JP3778886B2 - 疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法に関し、特に、温度に対する疲労安全率を検査する疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（以下、「ＣＡＥ」とする）を用いて、部品の疲労安全率を計算する方法が知られている。例えば、一種類の材料に対して、一定の条件（例示：一定の温度）の下、疲労限度線図のデータを計算するコンピュータプログラムが市販されている。ここで、疲労限度線図は、対象物（部位）において許容される平均応力と、許容される振幅応力との関係を示すグラフである。
【０００３】
上記のような疲労限度線図のデータとして一定条件下で算出したものしか用いることが出来ない場合、実物では場所毎に条件が異なる（例示：温度が異なる）ような部品の疲労限度を精度良く予測することが困難となる。このような部品は、ピストンのような車両のエンジンの構成物に例示される。ピストンの場合、エンジンシリンダ内の爆発に応じて応じて高速で上下運動するため、温度も部位毎に大きく異なる。
【０００４】
また、疲労限度を精度良く予測できないと、疲労安全率を正確に予測できなくなる。そのため、安全を優先して、安全率を非常に高く設定することになる。その結果、エンジンの重量増加、材料コストの増加等に繋がり、環境負荷低減の面からもマイナスである。部位毎の温度及び応力に基づいて、自動処理により各部位の疲労安全率を高速かつ正確に算出することが可能な技術が求められている。
【０００５】
関連する技術として、特開平８−３３９３９６号公報に、金属板の変形過程の数値シミュレート結果の処理装置の技術が開示されている。この技術の金属板の変形過程の数値シミュレート結果の処理装置は、入力手段、破断限界ひずみ／しわ限界応力データ記憶部、破断／しわ余裕度算出手段、破断／しわ余裕度データ記憶部、及び、出力手段を有する。
ここで、入力手段は、金属板が塑性変形する過程を有限要素法で数値シミュレートして得られた各要素のひずみ／応力データを、ひずみ／応力データ記憶部に入力する。破断限界ひずみ／しわ限界応力データ記憶部は、破断限界ひずみ／しわ限界応力データを格納している。破断／しわ余裕度算出手段は、破断限界ひずみ／しわ限界応力データと各要素のひずみ／応力データから各要素の破断／しわ余裕度を算出する。破断／しわ余裕度データ記憶部は、算出した各要素の破断／しわ余裕度を記憶する。及び、出力手段は、破断／しわ余裕の等高線分布を出力する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３３９３９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、計算や実測で求められた部品の部位毎の温度及び応力に基づいて、自動処理により各部位の疲労安全率を高速かつ正確に算出することが可能な疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、材料や温度に依らない疲労限度線図を算出し、容易に疲労安全率を算出することが可能な疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法を提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、設計及び開発の効率を向上し、それらにかかるコストを低減することが可能な疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
従って、上記課題を解決するために、本発明の疲労安全率検査装置は、正規化応力計算部（１４）と、疲労安全率計算部（１５）とを具備する。
正規化応力計算部（１４）は、部品に生じる応力（σ）を、その部品に使用された材料の疲労限度（Ｑ）で正規化し、正規化応力（σＵ）として出力する。疲労安全率計算部（１５）は、疲労限度（Ｑ）を正規化した正規化疲労限度（Ｑ_０）と正規化応力（σＵ）とに基づいて、その部品の疲労安全率（Ｓａｆ）を算出する。
正規化された正規化応力（σＵ）を用いているので、疲労安全率（Ｓａｆ）の算出が正確かつ容易となる。
【００１２】
