板金(SPCC t1.6)曲げ加工部の疲労寿命計…

Question

板金(SPCC t1.6)曲げ加工部の疲労寿命計算方法

直接設計に携わっているわけではありませんので、例えばの話でご容赦ください。SPCC材の板金を曲げ加工した構造部品を大量に発注した後で、曲げ部の疲労破壊が問題になったとします。対策として問題の部品はそのまま使い、新たな構造部品を追加することで補強することにしました。それでは、どの程度補強すれば疲労破壊を防止できるのか、おそらく部品の応力解析を行ってSN線図などを使って寿命を推定するか、何通りか試作品を作って試験を繰り返すなど方法があると思います。常温の空気中で使われる部品なので、実機試験も難しくは無いですが、ここでは応力解析を行ってできるだけ正解に近づく為に何をしなければならないか、考えたいです。つまり問題解決案というより解決手段の話です。
　疲労寿命は仕様で１００万回以上を求めていますが、実際は１０万回程度で破断しています。荷重は衝撃性の片振り荷重が加わっています。荷重波形は1mmsec周期の矩形波が１パルス、１分間隔で加わっています。
　いま考慮していることは、板金部品の曲げ部形状と材質から、応力やひずみをシミュレーションで求め、coffin-mansonの式を使って寿命を計算する方法です。ここでの問題は曲げ部の形状が未詳であることです。R0.2と指定してもＣＡＤで描くようなきれいな形状で物が出来ない事、最悪では亀裂が入っている可能性もあります。亀裂ならばＣＡＥソフトが持っている亀裂要素？なるものを使えば良いのではないかと思っています。もうひとつの問題は加工部の材質変化と残留応力です。残留応力は予めシミュレーションで求まりそうですが、材質の変化とは何が起こり、またそれを応力シミュレーション時の定数として表現できるのかが良く分かりません。最後の問題はcoffin-mansonの式で利用する計算定数(σf,εf,c,n）を他から入手と、表面粗さ表面処理による寿命値の補正係数の入手です。
　どうすれば正解に近づくことができるでしょうか？このような質問に回答するのはいろいろと難しいと思いますが、何か情報を頂ければ幸いです。結論として、シミュレーションで詳細に求めることは無意味、というところに落ち着きそうですが、第三者にここまで調べて諦めたよ、と言えるようにはなりたいです。

Answer

『荷重は衝撃性の片振り荷重が加わっています』
ってことは、別に板金が曲がってなくてもいいんですよね。
くびれたような平板に応力集中して疲労させるのと変わらないような。
言いたいのは、今の現象をできるだけ簡単なものに置きかえられはしませんか？ということです。

他の方もおっしゃってますが、何かしらの試験結果があってはじめてシミュレーションができると思うんですが。いきなりでは、パラメータの公差がでかくて疲労限度は○回±25％なんて数値が出るでしょ。

まずは、ものすごい簡易試験機を作るべきと。

Answer

私は　シュミレーションは最近は使ってませんが
昔、まだスーパーコンピューターなる言葉があった頃　使ったことあります
最近のシュミレーターが　どのようになってるのか詳しく知りませんが、
現実に近づける為には　シュミレーターだけではやはり限界があるのではと思います。
すでに他の方が　おっしゃってますね（笑）
上記のような環境ですので　出来るか出来ないかも判らない状態で申し上げますが、
シュミレーターの精度を向上させるには　シュミレーターにより求められたデータを実験により裏付けしたり、
実験により求めたデータとシュミレーターのデータの相違点を洗い出し、
場合によっては原因究明したりして、シュミレーター側のパラメーター補正をかけないと
たぶん　精度は上がらないと思います。
結局、CADもCAMもCAEも　なんでもいいんですが　これらは道具だと思います。
何故そうなるのか？が大事だと思うんですよね。
シュミレーターが出来ないから　このシュミレーターはダメだじゃないと思うんですよ
条件が複雑になるから使えないでもないと思います。
私は　どのような物でも所詮、装置であり道具だと思ってますので
道具は使い方次第だと思います。
当然、このような道具は　すぐ使えるような安易な道具ではないでしょう。
あくまでもプロユースですからね
でも　難しいですね（笑）

