軸方向と垂直
な円周面に対する該割れの傾き角度ψを測定する、き裂
角度測定工程と、 該角度ψから、回転曲げ負荷に対するねじり負荷の比率
であるモード比を算出する、モード比算出工程と、 き裂進展下限界線を用いて、該モード比におけるき裂進
展領域を力学的パラメーターの範囲として算出し、き裂
が発生した回転軸についての力学的パラメーターΔK
が該き裂進展領域に属するか否かを判定する、き裂進展
判定工程と、を含むことを特徴とする疲労き裂進展の評
価方法。
1. A method of evaluating fatigue crack growth due to mechanical fatigue of a rotating shaft, comprising measuring an inclination angle ψ of a crack in a cracked portion with respect to a circumferential surface perpendicular to the rotating shaft direction. A crack angle measurement step, and a mode ratio calculation step of calculating a mode ratio, which is a ratio of a torsional load to a rotational bending load, from the angle ψ. The crack propagation region is calculated as the range of the mechanical parameter, and the mechanical parameter ΔK I about the rotation axis where the crack is generated is calculated.
The method for evaluating fatigue crack growth, comprising: a crack growth determination step of determining whether or not the crack belongs to the crack growth region.
【請求項2】 前記工程にさらに加えて、 モード変化限界線を用いて、その前後で異なる破壊モー
ドとなる破壊形態変化点の有無を判定する、破壊モード
判定工程と、 判定された破壊モードにて、力学的パラメーターΔK
とき裂進展速度との関係から、き裂進展による回転軸破
壊までの寿命を評価する、寿命評価工程と、を含むこと
を特徴とする請求項1記載の疲労き裂進展の評価方法。
2. In addition to the above-mentioned step, a destruction mode determination step of determining whether or not there is a fracture pattern change point having a different fracture mode before and after using a mode change limit line, and And the mechanical parameter ΔK I
The fatigue crack growth evaluation method according to claim 1, further comprising: a life evaluation step of evaluating a life up to fracture of a rotating shaft due to crack growth, based on a relationship with a crack growth rate.
【請求項3】 前記工程にさらに加えて、 モード変化限界線を用いて、その前後で異なる破壊モー
ドとなる破壊形態変化点を前記モード比において算出す
る、変化点算出工程と、 該破壊形態変化点の前後の2つの破壊モードのうち、力
学的パラメーターΔK とき裂進展速度との関係から、
より速い進展速度の破壊モードによって、き裂進展によ
る回転軸破壊までの寿命を評価する、寿命評価工程と、
を含むことを特徴とする請求項1記載の疲労き裂進展の
評価方法。
3. In addition to the above steps, Using the mode change limit line, different destruction modes are used before and after that.
Calculate the fracture mode change point that becomes the mode at the above mode ratio
Change point calculation process, Of the two destruction modes before and after the point of change in the destruction pattern, the force
Parameter ΔK IFrom the relationship with the crack growth rate,
The faster propagation rate of fracture mode allows
Life evaluation process to evaluate the life until the rotating shaft is broken,
Of fatigue crack growth according to claim 1, characterized in that
Evaluation methods.
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Cited By (6)

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