JP2012058086A - 多軸疲労寿命評価方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を容易に判断でき、かつ、運用条件と負荷経路を考慮した評価が可能な多軸疲労寿命評価方法及び装置を提供する。
【解決手段】評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を求め、かつ、許容寿命低減率β_aを予め設定すると共に、設定した許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を求め、相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}が、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}よりも小さいときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}が、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}以上であるときは、負荷経路を考慮した寿命評価を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機エンジン、過給器などの回転機械や、圧力容器などを含む一般構造物の疲労寿命を評価する際に用いられる多軸疲労寿命評価方法及び装置に関するものである。

従来の多軸疲労寿命評価方法では、実機部材の応力状態を測定し、その測定結果を用いて構造解析モデルに対する応力解析を行い、寿命評価を行うことがなされている。この方法では、例えば、測定した応力あるいはひずみ状態からMisesの等価ひずみ（等価ひずみ範囲）Δε_eqあるいはMisesの等価応力（等価応力範囲）Δσ_eqを求め、求めた等価ひずみ範囲Δε_eqあるいは等価応力範囲Δσ_eqを、下式で示されるManson-Coffinの式のひずみ範囲Δεあるいは応力範囲Δσに代入することで、疲労寿命を評価することが行われている。下式におけるＡ，Ｂは材料定数であり、単軸負荷の疲労試験を行いＳＮ線図を作成することにより求めることができる。
Ｎｆ＝（Δε／Ａ）^1/B
あるいは
Ｎｆ＝（Δσ／Ａ）^1/B
但し、Ｎｆ：疲労寿命となるサイクル数
Ａ，Ｂ：材料定数
Δε：ひずみ範囲
Δσ：応力範囲

ところで、実機部材の受ける荷重は、時刻とともに変化するランダム荷重である。したがって、主応力や主ひずみの方向（主軸という）が変化することも想定される。主軸方向を変化させた多軸疲労試験結果によれば、せん断ひずみと軸ひずみの位相あるいはせん断応力と軸応力の位相がずれるに従い、疲労寿命は単軸の寿命（等価ひずみあるいは等価応力を用いて求めた疲労寿命）よりも低下していくことが報告されている。

したがって、上述の等価ひずみを用いた多軸疲労寿命評価方法では、主軸方向が変化しない場合、あるいは主軸方向の変化が小さい場合については疲労寿命を精度よく評価できるものの、主軸方向の変化が大きい場合は、等価ひずみにより求めた疲労寿命よりも、実際の疲労寿命が大幅に低減する可能性があり、疲労寿命を精度よく評価できなかった。つまり、主軸方向変化を含む負荷経路（Ｐａｔｈ）によっては、疲労寿命が大幅に低減する可能性があり、上述の等価ひずみあるいは等価応力を用いた多軸疲労寿命評価方法では、精度よく疲労寿命を評価することができない可能性があった。

こうした問題点を解決するために、負荷経路（主軸方向変化を含む負荷経路）を考慮して、主軸の変化にも対応できる多軸疲労寿命評価方法がいくつか提案されている。

なかでも、非特許文献１，２では、評価対象とする期間中で最も大きな値をとる主応力（ひずみ）面に着目して、主軸の変化量を定量化する方法、および負荷経路（主軸方向変化を含む負荷経路）に基づいた多軸疲労寿命評価方法（ＩＳ法）が提案されている。以下、せん断ひずみと軸ひずみの位相差が大きい負荷を非比例負荷と呼称する。また、負荷経路を考慮した多軸疲労寿命評価を、非比例負荷を考慮した寿命評価という場合がある。

