WO2016199438A1

WO2016199438A1 - ウォータジェットピーニングの応力解析方法、応力解析装置及び応力解析プログラム

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Publication number: WO2016199438A1
Application number: PCT/JP2016/050022
Authority: WO
Inventors: 真弓越智; 直輝小川; 展之堀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2017-12-10
Also published as: JP2017001137A

Abstract

ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析方法であって、噴流解析工程（Ｓ３）と、衝撃圧算出工程（Ｓ５）と、衝撃圧負荷範囲と衝撃圧と材料強度との相関関係から、衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程（Ｓ６）と、施工対象面に対して衝撃圧負荷範囲を複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程（Ｓ７）と、配置パターンの位置を異ならせて、施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程（Ｓ８）と、算出した衝撃圧、衝撃圧負荷範囲、設定した配置パターン及び負荷回数を解析条件として、施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程（Ｓ９）と、を備える。

Description

ウォータジェットピーニングの応力解析方法、応力解析装置及び応力解析プログラム

　本発明は、高圧水等の流体を施工対象面に噴射して、施工対象面を改質するウォータジェットピーニングの応力解析方法、応力解析装置及び応力解析プログラムに関するものである。

　構造物は、溶接等が行われることによって、その表面に引張残留応力が生じる。ウォータジェットピーニングは、構造物の表面に生じている引張残留応力を除去するために、構造物の表面に対して高圧水を噴射する。つまり、ウォータジェットピーニングは、構造物の表面に対して高圧水を噴射することで、高圧水中で発生する微細な気泡が崩壊することで生じる衝撃波により、構造物の表面に圧縮応力を与える。このため、構造物は、ウォータジェットピーニングにより引張残留応力が除去される。これにより、施工対象面は、ウォータジェットピーニングにより改質されることで、応力腐食割れが抑制される。

　ここで、ウォータジェットピーニングが施工される施工対象物の残留応力を評価するウォータジェットピーニングの残留応力評価方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この残留応力評価方法では、ノズルから噴出する噴流を解析して、気泡の気泡内圧と気泡数密度の予測結果に基づいて施工面上の気泡の崩壊圧を算出し、この崩壊圧を用いて施工面上の残留応力を算出している。

特許第５０１１４１６号公報

　ところで、ウォータジェットピーニングが施工される施工対象物の材料強度は異なる場合がある。施工対象物の材料強度が異なると、ノズルから噴出する噴流条件が同じである場合であっても、施工対象面の残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲が異なる。このため、施工対象物の材料強度毎に、残留応力を評価しなければならず、残留応力の評価に多大な時間を要することとなる。

　そこで、本発明は、施工対象面における材料強度が異なる場合であっても、施工対象面の残留応力を迅速に解析することができるウォータジェットピーニングの応力解析方法、応力解析装置及び応力解析プログラムを提供することを課題とする。

　本発明のウォータジェットピーニングの応力解析方法は、ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析方法であって、前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲と、前記衝撃圧と、前記施工対象面における材料強度との相関関係から、前記衝撃圧及び前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を備えることを特徴とする。

　また、本発明のウォータジェットピーニングの応力解析装置は、ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析装置であって、解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する演算部と、前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲、噴射される前記流体による前記施工対象面への衝撃圧、及び前記施工対象面における材料強度の相関関係と、前記材料強度と、を記憶する記憶部と、を備え、前記演算部は、前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、前記相関関係から、算出した前記衝撃圧及び記憶した前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を実行することを特徴とする。

　さらに、本発明のウォータジェットピーニングの応力解析プログラムは、ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析装置の演算部に、前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲と、前記衝撃圧と、前記施工対象面における材料強度との相関関係から、前記衝撃圧及び前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を実行させることを特徴とする。

　この構成によれば、衝撃圧と材料強度と衝撃圧負荷範囲との相関関係から、算出した衝撃圧と計測等によって得られた材料強度とに基づいて、応力解析に必要な衝撃圧負荷範囲を算出することができる。そして、算出した衝撃圧、衝撃圧負荷範囲、設定した配置パターン及び負荷回数を解析条件として、施工対象面の残留応力を解析することができる。このため、施工対象面における材料強度が異なる場合であっても、上記の相関関係から、衝撃圧負荷範囲を迅速に算出することができ、これにより、施工対象面における残留応力を迅速に解析することができる。

