(57)【要約】【課題】微小欠陥部材の疲労強度低下量を定量的に評価することが可能な微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法を提供する。【解決手段】微小欠陥部材を模した試料を用いて疲労試験を行うと共に、特性距離モデルを用いて解析して、特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を求め、この関係を用いて、試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定すると共に、最大残留応力による疲労強度の低下量を求め、これを基に、微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、評価する微小欠陥部材の切欠き深さから、疲労強度の最大減少率を求め、これを欠陥のない部材の疲労強度に掛け合わせることにより、微小欠陥部材の疲労強度下限値を求める。【選択図】図１
2010175478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材に異物が衝突して微小欠陥が形成されたとき、その微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する方法であって、
上記微小欠陥部材を模した試料に、切欠き深さ、切欠き先端半径の異なる微小欠陥をそれぞれ付与すると共に、これら試料を用いて疲労試験を行ってＳＮ線図を作成し、他方、上記試料の微小欠陥に位置する断面での応力分布を特性距離モデルを用いて解析し、この解析結果と上記ＳＮ線図とから、特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を求め、
この関係を用いて、切欠き先端半径を０．０１ｍｍ以下としたときのＳＮ線図を切欠き深さごとに作成し、作成したＳＮ線図を基に、切欠き深さごとに最小疲労強度を求めると共に、切欠きのない平滑材における疲労強度との比をとることで、上記試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、
上記微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定すると共に、最大残留応力による疲労強度の低下量を求め、求めた最大残留応力による疲労強度の低下量と、上記試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係に基づき、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、
この関係を用い、疲労強度下限値を評価する微小欠陥部材の切欠き深さから、疲労強度の最大減少率を求め、求めた疲労強度の最大減少率を、欠陥のない部材の疲労強度に掛け合わせることにより、微小欠陥部材の疲労強度下限値を求めることを特徴とする微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項２】
上記特性距離モデルを用いた解析は、数１に示す式（１）
【数１】
2010175478.tif 000013
で定義される特性距離ｘ0を各試料ごとに求め、上記微小欠陥に位置する断面での応力分布と特性距離ｘ0に基づき、切欠き底から特性距離ｘ0までの平均応力である特性距離平均応力σaveをそれぞれ求め、求めた特性距離平均応力σaveと、上記疲労試験で作成したＳＮ線図とから、上記特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を求める請求項１記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項３】
上記疲労試験により、上記試料の平均応力と疲労強度との関係を求めると共に、その関係における傾きを求めておき、この傾きを基に、上記平均応力が上記最大残留応力分増加したときの疲労強度の低下量を求める請求項１または２記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項４】
上記最大残留応力による疲労強度の低下量と、上記平滑材における疲労強度との比をとり、これを上記試料における疲労強度の最大減少率から減じることで、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求める請求項１〜３いずれかに記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項５】
上記疲労強度が、任意のサイクル数における時間強度である請求項１〜４いずれかに記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項６】
上記疲労強度が、疲労限応力振幅である請求項５記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項７】
欠陥のない上記部材の疲労限応力振幅と、実際に運用する最大応力振幅との比から、疲労強度の許容限界低下率を求め、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を用いて、上記疲労強度の許容限界低下率から、微小欠陥の許容限界深さを求める請求項６記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【請求項８】
