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機械の系統的な強度評価法

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u.D.C.る21.01:る24.042:539.42/.43

機J械の系統/的な強度評価法

Strength

Evaluation

SYStem

Of

Machines

ふょj珪のように根城の1椚芭期‖‡りが如いうえに,人形化∴1▲古池化によって祁「;が強畦 上過鮒二なってくると,高精度の徹也グ)検討を和則川のうちに行なわねばならないo Lかも,機械の強度には現場,荷卓,形状,材料などの【叶J′lが手日子ナして影響をノ如ま、 すため,多 ̄方面から系統的,総†ナ的な強度の検討が必要となる。 そこでl卜立製作所は、破壊悦囚の大半をLfiめる埴′芳に屯中こをJ=、た強度評価をシ ステム化した。本システムは材料強性の近代手法をや入し,l掛叶に実験の什軌化を 図ったものであるが,本稿はそのうち,実例応プJの測定とデー一夕処札 舟芳き裂の 党′1二と伝搬に対する柑料試験ノ女び全日軌Ⅹ組んしプJ抑こ装乱 あるいは`文物城づう'・試験 やづ三脚応力f脚疑.式験などについて紹介Lたし) 山 緒 言 近年,婚労破壊,脆性イ破壊など佃々の破壊の力学は上主足の 進歩を遂げたが1),実働状態の根城部1程-の強度には端境,何 重,形状寸法,素材,加工法などの因了一が綾雉に影響を及ば すため、強J息設計を行なう場でナには多 ̄ガ佃より総でナ的,系統 的な検討が必要である。 図1は機械の強度検討の系統l頁1であって,実働応力の子iRlj, i汗答応力の決定,実体強度.試験,あるいは実縁取北態の朋溌 破壊解析 鯉渕興二* 〟uJ占urム/斤秘 など多項‖にわたっている。柑に拉近のようにl朋党糊Iiりが如 いうえに,大形化,i汚油化によって機械各部が強度上過晰二 なってくると,強壮検討を精度よく,且つ納期川のうちに行 なわねばならない。そこで日立塑望作所は,破壊憤Ⅰ人Iグ〕人、卜を 1Iiめる婚労に屯Jりこを置き,図1の強度評価をシステム化し,

肘叶につ三験のL′i勧化を凶った。本稿はそのうち,図=二■

部でホすJ日日について糸…i介したい。 実働状態把握 製 品 概 略 設.計 荷重,振軌応力 理論解析

I

実 験 実働応力 材 料 加 工 法 環 材料試験 残留応力 熱処理ひずみ の 析 影、響 因 子 欠 陥 腐 食 非破壊検査 腐食疲労 温 度 高 温疲 労 許容応力 NO 寿命?

一---■-lY巨S

実.体 強.度 試 験 YES NO 寿命?、 一---●-図】 機械の強度検討の系統図 機械の強度設計を行なう際,必要な検討項目の流れを示す。 *【+_、ンニ;集注作巾機械併発巾+二、羊博_1二

注=■一部は,本稿で紹介したシステムを示す√

(2)

8

破頓原困

走奄形電-r顕徴錆によってl¶凸の激しい破面を拡大観察L, 破壊の過柑を推定するフラクトグラフイ(Fractography)が 急速に進歩した。次に,フラクトグラフイの結果から克之近の 機械の破壊の特徴について述べてみたい。

機械の破壊は通常,(1)き裂の発生,(2)き裂の成良,(3搬終

破断の3過程に分けることができる。そこで,各過程の破壊 原l月を推定すると図2に示すようになる。いま,強度設計上 考痔二しなければならなし、き裂の発生J東国についてみると,過 人な荷屯 あるいは過腔のJ心力集中によって発生する埴労き 裂が般も多く,次に腐食環境と高強度鋼の使用によって発生 するき裂が多いように思われる。一一九 き梨の成長過程,始 終破断過程のJ劇大=ま、き製発生J射勾と柑達する。 田