また、本発明の疲労安全率検査装置は、疲労限度（Ｑ）を正規化して正規化疲労限度（Ｑ_０）に変換する変換関数（ｆ）を格納する関数テーブル（１８）を更に具備する。
そして、正規化応力計算部（１４）は、応力（σ）を変換関数（ｆ）で変換して、正規化応力（σＵ）を算出する。
正規化応力（σＵ）を変換関数（ｆ）で算出しているので、事前に各応力（σ）に対応する正規化応力（σＵ）のデータ準備し、格納しておく必要が無い。
【００１３】
また、本発明の疲労安全率検査装置は、応力データテーブル（３）と、変換関数生成部（１０）とを更に具備する。
ここで、応力データテーブル（３）は、疲労限度（Ｑ）を有する。変換関数生成部（１０）は、疲労限度（Ｑ）に基づいて、変換関数（ｆ）を生成する。
そして変換関数生成部（１０）は、生成した変換関数（ｆ）を関数テーブル（１８）へ格納する。
変換関数（ｆ）を従来知られた疲労限度（Ｑ）で導出しているので、事前に変換関数（ｆ）を準備し、格納しておく必要が無い。
【００１４】
また、本発明の疲労安全率検査装置は、正規化応力計算部（１４）と、疲労安全率計算部（１５）とを具備する。
正規化応力計算部（１４）は、部品に生じる応力（σ）を、その部品の温度（Ｔ）毎に、その部品に使用された材料に関する温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）で正規化し、正規化応力（σＵ）として出力する。疲労安全率計算部（１５）は、温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化した正規化疲労限度（Ｑ_０）と正規化応力（σＵ）とに基づいて、その部品の疲労安全率（Ｓａｆ）を算出する。
正規化された正規化応力（σＵ）を用いているので、疲労安全率（Ｓａｆ）の算出が正確かつ容易となる。
【００１５】
更に、本発明の疲労安全率検査装置は、温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化して温度に依らない正規化疲労限度（Ｑ_０）に変換する変換関数（ｆ）を格納する関数テーブル（１８）を更に具備する。
そして、正規化応力計算部（１４）は、応力（σ）を変換関数（ｆ）で変換して、正規化応力（σＵ）を算出する。
正規化応力（σＵ）を変換関数（ｆ）で算出しているので、事前に各応力（σ）に対応する正規化応力（σＵ）のデータ準備し、格納しておく必要が無い。
【００１６】
更に、本発明の疲労安全率検査装置は、応力データテーブル（１７）と、変換関数生成部（１０）とを更に具備する。
応力データテーブル（１７）は、温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を有する。変換関数生成部（１０）は、温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）に基づいて、変換関数（ｆ）を生成する。
そして、変換関数生成部（１０）は、生成した変換関数（ｆ）を関数テーブル（１８）へ格納する。
変換関数（ｆ）を従来知られた疲労限度（Ｑ）で導出しいているので、事前に変換関数（ｆ）を準備し、格納しておく必要が無い。
【００１７】
更に、本発明の疲労安全率検査装置は、応力（σ）が、その部品に生じる平均応力（σ１）及び振幅応力（σ２）である。また、疲労限度（Ｑ）は、許容平均応力（σ１）と許容振幅応力（σ２）とで表される。
許容平均応力（σ１）と許容振幅応力（σ２）とに基づいて、疲労安全率（Ｓａｆ）を求めるので、疲労安全率が正確である。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の疲労安全率検査方法は、（ａ）〜（ｄ）ステップを具備する。
（ａ）ステップは、部品に生じる応力（σ）を取得する。（ｂ）ステップは、その部品に用いる材料の疲労限度（Ｑ）を正規化して、正規化疲労限度（Ｑ_０）を算出する。（ｃ）ステップは、応力（σ）を疲労限度（Ｑ）で正規化した正規化応力（σＵ）を算出する。（ｄ）ステップは、正規化疲労限度（Ｑ_０）と正規化応力（σＵ）とに基づいて、その部品の疲労安全率（Ｓａｆ）を算出する。
正規化された正規化応力（σＵ）を用いているので、疲労安全率（Ｓａｆ）の算出が正確かつ容易となる。
【００１９】