特開２００１−３２９８５６号公報 特開平８−１６００３５号公報 特開２００１−３３０５４２号公報

伊藤隆基、「非比例多軸低サイクル疲労寿命評価モデル」、材料、社団法人日本材料学会、２００１年１２月１５日、ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１２，ｐｐ．１３１７−１３２２ Takamoto Itoh、Tomohiko Ozaki、Toru Amaya、and Masao Sakane、「DETERMINATION OF STRESS AND STRAIN RANGES UNDER NON-PROPORTIONAL CYCLIC LOADING」、8th International Conference on Multiaxial Fatigue & Fracture、２００７年 Takamoto Itoh、Masao Sakane、Takahiro Hata、Naomi Hamada、「A design procedure for assessing low cycle fatigue life under proportional and non-proportional loading」、International Journal of Fatigue 28、２００６年、ｐｐ．４５９−４６６

上述のように、等価ひずみあるいは等価応力を用いた多軸疲労寿命評価では、負荷経路によっては疲労寿命を精度よく評価することができない場合があり、このような場合は、ＩＳ法などの非比例負荷を考慮した寿命評価を用いる必要が生じる。

しかしながら、従来、任意の運用条件（応力あるいはひずみ状態）に対して、どちらの評価方法を用いるかという判断基準、すなわち、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を判断する判断基準が明確でなかった。

さらに、多軸疲労寿命評価では、単に疲労寿命を評価するのみではなく、当該評価に基づき、実機部材の設計（運用条件と負荷経路）をどのように修正すればよいかを、容易に判断できることが望ましい。つまり、多軸疲労寿命評価では、運用条件と負荷経路を考慮した評価が可能であることが望ましい。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を容易に判断でき、かつ、運用条件と負荷経路を考慮した評価が可能な多軸疲労寿命評価方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数を求め、かつ、許容寿命低減率を予め設定すると共に、設定した許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数を求め、前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数よりも小さいときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数以上であるときは、負荷経路を考慮した寿命評価を行うようにした多軸疲労寿命評価方法である。

前記負荷経路を考慮した寿命評価は、前記構造物と同じ材料からなる試験片を用い、単軸負荷の疲労試験と円形負荷の疲労試験を行い、当該疲労試験の結果を基に、単軸負荷のＳＮ線図と円形負荷のＳＮ線図とをそれぞれ作成し、作成した前記単軸負荷のＳＮ線図と前記円形負荷のＳＮ線図を用い、両ＳＮ線図の低サイクル域での時間強度の差ないし非比例負荷での追硬化の程度を表す係数αを求め、かつ、前記構造物の応力またはひずみ状態を基に、［数１］に示す式（１）

により、非比例負荷係数ｆ_NPを求め、求めた係数αと非比例負荷係数ｆ_NPとに基づき、下式（２ａ）または下式（２ｂ）
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δε／Ａ｝^1/B ・・・（２ａ）
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δσ／Ａ｝^1/B ・・・（２ｂ）
但し、Ｎｆ_{_NP}：疲労寿命となるサイクル数
Ａ，Ｂ：材料定数
Δε：１サイクル中の最大主ひずみ軸に投影して算出される
ひずみ範囲
Δσ：１サイクル中の最大主応力軸に投影して算出される
応力範囲
により寿命評価を行ってもよい。

前記許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}は、下式（３）
ｆ_{NP_a}＝（β_a ^B−１）／α ・・・（３）
但し、ｆ_{NP_a}：許容寿命低減率に相当する非比例負荷係数
β_a：許容寿命低減率
α：非比例負荷での強度低下の程度ないし追硬化の程度を表す係数
Ｂ：材料定数
により、許容寿命低減率β_aに相当する非比例負荷係数ｆ_{NP_a}を求め、求めた非比例負荷係数ｆ_{NP_a}を基に、下式（４）
ｆ_{NP_a_eq}＝ｆ_{NP_a}×４（ＳＩ_max）²／Ｌ ・・・（４）
但し、ｆ_{NP_a_eq}：許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数
ｆ_{NP_a}：許容寿命低減率に相当する非比例負荷係数
ＳＩ_max：最大主応力または最大主ひずみ
Ｌ：負荷経路長さ
により求めてもよい。

また、本発明は、評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数を求め、かつ、予め設定した許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数を求める解析部と、前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数よりも小さいときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数以上であるときは、負荷経路を考慮した寿命評価を行う評価部と、を備えた多軸疲労寿命評価装置である。

