JP2004324598A - Breaking prediction method and breaking prediction system for engine parts, and its control program - Google Patents

Breaking prediction method and breaking prediction system for engine parts, and its control program Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately predict the life of engine parts until resulting in breakage by three breaking factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue without constructing a large-scale database requiring immense man-hours. <P>SOLUTION: The life of engine parts when each breaking factor is independently applied is obtained by an experiment and set to databases DB11-13. When predicting a composite fatigue life by three breaking factors, time series simulation data of thermal load and vibration applied to the engine parts when operating an engine is obtained by an FEM analysis, and based on this data and the life data of the databases DB11-13, the amount of damage by each breaking factor of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue is obtained. The amount of creep fatigue damage is computed considering the influence of stress relaxation by interaction. The amount of high cycle fatigue damage is computed considering the influence of damage caused by vibration of a fatigue limit or less. Breaking is determined when the total of the damage amounts by three breaking factors becomes a prescribed value. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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】
このため、現状、例えば自動車用エンジンの排気系部品の信頼性評価手法としては、低サイクル疲労及びクリープを合わせたもの(通常「クリープ疲労」といわれている)に関する評価である熱サイクルテストと、高サイクル疲労に関する評価であるエンジン・悪路共振応力テストとを個別に行って、それぞれ求めた破壊寿命に基づいて、複合疲労による破壊の判定を行なうようにしている。
【0007】
【特許文献1】
特表2002−526762号公報
【特許文献2】
特開2002−148147号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願の発明者らが、前記のように熱サイクルテスト及び共振応力テストによって予測した破壊寿命を材料試験で得た実寿命と比較したところ、予測した寿命は実寿命に対して大きくずれており、予測精度としては甚だ不十分であることが分かった。これは、クリープ疲労と高サイクル疲労とが同時に進行する複合疲労環境下で両者を個別に評価しているためであると考えられる。
【0009】
すなわち、従来一般的な排気系部品の評価の考え方として、高サイクル疲労が単独で進行する場合には疲労限以下の応力による損傷は”0”としているが、例えば鉄鋼材料の場合に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状態においては疲労限自体が存在しないとする考え方がある。換言すれば、低サイクル疲労やクリープとともに高サイクル疲労が進行する複合疲労環境下では、それらの相互作用により疲労限以下の振幅の振動によっても損傷が生じて、高サイクル疲労寿命が短くなると考えることができる。
【0010】
本願発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、そ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。
【0011】
【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、そのうちの高サイクル疲労損傷量を求めるときには、他の破壊因子との相互作用により、疲労限以下の振幅の振動によっても損傷が生じることを考慮して、その損傷の影響を加味するようにした。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
そして、本願発明の特徴として、前記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ようにする。こうすれば、複合疲労環境下での3つの破壊因子の相互作用により、高サイクル疲労損傷量が単独の場合よりも大きくなっても、そのことを反映した正確な高サイクル疲労損傷量を求めることができる。これにより、3因子複合疲労による破壊判定の精度が向上して、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。
【0015】
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。
【0016】
ここで、前記高サイクル疲労損傷量における相互作用の影響について考えたとき、例えば鉄鋼材料の寿命については一般的に修正マイナー則が知られており、高サイクル疲労による寿命は、低サイクル疲労の特性を表す低寿命域のグラフを外挿して評価されることが多い(図13参照)。しかし、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、そのことによって破壊因子の相互作用の影響が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。
【0017】
そこで、この発明では、いわゆる修正マイナー則の考え方を踏襲して高サイクル疲労損傷量を求めるとともに、そのときに、エンジン部品の温度が高いときほど、疲労限以下の振幅の振動による損傷の影響が大きくなるようにした(請求項2の発明)。こうすることで、疲労限以下の振動による影響が温度状態によって異なることを反映させて、高サイクル疲労損傷量をより正確に求めることができる。
【0018】
前記エンジン部品の破壊予測方法において、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ことが好ましい(請求項3の発明)。
【0019】
すなわち、従来一般的なエンジン部品の評価の考え方として、クリープ損傷量は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が、本願発明者らが実験により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おり(図7等参照)、これは相互作用によるものであると考えた。
【0020】
そこで、前記請求項3の発明では、前記の応力緩和による影響を加味して、クリープ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4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、破壊寿命の予測を一層、容易なものとすることができる。
【0023】
その際、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し、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のが好ましい(請求項5の発明)。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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、前記高サイクル疲労損傷量演算手段による高サイクル疲労損傷量の演算においては、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る影響が加味される。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。
【0027】
請求項7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、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。
【0028】
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おり、これらの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、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。
【0029】
請求項8の発明では、前記請求項7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の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7の発明の作用効果がさらに高くなる。
【0030】
請求項9の発明では、前記請求項7の発明において、高サイクル疲労による損傷量は、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ものとする。そして、高サイクル疲労損傷量演算手段は、高サイクル疲労寿命データベースから読み出した高サイクル疲労寿命をエンジン部品の温度状態が高いときほど短くなるように補正して、この補正後の寿命に基づいて高サイクル疲労による損傷量を演算するものとした。
【0031】
このことで、請求項2の発明と同様に、エンジン部品の温度状態に応じて、その温度が高いときほど疲労限以下の振動による損傷の影響が大きくなることを反映させて、高サイクル疲労損傷量をより正確に求めることができる。
【0032】
請求項10の発明では、前記請求項9の発明に係るエンジン部品の破壊予測システムにおいて、高サイクル疲労寿命を補正するための寿命補正データを予め実験により求めて、エンジン部品毎に分けて設定した寿命補正データベースを設けるとともに、高サイクル疲労損傷量演算手段は、高サイクル疲労寿命を前記寿命補正データに基づいて補正するものとした。
【0033】
すなわち、例えばエンジンの排気系部品である排気マニホルド、フロントパイプ、触媒コンバータケース、リヤパイプ、サイレンサ等は排気流の上流側から下流側に向かって前記の順番に配置されていて、その温度状態が低くなっているから、これらの部品の温度状態を予め実験により求めて、それぞれ分けてデータベースに設定記憶しておけば、このデータベースから読み出したデータを用いることにより、部品の温度状態によって異なる疲労限以下の振動の影響を正確に織り込んで、高サイクル疲労損傷量を正確且つ容易に求めることができる。
【0034】
請求項11の発明では、前記請求項6の発明におけるクリープ損傷量演算手段を、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。このことで、前記請求項3の発明と同様の作用効果が得られる。
【0035】
請求項12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4の発明と同様の作用効果が得られる。
【0036】
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、
前記高サイクル疲労損傷量演算ステッップでは、前記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。
【0037】
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。
【0038】
請求項14の発明では、前記請求項13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ようにする。
【0039】
このことで、請求項7の発明と同じ作用効果が得られる。
【0040】
請求項15の発明では、前記請求項14の発明において、高サイクル疲労による損傷量は、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ものとし、高サイクル疲労損傷量演算ステップでは、高サイクル疲労寿命データベースから読み出した高サイクル疲労寿命をエンジン部品の温度状態が高いときほど短くなるように補正して、この補正後の寿命に基づいて高サイクル疲労による損傷量を演算するようにする。
【0041】
このことで、請求項9の発明と同じ作用効果が得られる。
【0042】
請求項16の発明では、前記請求項15の発明におけるコンピュータシステムに、高サイクル疲労を補正するための寿命補正データを予め実験により求めて、エンジン部品毎に分けて設定した寿命補正データベースを設けるとともに、プログラムの高サイクル疲労損傷量演算ステップでは、高サイクル疲労寿命を前記寿命補正データに基づいて補正するようにした。
【0043】
このことで、請求項10の発明と同じ作用効果が得られる。
【0044】
請求項17の発明では、前記請求項13〜16の発明のプログラムにおけるクリープ損傷量演算ステップでは、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して、クリープによる損傷量を求めるようにする。
【0045】
こうすることで、請求項11の発明と同じ作用効果が得られる。
【0046】
請求項18の発明では、前記請求項13〜17の発明に係る破壊予測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。
【0047】
このことで、請求項12の発明と同じ作用効果が得られる。
【0048】
請求項19の発明では、前記請求項18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。
【0049】
このことで、請求項5の発明と同じ作用効果が得られる。
【0050】
【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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
−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。
【0060】
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/NLf + ΣΔt/tr > 1 で破壊 ・・・ 式(1)
但し、
: 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)
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/NLf : 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。
【0061】
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/NLf + ΣΔt/tr + Σn/NHf > 1 で破壊 ・・・ 式(2)
但し、
: 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)
Hf : 高サイクル疲労寿命
Σn/NHf : 高サイクル疲労による損傷量。
【0062】
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。
【0063】
また、前記式(1)、(2)において、低サイクル疲労損傷量の項Σn/NLf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/NHf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。
【0064】
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。
【0065】
−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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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よりも小さな値σで略一定に近似する。
【0071】
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とそのときの応力値σ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の初期応力σ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。
【0072】
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)。
【0073】
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。
【0074】
ΣΔt/tr ≒ t/tr+(Δt−t)/tr ・・・ 式(3)
但し、
Δt : 1試験サイクル中の高温保持時間
tr : 初期応力σが作用する場合のクリープ寿命(破断時間)
tr : 緩和後の応力σ(σ×Rσ)が作用する場合のクリープ寿命
/tr : 前期間のクリープ損傷量
(Δt−t)/tr : 後期間のクリープ損傷量。
【0075】
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。
【0076】
−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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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(寿命補正データ: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。
【0082】
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、
Hf′ = α×NLf + (1−α)×NHf ・・・式(4)
但し
α : 補正係数(高温側ほど大きな値に設定)
Lf : 低サイクル疲労寿命データ
Hf : 高サイクル疲労寿命データ
Hf′ : 補正後の高サイクル疲労寿命。
【0083】
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。
【0084】
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/NLf +(t/tr+(Δt−t)/tr)+ Σn/NHf′ > 1 で破壊 … 式(5)
但し、
: 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
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 : 初期応力σが作用する場合のクリープ寿命
tr : 緩和後の応力σが作用する場合のクリープ寿命
: 1試験サイクル中の高サイクル疲労のサイクル数
Hf′ : 補正した高サイクル疲労寿命
Σn/NLf : 低サイクル疲労による損傷量
/tr+(Δt−t)/tr : クリープによる損傷量
Σn/NHf′ : 高サイクル疲労による損傷量。
【0085】
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。
【0086】
−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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
