(57)【要約】【課題】本発明では、表面加工を受けた構造物において、表面の層状の除去を必要としない構造物の評価方法を提供する。【解決手段】本発明は、表面加工をした構造物において、表面加工した面の残留応力と構造物の変形を測定し、前記構造物を対象とした応力解析により表面加工した面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの表面の残留応力と構造物の変形から、前記測定された表面の残留応力と構造物の変形を用いて固有ひずみの深さ方向分布を求めることを特徴とする。【選択図】  図１６
2015222207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面加工をした構造物において、
表面加工した面の残留応力と構造物の変形を測定し、
前記構造物を対象とした応力解析により表面加工した面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの表面の残留応力と構造物の変形から、前記測定された表面の残留応力と構造物の変形を用いて固有ひずみの深さ方向分布を求めることを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の構造物の評価方法において、
前記算出された固有ひずみの深さ方向分布を負荷した応力解析により表面加工による残留応力の深さ方向の分布を算出することを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項３】
請求項２に記載の構造物の評価方法において、
前記残留応力の深さ方向の分布の算出は、加工した表面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの残留応力分布を介して算出することを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項４】
請求項１に記載の構造物の評価方法において、
前記表面加工した面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみは、深さの関数として定義されることを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項５】
請求項４に記載の構造物の評価方法において、
前記深さの関数は深さの多項式として定義されることを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項６】
請求項１から請求項４に記載の構造物の評価方法において、
前記表面加工をする構造物は直方体形状の試験片であることを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項７】
請求項１に記載の構造物の評価方法において、
前記固有ひずみの深さ方向分布は、構造物を対象とした応力解析により加工した表面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの表面の残留応力と構造物の変形の解析結果を記録したデータベースを参照して算出することを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項８】
請求項２に記載の構造物の評価方法において、
残留応力の深さ方向の分布は、構造物を対象とした応力解析により加工した表面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの表面の残留応力と構造物の変形の解析結果を記録したデータベースを参照して算出することを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項９】
請求項１に記載の構造物の評価方法において、
前記固有ひずみの深さ方向分布を切削加工した別構造物の切削加工面とその深さ方向に負荷する応力解析を介して当該の別構造物の残留応力と変形を算出することを特徴とする構造物の評価方法。
【請求項１０】
表面加工した面で単位量であり分布深さが異なる所定の分布形態の固有ひずみを負荷したときの深さ方向の残留応力分布と、構造物の変形量の計算結果を記録する記憶媒体と、
構造物の表面加工した面の残留応力と構造物の変形の測定値から、深さ方向の残留応力分布と、構造物の変形量の計算結果を介して、計測対象の構造物における残留応力の深さ方向の分布を計算するプログラムが記録される記憶媒体と、
当該プログラムを実行する中央演算処理装置と、
構造物の表面加工した面の残留応力と構造物の変形の測定値を入力する入力装置と、
前記中央演算処理装置で実行されるプログラムの計算結果を出力するデータ出力装置を有することを特徴する構造物の評価装置。
【請求項１１】
構造物を支持する支持機構と表面加工した面の残留応力を測定する残留応力測定機構と、
構造物の変形量を測定する変形量測定機構と、
表面加工した面で単位量であり分布深さが異なる所定の分布形態の固有ひずみを負荷したときの深さ方向の残留応力分布と、構造物の変形量の計算結果を記録する記憶媒体と、
予め記憶媒体に構造物の表面加工した面の残留応力と構造物の変形の測定値から、前記の深さ方向の残留応力分布と、構造物の変形量の計算結果を介して、計測対象の構造物における残留応力の深さ方向の分布を計算するプログラムを記録する記憶媒体と、
