JP7229731B2 - 疲労限度推定装置、疲労限度推定方法及び疲労限度推定プログラム - Google Patents
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対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与する付与部と、前記付与部で付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を検出する検出部と、前記検出部で検出された表面温度に基づいて、前記付与部で付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出する散逸エネルギ導出部と、負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出する変動傾向導出部と、前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定する推定部と、を備えた疲労限度推定装置である。
前記推定部は、前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との差分が小さくなるに従って評価値が小さくなる評価を行い、評価値が最小の境界候補を、前記境界と推定する。
前記評価値を、前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との差分の二乗の総和とする。
前記予め定めた複数の境界候補の各々として、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを、負荷の大きさに従って配列した場合に隣り合う散逸エネルギの各々に対応する負荷の間の負荷を定める。
前記予め定めた複数の境界候補の各々として、分類される前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群各々に、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを少なくとも3つ含むように定める。
前記推定部において、前記対象物の疲労限度に対応する負荷として、前記低温散逸エネルギ群に含まれる複数の散逸エネルギの各々に対応する負荷のうちの最大負荷、又は前記高温散逸エネルギ群に含まれる複数の散逸エネルギの各々に対応する負荷のうちの最小負荷、若しくは、前記最大負荷と最小負荷との平均値を推定する。
前記散逸エネルギの変動傾向は、前記散逸エネルギの変動を近似した近似関数で定まる近似線により示される
前記負荷を、前記付与部で繰返し付与した負荷を示す応力振幅とする。
対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与し、付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を検出し、検出された表面温度に基づいて、前記対象物に付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出し、負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出し、前記導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定することを含む疲労限度推定方法である。
対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与し、かつ付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を取得し、取得した表面温度に基づいて、前記対象物に付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出し、負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出し、前記導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定することを含む処理をコンピュータに実行させる疲労限度推定プログラムである。
なお、各図面において同一又は等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与している。
構造部材に用いられる金属材料では、金属疲労による破壊が主要な破壊要因と言われており、金属疲労による破壊を考慮した疲労設計が望まれている。疲労設計は、疲労特性を把握して行われる。疲労特性は、材料単体の疲労限度を長期間の耐久試験により取得することができる。耐久試験は、ねじり、回転曲げ、軸荷重など各種の負荷様式で実行されるが、材料単体の基本的な疲労特性は軸荷重の引張圧縮疲労限度の評価が重要であることが知られている。本開示では、引張圧縮疲労限度を疲労限度と呼び、推定の対象の一例として説明する。
q=ρ・c・△TD ---(1)
CPU321がROM322又はストレージ325から疲労限度推定プログラムを読み出して、RAM323に展開して実行することにより、疲労限度推定処理が行なわれる。
S(L)=s1 +s2 +s3
S(H)=s4 +s5 +s6 +s7 +s8 +s9
S(L)=s1 +s2 +s3 +s4
S(H)=s5 +s6 +s7 +s8 +s9
となり、
境界候補r3(図8)による境界パターンでは、
S(L)=s1 +s2 +s3 +s4 +s5
S(H)=s6 +s7 +s8 +s9
となり、
境界候補r4(図9)による境界パターンでは、
S(L)=s1 +s2 +s3 +s4 +s5 +s6
S(H)=s7 +s8 +s9
となる。
図10に示すように、4つの境界パターンが示す境界候補r1~r4の各々では、境界候補r3において総和Sが最小値となり、測定点による散逸エネルギqの変動特性に最もフィッ卜した近似関数になることが理解される。従って、境界候補r3における応力振幅を散逸エネルギqの急増点とすることが可能となる。
また、以下の実施例では、関数モードA~関数モードDの近似関数を用いた場合の疲労限度推定を、本開示に基づいて実施した結果を比較して説明する。
図11に示すように、σa =255MPa付近に疲労限度が存在すると考えられるが、破断と未破断の完全な境界を判別することが難しい。これは、試験片SP毎の疲労限度のばらつきによるものと考えられる。試験片SP毎に生じる疲労限度のばらつきを考慮するため、ここでは、破断した試験片SPのうち、応力振幅が最小のものと未破断の試験片のうちで応カ振幅の最大値の平均値を疲労限度と定義した。この場合の疲労限度は256MPaとなった。この疲労限度と本開示に基づいて得られた疲労限度推定値とを比較した。
図12に示すように、試験片SP1及びSP2のいずれの試験片も、散逸エネルギqの値は、試験開始後から概ね一定値を示し、或る応力振幅を境界にして急激に増加する傾向を示している。