−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。
【0102】
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)。
【0103】
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。
【0104】
【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、少なくとも高サイクル疲労損傷量については疲労限以下の振動による損傷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)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is used in an engine mounted on an automobile or the like, and a failure prediction method for predicting the life of engine parts such as a cylinder head, a piston, an exhaust manifold, and an exhaust pipe which is subjected to a thermal load and vibration during operation of the engine, It relates to a failure prediction system and a program.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to evaluate the performance of an engine or a transmission at a vehicle development site, various measurement / test methods as disclosed in, for example, Patent Document 1 have been proposed. Patent Document 2 discloses a computer assisted technology (CAE) that can evaluate the performance of an engine without waiting for the completion of the development. The CAE technology can be used to evaluate the performance on a desk using a computer, and is therefore extremely useful for shortening the development period, and its importance has been increasing in recent years.
[0003]
In particular, in the technical field of reliability development requiring a long time, utilization of CAE technology is an important issue. In other words, in recent years, as engine performance has improved, the load on engine components exposed to high temperatures, such as combustion chamber members such as pistons and cylinder heads, and exhaust systems, has become even more severe than in the past. This is because, in development, it is required to further shorten the period and at the same time to further improve the reliability.
[0004]
More specifically, there are three main destruction factors of engine parts: low cycle fatigue caused by thermal stress, creep caused by continuous running (maintaining high temperature), and high cycle fatigue caused by vibration from the engine or the road surface ( It is known that they combine to cause damage to the member (see FIG. 5). Therefore, in order to predict the life of an engine component, it is necessary to consider all the damages caused by the three destructive factors.
[0005]
For this purpose, it is conceivable to conduct experiments by changing the conditions of heat load and vibration for each engine component, and build a database of composite fatigue based on three factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue. Since the use conditions of automobile engine parts range from -30 ° C. to 800 ° C. for temperature alone, and are extremely wide in both heat and stress, a large-scale database covering all of them is required. In order to construct, even a single material requires enormous man-hours, which is hardly realistic.
[0006]
For this reason, at present, for example, as a reliability evaluation method for exhaust system components of an automobile engine, a thermal cycle test which is an evaluation on a combination of low cycle fatigue and creep (usually referred to as “creep fatigue”), The engine / bad road resonance stress test, which is an evaluation related to high cycle fatigue, is individually performed, and the failure due to combined fatigue is determined based on the determined fracture life.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-526762 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-148147
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the inventors of the present application compared the fracture life predicted by the thermal cycle test and the resonance stress test with the actual life obtained by the material test as described above, the predicted life greatly deviated from the actual life. It was found that the prediction accuracy was extremely insufficient. This is considered to be due to the fact that creep fatigue and high cycle fatigue are evaluated separately in a combined fatigue environment in which both progress simultaneously.
[0009]
That is, as a conventional general idea of evaluating exhaust system components, when high cycle fatigue progresses independently, damage due to stress below the fatigue limit is set to “0”. There is a view that the fatigue limit itself does not exist when a large stress is applied even at a low frequency or in a high temperature state. In other words, in a complex fatigue environment in which high cycle fatigue progresses along with low cycle fatigue and creep, their interaction may cause damage due to vibration with an amplitude less than the fatigue limit and shorten high cycle fatigue life. Can be.
[0010]
The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to provide an engine component having a low cycle fatigue, a creep, and a high cycle fatigue. When estimating the life, the influence of the interaction of these destructive factors is factored in to improve the accuracy of destruction judgment, thereby enabling accurate calculation without constructing a large-scale database that requires enormous man-hours. The purpose of the present invention is to make it possible to predict the fracture life.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, low cycle fatigue, creep and damage due to three fracture factors of high cycle fatigue are each determined, and when determining the high cycle fatigue damage amount of them, other fracture factors and Considering that due to the interaction of, the damage is caused by the vibration having the amplitude smaller than the fatigue limit, the influence of the damage is taken into consideration.
[0012]
Specifically, the invention of claim 1 predicts the life of an engine component until it is damaged and destroyed by combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by thermal load and high cycle fatigue caused by vibration. Targeting a fracture prediction method, based on at least a low cycle fatigue life which is a life until the engine component is broken by only low cycle fatigue and a history of fluctuation of thermal load in the engine component, damage due to low cycle fatigue is determined. Find the quantity. Further, the amount of damage due to creep is determined based on a creep life, which is a life until the engine component is broken only by creep, and at least a history of thermal stress in the engine component. The amount of damage due to high cycle fatigue is determined based on the high cycle fatigue life, which is the life to failure only by fatigue, and at least the history of vibration in the engine part, and the low cycle fatigue, creep, and high cycle fatigue are determined. When the sum of the respective amounts of damage caused by the above becomes equal to or more than a predetermined value, it is determined to be destruction.
[0013]
Here, as the definition of each damage amount, for example, the damage amount due to low cycle fatigue is defined as a low cycle fatigue life which is the number of fluctuations of a thermal load (thermal stress, thermal strain) when a fracture is caused only by low cycle fatigue. It is determined as a reference, and is calculated as the ratio of the cumulative change frequency of the heat load to this. Similarly, the amount of damage due to creep is determined as the ratio of the cumulative retention period of thermal stress to the creep life, which is the retention period of the thermal load in the case where destruction is caused only by creep. In addition, the damage amount due to high cycle fatigue is determined as a ratio of the cumulative number of vibrations to the high cycle fatigue life, which is the number of vibrations when the fracture is caused only by the high cycle fatigue. In this case, when the sum of the respective amounts of damage due to the low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue becomes 1 or more, it is determined to be destruction.
[0014]
As a feature of the present invention, when determining the amount of damage due to the high cycle fatigue, the influence of damage due to vibration having an amplitude equal to or less than the fatigue limit, which is caused by interaction with at least one of low cycle fatigue and creep, is taken into consideration. I do. In this way, even if the high-cycle fatigue damage amount becomes larger than that of a single case due to the interaction of three destructive factors in a complex fatigue environment, an accurate high-cycle fatigue damage amount reflecting that fact is obtained. Can be. As a result, the accuracy of the failure determination due to the three-factor combined fatigue is improved, and the failure life of the engine component can be accurately predicted.
[0015]
Further, in the above-described fracture determination, in order to determine the amount of damage due to each destruction factor of the engine component, for example, a low cycle fatigue life, a creep life, and a high cycle fatigue life are determined in advance by experiments or the like for each material. Although it is necessary, the man-hour required to determine the rupture life of a material by one rupture factor is so small as to be incomparable with the case of experimentally determining the life in a situation where all three rupture factors are combined, It is practical enough.