また、本発明の疲労安全率検査方法は、（ｂ）ステップが、（ｅ）疲労限度（Ｑ）を正規化して正規化疲労限度（Ｑ_０）に変換する変換関数（ｆ）を算出するステップを備える。また、（ｃ）ステップは、（ｆ）応力（σ）を変換関数（ｆ）で変換して正規化応力（σＵ）を得るステップを備える。
変換関数（ｆ）を従来知られた疲労限度（Ｑ）で導出しているので、事前に変換関数（ｆ）を準備し、格納しておく必要が無い。また、正規化応力（σＵ）を変換関数（ｆ）で算出しているので、事前に各応力（σ）に対応する正規化応力（σＵ）のデータ準備し、格納しておく必要が無い。
【００２０】
また、本発明の疲労安全率検査方法は、（ｇ）〜（ｊ）ステップを具備する。（ｇ）ステップは、部品に生じる応力（σ）とその部品の温度を取得する。（ｈ）ステップは、その部品に用いる材料の温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化して、温度に依らない正規化疲労限度（Ｑ_０）を算出する。（ｉ）ステップは、応力（σ）を温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）で正規化した正規化応力（σＵ）を算出する。（ｊ）ステップは、正規化疲労限度（Ｑ_０）と正規化応力（σＵ）とに基づいて、その部品の疲労安全率（Ｓａｆ）を算出する。
正規化された正規化応力（σＵ）を用いているので、疲労安全率（Ｓａｆ）の算出が正確かつ容易となる。
【００２１】
また、本発明の疲労安全率検査方法は、（ｈ）ステップが、（ｋ）温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化して温度に依らない正規化疲労限度（Ｑ_０）に変換する変換関数（ｆ）を算出するステップを備える。また、（ｃ）ステップは、（ｌ）応力（σ）を変換関数（ｆ）で変換して正規化応力（σＵ）を得るステップを備える。
変換関数（ｆ）を従来知られた疲労限度（Ｑ）で導出しいているので、事前に変換関数（ｆ）を準備し、格納しておく必要が無い。また、正規化応力（σＵ）を変換関数（ｆ）で算出しているので、事前に各応力（σ）に対応する正規化応力（σＵ）のデータ準備し、格納しておく必要が無い。
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明に関するプログラムは、（ｍ）〜（ｑ）ステップを具備する方法をコンピュータに実行させる。
（ｍ）ステップは、部品に生じる応力（σ）とその部品の温度（Ｔ）を取得する。（ｎ）ステップは、その部品に用いる材料の温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化して、温度に依らない正規化疲労限度（Ｑ_０）を算出する。（ｏ）ステップは、応力（σ）を温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）で正規化した正規化応力（σＵ）を算出する。（ｐ）ステップは、正規化疲労限度（Ｑ_０）と正規化応力（σＵ）とに基づいて、その部品の疲労安全率（Ｓａｆ）を算出する。（ｑ）ステップは、正規化疲労限度（Ｑ_０）、正規化応力（σＵ）及び疲労安全率（Ｓａｆ）の少なくとも一つを、表示装置（５）に表示する。
正規化された正規化応力（σＵ）を用いているので、疲労安全率（Ｓａｆ）の算出が正確かつ容易となる。
【００２３】
また、本発明に関するプログラムは、（ｎ）ステップが、（ｒ）温度（Ｔ）毎の疲労限度（Ｑ）を正規化して温度に依らない正規化疲労限度（Ｑ_０）に変換する変換関数（ｆ）を算出するステップを備える。また、（ｏ）ステップは、（ｓ）応力（σ）を変換関数（ｆ）で変換して正規化応力（σＵ）を得るステップを備える。
変換関数（ｆ）を従来知られた疲労限度（Ｑ）で導出しいているので、事前に変換関数（ｆ）を準備し、格納しておく必要が無い。また、正規化応力（σＵ）を変換関数（ｆ）で算出しているので、事前に各応力（σ）に対応する正規化応力（σＵ）のデータ準備し、格納しておく必要が無い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、車両のエンジンの設計に使用される疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法を例に示して説明するが、他の構造物の設計・開発においても、適用可能である。
【００２５】