当該プログラムを実行する中央演算処理装置と、
前記残留応力測定機構で測定した構造物の表面加工した面の残留応力と、変形量測定機構で測定した構造物の変形量を入力する入力装置と、
前記中央演算処理装置で実行されているプログラムの計算結果を出力するデータ出力装置を有することを特徴する構造物の評価装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の構造物の評価装置において、
前記残留応力測定機構による応力測定は、Ｘ線回折法を測定に用いることを特徴とする構造物の評価装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の構造物の評価装置において、
前記変形量測定機構による変形量測定は、レーザー変位計を測定に用いることを特徴とする構造物の評価装置。
【請求項１４】
請求項１０または請求項１１に記載の構造物の評価装置において、
前記記憶媒体には少なくとも構造物の変形と応力を計算可能な数値計算プログラムが記憶され、
前記中央演算処理装置は、別形状の構造物の変形と応力の計算に必要なデータが入力されると、前記固有ひずみを負荷した解析を実行して、前記別形状の構造物の変形と応力を算出することを特徴とする構造物の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の機器において素材から所定の形状を得るために種々の加工が行われる。例えば素材から所定の形状を形成するために切削加工が行われる。また、構造物の表面に圧縮残留応力を付与するためにショットピーニングなどの加工が行われる。これらの表面加工により、素材表面には残留応力が発生する。また、表面加工により構造物に変形が発生する。残留応力の素材表面および深さ方向分布を明らかにすることは、構造物の疲労強度を予測する上で必要である。また、表面加工により発生する変形の予測は、寸法精度を要する構造物を製作する上で重要である。
【０００３】
被測定物の表面の残留応力分布を測定する方法の例が、特開２０１１−２５２８１１号公報に記載されている。本方法では、被測定物の表面に与えられた残留応力を測定するにあたって、被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて被測定物の表面側から切り出した試験片を、前記被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する前記試験片の裏面において歪を測定する測定ステップと、前記試験片の層状の研磨と前記裏面において測定した歪との関係から、前記被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する解析ステップを含むものである。
【０００４】
また、測定対象部材の残留応力、特に内部残留応力を精度良く評価できる残留応力評価システム及び残留応力測定方法の例が、特開２００９−２１６５１４号公報に記載されている。本方法では、測定対象材に貼り付けられたひずみゲージのひずみ値を測定するひずみ測定器を、このひずみ測定器で測定したひずみ値から測定対象部材の表面残留応力を算出する表面残留応力算出装置と、測定対象部材と同様な構成の材料について予め求めた表面残留応力及び内部残留応力、試料作製時の溶接条件、試料の開先形状、並びに試料の材料特性などのデータを関連づけて格納したデータベースと、表面残留応力算出装置が算出した表面残留応力、測定対象部材の溶接条件、開先条件、及び材料特性に基づき、データベース内のデータと照合して、測定対象部材の内部残留応力を推定し評価する内部残留応力評価装置を有するものである。
【０００５】
また、広く構造物の残留応力測定に用いることのできる、汎用性の高い残留応力測定方法の例が、特開２００５−１８１１７２号公報に記載されている。本方法では、軸対称継手の試験片の表面に第１群のひずみゲージを貼り付け、ひずみの初期値と、薄い切断片であるＴ片と、それに垂直なＬ片を切り出したときの解放ひずみを計測する。Ｔ片とＬ片の断面に第２群のひずみゲージを貼り付け、ひずみの初期値と、Ｔ片、Ｌ片から小片を切り出したときの解放ひずみを計測する。３方向において計測した解放ひずみから固有ひずみを求め、有限要素法により弾性ひずみ・固有ひずみマトリックスを求める。弾性ひずみ・固有ひずみマトリックスと、応力・ひずみマトリックスを用いて、残留応力の最確値を出力するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５２８１１号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６５１４号公報
【特許文献３】特開２００５−１８１１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開２０１１−２５２８１１号公報に記載された、被測定物の表面の残留応力分布を測定する方法では、試験片の表面を層状に順次研磨しつつ、被測定面と対向する裏面に張付けした歪ゲージの出力により、裏面の歪を測定し、この歪と同じ値のひずみを解析モデルで再現することにより、試験片の被測定面側で生じる残留応力の深さ方向分布を求めている。すなわち、試験片の表面の層状の研磨とそのときの裏面の歪測定を複数回実施する必要がある。また、表面付近に付与された残留応力により構造物に発生する変形については何ら評価することができない。
