表面き裂の進展解析方法および装置
【課題】構造部材の表面き裂の進展解析について、深さ方向と表面上でのき裂進展特性の違いを考慮することが可能な表面き裂の進展解析方法および装置を提供する。
【解決手段】本発明の表面き裂の進展解析方法および装置においては、き裂進展速度を計算する際に、き裂最深点とき裂表面点とで環境状態が異なるためにき裂進展特性が異なることを考慮して、構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立に設定する。
【解決手段】本発明の表面き裂の進展解析方法および装置においては、き裂進展速度を計算する際に、き裂最深点とき裂表面点とで環境状態が異なるためにき裂進展特性が異なることを考慮して、構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材の表面に発生する表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の構造部材の表面におけるき裂の進展解析においては、応力拡大係数あるいはその変動範囲とき裂進展速度との間に単一の関係を与え、部材の深さ方向へのき裂進展速度と、部材表面での長さを増す方向へのき裂進展速度は、ともに同一の応力拡大係数とき裂進展速度の関係を用いている（非特許文献１参照）。以下、応力拡大係数あるいはその変動範囲とき裂進展速度との関係をき裂進展特性と称する。
【非特許文献１】吉川直紀、白鳥正樹、松田宏行、松下久雄、影響関数法による複数表面き裂の応力拡大係数の解析とその応用、日本材料学会第５２期学術講演会論文集、２００３年５月、ｐｐ，３２１−３２２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、腐食性環境中に晒される材料のき裂進展速度は、応力腐食割れ（以下、ＳＣＣと称する）、腐食疲労のいずれの場合においても、その環境状態、例えば溶存酸素濃度や不純物イオン濃度にも依存するため、応力拡大係数のみによって一義的に定まらない。実際に腐食環境中に晒される構造部材の表面き裂においては、表面き裂内での毛管凝縮現象や腐食液の滞留が生じるため、表面き裂最深部と部材表面とで環境状態が異なることになる。従って、構造部材の深さ方向へのき裂進展速度と、表面上におけるき裂進展速度とは、異なるき裂進展特性を有することになる。
【０００４】
また、多くの構造部材においては、その製造段階において切削や研削などの加工を受けることにより、部材表面層の材質と内部の材質とで、硬さやき裂進展速度の環境感受性が変化していることがある。その結果、表面き裂の深さ方向への進展特性と、表面上での進展特性が異なる場合がある。
【０００５】
しかしながら、従来の表面き裂の進展解析方法においては、構造部材の深さ方向への進展速度および表面上における進展速度ともに、材質と応力拡大係数のみにより決定できることを仮定しているため、構造部材の深さ方向と表面上でのき裂進展特性の違いを考慮することができなかった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、構造部材の表面き裂の進展解析について、深さ方向と表面上でのき裂進展特性の違いを考慮することが可能な表面き裂の進展解析方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の表面き裂の進展解析方法および装置は、上述した課題を解決するために、構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法において、表面き裂の進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上におけるき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することを特徴とする方法である。
【０００８】
また、本発明の表面き裂の進展解析装置は、上述した課題を解決するために、構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析装置が、前記構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、前記き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能な構成としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の表面き裂の進展解析方法および装置によれば、構造部材の深さ方向と表面におけるき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算し、表面き裂進展解析を行うので、より現実に近い条件により精度の高い表面き裂進展解析を実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る表面き裂の進展解析方法および装置の実施例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１１】
本発明の表面き裂の進展解析装置は、解析対象である構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能なように設けた装置である。
【００１２】
なお、本発明の表面き裂の進展解析方法および装置において、表面き裂進展機構は、疲労によるもの、応力腐食割れによるもの、クリープによるもの、あるいはそれらの相互作用下における表面き裂進展のいずれであってもよい。
【実施例１】
【００１３】
まず、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２および図３を用いて、表面き裂の進展解析方法の実施例１について説明する。
【００１４】
図１（Ａ）に構造部材の表面き裂モデルを示す。この図１（Ａ）に示すように構造部材１の表面に表面き裂２が存在し、例えば軽水炉の炉水のような液体環境に晒されている。この表面き裂２の長さを２ｃとし、深さをａとする。表面き裂２のき裂表面点４が晒される環境は、炉水の平均的な水質であるが、き裂最深点３が晒される環境は、表面き裂内での炉水の滞留や毛管凝縮などにより、き裂表面点４の水質とは異なっている。この表面き裂２が進展すると、図１（Ｂ）に示す構造部材の表面き裂進展後モデルのような成長後の表面き裂５となる。
