JPH06323962A - 疲労強度評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 繰り返し荷重が加わる機械構造物のどの部分
に応力集中が生じているのかを有限要素法等の解析手法
を用いて算出し、その部分のみについての歪みデータを
測定して応力データを算出することにより測定作業を軽
減し、構造物の設計に費やす時間並びに労力の削減を図
る。 【構成】 ＣＡＤを用いた構造物の設計手段１と、その
構造物設計データを用いて構造物の強度を演算により解
析する強度解析手段２と、その解析結果に基づいてゲー
ジの構造物上の最適貼付位置を求めるゲージ貼付場所選
定手段３と、その位置データを用いて構造物上にゲージ
を貼付するゲージ自動貼付手段４と、ゲージが貼付され
た構造物に荷重を与えて歪み波形を測定する歪み波形測
定手段５と、得られた歪み波形データを用いて構造物の
応力波形を演算により求める応力演算手段６と、得られ
た応力データを用いて演算により構造物の疲労強度を評
価する疲労強度評価手段７とよりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は歪みゲージを用いた応力
測定による疲労強度評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に繰り返し荷重が加わる機械構造物
の疲労強度を検討する場合、該機械構造物に歪みゲージ
を貼付して測定した歪みデータから応力データを算出
し、この応力データと、機械構造物の疲労限度とを比較
することにより疲労限度を評価することが行われてい
る。

【０００３】そして機械構造物に繰り返し荷重が加わる
と、機械構造物の各部に分布して応力が生じる。この時
疲労破壊の原因となる部分は、応力集中が起こり疲労限
度を越えている部分のみであり、それ以外の部分は無関
係である。しかしどの部分に応力集中が起こっているか
については、歪みゲージを貼付して歪みデータを測定し
た後応力データを算出しなければ判断することはできな
い。

【０００４】よって数多くの測定点について歪みデータ
測定、及び応力データ算出を行う必要があり、多大なる
測定作業時間と労力を必要とすることとなり、構造物の
設計に費やす時間、並びに人件費が増大し、構造物の製
造コストが増大するという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、繰り返し
荷重が加わる機械構造物のどの部分に応力集中が生じて
いるのかを有限要素法等の解析手法を用いて算出し、そ
の部分のみについての歪みデータを測定して応力データ
を算出することにより測定作業を軽減し、構造物の設計
に費やす時間並びに労力の削減を図ろうとすることを目
的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣＡＤを用い
た構造物の設計手段と、該設計手段の構造物設計データ
を用いて前記構造物の強度を演算により解析する強度解
析手段と、該解析手段による解析結果に基づいて前記構
造物の応力を検出するために必要なゲージの該構造物上
の最適貼付位置を求めるゲージ貼付場所選定手段と、該
選定手段によって選定された位置データを用いて前記構
造物上にゲージを貼付するゲージ自動貼付手段と、ゲー
ジが貼付された構造物に荷重を与えて歪み波形を測定す
る歪み波形測定手段と、該測定手段によって得られた歪
み波形データを用いて前記構造物の応力波形を演算によ
り求める応力演算手段と、該演算手段によって得られた
応力データを用いて演算により前記構造物の疲労強度を
評価する疲労強度評価手段とよりなる。

【０００７】

【作用】上記構成において、繰り返し荷重が加わる機械
構造物のどの部分に応力集中が生じているのかを有限要
素法による強度解析により推定し、その部分のみについ
て歪みデータを実測により測定して応力データを算出す
ることにより、疲労破壊に無関係な部分の歪み測定を行
うことなく効率よく機械構造物の疲労強度評価を行うこ
とが可能となる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の疲労強度評価装置をその一実施
例について図面に基づき詳細に説明する。

【０００９】全自動洗濯機の軸受ケースには、脱水運転
時に繰り返し荷重が加わり、疲労強度が問題となる。軸
受けケースの最も応力の高くなる部分を推定するため
に、有限要素法による強度解析を行う必要がある。

