JP3311316B2 - 熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法 - Google Patents
熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、実使用条件での熱
サイクルを受ける物品の熱サイクル寿命を該物品の各部
の拘束率に基づいて評価する熱サイクルを受ける物品の
寿命評価方法に関する。
サイクルを受ける物品の熱サイクル寿命を該物品の各部
の拘束率に基づいて評価する熱サイクルを受ける物品の
寿命評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱サイクルを受けるエキゾーストマニホ
ールドの熱サイクル寿命を、エキゾーストマニホールド
の熱サイクルの下限温度の耐力と、熱サイクルの２サイ
クル目の塑性歪みループの面積とを評価パラメータとし
て評価する方法が、「日立金属技報」、ｖｏｌ．８、Ｐ
７９〜Ｐ８４に開示されている。またエキゾーストマニ
ホールドの熱サイクル寿命について、エキゾーストマニ
ホールドの塑性歪みの最大値を評価パラメータとして評
価する方法が、自動車技術会、学術講演会前刷集９８３
３１１５に開示されている。
ールドの熱サイクル寿命を、エキゾーストマニホールド
の熱サイクルの下限温度の耐力と、熱サイクルの２サイ
クル目の塑性歪みループの面積とを評価パラメータとし
て評価する方法が、「日立金属技報」、ｖｏｌ．８、Ｐ
７９〜Ｐ８４に開示されている。またエキゾーストマニ
ホールドの熱サイクル寿命について、エキゾーストマニ
ホールドの塑性歪みの最大値を評価パラメータとして評
価する方法が、自動車技術会、学術講演会前刷集９８３
３１１５に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで上記従来のも
のは、エキゾーストマニホールドに実使用条件の熱サイ
クルを与えて歪みおよび応力の経時変化を実測する必要
があるが、前記実使用条件の最高温度が高い場合にはエ
キゾーストマニホールドの歪みおよび応力を測定するこ
とができないため、評価パラメータを実測値から直接求
めることが不可能であった。またコンピュータによるシ
ミュレーションを用いて評価パラメータを再現する方法
もあるが、高温のためにエキゾーストマニホールドでの
実測値が得られない状態ではシミュレート結果の照合も
できないため、精度の高い評価パラメータを得ることが
不可能であった。
のは、エキゾーストマニホールドに実使用条件の熱サイ
クルを与えて歪みおよび応力の経時変化を実測する必要
があるが、前記実使用条件の最高温度が高い場合にはエ
キゾーストマニホールドの歪みおよび応力を測定するこ
とができないため、評価パラメータを実測値から直接求
めることが不可能であった。またコンピュータによるシ
ミュレーションを用いて評価パラメータを再現する方法
もあるが、高温のためにエキゾーストマニホールドでの
実測値が得られない状態ではシミュレート結果の照合も
できないため、精度の高い評価パラメータを得ることが
不可能であった。
【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、エキゾーストマニホールドに実使用条件の熱サイク
ルを与えることなく、評価パラメータとしての拘束率を
得てエキゾーストマニホールドの熱サイクル寿命を精密
に評価することを目的とする。
で、エキゾーストマニホールドに実使用条件の熱サイク
ルを与えることなく、評価パラメータとしての拘束率を
得てエキゾーストマニホールドの熱サイクル寿命を精密
に評価することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば以下のようなエ
キゾーストマニホールドの寿命評価方法が提案される。
に、請求項１に記載された発明によれば以下のようなエ
キゾーストマニホールドの寿命評価方法が提案される。
【０００６】実使用条件での熱サイクルを受ける物品の
熱サイクル寿命を該物品の各部の拘束率に基づいて評価
する熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法において、
熱サイクルを受ける物品の実使用条件での温度分布と評
価条件での温度分布とが以下の条件式を満足するように
該評価条件の温度分布の熱サイクルを該物品に与え、前
記温度分布において求めた前記拘束率に基づいて熱サイ
クルを受ける物品の実使用条件での熱サイクル寿命を評
価することを特徴とする熱サイクルを受ける物品の寿命
評価方法。
熱サイクル寿命を該物品の各部の拘束率に基づいて評価
する熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法において、
熱サイクルを受ける物品の実使用条件での温度分布と評
価条件での温度分布とが以下の条件式を満足するように
該評価条件の温度分布の熱サイクルを該物品に与え、前
記温度分布において求めた前記拘束率に基づいて熱サイ
クルを受ける物品の実使用条件での熱サイクル寿命を評
価することを特徴とする熱サイクルを受ける物品の寿命
評価方法。
【０００７】｜［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−
ｔ0 ］−［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］
｜＜Ｅ ｔ（ｘ） ；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｘの温度 ｔ0 ；実使用条件での熱サイクル低温時におけ