Answer

貴殿の質問は、『シミュレーションのみで正解を出せるようにする』という目的について、どんな手があるか？ということですね。
小生は、シミュレーションで詳細に求めることは無意味ではないと思いますが、何か忘れてませんか？　という意見です。
釈迦に説法かも知れませんが、シミュレーションは数値計算ですから、とりあえず答えは出ます。しかし、そもそも仮定がたくさん入っています。貴殿自身が拘束条件や荷重条件を設定して、構造解析されるのですよね？　それって本当にそうなっているのですか？　貴殿も書かれているように、CAD上での形状が、実物で再現されていることはほぼ皆無ですし、種々の条件が理想とは異なっているはずです。coffin-mansonの式の定数等は何から入手されるのですか？　文献ですか？　その値が貴殿の問題にそのままFitする保証があるのですか？
つまり、『シミュレーションの精度を上げるには、実験が欠かせない』ということです。小生も構造解析と流体解析の経験がありますが、どれだけ詳細に解析しても、一回ではまず合いません。そこで何と合わせるか？　結局は実験です。正解の基準が実験結果です。もちろん実験が間違っていないことが前提ですが。実験とCAEは切っても切り離せない関係です。ましてや、解析精度を上げるなら尚更です。CAEの怖いところは、コンター図を見ていると、あたかも正しいように見えて来る点です。

ただ、貴殿の例え話の中での、『同一部材にリブを付けて対応する』という方向が事実であれば、そのリブが効くのか効かないのかの問題ですから、細かな解析精度を追求しなくても、ある程度できる限りの解析を行い、相対比較を行えば良いのではないですか？　恐らくそれで十分でしょう。
もし、貴殿が上記の相対比較を行いたいのであれば、小生なら、『リブを付けた場合と付けない場合とであれば、疲労強度は計算上、○×[%]改善される。しかし、あくまでも相対比較であるから、詳細検討は実験で確認する必要あり。』という方向に持って行きます。

Answer

PLANETです。
この問題はやっかいです。
シミュレーションと実際では絶対違います。
有限要素法で解析しても（ＦＥＭなど）金具の取付角度が水平な場合と少し傾いた状態など実際のものを完全にシミュレーションするのは困難で、あくまでもシミュレーションは目安です。
coffin-mansonの式を利用するのもやはり目安です。
パラメータのとり方がまず最初に問題になります。
これらをすべて考慮すると並列計算をする羽目になり、多変数解析を行うことになり４～５日ＰＣは計算しっぱなしになります。
それより実際に試験すべきで、ここで得られた数値でシミュレーションしてみてはいかが。
まあ、このあたりはノウハウですね。
特に、マイクロクラックについてはＳＥＭで一応見ておいて実際の１．６ｔＳＰＣＣが有効等価板厚が幾つになっているか、残留応力がどの程度入っていて使える応力はどれだけかがおおよそ見積もれます。
これらをいきなりシミュレーションして本当の数値が得られたとしてもそれを証明できる根拠が必要で、結局試験して実物でこうなってシミュレーションでもよく一致が確認できるのでこの寿命計算は正しいと持っていくよりしょうがないですね。
単純形状、単純応力でも実際は治具の傾きやマイクロクラック、衝撃波形などで一気に行列計算の化け物に変身しますから、すぐ試験できる環境があればもっとも速く正確です。
ハイテクはローテクで証明されます。
ご参考まで。
（私の応力計算はｐｒｏ－ｅ　のメカニカルで計算しています。ｆｅｍを使った有限要素法で定性と定量解析が可能で応力分布がきれいにでます。
問題はセグメントをあまり細かくすると計算に１週間程度かかってしまうものもあります。最初はｐｃが壊れたかと思った）
寿命計算と熱計算は本当によく外れますね・・・・ははは
お互いにがんばりましょうね。

板金(SPCC t1.6)曲げ加工部の疲労寿命計算方法と問題解決手段