損傷評価装置及び損傷評価方法
【課題】実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、任意の条件下における損傷発生の有無を評価することを可能とすること。
【解決手段】構造データと、温度データと、材料データと、解析条件と、に基づいて、摩擦圧接される構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出し、各経過時間の各要素について、ＦＥＭ解析によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応する引張強度よりも大きいか否か判定し、応力が引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、応力が引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する。
【解決手段】構造データと、温度データと、材料データと、解析条件と、に基づいて、摩擦圧接される構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出し、各経過時間の各要素について、ＦＥＭ解析によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応する引張強度よりも大きいか否か判定し、応力が引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、応力が引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物が損傷を生じるか否かについての評価、特に摩擦圧接された構造物がその後の経過において損傷を生じるか否かについての評価を行う損傷評価装置及び損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、航空エンジンのシャフトの製造などにおいて、金属部材と金属部材とを接合する方法として摩擦圧接が用いられている。摩擦圧接とは、摩擦熱によって金属部材同士を接合する溶接法の一種であり、異種金属同士や非鉄金属を接合することができるなどのメリットがある。
【０００３】
摩擦圧接では、接合させる金属部材の接合面同士を回転させて摩擦力による摩擦熱を発生させるため、接合面付近は非常に高温となる。金属は温度が高温になるにしたがって強度が低下する。また、摩擦圧接では、圧力をかけて接合させる金属部材同士を圧迫するため、接合面付近には押しつけ応力が生じる。そのため、高温になって強度が低下した結果、押しつけ応力によって金属部材に割れなどの損傷が発生する場合がある。
【０００４】
従来は、このような損傷が生じないような摩擦圧接のパラメータ（回転数、押しつけ力、接合面の表面状態など）を調べるために、様々なパラメータで実際の金属部材を用いた実験を繰り返し行い、損傷が発生しないパラメータを探していた。
【０００５】
なお、上述した航空エンジンなどの構造物についての解析シミュレーション技術は従来から提案されている。例えば、航空エンジン等のシャフトの衝撃荷重のシミュレーションを行うための技術や（特許文献１参照）、摩擦圧接の接合面において生じる溶解した金属の漏出のシミュレーションを行うための技術（非特許文献１参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２２８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Machine Design International, 2005年, Vol.77, No.1, pp68-70
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
摩擦圧接にて接合されるシャフトなどの部材には、近年の軽量化の要求に伴い強度の高い高コストの金属が用いられてきている。そのため、摩擦圧接のパラメータを決定するために実際の金属を用いた実験を繰り返し行うとコストが高くなってしまう。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、任意の条件下における損傷発生の有無を評価することを可能とする損傷評価装置及び損傷評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による損傷評価装置は、評価対象となる摩擦圧接される構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表し、少なくとも前記構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析部と、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析部によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価部と、前記評価部における評価結果を出力する出力部と、を備える。
【００１１】
［２］また、上述した本発明の一態様による損傷評価装置において、前記評価対象となる構造物は、回転摩擦により摩擦圧接される構造物であり、前記温度データにおける前記摩擦熱は、前記構造物の回転が止まった時点の摩擦熱であり、前記ＦＥＭ解析部は、前記構造物の回転が止まった時点以降について前記非定常熱伝導解析を行う、ことを特徴とするように構成されても良い。
【００１２】
［３］また、本発明の一態様による損傷評価方法は、評価対象となる構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表す温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、を有する損傷評価装置が、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析ステップと、前記損傷評価装置が、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析ステップによって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価ステップと、前記損傷評価装置が、前記評価部における評価結果を出力する出力ステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、任意の条件下における損傷発生の有無を評価することが可能となる。また、摩擦圧接によって生じる摩擦熱の応力によって接合後に損傷が発生するか否かについて、実験を繰り返し実行することなく評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】損傷評価装置の機能構成を表す概略ブロック図である。
【図２】損傷評価装置が行う評価の対象となる構造物の具体例を表す図である。
【図３】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図４】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図５】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図６】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、熱伝導解析用材料データを表す図である。
【図７】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、弾塑性解析用材料定数データを表す図である。
【図８】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、弾塑性解析用塑性ひずみデータを表す図である。
