目次第 1 章序論研究背景本研究の目的本論文の構成... 8 第 2 章解析手法緒言ズーミング解析の導入有限要素法解析解析対象

全文

(1)卒業論文. ワイヤロープ疲労破壊メカニズムの有限要素法解析 p.1~p.42 完. 平成 25 年 2 月 1 日提出指導教員泉聡志准教授 110216 寺田偉紀.

(2) 目次第 1 章. 序論.......................................................................................................... 6. 1.1. 研究背景 .................................................................................................................... 6. 1.2. 本研究の目的 ............................................................................................................ 7. 1.3. 本論文の構成 ............................................................................................................ 8. 第 2 章. 解析手法.................................................................................................. 9. 2.1. 緒言 ............................................................................................................................ 9. 2.2. ズーミング解析の導入 ............................................................................................ 9. 2.3. 有限要素法解析 ...................................................................................................... 10. 2.3.1. 解析対象 .......................................................................................................... 10. 2.3.2. 解析モデル概要 .............................................................................................. 11. 2.3.3. 予備解析 .......................................................................................................... 11. 2.3.4. 全体解析 .......................................................................................................... 15. 2.3.5. 詳細解析 .......................................................................................................... 19. 第 3 章. 解析結果................................................................................................ 23. 3.1. 素線の分類 .............................................................................................................. 23. 3.2. 曲げ静的状態 .......................................................................................................... 23. 3.2.1. 素線間接触 ...................................................................................................... 23. 3.2.2. Mises 応力........................................................................................................ 29. 3.2.3. 最大主応力 ...................................................................................................... 30. 3.3. 引きずり過程 .......................................................................................................... 31. 3.3.1 3.4. 素線間接触 ...................................................................................................... 31. 考察 .......................................................................................................................... 33. 第 4 章. 結論........................................................................................................ 34. 4.1. 総括 .......................................................................................................................... 34. 4.2. 今後の展望 .............................................................................................................. 34. 第 5 章 5.1. 付録........................................................................................................ 35 試験概要 .................................................................................................................. 35. 5.1.1. 試験対象 .......................................................................................................... 35. 5.1.2. 試験装置 .......................................................................................................... 35.

(3) 5.1.3 5.2. 試験方法 .......................................................................................................... 36. 試験結果 .................................................................................................................. 36. 5.2.1. IWRC-6×WS (31)型ロープ試験結果............................................................. 36. 5.2.2. IWRC-6×Fi (29)型ロープ試験結果 ............................................................... 37. 5.2.3. 破断面観察 ...................................................................................................... 39. 5.3. 試験結果の考察 ...................................................................................................... 39. 参考文献 ........................................................................................................................ 40 謝辞 ................................................................................................................................ 41.

(4) 図目次図 1-1. ストランドロープの構造.................................................................................... 6. 図 2-1. IWRC-6×WS (31)，IWRC-6×Fi (29)のストランド構成 ................................. 10. 図 2-2. 予備解析モデル.................................................................................................. 11. 図 2-3. 粗いモデルにおけるロープ断面...................................................................... 12. 図 2-4. ロープの荷重 – 伸び曲線................................................................................ 14. 図 2-5. 全体解析モデル概観.......................................................................................... 15. 図 2-6. 変位出力を行う節点.......................................................................................... 17. 図 2-7. 全体解析によるワイヤロープの挙動 .............................................................. 18. 図 2-8. ストランド詳細モデル(IWRC-6×WS(31)) ...................................................... 19. 図 2-9. 詳細解析モデル.................................................................................................. 20. 図 2-10 ボンド結合設定箇所........................................................................................ 21 図 2-11. 強制変位を与える節点 .................................................................................... 21. 図 3-1. 素線位置による素線の分類.............................................................................. 23. 図 3-2. 接触荷重の断面コンター図.............................................................................. 24. 図 3-3. WS (31)ロープの素線間接触領域 .................................................................... 25. 図 3-4. WS (31)ロープの，5N 以上の接触荷重がかかる領域 .................................. 26. 図 3-5. Fi (29)ロープの素線間接触領域....................................................................... 27. 図 3-6. Fi (29)ロープの，5N 以上の接触荷重がかかる領域 ..................................... 27. 図 3-7. Mises 応力コンター図 ....................................................................................... 29. 図 3-8. 最大主応力コンター図...................................................................................... 30. 図 3-9. WS (31)ロープ引きずり解析における平均接触荷重の大きい領域 ............ 31. 図 3-10 Fi (29)ロープ引きずり解析における平均接触荷重の大きい領域 ............. 32 図 5-1. ワイヤロープ曲げ疲労試験機.......................................................................... 35. 図 5-2. WS (31)ロープの内部断線と可視断線の比較 (8000cycles) ......................... 37. 図 5-3. Fi (29)ロープの素線位置ごとの断線数 (7700cycles) .................................... 38. 図 5-4. Fi (29)ロープの内部断線と可視断線の比較 (7700cycles) ............................ 38. 図 5-5. Fi (29)ロープ Nip 素線の破断面....................................................................... 39.