【０００８】
また、特開２００９−２１６５１４号公報に記載された、残留応力評価システム及び残留応力測定方法では、測定対象部にひずみゲージを貼り付けてひずみ初期値を測定した後、前記ひずみゲージを貼り付けた部分を採取し、ひずみを解放して残留応力を算出する残留応力評価システムである。ひずみゲージによる解放ひずみの測定は、加工により素材表面に発生した残留応力のように発生している領域が浅い場合には、その浅い領域の残留応力を解放させるために表層部分を薄く剥離させることが必要であり、高精度な測定は困難である。例えば、剥離厚さが１ｍｍ未満の場合には、剥離のための加工手段、例えばワイヤ放電加工による加工の影響がひずみゲージの出力に影響する。また、貼り付けしたひずみゲージ自身の剛性がひずみゲージの出力に影響する可能性がある。そのため、被測定物の残留応力を正しく反映した出力をひずみゲージに求めるのは困難である。また、表面付近に付与された残留応力により構造物に発生する変形については何ら評価していない。
【０００９】
また、特開２００５−１８１１７２号公報に記載された、残留応力測定方法及び装置では、測定対象の構造物の表面にひずみゲージを貼り付けて、Ｔ片およびＬ片と呼ばれる複数の薄い切断片を製作し、さらに切断面に複数のひずみゲージを貼り付けて、切断解放によりそれらのひずみゲージを介して解放ひずみを測定し、逆問題解析により表面および内部残留応力を求めるものである。多数のひずみゲージの貼り付けと残留応力を解放させるための切断および解放ひずみの測定には長時間を要する。また、加工により素材表面に発生した残留応力のように発生している領域が浅い場合には、応力分布の高精度な測定は困難である。
【００１０】
以上に述べたように、表面を層状に削除しながら残留応力を測定する方法および構造物から薄い切断片を製作し、ひずみを逐次測定する方法は多くの工数を要する。そのため、例えば表面加工条件の選定のように、表面加工条件の異なる多数の試作品を対象にしてその評価を実施する場合にはさらに長時間を要する。また、表面加工による残留応力は、表面加工により表面に付与された固有ひずみに起因して発生する。この固有ひずみは残留応力を発生させると同時に変形も発生させる。寸法精度を要する構造物では、表面加工により発生する変形の予測も重要である。
【００１１】
そこで、本発明では、表面加工を受けた構造物において、表面の層状の除去を必要としない構造物の評価方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、表面加工をした構造物において、表面加工した面の残留応力と構造物の変形を測定し、前記構造物を対象とした応力解析により表面加工した面で単位量であり、分布深さが異なる所定の形態の固有ひずみを負荷したときの表面の残留応力と構造物の変形から、前記測定された表面の残留応力と構造物の変形を用いて固有ひずみの深さ方向分布を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、表面加工を受けた構造物において、表面の層状の除去をしなくても構造物の評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例の切削加工試験片の形状を示す図である。
【図２】本実施例の切削加工試験片の変形量を示す図である。
【図３】切削加工面で単位量（０．００１）であり、分布深さで０となる単位固有ひずみ分布を示す図である。
【図４】長手方向および直交方向の単位固有ひずみ分布を示す図である。
【図５】長手方向の単位固有ひずみを負荷したときの長手方向応力の分布を示す図である。
【図６】長手方向の単位固有ひずみを負荷したときの直交方向応力の分布を示す図である。
【図７】直交方向の単位固有ひずみを負荷したときの長手方向応力の分布を示す図である。
【図８】直交方向の単位固有ひずみを負荷したときの直交方向応力の分布を示す図である。
【図９】長手方向および直交方向の単位固有ひずみをそれぞれ負荷したときの変形量を示す図である。
【図１０】切削加工面の長手方向および直交方向の応力が測定結果と一致するように固有ひずみの絶対値を調整したときの長手方向応力分布を示す図である。
【図１１】切削加工面の長手方向および直交方向の応力が測定結果と一致するように固有ひずみの絶対値を調整したときの直交方向応力分布を示す図である。
【図１２】切削加工面の長手方向および直交方向の応力が測定結果と一致するように固有ひずみの絶対値を調整したときの変形量を示す図である。
【図１３】切削加工面の長手方向および直交方向の応力および変形量が測定結果と一致するときの固有ひずみの深さ方向分布を示す図である。
【図１４】本実施例の方法により得られた残留応力の深さ方向分布の評価結果とＸ線回折法による測定結果の比較を示す図である。
【図１５】他の実施例の構造物形状を示す図である。
【図１６】本実施例の構造物の評価装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、表面加工により発生した残留応力の測定結果と構造物の変形量の測定結果とより、表面加工による表面付近の固有ひずみの深さ方向分布や残留応力の深さ方向分布を求めることが可能となる。更に、これら求めた数値を利用して、表面加工を施した構造物に発生する変形を予測することが可能となる。
【００１６】