　また、前記衝撃圧負荷範囲と前記衝撃圧と前記材料強度との相関関係は、前記衝撃圧／前記施工対象面の降伏応力と、前記衝撃圧負荷範囲との関数で表され、前記関数は、前記残留応力を除去可能な深さである残留応力変化深さ、及び前記残留応力を除去可能な範囲である残留応力変化範囲に応じて、複数用意されることが、好ましい。

　この構成によれば、関数を用いることで、必要な残留応力変化深さ及び残留応力変化範囲に対して、衝撃圧及び降伏応力から、衝撃圧負荷範囲を迅速に算出することができる。

　また、前記衝撃圧負荷範囲は、円形であり、前記配置パターン設定工程における所定の前記間隔は、前記衝撃圧負荷範囲の直径であり、前記配置パターンは、前記衝撃圧負荷範囲を、前記間隔を空けて列方向に並べて配置すると共に、複数の前記衝撃圧負荷範囲を、前記間隔を空けて行方向に並べて配置することで、複数の衝撃圧負荷範囲を格子状に配置したものであることが、好ましい。

　この構成によれば、施工対象面の所定の領域における残留応力を、効率良く算出することができる。なお、衝撃圧負荷範囲は、気泡の崩壊によって発生することから、理想的な形状として、円形としている。

図１は、本実施形態に係る応力解析装置の解析対象となる施工対象面周りの説明図である。図２は、本実施形態に係る応力解析装置の概略的な構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態に係るウォータジェットピーニングの応力解析方法に関するフローチャートである。図４は、施工対象面からの深さ方向における残留応力変化深さに関する図である。図５は、施工対象面の水平方向における残留応力変化範囲に関する図である。図６は、複数の衝撃圧負荷範囲により形成される配置パターンの一例を示す説明図である。図７は、負荷回数に応じた配置パターンの一例を示す説明図である。図８は、複数の衝撃圧負荷範囲により形成される配置パターンの一例を示す説明図である。図９は、負荷回数に応じた配置パターンの一例を示す説明図である。図１０は、複数の衝撃圧負荷範囲により形成される配置パターンの一例を示す説明図である。図１１は、負荷回数に応じた配置パターンの一例を示す説明図である。

　以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
　本実施形態に係る応力解析装置１は、高圧水（流体）を噴射するウォータジェットピーニングを施工対象面に施工したときの、施工対象面における残留応力を解析する装置である。先ずは、応力解析装置１を説明する前に、図１を参照して、ウォータジェットピーニングについて説明する。

　図１は、本実施形態に係る応力解析装置の解析対象となる施工対象面周りの説明図である。図１に示すように、ウォータジェットピーニングは、施工対象物８の施工対象面Ｐに向けて、ノズル５から高圧水６を噴射する。ここで、施工対象面Ｐは、溶接等が行われることで、引張応力が残留している。高圧水６には、キャビテーションにより生じる気泡７が含まれる。高圧水６中の気泡７は、崩壊することで衝撃圧を発生させ、この衝撃圧により、施工対象面Ｐに対して圧縮応力を与える。このため、引張応力が残留する施工対象面Ｐは、ウォータジェットピーニングにより圧縮応力が与えられることで、残留応力が除去される。

　次に、図２を参照して、応力解析装置１について説明する。図２は、本実施形態に係る応力解析装置の概略的な構成を示すブロック図である。応力解析装置１は、演算部１１と、記憶部１２と、入力部１３と、出力部１４とを備えている。なお、演算部１１は、ＣＰＵを含む集積回路等のハードウェア資源を用いて構成され、記憶部１２は、メモリおよび記憶装置等のハードウェア資源を用いて構成されている。また、入力部１３は、キーボード及びマウス等のハードウェア資源を用いて構成され、出力部１４は、ディスプレイ等のハードウェア資源を用いて構成されている。

