第 3 章 疲労強度へのブローホールの影響が継手形式によって異なる原因
3.2 ブローホールを有する継手に生じる応力集中の検討
3.2.1 解 析 対 象 と 解 析 モ デ ル
解 析 対 象 は図 -3.1に 示 す 部 分 溶 込 み 縦 方 向 溶 接 継 手（ 以 下 ，縦 継 手 ）と 完 全 溶 込 み 横 方 向 溶 接 継 手 （ 以 下 ， 横 継 手 ） で あ る 。図 -3.2 に 示 す よ う な ， 幅 W と 奥 行 き L が 等 し い 回 転 楕 円 形 の 空 洞 と 見 な し た ブ ロ ー ホ ー ル を ， そ の 下 端 が 継 手 中 央 の 厚 さ 方 向
x z
y
x z
y
ブ ロ ー ホ ー ル
H ブ ロ ー ホ ー ル
(a)部 分 溶 込 み 縦 方 向 溶 接 継 手 (b)完 全 溶 込 み 横 方 向 溶 接 継 手 H
W l=200
t=40
20 B=40
W
B=40
単 位:mm 単 位:mm
l=200 t=40
図 -3.1 解 析 対 象
中 心 と 一 致 す る よ う に 設 置 し て い る ． 未 溶 着 部 を 有 す る 縦 継 手 と 未 溶 着 部 が な い 横 継 手 を 比 較 す る こ と で ， ブ ロ ー ホ ー ル に よ る 応 力 集 中 に 対 し て ， 未 溶 着 部 が ど の よ う な 影 響 を 与 え る か を 明 ら か に す る ．縦 継 手 の 未 溶 着 の 高 さ は ，板 厚 t の 1/2 と し て い る ． す な わ ち ， 溶 接 の 深 さ も 板 厚 t の 1/2 と な る た め ， ブ ロ ー ホ ー ル は そ の 下 端 が 未 溶 着 先 端 と な る ． 継 手 の 板 厚 t， 幅 B， そ し て ブ ロ ー ホ ー ル 高 さ H と 幅 W を パ ラ メ ー タ と し ，解 析 対 象 を 設 定 し た ．各 解 析 対 象 の 断 面 寸 法 と ブ ロ ー ホ ー ル 寸 法 を表 -3.1に 示 す ．
シ リ ー ズ Ⅰ は ， 継 手 の 長 さ l を 200mm， 幅 B を 80mm， 板 厚 t を 40mmと し て ， 未 溶 着 部 の 有 無 と ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 ・ 寸 法 が 応 力 集 中 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 す る た め の モ デ ル で あ る ． シ リ ー ズ Ⅱ は ， 継 手 の 長 さ l を 200mm で 一 定 と し て 継 手 断 面 寸 法 （B と t） を 変 化 さ せ ， 未 溶 着 部 の 有 無 と 継 手 断 面 寸 法 が 応 力 集 中 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 す る た め の モ デ ル で あ る ．
3.2.2 解 析 方 法
ブ ロ ー ホ ー ル 近 傍 の 応 力 性 状 を 調 べ る 目 的 で ，表 -3.1 に 示 し た モ デ ル に つ い て ソ リ ッ ド 要 素 を 用 い た 3 次 元 弾 性 有 限 要 素 応 力 解 析 を 行 っ た ．プ リ ポ ス ト に は FEMAP，ソ ル バ に は CAEFEM を 用 い た ． 鋼 材 の ヤ ン グ 率 は 2.0×105N/mm2， ポ ア ソ ン 比 は 0.3 と し た ． 解 析 は ， モ デ ル の 対 称 性 を 考 慮 し て ，1/4 モ デ ル で 行 っ て い る ． 荷 重 は ， 継 手 モ デ ル 端 部 に 長 手 方 向 の 等 分 布 引 張 荷 重（1N/mm2）で 与 え て い る ．各 モ デ ル の 要 素 寸 法 は ブ ロ ー ホ ー ル 部 近 傍 で 0.2mm 程 度 ， そ の 他 は 1.0mm 程 度 と し て い る ． 要 素 分 割 図 の 例 を図 -3.3 に 示 す ．
図 -3.2 ブ ロ ー ホ ー ル モ デ ル
3.2.3 解 析 結 果
