(57)【要約】【課題】    本発明の目的は、構造物設計時に考慮する材料強度に対して、その統計的分布から材料強度の下限しきい値を決定もしくは推定することで、構造的に合理的、かつ、設計者が容易に許容応力を決定でき低負担な材料強度評価装置を提供することにある。【解決手段】  材料強度データベースと、回帰分析実行部と、許容損傷確率評価部と、材料特性相関性取得部、統計分析実施部からなる材料強度評価装置、もしくはこれらの機能を一体化させた材料強度評価装置において、材料強度分布を正規分布もしくは対数正規分布と３母数ワイブル分布の複数の分布の相関性を評価して許容損傷確率を計算し、特性相関性を乗じて材料強度特性のばらつきを評価することで、材料強度の下限しきい値を決定、もしくはミルシート等の材料強度データベースに未記載もしくは欠落している強度特性の下限しきい値を推定することを特徴とした材料強度評価装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料強度データベースと、回帰分析実行部と、許容損傷確率評価部と、材料特性相関性取得部、統計分析実施部からなる材料強度評価装置、もしくはこれらの機能を一体化させた材料強度評価装置において、材料強度分布を正規分布もしくは対数正規分布と３母数ワイブル分布の複数の分布の相関性を評価して許容損傷確率を計算し、特性相関性を乗じて材料強度特性のばらつきを評価することで、材料強度の下限しきい値を決定、もしくはミルシート等の材料強度データベースに未記載もしくは欠落している強度特性の下限しきい値を推定する材料強度評価装置。
【請求項２】
前記材料強度を推定する際に正規分布と３母数ワイブル分布を併用し下限しきい値を決定することを特徴とする請求項１に記載の材料強度評価装置。
【請求項３】
前記材料強度を推定する際に対数正規分布と３母数ワイブル分布を併用し下限しきい値を決定することを特徴とする請求項１に記載の材料強度評価装置。
【請求項４】
請求項１に記載の材料強度評価装置に統計シミュレーションや誤差解析手法を加えたことを特徴とする材料強度評価装置。
【請求項５】
前記材料強度分布を推定する際にコルモゴロフ−スミルノフ検定やシャピロ‐ウィルク検定をはじめとする分布の適合性を検定する機能を付加したことを特徴とする請求項１に記載の材料強度評価装置。
【請求項６】
前記材料強度の比や強度値そのものを推定する際にＦ検定や一元配置分散分析をはじめとする等分散の検定、ｔ検定や多重比較等をはじめとする平均値差の検定を実施する機能を付加したことを特徴とする請求項１に記載の材料強度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の材料強度の評価装置は、一般機械に適用することができるが、発電機、モータ、タービン等の大型回転機械や、ビル、橋梁等の一般構造物に適用してもよい。
【背景技術】
【０００２】
材料強度と荷重の統計的分布を考慮した信頼性設計によって、理論的に安全係数を定める試みが展開されている。理論的に安全係数を定めることで重量の低減や費用およびコストの低減が期待できる。また、確率論を用いた設計は、設計根拠の明確化につながる。構造物の信頼性設計を行う場合、材料強度分布の評価や強度のばらつきを統計的に評価することは重要である。
【０００３】
材料は熱処理時の製造ロットごとのばらつきにより、その強度がばらつく。このばらつきの増大は設計のコストをはじめとする合理化に影響を与える。
【０００４】
このような課題に対して、特許文献１には、材料特性の統計的な評価カーブをデータの中に格納し、多くの材種や材料の中から適切な選択を行い、設計を支援する装置を提供している。
【０００５】
材料強度特性は平均値と分散もしくは標準偏差により正規分布で表現されることが多い。正規分布は標準偏差から累積確率を求めることは可能であるが、累積確率が０になることがないため、目標確率を設計者自らが定める必要があり、目標確率の設定にはある程度の統計学の知見が必要となる。また、温度等の環境条件が変化すると、材料強度が変化するため、新たに強度特性のデータを取得する必要がある。この場合、大数試験により莫大な時間と費用が必要となる。理論的に累積確率が０となる材料強度を３母数ワイブル分布によりこれまでのデータから導出すること、あるいは推定することにより、材料強度設計の負担を軽減し、構造物の信頼度を保証したまま設計効率が高まることが期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭２００６−８５４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術（特許文献1）では、目標確率を設計者自らが定める必要があり、目標確率の設定にはある程度の統計学の知見が必要となる。また、温度等の環境条件が変化すると、材料強度が変化するため、新たに強度特性のデータを取得する必要がある。
本発明の目的は、構造物設計時に考慮する材料強度に対して、その統計的分布から材料強度の下限しきい値を決定もしくは推定することで、構造的に合理的、かつ、設計者が容易に構造物を設計することを可能とする材料強度評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明では、  