まず、本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態の構成について説明する。
図１は、本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態における構成を示す図である。疲労安全率検査装置１は、ワークステーションやパーソナルコンピュータに例示される情報処理装置である。ＣＰＵ２、ハードディスクに例示される記憶部３、ＲＡＭに例示されるメモリ４、ディスプレイに例示される表示部５、キーボードやマウスに例示される入力部６を備える。
【００２６】
疲労安全率検査装置１には、プログラムとしての変換関数生成部１０、モデル生成部１１、条件設定部１２、ＦＥＭ計算部１３、正規化応力計算部１４、疲労安全率計算部１５がＣＰＵ２にインストールされている。また、応力データテーブル１７及び関数テーブル１８が記憶部３に搭載されている。
【００２７】
応力データテーブル１７は、材料の種類と、疲労限度線図（平均応力と振幅応力との関係）とを関連付けて格納する。
関数テーブル１８は、材料の種類と、変換関数（温度毎の材料の疲労限度線図を正規化して、材料及び温度に依らない正規化疲労限度線図に変換する）とを関連付けて格納する。
【００２８】
変換関数生成部１０は、応力データテーブル１７の材料の種類と疲労限度線図とに基づいて、疲労限度線図を正規化した正規化疲労限度線図を生成するための変換関数Ａ及び変換関数Ｂを生成し、関数テーブル１８へ格納する。
モデル生成部１１は、構造解析の対象としてのエンジンの三次元（以下「３Ｄ」という）モデルの設計を支援する。モデル生成部１１は、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）ソフトウェアに例示される。ＣＡＤソフトウェアは、従来用いられているものを利用できる。
条件設定部１２は、構造解析の対象としてのエンジンに関する諸条件の設定を行う。諸条件は、ＦＥＭ計算に用いる。諸条件は、エンジンの運転条件（速度、加速度、トルクなど）、エンジンの諸元（回転数、馬力、シリンダ内圧力など）に例示される。
ＦＥＭ計算部１３は、上記の３Ｄモデルを変換し、ＦＥＭモデルを生成する。そして、上記諸条件の下で、ＦＥＭモデルに基づいて、ＦＥＭ解析のためのＦＥＭ計算が実行される。ＦＥＭ計算部１３は、ＦＥＭソフトウェアに例示される。正規化応力計算部１４は、部品に生じる応力を、部品の温度毎に、部品に使用された材料に関する温度毎の疲労限度線図で正規化し、正規化応力として出力する。すなわち、疲労限度線図の応力は、正規化疲労限度線図での正規化応力に対応する。
疲労安全率計算部１５は、正規化疲労限度線図と正規化応力計算部１４で算出された正規化応力とに基づいて、部品の疲労安全率を算出する。
【００２９】
ここで、本発明である疲労安全率検査装置及び疲労安全率検査方法に用いる疲労限度線図及びそれを正規化した正規化疲労限度線図について説明する。
図２は、ある材料の疲労限度線図及びそれを正規化した正規化疲労限度線図の一例を示すグラフである。図２の左側のグラフが疲労限度線図であり、右側のグラフが正規化疲労限度線図である。
【００３０】
疲労限度線図は、横軸が平均応力σ１、縦軸が振幅応力σ２である。曲線Ｑ１（点ａ１−点ｂ１−点ｅ１−点ｃ１−点ｄ１）、曲線Ｑ２（点ａ２−点ｂ２−点ｅ２−点ｃ２−点ｄ２）、曲線Ｑ３（点ａ３−点ｂ３−点ｅ３−点ｃ３−点ｄ３）は、それぞれ室温、１００℃、２００℃のグラフを示す。
疲労限度線図は、温度ごとの疲労限度の値をグラフにしたもので、一般に、材料により決まっており、その形状は様々である。図２の左側のグラフは、その一例である。また、エンジンを使用する温度範囲において、その形状は、温度の上昇と共に相似的に縮小する（曲線Ｑ１→曲線Ｑ２→曲線Ｑ３）。
【００３１】
疲労限度線図は、形状が材料及び温度に依存するため、計算上取り扱いに手間と時間がかかる。そこで、本発明においては、図２の右側のグラフに示すような正規化した正規化疲労限度線図を導入する。
