JP2004324597A - エンジン部品の破壊予測方法、破壊予測システム及びその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン部品が低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子により破壊に至るまでの寿命を、莫大な工数の必要な大規模データベースを構築することなく、正確に予測できるようにする。
【解決手段】各破壊因子が単独で作用するときのエンジン部品の寿命をそれぞれ実験により求めて、データベースＤＢ１１〜１３に設定する。３つの破壊因子による複合疲労寿命を予測するとき、まずＦＥＭ解析により、エンジン運転時にエンジン部品に作用する熱負荷及び振動の時系列のシミュレーションデータを得て、このデータとデータベースＤＢ１１〜１３の寿命データとに基づいて、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の各破壊因子による損傷量を求める。クリープ疲労損傷量は相互作用による応力緩和の影響を加味して演算する。高サイクル疲労損傷量は疲労限以下の振動による損傷の影響を加味して演算する。３つの破壊因子による損傷量の総和が所定値になったときを破壊と判定する。
【選択図】 図１６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、自動車等に搭載されるエンジンに用いられて、そのエンジンの運転時に熱負荷及び振動を受けるシリンダヘッド、ピストンや排気マニホルド、排気管等のエンジン部品の寿命を予測する破壊予測方法、破壊予測システム及びプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車の開発現場においてエンジンやトランスミッションの性能を評価するために、例えば特許文献１に開示されるような種々の計測・試験方法が提案されている。また、特許文献２には、エンジンの開発完了を待たずにその性能を評価することのできるコンピュータ支援技術（ＣＡＥ）が開示されている。このＣＡＥ技術は、コンピュータを用いて机上で性能評価を行うことができるため、開発期間の短縮のためには極めて有用であり、その重要性は近年、益々、高くなってきている。
【０００３】
特に、長期間を要する信頼性開発の技術分野においては、ＣＡＥ技術の活用は重要な課題である。すなわち、近年、エンジンの高性能化に伴い、ピストンやシリンダヘッド等の燃焼室部材や排気系等、高温に曝されるエンジン部品への負荷は従来よりも一段と厳しくなっており、それらエンジン部品の開発に当たっては、期間の短縮と同時に一層の信頼性向上が求められるからである。
【０００４】
より具体的に、エンジン部品の破壊因子としては、主として、熱応力に起因する低サイクル疲労、連続走行（高温保持）によるクリープ、エンジンや路面からの振動に起因する高サイクル疲労の３つがあり（図５参照）、それらが複合して部材に損傷を与えることが知られている。従って、エンジン部品の寿命を予測するためには、前記３つの破壊因子による損傷を全て考慮する必要がある。
【０００５】
そのためには、エンジン部品毎にそれぞれ熱負荷や振動の条件を変更して実験を行い、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３因子による複合疲労のデータベースを構築することが考えられるが、一般に、自動車用エンジン部品の使用条件は例えば温度についてだけでもマイナス３０°Ｃから８００°Ｃに亘り、熱及び応力の両方について極めて範囲の広いものなので、それら全てをカバーするような大規模なデータベースを構築するためには、１つの材料についてだけでも莫大な工数が必要となり、現実的とは言い難い。
【０００６】
一方、従来より、高温域で使用される機械類の破壊判定基準については、発電所のボイラーチューブや航空機用ジェットエンジンのタービンベーン等において、低サイクル疲労及びクリープの２つが同時に進行する場合（通常「クリープ疲労」と呼ばれている）に関して研究が進んでおり、低サイクル疲労による損傷とクリープによる損傷とを加算して、以下の式（１）により寿命を判定することが提案されている。
【０００７】
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ＋ ΣΔｔ／ｔｒ ＞ １ で破壊 ・・・ 式（１）
但し、
ｎ_Ｌ ： サイクル数
Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労の破壊寿命（温度と低サイクル歪み振幅との関数）
Δｔ ： １サイクル中の高温保持時間
ｔｒ ： クリープ破壊寿命（応力及び温度の関数）
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労損傷量
ΣΔｔ／ｔｒ ： クリープ損傷量
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５２６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４８１４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のクリープ疲労の破壊判定基準（式（１））は、あくまで低サイクル疲労及びクリープの２つの破壊因子を考慮したものに過ぎず、例えば自動車用エンジン部品のように３つの破壊因子が同時に作用する場合については過去に十分な研究事例がない。
【００１０】
また、前記クリープ疲労の破壊判定基準自体が必ずしも十分な精度を有するものでないことも報告されている。この点について、本願の発明者らが前記従来のクリープ疲労の破壊判定基準を用いた破壊寿命の予測結果と実験結果とを比較したところ、殆どの水準で予測した寿命が実寿命より短くなっていることが分かった。そして、その寿命の算出に用いる損傷量の内訳を調べたところ、クリープ損傷量が単独で実損傷量を上回ることがあり、このことから、クリープ損傷量の計算に問題があるとの知見を得た。
【００１１】
斯かる知見に基づいて、本願の発明者らは、クリープ損傷量の計算方法について詳細に検討した。そして、前記従来の破壊判定基準においてはクリープ損傷量を負荷応力下での時間比で算出しており、サイクル中はその負荷応力が一定に保たれると仮定しているのに対して、実験により１サイクル中の応力状態を確認したところ、時間の経過に伴い応力が低下してることを見出し（図７、８を参照）、このことが低サイクル疲労との相互作用によるものであると推定して、本願発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち、本願発明の目的とするところは、エンジン部品が低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子の複合する環境下で破壊に至るまでの寿命を予測する際に、それら破壊因子の相互作用による影響を織り込むことによって破壊の判定精度を向上し、これにより、莫大な工数を必要とする大規模データベースの構築等を行うことなく、正確な破壊寿命の予測を行えるようにすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明では、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子による損傷量をそれぞれ求めるとともに、そのうちのクリープ損傷量を求めるときに、他の破壊因子との相互作用による応力緩和の影響を加味するようにした。
【００１４】
具体的に、請求項１の発明は、エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測する破壊予測方法を対象として、前記エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命と、該エンジン部品における少なくとも熱負荷変動の履歴とに基づいて、低サイクル疲労による損傷量を求める。また、前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命と、該エンジン部品における少なくとも熱応力の履歴とに基づいて、クリープによる損傷量を求め、さらに、前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命と、該エンジン部品における少なくとも振動の履歴とに基づいて、高サイクル疲労による損傷量を求めて、それら低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを、破壊と判定するようにする。
【００１５】
ここで、前記各損傷量の定義として、例えば、低サイクル疲労による損傷量は、低サイクル疲労のみによって破壊に至る場合の熱負荷（熱応力、熱歪み）の変動回数である低サイクル疲労寿命を基準とし、これに対する熱負荷の累積変動回数の割合として求められる。同様に、クリープによる損傷量は、クリープのみによって破壊に至る場合の熱負荷の保持期間であるクリープ寿命を基準とし、これに対する熱応力の累積保持期間の割合として求められる。また、高サイクル疲労による損傷量は、高サイクル疲労のみによって破壊に至る場合の振動回数である高サイクル疲労寿命を基準とし、これに対する累積振動回数の割合として求められる。この場合、前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が１以上になったときを破壊と判定する。
