(57)【要約】      （修正有）【課題】自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を適切に推定することができる、残留応力推定装置、残留応力推定方法およびプログラム、ならびに当該残留応力推定装置を用いた品質管理方法を提供する。【解決手段】推定装置１０は、取得部１２と推定部１４とを備える。取得部１２は、自緊処理後の円筒状部材の外面の残留応力の実測値、半割試料の外面の残留応力の実測値、および半割試料の内面の残留応力の実測値を取得する。推定部１４は、円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力、半割試料の外面の残留応力、および半割試料の内面の残留応力の関係と、取得部１２が取得した各残留応力の実測値とに基づいて、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自緊処理後の円筒状部材の残留応力を推定する装置であって、
自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得する取得部と、
円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記取得部が取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する推定部と、
を備える、残留応力推定装置。
【請求項２】
前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記取得部は、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記推定部は、前記取得部が取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、請求項１に記載の残留応力推定装置。
【請求項３】
前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、請求項２に記載の残留応力推定装置。
【請求項４】
前記推定部が推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定する判定部をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の残留応力推定装置。
【請求項５】
自緊処理後の円筒状部材の残留応力をコンピュータによって推定する方法であって、
（ａ）自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得するステップと、
（ｂ）円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記（ａ）のステップで取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定するステップと、
を備える、残留応力推定方法。
【請求項６】
前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記（ａ）のステップでは、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、請求項５に記載の残留応力推定方法。
【請求項７】
前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、請求項６に記載の残留応力推定方法。
【請求項８】
（ｃ）前記（ｂ）のステップで推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定するステップをさらに備える、請求項５から７のいずれかに記載の残留応力推定方法。
【請求項９】
自緊処理後の円筒状部材の残留応力を推定するために、コンピュータに、
（ａ）自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得するステップと、
（ｂ）円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記（ａ）のステップで取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定するステップと、
を実行させる、プログラム。
【請求項１０】
前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記（ａ）のステップでは、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、請求項９に記載のプログラム。
【請求項１１】
前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、請求項１０に記載のプログラム。
【請求項１２】
前記コンピュータに、
（ｃ）前記（ｂ）のステップで推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定するステップをさらに実行させる、請求項９から１１のいずれかに記載のプログラム。
【請求項１３】
（Ａ）円筒状部材に自緊処理を行うステップと、
（Ｂ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材の外面の残留応力を実測するステップと、
（Ｃ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材を半割切断した後、当該半割後の円筒状部材の外面および内面の残留応力を実測するステップと、
