JP2005249597A - 疲労寿命評価方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状や接合部を有するワークの疲労寿命を自動的に算出して評価できる疲労寿命評価方法およびその装置を提供すること。
【解決手段】本発明の疲労寿命評価システム１は，対象材質に反復荷重を印加した時の表面の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係を疲労寿命データベース１４から検索するデータベース検索部２５と，対象物に反復荷重を印加する反復荷重機１１と，対象物の表面温度を取得する赤外線カメラ１２と，赤外線カメラ１２の出力から対象物の反復荷重印加時の温度振幅を算出する温度振幅分布算出部２４と，温度振幅分布算出部２４が算出した温度振幅と，データベース検索部２５が取得した温度振幅と疲労寿命との関係とから対象物の疲労寿命を評価する疲労寿命分布算出部２６とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は，金属製部品の疲労寿命を測定評価するための疲労寿命評価方法およびその装置に関する。さらに詳細には，部品に反復荷重を印加することによる疲労寿命評価方法およびその装置に関するものである。

機械部品等の疲労寿命の評価方法として，例えば，反復荷重を印加して，疲労破壊が起きるまでの負荷印加回数で評価する方法がある。その応力の大きさあるいはその応力による歪みの大きさと破壊までの繰り返し回数（疲労寿命）との関係は，一般にＳ−Ｎ曲線としてまとめられている。従来より，この曲線を利用して疲労寿命を測定するために，部品表面に多数の歪みゲージを取付けて荷重を加え，歪値を測定することが行われていた。しかし，歪値測定は測定に手間がかかり，またゲージを取り付けた位置しか測定できない。そのため，複雑な形状の部品等では，測定位置の設定を誤ると，大きな歪みを見逃してしまうおそれがあった。

それに対して，この面倒な歪みゲージによる測定に代えて，測定対象の表面温度の変化幅を測定することによって歪値の測定を行う方法も考案されている（例えば，特許文献１参照。）。この文献に記載の技術によれば，部品に反復荷重を印加すると，部品の表面温度が変化し，この温度変化の幅によって応力変化量を測定できる。さらには，反復荷重の熱弾性効果による試料表面の温度変化を赤外光によって検出し，その温度変化の幅を自動的に検出する方法も提案されている（例えば，特許文献２参照。）。
特公昭６３−７３３３号公報 特開２０００−２４９６３８号公報

しかしながら，前記した特許文献１および特許文献２に記載の各方法による応力測定の場合でも，あらかじめ設定された所定の測定位置での温度振幅の測定を行うものである。これらの方法では，歪みゲージを取り付ける必要はないものの，その測定位置の選択はやはり測定者の判断によっている。測定対象となる部材（ワーク）には，複雑な形状のものや接合部を含むもの等があり，歪みの最も大きくなる部位をあらかじめ推定することは容易ではない。また，このような複雑なワークの場合，赤外線カメラでワーク全体の表面温度を検出しても，その結果から疲労寿命を算出するには，手間と時間がかかるものであるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，複雑な形状や接合部を有するワークの疲労寿命を自動的に算出して評価できる疲労寿命評価方法およびその装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の疲労寿命評価方法は，対象材質に反復荷重を印加した時の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係をあらかじめ把握しておき，対象物の表面温度を測定しつつその対象物に反復荷重を印加することでその対象物の温度振幅を測定し，測定された温度振幅とあらかじめ把握している関係とからその対象物の疲労寿命を評価するものである。

またあるいは，本発明の疲労寿命評価方法は，対象材質に反復荷重を印加した時の表面の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係をあらかじめ把握しておき，対象物の表面温度を測定しつつその対象物に反復荷重を印加することでその対象物の温度振幅を測定し，測定された温度振幅とあらかじめ把握している関係とからその対象物の疲労寿命を評価するものでもよい。

本発明の疲労寿命評価方法によれば，対象物に反復荷重を印加してそのときの温度振幅を測定する。ここで，対象物に反復荷重を印加した時の温度振幅は，その応力分布に対応しており，疲労寿命と所定の関係があることが分かっているものである。本発明では，対象材質についてその温度振幅と疲労寿命との関係をあらかじめ把握しておくので，対象物の各部位の材質などに応じて，その把握されている関係から疲労寿命を評価することができる。従って，複雑な形状や接合部を有するワークの疲労寿命を自動的に算出して評価することができる。