【００１５】
図２に応力拡大係数とＳＣＣき裂進展速度との関係を示す。図２のグラフは、材料のＳＣＣき裂進展特性が材質と環境の組合せにより異なることを示している。
【００１６】
すなわち、図２に模式的に示すように、材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度６と、材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣき裂進展速度７と、材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度８は、それぞれ異なる曲線で表される。なお、図２における縦軸のき裂進展速度とは、単位時間あたりの表面き裂成長量である。
【００１７】
従って、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す表面き裂２の最深点３とき裂表面点４での水質の差により、き裂進展特性も異なることになる。なお、疲労による表面き裂進展の場合は、図２の応力拡大係数Ｋを応力拡大係数範囲ΔＫに、ＳＣＣき裂進展速度ｄａ／ｄｔを疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮ（ｍ／ｃｙｃｌｅ）にそれぞれ読み替えるものとする。ここで、疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮとは、１回の荷重変動による表面き裂成長量を表すものである。
【００１８】
図３に、本実施例の表面き裂の進展解析方法のフローを示す。図３のフローにおける各ステップは、表面き裂の進展解析装置の各構成手段におけるデータ処理を示している。
【００１９】
通常、表面き裂２の進展解析は、図３に示すフローにより実施される。まず、ステップ１１において、ある時点ｔｉにおけるき裂深さをａｉ、き裂長さを２ｃｉとし、これに部材の形状や寸法および作用する応力を考慮して、ステップ１２においてき裂最深点３とき裂表面点４での応力拡大係数ＫａおよびＫｃを求める。
【００２０】
次に、ステップ１３において、最深点３のき裂進展速度ｄａ／ｄｔをＫａから、き裂表面点４のき裂進展速度ｄｃ／ｄｔをＫｃから、下記の関係を用いて求める。
［数１］
ｄａ／ｄｔ＝ｆ１（Ｋａ）
ｄｃ／ｄｔ＝ｆ２（Ｋｃ）
ここで、関数ｆ１，関数ｆ２は、き裂進展特性に係る関数であり、図２に示したように、材質と環境の組合せごとに異なるき裂進展速度と応力拡大係数の関係を示す関数である。従来の表面き裂の進展解析方法においては、ある一つの表面き裂２に対して、最深点３とき裂表面点４とで関数ｆ１と関数ｆ２として同じ関数を用いていた。
【００２１】
一方、本発明の表面き裂の進展解析方法においては、き裂最深点の水質がき裂表面点の水質と異なるためにき裂進展特性が異なることを考慮して、例えば最深点３に対しては、図２に示す材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣき裂進展速度７を適用する一方、き裂表面点４に対しては、材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度６を適用する。すなわち、解析対象である構造部材１の深さ方向へのき裂進展特性に対する関数ｆ１と、構造部材の表面上でのき裂進展特性に係る関数ｆ２とをそれぞれ独立して設定する。
【００２２】
このようにして構造部材１の深さ方向へのき裂進展特性と表面上でのき裂進展特性について、それぞれ最深点３とき裂表面点４におけるき裂進展速度ｄａ／ｄｔおよびｄｃ／ｄｔを求めた後に、ステップ１４にて、ある微小時間増分Δｔの間におけるき裂深さ３の増分Δａとき裂長さ４の増分Δｃを、それぞれ
［数２］
Δａ＝ｄａ／ｄｔ・Δｔ
Δｃ＝ｄｃ／ｄｔ・Δｔ
として求め、ステップ１５にて、これらの増分を元のき裂寸法に足し合わせることにより、微小時間増分Δｔ後のき裂寸法を求める。すなわち、この時点をｔｉ＋１とすると、
［数３］
ｔｉ＋１＝ｔｉ＋Δｔ
ａｉ＋１＝ａｉ＋Δａ
２ｃｉ＋１＝２（ｃｉ＋Δｃ）
として、時刻ｔｉ＋１におけるき裂寸法、すなわちき裂深さａｉ＋１と長さ２ｃｉ＋１を決定する。なお、図１に示すように成長後の表面き裂５の形状としては、き裂深さがａｉ＋１、長さ２ｃｉ＋１の半だ円を仮定する。
【００２３】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂２の最深点３とき裂表面点４とで、環境が異なることを考慮してき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算して表面き裂進展解析を行うので、より現実の構造部材における表面き裂に近い精度の高い表面き裂進展解析を実施することが可能である。
【００２４】
なお、図３において、き裂進展特性である関数ｆ１と関数ｆ２とは、予めデータベースに保存しておく構成とすることができる。このような構成とすることにより、構造部材１の材料名を入力するか、材料名リストから特定の材料を選択することによって、き裂進展特性を呼び出すことが可能となる。
【００２５】
また、図３のフローに従って計算された解析の計算結果を記憶媒体に記録して、この計算結果を任意に取り出し可能な構成としても良い。さらに、この記憶媒体に記録された入力データの一部を変更して新たに表面き裂進展解析を実施することも可能である。
【００２６】
一方、図３のフローのステップ１２における応力拡大係数の計算において、複数の応力拡大係数の計算式が適用可能な場合に、これら複数の応力拡大係数の計算式をデータベースとして備えておき、これらの識別名を入力するか、リストから選択することにより、適合する応力拡大係数の計算式を読み込む構成とすることも可能である。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例２について、図４および５を用いて説明する。
【００２８】