機械の疲労寿命の予測

機械のき裂発生原田の大ノトは過人な実働応力による埴づjて あるため,機械の破壊に対するイi硝享件を向卜させるためには, まず実働応力を正確に把拭ける必要がある。 姑近は有限要素法など数倍解析が発達Lたため,不変雉な形 兆の部品の振動や㍍む力解析が可能となったが,流体九 熱荷  ̄求などの入力データが正確に与えられない。支持条什,荷市 条什,あるいは解禁,がた,製作誤差などを止確に見枯りに くいため,理論解析に加えて実測を併用する必繋がある。 3.1実働応力の測定とデータ処理 部品の表面の力の流れを知るために、Jぷ力積料,銅めっき 法,モアレ,ホログラフィなどによってそのパタ=■ンを計測 し,次に適当な個所にひずみゲmジをはり付けて,実働状態 の変動応力を計測する。二の際,高塩,高遠心力∴島越流体, 強磁場,電磁誘導など,特殊環境 ̄ドのひずみゲⅥジ計測技術 が必要となる。更に,盲1■古越klJ転体から多点のひずみの情報を 得るため,て屯了一スイッチを他用した多ノ∴】ニスリップリングを実 小形平滑試験片による シミュレーション 何 局部の応力 ひずみ応答 疲労き裂発生条件 (疲労被害則)

軸恥

l

β2

1

去㌃=〔孟づ丁

I

Manson--Coff】n の式 こぶ。八rrニ〔ノ α、〔J:材料定数 (∂)一定振幅変動荷重 図3 疲労被害則 ノーJ化している2)。 Lナニ 過大な変動応力 1.過大な荷重 2.過大な集中 応力 腐食環境 製造上の 不良など 労 腐 食 疲 労 応力腐食割れ 孔 欠 陥 ひずみ n、 糊 0 手亘 荷重P 一一

細肺間

1

J羞

ミ:-ア

ノん-1 ノ2

。b『 ---__イー亡

貨=〔篇〕i

l

Eぎょ =〔-: (b)複雑な変動荷重 疲労寿命を予測する疲労被害の考え方について説明 定 常変 動応 力 労

注‥○=原因⊂コ=現象■瑚程

図2 破壊原因 プラクトグラフイによって調べると,破壊過程によって原因が異なる。き裂発生の原因は, 過大な変動応力による疲労破壊が最も多いこ. 極 大 引 張応 不安定破壊

(3)

機械の系統的な強度評価法 663 次に,比較的知時附のLむ力測定結果から嶋労披1i子の法則に 鵜づいて,そグ)機械が仝寿命中に受ける実仲如し力を統計「l勺に 二戸測しなければならない。 図3は二岐′方被丁ごi壬則を概念nてJにホしたものである。いま, 1E振幅の餐勤荷屯が作間する楊′ナ,嶋労き梨を発_勺二する応力 集中部の局部の応力ーひずみ応符を応力集中部より切り州L た小形平iせ試験片を用いて予想すると,トヌ】ホのように閉ル【 プを描く亡、 一方,似雉に変動する荷市が作J】Jする場でナにはIぷ 芥Itll線はト如+七のようになi),個々の閉Jい一プに分解すると,

州々の応力範閃』α7・と塑作ひずみ範「Rl』£p∫のl…りに次の(1)式

が成立する。 』亡♪i 』ど♪。

=(三訂

・(1) ニこに,』♂。:姑外ル【プの応力範Ⅰ叫 』亡〃。:拉外ループの ̄巧叩i三ひずみ範1叫 乃:繰返しひずみ硬化係数3) 一 ̄方,嶋労き裂発_勺二に対する嶋労被害則とLて ∑』▲と宗=C・‥… ‥‥(2) が成二寸二するL_, 一三右舷恥沖)変助荷二前をノブーえれば(2)JじはManson-Coffinの式に---・致L,材料定数α,Cを石三めることができる。 従って,り三倒応力のデー一夕処坪を行なう場ナナには,楯労被 二riiの1在才在原tノくlである』ど♪′に対応Lた応力範川』♂7,ひずふ範 1叫』亡′,あるいはイ∵f巾範川』P∠,の純子汁分布を求めればよい。 そこで,筆れまこのようなデーータ処押に′ト形電イ・i汁算機HITAC lOを朋いたシステムをイむ川Lているl)。 3.2 応力ーひずみ応答と繰返し応力ーひずみ曲線 ′変動荷車が加わったときの応ノJ-ひずみI応答を求めるため に,図4にホすような各柁の試験を行なっている。図5は0.3 %′「;之素鋼のひずみ振幅変動試験を行なった結架を示したもの で,んむカーひずみヒステ】ノンス ルMプの頂点を結んだ仰線を,