本発明によれば、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を容易に判断でき、かつ、運用条件と負荷経路を考慮した評価が可能な多軸疲労寿命評価方法及び装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る多軸疲労寿命評価方法の手順を示すフローチャートである。 本発明において、単軸負荷および円形負荷のＳＮ線図の一例を示すグラフ図である。 （ａ）は、本発明において用いる構造物の応力またはひずみ状態を示すグラフ図であり、（ｂ）は、（ａ）の応力またはひずみ状態における負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を示すグラフ図である。 本発明の多軸疲労寿命評価方法に用いる多軸疲労寿命評価装置の概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、本実施の形態に係る多軸疲労寿命評価方法で用いるＩＳ法について説明する。なお、ＩＳ法については、非特許文献１，２に詳細に記載されているため、ここでは概略のみを説明する。

ＩＳ法は、主応力（ひずみ）基準のクライテリアであり、下式（５）で定義される。
ΔＳＩ_NP＝（１＋αｆ_NP）ΔＳＩ ・・・（５）

式（５）において、ΔＳＩは１サイクル中の最大主応力（最大主ひずみ）軸に投影して算出される応力（ひずみ）範囲である。また、αは非比例負荷での追硬化の程度あるいは寿命低下の程度を表す係数であり、詳細は後述するが、非比例負荷による時間強度の低下率からも求めることができる。ｆ_NPは、負荷経路の非比例の程度を表すパラメータであり、非比例負荷係数と呼称する。

非比例負荷係数ｆ_NPは、［数２］に示す式（１）より得られる。

式（１）における積分記号の中の「｜ｅ₁×ｅ_RＳＩ（ｔ）｜」は、主応力（主ひずみ）の方向変化を含む値の変化量を表しており、ｄｓは応力（ひずみ）経路、すなわち負荷経路を表している。負荷経路の全経路に沿って、主応力（ひずみ）の変化量を経路積分することにより、非比例負荷係数ｆ_NPを求めることができる。なお、式（１）において積分値を４（ＳＩ_max）²で除しているのは、ｆ_NPを基準化するためである。軸ひずみεまたは軸応力σとせん断ひずみγまたはせん断応力τが９０度の位相差で負荷される円形負荷では、ｆ_NPは１となる。

また、ｅ₁は最大主応力（最大主ひずみ）の方向を示すベクトルであり、ｅ_Rは、ある時刻ｔ（ｅ１を基準（時刻０）とした時刻）での主応力（主ひずみ）の方向を示すベクトルである。よって、ｅ₁とｅ_Rの外積は、ｅ₁とｅ_Rのなす角度ξ（ｔ）を用いて、ｓｉｎξ（ｔ）で表すことができる。よって、式（１）の積分記号の中の「｜ｅ₁×ｅ_RＳＩ（ｔ）｜」は、「ＳＩ（ｔ）｜ｓｉｎξ（ｔ）｜」と表すこともできる。

以下、本実施の形態に係る多軸疲労寿命評価方法を図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る多軸疲労寿命評価方法では、まず、ステップＳ１にて、評価対象の構造物と同じ材料からなる試験片を用い、単軸負荷（軸の引張・圧縮負荷；Push-pull）の疲労試験と円形負荷（circle）の疲労試験を行い、材料データを取得する。

その後、ステップＳ２にて、ステップＳ１で得た材料データ（単軸負荷と円形負荷の疲労試験の結果）を基に、単軸負荷のＳＮ線図と円形負荷のＳＮ線図とをそれぞれ作成する。

ステップＳ２で作成するＳＮ線図の一例を図２に示す。図２における実線が単軸負荷のＳＮ線図であり、破線が円形負荷のＳＮ線図である。図２では、縦軸をひずみ範囲Δε、横軸を疲労寿命となるサイクル数Ｎｆとしており、縦軸、横軸共に対数表示としている。