　記憶部１２は、施工対象面Ｐにおける残留応力を解析するための応力解析プログラムＤ１と、残留応力の解析に使用する諸元データＤ２とを記憶している。応力解析プログラムＤ１は、演算部１１で実行されることにより、諸元データＤ２に基づく施工対象面Ｐの残留応力を解析する。諸元データＤ２としては、例えば、ノズル５から噴射される高圧水６の噴射条件に関するデータ、ウォータジェットピーニングの施工条件に関するデータ、施工対象面Ｐの応力解析の解析条件に関するデータ等がある。具体的に、諸元データＤ２としては、下記の図４及び図５に示す関数、施工対象面Ｐの材料強度として用いられる降伏応力等のデータがある。施工対象面Ｐの降伏応力は、予め計測等が行われることにより、既知の値となっている。

　入力部１３は、残留応力の解析に用いられる各種データを入力するために使用されるものであり、例えば、各種データとして上記の諸元データＤ２が、入力部１３を介して応力解析装置１に入力される。出力部１４は、応力解析プログラムＤ１を実行することで得られた解析結果を出力する。

　演算部１１は、記憶部１２に記憶された応力解析プログラムＤ１を実行することで、解析条件に基づいて施工対象面Ｐにおける残留応力を解析する他、解析条件となる衝撃圧を算出したり、施工対象面Ｐにおける残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲を算出したりする。

　次に、図３を参照して、演算部１１により施工対象面Ｐの残留応力を解析する動作について説明する。図３は、本実施形態に係るウォータジェットピーニングの応力解析方法に関するフローチャートである。なお、以下では、説明を簡略化するため、施工対象面Ｐは平面であり、この面上の一点に向かってノズル５から水を噴射するものとする。

　図３に示す応力解析方法は、噴流解析工程Ｓ３と、衝撃圧算出工程Ｓ５と、範囲算出工程Ｓ６と、配置パターン設定工程Ｓ７と、負荷回数設定工程Ｓ８と、応力解析工程Ｓ９とを含んでいる。噴流解析工程Ｓ３では、ウォータジェットピーニングにおけるノズル５からの高圧水６の噴射条件に基づいて、ノズル５から噴射される高圧水６の噴流を解析している。衝撃圧算出工程Ｓ５では、噴流解析工程Ｓ３の解析結果に基づいて、高圧水６の衝撃圧を算出している。範囲算出工程Ｓ６では、算出した衝撃圧及び記憶部１２に記憶されている施工対象面Ｐにおける降伏応力に基づいて、図４及び図５に示す関数から衝撃圧負荷範囲を算出している。配置パターン設定工程Ｓ７では、施工対象面Ｐに対して、衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置して、１回の負荷毎の配置パターンを設定している。負荷回数設定工程Ｓ８では、配置パターンの位置を異ならせて、施工対象面Ｐの全面が覆われるように、施工対象面Ｐへの負荷回数を設定している。応力解析工程Ｓ９では、算出した衝撃圧、算出した衝撃圧負荷範囲、設定した配置パターン及び負荷回数を解析条件とし、この解析条件に基づいて、施工対象面Ｐにおける残留応力を解析している。以下、図３を参照して、残留応力の解析動作について具体的に説明する。

　先ず、応力解析装置１には、入力部１３を介して、ウォータジェットピーニングにおける高圧水の噴射条件が入力される（ステップＳ１）。つまり、ステップＳ１では、ノズル５からの高圧水６の噴流を解析するために必要な噴射条件に関するパラメータが、応力解析装置１に入力される。応力解析装置１は、噴射条件に関するパラメータが入力されると、記憶部１２に噴射条件を記憶する。

　ここで、応力解析装置１は、高圧水６の噴流を解析するモデルとして、乱流を数値解析するためのＬＥＳ（Large Eddy Simulation）モデルと、水と水中に存在する多数の気泡の挙動を数値解析するための２相流モデルと、気泡の発生や消滅等を含む気泡の挙動を数値解析するためのキャビテーションモデルとを採用している。このため、ステップＳ１では、噴射条件に関するパラメータとして、例えば、蒸発係数、凝縮係数、気泡核生成部位体積率、気泡径が設定される。また、ステップＳ１では、雰囲気気圧（施工部位の水深）、水の密度及び粘性、飽和蒸気圧が、ウォータジェットピーニングの施工時における条件と同じ値となるように設定される。さらに、ステップＳ１では、蒸気が理想気体であると仮定したときの蒸気の密度が設定される。