る均熱温度 ｔ（ｘ＝ｉ）；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｉの温度 Ｔ（ｘ） ；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｘの温度 Ｔ0 ；評価条件での熱サイクル低温時における
均熱温度 Ｔ（ｘ＝ｉ）；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｉの温度 Ｅ ；所定値尚、評価条件とは歪みゲージでの
拘束率の測定が可能な温度で、例えば３００℃である。
実使用条件とは歪みゲージでの拘束率の測定が不能な温
度で、例えば６００℃〜７５０℃である。熱サイクル低
温時における均熱温度とは常温のことで、例えば２５℃
である。
ｔ0 ］−［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］
｜＜Ｅ ｔ（ｘ） ；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｘの温度 ｔ0 ；実使用条件での熱サイクル低温時におけ
る均熱温度 ｔ（ｘ＝ｉ）；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｉの温度 Ｔ（ｘ） ；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｘの温度 Ｔ0 ；評価条件での熱サイクル低温時における
均熱温度 Ｔ（ｘ＝ｉ）；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｉの温度 Ｅ ；所定値尚、評価条件とは歪みゲージでの
拘束率の測定が可能な温度で、例えば３００℃である。
実使用条件とは歪みゲージでの拘束率の測定が不能な温
度で、例えば６００℃〜７５０℃である。熱サイクル低
温時における均熱温度とは常温のことで、例えば２５℃
である。
【０００８】
【作用】物品の評価条件における規格化温度分布［Ｔ
（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］と、物品の実
使用条件における規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／
［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］との偏差の絶対値が所定値Ｅ未
満であれば、実使用条件での拘束率ηと評価条件での拘
束率ηとが実質的に一致することが保証される。従っ
て、高温のために歪みゲージによる熱膨張量の測定が困
難になる実使用条件での熱サイクルを物品に与えること
なく、前記偏差の絶対値が所定値Ｅ未満であることを条
件として前記熱膨張量の測定が可能な評価条件での熱サ
イクルを物品に与えるだけで物品の拘束率ηを求めるこ
とができ、この拘束率ηに基づいて物品の熱サイクル寿
命を的確に評価することが可能となる。
（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］と、物品の実
使用条件における規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／
［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］との偏差の絶対値が所定値Ｅ未
満であれば、実使用条件での拘束率ηと評価条件での拘
束率ηとが実質的に一致することが保証される。従っ
て、高温のために歪みゲージによる熱膨張量の測定が困
難になる実使用条件での熱サイクルを物品に与えること
なく、前記偏差の絶対値が所定値Ｅ未満であることを条
件として前記熱膨張量の測定が可能な評価条件での熱サ
イクルを物品に与えるだけで物品の拘束率ηを求めるこ
とができ、この拘束率ηに基づいて物品の熱サイクル寿
命を的確に評価することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】図１〜図９は本発明の一実施例を示すもの
で、図１は物品の熱サイクル寿命が熱サイクルの最高温
度および拘束率ηによってどのように変化するかを示す
グラフ、図２は拘束ばねｋｒおよび被拘束ばねｋｓによ
る拘束状態モデルを示す図、図３は拘束状態モデルの力
の釣合い状態を示す図、図４はエキゾーストマニホール
ドの拘束状態モデルを示す図、図５は図４の拘束状態モ
デルのばねモデルを示す図、図６は実使用条件および評
価条件の規格化温度分布を比較するグラフ、図７は拘束
率ηの実験値および計算値を示すグラフ、図８はエキゾ
ーストマニホールド上の評価点を示す図、図９は実使用
条件の最高温度および拘束率ηとクラックの発生の有無
との関係を示すグラフである。
で、図１は物品の熱サイクル寿命が熱サイクルの最高温
度および拘束率ηによってどのように変化するかを示す
グラフ、図２は拘束ばねｋｒおよび被拘束ばねｋｓによ
る拘束状態モデルを示す図、図３は拘束状態モデルの力
の釣合い状態を示す図、図４はエキゾーストマニホール
ドの拘束状態モデルを示す図、図５は図４の拘束状態モ
デルのばねモデルを示す図、図６は実使用条件および評
価条件の規格化温度分布を比較するグラフ、図７は拘束
率ηの実験値および計算値を示すグラフ、図８はエキゾ
ーストマニホールド上の評価点を示す図、図９は実使用
条件の最高温度および拘束率ηとクラックの発生の有無
との関係を示すグラフである。
【００１１】図８に示す自動車用エンジンのエキゾース
トマニホールドＥＭのような物品は、エンジンの運転時
には高温の排気ガスに晒されて加熱され、エンジンの停
