JP4980499B2 - 破断判定方法、破断判定装置、プログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
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Description
また、本発明は、金属構造体の破断を判定する破断判定装置であって、前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析部と、前記変形解析部によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定部とを有することを特徴とする。
また、本発明は、金属構造体の破断を判定するためのプログラムであって、前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析工程と、前記変形解析工程によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定工程とをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
また、本発明は、金属構造体の破断を判定するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析工程と、前記変形解析工程によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定工程とをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
図1は、本実施形態に係る破断判定装置10の機能構成を示す図である。破断判定装置10は、破断判定本体部1、入力部2、表示部3を備えている。破断判定本体部1は、変形解析部4、抽出部5、破断解析部6を備えている。破断解析部6は、推定部7、変換部8、破断判定部9を備えている。
第1の破断判定モードでは、金属構造体の変形開始から変形終了までを変形解析した後、任意あるいは予め定められた1つ以上のステップの変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した破断判定対象部位について破断判定を行う。
第2の破断判定モードでは、金属構造体の変形開始から変形解析を行うと共に引き続いてその変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した破断判定対象部位について破断判定を行い、変形終了まで変形解析と破断判定とを繰り返す。
変形解析部4は金属構造体の所定の位置に所定の応力が加わったと仮定して入力部2の指示に応じて金属構造体の変形解析を開始する(S21)。変形解析部4は所定の時間毎あるいは変形の度合に応じて定められる時間毎のステップで変形解析をする。また、変形解析部4は各ステップについて有限要素法等の手法を用い、金属構造体に生じる応力、歪み等の変形状態を逐次解析し、その変形状態に基づいて次のステップの変形解析を行う(S22)。例えば金属構造体の一部位では後述するように弾性状態から塑性状態に移行したり、塑性状態から弾性状態に戻ったりする。変形解析部4は金属構造体の変形終了まで変形解析を行う(S23)。変形解析部4はステップ毎に変形解析による金属構造体の変形状態を記憶する。なお、実用的な金属構造体の解析では、ステップ数が例えば数万ステップ〜数百万ステップになる。
第1の破断判定モードでは金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析後に、1つ以上のステップの変形状態を抽出し、抽出した変形状態から任意あるいは予め定められた破断判定対象部位を抽出し、抽出した破断判定対象部位について破断判定を行う。したがって、金属構造体の破断判定対象部位が弾性状態および塑性状態であっても、任意のステップでの破断判定が可能である。また、任意の破断判定対象部位の破断判定ができるので、ユーザは金属構造体の局所的な強度を把握することができる。
変形解析部4は金属構造体の所定の位置に所定の応力が加わったと仮定して入力部2の指示に応じて金属構造体の変形解析を開始する(S31)。変形解析部4は所定の時間毎あるいは変形の度合に応じて定められる時間毎のステップで変形解析をする。また、変形解析部4は各ステップについて有限要素法等の手法を用い、金属構造体に生じる応力、歪み等の変形状態を逐次解析し、その変形状態に基づいて次のステップの変形解析を行う(S32、S33)。例えば金属構造体の一部位では後述するように弾性状態から塑性状態に移行したり、塑性状態から弾性状態に戻ったりする。変形解析部4はステップ毎に変形解析による金属構造体の変形状態を記憶する。
次に、破断解析部6は抽出された破断判定対象部位の破断判定を行う(S35)。なお、破断解析部6による破断判定の詳細は後述する。破断解析部6は破断判定対象部位の破断判定を記憶する。
第2の破断判定モードでは、金属構造体の変形開始から所定のステップ間隔後の変形解析に引き続いて、その変形状態から任意あるいは予め定められた破断判定対象部位を抽出し、抽出した破断判定対象部位について破断判定を行う。この処理は、変形終了まで行われる。したがって、金属構造体の破断判定対象部位が弾性状態および塑性状態であっても、破断判定が可能である。また、連続して破断判定対象部位の破断判定ができるので、ユーザは金属構造体がどのような経過を経て破断するかを把握することができる。
次に、第1の実施形態に係る破断判定方法について説明する。なお、以下では抽出部5によって抽出された一つの破断判定対象部位の破断判定について説明するが、他に抽出された破断判定対象部位についても同様に行われる。
破断解析部6は、1つ以上の変形経路変化を含む過程における破断判定対象部位の破断判定を行うことができる。破断解析部6は、上述したように推定部7、変換部8、破断判定部9を備えている。推定部7は、比例負荷経路で歪み空間の破断限界線を推定する。変換部8は、比例負荷経路で得られた歪み空間の破断限界線を応力空間の破断限界線(以下、破断限界応力線という)に変換する。破断判定部9は、破断限界応力線を用いて破断危険度を算出し、算出した破断危険度から破断判定を行ったり破断判定の結果を表示部3に表示したり破断危険度を等高線にして表示したりする。
