新技術説明会　様式例

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ゆあふしはら
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1 別紙 5 機械製品の疲労寿命予測のための X 線 3 次元残留応力推定法工学院大学工学部機械システム工学科助教小川雅平成 30 年 12 月 4 日 1

2 疲労破壊ある日, 突然破壊する 1985 年日航機墜落 2007 年エキスポランドジェットコースター脱輪メカニズムは多く解明済み静的破壊 : 13% 腐食破裂等 : 3% SCC 遅れ破壊 : 5% 熱腐食転動疲労 : 11% 低サイクル疲労 : 8% 疲労 : 58% 破損原因の多く機械製品の破損原因損傷が局所的でありリアルタイムで検出困難いつ壊れるのか不明静的破壊 : 大きい力が 1 回だけ作用疲労破壊 : 小さい力が繰り返し作用長く, 安全に使いたい余寿命を知りたい図の出典 : CAE 技術者のための情報サイト 2

3 き裂長さ余寿命評価 = き裂検出 + 進展速度評価 a 2 a 2 : 破壊誘発長さ a 1 A B 要補修 a 1 : 補修の目安 0 今回の検査次回の検査時間現在現在のき裂長さで判断 A を補修 : 非経済的 B を放置 : 危険将来将来のき裂長さで判断 A を放置 : 経済的 B を補修 : 安全き裂進展速度を知るには,3 次元応力の評価が必要 3

4 3 次元応力分布の非破壊評価応力 A. 外部応力 : 有限要素法 (FEM) により, 大規模かつ高精度な 3 次元応力の評価が可能 B. 残留応力 : 外から力を加えなくても, 内部に残留している応力溶接 : 残留応力が大用途疲労の特大影響因子圧力容器クレーンなどの大型機器自動車船舶などの輸送機器等々溶接接合は職人技で, 個体差が大有限要素法溶接接合溶接シミュレーション : 推定精度が低, 計算コストが高 3 次元の残留応力分布を非破壊に評価したい 4

5 実測に基づく 3 次元残留応力評価法残留応力評価法 X 線回折中性子回折 3 次元現場利用非破壊表面のみ専用施設のみ切断法破壊を伴う本手法中性子を用いず,X 線回折による実測データから 3 次元残留応力を推定する ( 特許 : 2 件 ) 5

6 本手法の特徴と実施方法新たな装置が不要 : X 線装置は既に現場利用済み X 線回折パラメータの設定が容易 : 材質 ( ヤング率, ポアソン比 ), 寸法計算コストが低い : FEMの弾性計算のみ溶接平板特許第号余盛 1. X 線回折 3. X 線回折余盛止端 2. 余盛の除去特許第号溶接 : より多くの測定データを使用できる 6

7 切断法上田ら, 1975 年切断 [ 原因 ] [ 結果 ] 順解析 FEM モデルに固有ひずみを入力 3 次元切断固有ひずみ ( 永久ひずみ ) 3 次元逆解析残留応力弾性ひずみ差表面外力を除去しても残るひずみひずみゲージで測定 3 次元の固有ひずみを表面の弾性ひずみの差から推定図の出典 : M. E. Kartal et al., Acta Materialia, Vol. 56, (2008), pp

8 本手法日本機械学会賞 ( 論文 ) [ 原因 ] [ 結果 ] 順解析 3 次元 FEM モデルに固有ひずみを入力固有ひずみ 3 次元 ( 永久ひずみ ) 逆解析残留応力弾性ひずみ表面外力を除去しても残るひずみ X 線回折で測定切断不要 3 次元の固有ひずみを表面の弾性ひずみから推定図の出典 : M. E. Kartal et al., Acta Materialia, Vol. 56, (2008), pp

単位固有ひずみ溶接固有ひずみの関数表現溶接継手 9 y=0 mm 表面の情報から, 全域の固有ひずみを推定 (2D) (3D) 計測数計測数 < > 未知数推定精度 : 低関数表現未知数推定精度 : 高 y 方向固有ひずみは溶接線 (y=0) の近傍に集中 0.