止時には常温まで冷却されるため、摂氏数百度に達する
温度差の熱サイクルを繰り返し受けてクラック等の損傷
が発生する場合がある。物品が熱サイクルを受けると
き、該物品が拘束されておらずに自由に熱膨張できる状
態にあれば、熱応力が発生し難いために熱サイクル寿命
は長いものとなる。一方、物品の自由な熱膨張が他物品
によって拘束されている場合には、熱膨張に伴って発生
する熱応力によって熱サイクル寿命が短くなってしま
う。従って、物品の熱膨張が拘束される程度を表す拘束
率ηをパラメータとして、熱サイクルに対する物品の熱
サイクル寿命を評価することができる。
トマニホールドＥＭのような物品は、エンジンの運転時
には高温の排気ガスに晒されて加熱され、エンジンの停
止時には常温まで冷却されるため、摂氏数百度に達する
温度差の熱サイクルを繰り返し受けてクラック等の損傷
が発生する場合がある。物品が熱サイクルを受けると
き、該物品が拘束されておらずに自由に熱膨張できる状
態にあれば、熱応力が発生し難いために熱サイクル寿命
は長いものとなる。一方、物品の自由な熱膨張が他物品
によって拘束されている場合には、熱膨張に伴って発生
する熱応力によって熱サイクル寿命が短くなってしま
う。従って、物品の熱膨張が拘束される程度を表す拘束
率ηをパラメータとして、熱サイクルに対する物品の熱
サイクル寿命を評価することができる。
【００１２】
【表１】
【００１３】図１は、表１に成分を示す球状黒鉛鋳鉄を
材料とする物品の熱サイクル寿命が熱サイクルの最高温
度および拘束率ηによってどのように変化するかを示す
ものである。ここで物品の拘束率ηは、
材料とする物品の熱サイクル寿命が熱サイクルの最高温
度および拘束率ηによってどのように変化するかを示す
ものである。ここで物品の拘束率ηは、
【００１４】
【数１】
【００１５】によって定義される。
【００１６】同図から明らかなように、熱サイクルの最
高温度が高いほど、また物品の拘束率ηが高いほど物品
の熱サイクル寿命が短くなっており、従って熱サイクル
の最高温度および物品の拘束率ηをパラメータとして物
品の熱サイクル寿命を評価することが可能となる。
高温度が高いほど、また物品の拘束率ηが高いほど物品
の熱サイクル寿命が短くなっており、従って熱サイクル
の最高温度および物品の拘束率ηをパラメータとして物
品の熱サイクル寿命を評価することが可能となる。
【００１７】ところで、（１）式で定義される拘束率η
を求めるには、与えられた温度変化における物品の自由
伸びΔＬｔと、拘束条件下での物品の伸びΔＬとを歪み
ゲージで検出する必要があるが、熱サイクルの最高温度
が例えば６００℃〜７５０℃に達するような高温状態で
は箔タイプの歪みゲージが使用できないため、拘束率η
を求めることが難しいという問題がある。そこで本実施
例では、物品に与える熱サイクルの最高温度を歪みゲー
ジを使用可能な温度（例えば、最高温度が２８０℃）に
抑えながら、物品の拘束率ηを正しく求めて熱サイクル
寿命を的確に評価できるようにしている。以下、熱サイ
クルの最高温度を歪みゲージが使用可能な温度に抑えな
がら拘束率ηを求める手法について説明する。
を求めるには、与えられた温度変化における物品の自由
伸びΔＬｔと、拘束条件下での物品の伸びΔＬとを歪み
ゲージで検出する必要があるが、熱サイクルの最高温度
が例えば６００℃〜７５０℃に達するような高温状態で
は箔タイプの歪みゲージが使用できないため、拘束率η
を求めることが難しいという問題がある。そこで本実施
例では、物品に与える熱サイクルの最高温度を歪みゲー
ジを使用可能な温度（例えば、最高温度が２８０℃）に
抑えながら、物品の拘束率ηを正しく求めて熱サイクル
寿命を的確に評価できるようにしている。以下、熱サイ
クルの最高温度を歪みゲージが使用可能な温度に抑えな
がら拘束率ηを求める手法について説明する。
【００１８】図２（Ａ）はばね定数ｋｓを有する被拘束
ばねｋｓ（以下、被拘束ばねを、そのばね定数ｋｓを用
いて指し示す）を、ばね定数ｋｒを有する拘束ばねｋｒ
（以下、拘束ばねを、そのばね定数ｋｒを用いて指し示
す）で拘束したモデルを示している。被拘束ばねｋｓを
図２（Ａ）に示す温度ｔ0 の状態から図２（Ｂ）に示す
温度ｔの状態まで加熱すると、被拘束ばねｋｓの長さは
ＬからΔＬだけ熱膨張してＬ＋ΔＬになる。
ばねｋｓ（以下、被拘束ばねを、そのばね定数ｋｓを用
いて指し示す）を、ばね定数ｋｒを有する拘束ばねｋｒ
（以下、拘束ばねを、そのばね定数ｋｒを用いて指し示
す）で拘束したモデルを示している。被拘束ばねｋｓを
図２（Ａ）に示す温度ｔ0 の状態から図２（Ｂ）に示す
温度ｔの状態まで加熱すると、被拘束ばねｋｓの長さは
ＬからΔＬだけ熱膨張してＬ＋ΔＬになる。
【００１９】このとき拘束ばねｋｒは被拘束ばねｋｓに
よってΔＬだけ引き伸ばされるため、拘束ばねｋｒに加
わる引張力Ｐｒは、
よってΔＬだけ引き伸ばされるため、拘束ばねｋｒに加
わる引張力Ｐｒは、
【００２０】
【数２】
【００２１】で与えられる。一方、被拘束ばねｋｓは非
拘束状態ではΔＬｔだけ熱膨張すべきところ、拘束ばね
ｋｒの拘束力によってΔＬしか熱膨張することができ
ず、非拘束状態を基準とすればΔＬｔ−ΔＬだけ押し縮
められることになる。従って、被拘束ばねｋｓに加わる
圧縮力Ｐｓは、
拘束状態ではΔＬｔだけ熱膨張すべきところ、拘束ばね
ｋｒの拘束力によってΔＬしか熱膨張することができ
ず、非拘束状態を基準とすればΔＬｔ−ΔＬだけ押し縮
められることになる。従って、被拘束ばねｋｓに加わる
圧縮力Ｐｓは、
【００２２】
【数３】
【００２３】で与えられる。図３に示すように、図２
（Ｂ）の釣合い状態では拘束ばねｋｒに加わる引張力Ｐ