【図９】ＦＥＭ解析部が有限要素法を適用するに当たり評価対象構造物を複数の要素に分割する際に用いるメッシュ構造を表す図である。
【図１０】強度データ入力部によって入力される強度データの具体例を表す図である。
【図１１】強度データに基づいて評価部が行う評価の具体例を表す図である。
【図１２】損傷評価装置の動作を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、損傷評価装置１の機能構成を表す概略ブロック図である。図示するように、損傷評価装置１は、構造データ入力部１０１、構造データ記憶部１０２、温度データ入力部１０３、温度データ記憶部１０４、材料データ入力部１０５、材料データ記憶部１０６、解析条件入力部１０７、解析条件記憶部１０８、ＦＥＭ解析部１０９、強度データ入力部１１０、強度データ記憶部１１１、評価部１１２、出力部１１３を備える。以下、損傷評価装置１が備える各機能部について説明する。
【００１６】
構造データ入力部１０１は、損傷評価装置１が行う評価の対称となる構造物の構造データを入力する。構造データは、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＣＡＤＡＭ（登録商標）、Ｊｗ＿ｃａｄ等のＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトウェアを用いて作成される。このようにＣＡＤソフトウェアを用いて作成された構造データは、ＤＸＦ（Drawing Interchange File）、ＤＷＧ、ＳＸＦ（Scadec data eXchange Format）等のファイルフォーマットによって構成される。
【００１７】
構造データ記憶部１０２は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、構造データ入力部１０１によって入力された構造データを記憶する。構造データ記憶部１０２が記憶する構造データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析（応力解析）を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００１８】
温度データ入力部１０３は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の温度データを入力する。温度データとは、評価の対象となる構造物の初期状態における温度分布を表すデータである。初期状態とは、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を開始する時点の状態であり、例えば回転摩擦による摩擦圧接における損傷評価の場合には回転が停止した時点の状態を表す。回転が停止した時点とは、一方の構造物に対する他方の構造物の相対的な回転速度がゼロになった時点である。すなわち、温度データとは、構造物の温度分布を表し、少なくとも構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む。
【００１９】
温度データ記憶部１０４は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、温度データ入力部１０３によって入力された温度データを記憶する。温度データ記憶部１０４が記憶する温度データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２０】
材料データ入力部１０５は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の材料データを入力する。材料データとは、評価対象の構造物の材料の性質を表すデータである。材料データの詳細については後述する。
【００２１】
材料データ記憶部１０６は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、材料データ入力部１０５によって入力された材料データを記憶する。材料データ記憶部１０６が記憶する材料データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２２】
解析条件入力部１０７は、ＦＥＭ解析部１０９における非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うに当たって必要となる全ての解析条件を入力する。解析条件とは、例えば、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析の対象となる構造物に関する拘束条件や荷重条件（内圧、反力など）などである。
【００２３】
解析条件記憶部１０８は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、解析条件入力部１０７によって入力された解析条件を記憶する。解析条件記憶部１０８が記憶する解析条件は、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２４】
ＦＥＭ解析部１０９は、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データと、温度データ記憶部１０４に記憶される温度データと、材料データ記憶部１０６に記憶される材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて、有限要素法を用いた非定常熱伝導解析を行い、評価対象の構造物の各経過時間（初期状態からの経過時間）の各要素における温度を算出する。
【００２５】
さらに、ＦＥＭ解析部１０９は、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データと、非定常熱伝導解析の解析結果と、材料データ記憶部１０６に記憶される材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて、有限要素法を用いた弾塑性解析を行い、評価対象の構造物の各経過時間（初期状態からの経過時間）の各要素に生じる応力を算出する。
【００２６】
強度データ入力部１１０は、評価対象の構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を表す強度データを入力する。引張強度とは、引張試験において材料に生じる最大応力を表し、材料の温度によって変化する値である。材料に対して引張強度よりも大きい応力が生じれば損傷が発生する。
【００２７】
強度データ記憶部１１１は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、強度データ入力部１１０によって入力された強度データを記憶する。強度データ記憶部１１１が記憶する強度データは、評価部１１２が損傷発生の有無を評価する際に、評価部１１２によって読み出され、出力部１１３により評価結果を出力する。
【００２８】
図２は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の具体例を表す図である。以下の説明において、損傷評価装置１が評価を行う対象とする構造物は、図２（Ａ）に図示される円筒形の機器構造物（以下、「評価対象物」という）である。ただし、中実な円形の機器構造物についても評価対象物になりうる。評価対象物は、半径（Ｒ＋Ｗ）の円柱に対し半径Ｒの同心円柱の中空部分が設けられた円筒であり、厚さはＷである。以下、評価対象物の円の中心から半径方向の距離をｒとして表す。また、評価対象物の円の中心を軸としたときの回転方向の変位を表す角度をθとして表す。
【００２９】