図２に示すように、ＳＮ線図は、低サイクル域において直線で近似することができる（図２では低サイクル域のみを示している）。単軸負荷のＳＮ線図は、下式（６）
Ｎｆ＝（Δε／Ａ）^1/B ・・・（６）
但し、Ｎｆ：疲労寿命となるサイクル数
Ａ，Ｂ：材料定数
Δε：ひずみ範囲
のManson-Coffinの式により近似することができる。単軸負荷のＳＮ線図を作成することで、材料定数Ａ，Ｂを求めることができる。式（６）のひずみ範囲を応力範囲とし、Ｎｆ＝（Δσ／Ａ）^1/Bとすることもできる。ただし、Δσは応力範囲である。

また、作成した単軸負荷のＳＮ線図と円形負荷のＳＮ線図を用い、両ＳＮ線図の低サイクル域での時間強度の差から、非比例負荷での追硬化の程度を表す係数αを求めることができる。

なお、予め、各種材料ごとに単軸負荷の疲労試験と円形負荷の疲労試験を行い、材料定数Ａ，Ｂと非比例負荷での追硬化の程度を表す係数αを求め、これらＡ，Ｂ，αを材料と関連付けて記憶しておくようにしてもよい。この場合、上述のステップＳ１，Ｓ２を省略でき、材料を選択すればＡ，Ｂ，αを求めることができる。

ステップＳ３では、予め設定した許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を求める。

上述の式（５）をひずみ範囲で整理すると、下式（７）のようになる。
Δε_NP＝（１＋αｆ_NP）Δε ・・・（７）
但し、Δε_NP：非比例負荷を考慮したときの相当ひずみ範囲
式（７）のひずみ範囲を応力範囲とし、Δσ_NP＝（１＋αｆ_NP）Δσとすることもできる。ただし、Δσ_NPは非比例負荷を考慮したときの相当応力範囲、Δσは応力範囲である。

よって、式（６）のΔεを式（７）のΔε_NPに置き換えると、非比例負荷（ｆ_NP≠１）を考慮したときの疲労寿命となるサイクル数Ｎｆ_{_NP}は、下式（２ａ）または下式（２ｂ）で表される。
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δε／Ａ｝^1/B ・・・（２ａ）
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δσ／Ａ｝^1/B ・・・（２ｂ）

式（６）と式（２ａ）より、寿命低減率βは下式（９）
β＝Ｎｆ_{_NP}／Ｎｆ＝（１＋αｆ_NP）^1/B ・・・（９）
で得られる。式（９）を用いることにより、非比例負荷係数ｆ_NPから直接、寿命低減率βを求めることが可能である。なお、ここで得られる寿命低減率βは、単軸負荷での疲労寿命となるサイクル数Ｎｆと比較して、非比例負荷を考慮したときの疲労寿命となるサイクル数Ｎｆ_{_NP}が小さくなるほど、小さい値となる。つまり、非比例負荷の影響が大きい（時間強度の低下率が大きい）と、寿命低減率βの値が小さくなり、非比例負荷の影響が小さい（時間強度の低下率が小さい）と、寿命低減率βの値が大きくなる。

式（９）をｆ_NPで整理すると、下式（１０）
ｆ_NP＝（β^B−１）／α ・・・（１０）
のようになる。式（１０）を用いることにより、寿命低減率βを非比例負荷係数ｆ_NPに換算することができる。

式（１０）より、許容寿命低減率β_aとなる非比例負荷係数ｆ_{NP_a}は、下式（３）
ｆ_{NP_a}＝（β_a ^B−１）／α ・・・（３）
で表すことができる。

式（３）により得た許容寿命低減率β_aとなる非比例負荷係数ｆ_{NP_a}は、基準化が為されたものであるから、基準化を解消するために４（ＳＩ_max）²を乗じれば式（１）における積分値のみを抽出することができる。この積分値は、主応力（主ひずみ）の変化量を負荷経路に沿って積分した値であるから、積分値を負荷経路長さ（Loading path length；L-path）Ｌで除することにより、平均的な主応力（主ひずみ）の変化量、すなわち相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を求めることができる。