(5) 表目次表 2-1. 実際のワイヤロープのヤング率...................................................................... 12. 表 2-2. 予備解析における拘束条件.............................................................................. 13. 表 2-3. ストランドのヤング率とロープのヤング率との関係 .................................. 14. 表 2-4. 全体解析における材料特性.............................................................................. 16. 表 2-5. 詳細解析における材料特性.............................................................................. 20. 表 3-1. WS(31)ロープ素線位置別の，接触荷重が大きい節点数 ............................. 26. 表 3-2. Fi(29)ロープ素線位置別の，接触荷重が大きい節点数 ................................ 28. 表 5-1. WS (31)ロープの素線位置別断線数 (8000cycles，20 ピッチの合計)......... 36.

(6) 第 1章 1.1. 序論. 研究背景. ワイヤロープは一般的な鉄鋼製品と比べて高い柔軟性と引張強さとを併せ持つことから，長年に渡り重要な機械構成部品として用いられてきた．その用途はクレーン，エレベーター，ケーブルカー，橋梁など多岐に渡り，これに応じて様々な種類のロープが存在する．その中でも現在最も一般的に使用されているのは図 1-1 に示すような，数十本程度の素線を撚り合わせて構成されるストランドを，さらにロープ芯の周りに数本撚り合わせたストランドロープである．これのロープ芯として，繊維芯の代わりに鋼線製のワイヤロープを用いた IWRC (Independent Wire Rope Core) 型のワイヤロープは，同じ断面積でも引張強度をより高く設定できること，また型くずれを起こしにくいことなどから，現在クレーンの吊り上げ用ロープとして主流となっている．ところがこの IWRC 型のロープは，荷を吊り下げた張力作用下でシーブ(滑車)を繰り返し通過する際，素線の損傷や破断が，通常の外観検査では検出できないワイヤロープ内部において進展しやすいことが問題となっている．特に，IWRC-6×Fi (29)型のロープは実際に内部素線の損傷によるロープ破断事故が相当数発生しており，死傷災害にもつながっている[1]ため，IWRC 型ロープの破断特性解明が急務となっている．. 図 1-1. ストランドロープの構造[2]. 6.

(7) これまで疲労寿命の推定や断線特性の検討を目的として IWRC-6×Fi (29)型のロープなどを対象に曲げ疲労試験が多く行われ[3][4]，これにより IWRC-6×Fi (29)型ロープが IWRC-6×WS (31)型ロープと比べて内部断線が先行しやすいことが確認された．しかし，疲労試験実施中どのタイミング，どの位置で内部素線の破断が起きるのかは観察が難しいため，素線の断線メカニズムを解明するためには疲労試験の結果のみでは不十分である．ワイヤロープの素線破断特性を理解するためには，実験を行うだけではわからないような見えない部分の現象解明が不可欠である．これを実現しうる一つの手段としてシミュレーションがある．シミュレーションは内部状態の可視化が実現できるのみならず，多大なコストを必要とする疲労試験とは異なり，様々な条件下での解析を短時間かつ低コストで行うことが可能である．このことから，シミュレーションはワイヤロープの破断メカニズムを解明するにあたり，大きな役割を果たすことができると考えられる．しかし，ワイヤロープの構造は非常に複雑であり，その素線の挙動は引張，せん断，曲げ，接触，摩耗など様々な因子に支配されるため解析は困難である．近年になって有限要素法の発展と計算機性能の飛躍的な向上を契機として，ワイヤロープの有限要素法解析に関する研究が多くなされるようになっており，これにより解析に関する手法が確立され始めた[5-10]が，その多くは簡略化されたモデルに対する解析であり，実際に用いられている特定の型のロープに対する詳細な解析や，実際の使用環境に即した解析についての研究はあまりなされていない．. 1.2. 本研究の目的. 本研究では，国内で最も広く使用されている 2 種類の IWRC 型ワイヤロープについて，シーブに沿った引っ張り曲げの有限要素法解析を行い，素線間，特に内部素線の接触状態や素線の応力状態の可視化を実現する．これらの定性的な傾向を把握し，これと疲労試験の結果とを照らし合わせることによって，ワイヤロープ破断メカニズムについての考察を行うことを目的とする．. 7.