繰返L応力ーひずみ曲線(Cyclic Stress-Strain Curve)と

軍†

ギミ 授 碕

買†

-R 填 碕 卜

芸l

ト王-1

(a)振幅漸増試験(MULTIPLE STEP TEST)

ー◆時間

寸時間

(b)振幅変動試験(INCREMENTAL STEP TEST)

一一時間 (c)複雑な変動波形による試験(COMPLEX㈱RYING TEST) 図4 応力ーひずみ応答試験プログラム 変動荷重による応力ーひず み応答曲線を求めるための試験プログラム バク【ンを示す() ㌣ヒ∈\ぎON

1,000/ノ 図5 ひずみ変動試験によって求めた応力ーひずみ曲線(0.3%炭 素鋼) 変動荷重下の材料の応力とひずみの関係を示す√, (叫豊山『園旛碕鞍○ ql 』F 几′′・曲頗 ノか くプ√\ 繰返し数叫(10g) 図6 ∠ゴ亡-N′線図 局部ひずみ範囲』亡に対応するNノによって,切欠き 材の疲労き裂発生寿命凡・を予ン則すればよい(、 言い,その応力と塑作ひずみの関係は(1)式に一一致し,掛注し ひずみ硬化係数乃の値を求めることができる。 3.3 疲労き裂発生特性 機械部品の痛労き裂発生寿命は,応力集「卜郎の人言部の応力ー ひずみの挙動によって決まる。いま,切欠きをもつ占∫し験片に 向振り応力を加えると,ひずみ集中係数g亡(応力集中部のひ ずみ範岡』亡/平滑部のひずみ範囲』p)は多くの場でナ,試験什 全休が降伏するまでほとんど変化しない。 従って,』亡

を次の(3)式で予測すればよい。

』亡=方ど』p≒gf』e ‥‥‥‥‥‥…・…=…………(3) ニこに,尺`:弾性詣で求めた応力集l-1-J係数4) 次に,』亡が繰り返されたときの疲労き裂発生寿命Ⅳ。を, 図3に示すように小形平滑試験片のこ寝労破断寿命ルで予測す ることにする。いま,』亡を弾件ひずみ範脚』亡e,幣惟ひずみ 範囲』と少に分けると,』£e,』モクと外の間に図6に示すよう に直線関係が成立する5)。 しかし,実際の機械部品の痕労特性は応力集中部の寸法, 応力こう配,残留応力などの影響を′受けるので,頬似の応プJ 集中をもつ機械部品の痛労試験を行なって,その結果を局部 ひずみとき裂発生寿命の関係で蝶理しておけば便利である。 図7は椎々の一客接構造物の』ど-Ⅳ。曲線をまとめて示したもの であり,あるばらつきの範囲内に収まっていることが分かる6)。

(4)

(芸∈\晋)り「七亙綜甫哩箭呵 ∩) 0 5 4 ハU 3 20 図7 う容接構造物の』£-〃。 根因 溶接構造物の局部ひず み』どと疲労き裂発生寿命凡の関 係は,ほぼl本の曲線で表わされ る。 ヽ 、、、

注‥.-`∈≡≡詔叫

、 ヽヽ 平 滑 材

、、、_J、苦、、、

@(要撃)