[0016]
Here, when considering the influence of the interaction on the high cycle fatigue damage amount, for example, a modified minor rule is generally known for the life of a steel material, and the life due to the high cycle fatigue is the characteristic of the low cycle fatigue. Is often estimated by extrapolating a graph of a low life span representing the following (see FIG. 13). However, as a result of experiments conducted by the inventors of the present application, when the temperature state greatly differs depending on the location or arrangement, such as a combustion chamber member or an exhaust system component of an engine, the influence of the interaction of the destructive factors is thereby reduced. It turned out to be very different, and it turned out that the modified Miner's rule that treats this uniformly is not enough.
[0017]
Thus, in the present invention, the amount of high cycle fatigue damage is obtained by following the concept of the so-called modified minor rule, and at that time, the higher the temperature of the engine parts, the less the effect of damage due to vibrations having an amplitude smaller than the fatigue limit. (The invention of claim 2). By doing so, it is possible to more accurately determine the amount of high-cycle fatigue damage, reflecting that the influence of vibration below the fatigue limit varies depending on the temperature state.
[0018]
In the method for predicting fracture of an engine component, when obtaining the amount of damage due to creep, it is preferable to take into account the effect of stress relaxation due to the interaction with at least one of the low cycle fatigue and the high cycle fatigue (the invention of claim 3). .
[0019]
In other words, as a conventional concept of evaluating general engine parts, the amount of creep damage is calculated by the time ratio under load stress, and it is assumed that the load stress is kept constant during the cycle, When the inventors of the present application confirmed the stress state during one cycle by an experiment, the stress decreased over time (see FIG. 7 and the like), and it was considered that this was due to the interaction.
[0020]
Therefore, in the third aspect of the present invention, by determining the amount of damage due to creep in consideration of the influence of the above-described stress relaxation, it is possible to further improve the accuracy of determination of fracture due to three-factor combined fatigue.
[0021]
By the way, in the above-mentioned fracture prediction method, in order to obtain each damage amount due to low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue, information on history of thermal load fluctuation, thermal stress, vibration, etc. generated in the engine parts during operation of the engine is required. Will be needed. Therefore, at least a physical model of the engine component is used to simulate the thermal load and vibration during engine operation, thereby obtaining time-series state data on at least one of the stress and strain states and the temperature state of the engine part. By doing so, each damage amount due to low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue can be obtained (the invention of claim 4).
[0022]
In this way, when estimating the destructive life of the engine component, history information on thermal load fluctuation, thermal stress, vibration, and the like in the engine component can be obtained by, for example, heat and stress analysis by FEM. Since there is no need to perform measurement or the like, it is possible to more easily predict the destruction life.
[0023]
At that time, first, a test cycle including at least one time each of the fluctuation of the heat load causing the low cycle fatigue and the holding period of the thermal stress causing the creep, and including the vibration causing the high cycle fatigue. As a simulation during engine operation, it is preferable to reproduce the test cycle two or more times and to acquire the state data of the engine parts in the second and subsequent test cycles. Item 5 invention).
[0024]
In other words, in general, when a thermal load or vibration repeatedly acts on an engine component, the effect of residual stress or the like appears initially in the stress distribution in the component. It is not preferable to determine the fatigue of the member due to repetition. Thus, in the present invention, in a simulation during engine operation, a preset test cycle is reproduced two or more times, and state data of engine parts is acquired in the second and subsequent test cycles. Accordingly, the accuracy of predicting the life of the engine component can be improved.
[0025]
Next, the invention according to claim 6 of the present application predicts the life of an engine component until it is damaged and destroyed by combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by thermal load and high cycle fatigue caused by vibration. Computer system for this, in this system,
Time series state data relating to at least one of a stress or strain state and a temperature state in the engine part is input, and at least a history of heat load fluctuation obtained from the data and the engine part is destroyed only by low cycle fatigue. A low cycle fatigue damage amount calculating means for calculating a damage amount due to low cycle fatigue of the engine component based on a low cycle fatigue life which is a life up to,
Upon receiving the state data, at least based on a history of thermal stress obtained from the data and a creep life which is a life until the engine part is broken only by creep, damage of the engine part due to creep Creep damage amount calculating means for calculating the amount;
The state data is input, at least based on a history of vibration obtained from the data and a high cycle fatigue life which is a life until the engine component is broken down only by the high cycle fatigue of the engine component, High cycle fatigue damage amount calculating means for calculating the damage amount due to high cycle fatigue,
The low cycle fatigue, creep and destruction determination means for determining when the total sum of the damage amount due to high cycle fatigue is equal to or more than a predetermined value, destruction,
Further, the creep damage amount calculating means is configured to calculate the amount of damage due to creep in consideration of the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of the low cycle fatigue and the high cycle fatigue.
[0026]
According to the above system, the low cycle fatigue damage amount of the engine component is reduced by the low cycle fatigue damage amount calculation means based on the time series state data such as the stress, strain, temperature, etc. in the engine component. Accordingly, the amount of creep damage and the amount of high-cycle fatigue damage are calculated by the high-cycle fatigue damage calculating means, respectively, and the destruction determining means determines the destruction of the engine component based on the sum of the respective amounts of damage. In the calculation of the high-cycle fatigue damage amount by the high-cycle fatigue damage amount calculation means, the influence of the interaction with at least one of low-cycle fatigue and creep is taken into account. In this way, the method for predicting destruction according to the first aspect of the present invention is executed, and the operation and effect thereof can be obtained.
[0027]
According to a seventh aspect of the present invention, in the engine component destruction prediction system according to the sixth aspect of the present invention, the low cycle fatigue life of the engine component is determined in advance by an experiment, and the low cycle fatigue life is set in association with the thermal load fluctuation and the temperature. The cycle fatigue life database, the creep life of the engine parts are determined in advance by experiments, the creep life database set in association with the thermal stress and temperature, and the high cycle fatigue life of the engine parts are determined in advance by experiments, And a high cycle fatigue life database set in association with the temperature. Then, the low cycle fatigue damage amount calculating means, the creep damage amount calculating means, and the high cycle fatigue damage amount calculating means are respectively used for the low cycle fatigue life, the creep life, and the high cycle It was configured to read the fatigue life.
[0028]
In this configuration, the life when the engine component is destroyed by only one of the destruction factors is obtained in advance by experiments, and is set and stored as a database, and the life data read from these databases is used. 3. The life under three-factor combined fatigue can be accurately and easily obtained.
[0029]
In the invention of claim 8, in each of the low cycle fatigue life, creep life and high cycle fatigue life databases in claim 7, life data is set separately for each material of the engine part. As a result, even in the case of an engine component having a plurality of material configurations, it is possible to immediately refer to the data on the lifespan different for each material, thereby further enhancing the operation and effect of the invention of the seventh aspect.
[0030]
According to the ninth aspect of the present invention, in the invention of the seventh aspect, the damage amount due to the high cycle fatigue is based on a high cycle fatigue life which is the number of vibrations when the engine component is broken only by the high cycle fatigue. It is determined as the ratio of the cumulative number of vibrations. The high-cycle fatigue damage amount calculating means corrects the high-cycle fatigue life read from the high-cycle fatigue life database so as to be shorter as the temperature state of the engine component is higher, and based on the corrected life, The amount of damage due to cycle fatigue was calculated.
[0031]
Thus, similar to the second aspect of the present invention, in accordance with the temperature condition of the engine component, the higher the temperature, the greater the influence of the damage due to the vibration below the fatigue limit, the higher the cycle fatigue damage. The quantity can be determined more accurately.
[0032]
According to a tenth aspect of the present invention, in the engine component destruction prediction system according to the ninth aspect, life correction data for correcting a high cycle fatigue life is obtained by an experiment in advance and set separately for each engine component. A life correction database is provided, and the high cycle fatigue damage amount calculating means corrects the high cycle fatigue life based on the life correction data.
[0033]
In other words, for example, the exhaust manifold, front pipe, catalytic converter case, rear pipe, silencer, etc., which are the exhaust system components of the engine, are arranged in the above order from the upstream side to the downstream side of the exhaust flow, and the temperature state becomes low. Therefore, if the temperature states of these parts are obtained in advance by experiments and separately set and stored in a database, the data read out from this database is used to reduce the fatigue limit depending on the temperature state of the parts. By accurately incorporating the influence of vibration, the amount of high cycle fatigue damage can be accurately and easily obtained.
[0034]
According to an eleventh aspect of the present invention, the amount of creep damage calculation means according to the sixth aspect of the present invention is adapted to reduce the amount of damage due to creep by taking into account the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of low cycle fatigue and high cycle fatigue. It was configured to ask. Thus, the same function and effect as the third aspect of the invention can be obtained.