(8) 1.3. 本論文の構成. 本論文は全 4 章から構成される．第 1 章「序論」では，本研究の背景および目的について述べた．第 2 章「解析手法」では，本研究の有限要素法解析に導入した解析手法や，解析対象としたモデルの詳細について述べる．第 3 章「解析結果」では，第 2 章で示した解析の結果をまとめる．そして本研究の解析結果と，労働安全衛生総合研究所で行われた実験結果との比較，検討を行う．第 4 章「結論」では，本研究を通して得られた結果を総括し，今後の展望について述べる．また，付録にて，労働安全衛生総合研究所で行われたワイヤロープの曲げ疲労試験について概説する．. 8.

(9) 第 2章 2.1. 解析手法. 緒言. 本章では，実際に広く使用されている 2 種類の IWRC 型ワイヤロープの引っ張り曲げをモデル化し，有限要素法を用いて素線同士の接触などを解析する．これにあたり，解析に導入した手法や，用いたモデルの詳細を説明する．. 2.2. ズーミング解析の導入. 第 1 章で述べたように，ワイヤロープの構造は非常に複雑であり，解析においては非線形な接触が支配的であるため，この素線 1 本 1 本すべてを詳細にモデル化すると計算負荷が膨大となり，事実上解析ができなくなる．この問題を解決するため，本研究ではズーミング解析の手法を導入した．ズーミング解析とは，部分詳細モデルの解析に適用する境界条件として，予め粗い全体的なモデルについて解析を行い，そこで得られた変位情報を与えるという，二段階解析のことを言う．この手法を用いることで，高精度な解析を短時間で行うことができる．実際に解析を行う際の手順は以下のようになる． 1.. 全体的な粗いモデルと，詳しく解析したい部分についての詳細なモデルを作成する．. 2.. 粗いモデルについて解析を行い，詳しく解析したい部分周辺の変位情報を出力する．. 3.. 粗いモデルの一部を抜き出し，詳細なモデルと置換する．. 4.. 出力された変位情報を強制変位として適用し，詳細部の解析を行う．. 9.

(10) 2.3 2.3.1. 有限要素法解析解析対象. 本研究で解析の対象とするワイヤロープは，IWRC-6×WS (31)，IWRC-6×Fi (29)の 2 種類である．ともにロープ芯の周りに 6 本のストランドが巻きつけられた構造をとっており，ロープ径は 16 mm である．それぞれのストランド構成は図 2-1 のようになっている．. (a) WS (31). (b) Fi (29). 構成：WS [1 + 6 + (6 + 6) + 12]. 構成：Fi [1 + 7 + (7) + 14]. 図 2-1. IWRC-6×WS (31)，IWRC-6×Fi (29)のストランド構成. IWRC-6×WS (31)型のロープはウォーリントンシール型で，素線同士の隙間が少なく，耐摩耗性，耐疲労性に非常に優れているとされている．IWRC-6×Fi (29)型のロープはフィラー型で，内層素線と外層素線との間にフィラー線と呼ばれる細い素線が嵌めこまれており，柔軟性，耐摩耗性，耐疲労性のバランスに優れているとされる．こちらの方が安価で手に入るが，内部素線が先行して破断しやすいことが報告されている．. 10.

(11) 2.3.2. 解析モデル概要. 2.3.1 で挙げた 2 種類のロープの，シーブに沿った引っ張り曲げ解析を行うにあたり， 2.2 で概説したズーミング解析の手法を導入する．第一段階として，ストランドをすべて均質として簡潔にモデリングしたモデル(以後，全体モデルと呼ぶ)を用いて解析を行う．次に，全体モデルの一部を抜き出し，ストランドの 1 本を，素線 1 本 1 本まで詳細に表現した詳細モデルに置き換えたモデルを作成する．このモデルに，全体解析によって得られた変位を強制変位として適用し解析することで素線間の摩擦などを評価する．. 2.3.3. 予備解析. 本研究では，全体モデルを作成する際，すべてのストランドとロープ芯を内部が均質な連続体として近似することで計算負荷の軽減を図った．この簡易モデルとしてのストランドのヤング率を決定するために，まず予備解析を行った．. (a). 予備解析モデル. 図 2-2 のような，1 ピッチ分のロープ(簡易モデル)の軸方向引張解析を行った．ロープ断面を図 2-3 に示す．ストランドとロープ芯はソリッドの六面体要素として表現した．ロープの変形は大きく，微小変位の仮定が成立しないと考えられることから大変形解析の設定を加え，また，接触が非常に多く計算の収束が難しいことから陽解法による解析を行った．この解析には，Altair 社の RADIOSS block Ver.11.0 を使用した．以後の有限要素法解析すべてについても同様である．. 図 2-2. 予備解析モデル. 11.