　次に、応力解析装置１には、入力部１３を介して、ウォータジェットピーニングにおける施工条件が入力される（ステップＳ２）。つまり、ステップＳ２では、ノズル５からの高圧水６の噴流を解析するために必要な施工条件に関するデータが、応力解析装置１に入力される。応力解析装置１は、施工条件が入力されると、記憶部１２に施工条件に関するデータを記憶する。

　ここで、ステップＳ２では、施工条件に関するデータとして、施工対象面Ｐを有する施工対象物８を模擬したモデルである施工対象モデル２１に関するデータ、ノズル５を模擬したモデルであるノズルモデル２２に関するデータ、施工対象モデル２１及びノズルモデル２２が配置される空間の座標系に関するデータが、応力解析装置１に入力される（図１参照）。

　施工対象モデル２１に関するデータは、上記したように、施工対象面Ｐが平面であり、この面上の一点に向かってノズル５から高圧水を噴射することから、施工対象モデル２１の施工対象面Ｐが平面となるようなモデルとなっている。また、ノズルモデル２２に関するデータは、ウォータジェットピーニングの施工時に使用されるノズル５を模擬したモデルであり、いずれの形状であってもよい。座標系に関するデータは、ノズルモデル２２の噴射軸２５と施工対象モデル２１の施工対象面Ｐとが交差する点を原点とし、原点から噴射軸２５が延びる方向をＺ軸、このＺ軸に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な軸をＹ軸とするＸＹＺ座標系のデータである。

　また、ステップＳ２では、施工条件に関するデータとして、ノズル５からの噴流の吐出圧、ノズル５からの噴流の流量、噴流の噴射距離（ノズル５の出口から施工対象面Ｐまでの距離）Ｓ、ノズル５の噴射軸２５に対する施工対象面Ｐの法線の角度、施工対象面Ｐの水深、水の温度、ノズル５からの水の噴射時間等のデータが、応力解析装置１に入力される（図１参照）。

　ステップＳ２の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、ステップＳ１で設定した噴射条件に関するパラメータと解析モデルとを使用し、ステップＳ２で入力した施工条件に関するデータに基づいて、高圧水６の噴流解析を実行する（ステップＳ３）。演算部１１は、噴流解析において、施工対象面Ｐ上での各時刻における気泡７の発生数及び気泡７の消滅数を導出し、導出した気泡７の発生数及び気泡７の消滅数を解析結果として、記憶部１２に記憶させる。

　次に、演算部１１は、噴流解析を実行して得られる解析結果から、施工対象面Ｐ上の各位置における気泡７のボイド率及び崩壊率を算出する（ステップＳ４）。ここで、ボイド率とは、水の単位体積に含まれる気泡の体積率であり、崩壊率とは、水の単位体積中で単位時間に崩壊する気泡の体積である。演算部１１は、記憶部１２に記憶された噴流解析の解析結果に基づいて、施工対象面Ｐ上の各位置における水の単位体積中で、噴射時間中における気泡７の単位時間毎の体積率を求める。そして、演算部１１は、単位時間毎の体積率の平均値をボイド率とする。また、演算部１１は、記憶部１２に記憶された噴流解析の解析結果に基づいて、施工対象面Ｐ上の各位置における水の単位体積中で、各時刻における気泡７の消滅数から、施工対象面Ｐ上の各位置における水の単位体積中で、該当時刻を含む単位時間で崩壊する気泡７の体積を求める。そして、演算部１１は、各単位時間で崩壊する気泡７の体積の平均値を崩壊率とする。

　ステップＳ４の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、ボイド率及び崩壊率に基づいて、衝撃圧を算出する（ステップＳ５：衝撃圧算出工程）。ここで、衝撃圧をＰとし、気泡７の崩壊率をηとし、気泡７のボイド率をｆとし、水深と噴流の流量に依存する係数をｋとすると、衝撃圧Ｐは、経験則として、「Ｐ＝ｋ×η×ｆ」で表すことができる。