[0035]
According to the twelfth aspect of the present invention, the failure prediction system uses at least a physical model of an engine component to simulate heat load and vibration during engine operation, thereby obtaining a state data of the engine component analytically. Means. Thus, the same function and effect as the fourth aspect of the invention can be obtained.
[0036]
Next, the invention of claim 13 of the present application predicts the life of an engine component until it is damaged and destroyed by the combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by thermal load and high cycle fatigue caused by vibration. And a control program of a computer system for executing the program. And this program has
By inputting time-series state data relating to at least one of stress or strain state and temperature state in the engine part, at least a history of heat load fluctuation obtained from the data and the engine part is destroyed only by low cycle fatigue. A low cycle fatigue damage amount calculating step of calculating a damage amount due to low cycle fatigue of the engine component based on a low cycle fatigue life which is a life up to,
By inputting the state data, at least based on a history of thermal stress obtained from the data and a creep life which is a life until the engine part is broken only by creep, damage of the engine part due to creep A creep damage amount calculating step of calculating the amount;
By inputting the state data, at least based on a history of vibration obtained from the data and a high cycle fatigue life that is a life until the engine part is destroyed only by the high cycle fatigue, A high cycle fatigue damage amount calculating step of calculating a damage amount due to high cycle fatigue,
The low cycle fatigue, creep and destruction determination step to determine that when the sum of the damage amount due to high cycle fatigue is equal to or more than a predetermined value, destruction,
In the high cycle fatigue damage amount calculation step, the damage amount due to high cycle fatigue is calculated by taking into account the influence of damage caused by vibration below the fatigue limit, which is caused by interaction with at least one of the low cycle fatigue and creep. I do.
[0037]
By controlling the computer system by the program, the computer system becomes the engine component destruction prediction system according to the invention of claim 6, whereby the same operation and effect as the invention of claim 6 can be obtained.
[0038]
According to a fourteenth aspect of the present invention, the computer system according to the thirteenth aspect further comprises: a low cycle fatigue life database in which the low cycle fatigue life of the engine component is determined in advance by an experiment, and the low cycle fatigue life database is set in association with the heat load fluctuation and the temperature. The creep life of engine parts is determined in advance by experiments, and the creep life database set in association with thermal stress and temperature, and the high cycle fatigue life of engine parts is determined in advance by experiments and associated with vibration and temperature. And the high cycle fatigue life database set in the above, and in the low cycle fatigue damage calculation step, creep damage calculation step and high cycle fatigue damage calculation step of the program, Low cycle fatigue from each database based on Life, to read out the creep life and high cycle fatigue life.
[0039]
Thus, the same operation and effect as the seventh aspect of the invention can be obtained.
[0040]
In the invention of claim 15, in the invention of claim 14, the damage amount due to the high cycle fatigue is based on the high cycle fatigue life which is the number of vibrations when the engine component is broken only by the high cycle fatigue. In the high cycle fatigue damage amount calculation step, the high cycle fatigue life read from the high cycle fatigue life database is corrected so as to be shorter as the temperature state of the engine component is higher, The amount of damage due to high cycle fatigue is calculated based on the life after this correction.
[0041]
Thus, the same function and effect as the ninth aspect can be obtained.
[0042]
According to a sixteenth aspect of the present invention, the computer system according to the fifteenth aspect is provided with a life correction database which is obtained in advance by experiment to obtain life correction data for correcting high cycle fatigue, and is set separately for each engine component. In the high cycle fatigue damage amount calculation step of the program, the high cycle fatigue life is corrected based on the life correction data.
[0043]
Thus, the same function and effect as the tenth aspect can be obtained.
[0044]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the creep damage amount calculating step in the program according to the thirteenth to sixteenth aspects, the creep damage amount is calculated by considering the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of low cycle fatigue and high cycle fatigue. To determine the amount of damage caused.
[0045]
By doing so, the same operation and effect as the invention of claim 11 can be obtained.
[0046]
According to the eighteenth aspect of the present invention, in the destruction prediction program according to the thirteenth to seventeenth aspects, at least a physical model of the engine component is used to simulate a thermal load and vibration during engine operation. And a simulation step for obtaining the state data.
[0047]
Thus, the same function and effect as the twelfth aspect can be obtained.
[0048]
According to a nineteenth aspect of the present invention, the method according to the eighteenth aspect includes at least one time each of a change in thermal load causing low cycle fatigue and a holding period of thermal stress causing creep, and A test cycle including a vibration that causes cycle fatigue is set in advance, and in the simulation step of the program, the test cycle is reproduced two or more times, and the state data of the engine parts is acquired in the second and subsequent test cycles. To do.
[0049]
Thus, the same function and effect as the fifth aspect of the invention can be obtained.
[0050]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0051]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of an engine component fracture prediction system A according to the present invention. In this system A, first, geometric data and material data of an engine component are input to a computer device 1, In addition, the temperature, thermal stress, distribution of mechanical stress, constraint conditions, environmental temperature, and the like in the initial state of the engine component are input as boundary conditions. Then, by applying a well-known finite element method (FEM), a heat / stress analysis of the engine component is performed, and a time series of temperature distribution, stress distribution and strain distribution of the engine component corresponding to a predetermined number of cycles of the composite fatigue test is performed. Simulation data (time-series state data on at least one of stress and strain states and a temperature state) is obtained, and based on this, the life of the engine component up to destruction is predicted.
[0052]
Although not shown, for example, a storage device such as a hard disk drive, a display device such as a display, an output device such as a printer, and an input device such as a keyboard are connected to the computer device 1. The storage device includes at least an FEM analysis program (simulation program) for performing heat / stress analysis of the engine component, a preprocessor for creating a physical model for the FEM analysis program, and an engine component based on the result of the heat / stress analysis. And a damage analysis program for calculating the amount of damage to the image, and an image processing program for displaying an analysis result by each of the programs in an image or the like.
[0053]
Further, the storage device is electronically stored with four databases 11 to 14 used for analyzing the life of the engine parts so that the computer device 1 can access the computer device 1 by a general method as needed during its operation. Have been. That is, first, the low cycle fatigue life database 11, for example, a combustion chamber member such as a piston and a cylinder head, or an exhaust system component such as an exhaust manifold, a front pipe, a catalytic converter case, a silencer, etc. The low cycle fatigue life, which is the number of changes in thermal stress and thermal strain up to failure, is determined in advance by experiments and set.
[0054]
More specifically, a well-known low-cycle fatigue test is performed using a test piece having a typical material composition for each engine component. At this time, for each material composition, for example, test conditions such as strain amplitude and temperature are used. May be changed within a predetermined range, and based on the result, a graph representing the relationship between the low cycle fatigue life and the strain amplitude may be set for each temperature as in the SN diagram shown in FIG.
[0055]
Similarly, in the creep life database DB12, a creep life, which is a high-temperature holding period until the engine component is broken only by creep, is previously obtained by an experiment, and for example, as shown in FIG. Is set. In the high cycle fatigue life database DB13, a high cycle fatigue life, which is the number of vibrations when the engine component is destroyed only by the high cycle fatigue, is previously obtained by an experiment. For example, as shown in FIG. It is set in association with the temperature. The database DB14 will be described later.
[0056]
When the life of an engine component is determined in a complex fatigue environment in which the three destructive factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue simultaneously act, the temperature, stress, strain distribution, etc. of the engine component determined by FEM analysis are determined. Based on the simulation data and the low-cycle fatigue life, creep life, and high-cycle fatigue life read from the DBs 11 to 13, respectively, calculate the amount of damage caused by each of the three fracture factors, thereby determining the fracture. Can be done.
[0057]
In other words, the feature of the fracture prediction system A of this embodiment is that the processing from the FEM analysis of the engine component to the determination of the fracture due to complex fatigue is automatically executed with reference to a database set experimentally in advance. An object of the present invention is to make it possible to accurately and easily predict the life of an engine component before it breaks down in a complex fatigue environment.
[0058]
Although not shown, the computer device 1 is bidirectionally connected to a computer device (CAD server) of an engine design department via a network, and required engine parts are connected via the design CAD server. By inputting the three-dimensional CAD data, a physical model for FEM analysis can be easily created.
[0059]
-Prediction of fracture life-
Next, a method of predicting the life of an engine component due to complex fatigue in the fracture prediction system A will be specifically described.