【００１０】図１は本実施例装置の基本構成を示すブロ
ック図である。同図において１はＣＡＤ(Computer Aide
d Design) 装置を用いた構造物（実施例では全自動洗濯
機の軸受ケース８）の設計手段、２は該設計手段１の構
造物設計データを用いて前記構造物の強度を演算により
解析する強度解析手段、３は該強度解析手段による解析
結果に基づいて前記構造物の応力を検出するために必要
なセンサとしての歪みゲージの該構造物上の最適貼付位
置を求めるゲージ貼付場所選定手段、４は該ゲージ貼付
場所選定手段３によって選定された位置データを用いて
前記構造物上にゲージを実際に貼付するゲージ自動貼付
手段、５は前記歪みゲージが貼付された構造物に荷重を
与えて歪み波形を測定する歪み波形測定手段、６は該歪
み波形測定手段５によって得られた歪み波形データを用
いて前記構造物の応力波形を演算により求める応力演算
手段、７は該応力演算手段６によって得られた応力デー
タを用いて演算により前記構造物の疲労強度を評価する
疲労強度評価手段である。上記構成を有する本実施例装
置において、その動作を図２のフローチャートに基づい
て説明すると、まずステップＳ１において前述のＣＡＤ
装置を用いて構造物（製品）を設計し、その設計データ
に基づいて強度解析を行うための３次元データを作成す
る。図３にステップＳ１にて作成された３次元データの
例を示す。次にステップＳ２において強度解析を行い、
応力集中箇所を推定する。そしてステップＳ３で前記ス
テップＳ２の結果に基づいて必要最小限度のゲージ貼付
箇所を選定する。本実施例では図４に示されるようにＧ
１〜Ｇ４の歪みゲージを選定箇所に貼付することにし
た。

【００１１】ここで応力集中箇所かどうかの判断は、最
大応力値のＸ（Ｘは予め設定された任意の値）％以上の
応力が生じているかどうかを目安として決定する。即ち
最大応力値のＸ％以上の応力が生じていれば応力集中箇
所と見做すことになる。なお、判断の基準となる最大応
力値に対する割合Ｘ％は製品によって任意に決定される
ものである。

【００１２】次にステップＳ４で前記ステップＳ３にお
いて選定された場所に対して自動貼付機（図示せず）を
用いて実際に歪みゲージをその箇所に貼付する。本実施
例の場合、軸受ケースは一般に平板部材で作られてお
り、繰り返し荷重により生じる主応力は一定方向とは限
らず、一方向の歪み測定のみでは正しい主応力波形は得
られない。

【００１３】そこで応力を２次元的に取扱い平面応力と
して測定するため互いに直交する３方向の歪み波形を算
出する。即ち実装された歪みゲージによりステップＳ５
において歪みデータεａ〜εｃ（図５参照）を実測す
る。

【００１４】そしてステップＳ６では前記ステップＳ５
で実測されたεａ〜εｃのデータを用いて数１により主
応力を算出する。

【００１５】

【数１】

【００１６】このように歪みゲージにより測定された歪
み波形は図示しないＦＦＴアナライザーにデジタルデー
タとして取り込まれる。そしてこの歪み波形データを図
示しないＥＷＳ(Engineering Work Station)に転送し、
前記数１の演算を実行する自動処理プログラムにより主
応力波形を算出する。図６はこうして得られた主応力波
形のプロット図である。同図においてσｗは応力振幅、
σｍは平均応力、σｍａｘは最大主応力を夫々示してい
る。

【００１７】次に材料のＳ−Ｎ曲線に安全率を見込んだ
設計Ｓ−Ｎ曲線（図７参照）により、軸受ケースの疲労
強度を評価する。即ち前記図６の応力振幅σｗに平均応
力σｍを考慮した等価応力振幅σｅを修正グッドマンの
数２により算出する。

【００１８】

【数２】

【００１９】数２により得られた等価応力振幅σｅが疲
労限度（図７中の軸受ケースの設計Ｓ−Ｎ曲線が飽和す
る値）以下であれば、軸受ケースは疲労により破壊しな
いという結果が出力され（ステップＳ７）、軸受ケース
の疲労強度評価が終了する。

【００２０】なお前記ステップＳ７において疲労による
軸受ケースの破壊が起こると評価された場合には、ステ
ップＳ１に戻り軸受ケースの設計を修正し、再度ステッ
プＳ２〜Ｓ７の評価アルゴリズムを繰り返し、最終的に
疲労強度により破壊しないという結果が出力されるまで
何度も設計変更を繰り返すことになる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は以上の説明の如く構成したもの
であり、繰り返し荷重を機械構造物のどの部分に応力集
中が生じているのか、疲労強度を把握するために有限要
素法による強度解析により測定すべき点を推測し、その
部分のみについて歪みデータを測定し、更に応力を平面
的応力として取扱うために３方向の歪み波形から主応力
波形を測定演算することにより、疲労破壊に無関係な部
分の歪み測定を行うことなく、効率よく機械構造物の疲
労強度評価を行うことが可能となり、測定作業量を大幅
に軽減することができ、構造物設計時の時間、労力及び
それに伴うコストを削減できる効果が期待できるものと
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の疲労強度評価装置を示す機能ブロック
図である。