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● ヽ ヽ0

、、色○⑳・▼、、

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⑳一∈勘bや謀鮎、-、__。_ブラケット構造

ヽ ヽ リブ十字継手 ラール隅角構造 ○◆・・

馳一

リブ補強構造 104 105 10ら 疲労き裂発生寿命ノV 3.4 平均応力と残留応力 痛労強度を解析する場で㌢,残留応力は平均応プJと全く等価 に考えてよい。いま,うー-り勺応力αmのと すると, ♂ぴ=一椚♂∽+♂ぴ。…・………・・ きの埴労限ノ空を♂∽と ・(4) で表わされる。 ここに,♂ぴ。:両振り痛労限度 m:iF均応力影響係数(mは硬度が印すほど大き くなる7)。 高周波焼入れ,港炭などの表面硬化は,このような特作を 利用したもので,部品の表面だけを硬化させることによって, 表面の城労強度を向卜させると同時に,高い圧射占の残留応力 を発tLさせ,痛労強J空を飛躍的に向上させる方法である。 表出硬化部品にしだいに練j生し応プJを岬Lていくと,内吾l ̄;の 非硬化部分に幣件変形が生じ始め,表面の仔縮残留応力が消 火し,痛労強度がイ氏 ̄下して破壊に雫る。従って,信頼度の高 い表耐硬化部品を得るためには,⊥1立通な硬化深さと残留応プJ 分布を与える熱処理条件を決めることが重要である。そこで, 熱処理による残留応力や変形を予測するために,熟んむ力,変 態などを考慮した弾軒別生解析プログラムを開発し,更に,部 品表面へ残留応力を精度よく測定するために,図8に示すよ うにHITAC川とⅩ線残留応力測定装置を直結し他用してい る。本装置により,高硬度材料でも±1kg/皿m2(標準偏差)の 高精度で能率的に残留応力を測定できるようになった8)。 3.5 疲労き裂伝搬特性 材料欠陥,溶]妾欠陥のように,娘初から存在する欠陥,あ るいは腐食孔食やフレソテングき∵裂のように使用中に発生す る欠陥など,ある人きさ以下の欠陥は許容しながら運転せぎ るを得ない場合,あるいは破面より破壊原因を推定する場合 には,材料のき袈伝搬牛判り三を知る必要がある。 き裂先端付近の応力の強さは,応力拡大係数∬で表わされ,

方は通常S√言(S:公称応九

α:き裂長さ)に比例する。 そこで,強度設計上特に必要な疲労き裂を伝搬させる下限界 l 1 1 1 1 】 1 1 +_ X繰発生装置 X線管 被測定物 全自動ゴニオメータ 計 測 装 置 シンチレーション カウンダ 】 l l ._+ (ステップスキャニング機構)

データタイプライタ l l紙テーフ ヤ テープリーダ インタフェースl ,インタフェースIT 10丁

X-Y記毒責計 HITAClO

l

テⅦタタイプライタ ○残留応力 0精 度 0半価幅 図8 全自動×緑応力測定装置 HITAC10とX線応力測定装置を直結 し,精度よく,且つ能率よく残留応力を測定できるようになった。

(5)

機械の系統的な強度評価法 665 の応力拡大係数範囲』方亡九近傍のき裂仏搬特性を求めるために, き裂をもつ試験片に与える荷重変動範囲が徐々にi成少し、き 裂長さを自動写真撮影で記金ま測定する電気一油圧制御疲労試 験システムを使用している9)。 【】

実体強度試験

実稼動状態の機械の強度は,多くの因子の影響を複合して 受けるため,3.で述べた現象別の解析には限界があり,実稼 動二伏態を精度よく,能率よく再現した実体強度試験によって 強度解析の精度を向上させる必要がある。 4.1 実物疲労試験 機械部品の疲労強度は,高応力にきらされる材料の体積, 応力こう配などによって相違する。例えば,直径10mmの小形 丸棒試験片に対し,直径50¢以上の大形丸棒試験片の回転曲 げ疲労限度は70∼80%に低下し,ねじ,庄入軸などの寸法に よる疲労強度の低下はいっそう著しい。 更に,加工法,熱処理,欠陥など,部品の製造履歴によっ て疲労強度が大きくぼらつき10),また,幾つかの部品を組み 立てたアセンブリの疲労強度は片当たr),溶接変形など製造 精度,組立精度によって発生する∴次的応力によって更に低 下する。 このような実体強度に影響を及ぼす各種因子を再現するた め実物痕労試験を行なっている。この際,実働状態と同様の 疲労被害を与えるよう■,特に荷重の与え方に注意する必要が ある。筆者は,荷重容量±30kgから±300tに至るまで,櫨々 の容量,形式の疲労試験機をそろえ,実物疲労試験に供して いる。 4.2 実働荷重試験 応力範囲』♂∫が繰り返されたときの疲労寿命を凡 とし, 』♂1,』♂2,・‥…,』♂”がそれぞれ乃.,氾2,……,乃乃回線り返きれ て痛労破壊するとすれば,