[0060]
First, in a combined fatigue environment in which two failure factors, low cycle fatigue and creep, act, the sum of the damages caused by the two failure factors becomes 1 or more based on the conventional concept of adding damage. It has been proposed to judge time as destruction. That is,
Σn L / N Lf Destruction when + ΣΔt / tr> 1 Expression (1)
However,
n L : Number of cycles of low cycle fatigue included in one test cycle of composite fatigue test (number of fluctuations of thermal stress or thermal strain)
N Lf : Fracture life of low cycle fatigue (a function of temperature and low cycle strain amplitude)
Δt: High temperature holding time during one cycle (Heat stress holding period)
tr: creep rupture life (function of stress and temperature)
Σn L / N Lf : Damage due to low cycle fatigue
ΣΔt / tr: Damage due to creep.
[0061]
Therefore, the above concept is extended to the case of three-factor combined fatigue in which high-cycle fatigue is further superimposed. Basically, as shown in the following equation (2), the sum of the amounts of damage caused by the three destructive factors becomes When it becomes 1 or more, it is determined to be destruction. That is,
Σn L / N Lf + ΣΔt / tr + Σn H / N Hf Destruction at> 1 Equation (2)
However,
n H : Number of cycles of high cycle fatigue in one test cycle (number of vibrations)
N Hf : High cycle fatigue life
Σn H / N Hf : Damage due to high cycle fatigue.
[0062]
In the composite fatigue test, for example, as schematically shown in FIG. 5, at least a change in thermal stress (heat load) causing low cycle fatigue and a high temperature causing creep may occur during one test cycle. It may be set so as to include at least one holding period of (thermal stress) and to include resonance stress (vibration) of an engine or a road surface that causes high cycle fatigue.
[0063]
In addition, in the above equations (1) and (2), the term of the low cycle fatigue damage amount Δn L / N Lf In this method, damages caused by stress or strain fluctuations having different amplitudes are independently added. That is, as illustrated in FIG. 2, since the low cycle fatigue life is set in advance in association with, for example, a change in the strain amplitude, the low cycle fatigue life for each of the strain amplitudes included in the test cycle is different from the low cycle fatigue life. The number of times of accumulation is obtained independently, the damage amount corresponding to the strain amplitude is obtained, and the damage amounts due to the different strain amplitudes are added to obtain the low cycle fatigue damage amount. Similarly, in the term ΣΔt / tr of the amount of creep damage, the damages during the holding periods at different temperatures are independently added, and the term Σn of the high cycle fatigue damage is added. H / N Hf In this example, damages caused by vibrations having different amplitudes are independently added.
[0064]
By the way, as shown in the equations (1) and (2) of the fracture judgment criterion, simply adding up the amounts of damage caused by the three fracture factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue will result in the interaction of these fracture factors. Since the influence of the impact is not taken into account, sufficient fracture prediction accuracy cannot be obtained. In this regard, in this embodiment, the terms of the amount of creep damage and the amount of high cycle fatigue damage in the equation (2) are corrected so as to reflect the influence of the interaction with other destruction factors, respectively. This improves the prediction accuracy of the fracture life.
[0065]
−Correction of creep damage−
Hereinafter, first, the correction of the damage amount due to creep will be described in detail.
[0066]
The inventors of the present application first determined by experiment the life until a predetermined test piece fractured due to the combined fatigue of low cycle fatigue and creep, and obtained the actual life obtained in this way and the life prediction result obtained by the above equation (1). Compared. According to FIG. 6 showing the comparison result, the life predicted by the criterion of Expression (1) is smaller than the actual life at almost all levels, and it is understood that the life tends to be estimated smaller in Expression (1). Was.
[0067]
From this, when the low cycle fatigue damage amount and the creep damage amount of the equation (1) used for the life prediction were examined in detail, the creep damage amount sometimes exceeded the actual damage amount alone. It turns out that there is a problem with the way the quantities are calculated. That is, in the above equation (1), the amount of creep damage is calculated by a time ratio under a load stress, and it is assumed that the load stress is kept constant during a cycle. As shown in FIGS. 7 and 8, stress relaxation due to interaction with other destructive factors is observed in engine parts under a complex fatigue environment.
[0068]
From this, it can be considered that, in order to accurately obtain the creep damage amount, for example, as shown in FIGS. 7 and 8, the stress that changes with time may be integrated with respect to time. The creep damage amount was determined by the integration as described above based on the experimental data, etc., and the life was predicted by substituting this into the equation (1). As a result, a high prediction accuracy was obtained as shown in FIG.
[0069]
However, according to the current general FEM stress analysis, it is possible to calculate the stress of the member before the stress relaxation occurs, but it is not possible to calculate the stress reduced by the relaxation. When the stress distribution of the engine component is determined analytically as in A, the creep damage amount cannot be determined by integrating the stress with respect to time as described above.
[0070]
Therefore, in the fracture prediction system A of this embodiment, the creep damage amount is obtained by approximating the state of stress relaxation as described in detail below. That is, based on a general stress relaxation state of an engine component, as shown schematically in FIG. 10, a holding period at a temperature equal to or higher than a predetermined temperature at which creep occurs occurs before a relatively high stress period and a stress relaxation period. Is divided into a later period in which the stress is relatively low, and the magnitude of the thermal stress in the previous period is calculated as an initial value σ obtained by FEM analysis. 0 , While the thermal stress value in the subsequent period is the stress value σ in the previous period. 0 A value smaller than σ 1 Approximately constant.
[0071]
More specifically, for example, for a stainless steel SUS409 (JIS symbol), which is a main material of the exhaust manifold, a time t until the stress is reduced by stress relaxation. 1 And the stress value σ at that time 1 Were examined in a temperature range where the influence of creep damage was large, and as shown in FIGS. 7 and 8, the time required for the stress to decrease to become substantially constant was within a range of about 3 to 6 seconds. , Then the stress σ 1 Initial stress σ 0 (Stress ratio) was approximately in the range of 0.3 to 0.6.
[0072]
Further, a correlation was recognized between the stress ratio Rσ and the strain amplitude and the temperature as shown in an example in FIG. 11, and it was found that the stress ratio Rσ was represented by a function of the strain amplitude and the temperature. Therefore, a value of the stress ratio Rσ is obtained in advance by experiment for each material of the engine component, and a database set in correspondence with the strain amplitude and the temperature is constructed. Stored electronically. Also, the time t until the stress decreases is t 1 And no clear relationship was observed between strain amplitude and temperature. 1 Was determined to be an appropriate value based on the experimental results, and this value was set in the correction database DB14 (set to about 6 seconds in the example in the figure).
[0073]
When calculating the term of the amount of creep damage in the equations (1) and (2) of the destruction criterion, the correction database DB14 is used based on the material composition of the engine component and the distribution of temperature, strain, etc. in the simulation data. Time required for stress relaxation t 1 And the stress ratio Rσ are read out, so that the term of the creep damage amount in the equations (1) and (2) is approximated as in the following equation (3).
[0074]
ΣΔt / tr t t 1 / Tr 1 + (Δt−t 1 ) / Tr 2 ... Equation (3)
However,
Δt: High temperature holding time during one test cycle
tr 1 : Initial stress σ 0 Life (breaking time) under the influence of water
tr 2 : Stress σ after relaxation 10 × Rσ) when creep life
t 1 / Tr 1 : Amount of creep damage in previous period
(Δt−t 1 ) / Tr 2 : Amount of creep damage in later period.
[0075]
Thus, by approximating the term of the amount of creep damage in the equation (1) and predicting the life of the engine component by the two destruction factors of low cycle fatigue and creep according to the equation (1), the predicted fracture life Is about the same as that obtained by time integration of stress as described above (see FIG. 9), and it was found that sufficient accuracy was obtained.
[0076]
−Correction of high cycle fatigue damage−
Next, correction of the high cycle fatigue damage amount will be described. As described above, it has been found that sufficient prediction accuracy can be obtained for the life of an engine component due to the two destructive factors of low cycle fatigue and creep by adding the influence of stress relaxation to the calculation of the amount of creep damage. Therefore, in the case of three-factor combined fatigue, the term of the amount of creep damage in the equation (2) was corrected as described above, and the fracture life was predicted by the equation (2). From this result, as shown in an example in FIG. 12, although a good correlation is observed to some extent between the predicted life and the actual life obtained by experiment, it can be said that the error is large.
[0077]
From this, it is considered that there is a problem in the term of the amount of high cycle fatigue damage in the fracture criterion of the equation (2). That is, in the above equation (2), the high cycle fatigue damage amount is calculated as “0” at the stress amplitude or strain amplitude below the fatigue limit based on the current concept of evaluating general exhaust system components for automobiles. However, with respect to typical metal materials such as iron and steel, there is a general idea that the fatigue limit itself does not exist when a stress larger than the fatigue limit is applied even at a low frequency or at a high temperature. That is, in a combined fatigue environment, there is an interaction from low cycle fatigue and creep even for high cycle fatigue, and it is considered that damage is caused even by vibration having an amplitude less than the fatigue limit.