【００１６】
そして、本願発明の特徴として、前記クリープによる損傷量を求めるときには、低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味するようにする。すなわち、上述したように、複合疲労下では相互作用の影響により高温保持状態で応力緩和が発生することを考慮して、例えば応力を時間に関し積分することにより、応力緩和の影響を加味して正確なクリープ損傷量を求めることができる。そして、そのようにして求めた正確なクリープ損傷量を用いることにより、３因子複合疲労による破壊判定の精度が向上し、エンジン部品の破壊寿命を正確に予測することができる。
【００１７】
また、前記のような破壊判定に際しては、エンジン部品の各破壊因子による損傷量を求めるために、例えば材料毎に低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命をそれぞれ予め実験等により求めておく必要があるが、１つの破壊因子による材料の破壊寿命を求めるのに必要な工数は、３つの破壊因子全てが複合した状況下における寿命を実験により求める場合とは比較にならないほど少なくて済み、十分に実用的である。
【００１８】
前記エンジン部品の破壊予測方法において、高サイクル疲労による損傷量を求めるときには、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味することが好ましい（請求項２の発明）。
【００１９】
すなわち、一般的に低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の複合疲労下では、高サイクル疲労による損傷量は、それのみのときよりも大きくなるという傾向があり、このことは、低サイクル疲労やクリープとの相互作用の影響で、いわゆる疲労限以下の振動によっても損傷が発生するためであると考えられる。
【００２０】
そこで、前記請求項２の発明では、その疲労限以下の振動による損傷の影響を加味して、高サイクル疲労による損傷量を求めることにより、３因子複合疲労による破壊判定精度をさらに向上することができる。
【００２１】
ところで、前記の破壊予測方法において、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量を求めるためには、エンジンの運転時にエンジン部品において生じる熱負荷変動、熱応力、振動等の履歴の情報が必要になる。そこで、少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行い、これにより当該エンジン部品における応力及び歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを得るようにすれば、これにより低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量をそれぞれ求めることができる（請求項３の発明）。
【００２２】
こうすれば、エンジン部品の破壊寿命を予測するときに、例えばＦＥＭによる熱・応力解析によって、エンジン部品における熱負荷変動、熱応力、振動等の履歴情報を得ることができるから、そのための実験、計測等を行う必要がなくなって、破壊寿命の予測をより一層、容易なものとすることができる。
【００２３】
但し、現在の一般的なＦＥＭ解析技術によれば、緩和前の応力を計算することはできるが、応力緩和によって低下する応力を計算することはできないから、前記請求項３の発明のようにシミュレーションを利用する場合には、応力緩和によって低下する応力値を時間に関し積分して、クリープ損傷量を求めることはできなくなる。
【００２４】
この点について、本願の請求項４の発明では、クリープによる損傷量を求めるときに、エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を相対的に高応力になる前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間と、に分割するとともに、その前期間の熱応力の大きさをシミュレーションにより得られる値で略一定に近似する一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似し、そして、前記前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とするようにした。
【００２５】
こうすることで、シミュレーションを利用してエンジン部品の熱負荷及び振動に関する状態データを得るようにした場合でも、相互作用による応力緩和の影響を加味してクリープによる損傷量を求めることができる。尚、前記前期間及び後期間の長さや後期間における熱応力値については例えば実験等により予め調べて設定することが好ましい。
【００２６】
請求項５の発明では、前記請求項３の発明に係るエンジン部品の破壊予測方法において、まず、低サイクル疲労の原因になる熱負荷の変動とクリープの原因になる熱応力の保持期間とをそれぞれ少なくとも１回ずつ含み、且つ、高サイクル疲労の原因になる振動を含む試験サイクルを設定する。そして、エンジン運転時のシミュレーションとしては、前記試験サイクルを２回以上、再現して、その２回目以降の試験サイクルにおいてエンジン部品の状態データを取得するようにする。
【００２７】
すなわち、一般的に、エンジン部品に対して熱負荷や振動が繰り返し作用する場合に、その部品における応力分布には最初のうち、残留応力等の影響が強く現れることになるから、これに基づいて繰り返しによる部材の疲労を求めることは好ましくない。そこで、この発明では、エンジン運転時のシミュレーションにおいて、予め設定した試験サイクルを２回以上、再現し、その２回目以降の試験サイクルにおいてエンジン部品の状態データを取得するようにしており、こうすることによってもエンジン部品の寿命予測精度を向上できる。
【００２８】
次に、本願請求項６の発明は、エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測するためのコンピュータシステムを対象とし、このシステムにおいて、
前記エンジン部品における応力又は歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた熱負荷変動の履歴と、該エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の低サイクル疲労による損傷量を演算する低サイクル疲労損傷量演算手段と、
前記状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた熱応力の履歴と、前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命とに基づいて、当該エンジン部品のクリープによる損傷量を演算するクリープ損傷量演算手段と、
前記状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた振動の履歴と、前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の高サイクル疲労による損傷量を演算する高サイクル疲労損傷量演算手段と、
前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを破壊と判定する破壊判定手段と、を備え、
さらに、前記クリープ損傷量演算手段を、前記低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味して、クリープによる損傷量を求めるように構成した。
【００２９】
前記のシステムによれば、エンジン部品における応力、歪み、温度等の時系列の状態データに基づいて、低サイクル疲労損傷量演算手段により該エンジン部品の低サイクル疲労損傷量が、クリープ損傷量演算手段によりクリープ損傷量が、また、高サイクル疲労損傷量演算手段により高サイクル疲労損傷量がそれぞれ演算され、それら各損傷量の総和に基づいて、破壊判定手段によりエンジン部品の破壊の判定が行われる。そして、前記クリープ損傷量演算手段によるクリープ損傷量の演算においては、低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響が加味される。このようにして、前記請求項１の発明に係る破壊予測方法が実行されて、その作用効果が得られる。
【００３０】
請求項７の発明では、前記請求項６の発明における高サイクル疲労損傷量演算手段を、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味して、高サイクル疲労による損傷量を求めるように構成した。このことで、前記請求項２の発明と同じ作用効果が得られる。
【００３１】
