JP5710997B2 - 疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法 - Google Patents
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Description
グラフを作成する工程でひずみ変化量−温度変化量曲線(図1(c))を作成する。
、疲労限度に相当する負荷荷重A1’、A2’を適正に求めることが可能になる。例えば、図2(b)のグラフでは400サイクル以上で温度変化量が一定状態になるため、適応範囲サイクル数は400サイクル以上と特定される。次に、特定された400サイクル以上の範囲の画像を用いて、応力周波数成分の2倍の周波数で高速フーリエ変換による画像処理が行われる。高速フーリエ変換により処理されたデータは図1(d)と同様に示され、グラフ中の少なくとも3点以上を用いて最小二乗法による統計処理を行うことで数本の近似直線B、Cが引かれる。最も散逸エネルギーが低い状態を示す近似直線Aを基準とすると、引かれた数本の近似直線が近似直線Aとそれぞれ交わる交点A1、A2から疲労限度に相当する負荷荷重A1’、A2’が得られる。
労限度に相当する負荷荷重A1’、A2’が得られる。
図10に示されるように、分散A’nと分散B’N−nの和が最小を満たすnによって決定される少なくとも2本以上の近似線の交点により疲労限度を精度よく求めることができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法を説明する。図11は、本発明の実施の形態1に係る疲労限度特定システムを示す図である。図11において、高精度赤外線カメラ(以下、単に赤外線カメラと記す)1cは、疲労試験器1aに固定した測定対象物1bの温度を測定する。なお、赤外線カメラ1cとしては、Cedip社のSilver 480Mを用いた。赤外線カメラ1cで測定した温度画像は、高速フーリエ変換手段を有する情報処理装置1dでデータ処理される。情報処理装置1dには、モニタ1eが接続されている。また、疲労試験機1aとしては、油圧サーボ疲労試験機(島津製作所,サーボパルサ,10kN)を用いた。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.5kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、図12に測定対象物1bである試験片を疲労試験機1aに固定した状態を示す。図13は、曲率半径rh0を有する測定対象物1bである試験片の形状及び寸を示す図である。図13において、Bは試験片の幅、dは切欠き深さ(ノッチ)、bは応力集中部の最小断面の幅の半分、tは厚みである。
ΔT:温度変化量
2b:外的要因(風や周囲の温度変化)
Tc:熱の伝導(温度の高い箇所と低い箇所が均一化を図る働き)
2c:散逸エネルギー(繰り返しサイクルにおける温度上昇量)
2a:熱弾性効果
は、ヒステリシスループの面積変化率が試験片に加える応力または荷重の繰返し数に依存して変化する荷重範囲(ここでは6.0kN〜8.5kNの範囲)でプロットしたものである。図15(c)の結果から、ヒステリシスループの面積変化率が10%を超えると、推定される疲労限度が減少し、安全面から考えると危険側の推定になること確認された。従って、正しい疲労限度5.7kNを精度よく求めることができるのは、ヒステリシスループの面積変化率が10%以下のときである。
態を見つけることができる。すなわち、疲労限度以上の荷重または応力で繰り返し数が少ないときには実線で示す波形の形状が変化する。一方、繰り返し数が増加し、塑性シェークダウン状態の安定状態になると実線で示す波形の形状が繰り返し回数に係わらず一定になる。この波形の形状をモニタリングし、数百サイクル毎に波形形状の相関係数を求め、相関係数が0.7以上になれば測定可能サイクル数として使用可能と判断できる。更に高精度で測定するためには、この相関係数を高く設定すればよいことは明らかである。
本発明の実施の形態2における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。図11は、本発明の実施の形態2に係る疲労限度特定システムを示す図である。疲労限度特定システムの構成は、実施の形態1と同様である。図11において、高精度赤外線カメラ(以下、単に赤外線カメラと記す)1cは、疲労試験器1aに固定した測定対象物1bの温度を測定する。なお、赤外線カメラ1cとしては、Cedip社のSilver 480Mを用いた。赤外線カメラ1cで測定した温度画像は、高速フーリエ変換手段を有する情報処理装置1dでデータ処理される。情報処理装置1dには、モニタ1eが接続されている。また、疲労試験機1aとしては、油圧サーボ疲労試験機(島津製作所,サーボパルサ,10 kN)を用いた。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.5kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、図12に測定対象物1bである試験片を疲労試験機1aに固定した状態を示す。図13は、曲率半径rh0を有する測定対象物1bである試験片の形状及び寸を示す図である。図13において、Bは試験片の幅、dは切欠き深さ(ノッチ)、bは応力集中部の最小断面の幅の半分、tは厚みである。
