疲労検討における結果の解釈
以下のトピックでは、疲労検討で定義できるさまざまな結果と、それらの結果を解釈する方法のガイドラインについて説明します。
両軸指示
両軸指示は、疲労解析を実行する際に、ある位置における応力状態の多軸性を示す無次元の結果です。これは、疲労ダメージが 1 つの支配的な主応力によって引き起こされているのか、あるいは同程度のマグニチュードの 2 つ以上の主応力によって引き起こされているのかを把握するのに役立ちます。この結果は、その他の疲労結果 (疲労寿命、ダメージ、安全係数など) を解釈するのに役立ちます。
両軸指示では、(ゼロに最も近い主応力を除外して) 小さい方の主応力と大きい方の主応力の比率を測定することで、応力状態の性質を判定します。これにより、(単軸荷重を前提とした) 疲労寿命予測が有効かどうかを識別できます。
両軸指示の値は -1 から 1 の範囲であり、次のように解釈できます。
• -1 - 値 -1 は純せん断を示します。これは、ねじれ荷重では一般的です。保守的な疲労寿命を得るためには、等価応力 (フォンミーゼス) から最大せん断応力に切り替える必要があります。
• 0 - 値 0 は単軸荷重を示し、応力が純引張りまたは純圧縮であることを意味します。この値の場合に、疲労解析の前提は最も正確です。
• 1 - 値 1 は純両軸荷重 (2 方向で引張りまたは圧縮が等しい) を示します。
この結果を使用して、モデルが多軸荷重を受けているかどうかを確認します。単軸 (0) でない場合は、多軸疲労基準を使用して、より慎重に疲労寿命の結果を評価する必要が生じることがあります。
対応両振れ応力 (EAS)
これは、疲労に対して荷重が「どの程度のダメージを与えるか」を表す単一の応力値です。これは、複雑で多軸、かつ平均応力が非ゼロの荷重を、1 つの等価な完全反転応力振幅に変換します。これは、S-N カーブから疲労寿命を読み取る際に使用される応力値です。
EAS には次の変換が含まれています。
• 多軸応力変換 - 異なる方向からの応力を 1 つの等価応力に結合します。
• 平均応力修正 - グッドマン、ゲルバー、ゾーダーベルク (現時点では使用できませんが、将来のリリースで使用可能になる予定) などのモデルを使用して、引張りまたは圧縮の平均応力を調整します。
• 最終スカラー値 - 材料の S-N カーブと直接比較します。
次の図は、S-N カーブと EAS を示しています。Y 軸は応力振幅 (S) を示し、X 軸は破壊までのサイクル数 (N) を示します。
対応両振れ応力の S-N カーブ
このグラフには次の値が表示されます。
• 青色の線: 典型的な S-N カーブ (応力振幅とサイクル数の関係)。
• 赤色の破線: 対応両振れ応力 (EAS)。
• 緑色の点線 + 赤色の点: 予測寿命 (EAS と S-N カーブの交点)。
グラフは次のように読み取ることができます。
• EAS から S-N カーブまで水平方向に移動し、次に N 軸まで下方向に移動します。
• その N 値が、現在の荷重に対する予測疲労寿命 (サイクル数) です。
疲労ダメージ (マイナー則)
ダメージ = 設計寿命/予測寿命
ダメージ > 1 は、設計寿命に達する前に破壊されることを意味します。
マイナー則のダメージバー
ダメージ D = 設計寿命/予測寿命
ダメージバーには以下が表示されます。
• 緑色の領域: ダメージ < 1 - 設計寿命に対して安全です。
• オレンジ色の破線: ダメージ = 1 - しきい値を示します。
• 赤色の領域: ダメージ > 1 - 設計寿命に達する前に破壊されます。
• 表示されている例: D = 1.67 - 安全ではありません (許容されるよりも早く寿命を消費します)。
ダメージバーは次のように解釈できます。
• バーがしきい値線の手前で止まっている場合、設計寿命は問題ありません。
• バーがしきい値を超えている場合、荷重を低減するか再設計しない限り、目標寿命に達する前に破壊されることが予想されます。
疲労寿命
この結果は、指定された荷重条件下でモデルが耐えることができる予測サイクル数です。
この結果は次のように解釈できます。
一定振幅荷重の場合 - 疲労寿命の値は、破壊までのサイクル数です。
可変荷重またはブロック荷重の場合 - 疲労寿命の値は、破壊までの荷重ブロック数 (または等価サイクル数) を表します。
寿命が長いほど、疲労パフォーマンスが優れていることを意味します。
安全係数
これは、構成部品が疲労破壊にどの程度近いかを示すメジャーです。これは、疲労破壊が発生するまでに荷重を何倍まで増やすことができるかを示します。
安全係数 = 許容疲労強度/適用周期応力
安全係数 SF
安全係数ゲージには以下が表示されます。
• 赤色: SF < 1 - 安全ではありません。
• 黄色: 1 ≤ SF < 2 - わずかなマージンがあります。
• 緑色: SF ≥ 2 - 十分なマージンがあります。
• 青色のマーカー: 例 SF = 1.6 - 要注意です。要件が ≥ 2 の場合は改善を検討してください。
安全係数ゲージは次のように解釈できます。
• SF < 1 - 強度を高めるか、周期応力を低減してください。
• SF ≈ 1 - 構成部品は非常にわずかなマージンで設計寿命の目標を満たしています。