ｒは被拘束ばねｋｓに加わる圧縮力Ｐｓに等しいため、
（Ｂ）の釣合い状態では拘束ばねｋｒに加わる引張力Ｐ
ｒは被拘束ばねｋｓに加わる圧縮力Ｐｓに等しいため、
【００２４】
【数４】
【００２５】が成立し、これを被拘束ばねｋｓの伸びΔ
Ｌについて解くと、
Ｌについて解くと、
【００２６】
【数５】
【００２７】が得られる。
【００２８】而して、（５）式を（１）式に代入する
と、拘束率ηは、
と、拘束率ηは、
【００２９】
【数６】
【００３０】で与えられる。ここで被拘束ばねｋｓのば
ね定数ｋｓおよび拘束ばねｋｒのばね定数ｋｒの比を次
のように定義する。
ね定数ｋｓおよび拘束ばねｋｒのばね定数ｋｒの比を次
のように定義する。
【００３１】
【数７】
【００３２】そして（７）式を（６）式に代入すると、
拘束率ηは次のようになる。
拘束率ηは次のようになる。
【００３３】
【数８】
【００３４】（８）式から明らかなように、拘束率η
は、被拘束ばねｋｓのばね定数ｋｓおよび拘束ばねｋｒ
のばね定数ｋｒの比ａで決定される。
は、被拘束ばねｋｓのばね定数ｋｓおよび拘束ばねｋｒ
のばね定数ｋｒの比ａで決定される。
【００３５】図４には、直列２気筒エンジンのエキゾー
ストマニホールドＥＭが示される。エキゾーストマニホ
ールドＥＭはシリンダヘッドに結合される取付フランジ
と、２本の単管部と、両単管部が一体に集合する集合部
とからなり、取付フランジは拘束ばねｋｒを構成し、２
本の単管部は２個の被拘束ばねｋｓ1 ，ｋｓ2 を構成
し、集合部は被拘束ばねｋｓ3 を構成する。図４のエキ
ゾーストマニホールドＥＭをばねモデルで表現したもの
が図５に示される。
ストマニホールドＥＭが示される。エキゾーストマニホ
ールドＥＭはシリンダヘッドに結合される取付フランジ
と、２本の単管部と、両単管部が一体に集合する集合部
とからなり、取付フランジは拘束ばねｋｒを構成し、２
本の単管部は２個の被拘束ばねｋｓ1 ，ｋｓ2 を構成
し、集合部は被拘束ばねｋｓ3 を構成する。図４のエキ
ゾーストマニホールドＥＭをばねモデルで表現したもの
が図５に示される。
【００３６】図５のばねモデルに発生する力Ｐは、
（２）式および（５）式から次のように与えられる。
（２）式および（５）式から次のように与えられる。
【００３７】
【数９】
【００３８】図５のばねモデルは３個の被拘束ばねｋｓ
1 ，ｋｓ2 ，ｋｓ3 が直列に接続されているため、何れ
の被拘束ばねｋｓ1 ，ｋｓ2 ，ｋｓ3 にも（９）式の力
Ｐが作用している。従って中央の被拘束ばねｋｓ3 に注
目した場合の変位ｘ3 は、
1 ，ｋｓ2 ，ｋｓ3 が直列に接続されているため、何れ
の被拘束ばねｋｓ1 ，ｋｓ2 ，ｋｓ3 にも（９）式の力
Ｐが作用している。従って中央の被拘束ばねｋｓ3 に注
目した場合の変位ｘ3 は、
【００３９】
【数１０】
【００４０】で与えられる。ここで被拘束ばねｋｓ3 の
拘束率η3 は、
拘束率η3 は、
【００４１】
【数１１】
【００４２】で与えられるため、（１１）式に（１０）
式を代入して拘束率η3 を書き換えると、
式を代入して拘束率η3 を書き換えると、
【００４３】
【数１２】
【００４４】が得られる。
【００４５】（１２）式において、与えられた温度変化
における自由伸びΔＬｔは、次式のように温度の関数と
して表現することができる。
における自由伸びΔＬｔは、次式のように温度の関数と
して表現することができる。
【００４６】
【数１３】
【００４７】定義する温度領域では線膨張係数αはほぼ
一定であると考えられるので、（１３）式は次のように
書き換えられる。
一定であると考えられるので、（１３）式は次のように
書き換えられる。
【００４８】
【数１４】
【００４９】また与えられた温度変化における自由伸び
ΔＬｔ3 も、次式のように温度の関数として表現するこ
とができる。
ΔＬｔ3 も、次式のように温度の関数として表現するこ
とができる。
【００５０】
【数１５】
【００５１】従って、（１４）式および（１５）式を
（１２）式に代入すると、拘束率η3は、
（１２）式に代入すると、拘束率η3は、
【００５２】
【数１６】
【００５３】で与えられる。
【００５４】（１６）式において、Ｌ3 ，ｋｓ，ｋ
ｓ3 ，ηTOTAL はエキゾーストマニホールドＥＭの形状
パラメータであり、ｔ（ｘ），ｔ3 はエキゾーストマニ
ホールドＥＭの温度パラメータである。前記形状パラメ
ータＬ3 ，ｋｓ，ｋｓ3 ，ηTOTA L はエキゾーストマニ
ホールドＥＭの形状が定まれば一義的に定まるが、前記
温度パラメータｔ（ｘ），ｔ3 はエキゾーストマニホー
ルドＥＭの温度分布に依存する。従って、（１６）式で
与えられる拘束率η3 は、前記温度分布から求められる
規格化温度分布、つまりｔ0 を基準としてｔ3 で規格化
した規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／（ｔ3 −
ｔ0 ）に実質的に依存することになる。
ｓ3 ，ηTOTAL はエキゾーストマニホールドＥＭの形状
パラメータであり、ｔ（ｘ），ｔ3 はエキゾーストマニ
ホールドＥＭの温度パラメータである。前記形状パラメ
ータＬ3 ，ｋｓ，ｋｓ3 ，ηTOTA L はエキゾーストマニ
ホールドＥＭの形状が定まれば一義的に定まるが、前記
温度パラメータｔ（ｘ），ｔ3 はエキゾーストマニホー
ルドＥＭの温度分布に依存する。従って、（１６）式で
与えられる拘束率η3 は、前記温度分布から求められる
規格化温度分布、つまりｔ0 を基準としてｔ3 で規格化
した規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／（ｔ3 −
