(57)【要約】【課題】構造物の欠陥部について複数の荷重条件に対応した応力拡大係数を算出することができる、算出装置、算出方法およびプログラムを提供する。【解決手段】算出装置１０は、複数の荷重条件ごとに算出されたモードＩ，IIの応力拡大係数を合成した後、欠陥部の先端を中心として全周方向にわたって混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを算出する。そして、算出装置１０は、全周方向にわたって算出した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａのうちから、安全率が最小となるときの混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａとして抽出する。【選択図】  図１
2020201596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出する算出装置であって、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する第１算出部と、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出部と、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出部と、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出部と、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出部と、
を備える、算出装置。
【数１】
2020201596.tif 000011
【数２】
2020201596.tif 000012
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【請求項２】
前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、請求項１に記載の算出装置。
【請求項３】
構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出するために、コンピュータによって実行される算出方法であって、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する、第１算出ステップと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出ステップと、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出ステップと、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出ステップと、
を備える、算出方法。
【数３】
2020201596.tif 000013
【数４】
2020201596.tif 000014
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【請求項４】
前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、請求項３に記載の算出方法。
【請求項５】
構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出するために、コンピュータに、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する、第１算出ステップと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出ステップと、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出ステップと、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出ステップと、
を実行させる、プログラム。
【数５】
2020201596.tif 000015
【数６】
2020201596.tif 000016
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【請求項６】
前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、請求項５に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の欠陥部の応力拡大係数を算出する算出装置、算出方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用台車枠（以下、台車枠と略記する。）は、車体を支持すると共に、車輪、車軸、主電動機、駆動装置、およびサスペンション部品等の種々の台車部品を支持する構造部材である。鉄道車両の走行時には、上記の種々の台車部品から台車枠に荷重が伝達される。このため、台車枠には、これらの荷重に対して十分な強度および耐久性が要求される。
【０００３】
一方、台車枠は、上記のような種々の台車部品を取り付けやすい構造とするために、一般に、複数の鋼部材を溶接することによって構成される。このような溶接構造を有する台車枠には、複数の溶接未溶着部（溶接の溶け込み不良）が存在することが知られている。鉄道車両の走行時には、この溶接未溶着部から台車枠にき裂が進展するおそれがある。このため、溶接未溶着部の強度を適切に評価したうえで、台車枠を設計および製造する必要がある。
【０００４】
そこで、従来、溶接未溶着部を有する台車枠の強度を評価するために種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、溶接未溶着部を有すると予想される鉄道車両用台車枠について作成した有限要素解析モデルの節点変位から応力拡大係数を求め、この応力拡大係数を予め準備した設計基準線と比較することによって強度評価を行う方法が開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示された強度評価方法では、荷重条件ごとに、モードＩ（開口型）およびモードII（面内せん断型）の応力拡大係数がそれぞれ算出され、算出された各モードの応力拡大係数と予め準備された数式とから、最大主応力方向の応力拡大係数が算出される。そして、算出した最大主応力方向の応力拡大係数と上記の設計基準線とを比較することによって、溶接未溶着部の強度が評価される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２４４９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、溶接未溶着部の先端部における最大主応力方向は、荷重条件によって異なる。例えば、主電動機から台車枠に荷重が与えられる場合と、駆動装置から台車枠に荷重が与えられる場合とでは、溶接未溶着部の先端部の最大主応力方向は異なる。
【０００８】