正規化疲労限度線図は、各温度ごとに、平均応力と振幅応力σ２を、その温度での疲労限度により正規化したものである。横軸が平均応力σ１を正規化した正規化平均応力σＵ１、縦軸が振幅応力σ２を正規化した正規化振幅応力σＵ２である。ここでは、疲労限度線図の曲線Ｑ１〜Ｑ３が、全て同一の曲線Ｑ０へ変換されている。すなわち、曲線Ｑ１〜Ｑ３の点ａ１〜点ａ３は点ａ０（−１、０）へ、点ｂ１−点ｂ３は点ｂ０（−１、１）へ、点ｅ１−点ｅ３は点ｅ０（０、１）へ、点ｃ１−点ｃ３は点ｃ０（１、１）へ、点ｄ１−点ｄ３は点ｄ０（１、０）へ変換される。そして、疲労限度線図の点Ｐ（Ｔ＝２４℃の場合）は、正規化疲労限度線図の点Ｐ_０となる。また、疲労限度線図は、材料に依らず曲線Ｑ_０となる。
これにより、σは、正規化されて無次元の量となる。そして、以降の疲労安全計算や、温度や材料の種類の異なる材料間での平均応力及び振幅応力を用いる計算において、その取り扱いが容易となる。
【００３２】
疲労限度線図から正規化疲労限度線図への変換は、変換関数ｆを用いる。例えば、点Ｐ（σ１_Ｐ、σ２_Ｐ）については、σＵ１_Ｐ＝ｆ_Ａ（σ１_Ｐ、Ｔ）、σＵ２_Ｐ＝ｆ_Ｂ（σ２_Ｐ、Ｔ）、と変換する。そして、点Ｐ_０（σＵ１_Ｐ、σＵ２_Ｐ）となる。
変換関数ｆ（σ、Ｔ）（ｆ_Ａ（σ１、Ｔ）、ｆ_Ｂ（σ２、Ｔ））は、疲労限度線図が定型でなく材料の種類毎に異なることから、材料の種類毎に設定される。
【００３３】
変換関数ｆは、例えば、以下のようにして生成される。
まず、疲労限度線図における曲線Ｑ及び各点Ｐを極座標に変換する。すなわち、曲線Ｑ上の点Ｓ（σ１_０、σ２_０）及びグラフ上の点Ｐ（σ１_Ｐ、σ２_Ｐ）について、極座標Ｓ（ｒ_０、θ_０）及び極座標Ｐ（ｒ_Ｐ、θ_Ｐ）（ただし、σ１_０、Ｐ＝ｒ_０、Ｐ・ｃｏｓθ_０、Ｐ、σ２_０、Ｐ＝ｒ_０、Ｐ・ｓｉｎθ_０、Ｐ）に変換する。
しかる後、疲労限度線図における曲線Ｑ（点Ｓ）を正規化疲労限度線図における曲線Ｑ_０（点Ｓ_０）へ変換する。その際、θ_０は、そのままとし、曲線Ｑ上の点Ｓが、曲線Ｑ_０に乗るように、ｒ_０にかける係数ｋを決定する。その結果、点Ｓは、曲線Ｑ_０上において点Ｓ_０（ｋ・ｒ_０、θ_０）となる。そして、点Ｐは、そのｋを用いて、正規化疲労限度線図において点Ｐ_０（ｋ・ｒ、θ）と変換される。
また、温度Ｔに関しては、温度が上がるほど疲労限度線図は相似的に小さくなることから、基準となる温度Ｔ_０に比較して、温度Ｔが高い場合には大きくなり、温度Ｔが低い場合には小さくなる係数ｑ（Ｔ）をかける。ｑ（Ｔ）は、各材料毎に疲労限度線図により求める。
すなわち、点Ｐ（σ１_Ｐ、σ２_Ｐ）については、点Ｐ_０（ｑ（Ｔ）・ｋ・ｒ、ｑ（Ｔ）・θ）：極座標表示＝点Ｐ_０（σＵ１_Ｐ、σＵ２_Ｐ）：σ１−σ２座標表示となる。これより、

と求まる。
ただし、ｒ＝（σ１^２＋σ２^２）^０．５
ｃｏｓθ＝σ１・（σ１^２＋σ２^２）^−０．５
ｓｉｎθ＝σ２・（σ１^２＋σ２^２）^−０．５
である。
【００３４】
なお、本発明における変換関数ｆは、上記例に制限されることは無く、疲労限度線図を図２の右側のグラフのように変換可能であれば良い。
【００３５】
次に、上記の正規化疲労限度線図を用いた疲労安全率の算出方法について説明する。
図３は、正規化疲労限度線図を用いた疲労安全率の算出方法を示す図である。ここで示される正規化疲労限度線図は、図２の右側のグラフである。この図において、点Ｐ_０における疲労安全率（Ｓａｆ．）は、グラフの原点Ｏから点Ｓ_０までの距離Ａと、原点Ｏから点Ｐ_０までの距離Ｂとの比となる。すなわち、Ｓａｆ．＝Ａ／Ｂである。ただし、点Ｓ_０は、直線ＯＰ_０と曲線Ｑ_０との交点である。
【００３６】
次に、応力データテーブル３について更に説明する。
図４は、応力データテーブル３を示す図である。応力データテーブル１７は、材料の種類と、疲労限度線図（平均応力と振幅応力との関係）とを関連付けて格納している。材料１７−１、温度１７−２、平均応力１７−３、振幅応力１７−４の各項目を備える。材料１７−１は、材料の種類を示す。同一の種類で状態の異なる場合も含む。温度１７−２は、材料の温度を示す。平均応力１７−３及び振幅応力１７−４は、材料１７−１及び温度１７−２の場合の平均応力と振幅応力との関係を示す。この応力データテーブル３は、図２の左側のグラフを示す。ただし、１つの材料につき、温度１７−２のデータは、詳細に用意する必要は無く、２０℃刻み、５０℃刻み、１００℃刻み等とする。これにより、保存するデータの数を抑制できる。
【００３７】
図５は、関数テーブル１８を示す図である。関数テーブル１８は、材料の種類と、変換関数とを関連付けて格納している。