請求項８の発明では、前記請求項６の発明に係るエンジン部品の破壊予測システムおいて、エンジン部品の低サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、熱負荷変動と温度とに対応付けて設定した低サイクル疲労寿命データベースと、エンジン部品のクリープ寿命を予め実験により求めて、熱応力と温度とに対応付けて設定したクリープ寿命データベースと、エンジン部品の高サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、振動と温度とに対応付けて設定した高サイクル疲労寿命データベースと、をそれぞれ設ける。そして、低サイクル疲労損傷量演算手段、クリープ損傷量演算手段及び高サイクル疲労損傷量演算手段を、それぞれ、少なくともエンジン部品の状態データに基づいて前記各データベースから低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命を読み出すように構成した。
【００３２】
この構成では、エンジン部品がいずれか１つの破壊因子のみによって破壊に至るときの寿命が予め実験により求められて、データベースとして設定記憶されているので、これらのデータベースから読み出したデータを用いることで、３因子複合疲労下での寿命を正確に且つ容易に求めることができる。
【００３３】
請求項９の発明では、前記請求項８の発明における低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命の各データベースには、それぞれ、エンジン部品の材料毎に分けて寿命のデータを設定するようにした。このことで、複数の材料構成が存在するエンジン部品の場合でも、その材料毎に異なる寿命データを直ちに参照することができ、これにより、前記請求項８の発明の作用効果がさらに高くなる。
【００３４】
請求項１０の発明では、前記破壊予測システムに、少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行うことにより、当該エンジン部品の状態データを解析的に求めるシミュレーション手段を備えるものとする。このことで、請求項３の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
請求項１１の発明では、前記請求項１０の発明におけるクリープ損傷量演算手段として、エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を相対的に高応力になる前期間、及び応力緩和によって相対的に低応力になる後期間に分割するとともに、その前期間の熱応力の大きさをシミュレーションにより得られる値で略一定に近似し、一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似して、それら前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とする構成とした。
【００３６】
このことで、請求項４の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
請求項１２の発明では、前記請求項１１の発明に係る破壊予測システムにおいて、熱応力が応力緩和によって低下する前期間の長さ、及びその前期間及び後期間の熱応力の比率をそれぞれ予め実験により求めて、少なくともエンジン部品の材料毎に設定した応力緩和データベースを設けるとともに、クリープ損傷量演算手段は、前記応力緩和データベースから前期間の長さと該前期間及び後期間の熱応力の比率とを読み出すように構成した。
【００３８】
このことで、エンジン部品における応力緩和の状態が予め実験により求められて、少なくとも材料毎に分けてデータベースとして設定記憶されているので、このデータベースから読み出した所要のデータを用いることにより、材料毎に異なる応力緩和の影響を正確に織り込んで、その影響を加味したクリープ損傷量を正確に且つ容易に求めることができる。
【００３９】
次に、本願の請求項１３の発明は、エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムを対象とする。そして、このプログラムには、
前記エンジン部品における応力又は歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた熱負荷変動の履歴と、該エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の低サイクル疲労による損傷量を演算する低サイクル疲労損傷量演算ステップと、
前記状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた熱応力の履歴と、前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命とに基づいて、当該エンジン部品のクリープによる損傷量を演算するクリープ損傷量演算ステップと、
前記状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた振動の履歴と、前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の高サイクル疲労による損傷量を演算する高サイクル疲労損傷量演算ステップと、
前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを破壊と判定する破壊判定ステップと、を備え、
前記クリープ損傷量演算ステップでは、前記低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味して、クリープによる損傷量を求めるようにする。
【００４０】
前記のプログラムによってコンピュータシステムを制御することにより、このコンピュータシステムが前記請求項６の発明に係るエンジン部品の破壊予測システムとなり、これにより、当該請求項６の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４１】
請求項１４の発明では、前記請求項１３の発明における高サイクル疲労損傷量演算ステッップで、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味して、高サイクル疲労による損傷量を求めるようにする。このことで、請求項７の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４２】
請求項１５の発明では、前記請求項１３又は１４のいずれかの発明におけるコンピュータシステムに、エンジン部品の低サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、熱負荷変動と温度とに対応付けて設定した低サイクル疲労寿命データベースと、エンジン部品のクリープ寿命を予め実験により求めて、熱応力と温度とに対応付けて設定したクリープ寿命データベースと、エンジン部品の高サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、振動と温度とに対応付けて設定した高サイクル疲労寿命データベースと、をそれぞれ接続するとともに、プログラムの低サイクル疲労損傷量演算ステップ、クリープ損傷量演算ステップ及び高サイクル疲労損傷量演算ステップにおいて、それぞれ、少なくともエンジン部品の状態データに基づいて前記各データベースから低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命を読み出すようにする。
【００４３】
このことで、請求項８の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４４】
請求項１６の発明では、前記請求項１３〜１５のいずれか１つの発明に係るプログラムにおいて、少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行い、これにより当該エンジン部品の状態データを求めるシミュレーションステップをさらに備えるものとする。このことで、請求項１０の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４５】
請求項１７の発明では、前記請求項１６の発明におけるクリープ損傷量演算ステップで、エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を相対的に高応力になる前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間と、に分割するとともに、その前期間の熱応力の大きさをシミュレーションステップにより得られる値で略一定に近似し、一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似して、それら前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とするようにする。
【００４６】
このことで、請求項１１の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４７】