図２（Ｂ）は、評価対象物が同形の円筒に対して円の中心を軸とした軸方向に摩擦圧接された状態を表す。図２（Ｂ）において、摩擦圧接された溶接面と円柱側面との境界によって表される線を溶接線と呼び、溶接線から軸方向の距離、則ち溶接面からの距離をｘとして表す。
【００３０】
図３〜図５は、温度データ入力部１０３によって入力される温度データの具体例を表す図である。図３は、評価対象物の温度分布をｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）としてｘ及びｒの二値の関数として表した場合の、ｒ＝（Ｒ＋Ｗ）におけるｘ方向の温度変化を表す図である。この場合、ｔを表すｆ（ｘ，ｒ）の関数が温度データとなる。温度データがこのように構成される場合、評価対象物の温度分布は、ｘ及びｒの二値によって決まるため、円の中心を軸としたときの回転方向（θ方向）では温度は変わらず一定である。
【００３１】
図３において、横軸は溶接面からの距離ｘを表し、縦軸は温度ｔを表す。ｘ＝０におけるｔは、溶接面の温度を表す。図３に示されるように、ｘが小さいときはｔが一定であり、その後ｘが大きくなるに従ってｔは小さくなり、再びｔが一定となる。ｘが小さいときに一定であるｔの値は、評価対象物の溶解温度を表し、その後に一定となったときのｔの値は摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない評価対象物の温度を示す。
【００３２】
図４は、評価対象物の温度分布をｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）としてｘ及びｒの二値の関数として表した場合の、ｘ＝０におけるｒ方向の温度変化を表す図である。図４において、横軸は円の中心からの距離ｒを表し、縦軸は温度ｔを表す。ｒ＝０からｒ＝Ｒまでの間は中空部分であり評価対象物の金属が存在していないためｔの値はない。また、ｒ＝（Ｒ＋Ｗ）よりｒが大きい場合にも、評価対象物の金属が存在していないためｔの値はない。ｒ＝Ｒからｒ＝（Ｒ＋Ｗ）までの間は、評価対象物の金属が存在するためｔの値があり、ｒの値が大きくなるに従ってｔの値も大きくなる。
【００３３】
図５は、ｘの値及びｒの値の組み合わせに対応づけてｔの値を有する温度データの具体例を表す図である。図５の場合、温度データは、ｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）の関数としてではなく、ｘ，ｒの組み合わせとｔとの関係を表す表として構成される。温度データがこのように構成される場合にも、評価対象物の温度分布は、ｘ及びｒの二値によって決まるため、円の中心を軸としたときの回転方向（θ方向）では温度は変わらず一定である。
【００３４】
温度データ入力部１０３によって入力される温度データは、図３及び図４の場合のようにｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）の関数として構成されても良いし、図５のように表として表されても良い。図３及び図４のように温度データが構成された場合、ＦＥＭ解析部１０９は、任意のｘ及びｒの値を関数に代入することによってｔの値を算出する。一方、図５のように温度データが構成された場合、ＦＥＭ解析部１０９は、任意のｘ及びｒの値に最も近いｘ及びｒの組み合わせを表から検索し、この組み合わせに対応づけられているｔの値を読み出す。このとき、ＦＥＭ解析部１０９は、線形補間などの手法によって、任意のｘ及びｒの値に対応するｔの近似値を算出しても良い。
【００３５】
図６は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、非定常熱伝導解析に用いられる材料データ（以下、「熱伝導解析用材料データ」という）を表す図である。熱伝導解析用材料データは、所定の材料に関して、複数の温度に対応づけて、その温度の時の熱伝導率、比熱、密度を有する。図６は、評価対象物に用いられている材料Ｘに関する熱伝導解析用材料データを表す図である。図６の場合、例えば温度が摂氏２０度である場合の熱伝導率はλ１（Ｗ／ｍ・摂氏温度）、比熱はＣＰ１（Ｊ／摂氏温度・ｋｇ）、密度はρ１（ｋｇ／立方メートル）である。
【００３６】
図７は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、弾塑性解析に用いられる材料定数を表す材料データ（以下、「弾塑性解析用材料定数データ」という）を表す図である。弾塑性解析用材料定数データは、所定の材料に関して、複数の温度に対応づけて、その温度の時のヤング率、ポアソン比、線膨張係数を有する。図７は、評価対象物に用いられている材料Ｘに関する弾塑性解析用材料定数データを表す図である。図７の場合、例えば温度が接し２００度である場合のヤング率はＥ３（ＧＰａ）、ポアソン比はν３、線膨張係数はα３（／摂氏温度）である。
【００３７】
図８は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、弾塑性解析に用いられる、温度と塑性ひずみと応力との関係を表す材料データ（以下、「弾塑性解析用塑性ひずみデータ」という）を表す図である。具体的には、弾塑性解析用塑性ひずみデータは、温度の値及び塑性ひずみを表す値の組み合わせに対応づけてその条件で発生する応力の値を有する。図８の場合、例えば温度が摂氏２０度で塑性ひずみが０．０Ｅ＋００の場合に発生する応力はσ１１ＭＰａである。
【００３８】
図９は、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法を適用するに当たり評価対象構造物を複数の要素に分割する際に用いるメッシュ構造を表す図である。図示されるように、要素の大きさは溶接面（ｘ＝０）から離れるに従って大きくなり、ｘが同じ値の部分ではｒの値に関わらず同じ大きさとなっている。なお、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法を適用するために用いるメッシュ構造は図９に示されるものに限定されず、他のメッシュ構造が用いられても良い。
【００３９】
図１０は、強度データ入力部１１０によって入力される強度データの具体例を表す図である。ここでは、強度評価のクライテリアに引張強度を用いているが、設計する上で適切な強度クライテリアを用いることが推奨される。図１０において、横軸は温度を表し、縦軸は各温度に対応する引張強度の応力を表す。図１０に表されるグラフでは、温度と引張強度の応力との関係を表す線（イ）を境界として、引張強度よりも低い応力を表す領域Ａと、引張強度よりも高い応力を表す領域Ｂとの二つの領域に分けられる。
【００４０】
図１１は、強度データに基づいて評価部１１２が行う評価の具体例を表す図である。ある温度Ｔ１の時に生じている応力Ｐ１が領域Ａに存在する場合は、この応力Ｐ１がその温度の引張強度の応力よりも低いため、この応力Ｐ１によって損傷は発生しない。一方、ある温度Ｔ１の時に生じている応力Ｐ２が領域Ｂに存在する場合は、この応力Ｐ２がその温度の引張強度の応力よりも高いため、この応力Ｐ２によって損傷が発生してしまう。このように、評価部１１２は、ＦＥＭ解析部１０９によって算出された各経過時間の各要素に発生している温度と応力とに基づいて、その温度の引張強度よりも応力が小さいか否かに応じて損傷の発生の有無を評価する。
【００４１】
図１２は、損傷評価装置１の動作を表すフローチャートである。以下、図１２を用いて損傷評価装置１の動作について説明する。まず、構造データ入力部１０１が、評価対象物の構造データを入力する（ステップＳ１０１）。構造データ記憶部１０２は、構造データ入力部１０１によって入力された構造データを記憶する。次に、温度データ入力部１０３が、評価対象物の温度データを入力する（ステップＳ１０２）。温度データ記憶部１０４は、温度データ入力部１０３によって入力された温度データを記憶する。次に、材料データ入力部１０５が、評価対象物の材料データを入力する（ステップＳ１０３）。材料データ記憶部１０６は、材料データ入力部１０５によって入力された材料データを記憶する。次に、解析条件入力部１０７は、解析条件のデータを入力する（ステップＳ１０４）。解析条件記憶部１０８は、解析条件入力部１０７によって入力された解析条件を記憶する。次に、強度データ入力部１１０は、強度データを入力する（ステップＳ１０５）。強度データ記憶部１１１は、強度データ入力部１１０によって入力された強度データを記憶する。