一般に切削や研削などの機械加工により製造した構造部材１の表面には、図４に示すように加工による硬化層である加工層２１が存在する。加工層２１は、塑性変形を受けたことによる転位密度の増加などが生じているため、化学成分こそ変化しないものの、強度的性質等について材質自体が変化している。このため、図２のグラフにおいて、例えば、加工を受けていない材料は、き裂進展速度が材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６を示すとしても、加工層２１は、材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８となることがある。
【００２９】
このような場合においても、本発明の表面き裂の進展解析方法によれば、図３のフローに従って表面き裂の進展解析を実施することが可能である。
【００３０】
図５に本発明の表面き裂の進展解析方法によるＳＣＣ表面き裂進展解析結果の例を示す。図５（Ａ）は、き裂深さの経時変化を示し、図５（Ｂ）は、き裂長さの経時変化を示したグラフである。
【００３１】
すなわち、最深点３，き裂表面点４ともに低ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６で表面き裂が進展するとした場合…（ケース１、曲線２２）、最深点３，き裂表面点４ともに高ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８で表面き裂が進展するとした場合…（ケース２、曲線２３）、最深点３においては、低ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６で進展し、き裂表面点４においては、高ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８で進展するとした場合…（ケース３、曲線２４）の３ケースについての表面き裂の進展解析についてのグラフである。
【００３２】
ここで、従来の表面き裂の進展解析方法においては、最深点３とき裂表面点４とに同一のき裂進展特性を設定することしかできなかったために、上記（ケース１）、（ケース２）、（ケース３）のケースのうち、（ケース１）および（ケース２）の２ケースの解析のみしか実施できず、実際の表面き裂形状の変化を高精度で予測できなかったが、本発明によれば、最深点３とき裂表面点４とのき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算するので、（ケース３）のケースのように、表面き裂形状の変化をより現実的に解析することが可能である。
【００３３】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂２の最深点３とき裂表面点４とで、材質が異なることを考慮して、き裂進展特性を独立に設定し、き裂進展速度を計算して表面き裂進展解析を行うので、より現実に近い条件で精度の高い表面き裂進展解析を実施することができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例３について、図６を用いて説明する。
【００３５】
突合せ溶接継手においては、母材３１と母材３２とを溶接金属３３により接合するため、図６に示すように、溶接金属３３が母材３１と母材３２との間に挟まれた構造となっている。ある種の材料の場合、母材３１および母材３２よりも溶接金属３３の方がＳＣＣに対する感受性が極めて高く、溶接金属３３に発生したＳＣＣ表面き裂は、溶接金属３３内のみを進展し、母材３１および母材３２部においては進展しないと見なせることがある。
【００３６】
このような場合に、本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、き裂最深点３とき裂表面点４とがともに溶接金属３３内にある間は、最深点３とき裂表面点４とに同じき裂進展特性を与えて表面き裂進展解析を実施する。次に表面上のき裂長さが溶接金属３３の幅に達した後は、き裂表面点のき裂進展速度を応力拡大係数の値に関わらず０として表面き裂進展解析を継続する。この方法により、図６に示す成長後の表面き裂５のような表面き裂形状を得ることができ、深さ方向のみに表面き裂が進展するモデルの解析を実施することが可能である。
【００３７】
本実施例によれば、表面き裂２がき裂進展特性の異なる材質にさしかかった時点で最深点３とき裂表面点４とで独立にき裂進展速度を設定し直して表面き裂進展解析を行うので、ＳＣＣ感受性の異なる材質で構成される溶接継手における表面き裂進展解析を高精度で実施することが可能である。
【実施例４】
【００３８】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例４について、図７を用いて説明する。
【００３９】
本実施例の表面き裂の進展解析方法は、前記実施例３とは反対に、母材４１の方が溶接金属４２よりもＳＣＣ感受性が高い場合について解析する。本実施例は、表面き裂２の進展解析の過程において、表面き裂２の先端であるき裂表面点４３とき裂表面点４４のうち、き裂表面点４３の一端が溶接金属４２にさしかかった時点において、き裂表面点４３でのき裂進展速度を応力拡大係数の値に関わらず０とおき、表面き裂進展解析を継続する。この方法により、成長後の表面き裂５のような表面き裂形状を得ることができる。
【００４０】
本実施例によれば、表面き裂２の２つのき裂表面点４３およびき裂表面点４４のうち、いずれか一方がき裂進展特性の異なる材質にさしかかった時点で、き裂表面点４３と他方のき裂表面点４４とき裂最深点３とでそれぞれ独立にき裂進展速度を設定し直して表面き裂進展解析を行うので、ＳＣＣ感受性の異なる材質で構成される溶接継手の表面き裂進展解析を精度良く実施することができる。
【実施例５】
【００４１】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例５について、図８を用いて説明する。本実施例５の表面き裂の進展解析方法は、表面き裂の成長に従って、解析モデルを変更することを特徴とする方法である。
【００４２】
図１のような構造部材１の表面に表面き裂２が存在する場合に、まず図８（Ａ）に示すような表面き裂５１を有する平板モデル５２として、表面き裂進展解析を実施する。
【００４３】
次に、表面き裂５１が平板モデル５２の端部に到達したと判断された時点で、この表面き裂５１を包絡するコーナー表面き裂５３に置き換え、図８（Ｂ）に示すように、コーナー表面き裂５３を有する平板モデル５４として、表面き裂進展解析を継続実施する。