応 力 解 析 に よ り 得 ら れ た Ⅰ-3モ デ ル の 長 手 方 向 直 角 断 面 で の ブ ロ ー ホ ー ル 周 辺 の 継 手 長 さ 方 向 応 力 の コ ン タ ー 図 を図 -3.4 に 示 す ．い ず れ の モ デ ル に お い て も ブ ロ ー ホ ー ル の 周 に お い て 応 力 集 中 が 生 じ て い る ． ブ ロ ー ホ ー ル の 周 に 沿 う 応 力 分 布 を ， 形 状 比 H/Wに よ り マ ー ク を 変 え て ，図 -3.5〜図 -3.7に 示 す ．ブ ロ ー ホ ー ル の 周 に お け る 応 力 は ，ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 が 細 長 く な る（H/W の 値 が 大 ）に し た が っ て 高 く な っ て い る ．
表 -3.1 解 析 対 象 パ ラ メ ー タ
板厚t 板幅B 高さH 幅W
Ⅰ-1 40 80 1 1
Ⅰ-2 40 80 2 1
Ⅰ-3 40 80 4 1
Ⅰ-4 40 80 2 2
Ⅰ-5 40 80 4 2
Ⅰ-6 40 80 8 2
Ⅰ-7 40 80 4 4
Ⅰ-8 40 80 8 4
Ⅰ-9 40 80 16 4
Ⅱ-1 20 40 2 2
Ⅱ-2 80 160 2 2
Ⅱ-3 160 320 2 2
Ⅱ-4 320 640 2 2
Ⅱ-5 20 40 4 2
Ⅱ-6 80 160 4 2
Ⅱ-7 160 320 4 2
Ⅱ-8 320 640 4 2
Ⅱ-9 20 40 8 2
Ⅱ-10 80 160 8 2
Ⅱ-11 160 320 8 2
Ⅱ-12 320 640 8 2 継手断面寸法(mm) ブローホール寸法(mm) モデル
番号
(a) 1/4モ デ ル 全 体 図 (b) ブ ロ ー ホ ー ル 近 傍 拡 大 図 -3.3 要 素 分 割 図(W=2mm,H=4mm)
ブ ロ ー ホ ー ル 形 状 ・ 寸 法 の 影 響
継 手 断 面 寸 法 の 影 響
板 幅 B/2
奥 行 L/2=100mm
板 厚 t
高 さ H ブ ロ ー ホ ー ル
幅 W/2
(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手 （ Ⅰ-3） (b) 完 全 溶 込 み 横 継 手 （ Ⅰ-3） 図 -3.4 長 手 方 向 直 角 断 面 の 継 手 長 さ 方 向 の 応 力 コ ン タ ー 図 （ 単 位:N/mm2）
0 2 4
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数
H/W=4 H/W=2
H/W=1
0 2 4
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数 H/W=4
H/W=2 H/W=1
(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手 (b) 完 全 溶 込 み 横 継 手
図 -3.5 長 手 方 向 直 角 断 面 の W=1mmに お け る ブ ロ ー ホ ー ル 周 の 継 手 長 さ 方 向 応 力 分 布
0 4 8
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数
H/W=4
H/W=2
H/W=1
0 4 8
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数
H/W=4
H/W=2
H/W=1
(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手 (b) 完 全 溶 込 み 横 継 手
図 -3.6 長 手 方 向 直 角 断 面 の W=2mmに お け る ブ ロ ー ホ ー ル 周 の 継 手 長 さ 方 向 応 力 分 布
ま た ，最 大 の 応 力 は ブ ロ ー ホ ー ル の 短 軸 側（図 -3.2 楕 円 と z軸 の 交 点 ）で 生 じ て お り ， そ の 値 と 長 軸 側 （図 -3.2 楕 円 と y 軸 の 交 点 ） の 応 力 差 は H/W が 大 き い ほ ど 顕 著 と な っ て い る ．