うな条件を満たす400サイクル以上で測定されたデータをもとに信号処理によって求められる散逸エネルギーを荷重ごとにプロットしたものである。また、図16(e)には、参考のため適正測定条件範囲である400サイクル未満の結果もプロットしている。
本発明の実施の形態3における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。図11は、本発明の実施の形態3に係る疲労限度特定システムを示す図である。疲労限度特定システムの構成は、実施の形態1と同様である。図11において、高精度赤外線カメラ(以下、単に赤外線カメラと記す)1cは、疲労試験器1aに固定した測定対象物1bの温度を測定する。なお、赤外線カメラ1cとしては、Cedip社のSilver 480Mを用いた。赤外線カメラ1cで測定した温度画像は、高速フーリエ変換手段を有する情報処理装置1dでデータ処理される。情報処理装置1dには、モニタ1eが接続されている。また、疲労試験機1aとしては、油圧サーボ疲労試験機(島津製作所,サーボパルサ,10 kN)を用いた。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.5kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、図12に測定対象物1bである試験片を疲労試験機1aに固定した状態を示す。図13は、曲率半径rh0を有する測定対象物1bである試験片の形状及び寸を示す図である。図13において、Bは試験片の幅、dは切欠き深さ(ノッチ)、bは応力集中部の最小断面の幅の半分、tは厚みである。
本発明の実施の形態4における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態4の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
ーリエ変換することにより抽出した散逸エネルギー画像である。図18(a)と同様に、図19(a)の白四角で示される領域の温度変化量が最も高い領域(すなわち、散逸エネルギーの最も高い領域)を示し、切欠き底から0.5mmの位置に相当する。散逸エネルギーの温度変化分布は、切り欠き底近傍の白四角が最も高く、切り欠き底から離れるに従って低下する。抽出する位置によって散逸エネルギーによる疲労限度特定精度にどのような影響を与えるかを調べるために、散逸エネルギーの抽出位置を切欠き底からの位置0.5mm、1.0mm、2.0mmで、荷重を増加させながら発生応力の3倍の周波数成分で高速フーリエ変換による画像を撮影し解析した。
本発明の実施の形態5における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態5の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
5mmの位置に相当する。散逸エネルギーの温度変化分布は、切り欠き底近傍の白四角が最も高く、切り欠き底から離れるに従って低下する。図20(b)は、横軸に荷重、縦軸に温度差をプロットした図である。図20(b)のデータで、白丸は散逸エネルギーが最も高い範囲である切り欠き底近傍0.5mmの位置の平均温度の差をプロットした結果である。この結果から疲労限度を推定すると、疲労試験から求めた疲労限度である5.7kNと一致し、平均温度の差を用いても疲労限度が推定できることが証明された。
本発明の実施の形態6における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態6の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、5.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、2.0mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
本発明の実施の形態7における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態7の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
kNに相当する。図22(b)の適応範囲内のデータを用いて推定した疲労限度は6.4kN、疲労試験から求めた疲労限度6.4kNと一致する。
本発明の実施の形態8における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態8の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
した図であり、2倍の周波数で高速フーリエ変換した温度変化量が急激に低下、または荷重を増加させても比例して増加しない場合の図である。2倍の周波数で高速フーリエ変換した温度変化量が急激な増減を伴わない範囲(適応範囲α)のデータを用いて近似線を引いた場合と、2倍の周波数で高速フーリエ変換した温度変化量が急激な増減を伴う範囲(適応範囲外)のデータも含めて近似線を引いた場合に、疲労限度の値がどのように変わるかを比較した。2倍の周波数で高速フーリエ変換した温度変化量が急激な増減を伴わない範囲(適応範囲α)は横軸に主応力和、縦軸に散逸エネルギーをプロットした図8(b)から判断され、主応力和825MPaで図23(b)の8.3kNの試験機荷重に相当する。図23(b)の適応範囲内のデータを用いて推定した疲労限度は応力597MPa、荷重6.4kNとなり、疲労試験から求めた疲労限度6.4kNと一致する。