【００４４】
さらに、このコーナー表面き裂５３が成長してき裂深さが平板モデル５４の板厚全体に達した時点で、このコーナー表面き裂５３を包絡する板厚貫通２次元表面き裂５５に置き換え、図８（Ｃ）に示すように、板厚貫通２次元表面き裂５５を有する平板モデル５６として表面き裂進展解析を実施する。この板厚貫通２次元表面き裂５５は、図８（Ｄ）に示す平板モデル５６の平面図のような表面き裂形状となっている。
【００４５】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂の寸法に応じてモデルを順次置き換える表面き裂進展解析を行うので、実機における複雑な形状の構造部材中に存在する表面き裂の進展解析をより高精度で実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（Ａ）は、構造部材の表面き裂を示す模式図、（Ｂ）は、進展後の表面き裂を示す模式図。
【図２】ＳＣＣき裂進展速度と応力拡大係数の関係の例を模式的に示す図。
【図３】本発明に係る表面き裂の進展解析のフローを示す図。
【図４】実施例２の表面き裂の進展解析の構成を示す図。
【図５】（Ａ）は、実施例２の表面き裂の進展解析方法によるき裂深さの経時変化を示すグラフ、（Ｂ）は、き裂長さの経時変化を示すグラフ。
【図６】実施例３の表面き裂の進展解析方法の構成を示す図。
【図７】実施例４の表面き裂の進展解析方法の構成を示す図。
【図８】（Ａ）は、表面き裂を有する平板モデルの側面図、（Ｂ）は、表面き裂がコーナー表面き裂に進展した平板モデルの側面図、（Ｃ）は、コーナー表面き裂が板厚貫通２次元表面き裂に進展した平板モデルの側面図、（Ｄ）は、（Ｃ）の平板モデルの平面図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 構造部材
２ 表面き裂
３ き裂最深点
４ き裂表面点
５ 成長後の表面き裂
６ 材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度
７ 材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣ進展速度
８ 材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度
１１ ステップ
１２ ステップ
１３ ステップ
１４ ステップ
１５ ステップ
２１ 加工層
２２ ケース１
２３ ケース２
２４ ケース３
３１ 母材
３２ 母材
３３ 溶接金属
４１ 母材
４２ 溶接金属
４３ き裂表面点
４４ き裂表面点
５１ 表面き裂
５２ 半だ円表面き裂を有する平板モデル
５３ コーナー表面き裂
５４ コーナー表面き裂を有する平板モデル
５５ 板厚貫通２次元表面き裂
５６ 板厚貫通２次元表面き裂を有する平板モデル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材の表面に発生する表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の構造部材の表面におけるき裂の進展解析においては、応力拡大係数あるいはその変動範囲とき裂進展速度との間に単一の関係を与え、部材の深さ方向へのき裂進展速度と、部材表面での長さを増す方向へのき裂進展速度は、ともに同一の応力拡大係数とき裂進展速度の関係を用いている（非特許文献１参照）。以下、応力拡大係数あるいはその変動範囲とき裂進展速度との関係をき裂進展特性と称する。
【非特許文献１】吉川直紀、白鳥正樹、松田宏行、松下久雄、影響関数法による複数表面き裂の応力拡大係数の解析とその応用、日本材料学会第５２期学術講演会論文集、２００３年５月、ｐｐ，３２１−３２２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、腐食性環境中に晒される材料のき裂進展速度は、応力腐食割れ（以下、ＳＣＣと称する）、腐食疲労のいずれの場合においても、その環境状態、例えば溶存酸素濃度や不純物イオン濃度にも依存するため、応力拡大係数のみによって一義的に定まらない。実際に腐食環境中に晒される構造部材の表面き裂においては、表面き裂内での毛管凝縮現象や腐食液の滞留が生じるため、表面き裂最深部と部材表面とで環境状態が異なることになる。従って、構造部材の深さ方向へのき裂進展速度と、表面上におけるき裂進展速度とは、異なるき裂進展特性を有することになる。
【０００４】
また、多くの構造部材においては、その製造段階において切削や研削などの加工を受けることにより、部材表面層の材質と内部の材質とで、硬さやき裂進展速度の環境感受性が変化していることがある。その結果、表面き裂の深さ方向への進展特性と、表面上での進展特性が異なる場合がある。
【０００５】
しかしながら、従来の表面き裂の進展解析方法においては、構造部材の深さ方向への進展速度および表面上における進展速度ともに、材質と応力拡大係数のみにより決定できることを仮定しているため、構造部材の深さ方向と表面上でのき裂進展特性の違いを考慮することができなかった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、構造部材の表面き裂の進展解析について、深さ方向と表面上でのき裂進展特性の違いを考慮することが可能な表面き裂の進展解析方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の表面き裂の進展解析方法および装置は、上述した課題を解決するために、構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法において、表面き裂の進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上におけるき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することを特徴とする方法である。
【０００８】