ｔ0 ）に実質的に依存することになる。
【００５５】従って、
【００５６】
【数１７】 で示される評価条件の温度分布Ｔ（ｘ）を与えること
で、実使用条件での拘束率η3 を求めることができる。
で、実使用条件での拘束率η3 を求めることができる。
【００５７】ここで、（１７）式が成立する場合には、
ｔ（ｘ），Ｔ（ｘ）のうちの任意の部位ｉの温度ｔ（ｘ
＝ｉ），Ｔ（ｘ＝ｉ）について、次式が成立する。
ｔ（ｘ），Ｔ（ｘ）のうちの任意の部位ｉの温度ｔ（ｘ
＝ｉ），Ｔ（ｘ＝ｉ）について、次式が成立する。
【００５８】
【数１８】 而して、（１７）式の両辺を（１８）式の両辺で除する
と次式が得られる。
と次式が得られる。
【００５９】
【数１９】 従って、規格化する際の温度はｔ（ｘ），Ｔ（ｘ）のう
ち、任意の同位置部位ｉの温度ｔ（ｘ＝ｉ），Ｔ（ｘ＝
ｉ）であっても良い。
ち、任意の同位置部位ｉの温度ｔ（ｘ＝ｉ），Ｔ（ｘ＝
ｉ）であっても良い。
【００６０】図６の縦軸は、エキゾーストマニホールド
ＥＭをエンジンに装着して最高温度が７５０℃の実使用
条件で運転し、その温度分布を実測した結果から算出し
た規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）
−ｔ0 ］であり、図６の横軸は、エキゾーストマニホー
ルドＥＭをエンジンに装着して最高温度が２８０℃の評
価条件で運転し、その温度分布を実測した結果から算出
した規格化温度分布［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝
ｉ）−Ｔ0 ］である。
ＥＭをエンジンに装着して最高温度が７５０℃の実使用
条件で運転し、その温度分布を実測した結果から算出し
た規格化温度分布［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）
−ｔ0 ］であり、図６の横軸は、エキゾーストマニホー
ルドＥＭをエンジンに装着して最高温度が２８０℃の評
価条件で運転し、その温度分布を実測した結果から算出
した規格化温度分布［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝
ｉ）−Ｔ0 ］である。
【００６１】同図から明らかなように、評価条件での規
格化温度分布［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ
0 ］と実使用条件での規格化温度分布［ｔ（ｘ）−
ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］との偏差の絶対値は、
所定値Ｅ＝０．２未満の誤差で良く一致しており、最高
温度が２８０℃の評価条件での規格化温度分布［Ｔ
（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］は、最高温度
が７５０℃の実使用条件での規格化温度分布［ｔ（ｘ）
−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］をほぼ忠実に再現し
ている。
格化温度分布［Ｔ（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ
0 ］と実使用条件での規格化温度分布［ｔ（ｘ）−
ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］との偏差の絶対値は、
所定値Ｅ＝０．２未満の誤差で良く一致しており、最高
温度が２８０℃の評価条件での規格化温度分布［Ｔ
（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］は、最高温度
が７５０℃の実使用条件での規格化温度分布［ｔ（ｘ）
−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］をほぼ忠実に再現し
ている。
【００６２】図７は、図８に示すエキゾーストマニホー
ルドＥＭ上の２５カ所の評価点における拘束率ηを示す
もので、破線は評価条件における熱膨張量を歪みゲージ
で実測した結果から求めた実験値であり、実線は実使用
条件における拘束率ηをコンピュータシミュレーション
で求めた計算値である。同図から、評価条件において求
めた拘束率ηが十分な精度を有していることが確認され
る。
ルドＥＭ上の２５カ所の評価点における拘束率ηを示す
もので、破線は評価条件における熱膨張量を歪みゲージ
で実測した結果から求めた実験値であり、実線は実使用
条件における拘束率ηをコンピュータシミュレーション
で求めた計算値である。同図から、評価条件において求
めた拘束率ηが十分な精度を有していることが確認され
る。
【００６３】従って、実使用条件における拘束率η3 を
求めるに際して必ずしも実使用条件を再現する必要はな
く、下記（２０）式が成立する評価条件における拘束率
η3を求めれば、それが実使用条件における拘束率η3
に一致することになる。そして評価条件におけるエキゾ
ーストマニホールドＥＭの最高温度は２８０℃に抑えら
れるため、エキゾーストマニホールドＥＭの各部の熱膨
張量を歪みゲージで測定することが可能であり、その測
定結果からエキゾーストマニホールドＥＭの各部の拘束
率η3 を算出することができる。
求めるに際して必ずしも実使用条件を再現する必要はな
く、下記（２０）式が成立する評価条件における拘束率
η3を求めれば、それが実使用条件における拘束率η3
に一致することになる。そして評価条件におけるエキゾ
ーストマニホールドＥＭの最高温度は２８０℃に抑えら
れるため、エキゾーストマニホールドＥＭの各部の熱膨
張量を歪みゲージで測定することが可能であり、その測