本発明の実施の形態9における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態9の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0=2.0mm、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmの切欠きを有するSUS304の試験片を使用した。
ながら求めた近似線An、BN−nの交点に相当する荷重を横軸に、各近似線An、BN−nの分散A’nとB’N−nの和を縦軸にプロットすると図24(b)のように描くことができる。このときの分散A’nとB’N−nは、各々式(1)で計算される。
本発明の実施の形態10における疲労限度特定システムおよび疲労限度特定方法の概要を説明する。実施の形態10の疲労限度特定システムとしては、図11を用いて、図12に示されるように疲労試験機1aに測定対象物1bを固定して行った。疲労試験機1aの荷重振幅は、荷重制御により0kN〜8.0kNまで0.5kN毎に引張荷重を変えて測定した。測定周波数は25Hz一定とした。また、測定対象物1bとしては、図13に示される形状の曲率半径rh0を0.1mm〜5.0mmまで変化させ、試験片の幅B=15mm、切欠き深さ(ノッチ)d=2.5mm、応力集中部の最小断面の幅2b=6.0mm、厚み3.0mmは一定として、切欠き深さ(ノッチ)dは曲率半径の寸法に合わせて変えたSUS304の試験片を使用した。図13に示される形状の曲率半径rh0を0.1mm〜5.0mmまで変化させることにより塑性範囲を変化させ、塑性範囲にあたる面積と赤外線カメラの1画素の大きさがどのように影響するかを検討した。図25(a)に、試験片の切欠き部分の塑性範囲と赤外線カメラの1画素の大きさの関係を示す。なお、塑性範囲および1画素の大きさについては、試験片の切欠き部分の曲率半径を基準として求めた。
K=σm/σ0 ・・・・・・・・・・・(式3)
σm:最大応力(切欠き底) σ0:公称応力(切欠きの無い場合の応力)
に特別なモデルを用意する必要があるため溶接や締結部のように個体差が大きいものを忠実にモデル化するのに適していない。ひずみゲージ法による測定は、簡易かつ高精度に評価可能だが応力分布を求めるために測定点数を多くする必要があり計測器など大掛かりな測定になる。一方、赤外線応力測定法は、特別なモデルを用意する必要もなく、材質に関係なく非接触で測定できるため製品や部品など実稼動状態で実用的な測定が可能であるが、切欠きの曲率半径の小さなものに対しては熱弾性効果を適応できる断熱条件が成立する範囲が狭くなるために最大応力が低く測定され、応力集中係数も低くなる。
て適応可能な材料について説明する。図29は、測定対象物の主成分が鉄であって、特に炭素鋼(SPCC)、オーステナイト系ステンレス鋼である材料から構成される測定対象物についての測定結果を示す図である。図29を用いて、各材料について、赤外線カメラによる散逸エネルギーの変曲点と、疲労試験による疲労SN曲線から求めた疲労限界荷重とを比較した。各実施の形態に係る疲労限度特定システムでは、赤外線カメラ1c(Cedip社のSilver 480M)を用い、得られた画像を高速フーリエ変換(FFT)を使用して画像処理を行った。また、疲労試験機1aとしては、油圧サーボ疲労試験機(島津製作所,サーボパルサ,10 kN)を用いた。なお、このとき用いた測定対象物1bである試験片の切り欠き部分の曲率半径と応力集中係数とは、図29に示す通りである。
イオ技術の適応等が可能性としてありえる。
1a 油圧サーボ疲労試験機
1b 試験片
1c 赤外線カメラ
1d 情報処理装置(画像処理用PC)
1e モニタ
2a 加振周波数と同一周波数の繰り返し温度変化
2b 外乱の温度変化
2c 材料内部のエネルギー散逸によって平均温度
Claims (8)
- 疲労限度特定システムであって、
測定対象物に対して応力を繰り返し加える加振機と、
前記測定対象物の微小な温度変化を測定し、前記測定対象物の温度画像を得る赤外線サーモグラフィ装置と、
前記赤外線サーモグラフィ装置から得た前記測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置とを備え、
前記情報処理装置は、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、前記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、ひずみ量に対する温度変化量の関係が閉じたヒステリシスループ状態でかつ前記ヒステリシスループの面積が一定状態になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定システム。 - 疲労限度特定システムであって、
測定対象物に対して応力を繰り返し加える加振機と、
前記測定対象物の微小な温度変化を測定し、前記測定対象物の温度画像を得る赤外線サーモグラフィ装置と、
前記赤外線サーモグラフィ装置から得た前記測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置とを備え、