上記部材が、航空機用ジェットエンジンのファンブレード、あるいは圧縮機の動静翼である請求項１〜７いずれかに記載の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機用ジェットエンジンのファンブレードや、圧縮機の動静翼などの部材に異物が衝突して微小欠陥が形成されたとき、その微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機用ジェットエンジンでは、図１６に示すように、ファン１６１で取り込んだ空気の一部を圧縮機１６２で圧縮して燃焼器１６３に送り込み、燃焼器１６３内で燃料を噴射、点火することで連続的に高温・高圧のガスを発生させ、このガスにより圧縮機１６２を駆動する高圧タービン１６４、ファン１６１を駆動する低圧タービン１６５を順次駆動させた後、ジェットノズル１６６からガスを高速度で後方に噴出することにより、ガスの噴流と反対方向への推進力を得ている。
【０００３】
このような航空機用ジェットエンジン１６０では、ファン１６１の空気取入口から鳥や石などの異物（Foreign Object Debris）を吸い込んでしまうことがあり、この異物の吸い込みにより、ファン１６１のファンブレード１６７や圧縮機１６２の動静翼１６８に微小な傷（微小欠陥）が発生しやすい。異物の吸い込みにより生じた傷をＦＯＤ（Foreign Object Damage）という。この微小欠陥は、その形状により、ニック（エッジ部についた鋭い傷）、デント（凹み）、スクラッチ（ひっかき傷）と呼ばれている。
【０００４】
ファンブレード１６７や圧縮機１６２の動静翼１６８の損傷の第１要因は、高サイクル疲労によるものである。微小欠陥を有するファンブレード１６７や圧縮機１６２の動静翼１６８では、その微小欠陥部に応力が集中してき裂が発生し、これが起点となってファンブレード１６７や動静翼１６８が破壊されてしまうおそれがある。
【０００５】
したがって、このような破壊を防ぐため、微小欠陥を有するファンブレード１６７や動静翼１６８の疲労強度を評価し、健全性を確保する必要がある。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄ．Ｎｏｗｅｌｌ、他２名、「Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｉｎ  ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  ｂｌａｄｅｓ  ａｆｔｅｒ  ｆｏｒｅｉｇｎ  ｏｂｊｅｃｔ  ｄａｍａｇｅ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆａｔｉｇｕｅ  ２５（２００３）、ｐ．９６３−９６９
【非特許文献２】Ｓｔｅｖｅｎ  Ｒ．  Ｔｏｍｐｓｏｎ、他２名、「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｏｎ  ｈｉｇｈ  ｃｙｃｌｅ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ  ｔｏ  ｆｏｒｅｉｇｎ  ｏｂｊｅｃｔ  ｄａｍａｇｅ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆａｔｉｇｕｅ  ２３（２００１）、Ｓ４０５−Ｓ４１２
【非特許文献３】Ｊｏｈｎ  Ｗａｒｒｅｎ他、「Ｂｅｓｔ  Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｆｏｒｅｉｇｎ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｄａｍａｇｅ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｈｉｇｈ  Ｃｙｃｌｅ  Ｆａｔｉｇｕｅ  ｉｎ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｉｒｆｏｉｌｓ」、ＲＴＯ  ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ  ＴＲ−ＡＶＴ−０９４、ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＡＮＤ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＯＲＧＡＮＩＳＡＴＩＯＮ、２００５年６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、ＦＯＤを受けたファンブレード１６７や動静翼１６８（以下、微小欠陥部材という）の疲労強度を評価する手法は従来存在していない。
【０００９】
そのため、現状では、経験に基づいて微小欠陥部材の疲労強度低下量を評価するしかないという問題がある。したがって、フィールドから戻ってきた微小欠陥部材に対する微小欠陥の許容限界寸法（補修せずに使用を継続できる最大の寸法）についても、経験に基づいて決定するしかなかった。このような経験に基づく方法では、評価者によって疲労強度の評価が変わってしまうこともあり、健全性を確実に確保することは困難であった。
【００１０】