なお、表面加工により構造物に付与される固有ひずみは、構造物に発生する残留応力と変形という形で表れる。すなわち、固有ひずみは残留応力と構造物の変形との影響の足し合わせたものであるという事が可能である。
【００１７】
本発明の実施例を以下に図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の実施例１を以下に示す。本実施例は、試験片の切削加工面の残留応力と試験片の変形の測定結果から、固有ひずみの深さ方向分布および残留応力の深さ方向分布を求める方法である。
【００１９】
本実施例は、有限要素法による解析を援用して以下のステップ１からステップ３までの手順で切削加工面からの固有ひずみの深さ方向分布を求めることができる。得られた固有ひずみの深さ方向分布に基づいてステップ４で固有ひずみ解析を実施することにより残留応力の深さ方向分布を求めることができる。
ステップ１：切削加工を行った試験片の切削加工面の残留応力と試験片の変形の測定
ステップ２：単位分布固有ひずみを負荷したときの残留応力と試験片の変形の解析
ステップ３：切削加工面の残留応力と試験片の変形を発生させる固有ひずみ分布の計算
ステップ４：固有ひずみ解析による残留応力の深さ方向分布と試験片の変形の解析
上記のステップ１から４に基づいた残留応力分布の評価方法について以下に順次述べる。なお、加工としてはフライス盤による切削加工を対象とした。
【００２０】
ステップ１：切削加工を行った試験片の切削加工面の残留応力と試験片の変形の測定
ステップ１では、切削加工面の残留応力と試験片の変形を測定する。厚さ５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ８０ｍｍのチタン合金の素材を厚さが３ｍｍになるように片側の面を切削加工した試験片を対象に説明する。
【００２１】
最初に切削加工前の厚さが５ｍｍの試験片において、切削加工面の反対側の面の長手方向のラインに沿って形状を測定する。次に切削加工面を切削加工する。切削加工後の試験片の形状と寸法を図１に示す。図１に示したように８０ｍｍの方向を長手方向（ｘ）、１０ｍｍの方向を直交方向（ｚ）、３ｍｍの方向を深さ方向（ｙ）と呼ぶことにする。切削加工後の試験片において、切削加工面の反対側の面の長手方向のラインに沿って形状を測定する。切削加工後の試験片の形状を図２に示す。切削加工面側が凸になる変形が発生した。切削加工後の変位から切削加工前の変位を引いたものが切削加工による試験片の変形量となる。図２には変形量の定義を示した。長手方向の中央位置と端部との変位の差を変形量とした。本実施例の切削加工試験片では、変形量は０．０４２ｍｍであった。次に切削加工面の中央位置の残留応力を測定する。測定はＸ線回折法により行う。長手方向および直交方向の応力を測定する。本実施例の試験片では、測定結果は長手方向応力が−１３７ＭＰａ、直交方向応力が−９４ＭＰａであった。
【００２２】
ステップ２：単位分布固有ひずみを負荷したときの残留応力と試験片の変形の解析
ステップ２では、単位分布固有ひずみを負荷したときの応力と試験片の変形の解析では、単位分布固有ひずみを試験片に負荷する解析を行い、切削加工面の残留応力および試験片の変形を求める。
【００２３】
ここで、ある固有ひずみ分布深さに対する単位分布固有ひずみは以下に述べる分布を有する固有ひずみと定義する。すなわち、設定された固有ひずみ分布深さに対し、切削加工面で大きさが０．００１（０．１％）であり、切削加工面から離れると線形に減少し、固有ひずみ分布深さでは０となる分布とする。なお、本実施例では固有ひずみ分布深さは０．０２ｍｍから０．０２ｍｍ間隔で０．２０ｍｍまでの１０通りの条件について計算する。図３に固有ひずみ分布深さが０．１０ｍｍのときの単位分布固有ひずみを示す。
【００２４】
固有ひずみの方向は、長手方向および直交方向の２通りの条件とする。図４に長手方向および直交方向の単位分布固有ひずみを示す。分布深さで１０条件、固有ひずみの方向で２条件であるので解析ケースの総数は２０である。これらの単位分布固有ひずみを負荷する解析を行い、切削加工面の長手方向および直交方向の応力と試験片の変形量を解析により求める。
【００２５】
図１に示した切削加工試験片の長手方向であるｘ軸と深さ方向であるｚ軸を含む断面を模擬した２次元平面ひずみモデルを用いて有限要素法解析を行う。解析に必要な材料物性はヤング率とポアソン比である。これらの材料特性として以下の値を用いる。
ヤング率：１１０ＧＰａ、  ポアソン比：０．３
有限要素法解析において所定の分布の固有ひずみを負荷する方法は公知の技術であり、例えば文献「上田幸雄，村川英一，麻寧緒，技術者のための溶接変形と残留応力攻略マニュアル，産報出版」に詳細が記載されている。
【００２６】
以下、解析結果について述べる。図５から図８に固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍから０．２０ｍｍまでの単位分布固有ひずみを負荷したときの長手方向応力および直交方向応力の深さ方向の分布を示す。単位分布固有ひずみは引張であるので、切削加工面では圧縮応力が発生する。図５および図６には長手方向の単位分布固有ひずみを負荷した場合を示した。図５は長手方向の応力分布であり、図６は直交方向の応力分布である。図７および図８には直交方向の単位分布固有ひずみを負荷した場合を示した。図７は長手方向の応力分布であり、図８は直交方向の応力分布である。直交方向の単位分布固有ひずみを負荷した場合は、直交方向の応力の絶対値は、長手方向の応力の絶対値よりも大きくなる。表面で圧縮応力の絶対値が最大となる。