（Ｄ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材の内面の残留応力を、請求項１から４のいずれかに記載の残留応力推定装置を用いて、前記（Ｂ）および前記（Ｃ）のステップで実測した各残留応力から推定するステップと、
（Ｅ）前記（Ｄ）のステップで推定された残留応力に基づいて、他の円筒状部材の自緊処理の条件を調整するステップと、
を備える、円筒状部材の品質管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒状部材の内面の残留応力を推定するための装置、方法、およびそれらを実現するためのプログラム、ならびにその装置を用いた円筒状部材の品質管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの燃料噴射管のような高圧環境下で使用される円筒状部材には、高い疲労強度が求められる。このような円筒状部材の疲労強度を向上させる方法として、自緊処理が知られている。自緊処理は過大内圧を作用させることで円筒状部材の内表面近傍を部分的に塑性変形させ、圧縮残留応力を生じさせる処理である。
【０００３】
自緊処理が施された円筒状部材の品質を適切に管理するためには、自緊処理によって、円筒状部材の内面にどの程度の残留応力が発生しているのかを把握しておく必要がある。従来、自緊処理が施された円筒状部材の残留応力を計測するための方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に開示された残留応力計測方法では、被処理体の自緊処理前後の寸法変化量と残留応力との関係（以下、マスターカーブと記載する。）が予め知得される。そして、上記被処理体と同材質の被処理体（以下、計測対象と記載する。）の自緊処理前後の寸法変化量を計測し、計測した寸法変化量とマスターカーブとに基づいて、計測対象の残留応力が推定される。
【０００５】
特許文献１に開示された方法では、適切なマスターカーブが作成されていれば、計測対象の自緊処理前後の寸法変化量に基づいて、計測対象の残留応力を簡単に推定することができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２４５２８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】社団法人日本材料学会編、「Ｘ線応力測定法標準（２００２年版）−鉄鋼編」、２００２年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、現在の技術では、円筒状部材の内面の残留応力を、円筒状部材を分割することなく実測することは難しく、円筒状部材の内面の残留応力を適切に示したマスターカーブを作成することは難しい。このため、マスターカーブおよび寸法変化量のみに基づいて残留応力を推定する特許文献１の方法では、円筒状部材の内面の残留応力を適切に推定することは難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を適切に推定することができる、残留応力推定装置、残留応力推定方法およびプログラム、ならびに当該残留応力推定装置を用いた品質管理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、下記の残留応力推定装置、残留応力推定方法、プログラムおよび品質管理方法を要旨とする。
【００１１】
（１）自緊処理後の円筒状部材の残留応力を推定する装置であって、
自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得する取得部と、
円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記取得部が取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する推定部と、
を備える、残留応力推定装置。
【００１２】
（２）前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記取得部は、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記推定部は、前記取得部が取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、上記（１）に記載の残留応力推定装置。
【００１３】
（３）前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、上記（２）に記載の残留応力推定装置。
【００１４】
（４）前記推定部が推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定する判定部をさらに備える、上記（１）から（３）のいずれかに記載の残留応力推定装置。
【００１５】
（５）自緊処理後の円筒状部材の残留応力をコンピュータによって推定する方法であって、
（ａ）自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得するステップと、
（ｂ）円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記（ａ）のステップで取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定するステップと、
を備える、残留応力推定方法。
【００１６】