また、本発明の表面き裂の進展解析装置は、上述した課題を解決するために、構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析装置が、前記構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、前記き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能な構成としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の表面き裂の進展解析方法および装置によれば、構造部材の深さ方向と表面におけるき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算し、表面き裂進展解析を行うので、より現実に近い条件により精度の高い表面き裂進展解析を実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る表面き裂の進展解析方法および装置の実施例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１１】
本発明の表面き裂の進展解析装置は、解析対象である構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能なように設けた装置である。
【００１２】
なお、本発明の表面き裂の進展解析方法および装置において、表面き裂進展機構は、疲労によるもの、応力腐食割れによるもの、クリープによるもの、あるいはそれらの相互作用下における表面き裂進展のいずれであってもよい。
【実施例１】
【００１３】
まず、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２および図３を用いて、表面き裂の進展解析方法の実施例１について説明する。
【００１４】
図１（Ａ）に構造部材の表面き裂モデルを示す。この図１（Ａ）に示すように構造部材１の表面に表面き裂２が存在し、例えば軽水炉の炉水のような液体環境に晒されている。この表面き裂２の長さを２ｃとし、深さをａとする。表面き裂２のき裂表面点４が晒される環境は、炉水の平均的な水質であるが、き裂最深点３が晒される環境は、表面き裂内での炉水の滞留や毛管凝縮などにより、き裂表面点４の水質とは異なっている。この表面き裂２が進展すると、図１（Ｂ）に示す構造部材の表面き裂進展後モデルのような成長後の表面き裂５となる。
【００１５】
図２に応力拡大係数とＳＣＣき裂進展速度との関係を示す。図２のグラフは、材料のＳＣＣき裂進展特性が材質と環境の組合せにより異なることを示している。
【００１６】
すなわち、図２に模式的に示すように、材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度６と、材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣき裂進展速度７と、材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度８は、それぞれ異なる曲線で表される。なお、図２における縦軸のき裂進展速度とは、単位時間あたりの表面き裂成長量である。
【００１７】
従って、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す表面き裂２の最深点３とき裂表面点４での水質の差により、き裂進展特性も異なることになる。なお、疲労による表面き裂進展の場合は、図２の応力拡大係数Ｋを応力拡大係数範囲ΔＫに、ＳＣＣき裂進展速度ｄａ／ｄｔを疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮ（ｍ／ｃｙｃｌｅ）にそれぞれ読み替えるものとする。ここで、疲労き裂進展速度ｄａ／ｄＮとは、１回の荷重変動による表面き裂成長量を表すものである。
【００１８】
図３に、本実施例の表面き裂の進展解析方法のフローを示す。図３のフローにおける各ステップは、表面き裂の進展解析装置の各構成手段におけるデータ処理を示している。
【００１９】
通常、表面き裂２の進展解析は、図３に示すフローにより実施される。まず、ステップ１１において、ある時点ｔｉにおけるき裂深さをａｉ、き裂長さを２ｃｉとし、これに部材の形状や寸法および作用する応力を考慮して、ステップ１２においてき裂最深点３とき裂表面点４での応力拡大係数ＫａおよびＫｃを求める。
【００２０】
次に、ステップ１３において、最深点３のき裂進展速度ｄａ／ｄｔをＫａから、き裂表面点４のき裂進展速度ｄｃ／ｄｔをＫｃから、下記の関係を用いて求める。
［数１］
ｄａ／ｄｔ＝ｆ１（Ｋａ）
ｄｃ／ｄｔ＝ｆ２（Ｋｃ）
ここで、関数ｆ１，関数ｆ２は、き裂進展特性に係る関数であり、図２に示したように、材質と環境の組合せごとに異なるき裂進展速度と応力拡大係数の関係を示す関数である。従来の表面き裂の進展解析方法においては、ある一つの表面き裂２に対して、最深点３とき裂表面点４とで関数ｆ１と関数ｆ２として同じ関数を用いていた。
【００２１】
一方、本発明の表面き裂の進展解析方法においては、き裂最深点の水質がき裂表面点の水質と異なるためにき裂進展特性が異なることを考慮して、例えば最深点３に対しては、図２に示す材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣき裂進展速度７を適用する一方、き裂表面点４に対しては、材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣき裂進展速度６を適用する。すなわち、解析対象である構造部材１の深さ方向へのき裂進展特性に対する関数ｆ１と、構造部材の表面上でのき裂進展特性に係る関数ｆ２とをそれぞれ独立して設定する。
【００２２】
このようにして構造部材１の深さ方向へのき裂進展特性と表面上でのき裂進展特性について、それぞれ最深点３とき裂表面点４におけるき裂進展速度ｄａ／ｄｔおよびｄｃ／ｄｔを求めた後に、ステップ１４にて、ある微小時間増分Δｔの間におけるき裂深さ３の増分Δａとき裂長さ４の増分Δｃを、それぞれ
［数２］
Δａ＝ｄａ／ｄｔ・Δｔ
Δｃ＝ｄｃ／ｄｔ・Δｔ
として求め、ステップ１５にて、これらの増分を元のき裂寸法に足し合わせることにより、微小時間増分Δｔ後のき裂寸法を求める。すなわち、この時点をｔｉ＋１とすると、
［数３］
ｔｉ＋１＝ｔｉ＋Δｔ
ａｉ＋１＝ａｉ＋Δａ
２ｃｉ＋１＝２（ｃｉ＋Δｃ）