請求項１８の発明では、前記請求項１６の発明において、低サイクル疲労の原因になる熱負荷の変動と、クリープの原因になる熱応力の保持期間とをそれぞれ少なくとも１回ずつ含み、且つ、高サイクル疲労の原因になる振動を含む試験サイクルを予め設定しておき、プログラムのシミュレーションステップでは、前記試験サイクルを２回以上、再現して、その２回目以降の試験サイクルにおいてエンジン部品の状態データを取得するようにする。
【００４８】
このことで、請求項５の発明と同じ作用効果が得られる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００５０】
図１は、本願発明に係るエンジン部品の破壊予測システムＡの全体構成を示す概念図であり、このシステムＡにおいては、まず、エンジン部品の幾何データや材料データ等をコンピュータ装置１に入力し、また、該エンジン部品の初期状態における温度や熱応力、機械応力の分布、拘束条件、環境温度等を境界条件として入力する。そして、周知の有限要素法（ＦＥＭ）の適用により前記エンジン部品の熱・応力解析を行って、複合疲労試験の所定サイクル数に対応するエンジン部品の温度分布、応力分布及び歪み分布に関する時系列のシミュレーションデータ（応力及び歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データ）を得て、これに基づいて、該エンジン部品の破壊に至るまでの寿命を予測するものである。
【００５１】
前記コンピュータ装置１には、図示しないが、例えばハードディスクドライブ等の記憶装置、ディスプレィ等の表示装置、プリンタ等の出力装置、及びキーボード等の入力デバイスが接続されている。前記記憶装置には、少なくとも、エンジン部品の熱・応力解析を行うためのＦＥＭ解析プログラム（シミュレーションプログラム）と、そのための物理モデルを作成するプリプロセッサと、前記熱・応力解析の結果に基づいてエンジン部品の損傷量を計算する損傷解析プログラムと、それら各プログラムによる解析結果を画像表示等するための画像処理プログラムとが記憶されている。
【００５２】
また、前記記憶装置には、コンピュータ装置１がその動作中に必要に応じて一般的な手法によりアクセスできるように、エンジン部品の寿命の解析に用いられる４つのデータベース１１〜１４が電子的に格納されている。すなわち、まず、低サイクル疲労寿命データベース１１は、例えば、ピストン、シリンダヘッド等の燃焼室部材、或いは、排気マニホルド、フロントパイプ、触媒コンバータケース、サイレンサ等の排気系部品について、それが低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの熱応力や熱歪みの変動回数である低サイクル疲労寿命を、予め実験により求めて設定したものである。
【００５３】
より具体的には、各エンジン部品について各々代表的な材料組成を有する試験片を用いて周知の低サイクル疲労試験を行い、この際、各材料組成毎にそれぞれ例えば歪み振幅や温度等の試験条件を所定範囲内で変更し、その結果に基づいて、図２に示すＳ−Ｎ線図のように、低サイクル疲労寿命と歪み振幅との関係を表すグラフを各温度毎に設定すればよい。
【００５４】
同様にして、クリープ寿命データベースＤＢ１２には、エンジン部品がクリープのみによって破断するまでの高温保持期間であるクリープ寿命が予め実験により求められて、例えば図３に示すように応力及び温度に対応付けて設定されている。また、高サイクル疲労寿命データベースＤＢ１３には、エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至る場合の振動回数である高サイクル疲労寿命が予め実験により求められて、例えば図４に示すように応力振幅と温度とに対応付けて設定されている。尚、データベースＤＢ１４については後述する。
【００５５】
そして、前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子が同時に作用する複合疲労環境下でエンジン部品の寿命を求めるときには、ＦＥＭ解析によって求めたエンジン部品の温度、応力、歪み分布等のシミュレーションデータと、前記ＤＢ１１〜１３からそれぞれ読み出した低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命とに基づいて、３つの破壊因子のそれぞれによる損傷量を計算し、これにより破壊の判定を行うことができるようになっている。
【００５６】
つまり、この実施形態の破壊予測システムＡの特長は、予め実験的に設定したデータベースを参照して、エンジン部品のＦＥＭ解析から複合疲労による破壊の判定までを自動的に実行し、これにより、当該エンジン部品が複合疲労環境下で破壊するまでの寿命を高精度に且つ容易に予測できるようにしたことにある。
【００５７】
尚、図示しないが、前記コンピュータ装置１は、ネットワークを介してエンジンの設計部門のコンピュータ装置（ＣＡＤサーバ）と双方向に通信可能に接続されており、この設計ＣＡＤサーバを介して所要のエンジン部品の３次元ＣＡＤデータを入力して、ＦＥＭ解析のための物理モデルを容易に作成できるようになっている。
【００５８】
−破壊寿命の予測−
次に、前記の破壊予測システムＡにおいて複合疲労によるエンジン部品の寿命を予測する方法を具体的に説明する。
【００５９】
まず、低サイクル疲労及びクリープの２つの破壊因子が作用する複合疲労環境下においては、従来より一般的な損傷加算の考え方に基づいて、２つの破壊因子による損傷量の総和が１以上になったときを破壊と判定することが提案されている。すなわち、
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ＋ ΣΔｔ／ｔｒ ＞ １ で破壊 ・・・ 式（１）
但し、
ｎ_Ｌ ： 複合疲労試験の１試験サイクル中に含まれる低サイクル疲労のサイクル数（熱応力又は熱歪みの変動回数）
Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労の破壊寿命（温度と低サイクル歪み振幅との関数）
Δｔ ： １サイクル中の高温保持時間（熱応力の保持期間）
ｔｒ ： クリープ破壊寿命（応力及び温度の関数）
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労による損傷量
ΣΔｔ／ｔｒ ： クリープによる損傷量。
【００６０】
そこで、さらに高サイクル疲労が重畳される３因子複合疲労の場合にも前記の考え方を拡張して、基本的には以下の式（２）に示すように３つの破壊因子による損傷量の総和が１以上になったときを破壊と判定するようにする。すなわち、
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ＋ ΣΔｔ／ｔｒ ＋ Σｎ_Ｈ／Ｎ_Ｈｆ ＞ １ で破壊 ・・・ 式（２）
但し、
ｎ_Ｈ ： １試験サイクル中の高サイクル疲労のサイクル数（振動回数）
Ｎ_Ｈｆ ： 高サイクル疲労寿命
Σｎ_Ｈ／Ｎ_Ｈｆ ： 高サイクル疲労による損傷量。
【００６１】
尚、前記複合疲労試験としては、例えば図５に模式的に示すように、１試験サイクル中に少なくとも、低サイクル疲労の原因になる熱応力（熱負荷）の変動と、クリープの原因になる高温（熱応力）の保持期間とをそれぞれ少なくとも１回ずつ含み、且つ、高サイクル疲労の原因になるエンジンや路面の共振応力（振動）を含むように設定すればよい。
【００６２】
また、前記式（１）、（２）において、低サイクル疲労損傷量の項Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆではそれぞれ振幅の異なる応力又は歪み変動による損傷を独立に加算する。すなわち、図２に例示するように、低サイクル疲労寿命は、予め例えば歪み振幅の変化に対応付けて設定されているから、前記の試験サイクル中に含まれる歪み振幅毎にそれぞれ低サイクル疲労寿命に対する累積回数を独立に求めて、その歪み振幅に対応する損傷量とし、このそれぞれ異なる歪み振幅による損傷量を加算して、低サイクル疲労損傷量を求める。同様にして、クリープ損傷量の項ΣΔｔ／ｔｒではそれぞれ温度の異なる保持期間における損傷を独立に加算し、また、高サイクル疲労損傷量の項Σｎ_Ｈ／Ｎ_Ｈｆではそれぞれ振幅の異なる振動による損傷を独立に加算する。
【００６３】
ところで、前記破壊判定基準の式（１）、（２）のように、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子による損傷量を単純に加算しただけでは、それら破壊因子の相互作用による影響が考慮されていないため、十分な破壊予測精度が得られない。この点について、この実施形態では前記式（２）におけるクリープ損傷量及び高サイクル疲労損傷量の各項に対し、それぞれ、他の破壊因子との相互作用による影響を反映させるように補正を行い、このことにより破壊寿命の予測精度を向上するようにしたものである。
【００６４】
−クリープ損傷量の補正−
以下、最初にクリープによる損傷量の補正について詳細に説明する。
【００６５】