（６）前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記（ａ）のステップでは、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、上記（５）に記載の残留応力推定方法。
【００１７】
（７）前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、上記（６）に記載の残留応力推定方法。
【００１８】
（８）（ｃ）前記（ｂ）のステップで推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定するステップをさらに備える、上記（５）から（７）のいずれかに記載の残留応力推定方法。
【００１９】
（９）自緊処理後の円筒状部材の残留応力を推定するために、コンピュータに、
（ａ）自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力の実測値、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の実測値を取得するステップと、
（ｂ）円筒状部材の解析モデルを用いて予め求められた、自緊処理後の前記円筒状部材の外面の残留応力、自緊処理後の前記円筒状部材の内面の残留応力、自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の外面の残留応力、および自緊処理後かつ半割後の前記円筒状部材の内面の残留応力の関係と、前記（ａ）のステップで取得した各残留応力の実測値とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定するステップと、
を実行させる、プログラム。
【００２０】
（１０）前記関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材の寸法に関する情報に対応付けられており、
前記（ａ）のステップでは、前記円筒状部材の寸法に関する情報をさらに取得し、
前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで取得した前記寸法に関する情報および各残留応力の実測値と、前記関係とに基づいて、前記自緊処理後の前記円筒状部材の前記内面の残留応力を推定する、上記（９）に記載のプログラム。
【００２１】
（１１）前記寸法に関する情報は、前記円筒状部材の外径および内径に関する情報である、上記（１０）に記載のプログラム。
【００２２】
（１２）前記コンピュータに、
（ｃ）前記（ｂ）のステップで推定した前記内面の残留応力が、予め設定された残留応力の条件を満足するか否かを判定するステップをさらに実行させる、上記（９）から（１１）のいずれかに記載のプログラム。
【００２３】
（１３）（Ａ）円筒状部材に自緊処理を行うステップと、
（Ｂ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材の外面の残留応力を実測するステップと、
（Ｃ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材を半割切断した後、当該半割後の円筒状部材の外面および内面の残留応力を実測するステップと、
（Ｄ）前記（Ａ）のステップで自緊処理された前記円筒状部材の内面の残留応力を、請求項１から４のいずれかに記載の残留応力推定装置を用いて、前記（Ｂ）および前記（Ｃ）のステップで実測した各残留応力から推定するステップと、
（Ｅ）前記（Ｄ）のステップで推定された残留応力に基づいて、他の円筒状部材の自緊処理の条件を調整するステップと、
を備える、円筒状部材の品質管理方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を適切に推定することができ、円筒状部材の適切な品質管理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る残留応力推定装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、推定装置によって残留応力が推定される自緊処理後の円筒状部材の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る推定装置の構成を具体的に示すブロック図である。
【図４】図４は、多変数関数の導出方法を説明するための図である。
【図５】図５は、多変数関数の導出方法を説明するための図である。
【図６】図６は、多変数関数の導出方法を説明するための図である。
【図７】図７は、多変数関数の導出方法を説明するための図である。
【図８】図８は、多変数関数の導出方法を説明するための図である。
【図９】図９は、本実施形態に係る推定装置の動作を示すフロー図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る推定装置を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
従来、本発明者らは、自緊処理された円筒状部材の品質管理のために、自緊処理後の円筒状部材を半割切断して、半割後の円筒状部材の内面の残留応力を測定することによって、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を相対的に評価していた。なお、半割切断とは、軸方向から見て円筒状部材が円弧状の２つの部材に２等分されるように該円筒状部材を切断することを意味する。
【００２７】