[0078]
In such a case, the modified Miner's rule is usually used for the life of the steel material. As schematically shown in FIG. 13, the life (high cycle fatigue life) is represented by a curve in a low life region (low cycle fatigue life). Is often extrapolated and evaluated. However, as a result of experiments conducted by the inventors of the present application, in the case where the temperature state is significantly different depending on the part or arrangement, such as a combustion chamber member or an exhaust system part of an engine, the change in the life due to the interaction is also greatly different. It turns out that the modified Miner's rule that treats this uniformly is not enough.
[0079]
In consideration of this, in this embodiment, the prediction of the fracture life due to complex fatigue follows the concept of the so-called modified Miner's rule, taking into account the influence of damage due to vibration (stress or strain amplitude) equal to or less than the fatigue limit. The amount of damage due to high cycle fatigue was determined, and the degree of the effect was changed according to the temperature condition of engine parts.
[0080]
Specifically, for example, in the exhaust system components of the engine, the temperature state becomes lower in the order of the exhaust manifold, the front pipe, the catalytic converter case, the rear pipe, and the silencer from the upstream side to the downstream side of the exhaust flow, and the fatigue The effect of vibration below the limit on the amount of high cycle fatigue damage is reduced. Therefore, the operating temperature range is set in advance for each of these components, and for each of these temperature ranges, as shown schematically in FIG. Correct so that the fatigue life is shortened.
[0081]
That is, referring to FIG. 14, when obtaining the high cycle fatigue life of the engine parts, the data of the low cycle fatigue life is extended to the high life region as shown by the broken line graph in the figure, In the intermediate region between the cycle fatigue life graph (solid line) and the middle region, the high cycle fatigue life may be determined according to the temperature state of the engine component. More specifically, for example, a correction coefficient α (lifetime correction data: 0 <α <1) for correcting the life for each use temperature range of the engine component is set in advance by an experiment or the like, and the value of α is set for each engine component. And stored in the correction database 14.
[0082]
Then, the low cycle fatigue life data and the high cycle fatigue life data are read from DB11 and DB13, respectively, and the high cycle fatigue life data is corrected based on the correction coefficient α and the low cycle fatigue life data. That is,
N Hf ′ = Α × N Lf + (1-α) × N Hf ... Equation (4)
However
α: Correction coefficient (set to a higher value at higher temperatures)
N Lf : Low cycle fatigue life data
N Hf : High cycle fatigue life data
N Hf ': High cycle fatigue life after correction.
[0083]
The high cycle fatigue life corrected in this way takes into account the damage caused by vibration below the fatigue limit, and even if the same material composition is used, different values are reflected in different temperature ranges to be used. . When calculating the fracture life of the engine component due to complex fatigue, the engine component is calculated by calculating the term of the high cycle fatigue damage amount in the equation (2) based on the high cycle fatigue life corrected as described above. It is considered that the influence of the interaction that varies depending on the operating temperature range can be accurately reflected.
[0084]
Therefore, the corrected high cycle fatigue damage amount is used, and the term of the creep damage amount incorporates the effect of stress relaxation as described above (Equation (3)). The destruction criterion in consideration of the action was redefined. That is,
Σn L / N Lf + (T 1 / Tr 1 + (Δt−t 1 ) / Tr 2 ) + Σn H / N Hf '> 1 destroyed ... Equation (5)
However,
n L : Number of low cycle fatigue cycles included in one test cycle of combined fatigue test
N Lf : Low cycle fatigue life
Δt: High temperature holding time during one test cycle
tr 1 : Initial stress σ 0 Creep life when applied
tr 2 : Stress σ after relaxation 1 Creep life when applied
n H : Number of high cycle fatigue cycles in one test cycle
N Hf ′: Corrected high cycle fatigue life
Σn L / N Lf : Damage due to low cycle fatigue
t 1 / Tr 1 + (Δt−t 1 ) / Tr 2 : Damage due to creep
Σn H / N Hf ′: Damage due to high cycle fatigue.
[0085]
According to the criterion of the equation (5), the life of the engine component when the three destruction factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue are combined is estimated, and this is compared with the actual life obtained by material test. As shown in FIG. 15, the accuracy was extremely high, and a clear improvement in accuracy was recognized as compared with the test results shown in FIG. 12, and it was found that the fracture life due to three-factor composite fatigue could be predicted with extremely high accuracy. .
[0086]
-Procedure for predicting fracture under combined fatigue-
Next, a procedure for estimating the destruction life of the exhaust manifold by the engine component destruction prediction system A according to this embodiment will be specifically described with reference to FIGS. 16 and 17.
[0087]
First, in step S1 after the start of the flow shown in FIG. 16, a predetermined input operation is performed according to the screen display of the computer device 1 and the like, and data and the like for FEM analysis and damage analysis are input. That is, for example, to input geometric data representing the size and shape of the exhaust manifold, physical composition data such as material composition data and thermal conductivity, and to simulate thermal load and vibration acting on the exhaust manifold during engine operation. Enter the boundary conditions and test cycle data of.
[0088]
Subsequently, in step S2, the preprocessor is activated to create a mesh model of the exhaust manifold. That is, for example, based on three-dimensional CAD data input via a design CAD server, the format of this data is converted, and the shape and expected heat load of each of the independent passages, gathering parts, flange parts, etc. of the exhaust manifold are respectively determined. A mesh is generated according to the degree of, and divided into finite elements. Then, in the following step S3, the mesh model created as described above is displayed as an image.
[0089]
Subsequently, in steps S4 to S7, a simulation operation is performed to simulate the operation of the engine using the model of the exhaust manifold, whereby a time series relating to the temperature distribution and the stress distribution (or strain distribution) in the exhaust manifold is obtained. Is obtained. That is, in step S4, heat conduction analysis is performed, and in step S5, the result is displayed as an image. In step S6, stress analysis is performed, and in step S7, the result is displayed as an image.
[0090]
At this time, the test cycle for simulating the engine operation (see FIG. 5) is repeated at least twice or more, and the simulation data is acquired in the second and subsequent test cycles. By doing so, it is possible to reduce the effects of residual stress, etc., and obtain the heat and stress distribution due to the thermal load and vibration that repeatedly act on the exhaust manifold by operating the engine. The prediction accuracy of the fracture life based on this simulation data Is improved.
[0091]
Then, in the subsequent step S8, a fracture life analysis of the exhaust manifold is performed based on the simulation data obtained as described above. That is, based on the simulation data (temperature file, stress file, strain file, etc.) and each data of the low cycle fatigue life, creep life, and high cycle fatigue life read from the databases EB11 to EB13, each of the exhaust manifolds The amount of low-cycle fatigue damage, the amount of creep damage, and the amount of high-cycle fatigue damage after a predetermined test cycle are calculated by the fracture life prediction formula of the above formula (5) for each part, and the sum of the respective damage amounts becomes 1 or more. The number of test cycles or time up to the time is defined as the breakdown life.
[0092]
At that time, as described above, in the calculation of the amount of creep damage and the amount of high cycle fatigue damage in the above equation (5), a correction is made to take into account the influence of interaction with other destructive factors. For example, as schematically shown in the left column and the central column of FIG. 17, the time t required for stress relaxation is calculated from the correction database DB14 according to at least the type of the engine component. 1 And the data of the stress ratio Rσ are read, the amount of creep damage is calculated in consideration of the effect of the stress relaxation, and after the high cycle fatigue life is corrected using the correction coefficient α read from the DB 14, Calculate the cycle fatigue damage amount.
[0093]
Then, in the following step S9, the life prediction result of the exhaust manifold is output, and then the control is ended (end). As the output of the prediction result, for example, it is preferable to display a predicted life in each part of the exhaust manifold as shown in the drawing, that is, a distribution map of the predicted life in the exhaust manifold, for example, as shown in the right column of FIG. The life of the strictest part (in this example, the number of test cycles) may be displayed numerically.
[0094]
Steps S1 to S7 of the flow shown in FIG. 16 simulate the heat load and vibration during engine operation using at least the physical model of the engine component, and thereby, when the temperature, stress, distortion, etc. of the engine component are related. This corresponds to a simulation step of obtaining a series of simulation data.
[0095]
Also, in step S8, based on the simulation data and the data of DB11 to DB14, the respective damage amounts of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue are respectively calculated, and the three damage amounts are calculated in accordance with the fracture determination criterion of equation (5). This corresponds to a destruction determination step of determining destruction of an engine component by a destruction factor.