(12) 図 2-3. (b). 粗いモデルにおけるロープ断面. 材料特性. 実際のワイヤロープのおおよそのヤング率を表 2-1 に示す．. 表 2-1. 実際のワイヤロープのヤング率[11]. ヤング率 [GPa]. 構成記号 7×7. (IWRC のロープ芯). 98.1 107.9. IWRC-6×Fi (29). 表 2-1 から，ロープ芯のヤング率を 110GPa とし，ストランドのヤング率を解析の度に変更して解析を行うことにより，ロープ全体としての見かけのヤング率がおよそ 98GPa となるようなストランドのヤング率を導出する．ポアソン比はともに 0.3 とした．. (c). 拘束条件. このモデルの拘束条件を表 2-2 に示す．A 面の y 方向変位を拘束，A 面と A’面に周期境界条件を設定する．. 12.

(13) 表 2-2. (d). 予備解析における拘束条件. 拘束点の位置. 拘束条件. A面. uy = 0，ry = 0. A’面. ry = 0. ロープ中心軸. ux = 0，uz = 0. A 面上と A’面上の対応する節点. ux = u′x ，uz = u′z. 荷重条件. A’面に y 方向強制変位(4 mm/s ，0.05 秒間)を与える．. (e). 接触条件. 接触に関しては以下のように設定した．・ロープ芯とストランドとの間と，ストランド同士に点–面接触と線–線接触の条件を設ける．・接触の摩擦係数は 0.2 とする．・反力はペナルティ法によって計算される．. (f). ストランドヤング率の導出. このモデルは初期状態では厳密には接触しておらず，引張荷重が小さいうちはストランドは独立に伸び，荷重が大きくなると接触しながら伸びる．そのため，荷重–伸び特性が線形ではなくなる．ヤング率を実際と照らし合わせるため，荷重–伸び特性が線形性を示す荷重範囲内において，荷重の変化と伸びの変化を観察した．この解析の結果を図 2-4 に示す．変位が 0.1 mm 以上の域で荷重と伸びが線形となっていると考え，ロープの見かけのヤング率𝐸𝑟𝑜𝑝𝑒 は式(2-1)から算出した．. 𝐸𝑟𝑜𝑝𝑒 =. 𝑙 𝐹0.2 − 𝐹0.1 ∙ 𝐴 0.2 − 0.1. (2-1). ここで，𝐴はモデルの断面積 151.5 mm2，𝑙はモデルの長さ 99.2 mm，𝐹0.2 ，𝐹0.1 は変位がそれぞれ 0.2 mm，0.1 mmの状態での軸方向荷重である．これにより求められたロープの見かけのヤング率を表 2-3 に示す．この解析結果から，以後，簡略化したストランドモデルのヤング率は 145 GPa と定める． 13.

(14) 35. 30. 25. 軸方向荷重 [kN]. ストランドのヤング率 100 [GPa] 140 [GPa] 145 [GPa] 150 [GPa] 160 [GPa] 200 [GPa]. 20. 15. 10. 5. 0 0. 0.05. 0.1. 0.15. 0.2. 0.25. 変位 [mm] 図 2-4. 表 2-3. ロープの荷重 – 伸び曲線. ストランドのヤング率とロープのヤング率との関係. ストランドのヤング率 [GPa]. ロープの見かけのヤング率 [GPa]. 100. 73.4. 140. 95.9. 145. 98.7. 150. 101.5. 160. 107.2. 200. 129.6. 14.

(15) 全体解析. 2.3.4. 詳細解析に適用する変位を推定するために，先立って粗い全体的なモデルについて解析を行う．. (a). 全体モデル. 全体モデルは簡略化したロープとシーブ表面から構成される．これの概観を図 2-5 に示す．ロープ断面は予備解析と変わらず図 2-3 に示すようである．シーブは四角形のシェル要素で表現した．. (b). 材料特性. 材料物性値を表 2-4 に示すように設定する．. (c). 拘束条件. ・シーブはロープと比べて剛性が高く，変位は無視できるとの仮定から，シーブを剛体として全自由度拘束を加える．・強制変位，集中荷重を加えるロープ両端の面を剛体化し，この剛体面の x 方向変位と y 軸周り回転を拘束する．. 図 2-5. 全体解析モデル概観. (節点数 84626) 15.