さらに，本発明では，対象物の温度振幅の測定を，赤外線カメラを用いて２次元的に行い，その対象物の疲労寿命の２次元分布を評価することが望ましい。
このようにすれば，対象物中の評価対象位置をあらかじめ設定する必要がなく，対象物全体を２次元的に評価できる。

さらに，本発明では，種々の材質についての温度振幅と疲労寿命との関係をあらかじめデータベース化しておき，温度振幅と疲労寿命との関係を，対象物の性状に応じてデータベースから選択して使用することが望ましい。
このようにすれば，種々の材質についての温度振幅と疲労寿命との関係があらかじめデータベース化されているので，対象物の性状が場所ごとに異なっていても，それぞれに応じた関係を容易に選択できる。

また，本発明の疲労寿命評価装置は，対象材質に反復荷重を印加した時の表面の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係を取得する関係取得手段と，対象物に反復荷重を印加する反復荷重印加装置と，対象物の表面温度を取得する表面温度取得装置と，表面温度取得装置の出力から対象物の反復荷重印加時の温度振幅を算出する温度振幅算出手段と，温度振幅算出手段が算出した温度振幅と，関係取得手段が取得した温度振幅と疲労寿命との関係とから対象物の疲労寿命を評価する疲労寿命評価手段とを有するものである。

本発明の疲労寿命評価装置によれば，対象物は，表面温度取得装置によって表面温度を取得されつつ反復荷重印加装置によって反復荷重を印加されることができる。さらに，温度振幅算出手段によって温度振幅が算出されるので，その温度振幅を利用して疲労寿命評価手段によって疲労寿命が評価される。このとき，疲労寿命評価手段では，関係取得手段によって取得された関係が利用される。従って，本装置によれば疲労寿命評価方法を実施できる。

さらに，本発明では，表面温度取得装置は，赤外線カメラであり，温度振幅算出手段は，対象物の温度振幅を場所ごとに算出するものであり，疲労寿命評価手段は，対象物の疲労寿命を場所ごとに評価するものであり，疲労寿命評価手段により評価された対象物の疲労寿命を２次元表示する表示手段を有することが望ましい。
このようにすれば，対象物は２次元的に評価されるとともに，その結果は表示手段に２次元的に表示される。従って，疲労寿命の分布が把握しやすい。

さらに，本発明では，種々の材質についての温度振幅と疲労寿命との関係を記憶するデータベースを有し，関係取得手段は，温度振幅と疲労寿命との関係を，対象物の性状に応じてデータベースから選択することが望ましい。
このようにすれば，種々の材質についての表面温度振幅と疲労寿命との関係がデータベースに記憶されているので，対象物の性状が場所ごとに異なっていても，それぞれに応じた関係を容易に選択できる。

本発明の疲労寿命評価方法およびその装置によれば，複雑な形状や接合部を有するワークの疲労寿命を自動的に算出して評価できる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，ワークに反復荷重を印加して疲労寿命を評価する疲労寿命評価システムである。

本形態の疲労寿命評価システム１は，図１に示すように，制御部１０を中心として構成され，反復荷重機１１，赤外線カメラ１２，表示装置１３，疲労寿命データベース１４を有している。また，制御部１０には，ワーク領域設定部２１，反復荷重機制御部２２，表面温度分布入力部２３，温度振幅分布算出部２４，データベース検索部２５，疲労寿命分布算出部２６，疲労寿命分布表示部２７が設けられている。

反復荷重機１１は，図２に示すようなワーク３１や図３に示すようなテストピース３２に対して，例えば引張圧縮等の，反復荷重を印加するための装置である。ここで，ワーク３１は，測定対象となる部材であり，図２に示すように，曲げ部や接合部等を含んだ複雑な形状のものであることもある。また，テストピース３２は，データベース構築のためのデータ採取に使用される。本システムでは，まず多数のテストピース３２について疲労試験を行い，その結果を所定の形式でデータベース化しておく。図３に示したのは，データベース構築のためのデータ取得方法であり，詳しくは後述する。

赤外線カメラ１２は，対象物からの赤外光により，対象物の表面温度を場所毎に測定できる。所定の視野範囲を平面的に測定することができ，これによって，その範囲内の各所の表面温度をほぼ同時に検出することが可能である。また，表示装置１３は，赤外線カメラ１２の測定結果や，算出された疲労寿命分布等を表示するためのものである。また，疲労寿命データベース１４は，テストピース３２の測定によって，採取されたデータを整理して保管する。