[0096]
In other words, the calculation of the term of the low cycle fatigue damage amount in the equation (5) is based on the history of the thermal load fluctuation obtained from the simulation data and the low cycle fatigue life of the exhaust manifold. Corresponding to the low cycle fatigue damage amount calculation step of calculating the amount, similarly, the calculation of the term of the creep damage amount in the equation (5) corresponds to the creep damage amount calculation step, and the calculation of the term of the high cycle fatigue damage amount corresponds to Each corresponds to a high cycle fatigue damage amount calculation step.
[0097]
In the destruction prediction system A of this embodiment, the computer device 1 executes the steps S1 to S7 of the flow, so that the computer device 1 constitutes a simulation means. As a result, the computer device 1 constitutes low cycle fatigue damage amount calculation means, creep damage amount calculation means, high cycle fatigue damage amount calculation means, and destruction determination means.
[0098]
Therefore, according to the method for predicting the failure of an engine component according to the present embodiment, when predicting the life of the engine component until failure occurs in an environment where three failure factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue are combined. In addition to determining the fracture by adding all the damage amounts due to the three fracture factors, the calculation of the creep damage amount is corrected to take into account the effect of stress relaxation, and the calculation of the high cycle fatigue damage amount is performed. By performing the correction so as to take into account the influence of the damage due to the vibration below the fatigue limit, the influence of the interaction of the destructive factors can be taken into account, and the destructive life of the engine component due to the three-factor combined fatigue can be accurately predicted.
[0099]
At this time, the life data when the three destructive factors individually act are obtained in advance by experiments and the like, and are set and stored as the databases DB11 to DB13. By using, it is possible to accurately and easily predict the fracture life.
[0100]
As for the thermal load and vibration acting on the engine components during the operation of the engine, thermal and stress analysis is performed by applying FEM to obtain time-series simulation data, and this data is used. There is no need to perform experiments, measurements, and the like using engine parts, and the prediction of fracture life becomes much easier.
[0101]
-Other embodiments-
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes other various embodiments. That is, in the above-described embodiment, the data of the thermal load and vibration received by the engine component during the operation of the engine is analytically obtained by applying the FEM. However, the present invention is not limited to this. Data may be acquired.
[0102]
In that case, it is also possible to measure the state of stress relaxation at the time of creep, so that it is not necessary to use an approximate expression such as Expression (3) of the above embodiment for calculating the term of the creep damage amount. As shown in the following equation (6), the amount of creep damage can be obtained by integrating the measured stress with respect to time. That is,
ΣΔt / tr ≒ ∫Δσdt / Δσ · tr (6)
However,
Δσ: fluctuating stress during one cycle (measured value)
tr: creep life (rupture time) when Δσ acts.
[0103]
Further, in the above-described embodiment, the simulation for predicting the failure of the exhaust manifold has been described. However, it goes without saying that the method for predicting the failure of the present invention can be applied to, for example, combustion chamber members such as pistons and cylinder heads and other engine parts.
[0104]
【The invention's effect】
As described above, according to the engine component fracture prediction method, the fracture prediction system, and the control program according to the present invention, when the three fracture factors of low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue act simultaneously, the In addition to adding the damage of the engine components due to the individual failure factors, and taking into account the effects of the interaction of the three failure factors, at least for the high-cycle fatigue damage amount, make a correction that takes into account the effects of the damage due to vibration below the fatigue limit. By doing so, the life until the engine component is destroyed by complex fatigue can be predicted with high accuracy. Therefore, accurate destruction prediction of engine parts can be performed without constructing a large-scale database requiring a huge number of man-hours.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an engine component destruction prediction system A according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of low cycle fatigue life data.
FIG. 3 is a diagram showing an example of creep life data.
FIG. 4 is a diagram showing an example of data of a high cycle fatigue life.
FIG. 5 is a schematic view of one test cycle of a combined fatigue test.
FIG. 6 is a graph showing a result of predicting a fracture life of creep fatigue based on a conventional fracture criterion in comparison with an actual life.
FIGS. 7A and 7B are graphs each showing a state of reduction in stress due to stress relaxation while changing temperature conditions.
FIG. 8 is a graph showing the state of stress reduction due to stress relaxation while varying the strain amplitude.
FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 6 when the effect of stress relaxation is added to the life prediction.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an approximate method of stress relaxation in calculation of a creep damage amount.
FIG. 11 is a diagram showing an example of data in which a stress ratio is set in association with temperature and strain amplitude.
FIG. 12 is a graph showing the results of predicting fracture life due to three-factor combined fatigue when the amount of creep damage is corrected in consideration of the effect of stress relaxation, as compared with actual life.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a conventional general modified minor rule.
FIG. 14 is a diagram corresponding to FIG. 13 when the influence of temperature is reflected on the modified minor rule.
FIG. 15 is a diagram corresponding to FIG. 12 when the life due to three-factor combined fatigue is predicted by correcting both the amount of creep damage and the amount of high cycle fatigue damage.
FIG. 16 is a flowchart showing a schematic procedure of a fracture life prediction method.
FIG. 17 is a schematic diagram of main input terms, analysis methods, and output terms in the fracture life prediction.
[Explanation of symbols]
A Destruction prediction system for engine parts
1. Computer device (simulation means, low-cycle fatigue damage calculation means, creep damage calculation means, high-cycle fatigue damage calculation means, fracture determination means)
11 Low cycle fatigue life DB (database)
12 Creep life DB (database)
13 High cycle fatigue life DB (database)
14 Correction DB (Stress Relaxation Database, Lifetime Correction Database)

Claims (19)

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、
前記高サイクル疲労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。
A failure prediction method for predicting the life of an engine component until it is damaged and damaged by a combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by heat load and high cycle fatigue caused by vibration,
Based on the low cycle fatigue life, which is the life of the engine component up to destruction only by low cycle fatigue, and the history of at least thermal load fluctuation in the engine component, determine the amount of damage due to low cycle fatigue,
Based on the creep life, which is the life of the engine component up to destruction only by creep, and the history of at least thermal stress in the engine component, determine the amount of damage due to creep,
The high cycle fatigue life, which is the life of the engine component up to destruction only by high cycle fatigue, and the amount of damage due to high cycle fatigue based on at least the history of vibration in the engine component,
The low-cycle fatigue, creep and determine when the total sum of the respective damage amount due to high-cycle fatigue is equal to or more than a predetermined value as a fracture,
An engine characterized in that when determining the amount of damage due to high cycle fatigue, the effect of damage due to vibration having an amplitude equal to or less than the fatigue limit, which is caused by interaction with at least one of the low cycle fatigue and creep, is taken into account. A method for predicting component failure.
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、エンジン部品の温度が高いときほど、疲労限以下の振動による損傷の影響が大きくなるようにすることを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
In claim 1,
A method for predicting the destruction of an engine component, characterized in that when calculating the amount of damage due to high cycle fatigue, the higher the temperature of the engine component, the greater the effect of the damage due to vibration below the fatigue limit.
請求項1において、
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ことを特徴とするエンジン部品の破壊予測方法。
In claim 1,
A method for predicting the destruction of an engine component, wherein the amount of damage due to creep is determined by taking into account the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of low cycle fatigue and high cycle fatigue.
請求項1〜3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。
In any one of claims 1 to 3,
Using at least a physical model of the engine component, simulate heat load and vibration during engine operation, thereby obtaining time-series state data on at least one of stress and strain states and the temperature state of the engine component, A method for predicting the destruction of an engine component, wherein each damage amount due to low cycle fatigue, creep and high cycle fatigue is obtained based on the state data.
請求項4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。
In claim 4,
A test cycle including at least one time each of the fluctuation of the thermal load causing low cycle fatigue and the holding period of the thermal stress causing creep, and including a vibration causing high cycle fatigue,
A method for predicting destruction of an engine component, comprising: reproducing the test cycle two or more times in a simulation during engine operation, and acquiring state data of the engine component in the second and subsequent test cycles.