図13~図16に、試験片SP1及びSP2について、関数モードA~Dの各々を近似関数とした場合の結果を示す。図13は関数モードAの近似関数を用いて散逸エネルギの変動特性を近似した場合の結果を示す。同様に、図14は関数モードBの近似関数を用いた場合の結果を示し、図15は関数モードCの近似関数を用いた場合の結果を示し、図16は関数モードDの近似関数を用いた場合の結果を示す。
次の表2に、疲労限度推定値と、SN曲線で得られた疲労限度とを比較した結果を示す。ここで、疲労限度推定値の代表値には、試験片SP1及びSP2の2本の試験片SPで得られた疲労限度推定値の平均値を用いた。関数モードA~関数モードDのいずれの場合も相対誤差10%以内の精度で疲労限度を推定でき、関数モードDの場合に相対誤差が最小となった。一方、関数モードDの場合、疲労限度の推定精度は良好であるものの、SN曲線で得られた疲労限度に比べて高く、注意が必要な高応力振幅側(危険側)に推定されている。これは、低温領域を二次関数で近似したことに依存すると考えられ、低温領域を一次関数で近似した場合に比べて、二次関数で近似した場合では高応力振幅側に疲労限度推定値が推移する傾向にあることは関数の性質上明らかである。このことを考慮しても、本開示により、散逸エネルギの急増点を一意に特定することができ、相対誤差10%以内の精度で疲労限度推定値を得られる。
20 疲労試験機
22 試験機本体
30 疲労限度推定装置
32 推定装置本体
34 赤外線カメラ
A、B、C、D 関数モード
S 総和
SP 試験片
q 散逸エネルギ
r 境界
r1、r2、r3、r4 境界候補
ρ 材料密度
σa 応力振幅
c 比熱
Claims (10)
- 対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与する付与部と、
前記付与部で付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を検出する検出部と、
前記検出部で検出された表面温度に基づいて、前記付与部で付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出する散逸エネルギ導出部と、
負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出する変動傾向導出部と、
前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定する推定部と、
を備えた疲労限度推定装置。 - 前記推定部は、前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との差分が小さくなるに従って評価値が小さくなる評価を行い、評価値が最小の境界候補を、前記境界と推定する
請求項1に記載の疲労限度推定装置。 - 前記評価値は、前記変動傾向導出部により導出された変動傾向から定まる散逸エネルギの値と、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギの導出値との差分の二乗の総和である
請求項2に記載の疲労限度推定装置。 - 前記予め定めた複数の境界候補の各々は、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを、負荷の大きさに従って配列した場合に隣り合う散逸エネルギの各々に対応する負荷の間の負荷を定める
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の疲労限度推定装置。 - 前記予め定めた複数の境界候補の各々は、分類される前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群各々に、前記散逸エネルギ導出部で導出された散逸エネルギを少なくとも3つ含むように定める
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の疲労限度推定装置。 - 前記推定部は、前記対象物の疲労限度に対応する負荷として、前記低温散逸エネルギ群に含まれる複数の散逸エネルギの各々に対応する負荷のうちの最大負荷、又は前記高温散逸エネルギ群に含まれる複数の散逸エネルギの各々に対応する負荷のうちの最小負荷、若しくは、前記最大負荷と最小負荷との平均値を推定する
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の疲労限度推定装置。 - 前記散逸エネルギの変動傾向は、前記散逸エネルギの変動を近似した近似関数で定まる近似線により示される
請求項1から請求項6の何れか1項に記載の疲労限度推定装置。 - 前記負荷は、前記付与部で繰返し付与した負荷を示す応力振幅である
請求項1から請求項7の何れか1項に記載の疲労限度推定装置。 - 対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与し、
付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を検出し、
検出された表面温度に基づいて、前記対象物に付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出し、
負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出し、
前記導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定する
ことを含む疲労限度推定方法。 - 対象物に対して、大きさを複数段階に異ならせた負荷を複数回繰返し付与し、かつ付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、前記対象物の表面温度の各々を取得し、
取得した表面温度に基づいて、前記対象物に付与された負荷の複数段階の大きさの各々毎に、散逸エネルギを導出し、
負荷の複数段階の大きさに応じて予め定めた複数の境界候補の各々毎に、前記導出された散逸エネルギを、前記複数の境界候補の中から定めた1つの境界候補に応じた負荷以下の低温グループに属する低温散逸エネルギ群と、前記1つの境界候補に応じた前記負荷を超える高温グループに属する高温散逸エネルギ群とに分類し、前記複数の境界候補毎に前記低温散逸エネルギ群及び前記高温散逸エネルギ群の少なくとも一方の散逸エネルギの変動傾向を導出し、
前記導出された変動傾向から定まる前記複数の境界候補の各々についての散逸エネルギの値と、前記導出された散逸エネルギの導出値との相違に基づいて、前記複数の境界候補の各々の前記散逸エネルギの変動傾向を評価し、評価結果から定まる前記複数の境界候補のうちの最適な境界候補を、前記対象物の疲労限度に対応する負荷を示す境界として推定する
ことを含む処理をコンピュータに実行させる疲労限度推定プログラム。
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