第 5 章 平均応力が油井管特殊ねじ継手の疲労強度に及ぼす影響
5.5 有限要素法解析によるピンねじ底の応力状態の評価
5.5.3 ピン不完全ねじ底の応力状態の評価
134
図5-19に不完全雄ねじ底の危険率の比較を示す．この図より平均応力を考慮した場合の疲 労破壊の発生やすいねじ底はピンの先端から数えて16～18番目となることがわかったため，
当該ねじ底の応力状態を以下に詳細に評価することとした．
図5-19 ピン不完全ねじ底の危険率の比較
135
て最大値を取っていることから，貫通き裂の発生および進展しやすい位置は，ねじ底曲面 内部になると予想され，引張平均応力負荷した本ケースでは，実体疲労試験の結果と比較 的整合している．また，このようなねじ底曲面の応力が顕著に増加することから，引張平 均応力負荷時の疲労破壊モードはねじ曲面の応力集中が原因となっていると言える．
さらに，平均応力の有無が疲労強度に及ぼす影響を確認するため，正曲げ負荷時におけ るねじ底表面から肉厚方向の最大主応力の分布を確認した．その結果の一例を図5-22に示す．
これは17番ねじ底の最大主応力分布で，摩擦係数μ = 0.5 の場合である．この図より，ねじ 底表面の最大主応力については，平均応力の有無によらず同程度の値を示しているが，肉 厚方向の最大主応力は引張平均応力が負荷された場合の方が2倍程度大きくなっているこ と，深さ2 mm付近から最大主応力が増加に転じていることがわかった．これは，内圧の負 荷による引張応力が重畳されたことが原因である．これにより，引張平均応力を負荷した 場合は，肉厚内面の最大主応力の増加に伴ってき裂の進展が促進され，疲労強度が低下す ると解釈できる．
(a)16番ねじ底
図5-20 ピン不完全ねじ底表面の応力分布
（平均応力を負荷しなかった場合）
0 100 200 300 400 500
μ=0 μ=0.5 μ=0.9
102 104
122
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
102 104
122 Origin of through wall crack
136 (b)17番ねじ底
図5-20 ピン不完全ねじ底表面の応力分布（つづき）
（平均応力を負荷しなかった場合）
(c)18番ねじ底
図5-20 ピン不完全ねじ底表面の応力分布（つづき）
（平均応力を負荷しなかった場合）
0 100 200 300 400 500
μ=0 μ=0.5 μ=0.9
108 122
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
108 122
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
0 100 200 300 400 500
μ=0 μ=0.5 μ=0.9
112 114
122 123
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
112 114
122 123
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
137 (a)16番ねじ底
(b)17番ねじ底
図5-21 ピン不完全ねじ底表面の応力分布
（引張平均応力を負荷した場合）
0 100 200 300 400 500
μ=0 μ=0.5 μ=0.9
102 104
122
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
102 104
122 Origin of through wall crack
0 100 200 300 400 500
μ=0μ=0.5 μ=0.9
108 122
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
108 122
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
138 (c)18番ねじ底
図5-21 ピン不完全ねじ底表面の応力分布（つづき）
（引張平均応力を負荷した場合）
図5-22 ピン不完全ねじ底の深さ方向の最大主応力幅分布の比較
（17番ねじ底，摩擦係数μ = 0.5の例）
0 100 200 300 400 500
μ=0μ=0.5 μ=0.9
112 114
122 123
Shear stress range, Δτ[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
-200 0 200 400 600
Positive bending Negative bending (μ=0) Positive bending Negative bending (μ=0.5) Positive bending Negative bending (μ=0.9)
112 114
122 123
Maximum principal stress, σmax[MPa]Radius [mm]
Location from PIN apex [mm]
Origin of through wall crack
PIN thread root
BOX thread crest
B: Origin of through wall crack (Without tensile mean stress) d d
A: Origin of through wall crack (Without tensile mean stress)
A B
Maximum principal stress, σmax[MPa]
Depth below thread surface, d[mm]
0 2 4 6 8 10 12
0 100 200 300 400 500
Without tensile mean stress (A) Without tensile mean stress (B) With tensile mean stress (A)
(a) Definition of depth below thread surface (B) Maximum principal stress distribution
139