しかしながら、円筒状部材の品質をより適切に管理するためには、自緊処理後かつ半割前の円筒状部材の内面の残留応力を定量的に評価することが好ましい。そこで、本発明者らは、円筒状部材の内面の残留応力を定量的に評価するための方法について研究を進めてきた。その研究の中で、本発明者らは、半割後の円筒状部材の内面の残留応力に加えて、半割前後の円筒状部材の外面の残留応力を考慮することによって、自緊処理後かつ半割前の円筒状部材の内面の残留応力を評価することを検討した。
【００２８】
本発明者らは、まず、評価対象となる円筒状部材の解析モデルを用いて、種々の条件で数値解析（ＦＥＭ解析）を行い、自緊処理によって円筒状部材の各部に発生する残留応力（計算値）を求めた。具体的には、本発明者らは、まず、数値解析によって、自緊処理後かつ半割前の円筒状部材の外面の残留応力σｏ１、自緊処理後かつ半割前の円筒状部材の内面の残留応力σｉ１、自緊処理後かつ半割後の円筒状部材の外面の残留応力σｏ２、および自緊処理後かつ半割後の円筒状部材の内面の残留応力σｉ２を求めた。
【００２９】
上記のようにして得られた各残留応力について詳細な検討を行った結果、本発明者らは、半割前の円筒状部材の内面の残留応力σｉ１は、半割前の円筒状部材の外面の残留応力σｏ１、半割後の円筒状部材の外面の残留応力σｏ２、および半割後の円筒状部材の内面の残留応力σｉ２を用いて表すことができることを見出した。
【００３０】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の実施の形態に係る残留応力推定装置、残留応力推定方法、プログラムおよび品質管理方法について図面を用いて説明する。
【００３１】
［装置構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る残留応力推定装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る残留応力推定装置１０（以下、推定装置１０と略記する。）は、取得部１２と、推定部１４とを備えている。
【００３２】
図２は、推定装置１０によって残留応力が推定される自緊処理後の円筒状部材の一例を示す図である。図２において、（ａ）は、自緊処理が施された円筒状部材２０の左側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す円筒状部材２０の正面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示す円筒状部材２０を半割切断して得られる半割試料２２の左側面図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示す半割試料２２の正面図である。なお、本明細書において半割後の円筒状部材とは、自緊処理後の円筒状部材を半割切断して得られる半割試料を意味する。
【００３３】
図１および図２を参照して、本実施形態では、自緊処理後の円筒状部材２０の外面２０ａの残留応力σｏ１、半割試料２２の外面２２ａの残留応力σｏ２、および半割試料２２の内面２２ｂの残留応力σｉ２の実測値が、ユーザによって推定装置１０に入力され、取得部１２によって取得される。なお、本実施形態において残留応力とは、円筒状部材２０の周方向における残留応力を意味する。
【００３４】
図２を参照して、残留応力を測定する際の円筒状部材２０の長さＬは、円筒状部材２０の外径Ｄの３倍以上とすることが好ましく、例えば３０ｍｍ程度とすることができる。円筒状部材２０を半割切断する際に切断に伴う発熱が過剰になると、内面における残留応力に影響を与える。このため、発熱が極力ない切断方法を採用する必要があり、ワイヤーカット放電加工により半割切断することが好ましい。この際、半割試料２２の側面視において、半割試料２２の切断面２２ｃと外面２２ａの中心との距離Ｘ（切断面２２ｃに垂直な方向における距離）は、円筒状部材２０の半径ｒの±５％以内の範囲になるよう制御することが好ましい。
【００３５】
残留応力の測定は、電解研磨によって円筒状部材２０の外面２０ａおよび半割試料２２の内面２２ｂの表層を１０μｍ以下の範囲で除去した後に行う。測定方法としては、Ｘ線回折によるｓｉｎ２ψ法を用いることができ、非特許文献１に準拠して行うことができる。
【００３６】
推定部１４は、円筒状部材２０の解析モデルを用いて予め求められた関係と、取得部１２が取得した残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値とに基づいて、自緊処理後の円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を推定する。上記関係は、例えば、推定装置１０が備える図示しない記憶装置、または推定装置１０に接続された図示しない記憶装置に予め記憶されている。本実施形態では、推定部１４は、例えば、残留応力σｉ１と残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２との関係を表した関数を用いて、取得部１２が取得した残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値から、残留応力σｉ１の推定値を計算する。より具体的には、推定部１４は、例えば、残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２を変数とする多変数関数を用いて残留応力σｉ１を計算する。推定部１４が利用する多変数関数については後述する。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る推定装置１０では、解析モデルを用いた数値解析によって得られた残留応力σｉ１と残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２との関係、および残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値を用いて残留応力σｉ１の推定値が計算される。この場合、適切な数値解析によって求められた上記関係を用いることによって、実測が可能な残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２から、実測が困難な円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を適切に推定することができる。その結果、ユーザは、推定装置１０によって算出された残留応力σｉ１の推定値を用いて、自緊処理が施された円筒状部材２０の品質を適切に管理することが可能になる。