つまり、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}は、下式（４）
ｆ_{NP_a_eq}＝ｆ_{NP_a}×４（ＳＩ_max）²／Ｌ ・・・（４）
で求めることができる。

ステップＳ４では、評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係（以下、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係という）を求める。

ここでは、一例として、図３（ａ）に示すように、軸方向負荷１サイクル中にねじり負荷（せん断負荷）が２サイクル作用する負荷が、構造物に作用する場合を説明する。この場合、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係は、図３（ｂ）のようになる。

図３（ｂ）における縦軸は、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量であり、上述の式（１）の積分記号の中の値（ここでは、ＳＩ（ｔ）｜ｓｉｎξ（ｔ）｜を用いている）である。また、図３（ｂ）における横軸は、負荷経路長さである。

上述のように、非比例負荷係数ｆ_NPは、ＳＩ（ｔ）｜ｓｉｎξ（ｔ）｜の変化量を負荷経路に沿って積分し、これを基準化することにより求められる。従って、図３（ｂ）の実線で示された軌跡の面積を求め、これを基準化すれば、非比例負荷係数ｆ_NPを求めることができる。

ステップＳ５では、ステップＳ４で求めた負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係を基に、主応力または主ひずみの変化量の平均値である相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を求める。相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}は、図３（ｂ）の実線で示された軌跡の面積（つまり、主応力または主ひずみの変化量を負荷経路に沿って積分した積分値）を、負荷経路長さＬで除することで求めることができる。得られた相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を、図３（ｂ）に破線で示す。図３（ｂ）における破線の下側の面積と、図３（ｂ）の実線で示された軌跡の下側の面積とは、等しくなる。

ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}が、ステップＳ３で求めた許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}よりも大きいかを判断する。

一例として、許容寿命低減率β_aを０．１とした場合の相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を一点鎖線、許容寿命低減率β_aを０．２５とした場合の相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を二点鎖線で、図３（ｂ）に示す。この場合、β_a＝０．１としたときは、ｆ_{NP_eq}＜ｆ_{NP_a_eq}となり、ステップＳ６にてＹＥＳと判断され、β_a＝０．２５としたときは、ｆ_{NP_eq}≧ｆ_{NP_a_eq}となり、ステップＳ６にてＮＯと判断されることになる。

ステップＳ６にてＹＥＳと判断された場合、非比例負荷の影響が小さく、非比例負荷を考慮する必要がないと判断し、ステップＳ７にて、等価ひずみ（または等価応力）を用いて寿命評価を行う。

具体的には、例えばMisesの等価ひずみを用いる場合、下式（１１）
Δε_eq＝（ε²＋γ²／３）^1/2 ・・・（１１）
により等価ひずみ範囲Δε_eqを求め、下式（１２）
Ｎｆ＝（Δε_eq／Ａ）^1/B ・・・（１２）
により寿命を評価するようにすればよい。

ステップＳ６にてＮＯと判断された場合、非比例負荷の影響が大きく、非比例負荷を考慮する必要があると判断し、ステップＳ８にて、非比例負荷を考慮した寿命評価（負荷経路を考慮した寿命評価）を行う。

具体的には、構造物の応力状態を基に、上述の式（１）により非比例負荷係数ｆ_NPを求め、下式（２ａ）または下式（２ｂ）
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δε／Ａ｝^1/B ・・・（２ａ）
Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δσ／Ａ｝^1/B ・・・（２ｂ）
により寿命を評価する。

図３（ｂ）の負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係において、主応力または主ひずみの変化量が、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}よりも高くなっている箇所は、非比例負荷の影響が大きく、設計上問題があると判断できる。よって、この箇所の主応力または主ひずみの変化量をできるだけ小さくするように、構造物の運用や形状（応力状態と負荷経路）を変更する、といった判断も可能となる。