このため、溶接未溶着部の強度を適切に評価するためには、各荷重条件の最大主応力方向を考慮して、複数の荷重条件（異なる複数の最大主応力方向）に対応する応力拡大係数を算出する必要がある。しかしながら、このような応力拡大係数の算出方法は、これまでに提案されていない。特許文献１においても、荷重条件ごとに最大主応力方向の応力拡大係数を算出する方法は開示されているが、複数の荷重条件（異なる複数の最大主応力方向）に対応する応力拡大係数の算出方法は開示されていない。
【０００９】
そこで、本発明は、構造物の欠陥部について複数の荷重条件に対応した応力拡大係数を算出することができる、算出装置、算出方法およびプログラム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、下記の算出装置、算出方法およびプログラムを要旨とする。
【００１１】
（１）構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出する算出装置であって、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する第１算出部と、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出部と、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出部と、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出部と、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出部と、
を備える、算出装置。
【数１】
2020201596.tif 000003
【数２】
2020201596.tif 000004
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【００１２】
（２）前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、上記（１）の算出装置。
【００１３】
（３）構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出するために、コンピュータによって実行される算出方法であって、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する、第１算出ステップと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出ステップと、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出ステップと、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出ステップと、
を備える、算出方法。
【数３】
2020201596.tif 000005
【数４】
2020201596.tif 000006
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【００１４】
（４）前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、上記（３）の算出方法。
【００１５】
（５）構造物の欠陥部の応力拡大係数を、解析モデルを用いて算出するために、コンピュータに、
前記欠陥部について、
複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａと、
前記複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａと、
をそれぞれ算出する、第１算出ステップと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍと前記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘと、
前記平均複合Ｋ値ＫＩｍから前記変動複合Ｋ値ＫＩａの差を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎと、
をそれぞれ算出し、さらに、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓと、
前記平均複合Ｋ値ＫIIｍと前記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄと、
をそれぞれ算出し、
前記値ＫIIｓと前記値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する、第２算出ステップと、
０〜３６０°の範囲で設定された複数の角度θごとに、
下記式（１）より得られる第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と、
下記式（２）より得られる第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２と、
をそれぞれ算出する第３算出ステップと、
前記複数の角度θごとに、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍと、
前記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と前記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、
をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記複数の角度θごとに算出された前記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび前記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、前記欠陥部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する、第５算出ステップと、
を実行させる、プログラム。
【数５】
2020201596.tif 000007
【数６】
2020201596.tif 000008
ただし、上記式（１）および（２）において、θは、欠陥部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度であり、０〜３６０°の範囲で設定される複数の角度である。
【００１６】
（６）前記構造物は、鉄道車両用台車枠であり、前記欠陥部は、溶接未溶着部である、上記（５）のプログラム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、構造物の欠陥部について複数の荷重条件に対応した応力拡大係数を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る算出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、鉄道車両用台車枠の一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、き裂モードを説明するための図である。