(16) 表 2-4. (d). 全体解析における材料特性. ヤング率 [GPa]. ポアソン比. ロープ芯. 110. 0.3. ストランド. 145. 0.3. シーブ. 200. 0.3. 荷重条件. 1. まず，ロープ両端の面に軸方向(y 方向)の引張を，それぞれ 0.2 mm の強制変位として与える．(0 s ~ 0.004 s) 2. 次に，ロープをシーブにそって曲げるカーブを，両端の面に強制変位として与える． (0.004 s ~ 0.050 s) 3. ついで，ロープ両端面に鉛直方向(z 方向)の引張荷重を加える．(0.050 s ~ 0.070 s) 引張荷重の大きさは実験と合致させるため，18.8 kN とする． 4. 最後に，ロープ片端の引張荷重を鉛直方向の強制速度 1550 mm/s へと変更し，ロープをシーブに沿って引きずり移動させる．(0.070 s ~ 0.200 s). (e). 接触条件. ・ロープ芯とストランドとの間と，ストランド同士に点–面接触と線–線接触の条件を設ける．・ストランドとシーブとの間に点–面接触の条件を設ける．・ロープ芯・ストランド間と，ストランド同士の接触の摩擦係数は 0.2，ストランド・シーブ間は 0.1 に設定する．・反力はペナルティ法によって計算される．. (f). 変位の出力. 全体解析では，詳細解析における強制変位として用いるための変位の出力を行う．変位の出力は図 2-6 に示すような，2 断面内の全節点とその中間断面におけるロープ芯とストランドの中心節点について行う．出力する時間間隔は1.0 × 10−5 sとした．. 16.

(17) 図 2-6. (g). 変位出力を行う節点. 全体解析の結果. 全体解析におけるワイヤロープの挙動を図 2-7 に示す．. 17.

(18) 0.07s まで静止させる. 図 2-7. 全体解析によるワイヤロープの挙動. 18.

(19) 2.3.5. 詳細解析. 全体解析に続き，IWRC-6×WS(31)と IWRC-6×Fi (29)の 2 種類のロープについて詳細解析を行った．この解析では詳細なモデルを利用して素線間の接触状態を推定する．両種とも解析条件については同様であるので，ここでは IWRC-6×WS(31)の解析手順に沿って説明する．. (a). ストランド詳細モデル. 詳細モデルの外観を図 2-8 に示す．詳細モデルはストランドを素線１本１本まで詳細にモデリングしたもので，ストランドピッチである 41 mm の長さ範囲で作成した．. (b). 詳細解析モデル. 詳細解析では，全体モデルから一部を抜き出し，そのストランドのうちの 1 本を詳細モデルと置き換えたモデルについて解析を行う．このモデルを図 2-9 に示す．. 図 2-8. ストランド詳細モデル(IWRC-6×WS(31)). 19.

(20) 図 2-9. 詳細解析モデル. (節点数 80708). (c). 材料特性. 材料物性値を表 2-5 に示すように設定する．. 表 2-5. (d). 詳細解析における材料特性. ヤング率 [GPa]. ポアソン比. ロープ芯. 110. 0.3. ストランド. 145. 0.3. 素線. 188[9]. 0.3. シーブ. 200. 0.3. 拘束条件. ・シーブを剛体として全自由度拘束を加える．・図 2-10 に示す，置換箇所の境界にボンド結合を設ける．. 20.

(21) 図 2-10 ボンド結合設定箇所. (e). 荷重条件. 全体解析で出力した変位を，図 2-11 に示す節点に強制変位として与える．. 図 2-11 強制変位を与える節点. 21.

(22) (f). 接触条件. ・ロープ芯・ストランド間，ストランド同士，素線同士，素線・ストランド間，素線・ロープ芯間に点–面接触と線–線接触の条件を設ける．・ストランド・シーブ間，素線・シーブ間に点–面接触の条件を設ける．・素線同士の接触の摩擦係数は 0.115[9]，ストランド・シーブ間，素線・シーブ間は 0.1，その他の接触の摩擦係数は 0.2 に設定した．・反力はペナルティ法によって計算される．. 22.

(23) 第 3章 3.1. 解析結果. 素線の分類. 解析の結果をまとめ考察を行うにあたり，素線をそのストランド内位置によって分類する．IWRC-6×WS (31)型ロープと IWRC-6×Fi (29)型ロープの，素線の位置による分類を図 3-1 に示す．. (a) WS (31) 図 3-1. 3.2 3.2.1. (b) Fi (29) 素線位置による素線の分類. 曲げ静的状態素線間接触. ロープを曲げて静止させた t = 0.07 s 時点における，両詳細モデル内の接触荷重の断面コンター図を，ロープ芯，隣接ストランドとの位置関係とともに図 3-2 に示す．. 23.

(24) 図 3-2. 接触荷重の断面コンター図. 24.

(25) t = 0.07 s 時点における，IWRC-6×WS (31)型ロープ詳細モデル内の素線間接触領域(接触荷重が 0.01N 以上の箇所)を，素線位置ごとに分けて図 3-3 に示す．. Inner2. Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-3. WS (31)ロープの素線間接触領域. 大きな接触荷重(ここでは 5N とした)がかかる領域を同様に図 3-4 に示す．. 25.