前記情報処理装置は、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、前記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、応力振幅の2倍の繰返し周波数成分が一定変化率になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定システム。 - 疲労限度特定システムであって、
測定対象物に対して応力を繰り返し加える加振機と、
前記測定対象物の微小な温度変化を測定し、前記測定対象物の温度画像を得る赤外線サーモグラフィ装置と、
前記赤外線サーモグラフィ装置から得た前記測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置とを備え、
前記情報処理装置は、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、前記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、応力振幅の1倍もしくは3倍の繰返し周波数成分が一定変化率になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定システム。 - 前記疲労限度を特定する工程は、前記散逸エネルギーを測定する工程で処理された温度画像の温度変化量が最大を示す領域の応力に対する温度変化量をプロットしたグラフにおいて、全データ数をNとして、N−n>1のデータ範囲で最小二乗法により統計処理された近似線Anおよび近似線BN−nの分散をそれぞれA’n、B’N−nとし、前記分散A’nと前記分散B’N−nの和が最小を満たすnによって決定される少なくとも2本以上の近似線の交点により、前記疲労限度を求めることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の疲労限度特定システム。
ただし、n=3、4、・・・・、N−n>1である。 - 赤外線サーモグラフィ装置から得た測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置が実施する方法であって、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、前記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、ひずみ量に対する温度変化量の関係が閉じたヒステリシスループ状態でかつ前記ヒステリシスループの面積が一定状態になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定方法。 - 赤外線サーモグラフィ装置から得た測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置が実施する方法であって、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、応力振幅の2倍の繰返し周波数成分が一定変化率になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定方法。 - 赤外線サーモグラフィ装置から得た測定対象物の温度画像を処理する情報処理装置が実施する方法であって、
前記測定対象物の散逸エネルギーを測定する工程と、前記測定対象物の応力集中係数を評価する工程と、前記応力集中係数を評価する工程から得られた応力集中係数の値と、前記散逸エネルギーを測定する工程から得られた測定結果から疲労限度を特定する工程とを有し、
前記散逸エネルギーを測定する工程は、前記測定対象物に対して一定の繰返し外力を作用させた場合に、主応力和が最大を示す領域において、応力振幅の1倍もしくは3倍の繰返し周波数成分が一定変化率になるまで繰返し加振させた安定状態で、前記散逸エネルギーを測定する、疲労限度特定方法。 - 前記疲労限度を特定する工程は、前記散逸エネルギーを測定する工程で処理された温度画像の温度変化量が最大を示す領域の応力に対する温度変化量をプロットしたグラフにおいて、全データ数をNとして、N−n>1のデータ範囲で最小二乗法により統計処理された近似線Anおよび近似線BN−nの分散をそれぞれA’n、B’N−nとし、前記分散A’nと前記分散B’N−nの和が最小を満たすnによって決定される少なくとも2本以上の近似線の交点により、前記疲労限度を求めることを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載の疲労限度特定方法。
ただし、n=3、4、・・・・、N‐n>1である。
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2011
- 2011-02-04 JP JP2011023382A patent/JP5710997B2/ja active Active
Cited By (1)
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CN110100164A (zh) * | 2016-12-26 | 2019-08-06 | 松下知识产权经营株式会社 | 疲劳限度应力确定***、疲劳限度应力确定装置以及疲劳限度应力确定方法 |
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JP2012163420A (ja) | 2012-08-30 |
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