本願の発明者らは、まず、低サイクル疲労及びクリープの複合疲労によって所定の試験片が破断するまでの寿命を実験により求め、こうして求めた実寿命と前記式（１）による寿命の予測結果と比較した。この比較結果を示す図６によれば、殆どの水準で式（１）の判定基準により予測した寿命が実寿命より小さくなっており、式（１）では寿命を小さく見積る傾向のあることが分かった。
【００６６】
このことから、寿命の予測に用いた式（１）の低サイクル疲労損傷量及びクリープ損傷量についてそれぞれ詳細に検討したところ、クリープ損傷量が単独で実損傷量を上回る場合があり、このクリープ損傷量の計算の仕方に問題のあることが分かった。すなわち、前記式（１）では、クリープ損傷量を負荷応力下での時間比で算出しており、サイクル中はその負荷応力が一定に保たれていると仮定しているが、実際には、複合疲労環境下のエンジン部品においては図７や図８に示すように他の破壊因子との相互作用による応力緩和が観察される。
【００６７】
このことから、クリープ損傷量を正確に求めるためには、例えば、前記図７，８の如く時間の経過とともに変化する応力を時間に関して積分すればよいと考えられ、実際に、前記図７，８等の実験データに基づいて前記の如く積分によりクリープ損傷量を求めて、これを式（１）に代入して寿命を予測したところ、図９に示すように高い予測精度が得られた。
【００６８】
しかし、現在の一般的なＦＥＭ応力解析によれば、応力緩和が起きる前の部材の応力を計算することはできても、緩和により低下した応力を計算することはできないので、この実施形態のシステムＡのようにエンジン部品の応力分布を解析的に求めるようにした場合、前記のように応力を時間に関し積分してクリープ損傷量を求めることはできない。
【００６９】
そこで、この実施形態の破壊予測システムＡでは、以下に詳述するように応力緩和の状態を近似して、クリープ損傷量を求めるようにした。すなわち、エンジン部品における一般的な応力緩和の状態を踏まえて、図１０に模式的に示すように、クリープの発生する所定以上の温度の保持期間を相対的に高応力の前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間とに分けて、その前期間の熱応力の大きさをＦＥＭ解析ににより得られる初期値σ_０で略一定に近似する一方、後期間における熱応力値は前記前期間における応力値σ_０よりも小さな値σ_１で略一定に近似する。
【００７０】
より詳しくは、例えば排気マニホルドの主要な材料であるステンレス鋼ＳＵＳ４０９（ＪＩＳ記号）について、応力緩和によって応力が低下するまでの時間ｔ_１とそのときの応力値σ_１とを、クリープ損傷の影響が大きい温度域で調査したところ、前記図７及び図８にそれぞれ示すように、応力が低下して略一定になるまでの時間は約３〜６秒の範囲に収まり、その時の応力σ_１の初期応力σ_０に対する比率Ｒσ（応力比）は概ね０．３〜０．６の範囲にあることが分かった。
【００７１】
また、前記応力比Ｒσと歪み振幅及び温度の間には、図１１に一例を示すように相関が認められ、応力比Ｒσは歪み振幅及び温度の関数で表されることが分かった。そこで、応力比Ｒσの値をエンジン部品の材料毎に予め実験により求めて、それぞれ歪み振幅及び温度に対応付けて設定したデータベースを構築し、これを補正データベースＤＢ１４として、コンピュータ装置１の記憶装置に電子的に格納した。また、応力が低下するまでの時間ｔ_１と歪み振幅や温度の間には明確な関係は認められなかったので、この時間ｔ_１に関しては実験結果に基づいて適値に決定し、この値を前記補正データベースＤＢ１４に設定した（図の例では約６秒に設定した）。
【００７２】
そして、前記破壊判定基準の式（１）、（２）においてクリープ損傷量の項を演算するときには、エンジン部品の材料組成やシミュレーションデータにおける温度、歪み等の分布に基づいて、前記補正データベースＤＢ１４から応力緩和に要する時間ｔ_１と応力比Ｒσとを読み出し、これにより、式（１）、（２）におけるクリープ損傷量の項は以下の式（３）のように近似するようにする。
【００７３】
ΣΔｔ／ｔｒ ≒ ｔ_１／ｔｒ_１＋（Δｔ−ｔ_１）／ｔｒ_２ ・・・ 式（３）
但し、
Δｔ ： １試験サイクル中の高温保持時間
ｔｒ_１ ： 初期応力σ_０が作用する場合のクリープ寿命（破断時間）
ｔｒ_２ ： 緩和後の応力σ_１（σ_０×Ｒσ）が作用する場合のクリープ寿命
ｔ_１／ｔｒ_１ ： 前期間のクリープ損傷量
（Δｔ−ｔ_１）／ｔｒ_２ ： 後期間のクリープ損傷量。
【００７４】
そのように、式（１）におけるクリープ損傷量の項を近似して、この式（１）により低サイクル疲労及びクリープの２つの破壊因子によるエンジン部品の寿命を予測したところ、こうして予測した破壊寿命の精度は前記の如く応力の時間積分により求めたもの（図９参照）と同程度であり、十分な精度の得られることが分かった。
【００７５】
−高サイクル疲労損傷量の補正−
次に、高サイクル疲労損傷量の補正について説明する。前記したように、低サイクル疲労及びクリープの２つの破壊因子によるエンジン部品の寿命については、クリープ損傷量の演算に応力緩和の影響を加味することによって十分な予測精度が得られることが分かった。そこで、３因子複合疲労の場合について、前記式（２）におけるクリープ損傷量の項を前記のように補正した上で、この式（２）により破壊寿命を予測した。この結果から、図１２に一例を示すように、予測した寿命と実験により求めた実寿命との間にはある程度よい相関が見られるものの、誤差が大きいといえる。
【００７６】
このことから、前記式（２）の破壊判定基準においては高サイクル疲労損傷量の項に問題があると考えられる。すなわち、前記式（２）においては、現在の一般的な自動車用排気系部品の評価の考え方に基づいて、高サイクル疲労損傷量は疲労限以下の応力振幅又は歪み振幅では”０”として計算しているが、鉄鋼等の代表的な金属材料について一般的には、疲労限よりも大きな応力が小頻度でも負荷される場合や高温時には、疲労限自体が存在しないとする考え方がある。すなわち、複合疲労環境下では、高サイクル疲労に対しても低サイクル疲労やクリープからの相互作用があり、これにより疲労限以下の振幅の振動によっても損傷を生じると考えられる。
【００７７】
このような場合、鉄鋼材料の寿命については通常、修正マイナー則が用いられ、図１３に模式的に示すように、その寿命（高サイクル疲労寿命）は、低寿命域の曲線（低サイクル疲労の特性）を外挿して評価されることが多い。しかしながら、本願の発明者らが実験により検証した結果、エンジンの燃焼室部材や排気系部品のように部位や配置によって温度状態が大幅に異なるものの場合、それによって相互作用による寿命の変化も大きく異なるものとなり、これを一律に取り扱う修正マイナー則では不十分であることが分かった。
【００７８】
このことを考慮して、この実施形態では、複合疲労による破壊寿命の予測にあたって、いわゆる修正マイナー則の考え方を踏襲し、疲労限以下の振動（応力又は歪み振幅）による損傷の影響を加味して高サイクル疲労による損傷量を求めるとともに、その影響の度合いをエンジン部品の温度状態に応じて変更するようにした。
【００７９】
具体的には、例えば、エンジンの排気系部品においては排気流の上流側から下流側に向かって排気マニホルド、フロントパイプ、触媒コンバータケース、リヤパイプ、サイレンサの順に温度状態が低くなり、これに伴い、疲労限以下の振動が高サイクル疲労損傷量に及ぼす影響の度合いは小さくなる。そこで、それら各部品毎に予め使用温度範囲を設定し、この各温度範囲毎に、図１４に模式的に示すように、高寿命域の歪み振幅による損傷が高温側ほど大きくなって、高サイクル疲労寿命が短くなるように補正するようにする。
【００８０】
すなわち、前記図１４を参照して説明すると、エンジン部品の高サイクル疲労寿命を求めるときには、図に破線のグラフで示すように低サイクル疲労寿命のデータを高寿命域まで延長し、このグラフと高サイクル疲労寿命のグラフ（実線）とに挟まれた中間の領域において、エンジン部品の温度状態に応じて高サイクル疲労寿命を決定すればよい。より詳しくは、例えば、予めエンジン部品の使用温度範囲毎に寿命を補正するための補正係数α（０＜α＜１）を実験等により設定し、このαの値をエンジン部品毎に分けて補正データベース１４に記憶させておく。
【００８１】
そして、低サイクル疲労寿命及び高サイクル疲労寿命のデータをそれぞれＤＢ１１，ＤＢ１３から読み出して、高サイクル疲労寿命データを前記補正係数αと低サイクル疲労寿命データとに基づいて、補正する。すなわち、
Ｎ_Ｈｆ′ ＝ α×Ｎ_Ｌｆ ＋ （１−α）×Ｎ_Ｈｆ ・・・式（４）
但し
α ： 補正係数（高温側ほど大きな値に設定）
Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労寿命データ
Ｎ_Ｈｆ ： 高サイクル疲労寿命データ
Ｎ_Ｈｆ′ ： 補正後の高サイクル疲労寿命。
【００８２】
こうして補正した高サイクル疲労寿命は、疲労限以下の振動による損傷を加味したものになり、しかも、同じ材料組成であっても使用する温度範囲が異なれば、そのことを反映して異なる値になる。そして、複合疲労によるエンジン部品の破壊寿命を求める際には、式（２）における高サイクル疲労損傷量の項を前記のように補正した高サイクル疲労寿命に基づいて演算することにより、当該エンジン部品の使用温度範囲により異なる相互作用の影響を精度よく反映させることができると考えられる。