シ リ ー ズ Ⅰ モ デ ル の 解 析 で 得 ら れ た 応 力 集 中 係 数 と ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 比 H/W の 関 係 を図 -3.8(a)に 示 す ．未 溶 着 の 有 無 に よ ら ず ，ブ ロ ー ホ ー ル の 幅 1mm，2mm，4mm， ど の モ デ ル に お い て も ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 比 が 高 く な る に し た が っ て 応 力 集 中 係 数 も 高 く な っ て い る ． 例 え ば ，H/W=1 と H/W=4 の 応 力 集 中 係 数 の 違 い は ， 未 溶 着 部 の 有 無 ， ブ ロ ー ホ ー ル の W に よ ら ず ，30%程 度 で あ る ． ま た ，図 -3.8(b)に 示 す よ う に ， ブ ロ ー ホ ー ル 幅 W が 応 力 集 中 係 数 に 及 ぼ す 影 響 は い ず れ の 形 状 比 に お い て も ，ブ ロ ー
0 4 8 12 16
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数
H/W=4
H/W=2
H/W=1
0 4 8 12 16
1 2 3
ブローホール上端からの距離 （mm）
応力集中係数
H/W=4
H/W=2
H/W=1
(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手 (b) 完 全 溶 込 み 横 継 手
図 -3.7 長 手 方 向 直 角 断 面 の W=4mm に お け る ブ ロ ー ホ ー ル 周 の 継 手 長 さ 方 向 応 力 分 布
0 2 4
0 1 2 3
ブローホール形状比 Ｈ／Ｗ
応力集中係数
W=1 W=2 W=4
未溶着なし 未溶着あり
(a) 応 力 集 中 係 数 と ブ ロ ー ホ ー ル 形 状 比 (b) 応 力 集 中 係 数 と ブ ロ ー ホ ー ル 幅 図 -3.8 未 溶 着 部 有 無 の 応 力 集 中 係 数 比 較 図 （ シ リ ー ズ Ⅰ ）
0 2 4
0 1 2 3
ブローホール幅 Ｗ （mm）
応力集中係数
H/W=1 H/W=2 H/W=4
未溶着なし 未溶着あり
ホ ー ル 形 状 比 H/W に 比 べ て 小 さ い ． 例 え ば ， ブ ロ ー ホ ー ル の 幅 W を 1mm か ら 4mm に し て も 応 力 集 中 係 数 の 変 化 は 5%程 度 で あ る ． 以 上 の よ う に ， 応 力 集 中 に 対 す る ブ ロ ー ホ ー ル 形 状 比 の 影 響 は 大 き い も の の ， ブ ロ ー ホ ー ル の 寸 法 に よ る 応 力 集 中 係 数 の 変 化 は ほ と ん ど な い ． ま た ， 未 溶 着 部 の 有 無 に よ る 応 力 集 中 係 数 の 差 は ， ブ ロ ー ホ ー ル 形 状・寸 法 に よ ら ず 非 常 に 小 さ く ，1%程 度 で あ る ．し た が っ て ，未 溶 着 部 の 有 無 が 応 力 集 中 係 数 に 及 ぼ す 影 響 は ほ と ん ど な い と 考 え ら れ る ．
シ リ ー ズ Ⅱ モ デ ル の 解 析 よ り 求 め た ブ ロ ー ホ ー ル に よ る 応 力 集 中 係 数 と 継 手 の 板 厚 t の 関 係 を図 -3.9 に 示 す ． 未 溶 着 部 の 有 無 に よ ら ず ， 応 力 集 中 係 数 は 断 面 寸 法 の 最 も 小 さ い 板 厚 20mmの モ デ ル で 多 少 高 く な っ て い る が ， そ の 差 は 小 さ い ． し た が っ て ， こ こ で 対 象 と し た ブ ロ ー ホ ー ル の 寸 法 と 継 手 断 面 寸 法 の 範 囲 内 で は ， 継 手 断 面 寸 法 が 応 力 集 中 に 及 ぼ す 影 響 は 小 さ い と 言 え る ． ま た ， シ リ ー ズ Ⅰ と 同 様 に 未 溶 着 部 の 有 無 に よ る 応 力 集 中 の 差 も 小 さ い ．
以 上 の 結 果 か ら ， ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 比 が 大 き く な る こ と で 応 力 集 中 係 数 も 高 く な る が ， 形 状 比 が 同 じ で あ れ ば ， ブ ロ ー ホ ー ル 寸 法 ， 継 手 寸 法 が 応 力 集 中 係 数 に 及 ぼ す 影 響 は ほ と ん ど な い と 言 え る ．さ ら に ，未 溶 着 部 の 有 無 の 影 響 も 小 さ い と 判 断 で き る ．