として、時刻ｔｉ＋１におけるき裂寸法、すなわちき裂深さａｉ＋１と長さ２ｃｉ＋１を決定する。なお、図１に示すように成長後の表面き裂５の形状としては、き裂深さがａｉ＋１、長さ２ｃｉ＋１の半だ円を仮定する。
【００２３】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂２の最深点３とき裂表面点４とで、環境が異なることを考慮してき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算して表面き裂進展解析を行うので、より現実の構造部材における表面き裂に近い精度の高い表面き裂進展解析を実施することが可能である。
【００２４】
なお、図３において、き裂進展特性である関数ｆ１と関数ｆ２とは、予めデータベースに保存しておく構成とすることができる。このような構成とすることにより、構造部材１の材料名を入力するか、材料名リストから特定の材料を選択することによって、き裂進展特性を呼び出すことが可能となる。
【００２５】
また、図３のフローに従って計算された解析の計算結果を記憶媒体に記録して、この計算結果を任意に取り出し可能な構成としても良い。さらに、この記憶媒体に記録された入力データの一部を変更して新たに表面き裂進展解析を実施することも可能である。
【００２６】
一方、図３のフローのステップ１２における応力拡大係数の計算において、複数の応力拡大係数の計算式が適用可能な場合に、これら複数の応力拡大係数の計算式をデータベースとして備えておき、これらの識別名を入力するか、リストから選択することにより、適合する応力拡大係数の計算式を読み込む構成とすることも可能である。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例２について、図４および５を用いて説明する。
【００２８】
一般に切削や研削などの機械加工により製造した構造部材１の表面には、図４に示すように加工による硬化層である加工層２１が存在する。加工層２１は、塑性変形を受けたことによる転位密度の増加などが生じているため、化学成分こそ変化しないものの、強度的性質等について材質自体が変化している。このため、図２のグラフにおいて、例えば、加工を受けていない材料は、き裂進展速度が材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６を示すとしても、加工層２１は、材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８となることがある。
【００２９】
このような場合においても、本発明の表面き裂の進展解析方法によれば、図３のフローに従って表面き裂の進展解析を実施することが可能である。
【００３０】
図５に本発明の表面き裂の進展解析方法によるＳＣＣ表面き裂進展解析結果の例を示す。図５（Ａ）は、き裂深さの経時変化を示し、図５（Ｂ）は、き裂長さの経時変化を示したグラフである。
【００３１】
すなわち、最深点３，き裂表面点４ともに低ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６で表面き裂が進展するとした場合…（ケース１、曲線２２）、最深点３，き裂表面点４ともに高ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８で表面き裂が進展するとした場合…（ケース２、曲線２３）、最深点３においては、低ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度６で進展し、き裂表面点４においては、高ＳＣＣ進展速度、例えば、図２に示す材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度８で進展するとした場合…（ケース３、曲線２４）の３ケースについての表面き裂の進展解析についてのグラフである。
【００３２】
ここで、従来の表面き裂の進展解析方法においては、最深点３とき裂表面点４とに同一のき裂進展特性を設定することしかできなかったために、上記（ケース１）、（ケース２）、（ケース３）のケースのうち、（ケース１）および（ケース２）の２ケースの解析のみしか実施できず、実際の表面き裂形状の変化を高精度で予測できなかったが、本発明によれば、最深点３とき裂表面点４とのき裂進展特性を独立に設定してき裂進展速度を計算するので、（ケース３）のケースのように、表面き裂形状の変化をより現実的に解析することが可能である。
【００３３】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂２の最深点３とき裂表面点４とで、材質が異なることを考慮して、き裂進展特性を独立に設定し、き裂進展速度を計算して表面き裂進展解析を行うので、より現実に近い条件で精度の高い表面き裂進展解析を実施することができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例３について、図６を用いて説明する。
【００３５】
突合せ溶接継手においては、母材３１と母材３２とを溶接金属３３により接合するため、図６に示すように、溶接金属３３が母材３１と母材３２との間に挟まれた構造となっている。ある種の材料の場合、母材３１および母材３２よりも溶接金属３３の方がＳＣＣに対する感受性が極めて高く、溶接金属３３に発生したＳＣＣ表面き裂は、溶接金属３３内のみを進展し、母材３１および母材３２部においては進展しないと見なせることがある。
【００３６】
このような場合に、本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、き裂最深点３とき裂表面点４とがともに溶接金属３３内にある間は、最深点３とき裂表面点４とに同じき裂進展特性を与えて表面き裂進展解析を実施する。次に表面上のき裂長さが溶接金属３３の幅に達した後は、き裂表面点のき裂進展速度を応力拡大係数の値に関わらず０として表面き裂進展解析を継続する。この方法により、図６に示す成長後の表面き裂５のような表面き裂形状を得ることができ、深さ方向のみに表面き裂が進展するモデルの解析を実施することが可能である。
【００３７】
本実施例によれば、表面き裂２がき裂進展特性の異なる材質にさしかかった時点で最深点３とき裂表面点４とで独立にき裂進展速度を設定し直して表面き裂進展解析を行うので、ＳＣＣ感受性の異なる材質で構成される溶接継手における表面き裂進展解析を高精度で実施することが可能である。