• SF ≫ 1 - マージンが大きいほど、構成部品が安全であることを示します。
 | Creo Ansys Simulation では、表示される最大安全係数が 15 (非常に安全) に制限されています。 |
サマリー - 疲労結果のクイックリファレンス
結果数量 | 何を表すか | この結果の解釈方法 |
|---|---|---|
対応両振れ応力 (EAS) | S-N カーブを参照する際に使用される最終的な応力振幅 多軸応力と平均応力の影響を含む | EAS が高い - 疲労寿命は短くなります。 極端に高い値 - 平均応力が限界を超えています。 |
疲労ダメージ | 消費された寿命の割合 | ダメージ > 1 - 設計寿命に達する前に破壊されます。 |
疲労寿命 | 破壊までの予測サイクル数 (またはブロック数) | 寿命が長い = 耐久性に優れています。 |
安全係数 | 疲労破壊に対するマージン |
疲労設計における適切な平均応力修正の選択
ゼロタイプまたは比率タイプの荷重に対して疲労挙動を定義する際に、使用する平均応力理論を選択できます。モデルによって保守性のレベルは異なるため、正しい平均応力修正を選択することが重要です。このガイドは、材料の挙動、リスクの許容度、および用途タイプに応じて適切な平均応力理論を選択するのに役立ちます。
安全領域と非安全領域を示したグッドマン + ゲルバー線図
次の図は、グッドマン基準とゲルバー基準が、両振れ応力および平均応力の値に基づいて平均応力修正をどのように適用するかを示しています。
この線図には、以下が含まれています。
• 青色の線: グッドマン線 (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1)
• 破線の放物線: ゲルバー線 σₐ = Se (1−(Sut / σₘ)2))
• 赤色の点: 適用された応力状態 (平均応力 σₘ、両振れ応力 σₐ)
• 緑色の矢印 + σm=0 にある緑色の点: S-N 参照に使用される等価完全反転振幅 (σₐ, eq)
この図は、次のように解釈できます。
• 平均応力 (σₘ) が高いほど、許容される両振れ応力が低下します。
• 対応両振れ応力 (σₐ,eq) は、耐久性 S-N カーブと比較される値です。
次の表は、グッドマン平均応力理論とゲルバー平均応力理論の比較を示しています。
平均応力理論 | グッドマン基準 | ゲルバー基準 |
|---|---|---|
概要 | 中程度の保守性 業界で広く使用されています。 安全性と経済性のバランスを取る必要がある場合で、かつ荷重の特性が明確な場合に (機械要素で一般的)、グッドマンを使用します。 | 保守性が最も低い 延性スチールの挙動に最適です。 材料が延性スチールで、十分に品質管理されており、大きな引張り平均応力の下で軽量化および最適化された設計が必要な場合に、ゲルバーを使用します。 |
方程式 |  ここで σa は両振れ応力です。 σm は平均応力です。 Se は耐久限度です。 Sut は最大引張り強度です。 |  ここで σa は両振れ応力です。 σm は平均応力です。 Se は耐久限度です。 Sut は最大引張り強度です。 |
代表的な用途 | • 回転シャフト • 歯車の歯 • 溶接構成部品 • 機械要素全般 • 自動車構造 | • 重量最適化された自動車構成部品 • パフォーマンス重視の回転機械 • 信頼性データが豊富なスチール部品 • 安全性がそれほど重要ではない民生用機械 |
長所 | 単純 適度に保守的 ほとんどの金属に有効 | 延性スチールの実験的疲労カーブに最適 より現実的な許容応力 最適化/軽量設計で頻繁に使用 |
短所 | 線形近似にすぎない (延性スチールには保守的すぎる可能性) ゲルバーほど延性スチールの実際の破壊挙動と一致しない | 脆性材料には不適切 破壊時の影響が重大な場合には不適切 多くの安全重視の設計コードでは不採用 |
クイック意思決定テーブル
シナリオ/要件 | 最適な方法 | 理由 |
|---|---|---|
高い安全性/人的リスク | ゾーダーベルク | 降伏を防ぐ (非常に保守的) |
汎用的な機械設計 | グッドマン | バランス型 (広く採用) |
最適化された軽量金属部品 | ゲルバー | 延性スチールの疲労挙動に最適 |
荷重が非常に不確実 | ゾーダーベルク | 誤差マージンがより安全 |
引張り平均応力が既知 | ゲルバー | 放物線カーブがスチールの挙動と一致 |
規制当局の承認が必要 | グッドマンまたはゾーダーベルク | ほとんどの標準で定義済み |
脆性材料 | グッドマン | 脆性挙動にゲルバーは不適合 |
| | ゾーダーベルク平均応力理論はまだ使用できませんが、将来のリリースで使用可能になる予定であるため、比較のために含まれています。 |
絶対禁止規則
• 脆性材料 (鋳造鉄、セラミック) にはゲルバーを使用しないでください。
• 重量を最適化する必要がある構成部品にはゾーダーベルクを使用しないでください (設計が過度に拘束される可能性があります)。
• すべての基準で同様の結果が得られると仮定しないでください。平均応力が高い場合には、結果が大きく異なることがあります。