【００２７】
単位分布固有ひずみの負荷により試験片に変形が発生する。図３に示した表面で絶対値が０．００１であり、固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍから０．２０ｍｍまで０．０２ｍｍごとの１０ケースを対象として、長手方向および直交方向の単位分布固有ひずみをそれぞれ負荷したときの固有ひずみ分布深さと変形量の関係を図９に示す。図９の関係は、上述の解析により求めた解析結果である。固有ひずみ分布深さが深くなるとともに変形量も増加する。長手方向および直交方向のそれぞれの単位分布固有ひずみの負荷に対して変形が発生する。変形量は図３に示したように長手方向のラインに沿って試験片の中央部と端部の変位を変形量と定義した。そのため、同じ固有ひずみ分布深さの単位分布固有ひずみでは、直交方向固有ひずみよりも長手方向固有ひずみの方が変形量に及ぼす影響が大きい。
【００２８】
ステップ３：切削加工面の残留応力と試験片の変形を発生させる固有ひずみ分布の計算
ステップ３では、表面の残留応力が測定結果と一致するように固有ひずみの値を調整する。例として固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍの場合を考える。測定結果および固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍのときの解析結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2015222207.tif 000003
ここで、σｘｘ，ｘ、σｚｚ，ｘおよびδｙ，ｘは長手方向の単位分布固有ひずみの負荷により発生する表面の長手方向応力、直交方向応力および変形の解析結果である。σｘｘ，ｚ、σｚｚ，ｚおよびδｙ，ｚは直交方向の単位分布固有ひずみの負荷により発生する表面の長手方向応力、直交方向応力および変形量の解析結果である。また、σｘｘ、σｚｚおよびδｙは表面の長手方向応力、直交方向応力および変形量の測定結果である。
【００３０】
測定結果の長手方向応力および直交方向応力に及ぼす、長手方向の固有ひずみおよび直交方向の固有ひずみの影響をａ、ｂとおき、以下の関係が成立すると仮定する。
σｘｘ，ｘ×ａ＋σｘｘ，ｚ×ｂ＝σｘｘ      …（１）
σｚｚ，ｘ×ａ＋σｚｚ，ｚ×ｂ＝σｚｚ      …（２）
（１）式では、測定結果の長手方向応力σｘｘが、長手方向の単位分布固有ひずみの負荷による応力σｘｘ，ｘと直交方向の単位分布固有ひずみの負荷による応力σｘｘ，ｚの線形和となることを示している。同様に、測定結果の直交方向応力σｚｚは、長手方向の単位分布固有ひずみの負荷による応力σｚｚ，ｘと直交方向の単位分布固有ひずみの負荷による応力σｚｚ，ｚの線形和となることを示している。（１）式と（２）式を連立させて解くとａ、ｂは以下のようになる。
ａ＝  （σｚｚ，ｚ×σｘｘ    −σｘｘ，ｚ×σｚｚ）
／（σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ−σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ）      …（３）
ｂ＝  （σｚｚ，ｘ×σｘｘ    −σｘｘ，ｘ×σｚｚ）
／（σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ−σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ）      …（４）
（３）式および（４）式に表１に示した値を代入して解くとａ＝１．０３、ｂ＝０．５０８となる。したがって固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍの場合は、切削加工面では単位量の０．００１にａおよびｂをかけた０．００１０３の長手方向固有ひずみと０．０００５０８の直交方向固有ひずみが負荷されると、切削加工面の長手方向応力は−１３７ＭＰａ、直交方向応力は−９４ＭＰａになる。
【００３１】
このときの変形量は表１に示した値とａとｂの値を用いて以下のようにして計算することができる。
ａ×δｙ，ｘ＋ｂ×δｙ，ｚ＝０．００６２３ｍｍ
すなわち、固有ひずみ分布深さが０．０２ｍｍの場合には、表面の残留応力が測定結果と一致するように固有ひずみの大きさを設定すると、変形量は測定結果よりも小さくなることを意味している。
【００３２】
同様の解析を固有ひずみ分布深さを仮定した０．２０ｍｍまでの１０条件に対して実施し、それぞれの固有ひずみ分布深さに対応したａ、ｂの値を求める。図１０および図１１にそれぞれの固有ひずみ分布深さに対して表面の残留応力が測定結果と一致するように長手方向の固有ひずみおよび直交方向の固有ひずみの大きさを調整したときの切削加工面からの応力分布を示す。いずれのケースも、表面では長手方向応力は−１３７ＭＰａ、直交方向応力は−９４ＭＰａとなる。
【００３３】
求めたａ、ｂの値とそれぞれのδｙ，ｘ、δｙ，ｚから変形量を計算する。それぞれの条件において、長手方向固有ひずみによる変形と直交方向固有ひずみによる変形の影響度を考慮して求めた結果を図１２に示す。