さらに、従来の経験に基づく方法では、例えば、経験の蓄積していない新たに開発した翼に対して、適切に疲労強度を評価することができないという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、微小欠陥部材の疲労強度低下量を定量的に評価することが可能な微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、航空機用ジェットエンジンのファンブレードや、圧縮機の動静翼などの部材に異物が衝突して微小欠陥が形成されたとき、その微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する方法であって、上記微小欠陥部材を模した試料に、切欠き深さ、切欠き先端半径の異なる微小欠陥をそれぞれ付与すると共に、これら試料を用いて疲労試験を行ってＳＮ線図を作成し、他方、上記試料の微小欠陥に位置する断面での応力分布を特性距離モデルを用いて解析し、この解析結果と上記ＳＮ線図とから、特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を求め、この関係を用いて、切欠き先端半径を０．０１ｍｍ以下としたときのＳＮ線図を切欠き深さごとに作成し、作成したＳＮ線図を基に、切欠き深さごとに最小疲労強度を求めると共に、切欠きのない平滑材における疲労強度との比をとることで、上記試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、上記微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定すると共に、最大残留応力による疲労強度の低下量を求め、求めた最大残留応力による疲労強度の低下量と、上記試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係に基づき、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、この関係を用い、疲労強度下限値を評価する微小欠陥部材の切欠き深さから、疲労強度の最大減少率を求め、求めた疲労強度の最大減少率を、欠陥のない部材の疲労強度に掛け合わせることにより、微小欠陥部材の疲労強度下限値を求める微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法である。
【００１３】
上記特性距離モデルを用いた解析は、数１に示す式（１）
【００１４】
【数１】
2010175478.tif 000003
【００１５】
で定義される特性距離ｘ0を各試料ごとに求め、上記微小欠陥に位置する断面での応力分布と特性距離ｘ0に基づき、切欠き底から特性距離ｘ0までの平均応力である特性距離平均応力σaveをそれぞれ求め、求めた特性距離平均応力σaveと、上記疲労試験で作成したＳＮ線図とから、上記特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を求めてもよい。
【００１６】
上記疲労試験により、上記試料の平均応力と疲労強度との関係を求めると共に、その関係における傾きを求めておき、この傾きを基に、上記平均応力が上記最大残留応力分増加したときの疲労強度の低下量を求めてもよい。
【００１７】
上記最大残留応力による疲労強度の低下量と、上記平滑材における疲労強度との比をとり、これを上記試料における疲労強度の最大減少率から減じることで、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めてもよい。
【００１８】
上記疲労強度が、任意のサイクル数における時間強度であってもよい。
【００１９】
上記疲労強度が、疲労限応力振幅であってもよい。
【００２０】
欠陥のない上記部材の疲労限応力振幅と、実際に運用する最大応力振幅との比から、疲労強度の許容限界低下率を求め、上記微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を用いて、上記疲労強度の許容限界低下率から、微小欠陥の許容限界深さを求めてもよい。
【００２１】
上記部材が、航空機用ジェットエンジンのファンブレード、あるいは圧縮機の動静翼であってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、微小欠陥部材の疲労強度低下量を定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法のフローチャートである。
【図２】特性距離モデルを説明する図である。
【図３】図３（ａ）は本発明で用いた試料の平面図であり、図３（ｂ）はそのＡ部拡大図、図３（ｃ）はその微小欠陥の拡大図である。
【図４】本発明において、疲労試験で得られるＳＮ線図である。
【図５】ｘの座標系とｒの座標系との関係を説明する図である。
【図６】本発明において、切欠き断面での応力分布、および特性距離平均応力の求め方を説明するための図である。
【図７】本発明において、特性距離平均応力に対する疲労き裂発生寿命の関係を示す図である。
【図８】切欠き先端半径を小さくすると特性距離平均応力がある値に収束することを説明する図である。
【図９】切欠き先端半径を小さくすると疲労き裂発生寿命が最小疲労き裂発生寿命に収束することを説明する図である。
【図１０】図７の関係を用いて求めた、切欠き深さごとのＳＮ線図である。
【図１１】図７の関係を用いて求めた、切欠き先端半径ごとのＳＮ線図である。
【図１２】本発明において、試料における切欠き深さと疲労限応力振幅の最大減少率との関係を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）は、異物の衝突により形成された微小欠陥を示す図であり、図１３（ｂ）は、その微小欠陥部での残留応力分布を示す図である。