　ステップＳ５の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、算出した衝撃圧と、記憶部１２に記憶された降伏応力とに基づいて、図４及び図５に示す関数から、衝撃圧負荷範囲を算出する（ステップＳ６：範囲算出工程）。ここで、衝撃圧負荷範囲とは、施工対象面Ｐ上において発生する残留応力を除去するにあたって、有効な衝撃圧を与えることが可能な範囲である。つまり、衝撃圧負荷範囲とは、施工対象面Ｐにおける残留応力が０となるような範囲であり、具体的には、気泡７のピーニング痕の範囲となる。この衝撃圧負荷範囲は、気泡７が球状であることから、施工対象面Ｐ上において作用する理想的な形状となる衝撃圧負荷範囲は、円形の範囲となる。

　ここで、図４及び図５の関数について説明する。図４は、施工対象面からの深さ方向における残留応力変化深さに関する図であり、図５は、施工対象面の水平方向における残留応力変化範囲に関する図である。図４及び図５において、その縦軸は、衝撃圧／降伏応力となっており、その横軸が衝撃圧負荷範囲となっている。図４及び図５の関数は、予め実験等により求められた関数である。なお、残留応力変化深さとは、施工対象面Ｐの原点から深さ方向において残留応力を除去可能な深さであり、この深さを変化させたものとなっている。また、残留応力変化範囲とは、施工対象面Ｐの原点から水平方向において残留応力を除去可能な範囲であり、この範囲を変化させたものとなっている。このため、関数は、残留応力変化深さ及び残留応力変化範囲に応じて、複数用意されている。

　ここで、図４のＬ１は、施工対象面Ｐの原点から０．５ｍｍの深さまでが残留応力変化深さとなっており、残留応力が低減するラインである。Ｌ２は、施工対象面Ｐの原点から１．０ｍｍの深さまでが残留応力変化深さとなっており、残留応力が低減するラインである。Ｌ３は、施工対象面Ｐの原点から１．５ｍｍの深さまでが残留応力変化深さとなっており、残留応力が低減するラインである。図４に示すように、Ｌ１～Ｌ３は、衝撃圧負荷範囲が一定である場合、残留応力変化深さを深くするためには、衝撃圧／降伏応力が大きくなる関数となっている。また、Ｌ１～Ｌ３は、衝撃圧／降伏応力が一定である場合、残留応力変化深さを深くするためには、衝撃圧負荷範囲を広くする関数となっている。

　また、図５のＬ４は、施工対象面Ｐの原点から０．２５ｍｍの範囲が残留応力変化範囲となっており、残留応力が低減するラインである。Ｌ５は、施工対象面Ｐの原点から０．５ｍｍの範囲が残留応力変化範囲となっており、残留応力が低減するラインである。Ｌ６は、施工対象面Ｐの原点から１．０ｍｍの範囲が残留応力変化範囲となっており、残留応力が低減するラインである。なお、残留応力変化範囲は、ウォータジェットピーニングにより圧縮応力が与えられる範囲である。図５に示すように、Ｌ４～Ｌ６は、衝撃圧負荷範囲が一定の範囲である場合、残留応力変化範囲を広くするためには、衝撃圧／降伏応力が大きくなる関数となっている。また、Ｌ４～Ｌ６は、衝撃圧／降伏応力が一定である場合、残留応力変化範囲を広くするためには、衝撃圧負荷範囲を広くする関数となっている。

　ステップＳ６の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、算出した衝撃圧負荷範囲Ｅに基づいて、図６に示す所定の配置パターンを設定する（ステップＳ７：配置パターン設定工程）。ここで、図６は、複数の衝撃圧負荷範囲により形成される配置パターンを示す説明図である。図６に示すように、衝撃圧負荷範囲Ｅは円形の範囲となっている。配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の（１個分の）間隔を空けて列方向（図６の左右方向）に並べて配置すると共に、列方向に並んだ複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の（１個分の）間隔を空けて行方向（図６の上下方向）に並べて配置したパターンとなっている。また、列方向に並ぶ複数の衝撃圧負荷範囲Ｅは、行方向において重なり合うように、隣接して配置される。つまり、配置パターンは、複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを格子状に配置したパターンとなっている。ここで、列方向及び行方向における所定の間隔は、円形となる衝撃圧負荷範囲Ｅの直径である。