【００８３】
そこで、前記補正後の高サイクル疲労損傷量を用い、また、クリープ損傷量の項については上述の如く応力緩和の影響を織り込んで（式（３））、以下のように３つの破壊因子の相互作用を加味した破壊判定基準を再定義した。すなわち、
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ＋（ｔ_１／ｔｒ_１＋（Δｔ−ｔ_１）／ｔｒ_２）＋ Σｎ_Ｈ／Ｎ_Ｈｆ′ ＞ １ で破壊 … 式（５）
但し、
ｎ_Ｌ ： 複合疲労試験の１試験サイクル中に含まれる低サイクル疲労のサイクル数
Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労寿命
Δｔ ： １試験サイクル中の高温保持時間
ｔｒ_１ ： 初期応力σ_０が作用する場合のクリープ寿命
ｔｒ_２ ： 緩和後の応力σ_１が作用する場合のクリープ寿命
ｎ_Ｈ ： １試験サイクル中の高サイクル疲労のサイクル数
Ｎ_Ｈｆ′ ： 補正した高サイクル疲労寿命
Σｎ_Ｌ／Ｎ_Ｌｆ ： 低サイクル疲労による損傷量
ｔ_１／ｔｒ_１＋（Δｔ−ｔ_１）／ｔｒ_２ ： クリープによる損傷量
Σｎ_Ｈ／Ｎ_Ｈｆ′ ： 高サイクル疲労による損傷量。
【００８４】
前記式（５）の判定基準によって、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子が複合する場合のエンジン部品の寿命を予測し、これを材料試験により求めた実寿命と比較したところ、図１５に示すように非常に精度が高く、前記図１２に示す試験結果に比較して明らかな精度の向上が認められ、３因子複合疲労による破壊寿命を極めて高精度に予測できることが分かった。
【００８５】
−複合疲労下での破壊予測の手順−
次に、この実施形態に係るエンジン部品の破壊予測システムＡにより排気マニホルドの破壊寿命を予測する手順について、図１６及び図１７に基づいて、具体的に説明する。
【００８６】
まず、図１６に示すフローのスタート後のステップＳ１では、コンピュータ装置１の画面表示等に従って所定の入力操作を行い、ＦＥＭ解析及び損傷解析のためのデータ等を入力する。すなわち、例えば、排気マニホルドの寸法・形状を表す幾何データ、その材料組成のデータや熱伝導率等の物理データを入力し、また、エンジン運転時に排気マニホルドに作用する熱負荷や振動を模擬するための境界条件や試験サイクルデータを入力する。
【００８７】
続いて、ステップＳ２においてプリプロセッサを起動して、排気マニホルドのメッシュモデルを作成する。すなわち、例えば、設計ＣＡＤサーバを介して入力した３次元ＣＡＤデータをベースとして、このデータのフォーマットを変換し、排気マニホルドの各独立通路、集合部、フランジ部等についてそれぞれ形状や予想される熱負荷の度合いに応じてメッシュを生成して、有限な要素に分割する。そして、続くステップＳ３では前記の如く作成したメッシュモデルを画像表示等する。
【００８８】
続いて、ステップＳ４〜Ｓ７において、前記排気マニホルドのモデルを用いてエンジンの運転時を模擬するシミュレーション演算を行い、これにより該排気マニホルドにおける温度分布と応力分布（歪み分布でもよい）とに関する時系列のシミュレーションデータを得る。すなわち、ステップＳ４では熱伝導解析を行い、ステップＳ５ではその結果を画像表示等する。また、ステップＳ６ではでは応力解析を行い、ステップＳ７ではその結果を画像表示等する。
【００８９】
その際、エンジン運転時を模擬する試験サイクル（図５参照）は少なくとも２回以上、繰り返して、その２回目以降の試験サイクルにおいてシミュレーションデータを取得する。こうすることで、残留応力等の影響を軽減して、エンジンの運転により排気マニホルドに繰り返し作用する熱負荷や振動による熱・応力分布を求めることができ、このシミュレーションデータに基づく破壊寿命の予測精度が向上する。
【００９０】
そして、続くステップＳ８において、前記の如く得られたシミュレーションデータに基づいて、該排気マニホルドの破壊寿命解析を行う。すなわち、前記シミュレーションデータ（温度ファイル、応力ファイル、歪みファイル等）と、各々データベースＥＢ１１〜１３から読み出した低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命の各データとに基づいて、排気マニホルドの各部位毎に前記式（５）の破壊寿命予測式によって、所定試験サイクル後の低サイクル疲労損傷量、クリープ損傷量及び高サイクル疲労損傷量を演算し、その各損傷量の総和が１以上になるときまでの試験サイクル数又は時間を破壊寿命とする。
【００９１】
その際、上述したように、前記式（５）におけるクリープ損傷量及び高サイクル疲労損傷量の演算においては他の破壊因子との相互作用の影響を加味するための補正を行う。例えば図１７の左欄及び中央欄に模式的に示すように、少なくともエンジン部品の種類に応じて、補正データベースＤＢ１４から応力緩和に要する時間ｔ_１及び応力比Ｒσのデータを読み出して、この応力緩和の影響を加味してクリープ損傷量を演算し、また、同ＤＢ１４から読み出した補正係数αを用いて高サイクル疲労寿命を補正した上で、高サイクル疲労損傷量を演算する。
【００９２】
そうして、続くステップＳ９において排気マニホルドの寿命予測結果を出力して、しかる後に制御終了となる（エンド）。その予測結果の出力としては、例えば、図示の如く排気マニホルドの各部位における予測寿命、即ち排気マニホルドにおける予測寿命の分布図を表示するのが好ましいが、例えば図１７の右欄に示すように、最も厳しい部分の寿命（この例では試験サイクル数）を数値にて表示するようにしてもよい。
【００９３】
前記図１６に示すフローのステップＳ１〜Ｓ７が、少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行い、これにより当該エンジン部品の温度、応力、歪み等に関する時系列のシミュレーションデータを得るシミュレーションステップに相当する。
【００９４】
また、ステップＳ８は、前記シミュレーションデータと、ＤＢ１１〜ＤＢ１４のデータとに基づいて、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の各損傷量をそれぞれ演算し、式（５）の破壊判定基準に従って３つの破壊因子によるエンジン部品の破壊を判定する破壊判定ステップに相当する。
【００９５】
換言すれば、前記式（５）における低サイクル疲労損傷量の項の演算が、シミュレーションデータから求めた熱負荷変動の履歴と、排気マニホルドの低サイクル疲労寿命とに基づいて、低サイクル疲労による損傷量を演算する低サイクル疲労損傷量演算ステップに対応し、同様に、式（５）のクリープ損傷量の項の演算がクリープ損傷量演算ステップに、また、高サイクル疲労損傷量の項の演算が高サイクル疲労損傷量演算ステップに、それぞれ対応する。
【００９６】
そして、この実施形態の破壊予測システムＡでは、コンピュータ装置１によって前記フローのステップＳ１〜Ｓ７が実行されることにより、このコンピュータ装置１がシミュレーション手段を構成し、また、前記ステップＳ８がコンピュータ装置１により実行されることで、このコンピュータ装置１が、低サイクル疲労損傷量演算手段、クリープ損傷量演算手段、高サイクル疲労損傷量演算手段、及び破壊判定手段をそれぞれ構成することになる。
【００９７】
したがって、この実施形態に係るエンジン部品の破壊予測方法によると、エンジン部品が低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子の複合する環境下で破壊に至るまでの寿命を予測する際に、それら３つの破壊因子による損傷量を全て加算して破壊の判定を行うとともに、クリープ損傷量の演算において応力緩和の影響を加味するように補正を行い、また、高サイクル疲労損傷量の演算において疲労限以下の振動による損傷の影響を加味するように補正を行うことにより、破壊因子の相互作用による影響を織り込んで、３因子複合疲労によるエンジン部品の破壊寿命を正確に予測することができる。
【００９８】
その際、前記３つの破壊因子が個別に作用するときの寿命のデータについては予め実験等により求めて、データベースＤＢ１１〜１３として設定記憶するようにしているので、これら各データベースから読み出した寿命のデータを用いることで破壊寿命の予測を正確に且つ容易に行うことができる。
【００９９】
また、エンジンの運転時にエンジン部品に作用する熱負荷や振動については、ＦＥＭの適用により熱・応力解析を行って時系列のシミュレーションデータを取得し、このデータを用いるようにしているので、実際にエンジン部品を用いた実験、計測等を行う必要がなくなり、破壊寿命の予測がより一層、容易なものとなる。
【０１００】
−他の実施形態−
尚、本願発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、エンジンの運転時にエンジン部品が受ける熱負荷や振動のデータをＦＥＭの適用により解析的に求めるようにしているが、これに限らず、エンジン部品を用いた実験、計測によりデータを取得するようにしてもよい。