定結果からエキゾーストマニホールドＥＭの各部の拘束
率η3 を算出することができる。
【００６４】
【数２０】 図９は、上述のようにして求めた拘束率ηを有するエキ
ゾーストマニホールドＥＭを最高温度が種々に異なる実
使用条件で使用したときに、クラックが発生したか否か
を確認した結果を示すものである。同図から明らかなよ
うに、ラインＡ−Ａの下側の拘束率ηが小さい領域では
エキゾーストマニホールドＥＭにクラックが発生してお
らず、上側の拘束率ηが大きい領域ではエキゾーストマ
ニホールドＥＭにクラックが発生していることから、本
実施例の手法で求めた拘束率ηによってエキゾーストマ
ニホールドＥＭの熱サイクル寿命を的確に評価できるこ
とが確認される。
ゾーストマニホールドＥＭを最高温度が種々に異なる実
使用条件で使用したときに、クラックが発生したか否か
を確認した結果を示すものである。同図から明らかなよ
うに、ラインＡ−Ａの下側の拘束率ηが小さい領域では
エキゾーストマニホールドＥＭにクラックが発生してお
らず、上側の拘束率ηが大きい領域ではエキゾーストマ
ニホールドＥＭにクラックが発生していることから、本
実施例の手法で求めた拘束率ηによってエキゾーストマ
ニホールドＥＭの熱サイクル寿命を的確に評価できるこ
とが確認される。
【００６５】以上、本発明をエンジンのエキゾーストマ
ニホールドＥＭに適用した実施例を説明したが、本発明
は熱膨張が拘束された条件で使用される他の種々の物品
の熱サイクル寿命を評価する際に適用することができ
る。
ニホールドＥＭに適用した実施例を説明したが、本発明
は熱膨張が拘束された条件で使用される他の種々の物品
の熱サイクル寿命を評価する際に適用することができ
る。
【００６６】図１０は本発明を熱交換器に適用した実施
例、図１１は本発明をボイラーチューブ配管に適用した
実施例、図１２は本発明を電子部品のはんだ付けに適用
した実施例、図１３は本発明をエンジンのピストンに適
用した実施例、図１４は本発明を鉄道用レールに適用し
た実施例、図１５は本発明を熱間鍛造用金型に適用した
実施例、図１６は本発明を二重構造排気管に適用した実
施例、図１７は本発明をエンジンのシリンダヘッドに適
用した実施例を示すものである。これらの実施例におい
て、ｋｓは被拘束部分を示し、ｋｒは拘束部分を示して
いる。
例、図１１は本発明をボイラーチューブ配管に適用した
実施例、図１２は本発明を電子部品のはんだ付けに適用
した実施例、図１３は本発明をエンジンのピストンに適
用した実施例、図１４は本発明を鉄道用レールに適用し
た実施例、図１５は本発明を熱間鍛造用金型に適用した
実施例、図１６は本発明を二重構造排気管に適用した実
施例、図１７は本発明をエンジンのシリンダヘッドに適
用した実施例を示すものである。これらの実施例におい
て、ｋｓは被拘束部分を示し、ｋｒは拘束部分を示して
いる。
【００６７】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
【００６８】例えば、実施例では実使用条件および評価
条件での規格化温度分布の偏差の絶対値を規制する所定
値Ｅを０．２に設定しているが、その値はｔ（ｘ＝
ｉ），Ｔ（ｘ＝ｉ）によって変化するゆえ、適宜変更可
能である。
条件での規格化温度分布の偏差の絶対値を規制する所定
値Ｅを０．２に設定しているが、その値はｔ（ｘ＝
ｉ），Ｔ（ｘ＝ｉ）によって変化するゆえ、適宜変更可
能である。
【００６９】またコンピュータシミュレーションに本発
明を適用すれば、温度の境界条件を減らすことができる
ので、より簡単にシミュレーションが可能となる。
明を適用すれば、温度の境界条件を減らすことができる
ので、より簡単にシミュレーションが可能となる。
【００７０】
【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、高温のために歪みゲージによる熱膨張量の測
定が困難になる実使用条件での熱サイクルを物品に与え
ることなく、実使用条件および評価条件での規格化温度
分布の偏差の絶対値が所定値Ｅ未満であることを条件と
して、前記熱膨張量の測定が可能な評価条件での熱サイ
クルを物品に与えるだけで物品の拘束率ηを求めること
ができ、この拘束率ηに基づいて物品の熱サイクル寿命
を的確に評価することが可能となる。
によれば、高温のために歪みゲージによる熱膨張量の測
定が困難になる実使用条件での熱サイクルを物品に与え
ることなく、実使用条件および評価条件での規格化温度
分布の偏差の絶対値が所定値Ｅ未満であることを条件と
して、前記熱膨張量の測定が可能な評価条件での熱サイ
クルを物品に与えるだけで物品の拘束率ηを求めること
ができ、この拘束率ηに基づいて物品の熱サイクル寿命
を的確に評価することが可能となる。
【図１】物品の熱サイクル寿命が熱サイクルの最高温度
および拘束率ηによってどのように変化するかを示すグ
ラフ
および拘束率ηによってどのように変化するかを示すグ
ラフ
【図２】拘束ばねｋｒおよび被拘束ばねｋｓによる拘束
状態モデルを示す図
状態モデルを示す図
【図３】拘束状態モデルの力の釣合い状態を示す図
【図４】エキゾーストマニホールドの拘束状態モデルを
示す図
示す図
【図５】図４の拘束状態モデルのばねモデルを示す図
【図６】実使用条件および評価条件の規格化温度分布を
比較するグラフ
比較するグラフ
【図７】拘束率ηの実験値および計算値を示すグラフ
【図８】エキゾーストマニホールド上の評価点を示す図
【図９】実使用条件の最高温度および拘束率ηとクラッ
クの発生の有無との関係を示すグラフ
クの発生の有無との関係を示すグラフ
【図１０】本発明を熱交換器に適用した実施例を示す図