次に，制御部１０に含まれる各部について簡単に説明する。ワーク領域設定部２１は，ワーク３１をその材質，処理方法等の各種の条件によって小領域に分割する。反復荷重機制御部２２は，反復荷重機１１を制御し，その印加荷重や印加速度等を設定する。表面温度分布入力部２３は，赤外線カメラ１２から入力されたデータによってワーク３１の各部の表面温度分布を得る。温度振幅分布算出部２４は，表面温度分布入力部２３で得られたワーク３１の各部の表面温度分布から，各所での温度振幅を算出する。データベース検索部２５は，ワーク３１の各小領域に対応する疲労寿命のデータを疲労寿命データベース１４から検索する。疲労寿命分布算出部２６は，データベース検索部２５によって検索された疲労寿命のデータから，各小領域の疲労寿命を算出する。疲労寿命分布表示部２７は，疲労寿命分布算出部２６によって求められた各小領域の疲労寿命を表示装置１３に表示する。

ここで，疲労寿命について簡単に説明する。ここでの疲労寿命とは，ワーク３１やテストピース３２等に所定の反復荷重を繰り返し印加した場合に，疲労破壊が発生するまでに印加できる回数として表される。従来より，反復荷重を印加している部材の表面温度振幅から応力振幅が測定でき，この応力振幅と疲労寿命とは所定の関係があることが分かっている。そこで，部材に反復荷重を印加しつつその表面温度振幅を測定することにより，その部材の疲労寿命を評価することができる。以下では，この表面温度振幅と疲労寿命との関係を表すグラフを，温度振幅−疲労寿命線図と呼ぶ。

そこでまず，図３に示すように，テストピース３２を反復荷重機１１で反復荷重を印加しながら，同時にその表面温度を赤外線カメラ１２で測定する。その結果から制御部１０によって温度振幅を算出し，破壊までの繰り返し印加回数と合わせて，温度振幅と疲労寿命との関係が得られる。これを同種のテストピース３２に対して複数の荷重印加条件で実験することにより，図４に示すような，温度振幅−疲労寿命線図が得られる。この線図を多種類のテストピース３２について採取し，テストピース３２の種類や荷重印加条件で分類してデータベース化したものが疲労寿命データベース１４に保管される。

ここで，データベースの分類項目としては，以下のようなものがある。例えば，材質，加工履歴，熱処理履歴，表面処理履歴，表面性状，残留応力等のワーク３１に関する分類項目に加え，印加荷重，印加速度，平均応力等の荷重の条件に関する分類項目が設けられている。これに対し，測定対象となるワーク３１の材質，加工履歴，表面処理履歴，表面性状等と，そのワーク３１の評価条件となる荷重の種類や事前に予想される寿命等に応じて，ワーク３１に対応する温度振幅−疲労寿命線図が検索される。

次に，このようにして構築された疲労寿命データベース１４に保管された温度振幅−疲労寿命線図の例を図５〜図９に示す。まず，材質による疲労寿命の違いの例を図５に示す。ここでは，引張強さの異なる３種類の材質（材質Ａ，材質Ｂ，材質Ｃ）による線図の違いを示している。引張強さが異なることによって，同一の温度振幅ｔに対応する疲労寿命ｎＡ，ｎＢ，ｎＣには差があるとともに，疲労限度に対応する温度振幅ｔＡ，ｔＢ，ｔＣもそれぞれ異なることが分かる。また，同一の材質Ａであっても，熱処理を行うことにより疲労寿命は変化し（図６参照），面粗度によっても異なる（図７参照）。さらに，荷重の平均応力（図８参照）や，残留応力（図９参照）によっても異なるものとなる。

次に，図１０に示したワーク３１を例にとって，この疲労寿命評価システム１によって寿命を評価する方法を説明する。このワーク３１は，それぞれ断面コの字形状で材質Ａのプレス品３３と材質Ｂのプレス品３４とが材質Ｃの溶接材３５によってアーク溶接されたものである。このワーク３１を図中右手前方向から赤外線カメラ１２で測定し，撮影範囲を所定の小面積ごとに分割して，撮影範囲内に多数の測定点を設定する。