【０１０１】
その場合には、クリープの際の応力緩和の状態を計測することも可能になるので、クリープ損傷量の項の演算について前記実施形態の式（３）のような近似式を用いる必要はなくなり、以下の式（６）のように、計測した応力を時間に関し積分することによって、クリープ損傷量を求めることもできる。すなわち、
ΣΔｔ／ｔｒ ≒ ∫Δσｄｔ／Δσ・ｔｒ ・・・ （６）
但し、
Δσ ： １サイクル中の変動応力（計測値）
ｔｒ ： Δσが作用した場合のクリープ寿命（破断時間）。
【０１０２】
さらに、前記実施形態では、排気マニホルドの破壊予測シミュレーションについて説明したが、本願発明の破壊予測方法は例えばピストンやシリンダーヘッド等の燃焼室部材やそれ以外のエンジン部品についても適用できることは言うまでもない。
【０１０３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本願発明に係るエンジン部品の破壊予測方法、破壊予測システム及びその制御プログラムによると、低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労の３つの破壊因子が同時に作用する場合に、それら個々の破壊因子によるエンジン部品の損傷を加算するとともに、３つの破壊因子の相互作用による影響を考慮して、少なくともクリープ損傷量について相互作用による応力緩和の影響を加味する補正を行うことにより、当該エンジン部品が複合疲労によって破壊するまでの寿命を高精度に予測することができる。従って、莫大な工数の必要な大規模データベースを構築することなく、エンジン部品の正確な破壊予測が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン部品の破壊予測システムＡの概略構成を示す概念図。
【図２】低サイクル疲労寿命のデータの一例を示す図。
【図３】クリープ寿命のデータの一例を示す図。
【図４】高サイクル疲労寿命のデータの一例を示す図。
【図５】複合疲労試験の１試験サイクルの模式図。
【図６】従来の破壊判定基準によるクリープ疲労の破壊寿命予測結果を実寿命と対比して示すグラフ図。
【図７】応力緩和による応力の低下状況を、温度条件を変えてそれぞれ示すグラフ図。
【図８】応力緩和による応力の低下状況を、歪み振幅を変えてそれぞれ示すグラフ図。
【図９】寿命予測に応力緩和の影響を加味した場合の図６相当図。
【図１０】クリープ損傷量の計算における応力緩和の近似方法を示す説明図。
【図１１】応力比を温度と歪み振幅とに対応付けて設定したデータの一例を示す図。
【図１２】応力緩和の影響を加味してクリープ損傷量を補正した場合の３因子複合疲労による破壊寿命予測結果を実寿命と対比して示すグラフ図。
【図１３】従来一般的な修正マイナー則の説明図。
【図１４】修正マイナー則に温度の影響を反映させる場合の図１３相当図。
【図１５】クリープ損傷量及び高サイクル疲労損傷量を共に補正して、３因子複合疲労による寿命を予測した場合の図１２相当図。
【図１６】破壊寿命予測方法の概略手順を示すフローチャート図。
【図１７】破壊寿命予測における主な入力項、解析手法及び出力項の模式図。
【符号の説明】
Ａ エンジン部品の破壊予測システム
１ コンピュータ装置（シミュレーション手段、低サイクル疲労損傷量演算手段、クリープ損傷量演算手段、高サイクル疲労損傷量演算手段、破壊判定手段）
１１ 低サイクル疲労寿命ＤＢ（データベース）
１２ クリープ寿命ＤＢ（データベース）
１３ 高サイクル疲労寿命ＤＢ（データベース）
１４ 補正ＤＢ（応力緩和データベース、寿命補正データベース）

Claims (18)

1. エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測する破壊予測方法であって、
   前記エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命と、該エンジン部品における少なくとも熱負荷変動の履歴とに基づいて、低サイクル疲労による損傷量を求め、
   前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命と、該エンジン部品における少なくとも熱応力の履歴とに基づいて、クリープによる損傷量を求め、
   前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命と、該エンジン部品における少なくとも振動の履歴とに基づいて、高サイクル疲労による損傷量を求め、
   前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを破壊と判定するとともに、
   前記クリープによる損傷量を求めるときには、前記低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味するようにしたことを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
2. 請求項１において、
   高サイクル疲労による損傷量を求めるときには、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味することを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行い、これにより当該エンジン部品における応力及び歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを得て、この状態データに基づいて低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量をそれぞれ求めることを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
4. 請求項３において、
   クリープによる損傷量を求めるときには、
   エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を、相対的に高応力になる前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間とに分割するとともに、
   前記前期間の熱応力の大きさをシミュレーションにより得られる値で略一定に近似する一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似して、
   前記前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を、前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とする
   ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
5. 請求項３において、
   低サイクル疲労の原因になる熱負荷の変動と、クリープの原因になる熱応力の保持期間とをそれぞれ少なくとも１回ずつ含み、且つ、高サイクル疲労の原因になる振動を含む試験サイクルを設定し、
   エンジン運転時のシミュレーションでは前記試験サイクルを２回以上、再現して、その２回目以降の試験サイクルにおいてエンジン部品の状態データを取得することを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
6. エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測するためのコンピュータシステムであって、
   前記エンジン部品における応力又は歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた熱負荷変動の履歴と、該エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の低サイクル疲労による損傷量を演算する低サイクル疲労損傷量演算手段と、
   前記状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた熱応力の履歴と、前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命とに基づいて、当該エンジン部品のクリープによる損傷量を演算するクリープ損傷量演算手段と、
   前記状態データを入力されて、少なくとも、そのデータから求めた振動の履歴と、前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の高サイクル疲労による損傷量を演算する高サイクル疲労損傷量演算手段と、
   前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを破壊と判定する破壊判定手段と、を備え、
   前記クリープ損傷量演算手段は、前記低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味して、クリープによる損傷量を求めるように構成されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