【図４】図４は、解析モデルに付加される荷重の例を示す図である。
【図５】図５は、算出装置による処理内容を説明するための図である。
【図６】図６は、算出装置による処理内容を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る算出装置の動作を示すフロー図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る算出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】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る応力拡大係数の算出装置、算出方法およびプログラムについて説明する。なお、以下においては、構造物の一例として、溶接構造物である鉄道車両用台車枠を挙げ、鉄道車両用台車枠に形成された溶接未溶着部の応力拡大係数を算出装置によって算出する場合について説明する。
【００２０】
［装置構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る算出装置の概略構成を示すブロック図である。また、図２は、鉄道車両用台車枠の一例を示す斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る算出装置１０は、第１算出部１１、第２算出部１２、第３算出部１３、第４算出部１４および第５算出部１５を備えている。算出装置１０は、例えば、図２に示す鉄道車両用台車枠２０（以下、台車枠２０と略記する。）に形成された溶接未溶着部の応力拡大係数を算出するために用いられる。
【００２２】
図２に示すように、台車枠２０は、一対の側梁２１と、一対の側梁２１を接続する横梁２２とを備えている。横梁２２は、一対のパイプ部材２２ａを有している。本実施形態に係る算出装置１０は、例えば、側梁２１とパイプ部材２２ａとの溶接部２３等に形成される溶接未溶着部の応力拡大係数を算出するために用いられる。
【００２３】
なお、溶接部２３は、応力拡大係数の算出対象となる部分の一例であり、本実施形態に係る算出装置１０によって応力拡大係数が算出される溶接未溶着部は、溶接部２３に形成された溶接未溶着部に限定されない。すなわち、算出装置１０は、任意の溶接部に形成された溶接未溶着部の応力拡大係数を算出することができる。
【００２４】
また、本実施形態に係る算出装置１０によって応力拡大係数が算出される台車枠は、図２に示した台車枠２０に限定されない。すなわち、算出装置１０は、種々の構成の台車枠の溶接未溶着部の応力拡大係数を算出することができる。
【００２５】
図１を参照して、本実施形態では、第１算出部１１は、まず、台車枠２０の解析モデルを用いた有限要素解析によって、溶接未溶着部の応力拡大係数を算出する。具体的には、第１算出部１１は、溶接未溶着部をき裂と等価として、図３（ａ）に示すき裂モードＩ（開口型）の応力拡大係数、および図３（ｂ）に示すき裂モードII（面内せん断型）の応力拡大係数を算出する。なお、図３（ａ），（ｂ）には、溶接未溶着部の先端（溶接未溶着部の前縁の中央部）における接線方向、主法線方向および従法線（陪法線）方向が示されている。
【００２６】
モードＩおよびモードIIの応力拡大係数の算出方法としては、公知の算出方法を利用できるので詳細な説明は省略するが、本実施形態では、例えば、特許文献１に開示された方法を利用して、モードＩおよびモードIIの応力拡大係数を算出することができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、解析モデルには、評価対象となる複数の溶接未溶着部が形成されている。解析モデルの構成について特に制限はないが、例えば、特許文献１に開示された解析モデルと同様の構成を有する解析モデルを利用することができる。
【００２８】
第１算出部１１が利用する台車枠２０の解析モデルは、ユーザの操作に基づいて算出装置１０が作成してもよい。この場合、算出装置１０は、解析モデルを作成するモデル作成部をさらに備えてもよい。また、第１算出部１１が利用する台車枠２０の解析モデルは、他の装置で作成された解析モデルであってもよい。この場合、算出装置１０は、他の装置で作成された解析モデルを取得するモデル取得部をさらに備えてもよい。
【００２９】
本実施形態では、第１算出部１１は、一定荷重、または正弦波を示すように変動する変動荷重が台車枠２０に与えられるものと仮定して、溶接未溶着部の応力拡大係数を算出する。図４を参照して、本明細書において平均荷重成分とは、台車枠２０に与えられる荷重の平均値を意味し、変動荷重成分とは、台車枠２０に与えられる荷重の振幅を意味する。なお、解析モデルに付与される荷重の振幅、最大値および最小値は、荷重条件に応じて適宜設定される。
【００３０】
図１を参照して、本実施形態では、第１算出部１１は、複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍを算出する。また、第１算出部１１は、複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードＩの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードＩの変動複合Ｋ値ＫＩａを算出する。なお、本実施形態では、上記変動複合Ｋ値ＫＩａは、正の値となる。
【００３１】
また、第１算出部１１は、複数の荷重条件ごとにその平均荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの和を取ったモードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍを算出する。さらに、第１算出部１１は、複数の荷重条件ごとにその変動荷重成分を用いてモードIIの応力拡大係数を算出し、それらの二乗和平方根を取ったモードIIの変動複合Ｋ値ＫIIａを算出する。
【００３２】
第２算出部１２は、第１算出部１１が算出した上記平均複合Ｋ値ＫＩｍと上記変動複合Ｋ値ＫＩａとの和を取ったモードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘ、および第１算出部１１が算出した上記平均複合Ｋ値ＫＩｍから上記変動複合Ｋ値ＫＩａの差（ＫＩｍ−ＫＩａ）を取ったモードＩの最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎを算出する。
【００３３】
また、第２算出部１２は、上記平均複合Ｋ値ＫIIｍと上記変動複合Ｋ値ＫIIａとの和を取った値ＫIIｓ、および上記平均複合Ｋ値ＫIIｍと上記変動複合Ｋ値ＫIIａとの差を取った値ＫIIｄを算出する。そして、第２算出部１２は、算出した値ＫIIｓと値ＫIIｄとのうち、絶対値が大きい方の絶対値をモードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘと設定し、絶対値が小さい方の絶対値をモードIIの最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと設定する。