善言=1‥‥…‥‥……=・・‥‥‥‥‥‥

が成立するという考えを線形被害法則と言う。

・(5)

しかし,複雑な変動荷重が部品に加わる場合には,荷重波 形,繰返し速度や荷重順序,応力の頻度分布などが疲労被害

に影響を与え,(5)式の右辺が必ずしも1にはならないので,

実働荷重をシミュレートした疲労試験が行なわれている。図 9(a)は筆者らの開発したHITAClOと電気油圧疲労試験機を 直結したシステムであり,何図(b)に示すように実働荷重i頃度 分布をHITAClOに記憶させ,ランダム順序で次々に試験片 に与える試験が可能である1)。図10は本プログラムパターン による疲労試験結果を,従来のブロック プログラム試験結果 と比較して示したもので,より短いう寝労寿命を与え,実働荷 重二痩労試験として安全側の結果を与える11)。 l同

乗磯部晶の疲労寿命予測例

筆者が実機部品の疲労寿命予測に関する研究を開始してか ら,まだ10年余りにしかならないが,その間,有限要素法に よる大形振動解析や応力解析,高精度応力測定技術やデータ

処理法による実働応力の正確な把‡鼠

二庵労き裂の発生や伝搬 を予測する低サイクル疲れや破壊力学,あるいは小形電子計 算機や電気油圧二撮労試験機など,解析の面,実験の面双方で 新しい技術が出現,あるいは急速な進歩を遂げ,高精度,高 能率の強度解析が可能となった。 実働疲労の最初の応用研究は,クレⅥン鋼梢造物の実働荷 重を考慮した疲労設計の研究である12)13)ほか当時(昭和40∼ 電気一油圧制御 疲労試験機

A-D変換器

1

荷重,試験片の伸び変形速度 及びき裂長さの検出

川mClO

I

ローA変換器

サーボアンプ (a)HtTAClO制御電気一油圧制御疲労試験システム (b)H汀AC10のステップ状信号に応答した荷重波形 図9 H= ̄AC 川制御実働荷重疲労試験システム HITAC10と電気一 油圧疲労試験を直結したシステムであり.電子計算機で70ログラミングLた種 種の荷重パターンの疲労試験が可能である。 44年)は上記諸技術の発達が十分でなく,クレーン荷重やク ラブ横行位置の記録計14),人形構造物用電気油圧制御試験機 の開発まで行なったため・15),かなりの期間と労力を必要とし た。本研究の成果によって,クレーン構造物の疲労設計が大 幅に合理化され,更に,日本機械学会のクレーン構造物強度 設計規準に大幅に採り入れられた。 --・方,'昭和45年ごろより,強度試験のシステム化,自動化 を図った結果1),疲労寿命予測の精度が向上するとともに, 能率も飛躍的に向上し,強度の検討に要する労九 期間がと もに初期の数分の一に合理化された。匡111は建設機1戒試作機

(6)

