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梁の疲労寿命に影響を与える因子とは？
- 梁の疲労寿命を求める際には、表面応力だけでなく、梁の内部の材料状態も考慮する必要があります。
- 梁が鍛造材であり、鍛流線の方向によっても疲労寿命は大きく変わる可能性があります。
- 梁材の表面層以外の深部の残留応力も疲労寿命に影響する可能性があるため、全体的な材料状態を考慮することが重要です。
- CAE
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確かに軸や形鋼材のように引抜・押出し材では表面を基点として疲労破壊す る場合が多いと思います。私見としてはこれは表面の残留応力の影響と言う より,曲げやねじりは表面の応力状態が最大になると言う要因のほうが大きい と考えています。確かに表面が加工硬化している材料は繰返し応力で亀裂発 生が遅れる傾向はあると思いますが。 なお切り欠きや部分加工がある場合や内部欠陥があると疲労破壊の起点が その応力集中部となり,必ずしも表面にならないことも注意が必要です。 疲労強度のばらつき因子は材料強度だけでなく,応力振幅の与え方や温度の 影響も受けるので画一的に論ずるのは難しいと思います。 ＳＮ線図やばね(疲れ)線図などは材料の疲労強度を判定する上で便利ですが, 絶対的なものではありません。 表面状態の影響を記したデータがありましたので,添付しておきます。
梁の疲労強度を求めるとは、珍しいですね。私は一度も計算したこと無いです 一般に構造材であれば、疲労強度は引張強さの50～60％と言われており、また 降伏点は、引張強さの60％とすると建築ならば基準強さを降伏点の1/1.5倍と している訳で、こうなると既に疲労強度の安全率を約1.5倍程度は見ていると いうことにならないか？なおかつ構造材での梁たわみは単純はり1/300以下と 規定されているし、機械のフレームならば振動を考慮してそれ以上はとるから 更に安全率は多くなる筈と思うので疲労を考えるのは特殊なんじゃないのかな もっとも重要で特殊な梁ならば理論もそうだが実機で試験が良いと思うけど。 最後に・・鍛造流≒ファイバーフローが強度計算などに考慮されているものを 見たことがないが（私だけ？）強度が高いのは判るが一体、どれ位強いのかな 鍛造材を切削したのですね。鍛造材自体には欠陥が無かったのでしょうか？ どうも計算値と実機の結果が離れ過ぎているようなので、それが切削による 残留応力だけなのか（恐らく小さい）疑問に思います。ここは、鍛造=強度高 という概念を捨てて、私ならば真っ先にここをまづ疑ってみますけど。 鍛造材でない通常の焼きならし材ででも試験し、ここをクリアにしてみては？ 破壊工学からいうと微小な欠陥でも鋭利な傷なら容易に成長するらしいですが
梁にかかる許容応力を求める際には、それが建築なら建築基準法等に則り、 造船関連なら造船の基準で確認した方が良いと思います。 それらのさわりのURLを以下に記します。 さて、質問内容に関してですが、 梁の内部の材料状態は本当に影響因子では無いのでしょうか？ ↓ 有ります。 例えば梁が鍛造材で、梁の長さ方向に鍛流線がある場合と梁の厚さ方向に 鍛流線がある場合だと結果は大きく変わるように感じます。 （表面層以外の深部の残留応力も寿命に影響するのでは？） ↓ 結果は大きく変わりますし、影響もします。 但し、梁の場合は曲げ応力の確認が主であり、その最大値は梁の上部と下部 の表面であり、その表面の形状係数や仕上げ状態を考慮した切欠き係数、等 を加味した許容応力はMax値となります。その数値を考慮しておけば、梁の 内部の材料状態は軽めの応力となるので、考慮しなくとも良いが正確な表現 です。 エンジンのクランクシャフトを鍛造材にする事は、 ? 特に表面が加工硬化で硬度が硬くなる。 硬度と強度は比例するので、表面が特に強度アップされる。 SUSは熱処理すると防錆効果が落ち易くなるので、熱処理でなく加工硬化 で強度を上げて撓み量を増やしている事例もあります。 ? クランクシャフトのような段差が多くある形状には、応力集中を緩和する ために大き目のＲを付けます。そのＲ部分にも鍛流線が下部にまでできて います。その鍛流線に沿って加工する強度と、平行な鍛流線にＲを付ける ために鍛流線を切断する加工強度では、前者の方が強い事が判ります。 曲げ強度の最大応力は、物の表面（上下面）を走ると言われています。 その最大応力が走る面（道）が、 ◆ ズムーズでないと速度が落ち、そこにエネルギーが溜まります。 それが、応力集中と教えられました。 ◆ 鍛流線に沿う形と、鍛流線を切断する形では、繰り返し荷重で鍛流線切断 部分がささくれてきて、その部分がズムーズでなくなり前項と同じ状態と なります。（この繰り返し荷重が疲労に関係する） にて、鍛造化により表面の引張強度、疲労強度自体が改善されている事です。
- 参考URL：
- http://kozo.milkcafe.to/steel/kyoyou.html http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2002/00324/mokuji.htm
お礼
コメント有難う御座います。 材料が疲労強度に影響を与える代表的な例として、 エンジンのクランクシャフトを鍛造材にすることで疲労寿命を改善すると言う事例があります。 表面の状態が支配的と考える場合、鍛造化により表面の引っ張り強度、疲労強度自体が改善されているという事でしょうか。
お礼
コメント有難う御座います。 梁といっても実際は建物の梁ではありません。 回転するプーリの軸とプーリ溝部をつなぐスポークの様なモノのをイメージしてください。 プーリーにベルト荷重が掛かるので、回転に伴い繰り返し荷重が掛かります。 勿論回転変動に伴うショックでベルト荷重が変化しますので、この点は上乗せして考慮しています。 私が困っているのは表面応力から求めた寿命と実機の試験結果が乖離しているためその原因をどのように説明するか？と言うことです。 実機結果がこうだからこれで良いのです。では済まされず、理論と実機の違いの原因を理論的に説明する必要があります。