図4において、応力Pが比例負荷経路を経るとすると、原点と応力Pとを結ぶy=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線を得ることができる。このy=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と初期状態の降伏曲線との交わる交点は、推定される初期塑性応力Aとなる。初期塑性応力Aは、破断判定対象部位が弾性状態から塑性状態に移行するときの応力である。したがって、破断判定対象部位において応力Pが初期塑性応力Aを超えるまでが弾性状態であり、初期塑性応力Aを超えると塑性変形を開始して塑性状態となる。
図5では、図4で上述したように応力Pが初期塑性応力Aを超えているので破断判定対象部位が塑性状態である。また、塑性状態の応力Pが大きくなるのに連動して、塑性状態における降伏曲線を示すことができる。
f1式では、図5に示す塑性状態のように、塑性状態の応力Pと再降伏応力Rとが一致するような場合には、ある程度正確な破断危険度を算出することができる。しかしながら、図6に示す塑性状態から弾性状態に戻った場合には、弾性状態に戻ったときの応力Pが再降伏応力Rよりも原点に近づいてしまう。そのために、破断判定対象部位の塑性が進行しているにも関わらず、再降伏応力Rよりも破断危険度が小さく算出されてしまい、正確な破断判定をすることができない。また、f1式では、破断危険度を算出する基準を原点にしているために、図4に示す弾性状態では、弾性状態の応力Pは初期塑性応力Aを超えておらず、破断危険が生じないにも関わらず、破断危険度が算出されてしまう。
更に、破断危険が生じない場合を除外して破断危険度を算出するために、破断危険度を算出する基準を原点ではなく初期塑性応力Aとする。したがって、図4に示す弾性状態では破断危険度を0として算出する。
すなわち、以下の式f2によって破断危険度を算出する。
まず、破断判定部9は、破断判定対象部位が塑性変形開始しているか否かを判断する(S71)。破断判定部9は、変形解析部5による変形解析において塑性歪みが記憶されている場合、塑性変形開始していると判断すればよい。
破断判定対象部位が塑性変形開始している場合、破断判定部9は破断判定対象部位が塑性状態であるか、塑性状態から弾性状態に戻った状態であるかを判断する(S72)。破断判定部9は、図5および図6に示す応力空間において、応力Pが現在の降伏曲線に達している場合、塑性状態であり、応力Pが現在の降伏曲線に達していない場合、塑性状態から弾性状態に戻った状態であると判断する。
破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻った状態の場合、破断判定部9は再降伏応力Rを推定する(S73)。具体的には、図6で上述したように、破断判定部9は、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と現在の降伏曲線との交わる交点を再降伏応力Rとして算出する。
また、破断判定対象部位が塑性状態の場合(S72を塑性状態に進む場合)、破断判定部9は、塑性状態の応力P、初期塑性応力A、破断限界応力Bを上述した式f2に用いて破断危険度を算出する。なお、図5で上述したように、破断判定部9は、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と初期状態の降伏曲線との交わる交点を初期塑性応力Aとして算出する。また、破断判定部9は、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と破断限界応力線との交わる交点を破断限界応力Bとして算出する。
破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻った場合(S73からS74に進む場合)、破断判定部9は、ステップS73で推定した再降伏応力R、初期塑性応力A、破断限界応力Bを上述した式f2に用いて破断危険度を算出する。なお、初期塑性応力Aおよび破断限界応力Bは、塑性状態の場合と同様に、算出することができる。
また、破断危険度を算出する基準を原点ではなく初期塑性応力Aを基準とすることで、破断危険が生じない場合を除外して破断危険度を算出することができる。
このような金属構造体の場合、破断判定対象部位によっては変形解析が開始される前から図6に示すように初期状態の降伏曲線の外側に現在の降伏曲線が存在する。この現在の降伏曲線は、変形解析部5がプレス成形等の変形解析で記憶した塑性歪みを用いることで、変換部8が応力空間の(x、y)座標平面に示すことができる。
次に、第2の実施形態に係る破断判定方法について図8を参照して説明する。
第2の実施形態では、破断判定部9は、第1の実施形態において応力空間を用いて算出した再降伏応力Rと破断限界応力Bとをそれぞれ相当応力に換算し、図8に示す相当応力−相当塑性歪み曲線を用いて相当塑性歪みεeq Pと破断限界相当塑性歪みεeq Bとを求め、破断危険度を算出する。図8に示す相当応力−相当塑性歪み曲線は、金属構造体の材料に基づくものであり、予め破断判定装置10に記憶されている。また、第1の実施形態と同様、破断判定対象部位の応力Pが初期塑性応力Aを超えるまでの弾性状態では破断危険度を0として算出する。
また、図6に示す塑性状態から弾性状態に戻った場合では、破断判定部9は、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と現在の降伏曲線との交わる交点から再降伏応力Rを算出する。また、破断判定部9は、y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と破断限界応力線との交わる交点から破断限界応力Bを算出する。
なお、第1の実施形態と同様に、破断判定部9は算出した破断危険度と安全係数を用いて、破断判定を行うことができる。
次に、第3の実施形態に係る破断判定方法について説明する。
第3の実施形態では、第1の実施形態または第2の実施形態に記載した破断危険度を算出すると共に、破断判定対象部位が図4〜図6に示すような、弾性状態、塑性状態または塑性状態から弾性状態に戻った場合に関わらず、破断判定対象部位に発生している応力Pと破断限界応力Bとを上述した比較例f1に用いて破断危険度を算出する。この場合、破断判定部9は、ユーザの入力部2を介した指示に応じて、第1の実施形態または第2の実施形態の方法により算出した破断危険度と、比較例により算出した破断危険度との少なくとも何れかを表示部3に表示する。
推定部7は、例えば単軸引張試験から得られる応力−歪み曲線の近似式