【００４２】
次に、ＦＥＭ解析部１０９が、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データを複数の要素に分割し、温度データ記憶部１０４に記憶される温度データと、材料データ記憶部１０６に記憶される熱伝導解析用材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて有限要素法による非定常熱伝導解析を実行する（ステップＳ１０６）。さらに、ＦＥＭ解析部１０９が、分割後の各要素について、非定常熱伝導解析の解析結果と、材料データ記憶部１０６に記憶される弾塑性解析用材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて有限要素法による弾塑性解析を実行する（ステップＳ１０７）。ＦＥＭ解析部１０９は、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析の解析結果として、各要素の各経過時間における温度Ｔ及び応力Ｐを算出する。
【００４３】
次に、評価部１１２が、各要素の各経過時間における応力Ｐと、このときに当該要素に生じている温度Ｔにおける引張強度Ｔｈと、を比較する（ステップＳ１０８）。応力Ｐが引張強度Ｔｈよりも大きい場合（ステップＳ１０９−ＹＥＳ）、評価部１１２は、比較処理の対象となっている要素及び経過時間において、損傷が発生すると評価する（ステップＳ１１０）。一方、応力Ｐが引張強度Ｔｈ以下である場合（ステップＳ１０９−ＮＯ）、評価部１１２は、比較処理の対象となっている要素及び経過時間において、損傷が発生しないと評価する（ステップＳ１１１）。
【００４４】
評価部１１２は、ステップＳ１０８〜ステップＳ１１１の評価が全ての経過時間及び要素について終わるまで、この評価の処理を繰り返し実行する（ステップＳ１１２−ＮＯ）。そして、全ての経過時間及び要素について評価が完了すると（ステップＳ１１２−ＹＥＳ）、評価部１１２は評価結果を出力し（ステップＳ１１３）、フローチャート全体の処理を終える。
【００４５】
このように構成された損傷評価装置１では、構造データ、温度データ、材料データ、解析条件の４つについて入力がなされることにより、評価対象物についてＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を実行し、各要素について各経過時間における温度と応力とを算出する。そして、強度データが入力されることにより、評価部１１２がＦＥＭ解析部１０９における解析結果に基づいて、各要素について各経過時間に発生する応力と、その応力が発生しているときの温度に対応する引張強度とを比較し、評価対象物の損傷発生の有無について評価する。そのため、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、損傷発生の有無を評価することが可能となる。
【００４６】
また、回転摩擦により摩擦圧接される構造物を評価対象物とした場合には、回転が停止した時点の温度分布を表す温度データが入力されることにより、ＦＥＭ解析部１０９が摩擦圧接の接合時の発生応力を各要素について回転が停止した時点からの経過時間毎に算出し、この発生応力によって損傷が発生するか否かについて評価部１１２が評価する。そのため、従来のように回転数、押しつけ力、接合面の表面状態、摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない部分の構造物の温度などのパラメータを決定するために各パラメータによる実験を繰り返し実行することなく、損傷が発生しない温度データを選択することが可能となる。また、接合時の温度分布は、回転数、押しつけ力、接合面の表面荒さ、摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない部分の構造物の温度などのパラメータによって決定されるため、損傷が発生しない温度データに基づいて、このような温度分布となるように上記パラメータの各値を選択することが可能となる。そのため、損傷が発生しないようなパラメータの各値を、実験を繰り返し実行することなく選択することが可能となり、実験に要するコストや時間を削減することが可能となる。
【００４７】
＜変形例＞
温度データ入力部１０３によって入力される温度データは、図５のようにｘ及びｒの二値によって決まるものではなく、ｘ、ｒ、θの三値によって決まるように構成されても良い。このように温度データが構成されることにより、より正確に非定常熱伝導解析を行うことが可能となり、その後に行われる弾塑性解析及び損傷評価の精度を向上させることが可能となる。
【００４８】
構造データ記憶部１０２、温度データ記憶部１０４、材料データ１０６、解析条件記憶部１０８、強度データ記憶部１１１は、それぞれデータを予め記憶していても良い。
【００４９】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…損傷評価装置， １０１…構造データ入力部， １０２…構造データ記憶部， １０３…温度データ入力部， １０４…温度データ記憶部， １０５…材料データ入力部， １０６…材料データ記憶部， １０７…解析条件入力部， １０８…解析条件記憶部， １０９…ＦＥＭ解析部， １１０…強度データ入力部， １１１…強度データ記憶部， １１２…評価部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物が損傷を生じるか否かについての評価、特に摩擦圧接された構造物がその後の経過において損傷を生じるか否かについての評価を行う損傷評価装置及び損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、航空エンジンのシャフトの製造などにおいて、金属部材と金属部材とを接合する方法として摩擦圧接が用いられている。摩擦圧接とは、摩擦熱によって金属部材同士を接合する溶接法の一種であり、異種金属同士や非鉄金属を接合することができるなどのメリットがある。
【０００３】
摩擦圧接では、接合させる金属部材の接合面同士を回転させて摩擦力による摩擦熱を発生させるため、接合面付近は非常に高温となる。金属は温度が高温になるにしたがって強度が低下する。また、摩擦圧接では、圧力をかけて接合させる金属部材同士を圧迫するため、接合面付近には押しつけ応力が生じる。そのため、高温になって強度が低下した結果、押しつけ応力によって金属部材に割れなどの損傷が発生する場合がある。
【０００４】
従来は、このような損傷が生じないような摩擦圧接のパラメータ（回転数、押しつけ力、接合面の表面状態など）を調べるために、様々なパラメータで実際の金属部材を用いた実験を繰り返し行い、損傷が発生しないパラメータを探していた。
【０００５】
なお、上述した航空エンジンなどの構造物についての解析シミュレーション技術は従来から提案されている。例えば、航空エンジン等のシャフトの衝撃荷重のシミュレーションを行うための技術や（特許文献１参照）、摩擦圧接の接合面において生じる溶解した金属の漏出のシミュレーションを行うための技術（非特許文献１参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２２８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Machine Design International, 2005年, Vol.77, No.1, pp68-70