次に、本発明の多軸疲労寿命評価方法を実現する多軸疲労寿命評価装置について説明する。

図４に示すように、多軸疲労寿命評価装置４１は、入力部４２と、材料データ解析部４３と、解析部４４と、評価部４５と、出力部４６と、材料データ記憶部４７と、解析結果記憶部４８と、評価結果記憶部４９と、を備えている。これら各部は、インターフェイス、メモリ、ＣＰＵ、ソフトウェアなどを適宜組み合わせて実現される。

入力部４２は、評価対象の構造物の材料を選択する材料選択部４２ａと、許容寿命低減率β_aを入力する許容寿命低減率入力部４２ｂと、評価対象の構造物の運用条件（応力またはひずみ状態）を入力する運用条件入力部４２ｃと、単軸負荷と円形負荷での疲労試験の結果、および疲労試験に用いた材料を入力する材料データ入力部４２ｄと、を備えている。

材料データ解析部４３は、材料データ入力部４２ｄに入力された疲労試験の結果を基に、単軸負荷と円形負荷のＳＮ線図を作成し、作成したＳＮ線図より材料定数Ａ，Ｂおよび非比例負荷での追硬化の程度あるいは寿命低下の程度を表す係数αを求め、得られたＡ，Ｂ，αを材料と関連付けて材料データ記憶部４７に記憶するよう構成される。

解析部４４は、運用条件入力部４２ｃで入力された評価対象の構造物の運用条件（応力またはひずみ状態）を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの変化量の平均値である相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を求め、解析結果記憶部４８に記憶するよう構成される。

また、解析部４４は、材料選択部４２ａで選択された材料のＡ，Ｂ，αを材料データ記憶部４７から読み込み、読み込んだＡ，Ｂ，αと、許容寿命低減率入力部４２ｂで入力された許容寿命低減率β_aと、運用条件入力部４２ｃで入力された評価対象の構造物の運用条件（応力またはひずみ状態）と、に基づき、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を求め、解析結果記憶部４８に記憶するよう構成される。

評価部４５は、解析結果記憶部４８に記憶された負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係、相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}、および許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}に基づき、非比例負荷を考慮した寿命の要否を判断するよう構成される。

具体的には、評価部４５は、ｆ_{NP_eq}＜ｆ_{NP_a_eq}であるとき、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、ｆ_{NP_eq}≧ｆ_{NP_a_eq}であるとき、非比例負荷を考慮した寿命評価を行うよう構成される。評価部４５は、評価結果を評価結果記憶部４９に記憶するようにされる。

出力部４６は、解析結果記憶部４８に記憶された負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係をグラフ化すると共に、当該グラフに相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}、および許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を表示したグラフ図（図３（ｂ）参照）を作成し、評価結果記憶部４９に記憶された評価結果と共に、ディスプレイなどの表示器に出力するようにされる。

以上説明したように、本実施の形態に係る多軸疲労寿命評価方法では、評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}を求め、かつ、許容寿命低減率β_aを予め設定すると共に、設定した許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}を求め、ｆ_{NP_eq}＜ｆ_{NP_a_eq}であるときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、ｆ_{NP_eq}≧ｆ_{NP_a_eq}であるときは、非比例負荷を考慮した寿命評価を行うようにしている。

これにより、従来不明確であった非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を判断する判断基準が明確となり、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を容易に判断することが可能となる。

また、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係において、主応力または主ひずみの変化量が、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}よりも高くなっている箇所は、非比例負荷の影響が大きく、設計上問題があると判断できる。つまり、本発明によれば、単に疲労寿命を評価するのみではなく、運用条件と負荷経路を考慮し、実機部材の設計をどのように修正すればよいかを、容易に判断できる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}と、許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}とを比較して、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を判断したが、主応力または主ひずみの変化量の関係を基に、上述の式（１）により非比例負荷係数ｆ_NPを算出し、算出した非比例負荷係数ｆ_NPを基に上述の式（９）により寿命低減率βを求め、求めた寿命低減率βと、設定した許容寿命低減率β_aとを比較することにより、非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を判断するようにしてもよい。寿命低減率βは相当非比例負荷係数ｆ_{NP_eq}に対応し、許容寿命低減率β_aは相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}に対応するので、比較対象としてどちらを用いても、同様に非比例負荷を考慮した寿命評価の要否を判断できる。