材料１８−１は、材料１７−１と同様である。変換関数Ａ１８−２及び変換関数Ｂ１８−３は、疲労限度線図上のデータを正規化疲労限度線図のデータへ変換する関数である。変換関数Ａ１８−２は、平均応力σ１用であり、変換関数Ｂ１８−３は、振幅応力σ２用である。詳細は図２において説明した通りである。
例えば、上記（図２）の例では、変換関数Ａ１８−２：ｆ_Ａ（σ１、Ｔ）＝ｑ（Ｔ）・ｋ・（σ１^２＋σ２^２）^０．５・σ１・（σ１^２＋σ２^２）^−０．５、変換関数Ｂ１８−３：ｆ_Ｂ（σ２、Ｔ）＝ｑ（Ｔ）・ｋ・（σ１^２＋σ２^２）^０．５・σ２・（σ１^２＋σ２^２）^−０．５である。
なお、変換関数Ａ１８−２及び変換関数Ｂ１８−３は、変換関数生成部１０により生成され、関数テーブル１８に格納されるが、予め用意されていても良い。その場合、後述の計算過程が一部省略できる。
【００３８】
次に、本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態の動作（疲労安全率検査方法）について説明する。
図６は、本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態の動作（疲労安全率検査方法）を示すフロー図である。
【００３９】
（１）ステップＳ０１
設計者は、ＣＡＥ解析に関連する材料を選択する。変換関数生成部１０は、その材料について、応力データベース１７（材料１７−１、温度１７−２、平均応力１７−３及び振幅応力１７−４（疲労限度線図））に基づいて、正規化疲労限度線図を生成するための変換関数Ａ及び変換関数Ｂを生成し、関数テーブル１８へ格納する。すなわち、図２の左側のグラフから図２右側のグラフを生成するための変換関数ｆ_Ａ（σ、Ｔ）及びｆ_Ｂ（σ、Ｔ）を生成し、それぞれ変換関数Ａ及び変換関数Ｂとして、関数テーブル１８へ格納する。
【００４０】
（２）ステップＳ０２
設計者は、モデル生成部１１を用いて、構造解析の対象としてのエンジンの３Ｄモデルの設計を行う。
【００４１】
（３）ステップＳ０３
設計者は、条件設定部１２を用いて、構造解析の対象としてのエンジンに関する諸条件の設定を行う。諸条件は、エンジンの運転条件及びエンジンの諸元（回転数、馬力、シリンダ内圧力など）に例示される。
【００４２】
（４）ステップＳ０４
ＦＥＭ計算部１３は、上記の３Ｄモデルを変換し、ＦＥＭモデルを生成する。そして、上記諸条件の下で、ＦＥＭモデルに基づいて、ＦＥＭ解析のためのＦＥＭ計算を実行する。ＦＥＭ計算部１３は、２種類の解析を行う。
一つ目は、テトラメッシュ化された構造体（ＦＥＭモデル）の各部の温度について、演算を実行して算出する。
二つ目は、そのテトラメッシュ化された構造体の各部の応力（平均応力、振幅応力）について、演算を実行して算出する。
【００４３】
（５）ステップＳ０５
正規化応力計算部１４は、ステップＳ０４で算出された部品に生じる応力を、部品の温度毎に、関数テーブル１８の変換関数ｆ（部品の材料と等しい材料１８−１に対応する変換関数Ａ１８−２及び変換関数Ｂ１８−３）を用いて、部品に使用された材料に関する温度毎の疲労限度線図で正規化し、正規化応力として出力する。
【００４４】
（６）ステップＳ０６
疲労安全率計算部１５は、正規化疲労限度線図とステップＳ０５で算出された正規化応力とに基づいて、図３で説明された方法により、部品の疲労安全率を算出する。そして、疲労安全率計算部１５は、表示部５に、算出された疲労安全率の値に対応した色で、各テトラメッシュを表示させる。
【００４５】
正規化疲労限度線図を用いているので、疲労安全率を容易に算出することが可能となる。また、疲労安全率に対応した表示色で表示されるので、疲労安全率に関して、機器の全体の状況を把握し易い。そして、視覚的・客観的に疲労安全率を把握することが可能となる。
【００４６】
ここで、ステップＳ０５及びステップＳ０６における、各テトラメッシュに関するデータついて更に説明する。
図７は、ステップＳ０４からステップＳ０６における各テトラメッシュのデータの変換を説明する図である。シート２１〜シート２３は、それぞれステップＳ０４からステップＳ０６でのデータを記載したシートを示す。各シートにおいて、Ｎｏｄｅは、ＦＥＭモデルにおける複数のテトラメッシュの各々を識別する番号である。σ、Ｔ、σＵ及びＳａｆは、それぞれ各テトラメッシュでの応力、温度、正規化応力及び安全率である（ただし、応力及び正規化応力は、本図では振幅応力のみを記載）。