【実施例４】
【００３８】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例４について、図７を用いて説明する。
【００３９】
本実施例の表面き裂の進展解析方法は、前記実施例３とは反対に、母材４１の方が溶接金属４２よりもＳＣＣ感受性が高い場合について解析する。本実施例は、表面き裂２の進展解析の過程において、表面き裂２の先端であるき裂表面点４３とき裂表面点４４のうち、き裂表面点４３の一端が溶接金属４２にさしかかった時点において、き裂表面点４３でのき裂進展速度を応力拡大係数の値に関わらず０とおき、表面き裂進展解析を継続する。この方法により、成長後の表面き裂５のような表面き裂形状を得ることができる。
【００４０】
本実施例によれば、表面き裂２の２つのき裂表面点４３およびき裂表面点４４のうち、いずれか一方がき裂進展特性の異なる材質にさしかかった時点で、き裂表面点４３と他方のき裂表面点４４とき裂最深点３とでそれぞれ独立にき裂進展速度を設定し直して表面き裂進展解析を行うので、ＳＣＣ感受性の異なる材質で構成される溶接継手の表面き裂進展解析を精度良く実施することができる。
【実施例５】
【００４１】
次に、本発明に係る表面き裂の進展解析方法の実施例５について、図８を用いて説明する。本実施例５の表面き裂の進展解析方法は、表面き裂の成長に従って、解析モデルを変更することを特徴とする方法である。
【００４２】
図１のような構造部材１の表面に表面き裂２が存在する場合に、まず図８（Ａ）に示すような表面き裂５１を有する平板モデル５２として、表面き裂進展解析を実施する。
【００４３】
次に、表面き裂５１が平板モデル５２の端部に到達したと判断された時点で、この表面き裂５１を包絡するコーナー表面き裂５３に置き換え、図８（Ｂ）に示すように、コーナー表面き裂５３を有する平板モデル５４として、表面き裂進展解析を継続実施する。
【００４４】
さらに、このコーナー表面き裂５３が成長してき裂深さが平板モデル５４の板厚全体に達した時点で、このコーナー表面き裂５３を包絡する板厚貫通２次元表面き裂５５に置き換え、図８（Ｃ）に示すように、板厚貫通２次元表面き裂５５を有する平板モデル５６として表面き裂進展解析を実施する。この板厚貫通２次元表面き裂５５は、図８（Ｄ）に示す平板モデル５６の平面図のような表面き裂形状となっている。
【００４５】
本実施例の表面き裂の進展解析方法によれば、表面き裂の寸法に応じてモデルを順次置き換える表面き裂進展解析を行うので、実機における複雑な形状の構造部材中に存在する表面き裂の進展解析をより高精度で実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（Ａ）は、構造部材の表面き裂を示す模式図、（Ｂ）は、進展後の表面き裂を示す模式図。
【図２】ＳＣＣき裂進展速度と応力拡大係数の関係の例を模式的に示す図。
【図３】本発明に係る表面き裂の進展解析のフローを示す図。
【図４】実施例２の表面き裂の進展解析の構成を示す図。
【図５】（Ａ）は、実施例２の表面き裂の進展解析方法によるき裂深さの経時変化を示すグラフ、（Ｂ）は、き裂長さの経時変化を示すグラフ。
【図６】実施例３の表面き裂の進展解析方法の構成を示す図。
【図７】実施例４の表面き裂の進展解析方法の構成を示す図。
【図８】（Ａ）は、表面き裂を有する平板モデルの側面図、（Ｂ）は、表面き裂がコーナー表面き裂に進展した平板モデルの側面図、（Ｃ）は、コーナー表面き裂が板厚貫通２次元表面き裂に進展した平板モデルの側面図、（Ｄ）は、（Ｃ）の平板モデルの平面図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 構造部材
２ 表面き裂
３ き裂最深点
４ き裂表面点
５ 成長後の表面き裂
６ 材質Ａの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度
７ 材質Ａの環境ｙにおけるＳＣＣ進展速度
８ 材質Ｂの環境ｘにおけるＳＣＣ進展速度
１１ ステップ
１２ ステップ
１３ ステップ
１４ ステップ
１５ ステップ
２１ 加工層
２２ ケース１
２３ ケース２
２４ ケース３
３１ 母材
３２ 母材
３３ 溶接金属
４１ 母材
４２ 溶接金属
４３ き裂表面点
４４ き裂表面点
５１ 表面き裂
５２ 半だ円表面き裂を有する平板モデル
５３ コーナー表面き裂
５４ コーナー表面き裂を有する平板モデル
５５ 板厚貫通２次元表面き裂
５６ 板厚貫通２次元表面き裂を有する平板モデル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法において、表面き裂の進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上におけるき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することを特徴とする表面き裂の進展解析方法。
【請求項２】
前記構造部材の表面き裂の進展解析を実施する際に、前記構造部材の深さ方向のき裂寸法であるき裂深さおよび部材表面上のき裂寸法であるき裂長さのいずれか一方が、予め定めた寸法に達した際に、前記き裂寸法のうちいずれか一方が前記予め定めた寸法以上増加しないよう一定値に固定して、他方のき裂寸法のみが増加するものとして表面き裂進展解析を継続することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項３】
前記構造部材の表面き裂の進展解析を実施する際に、前記構造部材の表面上における２点の表面き裂先端のうち、いずれか一方の表面き裂先端が、予め定めた位置に到達した場合に、前記表面き裂先端が前記予め定めた位置以上進展しないよう位置を固定して、他方の表面き裂先端およびき裂最深点の２点のみが増加するものとして進展解析を継続することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項４】
前記表面き裂の形状を半だ円形状と想定し、き裂深さとき裂長さの情報のみを用いて半だ円形状の表面き裂形状を決定することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項５】
