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
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 http://jikosoft.com/cae/engineering/strmatf02.html 2
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
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
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
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 6283866 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 6163643 号 溶接 : より多くの測定データを使用できる 6
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. 4417-4428. 7
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. 4417-4428. 8
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 0.0-0.25-0.50-0.75 p = -5.0 q 1 = 0.60 q 2 = 0.40 q 3 = 0.30 q 4 = 0.25-1.00 0 10 20 30 40 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 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 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 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 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 y 0 4 8 13 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 ) 139.37 入射角 (ψ) 照射面積 0 18.4 26.6 33.2 39.2 45.0 2 mm 2 mm 12
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 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 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 26820005,17K06044 の助成を受けたものです. ここに感謝の意を表します. 15
SCC き裂進展速度評価のための 溶接配管への適用 16
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
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 = 0.3 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 120 8 q q =120 5 r z Unit: [mm] 19
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 = 120 20
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
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
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 120 120 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
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
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
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
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
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
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 6283866 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 6163643 号 工学院大学 発明者 : 小川雅 29
産学連携の経歴 2012 年 -2015 年 S 社と共同研究実施 2014 年 -2017 年 JST 若手研究 (B) に採択 2013 年 -2015 年 D 社と共同研究実施 2016 年 ~ M 社と共同研究実施 2017 年 -2020 年 JST 基盤研究 (C) に採択 30
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 03-3340 - 3440 FAX 03-3342 - 5304 e-mail sangaku@sc.kogakuin.ac.jp 31