４１ 多軸疲労寿命評価装置
４２ 入力部
４３ 材料データ解析部
４４ 解析部
４５ 評価部
４６ 出力部

Claims (4)

1. 評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数を求め、
   かつ、許容寿命低減率を予め設定すると共に、設定した許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数を求め、
   前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数よりも小さいときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、
   前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数以上であるときは、負荷経路を考慮した寿命評価を行うようにした
   ことを特徴とする多軸疲労寿命評価方法。
2. 前記負荷経路を考慮した寿命評価は、
   前記構造物と同じ材料からなる試験片を用い、単軸負荷の疲労試験と円形負荷の疲労試験を行い、当該疲労試験の結果を基に、単軸負荷のＳＮ線図と円形負荷のＳＮ線図とをそれぞれ作成し、
   作成した前記単軸負荷のＳＮ線図と前記円形負荷のＳＮ線図を用い、両ＳＮ線図の低サイクル域での時間強度の差ないし非比例負荷での追硬化の程度を表す係数αを求め、
   かつ、前記構造物の応力またはひずみ状態を基に、［数１］に示す式（１）
   により、非比例負荷係数ｆ_NPを求め、
   求めた係数αと非比例負荷係数ｆ_NPとに基づき、下式（２ａ）または下式（２ｂ）
   Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δε／Ａ｝^1/B ・・・（２ａ）
   Ｎｆ_{_NP}＝｛（１＋αｆ_NP）Δσ／Ａ｝^1/B ・・・（２ｂ）
   但し、Ｎｆ_{_NP}：疲労寿命となるサイクル数
   Ａ，Ｂ：材料定数
   Δε：１サイクル中の最大主ひずみ軸に投影して算出される
   ひずみ範囲
   Δσ：１サイクル中の最大主応力軸に投影して算出される
   応力範囲
   により寿命評価を行う
   請求項１記載の多軸疲労寿命評価方法。
3. 前記許容寿命低減率β_aに相当する相当非比例負荷係数ｆ_{NP_a_eq}は、
   下式（３）
   ｆ_{NP_a}＝（β_a ^B−１）／α ・・・（３）
   但し、ｆ_{NP_a}：許容寿命低減率に相当する非比例負荷係数
   β_a：許容寿命低減率
   α：非比例負荷での強度低下の程度ないし追硬化の程度を表す係数
   Ｂ：材料定数
   により、許容寿命低減率β_aに相当する非比例負荷係数ｆ_{NP_a}を求め、
   求めた非比例負荷係数ｆ_{NP_a}を基に、下式（４）
   ｆ_{NP_a_eq}＝ｆ_{NP_a}×４（ＳＩ_max）²／Ｌ ・・・（４）
   但し、ｆ_{NP_a_eq}：許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数
   ｆ_{NP_a}：許容寿命低減率に相当する非比例負荷係数
   ＳＩ_max：最大主応力または最大主ひずみ
   Ｌ：負荷経路長さ
   により求める
   請求項１または２記載の多軸疲労寿命評価方法。
4. 評価対象の構造物の応力またはひずみ状態を基に、負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係を求めると共に、主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の平均値である相当非比例負荷係数を求め、
   かつ、予め設定した許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数を求める解析部と、 前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数よりも小さいときは、等価応力または等価ひずみを用いて寿命評価を行い、
   前記負荷経路長さに対する主応力または主ひずみの方向変化を含む値の変化量の関係より求めた相当非比例負荷係数が、前記許容寿命低減率に相当する相当非比例負荷係数以上であるときは、負荷経路を考慮した寿命評価を行う評価部と、
   を備えたことを特徴とする多軸疲労寿命評価装置。