まず、推定部7は、予め記憶されている金属板の材料および機械的特性値(t(金属板の厚み)、YP(降伏強さ)、TS(引張り強さ)、El(全伸び)、U.El(均一伸び)、r値(ランクフォード値)、n乗硬化則/Swift硬化則)に基づき、比例負荷経路で歪み空間の破断限界線を推定する(S91)。
すなわち、破断判定部9は、要素ID、金属板の板厚、歪み、応力情報をログファイルに出力する。場合によっては、破断判定部9は破断した要素を消去し、変形解析部4は破断後の変形解析を継続する。
すなわち、破断判定部9は、要素ID、金属板の板厚、歪み、応力情報をログファイルに出力する。場合によっては、破断判定部9は破断した要素を消去し、変形解析部4は破断後の変形解析を継続する。
図12は、比較例f1を用いて算出した破断危険度を等高線で表示した結果を示す図である。図12に示すように、最も破断危険度が高い頂上近傍での等高線が粗になってしまい、破断危険部位を特定できない。一方、長手方向両端部は変形が極めて小さいにもかかわらず、塑性状態から弾性状態に戻ったときの応力が分布をもって負荷されているため、密な等高線ができてしまう。
また、除荷が発生しても、破断危険度が変化してしまうことがなく、実質的に残されている延性を知ることができる。また、破断危険度を変形余裕度に変換して表示してもよく、更に直観的な理解を助けることができる。
1)金属構造体が受けたダメージに応じて破断危険度を算出でき、除荷時にダメージから回復したという誤解を生じることがない。
2)相当塑性歪みに変換することで、破断の危険性が高い部位をより詳細に評価することができる。また、破断危険度が低い部位での等高線を粗にすることができるので、破断の危険性に対する従来経験とのかい離を少なくすることができる。
Claims (7)
- 金属構造体の破断を判定する破断判定方法であって、
前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析工程と、
前記変形解析工程によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、
前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、
y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定工程とを有することを特徴とする破断判定方法。 - 前記破断判定工程では、
前記y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の初期状態の降伏曲線との交点により定まる初期塑性応力の座標点と、
前記y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の破断限界応力線との交点により定まる破断限界応力の座標点とを求め、
前記初期塑性応力の座標点から前記破断限界応力の座標点までの距離と前記初期塑性応力の座標点から前記再降伏応力の座標点までの距離とを用いて前記破断判定対象部位の破断危険度を算出することを特徴とする請求項1に記載の破断判定方法。 - 前記破断判定工程では、
前記y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の破断限界応力線との交点により定まる破断限界応力を求め、
前記破断限界応力に対応する破断限界相当塑性歪みと前記再降伏応力に対応する相当塑性歪みとを相当応力−相当塑性歪み曲線を用いて求め、
前記破断限界相当塑性歪みと前記相当塑性歪みとを用いて前記破断判定対象部位の破断危険度を算出することを特徴とする請求項1に記載の破断判定方法。 - 前記破断判定工程では、
前記y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の破断限界応力線との交点により定まる破断限界応力の座標点を求め、
原点から前記破断限界応力の座標点までの距離と前記原点から前記弾性状態に戻ったときの応力の座標点までの距離とを用いて前記破断判定対象部位の破断危険度を算出することを特徴とする請求項1に記載の破断判定方法。 - 金属構造体の破断を判定する破断判定装置であって、
前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析部と、
前記変形解析部によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、
前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、
y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定部とを有することを特徴とする破断判定装置。 - 金属構造体の破断を判定するためのプログラムであって、
前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析工程と、
前記変形解析工程によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、
前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、
y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定工程とをコンピュータに実行させるためのプログラム。 - 金属構造体の破断を判定するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記金属構造体の変形開始から変形終了までの変形解析を行う変形解析工程と、
前記変形解析工程によって得られた前記金属構造体の変形状態から破断判定対象部位を抽出し、抽出した前記破断判定対象部位が塑性状態から弾性状態に戻っている場合、
前記弾性状態に戻ったときの応力を、(x、y)座標平面において(x、y)=(σ2、σ1)(最大主応力:σ1、最小主応力:σ2)とすると、
y=(σ1/σ2)xの関係を満たす直線と前記破断判定対象部位の前記塑性状態から求まる降伏曲線との交点により定まる再降伏応力を用いて前記破断判定対象部位の破断判定を行う破断判定工程とをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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