【００３８】
次に、推定装置１０の具体的な構成について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る推定装置の構成を具体的に示すブロック図である。
【００３９】
図３に示すように、推定装置１０は、上述の取得部１２および推定部１４に加えてさらに、判定部１６、および出力部１８を備えている。
【００４０】
図２および図３を参照して、本実施形態では、残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値に加えてさらに、円筒状部材２０の寸法に関する情報（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）が推定装置１０に入力され、取得部１２によって取得される。
【００４１】
推定部１４は、円筒状部材２０の解析モデルを用いて予め求められた関係、ならびに取得部１２が取得した残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値、円筒状部材２０の寸法に関する情報（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）に基づいて、円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を推定する。本実施形態では、上記の関係は、寸法が異なる複数の円筒状部材２０の解析モデルを用いて求められ、かつ円筒状部材２０の寸法に関する情報（外径Ｄおよび内径ｄ）に対応付けられている。本実施形態では、推定部１４は、例えば、残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２および円筒状部材２０の寸法に関する値（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）を変数とする多変数関数を用いて残留応力σｉ１を計算する。推定部１４が利用する多変数関数については後述する。
【００４２】
判定部１６は、推定部１４によって計算された残留応力σｉ１の推定値が、予め設定された残留応力σｉ１の条件を満足しているか否かを判定する。なお、本実施形態において残留応力σｉ１の条件とは、円筒状部材２０の内面２０ｂに生じさせるべき残留応力σｉ１の範囲を意味する。残留応力σｉ１の条件は、これまでの経験に基づいて決定され、例えば、推定装置１０のユーザによって入力されてもよく、推定装置１０が備える図示しない記憶装置、または推定装置１０に接続された図示しない記憶装置に予め記憶されていてもよい。
【００４３】
出力部１８は、判定部１６による判定結果を出力する。本実施形態では、出力部１８は、例えば、判定部１６による判定結果を、推定装置１０に接続された図示しない表示装置に出力する。なお、判定部１６による判定結果には、推定部１４によって計算された残留応力σｉ１の推定値と予め設定された残留応力σｉ１の範囲との差分、および自緊処理圧の調整量等が含まれていてもよい。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係る推定装置１０では、実測が可能な残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２、円筒状部材２０の外径Ｄ、および円筒状部材２０の内径ｄを用いて、実測が困難な円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を推定することができる。すなわち、本実施形態に係る推定装置１０は、種々の寸法の円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を推定することができる。したがって、ユーザは、推定装置１０によって算出された残留応力σｉ１の推定値を用いて、自緊処理が施された種々の寸法の円筒状部材２０の品質を適切に管理することが可能になる。
【００４５】
[多変数関数]
以下、推定部１４が利用する多変数関数の求め方の一例について説明する。以下においては、残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２、外径Ｄ、および内径ｄを変数とする多変数関数によって残留応力σｉ１の推定値を計算する場合について説明する。
【００４６】
本実施形態では、数値解析によって、残留応力σｉ１を表す多変数関数を求める。具体的には、図４（ａ）に示すように、二次元平面ひずみ要素によって、円筒状部材２０の横断面（筒軸方向に垂直な断面）をモデル化した円弧状の解析モデル４０（１／４モデル）を作成する。図示は省略するが、解析モデル４０は、複数の要素（メッシュ）に分割されている。解析モデル４０の物性値は、円筒状部材２０の材料によって適宜設定すればよい。本実施形態では、解析モデル４０は、例えば、弾性体とする。
【００４７】