【図１４】本発明において、最大残留応力による疲労強度の低下量の求め方を説明する図であり、平均応力と疲労強度の関係を示す図である。
【図１５】本発明において求めた、微小欠陥部材における切欠き深さと疲労限応力振幅の最大減少率との関係を示す図である。
【図１６】航空機用のジェットエンジンの概略断面図と、その一部拡大図である。
【図１７】本発明の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法に用いる微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２５】
本発明の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法は、航空機用ジェットエンジンのファンブレードや、圧縮機の動静翼などの部材に異物（Foreign Object Debris）が衝突して微小欠陥（ＦＯＤ；Foreign Object Damage）が形成されたとき、その微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する方法である。
【００２６】
また、本発明の微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法は、特性距離モデル（Critical Distance Model）を用いて、予め試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、さらに、上記部材に異物が衝突したときの残留応力を考慮して、微小欠陥部材における疲労設計線図（切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係）を作成し、これを基に微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する方法である。
【００２７】
まず、特性距離モデルについて簡単に説明する。
【００２８】
図２に示すように、金属材料からなり、微小欠陥２２を有する微小欠陥部材２１では、切欠き底Ｂに応力が集中する。そのため、微小欠陥部材２１の微小欠陥２２が位置する断面（切欠き断面）での応力分布σyは、切欠き底Ｂで最も大きくなり、切欠き底Ｂから微小欠陥部材２１内部に向かって、徐々に減少する。
【００２９】
このことから、例えば、切欠き底Ｂのピーク応力値が同じであっても、微小欠陥部材２１内部に向かって応力分布σyが緩やかに減少する場合と、急激に低下する場合とでは、微小欠陥部材２１が受ける負担に差が生じ、疲労寿命にも差が生じることが分かる。具体的には、切欠き底Ｂのピーク応力値が同じであっても、微小欠陥部材２１内部に向かって応力分布σyが急激に低下する方が、平均応力が小さくなるため、微小欠陥部材２１が受ける負担が軽くなり、疲労寿命は長くなる。
【００３０】
このように、微小欠陥部材２１では、切欠き底Ｂの１点の応力で疲労強度は決まらず、微小欠陥部材２１内部に向かって応力分布σyがどのように変化するかが重要な因子となる。
【００３１】
本発明では、切欠き底Ｂから特性距離（Critical Distance）ｘ0までの平均応力、すなわち特性距離平均応力（Critical Distance Stress）σaveを、微小欠陥部材２１の疲労強度の評価指標として用いる。
【００３２】
金属材料では、金属材料に含まれる不純物に起因して疲労破壊する。すなわち、金属材料では、高サイクル疲労において微小なき裂が発生し得る。この微小なき裂の最大長さ（平滑な金属材料が含みうる最大のき裂深さ）が、特性距離ｘ0である。換言すれば、特性距離ｘ0は、平滑材の疲労限応力振幅Δσw（これ以下の応力で何回荷重を繰り返しても疲労き裂が発生しないという限界応力）に対して、き裂が進展しない限界長さを意味する。
【００３３】
したがって、特性距離ｘ0は、平滑材における疲労限応力振幅Δσwと、き裂が進展しなくなる下限界応力拡大係数範囲ΔＫthとから求めることができ、数２に示す式（１）
【００３４】
【数２】
2010175478.tif 000004
【００３５】
で定義される。式（１）中の下限界応力拡大係数範囲ΔＫth、疲労限応力振幅Δσwは、材料により決定される値である。
【００３６】
そして、上述の金属材料が含みうる最大長さ（特性距離ｘ0）のき裂が切欠き底Ｂに発生した場合の平均応力が、特性距離平均応力σaveである。特性距離平均応力σaveは、切欠き底Ｂから特性距離ｘ0までの平均応力であるから、数３に示す式（３）
【００３７】
【数３】
2010175478.tif 000005
【００３８】
で表される（図２参照）。
【００３９】
さて、図１は、本実施形態に係る微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法のフローチャートである。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態に係る微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法は、大きく２つのステップＳ１０１、Ｓ１０２に分けることができる。
【００４１】
ステップＳ１０１では、微小欠陥部材を模した試料を用いて疲労試験を行うと共に、特性距離モデルを用いて解析を行い、試料における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求める。