前記表面き裂の成長に伴って表面進展解析の解析モデルを変更することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項６】
構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析装置が、前記構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、前記き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能な構成としたことを特徴とする表面き裂の進展解析装置。
【請求項７】
材料のき裂進展特性のデータを予めデータベースとして備え、材料名を入力するか、または材料名リストから選択することによってき裂進展特性のデータを読み込むことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項８】
表面き裂進展解析の計算結果を記録し、この計算結果を取り出すことが可能な記憶媒体を設けたことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項９】
前記記憶媒体に記録された過去の入力データを読み出した後、この入力データの一部を変更して表面き裂進展解析を実施することを特徴とする請求項８記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項１０】
表面き裂の応力拡大係数を計算する際に、複数の応力拡大係数計算式が適用可能な場合に、これら複数の応力拡大係数計算式をデータベースとして備え、識別名を入力するかまたはリストから選択することにより適合する応力拡大係数計算式を読み込むことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項１】
構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析方法において、表面き裂の進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上におけるき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することを特徴とする表面き裂の進展解析方法。
【請求項２】
前記構造部材の表面き裂の進展解析を実施する際に、前記構造部材の深さ方向のき裂寸法であるき裂深さおよび部材表面上のき裂寸法であるき裂長さのいずれか一方が、予め定めた寸法に達した際に、前記き裂寸法のうちいずれか一方が前記予め定めた寸法以上増加しないよう一定値に固定して、他方のき裂寸法のみが増加するものとして表面き裂進展解析を継続することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項３】
前記構造部材の表面き裂の進展解析を実施する際に、前記構造部材の表面上における２点の表面き裂先端のうち、いずれか一方の表面き裂先端が、予め定めた位置に到達した場合に、前記表面き裂先端が前記予め定めた位置以上進展しないよう位置を固定して、他方の表面き裂先端およびき裂最深点の２点のみが増加するものとして進展解析を継続することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項４】
前記表面き裂の形状を半だ円形状と想定し、き裂深さとき裂長さの情報のみを用いて半だ円形状の表面き裂形状を決定することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項５】
前記表面き裂の成長に伴って表面進展解析の解析モデルを変更することを特徴とする請求項１記載の表面き裂の進展解析方法。
【請求項６】
構造部材の表面き裂の進展を解析する表面き裂の進展解析装置が、前記構造部材の表面におけるき裂長さと前記構造部材の深さ方向のき裂深さを入力する入力手段と、応力拡大係数を計算する計算手段と、き裂進展速度を算出する算出手段と、き裂進展増分の計算手段と、き裂寸法の更新手段とを備え、前記き裂進展速度を算出する算出手段にてき裂進展速度を計算する際に、前記構造部材の深さ方向へのき裂進展特性と、前記構造部材の表面上でのき裂進展特性とをそれぞれ独立して設定することが可能な構成としたことを特徴とする表面き裂の進展解析装置。
【請求項７】
材料のき裂進展特性のデータを予めデータベースとして備え、材料名を入力するか、または材料名リストから選択することによってき裂進展特性のデータを読み込むことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項８】
表面き裂進展解析の計算結果を記録し、この計算結果を取り出すことが可能な記憶媒体を設けたことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項９】
前記記憶媒体に記録された過去の入力データを読み出した後、この入力データの一部を変更して表面き裂進展解析を実施することを特徴とする請求項８記載の表面き裂の進展解析装置。
【請求項１０】
表面き裂の応力拡大係数を計算する際に、複数の応力拡大係数計算式が適用可能な場合に、これら複数の応力拡大係数計算式をデータベースとして備え、識別名を入力するかまたはリストから選択することにより適合する応力拡大係数計算式を読み込むことを特徴とする請求項６記載の表面き裂の進展解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１０５６７３（Ｐ２００６−１０５６７３Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９０１６４（Ｐ２００４−２９０１６４）
【出願日】平成１６年１０月１日（２００４．１０．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１日（２００４．１０．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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