【００３４】
固有ひずみ分布深さが０．１２ｍｍのときの変形量が０．０３９１ｍｍである。固有ひずみ分布深さが０．１４ｍｍのときの変形量が０．０４６１ｍｍである。これらの値から変形量が０．０４１７ｍｍとなる固有ひずみ分布深さを求めると０．１２７４ｍｍとなる。
【００３５】
固有ひずみ分布深さが０．１２ｍｍのときの（３）式および（４）式から計算されるａおよびｂの値は、それぞれ１．１１および０．５０８である。固有ひずみ分布深さが０．１４ｍｍのときの（３）式および（４）式から計算されるａおよびｂの値は、それぞれ１．１３および０．５０８である。これらのａおよびｂの値から固有ひずみ分布深さが０．１２７４ｍｍのときのａおよびｂの値を線形補間により求めるとそれぞれ１．１２および０．５０８となる。
【００３６】
以上の考察より、分布深さが０．１２７４ｍｍであり、長手方向は表面の値が０．００１１２、直交方向は表面の値が０．０００５０８の固有ひずみを負荷すると、表面の長手方向応力が−１３７ＭＰａ、直交方向応力が−９４ＭＰａ、変形が０．０４１７ｍｍとなる。得られた固有ひずみの分布を図１３に示す。
【００３７】
ステップ４：固有ひずみ解析による残留応力の深さ方向分布と試験片の変形の解析
ステップ４では、ステップ３で求めた固有ひずみ分布を解析モデルに負荷する解析を実施する。本解析は、上述した公知の技術を用いて求めることが可能である。図１４に固有ひずみ解析により得られた深さ方向の分布（解析結果）と表面および表面から電解研磨により深さ方向に除去したときの応力の測定結果を示す。上記のステップ３までの方法に基づく評価のため、表面の残留応力は長手方向および直交方向のいずれも測定結果と一致する。
【００３８】
以上に述べたステップ１からステップ４までの方法により、切削加工後の試験片における削加工面の長手方向と直交方向の残留応力および試験片の変形量から、固有ひずみおよび残留応力の深さ方向の分布を求めることができる。
【００３９】
電解研磨などによる深さ方向の除去および電解研磨した深さごとの研磨面の応力測定に関わる工程が不要であり、残留応力の深さ方向分布を求める時間の短縮が可能となる。また、電解研磨による方法では固有ひずみの深さ方向分布を求めることができないが、本方法ではそれを求めることが可能である。
【００４０】
本実施例では、ステップ２の単位分布固有ひずみを負荷したときの応力と変形の解析において、単位分布固有ひずみの深さ方向の分布は、絶対値が加工表面で０．００１、固有ひずみ分布深さで０、表面から固有ひずみ分布深さまでの間は、固有ひずみの大きさが深さの１次関数で与えられる分布とした。固有ひずみの深さ方向の分布が別の形態であることがわかっている場合には、大きさが切削加工面で０．００１、固有ひずみ分布深さで０、表面から固有ひずみ分布深さまでの深さでは、所定の形態となるように分布を定義して切削加工面の応力と試験片の変形量を求めれば良い。例えば、深さ方向の分布が深さの０次関数、すなわち表面から分布深さまで一定となる分布や、２次関数、３次関数の場合であっても、それらを単位分布固有ひずみとして負荷したときの切削加工面の応力と試験片の変形量から、固有ひずみと残留応力の深さ方向分布を求めることができる。
【００４１】
なお、本実施例では加工手段を切削加工としたが、表面付近に残留応力が付与される加工であれば、本実施例の評価方法を適用して残留応力の深さ方向分布を求めることができる。例えば、金属の表面に金属粒を高速で当てて塑性ひずみを発生させ、残留応力を付与するショットピーニングにおける、深さ方向の応力分布の評価にも適用が可能である。
【００４２】
また、本実施例では切削加工による加工面の残留応力および試験片の変形量を求める構造は直方体の板形状としたが、任意の形状をした構造物でも良い。表面で絶対値が単位量であり、深さ方向に所定の分布形状を仮定して負荷したときの応力解析から加工面の残留応力と構造物の変形を求め、同じ構造物の表面の残留応力の測定結果と構造物の変形量の測定結果から、加工により発生した固有ひずみおよび残留応力の深さ方向分布を評価することができる。
【実施例２】
【００４３】
実施例１では単位分布固有ひずみを負荷したときの切削加工面の残留応力と試験片の変形量から固有ひずみの深さ方向分布を求め、その固有ひずみを試験片に負荷したときの解析結果から残留応力の深さ方向分布を計算した。
【００４４】
実施例２では、実施例１のステップ２の解析結果を利用することにより、ステップ４の固有ひずみ解析を省く方法に関するものである。実施例１のステップ２で計算した長手方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの長手方向応力および直交方向応力の深さ方向の分布、および直交方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの長手方向応力および直交方向応力の深さ方向の分布を用いる。
【００４５】
実施例１のステップ３の表面の応力と変形を発生させる固有ひずみ分布の計算の過程で長手方向および直交方向の固有ひずみの影響度であるａおよびｂの値が計算される。それぞれの影響度（ａおよびｂ）を長手方向および直交方向の単位分布固有ひずみにより発生する長手方向応力、および直交方向応力に乗じて和をとることにより、それぞれの影響度を反映した応力の値が計算される。ここで計算された値は、これらの影響度であるａおよびｂを単位分布固有ひずみに乗じて負荷したときの解析結果と一致するため、実施例１のステップ４を行わなくても残留応力の深さ方向分布を計算することができる。