【００４２】
ステップＳ１０２では、微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定すると共に、最大残留応力による疲労強度の低下量を求め、これを考慮して、微小欠陥部材における切欠き深さと疲労強度の最大減少率との関係を求め、この関係を用いて、微小欠陥部材の疲労強度下限値を評価する。
【００４３】
以下、各ステップについて詳細に説明する。
【００４４】
まず、微小欠陥部材を模した試料を用いて疲労試験を行うと共に、特性距離モデルを用いて解析を行い、特性距離平均応力σaveに対する疲労き裂発生寿命の関係を求める（ステップＳ１）。
【００４５】
本実施形態で用いた試料を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００４６】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、試料３１は、平滑丸棒の表面にスクラッチ型の微小欠陥２２が形成されたスクラッチ型丸棒試験片である。微小欠陥２２は、試料３１の軸方向の中心に形成され、試料３１の外周に一様に形成される。
【００４７】
試料３１の微小欠陥２２の深さｄは、１ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ以下である。これは、実際にファンブレード等の微小欠陥部材に深さ１ｍｍ以上の大きな切欠きが発生した場合には、危険であるため無条件で交換、補修されるためである。本実施形態では、切欠き深さｄをそれぞれ０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍとし、切欠き先端半径ρを０．０５ｍｍとした。また、切欠き深さｄ＝０．３ｍｍの試料３１については、切欠き先端半径ρが０．２ｍｍの試料３１も作成した。
【００４８】
試料３１は金属材料からなる。本実施形態では、試料３１として、チタン合金からなるものを用いた。図３（ａ）に示すように、本実施形態では、疲労試験が行いやすいように、両端部の径が大きくなるよう形成された試料３１を用いたが、試料３１の径は全長にわたり一定であっても問題ない。
【００４９】
ステップＳ１では、まず、これら各試料３１について疲労試験を行い、各試料３１についてＳＮ線図を作成する。作成したＳＮ線図の一例を図４に示す。本実施形態では、繰返し数Ｎ（破断寿命Ｎf）＝１０7サイクルにおける最大応力振幅を疲労限応力振幅Δσwとした。
【００５０】
他方、疲労試験で付与した公称応力（正味断面平均応力）σmに対して各試料３１の切欠き断面での応力分布σyを推定する。切欠き断面での応力分布σyは、数４に示す式（５）
【００５１】
【数４】
2010175478.tif 000006
【００５２】
で表される。ここで、式（５）におけるｒは、図５に示すように、ｘの座標系から−ρ／２だけｘ方向に移動した座標系を示しており、ｒ＝ｘ＋ρ／２で表される。また、Ａ，Ｂは未知数であり、これら未知数Ａ，Ｂを求める必要がある。
【００５３】
未知数Ａ，Ｂを求めるため、試料３１における力のつりあい式（試料３１は丸棒試試験片であるため、軸力のつりあい式）を導出する。
【００５４】
図６に示すように、公称応力σmによる軸力Ｆは、Ｆ＝σm・πＲ2となる。他方、切欠き断面での応力分布σyによる軸力Ｆは、数５に示す式（６）
【００５５】
【数５】
2010175478.tif 000007
【００５６】
となる。よって、試料３１における軸力のつりあい式は、数６に示す式（７）
【００５７】
【数６】
2010175478.tif 000008
【００５８】
で表される。式（５）、（７）を用いて、未知数Ａ，Ｂを求めると、未知数Ａは数７に示す式（８）
【００５９】
【数７】
2010175478.tif 000009
【００６０】
となり、未知数Ｂは下式（９）
Ｂ＝Ｋt−Ａ          …（９）
となる。求めた未知数Ａ，Ｂを式（５）に代入すれば、切欠き断面での応力分布σyが得られる。
【００６１】
得られた切欠き断面での応力分布σyと、数８に示す式（１）
【００６２】
【数８】
2010175478.tif 000010
【００６３】
で定義される特性距離ｘ0とから、特性距離平均応力σaveをそれぞれ求める。式（１）において材料定数Ｆは、チタン合金に対応する値（Ｆ＝１．１２１５×２）とする。
【００６４】
特性距離平均応力σaveは、切欠き底Ｂから特性距離ｘ0まで範囲での合計の応力Ｐを、その断面積Ｓで割ったものであるから、数９に示す式（１０）
【００６５】
【数９】
2010175478.tif 000011
【００６６】
で求められる（図６参照）。この式（１０）に、式（５）で表される切欠き断面での応力分布σyを代入して計算すると、特性距離平均応力σaveは、数１０に示す式（１１）
【００６７】
【数１０】
2010175478.tif 000012
【００６８】
となる。
【００６９】
特性距離平均応力σaveが得られたら、その特性距離平均応力σaveと、疲労試験により得たＳＮ線図とから、特性距離平均応力σaveに対する疲労き裂発生寿命の関係を求める。得られた特性距離平均応力σaveに対する疲労き裂発生寿命Ｎiの関係を図７に示す。
【００７０】
図７では、縦軸を疲労き裂発生寿命Ｎiとしている。この疲労き裂発生寿命Ｎiは、下式（１２）
Ｎi＝Ｎf−Ｎp            …（１２）