ステップＳ０４により、ＦＥＭ解析がなされ、シート２１のような各テトラメッシュ毎のσとＴの関係が得られる。次に、そこでステップＳ０５において、各データについて変換関数ｆを用いて正規化応力の計算（σＵ＝ｆ（σ、Ｔ））がなされ、シート２２のような各テトラメッシュ毎のσＵが得られる。そして、ステップＳ０６において、疲労安全率の計算（Ｓａｆ．＝Ａ／Ｂ）がなされ、シート２３のような各テトラメッシュ毎の疲労安全率Ｓａｆ．が得られる。
【００４７】
応力データテーブル１７として、各材料毎、各温度毎に疲労限度線図（又は正規化疲労限度線図）を有しても良いが、材料の種類や温度分布が大きくなればなるほど、大規模なデータとなる。そのため、システムインフラが膨大となり、アクセス時間も増大してしまう。
しかし、本発明では、各温度毎にデータを持つのではなく、変換関数ｆを使用して、正規化疲労限度関数を算出する。従って、大規模なデータを持つ必要が無く、システムの増加を抑制できる。
【００４８】
また、本発明では、正規化疲労限度線図の曲線Ｑ_０は、疲労限度値が１となるようにしているので、曲線Ｑ_０との比較により、数値的に疲労安全率を容易に把握することが出来る。
【００４９】
本発明では、材料及び温度に依存する疲労限度線図を正規化することにより、材料や温度に依らない疲労限度線図を算出するので、それ以降の応力に関するデータの取り扱いを容易に行うことができる。
【００５０】
本発明により、ＣＡＥ計算を用いた機器の疲労安全率の評価が、設計構想段階で可能となる。それにより、機器の初期設計での品質が向上するので、耐久性試験での異常が大幅に減少し、設計及び開発かかるコストを低減することが可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により、自動処理により各部位の疲労安全率を高速かつ正確に算出することができ、設計及び開発の効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態における構成を示す図である。
【図２】疲労限度線図及びそれを正規化した正規化疲労限度線図の一例を示すグラフである。
【図３】正規化疲労限度線図を用いた疲労安全率の算出方法を示す図である。
【図４】応力データテーブルを示す図である。
【図５】関数テーブルを示す図である。
【図６】本発明である疲労安全率検査装置の実施の形態の動作（疲労安全率検査方法）を示すフロー図である。
【図７】各テトラメッシュのデータの変換を説明する図である。
【符号の説明】
２ ＣＰＵ
３ 記憶部
４ メモリ
５ 表示部
６ 入力部
１０ 変換関数生成部
１１ モデル生成部
１２ 条件設定部
１３ ＦＥＭ計算部
１４ 正規化応力計算部
１５ 疲労安全率計算部
１７ 応力データテーブル
１７−１ 材料
１７−２ 温度
１７−３ 平均応力
１７−４ 振幅応力
１８ 関数テーブル
１８−１ 材料
１８−２ 変換関数Ａ
１８−３ 変換関数Ｂ
２１ シート
２２ シート
２３ シート

Claims (11)

1. 平均応力と振幅応力との関係で示された材料の疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である正規化疲労限度に変換する変換関数と、
   部品に生じる応力を、前記部品に使用された材料の前記変換関数で変換し、正規化応力として出力する正規化応力計算部と、
   前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出する疲労安全率計算部と、
   を具備する、
   疲労安全率検査装置。
2. 前記変換関数を格納する関数テーブルを更に具備する、
   請求項１に記載の疲労安全率検査装置。
3. 前記疲労限度を有する応力データテーブルと、
   前記疲労限度に基づいて、前記変換関数を生成する変換関数生成部と、
   を更に具備し、
   前記変換関数生成部は、生成した前記変換関数を前記関数テーブルへ格納する、
   請求項２に記載の疲労安全率検査装置。
4. 平均応力と振幅応力との関係で示された材料の温度毎の疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である、温度に依らない正規化疲労限度に変換する変換関数と、