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
摩擦圧接にて接合されるシャフトなどの部材には、近年の軽量化の要求に伴い強度の高い高コストの金属が用いられてきている。そのため、摩擦圧接のパラメータを決定するために実際の金属を用いた実験を繰り返し行うとコストが高くなってしまう。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、任意の条件下における損傷発生の有無を評価することを可能とする損傷評価装置及び損傷評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による損傷評価装置は、評価対象となる摩擦圧接される構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表し、少なくとも前記構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析部と、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析部によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価部と、前記評価部における評価結果を出力する出力部と、を備える。
【００１１】
［２］また、上述した本発明の一態様による損傷評価装置において、前記評価対象となる構造物は、回転摩擦により摩擦圧接される構造物であり、前記温度データにおける前記摩擦熱は、前記構造物の回転が止まった時点の摩擦熱であり、前記ＦＥＭ解析部は、前記構造物の回転が止まった時点以降について前記非定常熱伝導解析を行う、ことを特徴とするように構成されても良い。
【００１２】
［３］また、本発明の一態様による損傷評価方法は、評価対象となる構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表す温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、を有する損傷評価装置が、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析ステップと、前記損傷評価装置が、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析ステップによって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価ステップと、前記損傷評価装置が、前記評価部における評価結果を出力する出力ステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、任意の条件下における損傷発生の有無を評価することが可能となる。また、摩擦圧接によって生じる摩擦熱の応力によって接合後に損傷が発生するか否かについて、実験を繰り返し実行することなく評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】損傷評価装置の機能構成を表す概略ブロック図である。
【図２】損傷評価装置が行う評価の対象となる構造物の具体例を表す図である。
【図３】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図４】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図５】温度データ入力部によって入力される温度データの具体例を表す図である。
【図６】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、熱伝導解析用材料データを表す図である。
【図７】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、弾塑性解析用材料定数データを表す図である。
【図８】材料データ入力部によって入力される材料データのうち、弾塑性解析用塑性ひずみデータを表す図である。
【図９】ＦＥＭ解析部が有限要素法を適用するに当たり評価対象構造物を複数の要素に分割する際に用いるメッシュ構造を表す図である。
【図１０】強度データ入力部によって入力される強度データの具体例を表す図である。
【図１１】強度データに基づいて評価部が行う評価の具体例を表す図である。
【図１２】損傷評価装置の動作を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、損傷評価装置１の機能構成を表す概略ブロック図である。図示するように、損傷評価装置１は、構造データ入力部１０１、構造データ記憶部１０２、温度データ入力部１０３、温度データ記憶部１０４、材料データ入力部１０５、材料データ記憶部１０６、解析条件入力部１０７、解析条件記憶部１０８、ＦＥＭ解析部１０９、強度データ入力部１１０、強度データ記憶部１１１、評価部１１２、出力部１１３を備える。以下、損傷評価装置１が備える各機能部について説明する。
【００１６】
構造データ入力部１０１は、損傷評価装置１が行う評価の対称となる構造物の構造データを入力する。構造データは、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）、ＣＡＤＡＭ（登録商標）、Ｊｗ＿ｃａｄ等のＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトウェアを用いて作成される。このようにＣＡＤソフトウェアを用いて作成された構造データは、ＤＸＦ（Drawing Interchange File）、ＤＷＧ、ＳＸＦ（Scadec data eXchange Format）等のファイルフォーマットによって構成される。
【００１７】
構造データ記憶部１０２は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、構造データ入力部１０１によって入力された構造データを記憶する。構造データ記憶部１０２が記憶する構造データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析（応力解析）を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００１８】
温度データ入力部１０３は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の温度データを入力する。温度データとは、評価の対象となる構造物の初期状態における温度分布を表すデータである。初期状態とは、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を開始する時点の状態であり、例えば回転摩擦による摩擦圧接における損傷評価の場合には回転が停止した時点の状態を表す。回転が停止した時点とは、一方の構造物に対する他方の構造物の相対的な回転速度がゼロになった時点である。すなわち、温度データとは、構造物の温度分布を表し、少なくとも構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む。
【００１９】
温度データ記憶部１０４は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、温度データ入力部１０３によって入力された温度データを記憶する。温度データ記憶部１０４が記憶する温度データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２０】