但し、Ｎi：疲労き裂発生寿命
Ｎf：破断寿命
Ｎp：疲労き裂進展寿命
で求めることができる。破断寿命Ｎfは、図４のＳＮ線図に示すように疲労試験で求めることができ、疲労き裂進展寿命Ｎpはき裂進展則を用いて解析を行うことにより得ることができる。
【００７１】
図７は、ステップＳ１で作成した全ての試料３１（切欠き深さｄ＝０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、切欠き先端半径ρ＝０．０５ｍｍ、０．２ｍｍ）をプロットしたものである。このように、特性距離平均応力σaveに対する疲労き裂発生寿命Ｎiの関係は、切欠き深さｄや切欠き先端半径ρにかかわらず、１つのＳＮ線図として作成することができる。
【００７２】
次に、図７の関係を用いて、切欠き先端半径ρを０．０１ｍｍ以下、好ましくは０．００１ｍｍ以下としたときのＳＮ線図を切欠き深さｄごとに作成する（ステップＳ２）。
【００７３】
図８に示すように、切欠き先端半径ρが０．０１ｍｍ以下の小さい値になると、特性距離平均応力σaveはある値に収束する。このため、図９に示すように、切欠き先端半径ρが０．０１ｍｍ以下の小さい値になると、疲労き裂発生寿命Ｎiがあるサイクル数に収束することになる。このサイクル数が最小疲労き裂発生寿命である。
【００７４】
一例として、切欠き先端半径ρが０．０５ｍｍである場合のＳＮ線図を図１０に示す。図１０において、プロット（□、△、○：◇は平滑材）はステップＳ１の疲労試験における実験値であり、実線および破線はステップＳ２で作成したＳＮ線図である。図１０に示すように、作成したＳＮ線図は実験値とよく一致しており、図７の関係から精度よくＳＮ線図を作成できていることが分かる。図１０のＳＮ線図を作成する際は、図７より得た疲労き裂発生寿命Ｎiに疲労き裂進展寿命Ｎpを足し合わせて、破断寿命Ｎf（繰返し数Ｎ）を求めるとよい。
【００７５】
また、図１１に、切欠き深さｄ＝０．３ｍｍにおいて切欠き先端半径ρを０．２ｍｍ、０．０５ｍｍとしたときのＳＮ線図を示す。図１１に示すように、作成したＳＮ線図（実線）は、実験値（□、△：◇は平滑材）とよく一致している。
【００７６】
また、図１１には、切欠き先端半径ρを０．０１ｍｍ以下の小さい値にしたときのＳＮ線図を併せて示す。このＳＮ線図が、切欠き深さｄ＝０．３ｍｍにおける、最小強度を示すＳＮ線図となる。
【００７７】
これと同様に、各切欠き深さｄについても、切欠き先端半径ρを０．０１ｍｍ以下の小さい値にしたときのＳＮ線図を作成する。
【００７８】
その後、ステップＳ２で作成したＳＮ線図（切欠き先端半径ρ≦０．０１ｍｍ）を基に、切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を求める（ステップＳ３）。
【００７９】
ここでは、サイクル数Ｎ＝１０7サイクルにおける時間強度、すなわち疲労限応力振幅Δσwについて検討する。時間強度とは、任意のサイクル数における疲労強度、すなわち最大応力振幅のことである。
【００８０】
まず、ステップＳ２で作成したＳＮ線図（切欠き先端半径ρ≦０．０１ｍｍ）より、サイクル数Ｎ＝１０7サイクルにおける最大応力振幅、すなわち最小疲労限応力振幅（最小時間強度）を、切欠き深さｄごとに求める。
【００８１】
その後、得られた切欠き深さｄごとの最小疲労限応力振幅と、微小欠陥２２のない平滑材における疲労限応力振幅Δσwとの比（微小欠陥部材の最小疲労限応力振幅／平滑材の疲労限応力振幅Δσw）をとると、切欠き深さｄごとに疲労限応力振幅の最大減少率（無次元化疲労限度、あるいは疲労強度比）が得られる。
【００８２】
得られた切欠き深さｄと疲労強度（疲労限応力振幅）の最大減少率との関係のを図１２に実線で示す。図１２では、参考のため、ρ＝０．０５ｍｍとしたときの切欠き深さｄと疲労限応力振幅の減少率との関係（図１０のＳＮ線図に対応）を実線で示している。
【００８３】
得られた図１２の関係（実線）を用いることにより、平滑材の疲労強度（疲労限応力振幅）が既知であれば、試料３１の微小欠陥部（ＦＯＤ損傷部）の切欠き深さｄから、試料３１の疲労強度（疲労限応力振幅）を得ることができる。よって、図１２は、試料３１の切欠き深さｄから疲労強度を評価する疲労設計線図として用いることができる。
【００８４】
以上により、試料３１における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係が得られる。
【００８５】
次に、ステップＳ１０１で得た関係を基に、微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を得るステップ（ステップＳ１０２）について説明する。
【００８６】
まず、微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定する（ステップＳ４）。
【００８７】
一例として、微小欠陥部材に異物が衝突して図１３（ａ）に示すような微小欠陥が形成された場合の最大残留応力を検討する。この場合の異物が衝突した部位（ＦＯＤを受けた部位）の残留応力分布を図１３（ｂ）に示す。
【００８８】
図１３（ｂ）に示すように、微小欠陥部材に発生する残留応力（引張）は、切欠き中央で最も高くなり、最大で２００ＭＰａ弱となる。
【００８９】
同様にして、微小欠陥部材に発生する最大残留応力について種々検討した結果、微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力は、高々２００ＭＰａ程度であることが分かった。よって、本実施形態では、最大残留応力を２００ＭＰａとする。