   部品に生じる応力を、前記部品の温度毎に、前記部品に使用された材料の前記変換関数で変換し、正規化応力として出力する正規化応力計算部と、
   前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出する疲労安全率計算部と、
   を具備する、
   疲労安全率検査装置。
5. 前記変換関数を格納する関数テーブルを更に具備する、
   請求項４に記載の疲労安全率検査装置。
6. 前記温度毎の前記疲労限度を有する応力データテーブルと、
   前記温度毎の前記疲労限度に基づいて、前記変換関数を生成する変換関数生成部と、
   を更に具備し、
   前記変換関数生成部は、生成した前記変換関数を前記関数テーブルへ格納する、
   請求項５に記載の疲労安全率検査装置。
7. 前記応力は、前記部品に生じる平均応力及び振幅応力であり、
   前記疲労限度は、許容平均応力と許容振幅応力とで表される、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の疲労安全率検査装置。
8. （ａ）部品に生じる応力を取得するステップと、
   （ｂ）前記部品に用いる材料の、平均応力と振幅応力との関係で示された疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である正規化疲労限度に変換する変換関数を算出するステップと、
   （ｃ）前記応力を前記変換関数で変換して正規化応力を算出するステップと、
   （ｄ）前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出するステップと、
   を具備する、
   疲労安全率検査方法。
9. （ｇ）部品に生じる応力と前記部品の温度を取得するステップと、
   （ｈ）前記部品に用いる材料の、平均応力と振幅応力との関係で示された温度毎の疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である、温度に依らない正規化疲労限度に変換する変換関数を算出するステップと、
   （ｉ）前記応力を前記変換関数で変換して正規化応力を算出するステップと、
   （ｊ）前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出するステップと、
   を具備する、
   疲労安全率検査方法。
10. （ａ）部品に生じる応力を取得するステップと、
    （ｂ）前記部品に用いる材料の、平均応力と振幅応力との関係で示された疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である正規化疲労限度に変換する変換関数を算出するステップと、
    （ｃ）前記応力を前記変換関数で変換して正規化応力を算出するステップと、
    （ｄ）前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出するステップと、
    （ｅ）前記正規化疲労限度、前記正規化応力及び前記疲労安全率の少なくとも一つを、表示装置に表示するステップと
    を具備する疲労安全率検査方法コンピュータに実行させるためのプログラム。
11. （ｍ）部品に生じる応力と前記部品の温度を取得するステップと、
    （ｎ）前記部品に用いる材料の、平均応力と振幅応力との関係で示された温度毎の疲労限度を、正規化振幅応力が０のときの正規化平均応力が±１であり、−１＜正規化平均応力＜１のときの正規化振幅応力が１である、温度に依らない正規化疲労限度に変換する変換関数を算出するステップと、
    （ｏ）前記応力を前記変換関数で変換して正規化応力を算出するステップと、
    （ｐ）前記正規化疲労限度と前記正規化応力とに基づいて、前記部品の疲労安全率を算出するステップと、
    （ｑ）前記正規化疲労限度、前記正規化応力及び前記疲労安全率の少なくとも一つを、表示装置に表示するステップと、
    を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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