材料データ入力部１０５は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の材料データを入力する。材料データとは、評価対象の構造物の材料の性質を表すデータである。材料データの詳細については後述する。
【００２１】
材料データ記憶部１０６は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、材料データ入力部１０５によって入力された材料データを記憶する。材料データ記憶部１０６が記憶する材料データは、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２２】
解析条件入力部１０７は、ＦＥＭ解析部１０９における非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うに当たって必要となる全ての解析条件を入力する。解析条件とは、例えば、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析の対象となる構造物に関する拘束条件や荷重条件（内圧、反力など）などである。
【００２３】
解析条件記憶部１０８は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、解析条件入力部１０７によって入力された解析条件を記憶する。解析条件記憶部１０８が記憶する解析条件は、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行う際に、ＦＥＭ解析部１０９によって読み出される。
【００２４】
ＦＥＭ解析部１０９は、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データと、温度データ記憶部１０４に記憶される温度データと、材料データ記憶部１０６に記憶される材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて、有限要素法を用いた非定常熱伝導解析を行い、評価対象の構造物の各経過時間（初期状態からの経過時間）の各要素における温度を算出する。
【００２５】
さらに、ＦＥＭ解析部１０９は、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データと、非定常熱伝導解析の解析結果と、材料データ記憶部１０６に記憶される材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて、有限要素法を用いた弾塑性解析を行い、評価対象の構造物の各経過時間（初期状態からの経過時間）の各要素に生じる応力を算出する。
【００２６】
強度データ入力部１１０は、評価対象の構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を表す強度データを入力する。引張強度とは、引張試験において材料に生じる最大応力を表し、材料の温度によって変化する値である。材料に対して引張強度よりも大きい応力が生じれば損傷が発生する。
【００２７】
強度データ記憶部１１１は、磁気ハードディスクや半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成され、強度データ入力部１１０によって入力された強度データを記憶する。強度データ記憶部１１１が記憶する強度データは、評価部１１２が損傷発生の有無を評価する際に、評価部１１２によって読み出され、出力部１１３により評価結果を出力する。
【００２８】
図２は、損傷評価装置１が行う評価の対象となる構造物の具体例を表す図である。以下の説明において、損傷評価装置１が評価を行う対象とする構造物は、図２（Ａ）に図示される円筒形の機器構造物（以下、「評価対象物」という）である。ただし、中実な円形の機器構造物についても評価対象物になりうる。評価対象物は、半径（Ｒ＋Ｗ）の円柱に対し半径Ｒの同心円柱の中空部分が設けられた円筒であり、厚さはＷである。以下、評価対象物の円の中心から半径方向の距離をｒとして表す。また、評価対象物の円の中心を軸としたときの回転方向の変位を表す角度をθとして表す。
【００２９】
図２（Ｂ）は、評価対象物が同形の円筒に対して円の中心を軸とした軸方向に摩擦圧接された状態を表す。図２（Ｂ）において、摩擦圧接された溶接面と円柱側面との境界によって表される線を溶接線と呼び、溶接線から軸方向の距離、則ち溶接面からの距離をｘとして表す。
【００３０】
図３〜図５は、温度データ入力部１０３によって入力される温度データの具体例を表す図である。図３は、評価対象物の温度分布をｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）としてｘ及びｒの二値の関数として表した場合の、ｒ＝（Ｒ＋Ｗ）におけるｘ方向の温度変化を表す図である。この場合、ｔを表すｆ（ｘ，ｒ）の関数が温度データとなる。温度データがこのように構成される場合、評価対象物の温度分布は、ｘ及びｒの二値によって決まるため、円の中心を軸としたときの回転方向（θ方向）では温度は変わらず一定である。
【００３１】
図３において、横軸は溶接面からの距離ｘを表し、縦軸は温度ｔを表す。ｘ＝０におけるｔは、溶接面の温度を表す。図３に示されるように、ｘが小さいときはｔが一定であり、その後ｘが大きくなるに従ってｔは小さくなり、再びｔが一定となる。ｘが小さいときに一定であるｔの値は、評価対象物の溶解温度を表し、その後に一定となったときのｔの値は摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない評価対象物の温度を示す。
【００３２】
図４は、評価対象物の温度分布をｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）としてｘ及びｒの二値の関数として表した場合の、ｘ＝０におけるｒ方向の温度変化を表す図である。図４において、横軸は円の中心からの距離ｒを表し、縦軸は温度ｔを表す。ｒ＝０からｒ＝Ｒまでの間は中空部分であり評価対象物の金属が存在していないためｔの値はない。また、ｒ＝（Ｒ＋Ｗ）よりｒが大きい場合にも、評価対象物の金属が存在していないためｔの値はない。ｒ＝Ｒからｒ＝（Ｒ＋Ｗ）までの間は、評価対象物の金属が存在するためｔの値があり、ｒの値が大きくなるに従ってｔの値も大きくなる。
【００３３】
図５は、ｘの値及びｒの値の組み合わせに対応づけてｔの値を有する温度データの具体例を表す図である。図５の場合、温度データは、ｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）の関数としてではなく、ｘ，ｒの組み合わせとｔとの関係を表す表として構成される。温度データがこのように構成される場合にも、評価対象物の温度分布は、ｘ及びｒの二値によって決まるため、円の中心を軸としたときの回転方向（θ方向）では温度は変わらず一定である。
【００３４】
温度データ入力部１０３によって入力される温度データは、図３及び図４の場合のようにｔ＝ｆ（ｘ，ｒ）の関数として構成されても良いし、図５のように表として表されても良い。図３及び図４のように温度データが構成された場合、ＦＥＭ解析部１０９は、任意のｘ及びｒの値を関数に代入することによってｔの値を算出する。一方、図５のように温度データが構成された場合、ＦＥＭ解析部１０９は、任意のｘ及びｒの値に最も近いｘ及びｒの組み合わせを表から検索し、この組み合わせに対応づけられているｔの値を読み出す。このとき、ＦＥＭ解析部１０９は、線形補間などの手法によって、任意のｘ及びｒの値に対応するｔの近似値を算出しても良い。
【００３５】