7. 請求項６において、
   高サイクル疲労損傷量演算手段は、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味して、高サイクル疲労による損傷量を求めるように構成されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
8. 請求項６又は７のいずれかにおいて、
   エンジン部品の低サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、熱負荷変動と温度とに対応付けて設定した低サイクル疲労寿命データベースと、
   エンジン部品のクリープ寿命を予め実験により求めて、熱応力と温度とに対応付けて設定したクリープ寿命データベースと、
   エンジン部品の高サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、振動と温度とに対応付けて設定した高サイクル疲労寿命データベースと、がそれぞれ設けられ、
   低サイクル疲労損傷量演算手段、クリープ損傷量演算手段及び高サイクル疲労損傷量演算手段が、それぞれ、少なくともエンジン部品の状態データに基づいて前記各データベースから低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命を読み出すように構成されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
9. 請求項８において、
   低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命の各データベースには、それぞれ、エンジン部品の材料毎に分けて寿命のデータが設定されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
10. 請求項６〜９のいずれか１つにおいて、
    少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行うことにより、当該エンジン部品の状態データを解析的に求めるシミュレーション手段を備えていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
11. 請求項１０において、
    クリープ損傷量演算手段は、
    エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を、相対的に高応力になる前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間とに分割するとともに、
    前記前期間の熱応力の大きさをシミュレーションにより得られる値で略一定に近似する一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似して、
    前記前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を、前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とする
    ように構成されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
12. 請求項１１において、
    熱応力が応力緩和によって低下する前期間の長さと、該前期間及び後期間の熱応力の比率とを、それぞれ予め実験により求めて、少なくともエンジン部品の材料毎に設定した応力緩和データベースが設けられ、
    クリープ損傷量演算手段は、前記応力緩和データベースから前期間の長さと該前期間及び後期間の熱応力の比率とを読み出すように構成されていることを特徴とするエンジン部品の破壊予測システム。
13. エンジン部品が、熱負荷に起因する低サイクル疲労及びクリープと、振動に起因する高サイクル疲労との複合疲労によって損傷し破壊に至るまでの寿命を予測するためのコンピュータシステムの制御プログラムであって、
    前記エンジン部品における応力又は歪み状態の少なくとも一方と温度状態とに関する時系列の状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた熱負荷変動の履歴と、該エンジン部品が低サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である低サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の低サイクル疲労による損傷量を演算する低サイクル疲労損傷量演算ステップと、
    前記状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた熱応力の履歴と、前記エンジン部品がクリープのみによって破壊に至るまでの寿命であるクリープ寿命とに基づいて、当該エンジン部品のクリープによる損傷量を演算するクリープ損傷量演算ステップと、
    前記状態データを入力して、少なくとも、そのデータから求めた振動の履歴と、前記エンジン部品が高サイクル疲労のみによって破壊に至るまでの寿命である高サイクル疲労寿命とに基づいて、当該エンジン部品の高サイクル疲労による損傷量を演算する高サイクル疲労損傷量演算ステップと、
    前記低サイクル疲労、クリープ及び高サイクル疲労による各損傷量の総和が所定値以上になったときを破壊と判定する破壊判定ステップと、を備え、
    前記クリープ損傷量演算ステップでは、前記低サイクル疲労及び高サイクル疲労の少なくとも一方との相互作用による応力緩和の影響を加味して、クリープによる損傷量を求める
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。
14. 請求項１３において、
    高サイクル疲労損傷量演算ステッップでは、低サイクル疲労及びクリープの少なくとも一方との相互作用によって生じる、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響を加味して、高サイクル疲労による損傷量を求める
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。
15. 請求項１３又は１４のいずれかにおいて、
    コンピュータシステムには、
    エンジン部品の低サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、熱負荷変動と温度とに対応付けて設定した低サイクル疲労寿命データベースと、
    エンジン部品のクリープ寿命を予め実験により求めて、熱応力と温度とに対応付けて設定したクリープ寿命データベースと、
    エンジン部品の高サイクル疲労寿命を予め実験により求めて、振動と温度とに対応付けて設定した高サイクル疲労寿命データベースと、
    がそれぞれ接続されており、
    低サイクル疲労損傷量演算ステップ、クリープ損傷量演算ステップ及び高サイクル疲労損傷量演算ステップでは、それぞれ、少なくともエンジン部品の状態データに基づいて前記各データベースから低サイクル疲労寿命、クリープ寿命及び高サイクル疲労寿命を読み出す
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。
16. 請求項１３〜１５のいずれか１つにおいて、
    少なくともエンジン部品の物理モデルを用いて、エンジン運転時の熱負荷及び振動のシミュレーションを行い、これにより当該エンジン部品の状態データを求めるシミュレーションステップをさらに備える
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。
17. 請求項１６において、
    クリープ損傷量演算ステップでは、
    エンジン部品において所定以上の熱応力が保持される期間を、相対的に高応力になる前期間と、応力緩和によって相対的に低応力になる後期間とに分割するとともに、
    前記前期間の熱応力の大きさをシミュレーションステップにより得られる値で略一定に近似する一方、後期間の熱応力は前記前期間における値よりも小さな値で略一定に近似して、
    前記前期間及び後期間でそれぞれ求めたクリープ損傷量の合計を、前記保持期間全体におけるクリープ損傷量とする
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。
18. 請求項１６において、
    低サイクル疲労の原因になる熱負荷の変動と、クリープの原因になる熱応力の保持期間とをそれぞれ少なくとも１回ずつ含み、且つ、高サイクル疲労の原因になる振動を含む試験サイクルを予め設定しておき、
    シミュレーションステップでは前記試験サイクルを２回以上、再現して、その２回目以降の試験サイクルにおいてエンジン部品の状態データを取得する
    ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測システムの制御プログラム。

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