【００９０】
最大残留応力が得られたら、その最大残留応力による疲労強度の低下量を求める（ステップＳ５）。
【００９１】
この最大残留応力による疲労強度の低下量を求めるため、まず、平均応力σmeanと疲労強度との関係を疲労試験により求める。得られた平均応力σmeanと疲労強度（応力振幅σalt）との関係を図１４に示す。図１４では、上述の試料３１を用いて疲労試験を行った結果（○）と併せて、微小欠陥２２のない平滑材（◇）、およびデント型試料（□）を用いて疲労試験を行った結果も示している。
【００９２】
図１４において、横軸の平均応力σmeanは、微小欠陥部材の熱応力や遠心力を表すものであり、下式（１３）
σmean＝（σmax＋σmin）／２        …（１３）
但し、σmax：最大応力
σmin：最小応力
で表される。微小欠陥部材に残留応力が存在する場合、その残留応力が存在する部位（微小欠陥部）では、平均応力σmeanがその残留応力分増えることになる。
【００９３】
縦軸の応力振幅σaltは、振動による応力振幅を表すものであり、ここでは１０7サイクルにおける最大応力振幅、すなわち疲労限応力振幅Δσwを表す。また、図１４において、Ｒは応力比であり、下式（１４）
Ｒ＝σmin／σmax            …（１４）
で表される。
【００９４】
図１４に示すように、平均応力σmeanと疲労強度（ここでは、疲労限応力振幅Δσw）との関係は、直線関係で表すことができる。
【００９５】
よって、その傾きを求めれば、平均応力σmeanが最大残留応力だけ上昇したときの疲労強度の低下量（ここでは、疲労限応力振幅Δσwの低下量）を得ることができる。
【００９６】
本実施形態では、安全側の評価の観点から、図１４の関係のうち、最も傾きの大きいスクラッチ型（○；上述の試料３１）における傾きを採用した。
【００９７】
最大残留応力による疲労強度の低下量が得られたら、これをステップＳ１０１で得た図１２の関係に適用し、微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を求める（ステップＳ６）。
【００９８】
具体的には、最大残留応力による疲労強度の低下量と、平滑材における疲労強度との比をとり、これを図１２の疲労強度の最大減少率から減じることで、微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を求める。得られた微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を図１５に実線で示す。
【００９９】
図１５に示すように、微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係は、破線で示す試料における関係を、（残留応力による低下量／平滑材の疲労強度（ここでは、疲労限応力振幅Δσw））の分だけ下方にシフトしたものとなる。
【０１００】
図１５においてハッチングは、疲労試験で得た実験データや、文献で公表されている文献データを表す母集団である。図１５に示すように、本実施形態で得た微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係は、実験データや文献データの疲労強度の下限界値となっていることが分かる。
【０１０１】
次に、疲労強度下限値を評価する微小欠陥部材の切欠き深さｄから、疲労強度下限値を求める（ステップＳ７）。
【０１０２】
図１５の関係を求めておけば、疲労強度下限値を評価する微小欠陥部材（例えば、フィールドから戻ってきたファンブレード等の翼）の切欠き深さ（ＦＯＤ深さ）ｄから、図１５の関係を用いて、疲労強度の最大減少率を求めることができる。さらに、求めた疲労強度の最大減少率を、欠陥のない上記部材の疲労強度に掛け合わせることにより、微小欠陥部材の疲労強度下限値を求めることができる。つまり、図１５は、微小欠陥部材の切欠き深さｄから疲労強度を評価する疲労設計線図として用いることができる。
【０１０３】
また、図１５の関係を得ることにより、微小欠陥の許容限界深さを求めることも可能となる。
【０１０４】
一般的に、ファンブレードや圧縮機の動静翼などの部材は、疲労限応力振幅Δσwが実際の運用における最大応力振幅σaより大きい範囲で使用される。疲労限応力振幅Δσwが最大応力振幅σa以下となる範囲で使用すると、疲労破壊が起きるためである。
【０１０５】
よって、欠陥のない部材での疲労限応力振幅Δσwと、実際の運用における最大応力振幅（振動応力振幅）σaが既知であれば、ＦＯＤにより疲労限応力振幅Δσwがどの程度低下すれば応力振幅σaを下回るかという疲労強度の許容限界低下率が得られる。この疲労強度の許容限界低下率に対応する切欠き深さｄを図１５の関係から求めれば、微小欠陥の許容限界深さを求めることができる。
【０１０６】
本実施形態では、疲労強度として、１０7サイクルにおける時間強度である疲労限応力振幅Δσwを用いたが、これに限定されず、任意のサイクル数における時間強度（例えば、８万回強度）についても、同様に評価することが可能である。
【０１０７】