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、
前記高サイクル疲労損傷量演算手段は、前記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。
A computer system for predicting the life of an engine component until it is damaged and destroyed by a combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by heat load and high cycle fatigue caused by vibration,
Time series state data relating to at least one of a stress or strain state and a temperature state in the engine part is input, and at least a history of heat load fluctuation obtained from the data and the engine part is destroyed only by low cycle fatigue. A low cycle fatigue damage amount calculating means for calculating a damage amount due to low cycle fatigue of the engine component based on a low cycle fatigue life which is a life up to,
Upon receiving the state data, at least based on a history of thermal stress obtained from the data and a creep life which is a life until the engine part is broken only by creep, damage of the engine part due to creep Creep damage amount calculating means for calculating the amount;
The state data is input, at least based on a history of vibration obtained from the data and a high cycle fatigue life which is a life until the engine component is broken down only by the high cycle fatigue of the engine component, High cycle fatigue damage amount calculating means for calculating the damage amount due to high cycle fatigue,
The low cycle fatigue, creep and destruction determination means for determining when the total sum of the damage amount due to high cycle fatigue is equal to or more than a predetermined value, destruction,
The high cycle fatigue damage amount calculating means obtains a damage amount due to high cycle fatigue in consideration of an influence of damage caused by vibration having an amplitude equal to or less than a fatigue limit, which is caused by interaction with at least one of the low cycle fatigue and creep. An engine component destruction prediction system characterized by being configured as described above.
請求項6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。
In claim 6,
A low-cycle fatigue life database obtained by previously calculating the low-cycle fatigue life of engine parts by experiment, and setting the low-cycle fatigue life in association with heat load fluctuation and temperature;
A creep life database obtained by previously determining the creep life of the engine parts by experiments, and setting the creep life in association with the thermal stress and the temperature;
A high-cycle fatigue life database of engine parts obtained in advance by high-cycle fatigue life and set in association with vibration and temperature is provided,
The low cycle fatigue damage amount calculating means, the creep damage amount calculating means, and the high cycle fatigue damage amount calculating means are each configured to obtain a low cycle fatigue life, a creep life, and a high cycle fatigue life from each of the databases based on at least engine component state data. A system for predicting the destruction of an engine component, characterized in that the system is configured to read the engine component.
請求項7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。
In claim 7,
A failure prediction system for engine parts, characterized in that lifespan data is separately set for each material of engine parts in each database of low cycle fatigue life, creep life and high cycle fatigue life.
請求項7において、
高サイクル疲労による損傷量は、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、
高サイクル疲労損傷量演算手段は、高サイクル疲労寿命データベースから読み出した高サイクル疲労寿命をエンジン部品の温度状態が高いときほど短くなるように補正して、この補正後の寿命に基づいて高サイクル疲労による損傷量を演算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。
In claim 7,
The amount of damage due to high cycle fatigue is calculated as the ratio of the cumulative number of vibrations to the high cycle fatigue life, which is the number of vibrations when the engine component is destroyed only by the high cycle fatigue,
The high-cycle fatigue damage amount calculating means corrects the high-cycle fatigue life read from the high-cycle fatigue life database so as to be shorter as the temperature state of the engine component is higher. Based on the corrected life, the high-cycle fatigue damage is calculated. An engine component destruction prediction system, which is configured to calculate an amount of damage caused by an engine.
請求項9において、
高サイクル疲労寿命を補正するための寿命補正データを予め実験により求めて、エンジン部品毎に分けて設定した寿命補正データベースが設けられ、
高サイクル疲労損傷量演算手段は、高サイクル疲労寿命を前記寿命補正データに基づいて補正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。
In claim 9,
Life correction data for correcting high cycle fatigue life is obtained in advance by experiments, and a life correction database set for each engine component is provided,
The high-cycle fatigue damage amount calculating means is configured to correct the high-cycle fatigue life based on the life correction data.
請求項6〜10のいずれか1つにおいて、
クリープ損傷量演算手段は、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。
In any one of claims 6 to 10,
An engine component characterized in that the creep damage amount calculating means is configured to calculate the amount of damage due to creep in consideration of the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of low cycle fatigue and high cycle fatigue. Failure prediction system.
請求項6〜11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。
In any one of claims 6 to 11,
At least a physical model of the engine component is used to simulate heat load and vibration during engine operation, thereby providing simulation means for analytically obtaining state data of the engine component. Failure prediction system.
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、
前記高サイクル疲労損傷量演算ステッップでは、前記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。
A control program of a computer system for predicting the life until engine parts are damaged and destroyed by combined fatigue of low cycle fatigue and creep caused by heat load and high cycle fatigue caused by vibration,
By inputting time-series state data relating to at least one of stress or strain state and temperature state in the engine part, at least a history of heat load fluctuation obtained from the data and the engine part is destroyed only by low cycle fatigue. A low cycle fatigue damage amount calculating step of calculating a damage amount due to low cycle fatigue of the engine component based on a low cycle fatigue life which is a life up to,
By inputting the state data, at least based on a history of thermal stress obtained from the data and a creep life which is a life until the engine part is broken only by creep, damage of the engine part due to creep A creep damage amount calculating step of calculating the amount;
By inputting the state data, at least based on a history of vibration obtained from the data and a high cycle fatigue life that is a life until the engine part is destroyed only by the high cycle fatigue, A high cycle fatigue damage amount calculating step of calculating a damage amount due to high cycle fatigue,
The low cycle fatigue, creep and destruction determination step to determine that when the sum of the damage amount due to high cycle fatigue is equal to or more than a predetermined value, destruction,
In the high cycle fatigue damage amount calculation step, the damage amount due to high cycle fatigue is determined by taking into account the influence of damage caused by vibration having an amplitude equal to or less than the fatigue limit, which is caused by interaction with at least one of the low cycle fatigue and creep. A control program for a system for predicting the destruction of engine parts, characterized in that:
請求項13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。
In claim 13,
Computer systems include:
A low-cycle fatigue life database obtained by previously calculating the low-cycle fatigue life of engine parts by experiment, and setting the low-cycle fatigue life in association with heat load fluctuation and temperature;
A creep life database obtained by previously determining the creep life of the engine parts by experiments, and setting the creep life in association with the thermal stress and the temperature;
A high-cycle fatigue life database which is obtained in advance by experimenting on the high-cycle fatigue life of engine parts and set in association with vibration and temperature;
Are connected to each other,
In the low cycle fatigue damage amount calculation step, the creep damage amount calculation step, and the high cycle fatigue damage amount calculation step, the low cycle fatigue life, creep life and high cycle fatigue life are obtained from the respective databases based on at least the state data of the engine parts. A control program for a system for predicting the destruction of engine parts, characterized by reading out data.
請求項14において、
高サイクル疲労による損傷量は、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、
高サイクル疲労損傷量演算ステップでは、高サイクル疲労寿命データベースから読み出した高サイクル疲労寿命をエンジン部品の温度状態が高いときほど短くなるように補正して、この補正後の寿命に基づいて高サイクル疲労による損傷量を演算する
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。
In claim 14,
The amount of damage due to high cycle fatigue is calculated as the ratio of the cumulative number of vibrations to the high cycle fatigue life, which is the number of vibrations when the engine component is destroyed only by the high cycle fatigue,
In the high-cycle fatigue damage amount calculation step, the high-cycle fatigue life read from the high-cycle fatigue life database is corrected so as to be shorter as the temperature of the engine component is higher, and the high-cycle fatigue life is calculated based on the corrected life. A control program for a system for predicting the destruction of engine parts, which calculates the amount of damage caused by the engine.
請求項15において、
コンピュータシステムには、高サイクル疲労寿命を補正するための寿命補正データを予め実験により求めて、エンジン部品毎に分けて設定した寿命補正データベースが設けられ、
高サイクル疲労損傷量演算ステップでは、高サイクル疲労寿命を前記寿命補正データに基づいて補正する
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。
In claim 15,
The computer system is provided with a life correction database which is obtained in advance by experiment to obtain life correction data for correcting high cycle fatigue life, and is set separately for each engine component.
In the high cycle fatigue damage amount calculation step, a control program for a system for predicting the destruction of an engine component, wherein the high cycle fatigue life is corrected based on the life correction data.
請求項13〜16のいずれか1つにおいて、
クリープ損傷量演算ステップでは、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。
In any one of claims 13 to 16,
In the creep damage amount calculation step, the control of the engine component fracture prediction system is characterized in that the damage amount due to creep is obtained in consideration of the effect of stress relaxation due to interaction with at least one of low cycle fatigue and high cycle fatigue. program.
請求項13〜17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。
In any one of claims 13 to 17,
At least using a physical model of the engine component, a simulation of heat load and vibration during engine operation is performed, thereby further comprising a simulation step of obtaining state data of the engine component. Control program.
請求項18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。
In claim 18,
A test cycle including at least one of the fluctuation of the thermal load causing low cycle fatigue and the holding period of the thermal stress causing creep at least once, and a vibration cycle causing high cycle fatigue is set in advance. In addition,
A control program for a system for predicting destruction of an engine component, wherein the simulation step reproduces the test cycle two or more times, and acquires state data of the engine component in the second and subsequent test cycles.
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