【実施例３】
【００４６】
実施例３について説明する。実施例３は、標準試験片として形状を定め、その形状を対象に、前記実施例１のステップ２の解析結果をデータベース化しておき、解析時間の短縮を図るものである。実施例１で述べたステップ１における切削加工面の長手方向応力、直交方向応力、および変形量の値を入力するのみで、固有ひずみの深さ方向分布を計算して出力できる。
【００４７】
単位分布固有ひずみを負荷したときの応力と変形を解析で求めるが、その解析結果をデータベースとして保存しておき、そのデータベースを参照して固有ひずみおよび残留応力の深さ方向分布を評価する方法である。データベースの構成は、固有ひずみ分布深さごとに、長手方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの表面の長手方向応力σｘｘ，ｘ、直交方向応力σｚｚ，ｘ、直交方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの表面の長手方向応力σｘｘ，ｚ、直交方向応力σｚｚ，ｚから以下のａｘ、ａｚ、ｂｘ、ｂｚを固有ひずみ分布深さごとに計算する。
ａｘ＝    σｚｚ，ｚ
／（σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ−σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ）      …（５）
ａｚ＝  −σｘｘ，ｚ
／（σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ−σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ）      …（６）
ｂｘ＝    σｚｚ，ｘ
／（σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ−σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ）      …（７）
ｂｚ＝  −σｘｘ，ｘ
／（σｘｘ，ｚ×σｚｚ，ｘ−σｘｘ，ｘ×σｚｚ，ｚ）      …（８）
長手方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの変形量δｙ，ｘおよび直交方向の単位分布固有ひずみを負荷したときの変形量δｙ，ｚとすると、切削加工面の残留応力σｘｘおよびσｚｚの測定結果から、固有ひずみ分布深さに対応した変形δは（９）式から計算できる。
δ  ＝  ａ×δｙ，ｘ＋ｂ×δｙ，ｚ      …（９）
ここで、
ａ＝ａｘ×σｘｘ＋ａｚ×σｚｚ          …（１０）
ｂ＝ｂｘ×σｘｘ＋ｂｚ×σｚｚ          …（１１）
となる。したがって、単位分布固有ひずみを負荷したときの解析結果から（５）式〜（６）式で計算されるａｘ、ａｚ、ｂｘ、ｂｚを固有ひずみ分布深さごとに記録しておけば、測定結果のσｘｘとσｚｚから（１０）式と（１１）式でａおよびｂを計算し、これらのａおよびｂと、単位分布固有ひずみを負荷したときの変形量の解析結果δｙ，ｘおよびδｙ，ｚから分布深さに対応した変形量を求めることができる。
【００４８】
すなわち、単位分布固有ひずみの固有ひずみ分布深さごとにａｘ、ａｚ、ｂｘ、ｂｚを計算して予め記録しておくことにより、切削加工面の残留応力σｘｘおよびσｚｚが測定されれば、固有ひずみ分布深さに対して表面の残留応力が測定結果と一致するときの変形量を求めることができる。
【００４９】
式（９）から固有ひずみ分布深さごとの変形量を計算し、測定結果の変形量を満たす固有ひずみ分布深さを決定する。この測定結果の変形量を満たす固有ひずみ分布深さを決定する方法としては、例えば実施例１で示した比例配分による方法で良い。
【実施例４】
【００５０】
実施例４について説明する。実施例３ではデータベースには（５）式から（８）式のａｘ、ａｚ、ｂｘ、ｂｚおよび変形量のδｙ，ｘ、δｙ，ｚが記憶されており、それらのデータと測定結果の加工面の残留応力と試験片の変形量から固有ひずみ分布を計算し、それを負荷した解析から固有ひずみの深さ方向分布を求めた。
【００５１】
実施例４は、実施例３のデータベースにさらに図５から図８に示した残留応力の深さ方向分布も記録しておいて、それを利用して残留応力の深さ方向分布を求めるものである。固有ひずみを負荷した応力解析を省くことができる。
【００５２】
実施例３において加工面の残留応力と試験片の変形量を満たす固有ひずみ分布が決定される。固有ひずみ分布は、長手方向および直交方向の単位固有ひずみ分布にそれぞれの影響度を乗じたものとして与えられる。この影響度を図５から図８に示した応力分布に乗じて和を取ることにより残留応力の深さ方向分布を求めることができる。実施例４の方法では、実施例１のステップ４に相当する固有ひずみ解析を省略することができる。
【実施例５】
【００５３】