【００３４】
第３算出部１３は、第２算出部が算出した上記の最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘ、最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎ、最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘ、および最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎと、下記式（１），（２）とを用いて、０〜３６０°の範囲で予め設定された複数の角度θごとに、第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１および第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２を算出する。本実施形態では、角度θは、０〜３６０°の範囲において所定間隔（例えば、５°間隔）で設定される。
【数７】
2020201596.tif 000009
【数８】
2020201596.tif 000010
【００３５】
なお、上記式（１）および（２）において、角度θは、図５（ａ）に示すように、溶接未溶着部の先端を中心とする、該先端の主法線方向に対する角度である。なお、図５（ａ）は、溶接未溶着部を、その先端における接線方向（図３参照）から見た図である。本実施形態において上記角度θは、上記接線方向に垂直な面内における、主法線方向に対する角度を意味する。
【００３６】
角度θと第３算出部１３によって算出される第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１および第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との関係は、例えば、図５（ｂ）のように示すことができる。なお、図５（ｂ）には、角度θを０〜３６０°の範囲で５°間隔で設定した場合に、第３算出部１３によって算出される第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１および第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２の一例を示している。
【００３７】
図１を参照して、第４算出部１４は、上記の複数の角度θごとに、第３算出部１３が算出した上記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と上記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との和を１／２した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍを算出する。さらに、第４算出部１４は、第３算出部１３が算出した上記第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１と上記第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２との差の絶対値を１／２した混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを算出する。
【００３８】
次に、第５算出部１５は、第４算出部１４によって複数の角度θごとに算出された上記混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび上記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａと、溶接未溶着部の応力拡大係数に関して予め設定された耐久限度との関係に基づいて、安全率が最小となるときの最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する。以下、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａの算出方法の一例を説明する。
【００３９】
本実施形態では、第５算出部１５は、例えば、図６に示すように、混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍを第１軸とし、混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを第２軸とするグラフ上に、第４算出部１４が複数の角度θごとに算出した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを示す点をプロットする。図６においては、環形状を形成するように、複数の点がプロットされている。なお、上記グラフには、予め設定された上記耐久限度を示す耐久限度線が示されている。本実施形態では、耐久限度線は、混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍの耐久限度と混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａの耐久限度との関係を示す。なお、耐久限度線の設定方法については特に制限はないが、例えば、特許文献１に記載された破壊確率基準線を用いることができる。
【００４０】
次に、第５算出部１５は、プロットした複数の点ごとに、その点と原点（Ｋθｍ：０，Ｋθａ：０）とを通る直線（以下、判定線と称する。）を算出する。なお、図６においては、図面が煩雑になることを避けるために、第５算出部１５によって算出される複数の判定線のうち、２つの判定線Ａ，Ｂのみを一点鎖線で示している。
【００４１】
次に、第５算出部１５は、算出した判定線ごとに安全率を算出する。本実施形態では、第５算出部１５は、下記式（３）に基づいて、判定線ごとに安全率ＳＦを算出する。
ＳＦ＝ＯＰ１／ＯＰ２  ・・・（３）
なお、上記式（３）において、ＯＰ１は、判定線および耐久限度線の交点と原点とを結ぶ線分の長さであり、ＯＰ２は、各判定線において、第５算出部１５がプロットした点と原点とを結ぶ線分の長さである。
【００４２】
例えば、図６に示した判定線Ａ，Ｂについてそれぞれ安全率ＳＦを算出した場合、判定線Ｂの安全率ＳＦの方が、判定線Ａの安全率ＳＦよりも低くなる。
【００４３】
次に、第５算出部１５は、全ての判定線のうち、安全率が最小となる判定線を抽出する。そして、第５算出部１５は、プロットした複数の点のうち、抽出した判定線上の点に対応する混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび上記混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａとして出力する。本実施形態では、第５算出部１５は、例えば、図示しない表示装置に、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを表示させる。