9 単位固有ひずみ溶接固有ひずみの関数表現溶接継手 9 y=0 mm 表面の情報から, 全域の固有ひずみを推定 (2D) (3D) 計測数計測数 < > 未知数推定精度 : 低関数表現未知数推定精度 : 高 y 方向固有ひずみは溶接線 (y=0) の近傍に集中 p = -5.0 q 1 = 0.60 q 2 = 0.40 q 3 = 0.30 q 4 = y [mm] ロジスティック関数表現 z x y 溶接線 : y=0 mm 切断法の結果固有ひずみ 9

10 10 Al 合金の摩擦攪拌接合 (FSW 接合 ) 材料に対する残留応力の完全非破壊評価研究協力者関根真吾 ( 横浜国立大学, 学部 4 年 ( 当時 )) A.M. Korsunsky(University of Oxford, Professor) 回転溶接線回転ツールプローブ攪拌部接合材板の移動 10

11 FSW 試験片 FSW 接合条件板厚 : 5mm 材質 : A6061 FSW 接合の終端部 360 80 110 試験片 x 33 y 240 接合速度 : 400 mm/min

11 11 FSW 試験片 FSW 接合条件板厚 : 5mm 材質 : A6061 FSW 接合の終端部試験片 x 33 y 240 接合速度 : 400 mm/min 押し付け推力 8 kn プローブ回転速度 2500 min -1 プローブ傾斜角なし (0 ) 放電加工切断単位 : mm FSW 接合前に, 応力除去焼きなましを施した摩擦攪拌接合材 11

12 12 X 線回折による表面残留応力の計測摩擦攪拌部 X 線回折による測定条件 x y プローブ挿入側 (z=5 mm) 単位 : mm 装置測定方法線源管電圧管電流マックサイエンス製 M21X-NS 並傾法側傾法 sin 2 ψ 法 Cr 40 kv 200 ma 回折角 (2θ 0 ) 入射角 (ψ) 照射面積 mm 2 mm 12

13 13 推定値と実測値との比較 (z=0 mm) 40 固有ひずみの溶接線方向分布, および厚さ方向分布は考慮していない. 110 x z y x=55 mm 下面実測値推定値 (s x ) 実測値 (s y ) 推定値推定精度 : 最大誤差 ±50 MPa 程度 13

14 14 推定値と実測値との比較 (z=0 mm) 40 固有ひずみの溶接線方向分布, および厚さ方向分布は考慮していない. 110 x z y y=0 mm 下面実測値推定値実測値推定値 (s x ) (s y ) 推定精度 : 最大誤差 ±30 MPa 程度 14

15 15 謝辞本研究の実施に際し,( 公財 ) 東燃ゼネラル石油研究奨励財団, ( 公財 ) マザック財団より研究助成を賜りました. 本研究は JSPS 科研費 ,17K06044 の助成を受けたものです. ここに感謝の意を表します. 15

16 SCC き裂進展速度評価のための溶接配管への適用 16

17 機械構造物の信頼性の向上を目指して研究目的数値解析により,X 線回折を用いた 3D 残留応力推定法を溶接配管に適用し, その有効性を示す. 本研究の意義 1.SCC き裂進展速度の予測精度が向上より長く, 安全に稼働できる 2. 熱弾塑性 FEM 解析の結果を担保定性評価 : 溶接シミュレーション定量評価 : 本手法 ( 現場利用可 ) 17

18 本手法の推定精度の評価方法比較 Exact eigen-strains e * q 実験値順解析残留応力 ( 正解 ) 弾性ひずみ ( 正解 ) Estimated eigen-strains e * q z [mm] 固有ひずみ ( 正解 ) 3D z [mm] 固有ひずみ ( 推定 ) 逆解析順解析 + 測定誤差 8 通り表面計測弾性ひずみ 3D 残留応力 ( 推定 ) 8 通り 18

FEM モデル (1/6) 節点数 : 4000 要素数 : 2976 ヤング率 : E = 2.00 10 5 MPa ポアソン比 : n = 0.

19 FEM モデル (1/6) 節点数 : 4000 要素数 : 2976 ヤング率 : E = MPa ポアソン比 : n = 0.3 z z=0 mm (Weld line) r=57 mm (Outer surface) r=49 mm (Inner surface) 8 q =0 z=0 余盛除去済 q q =120 5 r z Unit: [mm] 19

20 X 線回折による計測位置 ( 外表面 ) z=0 8 r q z 計測点数 : 25 行 8 列 = 200 各点で e q と e z を計測 q z z= 0, 2, 4, 12, 14 mm q = 5 q = 10 q = 15 q = 20 q = 115 計測誤差 : 標準偏差 150m の正規分布に従う乱数 q = 0 q =