　ステップＳ７の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、設定した配置パターンに基づく負荷回数を設定する（ステップＳ８：負荷回数設定工程）。図７に示すように、図６の配置パターンは、施工対象面Ｐの所定の領域が全て覆われるように、位置を異ならせて設定される。本実施形態において、図６の格子状となる配置パターンを用いる場合、負荷回数は８回となる。具体的に、負荷回数が１回目から４回目となる配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅが重なり合わないように配置される。負荷回数が５回目から８回目となる配置パターンは、１回目から４回目となる配置パターンに、衝撃圧負荷範囲Ｅが重なり合うように配置される。

　具体的に、負荷回数が１回目となる配置パターンを基準とすると、２回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向に１個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの直径分）だけ移動させた位置となっている。３回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを行方向に１個分だけ移動させた位置となっている。４回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向及び行方向に１個分ずつだけ移動させた位置となっている。

　５回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向及び行方向に半個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの半径分）ずつだけ移動させた位置となっている。そして、５回目の配置パターンを基準とすると、６回目の配置パターンは、５回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向に１個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの直径分）だけ移動させた位置となっている。７回目の配置パターンは、５回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを行方向に１個分だけ移動させた位置となっている。８回目の配置パターンは、５回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向及び行方向に１個分ずつだけ移動させた位置となっている。このように、応力解析装置１の演算部１１は、図７に示す負荷回数を設定することで、施工対象面Ｐの所定の領域が全て覆われるような、負荷回数を設定できる。

　ステップＳ８の実行後、応力解析装置１の演算部１１は、算出した衝撃圧の大きさ、算出した衝撃圧負荷範囲、設定した配置パターン及び負荷回数を含む解析条件に基づいて、施工対象面Ｐにおける残留応力解析を実行する（ステップＳ９：応力解析工程）。また、解析条件としては、気泡７の衝撃圧が所定の衝撃圧まで上昇するまでの時間（衝撃圧の上昇時間）を含む。この応力解析工程では、軸対称モデルを用いた有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）に基づく解析を行っている。このため、ステップＳ９では、施工対象面Ｐを有する施工対象物８を模擬した軸対称モデルである施工対象モデル２１に関するデータ、ノズル５を模擬した軸対称モデルであるノズルモデル２２に関するデータ、施工対象モデル２１及びノズルモデル２２が配置される空間の座標系に関するデータが、解析条件として応力解析装置１に入力される。なお、座標系に関するデータは、Ｚ軸を中心とする極座標系のデータである。そして、応力解析工程Ｓ９では、設定した負荷回数に基づいて、負荷毎にＦＥＭ解析を繰り返し実行することで、施工対象面Ｐの所定の領域における残留応力を算出する。

　以上のように、本実施形態によれば、応力解析装置１の演算部１１は、図４及び図５に示す関数を用いて、算出した衝撃圧と，計測等によって得られた材料強度とに基づいて、応力解析に必要な衝撃圧負荷範囲を算出することができる。そして、応力解析装置１の演算部１１は、算出した衝撃圧、衝撃圧負荷範囲、設定した配置パターン及び負荷回数を解析条件として、施工対象面Ｐの残留応力を解析することができる。このため、応力解析装置１の演算部１１は、施工対象面Ｐにおける材料強度が異なる場合であっても、図４及び図５に示す関数から、衝撃圧負荷範囲を迅速に算出することができ、これにより、施工対象面Ｐにおける残留応力を迅速に解析することができる。

　また、本実施形態によれば、図４及び図５に示す関数を用いることで、衝撃圧及び降伏応力から、衝撃圧負荷範囲を迅速に算出することができる。

　また、本実施形態によれば、図６に示す配置パターンを用いると共に、図７に示す負荷回数を設定することで、施工対象面Ｐの所定の領域における残留応力を、効率良く算出することができる。