実施例５について説明する。実施例５は、実施例１または実施例３により得られた切削加工により切削加工面に発生する固有ひずみの深さ方向の分布を用いて、実機構造物を切削加工したときに発生する残留応力と構造物の変形を予測する方法に関するものである。すなわち、本実施例では予めステップ１〜ステップ３は予め実施しておき、ステップ４の解析のみを実機構造物において行う点が異なる。なお、切削加工により発生する固有ひずみは、被切削加工物の形状に依存しないという仮定を設ける。
【００５４】
実施例１または実施例３で求めた固有ひずみを実機を模擬した解析モデルに負荷する解析から予測することができる。対象の構造物を図１５に示す。素材１の表面を切削加工して曲面２を形成する場合を対象とする。
【００５５】
固有ひずみ分布が既知であるとき、それを負荷する解析方法は公知である。本実施例の方法は、固有ひずみ分布を実施例１または実施例３の方法で求めていることに特徴がある。すなわち、切削加工により発生する固有ひずみ分布を形状が単純な試験片で求め、形状が複雑な構造物の切削加工による変形は、単純な試験片で求めた固有ひずみ分布を適用して求める点が従来の方法と異なる。
【００５６】
素材を切削加工して図１５に示す加工面が形成されたとする。このとき、図１５に示したＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸の方向が、それぞれ図１に示した長手方向、深さ方向および直交方向となるように局所座標系ＡＢＣを定義する。このように定義した局所座標系と図１に示した試験片の長手方向、直交方向、および厚さ方向を一致させて固有ひずみ分布を定義する。なお、ひずみの座標系の変換は公知の技術であり、例えば「宮本博，菊池正紀，材料力学，裳華房」にその方法が記載されている。
【００５７】
切削加工面全体に局所座標系で定義した切削加工により発生する固有ひずみを負荷することにより、切削加工面に発生する応力および構造物の変形を評価することができる。
【実施例６】
【００５８】
実施例６について説明する。本実施例は専用の試験装置を用いた固有ひずみ分布および残留応力分布の評価である。図１６に装置の構成を示す。装置は切削加工試験片３の保持部６と切削加工面の残留応力を測定するＸ線回折残留応力測定装置５、切削加工面の裏側の変形を測定する形状測定装置４、切削加工面の残留応力と試験片の変形量から固有ひずみおよび残留応力の深さ方向分布を計算する計算機７から構成されている。
【００５９】
計算機には中央演算処理装置８と磁気記憶媒体９、メインメモリ１０、データ入力装置１１、データ出力装置１２が具備されている。磁気記憶媒体９には、実施例２および実施例３で示した固有ひずみ分布深さに対応した係数がデータベースとして記録されている。また、実施例２で示した（９）式から（１１）式の計算を行うプログラムが記録されている。
【００６０】
最初に切削加工前の切削加工試験片を保持部６に設置して切削加工する面の反対側の面の形状が形状測定装置４により測定され磁気記憶媒体９に記録される。次に切削加工試験片３を保持部６から取り外して切削加工する。切削加工後の切削加工試験片３を再度保持部６に設置して装置を起動する。ここで、形状測定装置４は切削加工試験片３に非接触で測定が可能なレーザー変位計が好適である。
【００６１】
切削加工試験片３を保持部６に設置して装置を起動すると、Ｘ線回折残留応力測定装置５により切削加工面の長手方向の残留応力が測定される。また、同時に試験片の切削加工面の反対面の切削加工後の形状が形状測定装置４により測定される。切削加工後の形状と切削加工後の形状の差を計算してそれを変形量の測定結果とする。長手方向の残留応力測定が完了すると次に直交方向の残留応力測定が実施される。これらの測定により切削加工面の長手方向および直交方向の残留応力、および試験片の変形量が得られ、得られたデータはデータ入力装置１１に送られる。
【００６２】
データ入力装置１１は残留応力の測定値と変形の測定値を受け取り、中央演算処理装置８を介してメインメモリ１０と磁気記憶媒体９に記録する。中央演算処理装置８はメインメモリ１０に計算プログラムをロードする。計算プログラムは、残留応力の測定値から実施例２の（１０）式および（１１）式の計算を行ってａとｂを求める。また、データベース中のδｙ，ｘとδｙ，ｚから（９）式の計算を行って変形量δを仮定した固有ひずみ分布深さごとに計算する。計算により得られた変形量と測定結果の変形量のデータから、切削加工試験片の切削加工面の残留応力と試験片の変形量を満たす固有ひずみ分布深さと式（１０）および式（１１）による影響度であるａおよびｂの値が算出される。
【００６３】
長手方向および直交方向の単位分布固有ひずみの影響度であるａおよびｂの値と、データベース中の単位分布固有ひずみを負荷したときの応力分布から、実施例４の方法により残留応力の深さ方向分布が算出される。
【００６４】
算出された固有ひずみ分布深さと、影響度ａおよびｂと、長手方向および直交方向の深さ方向分布がデータ出力装置１２を介して出力され、解析が終了する。
【符号の説明】
【００６５】
１…素材、２…曲面、３…切削加工試験片、４…形状測定装置、５…Ｘ線回折残留応力測定装置、６…保持部、７…計算機、８…中央演算処理装置、９…磁気記憶媒体、１０…メインメモリ、１１…データ入力装置、１２…データ出力装置。
【図１】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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