まず、円筒状部材２０を模擬するために、図４（ｂ）に示すように、解析モデル４０の周方向における両端部４０ａ，４０ｂの周方向への移動を規制するように、拘束条件を設定する。その後、初期状態として、自緊処理時の円筒状部材２０の状態を模擬した体積力を設定する。具体的には、初期状態では、解析モデル４０の内面４０ｃに周方向の圧縮残留応力（例えば、−１００ＭＰａ）を与える。また、初期状態では、内面４０ｃから解析モデル４０の径方向に離れた位置Ｐ（円弧状の破線で示す位置）と外面４０ｄとの間の領域には、応力が生じていないものとする。さらに、初期状態では、内面４０ｃと位置Ｐとの間の領域の応力分布は、内面４０ｃから位置Ｐに向かって圧縮応力が漸次低下するように、線形分布とした。なお、図４（ｂ）ならびに後述の図５および図６には、端部４０ｂにおける応力状態が示されている。以下においては、端部４０ｂ上において圧縮応力が０になる点Ｐ１と内面４０ｃとの径方向における距離を、距離ｔと記載し、解析モデル４０の厚みを、厚みＴと記載する。
【００４８】
上記のように体積力を設置した後、弾性解析を実施して、応力を再配分する。これにより、例えば、図５に示すように、解析モデル４０の応力状態が変化する。なお、図５においては、応力が０になっている位置を破線で示している。破線よりも内側の領域では、周方向の圧縮応力が発生し、破線よりも外側の領域では、周方向の引張応力が発生している。図５に示す状態では、解析モデル４０の全体の応力分布の積分値は０になる。図５に示す応力状態が、自緊処理後の円筒状部材２０の応力状態に対応する。本実施形態では、図５に示す状態において、内面４０ｃと端部４０ｂとの交点の応力を、自緊処理後の円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１として取得し、外面４０ｄと端部４０ｂとの交点の応力を、自緊処理後の円筒状部材２０の外面２０ａの残留応力σｏ１として取得する。
【００４９】
次に、半割試料２２（半割後の円筒状部材２０）を模擬するために、図６に示すように、端部４０ａの拘束を解除して、弾性解析を実施する。これにより、解析モデル４０の応力状態がさらに変化する。なお、図６においては、応力が０になっている位置を破線で示している。図６に示す例では、解析モデル４０において、径方向における中央部には、周方向の引張応力が発生し、内面４０ｃに沿う円弧状の領域および外面４０ｄに沿う円弧状の領域には、周方向の圧縮応力が発生している。また、図６に示す解析モデル４０では、端部４０ａが半割試料２２の切断面２２ｃ（図２参照）に対応し、端部４０ｂが半割試料２２の周方向における中心部２２ｄ（図２参照）に対応する。本実施形態では、図６に示す状態において、内面４０ｃと端部４０ｂとの交点の応力を、半割試料２２の内面２２ｂの残留応力σｉ２として取得し、外面４０ｄと端部４０ｂとの交点の応力を、半割試料２２の外面２２ａの残留応力σｏ２として取得する。
【００５０】
任意の寸法の円筒状部材２０について、図４（ｂ）、図５および図６で説明した上記の解析を、初期状態における距離ｔを種々変化させて（すなわち、図４（ｂ）において圧縮応力が０になる点Ｐ１の位置を変化させて）行う。
【００５１】
本発明者らの種々の検討の結果、円筒状部材２０の厚みＴ、ならびに上記のようにして求められる自緊処理後の円筒状部材２０における距離ｔ（図５参照）、円筒状部材２０の外面２０ａの残留応力σｏ１（図５参照）、円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１（図５参照）、半割試料２２の外面２２ａの残留応力σｏ２（図６参照）、および半割試料２２の内面２２ｂの残留応力σｉ２（図６参照）の間には、一定の関係があることが分かった。
【００５２】
具体的には、本発明者らは、図７に示すように、自緊処理後の円筒状部材２０における（ｔ／Ｔ）２の値と、（σｉ２／−σｉ１）の値との間に、一定の相関があることを見出した。そして、（ｔ／Ｔ）２の値と、（σｉ２／−σｉ１）の値との関係を最小二乗法で線形近似することによって、下記式（１）を求めた。なお、下記式（１）において、ａおよびｂは係数である。
σi2/(-σi1)=a*(t/T)2-b  ・・・（１）
【００５３】
また、本発明者らは、図８に示すように、自緊処理後の円筒状部材２０における（ｔ／Ｔ）２の値と、（（σｏ２−σｏ１）／−σｉ１）の値との間にも、一定の相関があることを見出した。そして、（ｔ／Ｔ）２の値と、（（σｏ２−σｏ１）／−σｉ１）の値との関係を最小二乗法で線形近似することによって、下記式（２）を求めた。なお、下記式（２）において、ｃおよびｄは係数である。
(σo2-σo1)/(-σi1)=-c*(t/T)2-d  ・・・（２）
【００５４】
上記式（１）から、自緊処理後の円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１は、下記式（３）で表すことができる。
σi1=(-σi2)/(a*(t/T)2-b)  ・・・（３）     
【００５５】
上記式（１），（２）から、（ｔ／Ｔ）は、下記式（４）で表すことができる。
t/T=((b*(σo2-σo1)-d*σi2)/(a*(σo2-σo1)+c*σi2))1/2  ・・・（４）
【００５６】
種々の寸法の円筒状部材２０について上記の解析を行うことによって、円筒状部材２０の寸法ごとに、上記式（３）および（４）を求める。そして、円筒状部材２０の寸法ごとに求めた上記式（３），（４）に基づいて、係数ａを、円筒状部材２０の寸法に関する値（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）を変数とする関数で表す。係数ａは、例えば、（Ｄ／ｄ）２の値の定数倍を変数とする指数関数で表される。詳細な説明は省略するが、円筒状部材２０の寸法ごとに求めた上記式（３），（４）に基づいて、他の係数ｂ，ｃ，ｄのそれぞれを、円筒状部材２０の寸法に関する値（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）を変数とする関数で表す。