(26) Inner2. Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-4. WS (31)ロープの，5N 以上の接触荷重がかかる領域. この，接触荷重が 5N 以上となる節点を素線の位置ごとに数え上げ，まとめたものを表 3-1 に示す．. 表 3-1. WS(31)ロープ素線位置別の，接触荷重が大きい節点数. Core. Inner2. Inner. Nip. Bed. Crown. 5. 9. 13. 9. 4. 36. 次に，t = 0.07 s 時点における，IWRC-6×Fi (29)型ロープの素線間接触領域 (接触荷重が 0.01N 以上の箇所) を，素線位置ごとに分けて図 3-5 に示す． 26.

(27) Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-5. Fi (29)ロープの素線間接触領域. 5N 以上の接触荷重がかかる領域を同様に図 3-6 に示す．. Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-6. Fi (29)ロープの，5N 以上の接触荷重がかかる領域. 27.

(28) この，接触荷重が 5N 以上となる節点を素線の位置ごとに数え上げ，まとめたものを表 3-2 に示す．. 表 3-2. Fi(29)ロープ素線位置別の，接触荷重が大きい節点数. Core. Inner. Nip. Bed. Crown. 8. 11. 7. 4. 20. 28.

(29) 3.2.2. Mises 応力. 詳細モデルの断面 (y=10,20,30) における Mises 応力コンター図を図 3-7 に示す．. 図 3-7. Mises 応力コンター図. 29.

(30) 3.2.3. 最大主応力. 詳細モデルの断面(y=10,20,30)における最大主応力コンター図を図 3-8 に示す．. 図 3-8. 最大主応力コンター図. 30.

(31) 3.3. 引きずり過程素線間接触. 3.3.1. t=0.071~0.20 の全 130 ステップの接触荷重の平均をとり， 5N 以上となった領域を IWRC-6×WS (31)型ロープについては図 3-9 に，IWRC-6×Fi (29)型ロープについては図 3-10 に示す．. Inner2. Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-9. WS (31)ロープ引きずり解析における平均接触荷重の大きい領域. 31.

(32) Inner. Outer (Bed+Nip+Crown). 図 3-10. Fi (29)ロープ引きずり解析における平均接触荷重の大きい領域. 32.

(33) 3.4. 考察. シーブに沿って曲げて静的状態を保った場合と，シーブに沿ってロープを引きずった場合ともに，IWRC-6×Fi (29)型ロープの方が，IWRC-6×WS (31)ロープに比べ接触が内部に集中する傾向が図 3-6，図 3-10 に観察された．Mises 応力が IWRC-6×WS (31)型では外層素線で大きくなるのに対し，IWRC-6×Fi (29)型ロープでは内部素線で大きくなっていることも図 3-7 から確認できた．曲げ疲労試験においても IWRC-6×Fi (29)型ロープは内部の素線の破断が非常に多く，これは接触しながら素線同士が互いに擦れあい，摩耗を発生させていることが大きな原因であると考えることができる．素線同士の摩擦で発生する熱がロープに塗布された潤滑グリスを溶出させることで，素線同士の摩耗が加速されるという現象も考えられる．また，IWRC-6×Fi (29)型ロープの方が，内部素線の引張の応力が大きくなることを図 3-8 に観察した．IWRC-6×Fi (29)型ロープの内部素線は IWRC-6×WS (31)型ロープの内部素線に比べて径が大きいため，発生する曲げ応力が大きいようである．シーブを通過することによる曲げの負荷除荷の繰り返しで，疲労が進展しやすいと言える．. 33.

(34) 第 4章 4.1. 結論. 総括. 本論文では，ワイヤロープ素線破断のメカニズム解明を目的として，IWRC-6×WS (31)型と IWRC-6×Fi (29)型の 2 種類のワイヤロープについて引っ張り曲げの有限要素法解析を行った．その結果，IWRC-6×Fi (29)型ロープの方が，内部素線が断線しやすいという疲労試験結果との定性的な一致を得ることができた．疲労試験の結果と照らし合わせながら，IWRC-6×Fi (29)型ロープの内部素線破断先行性の要因について論じた．. 4.2. 今後の展望. 本研究の解析では，シーブ径とロープ径の比D/dや，引張荷重の大きさなどの条件は 1 種類しか扱っていない．これらの条件の違いが素線破断特性に与える影響について考察するためには，条件を変更しての再度の解析が有効であろう．本研究で用いたモデルはメッシュサイズの細かさが十分でなかったため，接触が正確に再現できず，素線の接触応力や滑り量などを詳しく解析することができなかった．今後は妥当な近似モデルなどを用いつつメッシュを細かくすることで，接触についてより詳しく解析する必要がある．また，本研究の有限要素法解析モデルは，素線径や素線強度のばらつき，素線の初期位置不整などを全く考えに入れていない．実際の素線は製造の過程で径のばらつきが 10％程度発生してしまうことを考慮すると，実ロープの素線破断に関してはこのばらつきの寄与が非常に大きいと思われる．このばらつきについても近似，モデリングした解析手法の導入も将来的には考えられる．この他に，現在開発，導入が進められている炭素繊維ワイヤを用いた新素材ロープ， CFCC(Carbon Fiber Composite Cable)を対象とした解析も必要とされている．このロープは軽量で腐食に強いなど従来の鋼製ロープとは大きく異なる物性を持つが，そのために破断特性について知られているところが少ない．このロープの安全性を解析によってより正確に見積もることが出来れば，導入が一層進むと思われる．. 34.