　なお、本実施形態では、図６に示す配置パターンと、図７に示す負荷回数を設定したが、これに限定されず、例えば、図８に示す配置パターンと、図９に示す負荷回数を設定してもよいし、図１０に示す配置パターンと、図１１に示す負荷回数を設定してもよい。図８及び図１０は、複数の衝撃圧負荷範囲により形成される配置パターンの一例を示す説明図であり、図９及び図１１は、負荷回数に応じた配置パターンの一例を示す説明図である。

　図８に示す配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の（１個分の）間隔を空けて列方向（図８の左右方向）に並べて配置すると共に、列方向に並んだ複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の（１個分の）間隔を空けて行方向（図８の上下方向）に並べて配置したパターンとなっている。また、行方向に隣接する一方の衝撃圧負荷範囲Ｅが、行方向に隣接する他方の衝撃圧負荷範囲Ｅ同士の間に位置するように配置される。つまり、配置パターンは、複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを千鳥状に配置したパターンとなっている。ここで、列方向及び行方向における所定の間隔は、円形となる衝撃圧負荷範囲Ｅの直径である。

　図９に示すように、図８に示す配置パターンを用いる場合、図６に示す配置パターンを用いた場合と同様に、施工対象面Ｐの所定の領域が全て覆われるように、位置を異ならせて設定される。図８の千鳥状の配置パターンを用いる場合、負荷回数は８回となる。具体的に、負荷回数が１回目から４回目となる配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅが重なり合わないように配置される。負荷回数が５回目から８回目となる配置パターンは、１回目から４回目となる配置パターンに、衝撃圧負荷範囲Ｅが重なり合うように配置される。

　具体的に、負荷回数が１回目となる配置パターンを基準とすると、２回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向に１個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの直径分）だけ移動させた位置となっている。３回目の配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅの半径をｒとすると、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを行方向に√３ｒだけ移動させ、列方向に半個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの半径ｒ分）だけ移動させた位置となっている。４回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを行方向に√３ｒだけ移動させ、３回目とは反対側の列方向に半個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの半径ｒ分）だけ移動させた位置となっている。

　５回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、衝撃圧負荷範囲Ｅを列方向に１／２ｒだけ移動させ、行方向に√３／２ｒだけ移動させた位置となっている。なお、負荷回数が５回目から８回目は、１回目から４回目と同様であるため、説明を省略する。

　このように、図８に示す配置パターンを用いると共に、図９に示す負荷回数を設定することでも、施工対象面Ｐの所定の領域における残留応力を、効率良く算出することができる。

　図１０に示す配置パターンは、衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の間隔を空けて列方向（図１０の左右方向）に並べて配置すると共に、列方向に並んだ複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを、所定の間隔を空けて行方向（図１０の上下方向）に並べて配置したパターンとなっている。ここで、列方向における所定の間隔は、円形となる衝撃圧負荷範囲Ｅの直径よりも小さい間隔であり、行方向における所定の間隔は、列方向における所定の間隔よりも小さい間隔である。この間隔は、図１０に示す配置パターンを用いて、図１１に示す負荷回数を設定可能な間隔であり、具体的に、列方向における所定の間隔は、（２√３－２）ｒ（ｒは、衝撃圧負荷範囲Ｅの半径）であり、行方向における所定の間隔は、衝撃圧負荷範囲Ｅの半径である。また、列方向に並ぶ複数の衝撃圧負荷範囲Ｅは、行方向において重なり合うように、隣接して配置される。つまり、配置パターンは、複数の衝撃圧負荷範囲Ｅを格子状に配置したパターンとなっている。

　図１１に示すように、図１０に示す配置パターンを用いる場合、図６に示す配置パターンを用いた場合と同様に、施工対象面Ｐの所定の領域が全て覆われるように、配置パターンの位置を異ならせて設定される。図１０の格子状の配置パターンを用いる場合、負荷回数は４回となる。