図６は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、非定常熱伝導解析に用いられる材料データ（以下、「熱伝導解析用材料データ」という）を表す図である。熱伝導解析用材料データは、所定の材料に関して、複数の温度に対応づけて、その温度の時の熱伝導率、比熱、密度を有する。図６は、評価対象物に用いられている材料Ｘに関する熱伝導解析用材料データを表す図である。図６の場合、例えば温度が摂氏２０度である場合の熱伝導率はλ１（Ｗ／ｍ・摂氏温度）、比熱はＣＰ１（Ｊ／摂氏温度・ｋｇ）、密度はρ１（ｋｇ／立方メートル）である。
【００３６】
図７は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、弾塑性解析に用いられる材料定数を表す材料データ（以下、「弾塑性解析用材料定数データ」という）を表す図である。弾塑性解析用材料定数データは、所定の材料に関して、複数の温度に対応づけて、その温度の時のヤング率、ポアソン比、線膨張係数を有する。図７は、評価対象物に用いられている材料Ｘに関する弾塑性解析用材料定数データを表す図である。図７の場合、例えば温度が接し２００度である場合のヤング率はＥ３（ＧＰａ）、ポアソン比はν３、線膨張係数はα３（／摂氏温度）である。
【００３７】
図８は、材料データ入力部１０５によって入力される材料データのうち、弾塑性解析に用いられる、温度と塑性ひずみと応力との関係を表す材料データ（以下、「弾塑性解析用塑性ひずみデータ」という）を表す図である。具体的には、弾塑性解析用塑性ひずみデータは、温度の値及び塑性ひずみを表す値の組み合わせに対応づけてその条件で発生する応力の値を有する。図８の場合、例えば温度が摂氏２０度で塑性ひずみが０．０Ｅ＋００の場合に発生する応力はσ１１ＭＰａである。
【００３８】
図９は、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法を適用するに当たり評価対象構造物を複数の要素に分割する際に用いるメッシュ構造を表す図である。図示されるように、要素の大きさは溶接面（ｘ＝０）から離れるに従って大きくなり、ｘが同じ値の部分ではｒの値に関わらず同じ大きさとなっている。なお、ＦＥＭ解析部１０９が有限要素法を適用するために用いるメッシュ構造は図９に示されるものに限定されず、他のメッシュ構造が用いられても良い。
【００３９】
図１０は、強度データ入力部１１０によって入力される強度データの具体例を表す図である。ここでは、強度評価のクライテリアに引張強度を用いているが、設計する上で適切な強度クライテリアを用いることが推奨される。図１０において、横軸は温度を表し、縦軸は各温度に対応する引張強度の応力を表す。図１０に表されるグラフでは、温度と引張強度の応力との関係を表す線（イ）を境界として、引張強度よりも低い応力を表す領域Ａと、引張強度よりも高い応力を表す領域Ｂとの二つの領域に分けられる。
【００４０】
図１１は、強度データに基づいて評価部１１２が行う評価の具体例を表す図である。ある温度Ｔ１の時に生じている応力Ｐ１が領域Ａに存在する場合は、この応力Ｐ１がその温度の引張強度の応力よりも低いため、この応力Ｐ１によって損傷は発生しない。一方、ある温度Ｔ１の時に生じている応力Ｐ２が領域Ｂに存在する場合は、この応力Ｐ２がその温度の引張強度の応力よりも高いため、この応力Ｐ２によって損傷が発生してしまう。このように、評価部１１２は、ＦＥＭ解析部１０９によって算出された各経過時間の各要素に発生している温度と応力とに基づいて、その温度の引張強度よりも応力が小さいか否かに応じて損傷の発生の有無を評価する。
【００４１】
図１２は、損傷評価装置１の動作を表すフローチャートである。以下、図１２を用いて損傷評価装置１の動作について説明する。まず、構造データ入力部１０１が、評価対象物の構造データを入力する（ステップＳ１０１）。構造データ記憶部１０２は、構造データ入力部１０１によって入力された構造データを記憶する。次に、温度データ入力部１０３が、評価対象物の温度データを入力する（ステップＳ１０２）。温度データ記憶部１０４は、温度データ入力部１０３によって入力された温度データを記憶する。次に、材料データ入力部１０５が、評価対象物の材料データを入力する（ステップＳ１０３）。材料データ記憶部１０６は、材料データ入力部１０５によって入力された材料データを記憶する。次に、解析条件入力部１０７は、解析条件のデータを入力する（ステップＳ１０４）。解析条件記憶部１０８は、解析条件入力部１０７によって入力された解析条件を記憶する。次に、強度データ入力部１１０は、強度データを入力する（ステップＳ１０５）。強度データ記憶部１１１は、強度データ入力部１１０によって入力された強度データを記憶する。
【００４２】
次に、ＦＥＭ解析部１０９が、構造データ記憶部１０２に記憶される構造データを複数の要素に分割し、温度データ記憶部１０４に記憶される温度データと、材料データ記憶部１０６に記憶される熱伝導解析用材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて有限要素法による非定常熱伝導解析を実行する（ステップＳ１０６）。さらに、ＦＥＭ解析部１０９が、分割後の各要素について、非定常熱伝導解析の解析結果と、材料データ記憶部１０６に記憶される弾塑性解析用材料データと、解析条件記憶部１０８に記憶される解析条件とに基づいて有限要素法による弾塑性解析を実行する（ステップＳ１０７）。ＦＥＭ解析部１０９は、非定常熱伝導解析及び弾塑性解析の解析結果として、各要素の各経過時間における温度Ｔ及び応力Ｐを算出する。
【００４３】
次に、評価部１１２が、各要素の各経過時間における応力Ｐと、このときに当該要素に生じている温度Ｔにおける引張強度Ｔｈと、を比較する（ステップＳ１０８）。応力Ｐが引張強度Ｔｈよりも大きい場合（ステップＳ１０９−ＹＥＳ）、評価部１１２は、比較処理の対象となっている要素及び経過時間において、損傷が発生すると評価する（ステップＳ１１０）。一方、応力Ｐが引張強度Ｔｈ以下である場合（ステップＳ１０９−ＮＯ）、評価部１１２は、比較処理の対象となっている要素及び経過時間において、損傷が発生しないと評価する（ステップＳ１１１）。
【００４４】
評価部１１２は、ステップＳ１０８〜ステップＳ１１１の評価が全ての経過時間及び要素について終わるまで、この評価の処理を繰り返し実行する（ステップＳ１１２−ＮＯ）。そして、全ての経過時間及び要素について評価が完了すると（ステップＳ１１２−ＹＥＳ）、評価部１１２は評価結果を出力し（ステップＳ１１３）、フローチャート全体の処理を終える。
【００４５】
このように構成された損傷評価装置１では、構造データ、温度データ、材料データ、解析条件の４つについて入力がなされることにより、評価対象物についてＦＥＭ解析部１０９が有限要素法による非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を実行し、各要素について各経過時間における温度と応力とを算出する。そして、強度データが入力されることにより、評価部１１２がＦＥＭ解析部１０９における解析結果に基づいて、各要素について各経過時間に発生する応力と、その応力が発生しているときの温度に対応する引張強度とを比較し、評価対象物の損傷発生の有無について評価する。そのため、実際の金属部材を用いた実験を繰り返し実行することなく、損傷発生の有無を評価することが可能となる。
【００４６】