以上説明したように、本実施形態に係る微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法では、微小欠陥部材を模した試料３１を用いて疲労試験を行うと共に、特性距離モデルにより解析を行い、試料３１における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を求めておき、他方、微小欠陥部材に異物が衝突したときの最大残留応力を推定すると共に、最大残留応力による疲労強度の低下量を求め、その最大残留応力による疲労強度の低下量を、試料３１における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係に適用することで、微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を求めている。
【０１０８】
これにより、疲労強度下限を評価する微小欠陥部材の切欠き深さｄから、疲労強度の最大減少率を求め、求めた疲労強度の最大減少率を、欠陥のない部材の疲労強度に掛け合わせることにより、微小欠陥部材の疲労強度下限値を求めることができる。すなわち、従来評価する手法がなかった微小欠陥部材の疲労強度（疲労限応力振幅Δσw、あるいは任意のサイクル数での時間強度）の下限値を定量的に評価することが可能となり、微小欠陥部材の健全性を確実に確保することが可能となる。
【０１０９】
また、図１５に示すような疲労強度設計線図（微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労限応力振幅Δσwの最大減少率との関係）が得られるため、例えば、新たに開発した翼に対しても、微小欠陥の許容限界深さを得ることが可能となる。
【０１１０】
本実施形態に係る微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価方法は、例えば、図１７に示す微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価装置１７０により実現される。
【０１１１】
微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価装置１７０は、試料３１の切欠き深さｄ、切欠き先端半径ρ、疲労試験の結果等の解析データを入力する解析データ入力部１７１と、材料データや予め設定した最大残留応力などを記憶する材料データ記憶部１７２と、解析条件を記憶する解析条件記憶部１７３と、入力部１７１に入力された解析データと材料データ記憶部１７３に記憶された材料データ等を基に、解析条件記憶部１７３に記憶された解析条件に従って、上述のステップＳ１〜Ｓ６で説明した解析を行う解析部１７４と、解析部１７４で得られた微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を記憶する解析結果記憶部１７５とを備える。
【０１１２】
また、微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価装置１７０は、評価対象となる微小欠陥部材の切欠き深さｄを入力する評価対象データ入力部１７６と、微小欠陥部材を実際に用いる際に必要な疲労強度である規格データを記憶する規格記憶部１７７と、評価対象データ入力部１７６で入力された切欠き深さｄを基に、解析結果記憶部１７５に記憶された切欠き深さｄと疲労強度の最大減少率との関係を用いて評価対象の微小欠陥部材の最小疲労限応力振幅を求め、これが上記規格データを満足するか否かを出力する評価部１７８とを備える。
【０１１３】
入力部１７１、材料データ記憶部１７２、解析条件記憶部１７３、解析部１７４、解析結果記憶部１７５、評価対象データ入力部１７６、規格記憶部１７７、評価部１７８は、インターフェイス、メモリ、ＣＰＵ、ソフトウェアなどを適宜組み合わせて実現される。
【０１１４】
微小欠陥部材の疲労強度下限値の評価装置１７０を用いて評価を行う際は、まず、入力部１７１より解析データを入力すると共に解析部１７４で解析し、予め解析結果記憶部１７５に解析結果（微小欠陥部材における切欠き深さｄと疲労限応力振幅の最大減少率との関係）を記憶させておく。
【０１１５】
その上で、評価対象データ入力部１７６より評価対象となる微小切欠き材のデータ（切欠き深さｄ）を入力すると、評価部１７８において、入力された切欠き深さｄに対応する疲労強度下限値が求められると共に、求めた疲労強度下限値が予め設定した規格データを満足するか否かが判断され、その結果が外部に出力される。
【符号の説明】
【０１１６】
２１  微小欠陥部材
２２  微小欠陥
３１  試料
Ｂ  切欠き底
【図１】
2010175478.tif 000014
【図２】
2010175478.tif 000015
【図３】
2010175478.tif 000016
【図４】
2010175478.tif 000017
【図５】
2010175478.tif 000018
【図６】
2010175478.tif 000019
【図７】
2010175478.tif 000020
【図８】
2010175478.tif 000021
【図９】
2010175478.tif 000022
【図１０】
2010175478.tif 000023
【図１１】
2010175478.tif 000024
【図１２】
2010175478.tif 000025
【図１３】
2010175478.tif 000026
【図１４】
2010175478.tif 000027
【図１５】
2010175478.tif 000028
【図１６】
2010175478.tif 000029
【図１７】
2010175478.tif 000030