【図１１】本発明をボイラーチューブ配管に適用した実
施例を示す図
施例を示す図
【図１２】本発明を電子部品のはんだ付けに適用した実
施例を示す図
施例を示す図
【図１３】本発明をエンジンのピストンに適用した実施
例を示す図
例を示す図
【図１４】本発明を鉄道用レールに適用した実施例を示
す図
す図
【図１５】本発明を熱間鍛造用金型に適用した実施例を
示す図
示す図
【図１６】本発明を二重構造排気管に適用した実施例を
示す図
示す図
【図１７】本発明をエンジンのシリンダヘッドに適用し
た実施例を示す図
た実施例を示す図
Ｅ 所定値 ＥＭ エキゾーストマニホールド η 拘束率
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小西 泰則 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 高橋 伸一 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 19/00 F01N 7/00 G01N 25/00 - 25/72 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 実使用条件での熱サイクルを受ける物品
の熱サイクル寿命を該物品の各部の拘束率に基づいて評
価する熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法におい
て、 熱サイクルを受ける物品の実使用条件での温度分布と評
価条件での温度分布とが以下の条件式を満足するように
該評価条件の温度分布の熱サイクルを該物品に与え、前
記温度分布において求めた前記拘束率に基づいて熱サイ
クルを受ける物品の実使用条件での熱サイクル寿命を評
価することを特徴とする熱サイクルを受ける物品の寿命
評価方法。 ｜［ｔ（ｘ）−ｔ0 ］／［ｔ（ｘ＝ｉ）−ｔ0 ］−［Ｔ
（ｘ）−Ｔ0 ］／［Ｔ（ｘ＝ｉ）−Ｔ0 ］｜＜Ｅ ｔ（ｘ） ；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｘの温度 ｔ0 ；実使用条件での熱サイクル低温時におけ
る均熱温度 ｔ（ｘ＝ｉ）；実使用条件での熱サイクル高温時におけ
る部位ｉの温度 Ｔ（ｘ） ；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｘの温度 Ｔ0 ；評価条件での熱サイクル低温時における
均熱温度 Ｔ（ｘ＝ｉ）；評価条件での熱サイクル高温時における
部位ｉの温度 Ｅ ；所定値
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25683099A JP3311316B2 (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法 |
| US09/658,115 US6523999B1 (en) | 1999-09-10 | 2000-09-08 | Process for evaluating life of article subjected to thermal cycles based on comparison of strain rates measured under evaluating conditions and actual service conditions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25683099A JP3311316B2 (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001083048A JP2001083048A (ja) | 2001-03-30 |
| JP3311316B2 true JP3311316B2 (ja) | 2002-08-05 |
Family
ID=17298032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25683099A Expired - Fee Related JP3311316B2 (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 熱サイクルを受ける物品の寿命評価方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6523999B1 (ja) |
| JP (1) | JP3311316B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20050120811A1 (en) * | 2003-12-03 | 2005-06-09 | Hardcastle Henry K.Iii | Method and apparatus for characterizing weathering reciprocity of a material |
| US7448853B2 (en) * | 2005-04-12 | 2008-11-11 | Sundyne Corporation | System and method of determining centrifugal turbomachinery remaining life |
| BRPI0807605A2 (pt) | 2007-02-27 | 2014-05-13 | Exxonmobil Upstream Res Compony | Métodos para construir uma tubulação para transportar hidrocarbonetos e para formar uma junta de solda entre seções tubulares, seção de tubo, e, tubulação para transportar hidrocarbonetos |