また、回転摩擦により摩擦圧接される構造物を評価対象物とした場合には、回転が停止した時点の温度分布を表す温度データが入力されることにより、ＦＥＭ解析部１０９が摩擦圧接の接合時の発生応力を各要素について回転が停止した時点からの経過時間毎に算出し、この発生応力によって損傷が発生するか否かについて評価部１１２が評価する。そのため、従来のように回転数、押しつけ力、接合面の表面状態、摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない部分の構造物の温度などのパラメータを決定するために各パラメータによる実験を繰り返し実行することなく、損傷が発生しない温度データを選択することが可能となる。また、接合時の温度分布は、回転数、押しつけ力、接合面の表面荒さ、摩擦圧接による摩擦熱の影響を受けていない部分の構造物の温度などのパラメータによって決定されるため、損傷が発生しない温度データに基づいて、このような温度分布となるように上記パラメータの各値を選択することが可能となる。そのため、損傷が発生しないようなパラメータの各値を、実験を繰り返し実行することなく選択することが可能となり、実験に要するコストや時間を削減することが可能となる。
【００４７】
＜変形例＞
温度データ入力部１０３によって入力される温度データは、図５のようにｘ及びｒの二値によって決まるものではなく、ｘ、ｒ、θの三値によって決まるように構成されても良い。このように温度データが構成されることにより、より正確に非定常熱伝導解析を行うことが可能となり、その後に行われる弾塑性解析及び損傷評価の精度を向上させることが可能となる。
【００４８】
構造データ記憶部１０２、温度データ記憶部１０４、材料データ１０６、解析条件記憶部１０８、強度データ記憶部１１１は、それぞれデータを予め記憶していても良い。
【００４９】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…損傷評価装置， １０１…構造データ入力部， １０２…構造データ記憶部， １０３…温度データ入力部， １０４…温度データ記憶部， １０５…材料データ入力部， １０６…材料データ記憶部， １０７…解析条件入力部， １０８…解析条件記憶部， １０９…ＦＥＭ解析部， １１０…強度データ入力部， １１１…強度データ記憶部， １１２…評価部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象となる摩擦圧接される構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、
前記構造物の温度分布を表し、少なくとも前記構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む温度データを記憶する温度データ記憶部と、
前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、
評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、
前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、
前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析部と、
前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析部によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価部と、
前記評価部における評価結果を出力する出力部と、
を備える損傷評価装置。
【請求項２】
前記評価対象となる構造物は、回転摩擦により摩擦圧接される構造物であり、
前記温度データにおける前記摩擦熱は、前記構造物の回転が止まった時点の摩擦熱であり、
前記ＦＥＭ解析部は、前記構造物の回転が止まった時点以降について前記非定常熱伝導解析を行う、
ことを特徴とする、請求項１に記載の損傷評価装置。
【請求項３】
評価対象となる構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表す温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、を有する損傷評価装置が、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析ステップと、
前記損傷評価装置が、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析ステップによって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価ステップと、
前記損傷評価装置が、前記評価部における評価結果を出力する出力ステップと、
を備える損傷評価方法。
【請求項１】
評価対象となる摩擦圧接される構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、
前記構造物の温度分布を表し、少なくとも前記構造物が摩擦圧接されることによって生じる摩擦熱に関する温度分布を含む温度データを記憶する温度データ記憶部と、
前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、
評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、
前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、
前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析部と、
前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析部によって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価部と、
前記評価部における評価結果を出力する出力部と、
を備える損傷評価装置。
【請求項２】
前記評価対象となる構造物は、回転摩擦により摩擦圧接される構造物であり、
前記温度データにおける前記摩擦熱は、前記構造物の回転が止まった時点の摩擦熱であり、
前記ＦＥＭ解析部は、前記構造物の回転が止まった時点以降について前記非定常熱伝導解析を行う、
ことを特徴とする、請求項１に記載の損傷評価装置。
【請求項３】
評価対象となる構造物の構造データを記憶する構造データ記憶部と、前記構造物の温度分布を表す温度データを記憶する温度データ記憶部と、前記構造物の材料に関する材料データを記憶する材料データ記憶部と、評価を行う上での解析条件を記憶する解析条件記憶部と、前記構造物の材料についての温度と引張強度との対応関係を記憶する強度データ記憶部と、を有する損傷評価装置が、前記構造データ記憶部に記憶される前記構造データと、前記温度データ記憶部に記憶される前記温度データと、前記材料データ記憶部に記憶される前記材料データと、前記解析条件記憶部に記憶される前記解析条件と、に基づいて、前記構造物について有限要素法を用いた非定常熱伝導解析及び弾塑性解析を行うことによって、各経過時間の各要素における温度及び応力を算出するＦＥＭ解析ステップと、
前記損傷評価装置が、前記各経過時間の各要素について、前記ＦＥＭ解析ステップによって算出された応力が、当該経過時間の当該要素の温度に対応づけて前記強度データ記憶部に記憶される前記引張強度よりも大きいか否か判定し、前記応力が前記引張強度よりも大きい場合には当該要素において損傷が生じると評価し、前記応力が前記引張強度よりも小さい場合には当該要素において損傷が生じないと評価する評価ステップと、
前記損傷評価装置が、前記評価部における評価結果を出力する出力ステップと、
を備える損傷評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１９７１５０（Ｐ２０１０−１９７１５０Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４０９７４（Ｐ２００９−４０９７４）
【出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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