(35) 第 5章. 付録. 曲げ疲労試験独立行政法人労働安全衛生総合研究所のもとで行われたワイヤロープの曲げ疲労試験について概説する．. 5.1 5.1.1. 試験概要試験対象. IWRC-6×WS (31)型ロープ，IWRC-6×Fi (29)型ロープの 2 種類のロープを試験対象とした．ロープ径はともに 16 mm である．. 5.1.2. 試験装置. 図 5-1 に，曲げ疲労試験機の構成を示す．試験機は本体フレーム，駆動シーブ，試験シーブ，緊張シーブ，制御部から構成される．この試験機は，ワイヤロープに一定の張力を与えた状態で試験シーブを往復させることでワイヤロープに繰り返し曲げを与えることができる．シーブ径とロープ径の比D/d = 16となるよう，試験シーブの直径は 256mm とした．張力は 18.8kN とした．. 図 5-1. ワイヤロープ曲げ疲労試験機. 35.

(36) 5.1.3. 試験方法. 目視で断線が確認された段階で試験機の運転を止め，試験シーブによる曲げを受ける 20 ピッチ分のロープを取り出す．ロープ中心から左にピッチ番号 L1~L10，右に R1~R10 と名付け，それぞれの可視部の素線断線数を目視によって計上する．次にこれを 1 ピッチごとに切断し，素線をほどいてすべての素線の断線数を素線位置別に数え上げ記録する．フィラー線は，型崩れの防止のために用いられているものであり，この素線の破断がストランド破断，ロープ破断に与える影響は小さいためこれを無視する．. 5.2 5.2.1. 試験結果 IWRC-6×WS (31)型ロープ試験結果. IWRC-6×WS (31)型のロープは 8000 サイクルの試験機稼動の後に可視断線が確認された．この時の断線数の位置による分類を表 5-1 に示す．内部断線数と可視断線数 (Crown の断線数)をピッチ別に数えたものを図 5-2 に示す．. 表 5-1. WS (31)ロープの素線位置別断線数 (8000cycles，20 ピッチの合計). core. inner2. inner. nip. bed. crown. 0. 0. 0. 3. 4. 17. 36.

(37) Number of wire breaking per pitch. 2. 内部断線. 1. 可視断線. 0. L10 L9. L8. L7. L6. L5. L4. L3. L2. L1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10. Pitch number. 図 5-2. 5.2.2. WS (31)ロープの内部断線と可視断線の比較 (8000cycles). IWRC-6×Fi (29)型ロープ試験結果. IWRC-6×Fi (29)型のロープは 7700 サイクルの試験機稼動の後に可視断線が確認された．この時の断線数の素線位置による分類を図 5-3 に示す．内部断線数と可視断線数 (Crown の断線数)をピッチ別に数えたものを図 5-4 に示す．. 37.

(38) Number of wire breaking per pitch. 40 35 30 inner. 25. core. 20. nip bed. 15. visible total. 10 5 0. L10 L9 L8 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10. Pitch number 図 5-3. Fi (29)ロープの素線位置ごとの断線数 (7700cycles). 40 Number of wire breaking per pitch. 35 30 25 20. 内部断線可視断線. 15 10 5 0 L10 L9 L8 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10. Pitch number 図 5-4. Fi (29)ロープの内部断線と可視断線の比較 (7700cycles). 38.

(39) 破断面観察. 5.2.3. 疲労試験により破断した素線の破断面の観察を行った．IWRC-6×Fi (29)型ロープの Nip に位置する素線の破断面を図 5-5 に示す．r (ratchet mark)は疲労き裂の開始点，w (wear)は摩耗位置，CGD(Crack Growth Direction)はき裂の進展方向を表す．. 図 5-5. 5.3. Fi (29)ロープ Nip 素線の破断面. 試験結果の考察. 曲げ疲労試験により，IWRC-6×WS (31)型ロープについては破断が可視部に集中しているのに対し，IWRC-6×Fi (29)型ロープは外層素線底部(Bed)を中心に，Core や Inner などの内部素線の断線が先行しやすいことが確認できた．また，破断面の様子を見ると，疲労き裂の起点が摩耗発生位置と関係のない素線もあり，素線破断のメカニズムが単純なフレッティング疲労破壊とは異なる可能性が明らかとなった．. 39.