さらに，各測定点の配置に応じて，それぞれを例えば図中に示す小領域３１ａ〜３１ｅの５種類に分類する。ここでは，小領域３１ａとして「プレス品，材質Ａ」，小領域３１ｂとして「プレス品，材質Ａ，曲げ加工指数ｍ」，小領域３１ｃとして「プレス品，材質Ａ，アーク溶接近傍」，小領域３１ｄとして「アーク溶接，材質Ｃ」，小領域３１ｅとして「プレス品，材質Ｂ，アーク溶接近傍」がそれぞれの領域の種類に対応している。このように１つのワーク３１の各測定点を，複数の小領域のいずれかに分類して設定するのが，制御部１０のワーク領域設定部２１である。あるいは，表示装置１３にワーク３１の形状を表示して，使用者に各小領域の範囲を設定させるようにしても良い。

次に，ワーク３１を反復荷重機１１にかけ，反復荷重機１１を反復荷重機制御部２２によって制御して，このワーク３１の評価条件に従って設定された反復荷重を印加させる。そして，赤外線カメラ１２でワーク３１を撮影し，撮影範囲内の各測定点の表面温度を取得する。この結果から表面温度分布入力部２３によって，ワーク３１の表面温度分布を得る。次に，温度振幅分布算出部２４によって，この表面温度分布の時間変位から温度振幅分布を算出する。一方，データベース検索部２５によって，各小領域の条件に対応する温度振幅−疲労寿命線図を疲労寿命データベース１４から検索する。

次に，温度振幅分布算出部２４によって算出された温度振幅を，データベース検索部２５によって検索されたそれぞれ対応する温度振幅−疲労寿命線図に当てはめることにより，疲労寿命分布算出部２６によって疲労寿命を読み取る。これが，この反復荷重をワーク２１に印加し続けた場合の各測定点における繰り返し可能回数となる。従って，疲労寿命が最も小さい部位が最も早く破壊される部位であり，その部位の疲労寿命がワーク３１の全体としての疲労寿命となる。

次に，疲労寿命分布表示部２７によって，疲労寿命分布算出部２６で求められた疲労寿命を表示装置３１に表示させる。このとき，単に各測定ポイントの疲労寿命値のみでなく，最短寿命部位の位置やその寿命値を強調させて表示するようにしてもよい。また，同時に別の赤外線カメラで逆方向から測定し，この図の裏側部分についての寿命評価も行っても良い。

次に，図１１のフローチャートを参照して，この寿命評価処理を説明する。まず，ワーク領域設定部２１によって，ワーク３１の各部分の材質や加工履歴等から，ワーク３１を各小領域に分割する（Ｓ１０１）。次に，ユーザがワーク３１を反復荷重機１１にかけるのを待つ。そして，反復荷重機制御部２２によって，ワーク３１の評価条件に基づいて反復荷重機１１を制御し，ワーク３１に反復荷重を印加する（Ｓ１０２）。

次に，赤外線カメラ１２からのデータ入力を受け，表面温度分布入力部２３によってワーク３１の表面温度分布を得る（Ｓ１０３）。さらに，各測定ポイントの表面温度の変化から，温度振幅分布算出部２４によって，各測定ポイントの温度振幅分布を算出する（Ｓ１０４）。また，データベース検索部２５によって，各小領域に対応する温度振幅−疲労寿命線図を疲労寿命データベース１４から検索する（Ｓ１０５）。

次に，Ｓ１０４で得られた温度振幅とＳ１０５で検索された温度振幅−疲労寿命線図とから，その温度振幅値に対応する疲労寿命を算出する（Ｓ１０６）。さらに，その結果を疲労寿命分布表示部２７によって表示装置１３に表示して，この処理を終了する。

この疲労寿命評価システム１で評価した結果表示の例を，図１２に示す。この図では，各測定点についての疲労寿命分布が表示されている。また，この疲労寿命分布では，最短寿命部位が強調されて表示されている。ここでは，各測定点の寿命を数値で示しているが，色分け表示としたり，グラフ化して示すようにしても良い。なお，疲労寿命分布だけでなく，表面温度分布や温度振幅分布をも表示するようにしてもよい。