【００５７】
以上のようにして求めた各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを表す関数および上記式（３），（４）に基づいて、自緊処理後の円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を、残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２および円筒状部材２０の寸法に関する値（本実施形態では、外径Ｄおよび内径ｄ）を変数とする多変数関数で表すことが可能になる。
【００５８】
なお、推定部１４が利用する多変数関数の求め方は上述の例に限定されず、種々の条件で数値解析を行うことによって求められる残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ１，σｉ２に基づいて適宜求めることができる。
【００５９】
[装置動作]
次に、本実施形態に係る推定装置１０の動作について説明する。図９は、本実施形態に係る推定装置１０の動作を示すフロー図である。なお、本発明の一実施形態に係る残留応力推定方法は、推定装置１０を動作させることによって実施される。
【００６０】
本実施形態では、まず、取得部１２が、上述したように、円筒状部材２０の外面２０ａの残留応力σｏ１の実測値、半割試料２２の外面２２ａの残留応力σｏ２の実測値、半割試料２２の内面２２ｂの残留応力σｉ２の実測値、円筒状部材２０の外径Ｄ、および円筒状部材２０の内径ｄを取得する（ステップＳ１）。
【００６１】
次に、推定部１４が、上述したように、円筒状部材２０の解析モデルを用いて予め求められた関係、ならびに取得部１２が取得した残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２の実測値、外径Ｄおよび内径ｄに基づいて、円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を推定する（ステップＳ２）。
【００６２】
次に、判定部１６が、上述したように、推定部１４によって計算された残留応力σｉ１の推定値が、予め設定された残留応力σｉ１の条件を満足しているか否かを判定する（ステップＳ３）。最後に、出力部１８が、上述したように、判定部１６による判定結果を出力する（ステップＳ４）。
【００６３】
[プログラム]
本発明の一実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、上述のステップＳ１〜Ｓ４の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態に係る残留応力推定装置と残留応力推定方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのプロセッサは、取得部１２、推定部１４、判定部１６および出力部１８として機能し、処理を行なう。
【００６４】
また、本実施形態に係るプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されてもよい。この場合、各コンピュータがそれぞれ、取得部１２、推定部１４、判定部１６、および出力部１８として機能してもよい。
【００６５】
［物理構成］
図１０は、本発明の一実施形態に係る推定装置１０を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。コンピュータ１１０は、本実施形態に係るプログラムを実行することによって、本実施形態に係る推定装置１０を実現する。
【００６６】
図１０に示すように、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１と、メインメモリ１１２と、記憶装置１１３と、入力インターフェイス１１４と、表示コントローラ１１５と、データリーダ／ライタ１１６と、通信インターフェイス１１７とを備える。これらの各部は、バス１２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。なお、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１に加えて、又はＣＰＵ１１１に代えて、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を備えていてもよい。
【００６７】
ＣＰＵ１１１は、記憶装置１１３に格納された、本実施の形態におけるプログラム（コード）をメインメモリ１１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ１１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性の記憶装置である。また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１２０に格納された状態で提供される。なお、本実施の形態におけるプログラムは、通信インターフェイス１１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであってもよい。
【００６８】