0 0 0 0 0 8 βU 4 (呈し∈\望)只増水蛸 0 2

…州仙

1.0

只 0・5 哩 0 0.22 20100 累積頻度 応力累積頻度分布 ブロックプログラム試験 ヽ○ 不規則試写奏 103 104 105 106 破壊までのブロック数 (1ブロック 332サイクル) 107 図柑 実働荷重模擬疲労試験結果 HITAC10制御疲労試写臭システム によって不規則な波形による疲労試験を行なうと,従来のフ■ロック プログラム 試験より美雪し、疲労寿命を与え,寿命予判試験とLて安全側の結果を与える.こ. 鋼梢造物の痛労諌f命予測例をホすものであって,試作機の実 地耐久試験での咤づナき裂発(ト寿命と痛労寿命予測値が良い一一 致をホL,強度_卜の問題∴-.くの把捉と、叶策を能率よく行なうこ とができるようになった6)く, 更に,圧縮機,ポンプなど,産業機械の主力を望品である高辿 回転機械においても実例強度の研究を進めてきた。羽根車を 例にとると∴童心応力のイ1 ̄限要素法による解析16)と多点ひず み計測によるその精畦の碓拙 速心破壊強J空,起動停止に伴 う低サイクル痛労強度,あるいは羽根車の振動解析と腐食環 境を考慮した振動応力に対する蠣労強度の検討を進めている。 その他,高周波焼入れ部品,軸締結など主要機械要素,更 に,家庭電乞(品,入・出力機器などの小形機械部品,半導体 などの電子部品の強度解析にも本稿で述べた強度評価を行な い,信相伴の向上に寄与してきた。 l司

言 機械の強度は多くの肘十の影響を褐雉に受けるため,強度 設計上柑に重要な痛労破壊に対し,接近の解析手法,実験手 法を総合的,系統的に使川し,随所に試験の自動化を図った 高精度,高能率の強度評価システムを開発し,製品の信槻ノ性 向上に努めている。 本システムの適用範囲は,クレーン,建設機楓 ポンプ及 び圧縮機のような産業機械だけでなく,商品,家庭電気品, 入・「H力機器及び電子部品に専るまで拡大しつつある。 なお本研究は,日立製作所機械研究所において材料強度を 担当する研究室の共同研究の成果であることを付記したい。 参考文献 1)小礼 鯉渕「ふょ近の鳴れ強き評価法+機械学会誌,76,652 (昭一48) 本評価法の某になった強度評価の妓近の手法について紹介Lた。 (N∈∈\晋)り『叫匿薄茶増水囁e吊岬 0 0 00 7 0 0 0 5 4 3 20 注:・-・=疲労被害則 ○ ==実働荷重疲労試験 ● =試作溶接構造物の実働耐久試験 0

ヽ/

104 105 掘削回数〃β 106 図Il溶接鋼構造物の実働疲労寿命予測例 機械の実働疲労寿命が 本強度評価法によって精度よく予測できるようになった。 2)亦i‡叫j】転体応ブJC7)多ノ山川う主装置の朋党+NDI資料4379(昭48-1) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16)

K・Koibuchiand S・Kotani"The Role of Cyc王ic

Stress--Strain Behavior on Fatigue Damage Under Varying Load''

ASTM STP,519,229(1973)

′トナ子,色町削「りJ欠き柑の練迦L応ソJ-ひずみ応答と鳴れき裂

発_′トよ≠爺に対するり三験的研′先_+粍干戚学会摘損一言論文集N().740-1

59 川/て49-4)

Fatiguel)esign Handbook,Fatigue Design Subcommittee,

Of Div・40f SAEIron and SteelTechnicalCommittee,

SAE 大野.鯉渕,泉山「油斥ショベル鋼構造部分の実働荷重と寿 汀古ニ戸棚+日__、ンニ評l論,56,561(日日49-6) 本評価法の応川例である。 早L_1J「高周波焼入れ柑の痛れ強さにおよぼす残乍削芯ソJの影響+ 機弓碩学会論文集、41,721(昭50)

T・Hayama and S.Hashimoto``AutoⅡlation of X-ray Stress

Measurement by SmallDigitalComputer”Mechanical

Behavior of Materials?The Soc.of Materials Science,

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T.Fujiyoshi"Monitoring of Load Cycle of Overllead

Traveling Cranes''ISA Trans.,11,304(1972)

鯉渕「実働荷重をうける企鳩材料の頼れ強さ+日立訊胤51,

851(11円44-9)

大内「タ【ポ機械羽根車の応力解析法+日立評論,56,749

参照

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