21 8 r=57 mm r=49 mm 残留応力の推定結果 (s q ) 正解 q=0 degree, z=0 mm r q z z=0 mm 推定 (8 通りの計測誤差 ) ( 内表面 ) ( 外表面 ) 残留応力の正解と推定値外表面では計測を行っているため, 推定精度が高い 21

22 8 r=57 mm r=49 mm 残留応力の推定結果 (s z ) 正解 q=0 degree, z=0 mm q 推定 (8 通りの計測誤差 ) r z z=0 mm ( 内表面 ( 外表面 ) ) ( 外表面 ) 残留応力の正解と推定値 σ z は比較的高い推定精度を得た 22

23 残留応力の推定結果 (r=49 mm, q=0 degree) s q 推定 (8 通りの計測誤差 ) z=0 mm mm r=49 mm ( 内表面 ) 正解 s z 推定 (8 通りの計測誤差 ) 推定精度およそ ±100MPa 正解 23

24 謝辞本研究を行うにあたり, 一般社団法人溶接協会より研究助成を賜りました. 工学院大学教授大石久己先生には, 研究環境におけるご支援を賜りました. ここに感謝の意を表します. 24

25 本手法 : 本手法の適用範囲残留応力の原因となる非弾性ひずみを推定部材表面の計測情報 (2D) から全域 (3D) を推定理論的には, 材質 ( ヤング率, ポアソン比 ) と形状が既知であれば推定可能. 推定精度を確保するためには, 非弾性ひずみの発生位置がある程度特定できている必要がある. 溶接, 溶射, 表面改質材など 25

26 想定される用途応力腐食割れ環境下の溶接配管における余寿命評価配管外表面の計測値から全域の残留応力分布を評価航空機材料の加工後の残留応力評価溶射など, 表面改質材の残留応力評価各種施工方法と残留応力との関係を明らかにすることで, 残留応力を低減させることのできる施工方法を検討する. 異材接合材 ( 溶接, 溶射等 ) の残留応力評価応力除去焼きなまし条件は材質に依存するため, 異材接合材の残留応力除去は難しい 26

27 実用化に向けた課題現在, 手法の実証実験段階である. 自動溶接接合平板 ( 溶接揺動なし ) に対して, 溶接残留応力を推定できている. ある程度推定精度が得られると考えているのは, 以下の通りである. スポット溶接材, 溶射材, 溶接配管, 表面改質材など 27

28 企業への期待 3 次元残留応力評価に関するご要望を賜りたい. どんな部材の残留応力が知りたいか? 必要な推定精度はどの程度か? 可能であれば, 供試材を提供していただきたい. 28

29 特許 (1) 本技術に関する知的財産権発明の名称 : 残留応力推定方法残留応力推定システムおよびプログラム登録番号 : 出願人 : 特許第号工学院大学発明者 : 小川雅特許 (2) 発明の名称 : 残留応力推定方法ひずみ推定方法残留応力推定システムひずみ推定システムおよびプログラム登録番号 : 出願人 : 特許第号工学院大学発明者 : 小川雅 29

30 産学連携の経歴 2012 年年 S 社と共同研究実施 2014 年年 JST 若手研究 (B) に採択 2013 年年 D 社と共同研究実施 2016 年 ~ M 社と共同研究実施 2017 年年 JST 基盤研究 (C) に採択 30

31 お問い合わせ先工学院大学研究戦略部研究推進課西原卓哉 TEL FAX sangaku@sc.kogakuin.ac.jp 31

平成 23 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (23 年度採用分 ) 21 計測ひずみによる CFRP 翼構造の荷重応力同定と損傷モニタリング東北大学福永久雄ひずみ応答の計測データ静的分布荷重同定動的分布荷重同定ひずみゲージ応力ひずみ分布の予測 or PZT センサ損

平成 23 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (23 年度採用分 ) 21 計測ひずみによる CFRP 翼構造の荷重応力同定と損傷モニタリング東北大学福永久雄ひずみ応答の計測データ静的分布荷重同定動的分布荷重同定ひずみゲージ応力ひずみ分布の予測 or PZT センサ損平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 1 計測ひずみによる CFRP 翼構造の荷重応力同定と損傷モニタリング東北大学福永久雄ひずみ応答の計測データ静的分布荷重同定動的分布荷重同定ひずみゲージ応力ひずみ分布の予測 or PZT センサ損傷発生位置の推定発表内容 (1 荷重同定 1:11 点衝撃荷重同定 ( 荷重同定 : 分布荷重同定 (3 今後の予定

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