また、記憶装置１１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリ等の半導体記憶装置が挙げられる。入力インターフェイス１１４は、ＣＰＵ１１１と、キーボードおよびマウスといった入力機器１１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ１１５は、ディスプレイ装置１１９と接続され、ディスプレイ装置１１９での表示を制御する。
【００６９】
データリーダ／ライタ１１６は、ＣＰＵ１１１と記録媒体１２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、およびコンピュータ１１０における処理結果の記録媒体１２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス１１７は、ＣＰＵ１１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。
【００７０】
また、記録媒体１２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））およびＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記録媒体、又はＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）などの光学記録媒体が挙げられる。
【００７１】
なお、本実施形態に係る推定装置１０は、プログラムがインストールされたコンピュータではなく、各部に対応したハードウェアを用いることによって実現されてもよい、また、推定装置１０は、一部がプログラムで実現され、残りの部分がハードウェアで実現されていてもよい。
【００７２】
[品質管理方法]
最後に、上述の推定装置１０を用いて実施される円筒状部材２０の品質管理方法について説明する。
【００７３】
図２を参照して、本発明の一実施形態に係る品質管理方法は、
（ａ）円筒状部材２０に自緊処理を行うステップと、
（ｂ）上記（ａ）のステップで自緊処理された円筒状部材２０の外面２０ａの残留応力σｏ１を実測するステップと、
（ｃ）上記（ａ）のステップで自緊処理された円筒状部材２０を半割切断した後、当該半割後の円筒状部材（すなわち、半割試料２２）の外面２２ａおよび内面２２ｂの残留応力σｏ２，σｉ２を実測するステップと、
（ｄ）上記（ａ）のステップで自緊処理された円筒状部材２０の内面２０ｂの残留応力σｉ１を、上述の推定装置１０を用いて、上記（ｂ）および（ｃ）のステップで実測した各残留応力σｏ１，σｏ２，σｉ２から推定するステップと、
（ｅ）上記（ｄ）のステップで推定された残留応力σｉ１に基づいて、他の円筒状部材２０の自緊処理の条件を調整するステップと、を備えている。
【００７４】
上記（ａ）のステップでは、公知の自緊処理方法により、円筒状部材２０に自緊処理が行われる。自緊処理が施される円筒状部材２０としては、例えば、継目無鋼管等の種々の鋼管を利用することができる。なお、自緊処理を行う際に円筒状部材の内面に作用させる圧力（以下、自緊処理圧と記載する。）と、自緊処理後の円筒状部材の内面に生じる残留応力との関係を示すマスターカーブを、数値解析（ＦＥＭ解析）等によって予め求めてもよい。この場合、自緊処理を行うステップでは、円筒状部材の内面に所望の残留応力を生じさせることができるように、マスターカーブを用いて自緊処理圧を決定することができる。
【００７５】
上記（ｂ）および（ｃ）のステップでは、上述したように、非特許文献１に準拠して各残留応力を測定することができる。なお、（ｃ）のステップでは、半割試料２２の外面２２ａおよび内面２２ｂのうち、中心部２２ｄまたはその近傍の残留応力を測定する。
【００７６】
上記（ａ）〜（ｄ）のステップは、例えば、同一ロットまたは同一の溶鋼から製造された複数の円筒状部材に自緊処理を施す際に、最初に自緊処理が施された円筒状部材に対して実施される。
【００７７】
上記（ｅ）のステップでは、例えば、作業者は、推定装置１０によって推定された残留応力σｉ１の推定値が、予め設定された残留応力σｉ１の上限値を超えている場合には、同一ロットまたは同一の溶鋼から製造された他の円筒状部材２０に自緊処理を行う際に、自緊処理圧を現在の設定圧力から低下させる。一方、推定装置１０によって推定された残留応力σｉ１の推定値が、予め設定された残留応力σｉ１の下限値未満の場合には、作業者は、上記他の円筒状部材２０に自緊処理を行う際に、自緊処理圧を現在の設定圧力から上昇させる。作業者は、例えば、同一ロットまたは同一の溶鋼から製造された複数の円筒状部材に自緊処理を施す際には、（ｅ）のステップで残留応力σｉ１の推定値が予め設定された残留応力σｉ１の条件を満たすまで、（ａ）〜（ｅ）のステップを繰り返し実行する。これにより、円筒状部材２０の適切な品質管理が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明によれば、自緊処理後の円筒状部材の内面の残留応力を適切に推定することができ、円筒状部材の適切な品質管理が可能になる。
【符号の説明】
【００７９】
１０  推定装置
１２  取得部
１４  推定部
１６  判定部
１８  出力部
２０  円筒状部材
２０ａ  外面
２０ｂ  内面
２２  半割試料
２２ａ  外面
２２ｂ  内面
２２ｃ  切断面
２２ｄ  中心部
４０  解析モデル
４０ａ，４０ｂ  端部
４０ｃ  内面
４０ｄ  外面
【図１】
2020128915.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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