(40) 参考文献 [1] 田中正清，クレーン用ワイヤロープの破断事例と対策，日本機械学会材料力学部門講演会講演論文集 pp. 639-640 (2000) [2] 東京製綱株式会社，ワイヤロープ NO. 19 (2010) [3] 田中正清・鴻巣真二，S 曲げ疲労を受けるワイヤロープの損傷挙動の定量評価，日本材料学会「材料」44 巻 503 号 (1995) [4] 田中正清，クレーン用ワイヤロープにおける内部損傷発生特性，労働安全衛生総合研究所特別研究報告 SRR-No. 18 (1999) [5] W. G. Jiang, M. S. Yao, J. M. Walton, A concise finite element model for simple straight wire rope strand, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 41, pp. 143-161 (1999) [6] 佐々木康二・岩倉昭太・高橋龍彦・守谷敏之・古川一平，統計的手法に基づくワイヤロープの曲げ疲労寿命予測，日本機械学会論文集 A 編 71 巻 707 号 (2005) [7] C. Erdem Imrak and Cengiz Erdonmez, On the problem of wire rope model generation with axial loading, Mathematical and Computational Applications, Vol. 15, No. 2, pp. 259-268 (2010) [8] Cengiz Erdonmez, and C. Erdem Imrak, A finite element model for independent wire rope core with double helical geometry subjected to axial loads, Sadhana, Vol. 36, No. 6, pp. 995-1008 (2011) [9] W. G. Jiang, A concise finite element model for pure bending analysis of simple wire strand, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 54, pp. 69-73 (2012) [10] Dagang Wang, Dekun Zhang, Songquan Wang, Shirong Ge, Finite element analysis of hoisting rope and fretting wear evolution and fatigue life estimation of steel wires, Engineering Failure Analysis, Volume 27, pp. 173–193 (2013) [11] 日本スエーヂ工業株式会社技術資料 http://www.swage.co.jp/technology/technology.pdf [12] George A. Costello, Theory of Wire Rope, Springer (1997). 40.

(41) 謝辞本研究は泉准教授のご指導のもとで進められました．研究に行き詰まった際，的確なアドバイスで研究の方向性を示していただきましたこと，感謝いたします．酒井教授には研究会などにおいて貴重なご意見をいただき，研究の助けとなりました．ありがとうございました．本研究の共同研究先である労働安全衛生総合研究所の山際様には，曲げ疲労試験の結果データやその他ワイヤロープに関するデータを多数ご提供いただき，また，研究をまとめる上でのアドバイスもいただきました．多大なるご支援に感謝いたします．研究所にて疲労試験を行なってくれた東京電機大学の学生方にも合わせて感謝申し上げます． Altair 株式会社様には，有限要素法解析ソフトウェア RADIOSS を含むソフトウェアプラットフォーム HypewWorks を Academic Open Program として無償で提供していただきました．同社，柴田様には研究の初期段階から解析手法に関して相談に乗っていただき，依知川様には解析セットアップについて右も左も分からない私に大変親身になってご指導していただきました．本研究の有限要素法解析は依知川様による成果だと言っても過言ではないというほどのご支援を賜りました．心より感謝いたします．東京製綱株式会社様は工場見学の機会を設けてくださるなど，ワイヤロープについての深い知見をいただきました．ありがとうございました．本研究を進める上で，酒井・泉・原研究室の素晴らしい研究環境にも大変助けられました．普段から気さくに話し相手となってくださった原講師・田中助教を始めとして，いつも優しく接してくださった先輩方，楽しい時間・辛い時間を共有した同期 5 人に深く感謝いたします．最後に，この卒業論文を書きあげる上でお世話になったすべての皆様に感謝申し上げ，簡単ではありますが，以上を謝辞とさせていただきます．. 41.

(42) 以上. p.1~p.42 完. 平成 25 年 2 月 1 日提出 110216 寺田偉紀.

(43)

目次 第 1 章 序論 研究背景 本研究の目的 本論文の構成... 8 第 2 章 解析手法 緒言 ズーミング解析の導入 有限要素法解析 解析対象

目次第 1 章序論研究背景本研究の目的本論文の構成... 8 第 2 章解析手法緒言ズーミング解析の導入有限要素法解析解析対象