　具体的に、負荷回数が１回目となる配置パターンを基準とすると、２回目の配置パターンは、列方向において、１回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅ同士の間に、２回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅが位置するような配置となっている。３回目の配置パターンは、１回目の配置パターンに対して、列方向において、１回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅと、２回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅとの間に位置すると共に、行方向において、衝撃圧負荷範囲Ｅを３／４個分（衝撃圧負荷範囲Ｅの半径×１．５個分）だけ移動させた位置となっている。４回目の配置パターンは、列方向において、３回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅ同士の間に、４回目の配置パターンの衝撃圧負荷範囲Ｅが位置するような配置となっている。

　このように、図１０に示す配置パターンを用いることで、図１１に示すように、負荷回数を抑制して設定することができ、施工対象面Ｐの所定の領域における残留応力を、効率良く算出することができる。

　１　応力解析装置
　５　ノズル
　６　高圧水
　７　気泡
　８　施工対象物
　１１　演算部
　１２　記憶部
　１３　入力部
　１４　出力部
　２１　施工対象モデル
　２２　ノズルモデル
　２５　噴射軸
　Ｐ　施工対象面
　Ｅ　衝撃圧負荷範囲
　Ｄ１　応力解析プログラム
　Ｄ２　諸元データ

Claims

　ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析方法であって、
　前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、
　前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、
　前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲と、前記衝撃圧と、前記施工対象面における材料強度との相関関係から、前記衝撃圧及び前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、
　前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、
　前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、
　算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を備えることを特徴とするウォータジェットピーニングの応力解析方法。
　前記衝撃圧負荷範囲と前記衝撃圧と前記材料強度との相関関係は、前記衝撃圧／前記施工対象面の降伏応力と、前記衝撃圧負荷範囲との関数で表され、
　前記関数は、前記残留応力を除去可能な深さである残留応力変化深さ、及び前記残留応力を除去可能な範囲である残留応力変化範囲に応じて、複数用意されることを特徴とする請求項１に記載のウォータジェットピーニングの応力解析方法。
　前記衝撃圧負荷範囲は、円形であり、
　前記配置パターン設定工程における所定の前記間隔は、前記衝撃圧負荷範囲の直径であり、
　前記配置パターンは、前記衝撃圧負荷範囲を、前記間隔を空けて列方向に並べて配置すると共に、複数の前記衝撃圧負荷範囲を、前記間隔を空けて行方向に並べて配置することで、複数の衝撃圧負荷範囲を格子状に配置したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のウォータジェットピーニングの応力解析方法。
　ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析装置であって、
　解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する演算部と、
　前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲、噴射される前記流体による前記施工対象面への衝撃圧、及び前記施工対象面における材料強度の相関関係と、前記材料強度と、を記憶する記憶部と、を備え、
　前記演算部は、
　前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、
　前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、
　前記相関関係から、算出した前記衝撃圧及び記憶した前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、
　前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、
　前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、
　算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を実行することを特徴とするウォータジェットピーニングの応力解析装置。
　ノズルから施工対象面に向けて流体を噴射するウォータジェットピーニングの前記施工対象面における残留応力を解析するウォータジェットピーニングの応力解析装置の演算部に、
　前記ノズルから噴射される前記流体の噴流を解析する噴流解析工程と、
　前記噴流解析工程の解析結果に基づいて、前記流体の衝撃圧を算出する衝撃圧算出工程と、
　前記施工対象面における前記残留応力の除去に有効な衝撃圧負荷範囲と、前記衝撃圧と、前記施工対象面における材料強度との相関関係から、前記衝撃圧及び前記材料強度に基づいて、前記衝撃圧負荷範囲を算出する範囲算出工程と、
　前記施工対象面に対して、前記衝撃圧負荷範囲を所定の間隔を空けて複数配置した配置パターンを設定する配置パターン設定工程と、
　前記配置パターンの位置を異ならせて、前記施工対象面の所定の領域が全て覆われるように、前記施工対象面への負荷回数を設定する負荷回数設定工程と、
　算出した前記衝撃圧、前記衝撃圧負荷範囲、設定した前記配置パターン及び前記負荷回数を解析条件とし、前記解析条件に基づいて、前記施工対象面における残留応力を解析する応力解析工程と、を実行させることを特徴とするウォータジェットピーニングの応力解析プログラム。