【００４４】
算出装置１０は、上記の処理を、解析モデルに形成された全ての溶接未溶着部について実施する。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係る算出装置１０によれば、複数の荷重条件ごとに算出された各モードの応力拡大係数を合成した後、溶接未溶着部の先端を中心として全周方向にわたって混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを算出することができる。そして、算出装置１０は、全周方向にわたって算出した混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａのうちから、安全率が最小となるときの混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａとして抽出する。このようにして、算出装置１０は、複数の荷重条件に対応する応力拡大係数を算出することができる。したがって、ユーザは、算出装置１０によって算出された最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａに基づいて、複数の荷重条件を考慮した適切な台車枠設計を行うことができる。
【００４６】
［装置動作］
次に、本実施形態に係る算出装置１０の動作について図７を用いて説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る算出装置１０の動作を示すフロー図である。なお、本実施形態に係る算出方法は、算出装置１０を動作させることによって実施される。
【００４７】
図７に示すように、本実施形態では、上述したように、まず、第１算出部１１が、モードＩの平均複合Ｋ値ＫＩｍおよび変動複合Ｋ値ＫＩａを算出するとともに、モードIIの平均複合Ｋ値ＫIIｍおよび変動複合Ｋ値ＫIIａを算出する（ステップＳ１）。
【００４８】
次に、上述したように、第２算出部１２が、モードＩの最大複合Ｋ値ＫＩｍａｘおよび最小複合Ｋ値ＫＩｍｉｎを算出するとともに、モードIIの最大複合Ｋ値ＫIIｍａｘおよび最小複合Ｋ値ＫIIｍｉｎを算出する（ステップＳ２）。
【００４９】
次に、上述したように、第３算出部１３が、予め設定された複数の角度θごとに、第１混合モード複合Ｋ値Ｋθ１および第２混合モード複合Ｋ値Ｋθ２を算出する（ステップＳ３）。
【００５０】
次に、上述したように、第４算出部１４が、複数の角度θごとに、混合モード平均複合Ｋ値Ｋθｍおよび混合モード変動複合Ｋ値Ｋθａを算出する（ステップＳ４）。
【００５１】
最後に、上述したように、第５算出部１５が、最大平均複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ｍおよび最大変動複合Ｋ値Ｋθｍａｘ−ａを算出する（ステップＳ５）。本実施形態では、算出装置１０は、解析モデルに形成された全ての溶接未溶着部について、上記のステップＳ１〜Ｓ５の処理を行う。
【００５２】
［プログラム］
本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータに、図７に示すステップＳ１〜Ｓ５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、本実施の形態における算出装置と算出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、第１算出部１１、第２算出部１２、第３算出部１３、第４算出部１４、および第５算出部１５として機能し、処理を行なう。また、コンピュータのプロセッサは、モデル作成部およびモデル取得部としても機能し、処理を行う。
【００５３】
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、第１算出部１１、第２算出部１２、第３算出部１３、第４算出部１４、第５算出部１５、モデル作成部、およびモデル取得部のいずれかとして機能してもよい。
【００５４】
［物理構成］
図８は、本発明の一実施形態に係る算出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。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、本実施形態に係る算出装置１０を実現する。
【００５５】
図８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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
なお、本実施形態に係る算出装置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、算出装置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。
【００６１】
［他の実施形態］
上述の実施形態では、溶接未溶着部の応力拡大係数を算出する場合について説明したが、本発明に係る算出装置によって応力拡大係数が算出される欠陥部は、溶接未溶着部に限定されない。例えば、算出装置が、台車枠の母材部に存在するき裂の応力拡大係数を算出してもよい。この場合も、溶接未溶着部の場合と同様に応力拡大係数を算出することができる。ただし、図６に示した耐久限度線は、評価対象となる部材に応じて適宜設定される。
【００６２】
上述の実施形態では、算出装置が、鉄道車両用台車枠に存在する欠陥部（溶接未溶着部、き裂等）の応力拡大係数を算出する場合について説明したが、本発明に係る算出装置の評価対象となる構造物は、鉄道車両用台車枠に限定されない。例えば、算出装置が、他の機械構造物（自動車用車体等）、建築構造物および土木構造物等の種々の構造物の欠陥部の応力拡大係数を算出してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、構造物の欠陥部について複数の荷重条件に対応した応力拡大係数を算出することができる。したがって、本発明は、例えば、鉄道車両用台車枠の溶接未溶着部の応力拡大係数を算出するために好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０  算出装置
１１  第１算出部
１２  第２算出部
１３  第３算出部
１４  第４算出部
１５  第５算出部
２０  鉄道車両用台車枠
２１  側梁
２２  横梁
２２ａ  パイプ部材
２３  溶接部
【図１】
2020201596.tif 000017
【図２】
2020201596.tif 000018
【図３】
2020201596.tif 000019
【図４】
2020201596.tif 000020
【図５】
2020201596.tif 000021
【図６】
2020201596.tif 000022
【図７】
2020201596.tif 000023
【図８】
2020201596.tif 000024