| CN106769557B (zh) * | 2016-11-29 | 2021-05-11 | 河南科技大学 | 一种热作模具寿命检测试验装置 |
| DE102017128122A1 (de) * | 2017-11-28 | 2019-05-29 | Akg Thermotechnik International Gmbh & Co. Kg | Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Wärmeaustauschers und Wärmeaustauscher |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3908447A (en) * | 1973-01-15 | 1975-09-30 | Gen Electric | Method of measuring article fatigue life |
| DE2314954C3 (de) * | 1973-03-26 | 1982-08-26 | Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim | Anordnung zur laufenden Ermittlung und Überwachung der Lebensdauer von thermisch belasteten dickwandigen Bauelementen |
| US5042295A (en) * | 1985-06-21 | 1991-08-27 | General Electric Company | Method for determining remaining useful life of turbine components |
| US4947341A (en) * | 1988-03-15 | 1990-08-07 | Digital Equipment Corporation | Method of predicting fatigue lifetimes of metallic structures |
| US5129443A (en) * | 1989-03-30 | 1992-07-14 | Hitachi Metals, Ltd. | Method of manufacturing a product by estimating thermal stress using a model of the product made of different material |
| JPH0820342B2 (ja) * | 1989-03-30 | 1996-03-04 | 日立金属株式会社 | 耐熱部材の熱応力予測方法 |
| US5291419A (en) * | 1989-04-10 | 1994-03-01 | Hitachi, Ltd. | Method for diagnosing the life of a solder connection |
| US5050108A (en) * | 1989-11-30 | 1991-09-17 | Aptech Engineering, Inc. | Method for extending the useful life of boiler tubes |
| US5980103A (en) * | 1995-10-24 | 1999-11-09 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Apparatus and method for testing thermal fatigue resistance |
| US5967660A (en) * | 1997-06-06 | 1999-10-19 | Ford Global Technologies, Inc. | Accelerated thermal fatigue testing of engine combustion chambers |
| JP4379753B2 (ja) * | 1999-04-05 | 2009-12-09 | 日立金属株式会社 | 排気系部品、およびそれを用いた内燃機関、並びに排気系部品の製造方法 |
| US6260998B1 (en) * | 2000-01-19 | 2001-07-17 | Visteon Global Technologies, Inc. | Method for specifying accelerated thermal cycling tests for electronic solder joint durability |
-
1999
- 1999-09-10 JP JP25683099A patent/JP3311316B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-09-08 US US09/658,115 patent/US6523999B1/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001083048A (ja) | 2001-03-30 |
| US6523999B1 (en) | 2003-02-25 |
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