以上詳細に説明したように，本形態の疲労寿命評価システム１によれば，ワーク３１が反復荷重機１１で反復荷重を印加され，その表面温度が赤外線カメラ１２によって測定される。さらに，ワーク３１が材質等によって小領域に分類され，それぞれに対応する温度振幅−疲労寿命線図が疲労寿命データベース１４から検索される。表面温度の測定結果から制御部１０において各測定点での温度振幅が算出され，温度振幅−疲労寿命線図によって疲労寿命が評価される。さらに，評価された疲労寿命が表示装置１３に表示される。従って，複雑な形状や接合部を有するワーク３１であっても，それぞれの小領域に対応した疲労寿命が自動的に算出される。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，データベースの分類方法やその項目については，上記に限らず，各ワーク３１をよく分類することのできる項目を選択すればよい。
また例えば，反復荷重としては，引張圧縮の繰り返し荷重，引張荷重と無荷重，圧縮荷重と無荷重との反復荷重等とすればよい。あるいは，曲げ荷重，せん断荷重等でも良い。
また例えば，疲労寿命データベース１４は，必ずしも疲労寿命評価システム１内に含まれていなくてもよい。データの送受信等によって必要に応じてそのデータを検索できるようにされていればよい。

本形態の疲労寿命評価システムの概略構成を示すブロック図である。 ワークの例を示す説明図である。 データベース作成のためのテストピース試験の方法を示す説明図である。 データベースに保管されるデータの例を示すグラフ図である。 材質による疲労寿命の差を示すグラフ図である。 熱処理による疲労寿命の差を示すグラフ図である。 表面性状による疲労寿命の差を示すグラフ図である。 平均応力による疲労寿命の差を示すグラフ図である。 残留応力による疲労寿命の差を示すグラフ図である。 ワークの例を示す説明図である。 疲労寿命評価処理を示すフローチャートである。 結果表示の例を示す説明図である。

符号の説明

１ 疲労寿命評価システム（疲労寿命評価装置）
１１ 反復荷重機（反復荷重印加装置）
１２ 赤外線カメラ（表面温度取得装置）
１３ 表示装置（表示手段）
１４ 疲労寿命データベース（データベース）
２４ 温度振幅分布算出部（温度振幅算出手段）
２５ データベース検索部（関係取得手段）
２６ 疲労寿命分布算出部（疲労寿命評価手段）

Claims (7)

1. 対象材質に反復荷重を印加した時の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係をあらかじめ把握しておき，
   対象物の表面温度を測定しつつその対象物に反復荷重を印加することでその対象物の温度振幅を測定し，
   測定された温度振幅とあらかじめ把握している関係とからその対象物の疲労寿命を評価することを特徴とする疲労寿命評価方法。
2. 対象材質に反復荷重を印加した時の表面の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係をあらかじめ把握しておき，
   対象物の表面温度を測定しつつその対象物に反復荷重を印加することでその対象物の温度振幅を測定し，
   測定された温度振幅とあらかじめ把握している関係とからその対象物の疲労寿命を評価することを特徴とする疲労寿命評価方法。
3. 請求項１または請求項２に記載する疲労寿命評価方法において，
   対象物の温度振幅の測定を，赤外線カメラを用いて２次元的に行い，
   その対象物の疲労寿命の２次元分布を評価することを特徴とする疲労寿命評価方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載する疲労寿命評価方法において，
   種々の材質についての温度振幅と疲労寿命との関係をあらかじめデータベース化しておき，
   温度振幅と疲労寿命との関係を，対象物の性状に応じて前記データベースから選択して使用することを特徴とする疲労寿命評価方法。
5. 対象材質に反復荷重を印加した時の表面の温度振幅とその対象材質の疲労寿命との関係を取得する関係取得手段と，
   対象物に反復荷重を印加する反復荷重印加装置と，
   対象物の表面温度を取得する表面温度取得装置と，
   前記表面温度取得装置の出力から対象物の反復荷重印加時の温度振幅を算出する温度振幅算出手段と，
   前記温度振幅算出手段が算出した温度振幅と，前記関係取得手段が取得した温度振幅と疲労寿命との関係とから対象物の疲労寿命を評価する疲労寿命評価手段とを有することを特徴とする疲労寿命評価装置。
6. 請求項５に記載する疲労寿命評価装置において，
   前記表面温度取得装置は，赤外線カメラであり，
   前記温度振幅算出手段は，対象物の温度振幅を場所ごとに算出するものであり，
   前記疲労寿命評価手段は，対象物の疲労寿命を場所ごとに評価するものであり，
   前記疲労寿命評価手段により評価された対象物の疲労寿命を２次元表示する表示手段を有することを特徴とする疲労寿命評価装置。
7. 請求項５または請求項６に記載する疲労寿命評価装置において，
   種々の材質についての温度振幅と疲労寿命との関係を記憶するデータベースを有し，
   前記関係取得手段は，温度振幅と疲労寿命との関係を，対象物の性状に応じて前記データベースから選択することを特徴とする疲労寿命評価装置。

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