【図２】図１の各構成要素の処理動作を示すフローチャ
ートである。

【図３】図１の製品設計手段において設計された製品の
３次元データを示す図である。

【図４】図１のゲージ貼付場所選定手段において選定し
たゲージ貼付場所を黒塗りで示した図である。

【図５】図１の歪み波形測定手段において測定された３
方向の歪み波形を示す図である。

【図６】図５の歪み波形に基づいて図１の応力波形演算
手段にて演算された応力波形を示す図である。

【図７】疲労強度評価を行うために用いるＳ−Ｎ曲線を
示す図である。

【符号の説明】

１ 製品設計手段 ２ 強度解析手段 ３ ゲージ貼付場所選定手段 ４ ゲージ自動貼付手段 ５ 歪み波形測定手段 ６ 応力演算手段 ７ 疲労強度評価手段

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【手続補正書】

【提出日】平成５年６月３０日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】一般に繰り返し荷重が加わる機械構造物
の疲労強度を検討する場合、該機械構造物に歪みゲージ
を貼付して測定した歪みデータから応力データを算出
し、この応力データと、機械構造物の疲労限度とを比較
することにより疲労強度を評価することが行われてい
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】図１は本実施例装置の基本構成を示すブロ
ック図である。同図において１はＣＡＤ(Computer Aide
d Design) 装置を用いた構造物（実施例では全自動洗濯
機の軸受ケース８）の設計手段、２は該設計手段１の構
造物設計データを用いて前記構造物の強度を演算により
解析する強度解析手段、３は該強度解析手段による解析
結果に基づいて前記構造物の応力を検出するために必要
なセンサとしての歪みゲージの該構造物上の最適貼付位
置を求めるゲージ貼付場所選定手段、４は該ゲージ貼付
場所選定手段３によって選定された位置データを用いて
前記構造物上にゲージを実際に貼付するゲージ自動貼付
手段、５は前記歪みゲージが貼付された構造物に荷重を
与えて歪み波形を測定する歪み波形測定手段、６は該歪
み波形測定手段５によって得られた歪み波形データを用
いて前記構造物の応力波形を演算により求める応力波形
演算手段、７は該応力波形演算手段６によって得られた
応力データを用いて演算により前記構造物の疲労強度を
評価する疲労強度評価手段である。上記構成を有する本
実施例装置において、その動作を図２のフローチャート
に基づいて説明すると、まずステップＳ１において前述
のＣＡＤ装置を用いて構造物（製品）を設計し、その設
計データに基づいて強度解析を行うための３次元データ
を作成する。図３にステップＳ１にて作成された３次元
データの例を示す。次にステップＳ２において強度解析
を行い、応力集中箇所を推定する。そしてステップＳ３
で前記ステップＳ２の結果に基づいて必要最小限度のゲ
ージ貼付箇所を選定する。本実施例では図４に示される
ようにＧ１〜Ｇ４を選定箇所として歪みゲージを貼付す
ることにした。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １ 製品設計手段 ２ 強度解析手段 ３ ゲージ貼付場所選定手段 ４ ゲージ自動貼付手段 ５ 歪み波形測定手段 ６ 応力波形演算手段 ７ 疲労強度評価手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣＡＤを用いた構造物の設計手段と、該
   設計手段の構造物設計データを用いて前記構造物の強度
   を演算により解析する強度解析手段と、該解析手段によ
   る解析結果に基づいて前記構造物の応力を検出するため
   に必要なゲージの該構造物上の最適貼付位置を求めるゲ
   ージ貼付場所選定手段と、該選定手段によって選定され
   た位置データを用いて前記構造物上にゲージを貼付する
   ゲージ自動貼付手段と、ゲージが貼付された構造物に荷
   重を与えて歪み波形を測定する歪み波形測定手段と、該
   測定手段によって得られた歪み波形データを用いて前記
   構造物の応力波形を演算により求める応力演算手段と、
   該演算手段によって得られた応力データを用いて演算に
   より前記構造物の疲労強度を評価する疲労強度評価手段
   とよりなる疲労強度評価装置。