材料強度データベースと、回帰分析実行部と、許容損傷確率評価部と、材料特性相関性取得部、統計分析実施部からなる材料強度評価装置、もしくはこれらの機能を一体化させた材料強度評価装置において、材料強度分布を正規分布もしくは対数正規分布と３母数ワイブル分布の複数の分布の相関性を評価して許容損傷確率を計算し、特性相関性を乗じて材料強度特性のばらつきを評価することで、材料強度の下限しきい値を決定、もしくはミルシート等の材料強度データベースに未記載もしくは欠落している強度特性の下限しきい値を推定することにより達成できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の材料強度評価装置は、３母数ワイブル分布の位置母数を用いた材料強度の下限しきい値の決定、正規分布と３母数ワイブル分布の相関性の検討による材料強度の下限しきい値の推定、材料強度と温度や化学組成との間の相関性の取得による材料強度の下限しきい値の決定により、材料強度設計の負担を軽減し、構造物の信頼度を保証したまま設計効率が高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】材料強度評価のフローチャートを示したフロー図である。
【図２】正規分布で強度が表現される場合の回帰分析の特性図である。
【図３】３母数ワイブル分布で強度が表現される場合の回帰分析の特性図である。
【図４】材料強度分布を３母数ワイブル分布と正規分布で表現した特性図である。
【図５】３母数ワイブル分布の位置母数での正規分布表現時の累積確率と３母数ワイブル分布の形状母数の関係を示した特性図である。
【図６】室温での材料強度と、高温での材料強度の室温からの変化率の関係を示した特性図である。
【図７】最小二乗法と任意のパラメータ値でのばらつきの推定方法を示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明の実施例を説明する。なお、各実施例の共通する部分は省略する。
【実施例１】
【００１２】
この実施例では、一般機械に適用することを想定して説明するが、発電機、モータ、タービン等の大型回転機械や、ビル、橋梁等の一般構造物に適用してもよい。
【００１３】
本発明は材料強度データベースと、回帰分析実施部と、材料強度の累積確率評価部と、材料強度下限しきい値決定部とで構成される。図１は本発明で材料強度下限しきい値を求めるフローチャートである。本発明ではデータ分析を行った材料強度に対し回帰分析を行い、正規分布もしくは対数正規分布や、３母数ワイブル分布で材料強度が表現される場合の近似曲線から複数の材料強度分布を用いて材料強度の下限しきい値を求めるものである。なお、機能を満たしていれば、統計解析や推定に用いた各評価部はパソコンソフト等に一体化させてもよい。
【００１４】
本発明の材料強度評価装置において、種々の温度における引張強さや耐力、降伏応力、縦弾性係数、応力−ひずみ曲線等の機械的特性や疲労特性、クリープ特性、破壊力学の特性、化学組成、機械的特性の温度依存性を含んだ材料強度データベースにより材料のデータを多数取り出す。数が大なるほど回帰分析実施部で行う統計解析の精度が高くなる。また、このデータベースの一部は金属素材メーカから材料が納入される場合に添付される材料強度や化学組成データであるミルシートの情報から構成される。
【００１５】
回帰分析実施部においては材料強度データベースより取り出したデータの回帰分析を行う。方法としては、強度に関する任意のデータをひとつ取り出し、このデータを昇順に並び替える。そして、データの累積確率を並び替えた順位より推定し、正規分布プロットと３母数ワイブルプロットを作成し、近似直線から材料強度分布を正規分布で表現した場合の平均値と標準偏差、３母数ワイブル分布で表現した場合の形状母数、尺度母数、位置母数を確定させる。これらの統計的パラメータから材料強度分布の累積確率分布を強度の累積確率評価部にて評価する。図２は、正規分布で回帰分析を実施した例、図３は、３母数ワイブル分布で回帰分析を実施した例である。図２および図３に示すように、想定した分布で表現される場合は回帰分析時の近似曲線は直線となる。３母数ワイブル分布と正規分布の双方で回帰分析を実施することにより、両者の相関性を得ることができる。図２、図３から図４を得ることができる。図４は材料強度分布を３母数ワイブル分布と正規分布で表現した図であり、データ分析点も併せて示している。図５は３母数ワイブル分布の位置母数での正規分布表現時の累積確率と３母数ワイブル分布の形状母数の関係を示した図である。図５を用いることにより、設計に許容できる累積確率を定めることができる。
【００１６】
３母数ワイブル分布の位置母数より、図４に示すように材料強度の下限しきい値が明らかになっているので、材料強度下限しきい値評価部にて、材料強度の下限値を評価することができる。材料強度の下限値を求めることにより、設計者が理論的に許容応力を定めることができ、分布形状によっては使用する材料の量を抑えることができるため、軽量化や低コスト化につながることが期待できる。
【００１７】
材料強度データベースの中に必要な情報がすべて含まれていることが望ましいが、中にはミルシートやデータベースの中に未記載の情報がある場合がある。例えば、データベース上に使用温度での材料強度特性の記載がなく、室温の特性しかない場合などである。この場合は材料強度を所有しているデータから推定する必要がある。
【００１８】
材料強度データベースの中には基本的には室温条件下での材料強度データが多く含まれるが、材料強度を推定するために必要な多種の材料の文献値等のデータが含まれる。このデータは温度や材種等の条件を変化させたデータである。その中から推定に必要なデータをできるだけ多く取り出し、特性の相関性を取得することで、欠落部の推定が可能となる。取り出すデータが大となるほど、比の平均値と標準偏差の信頼性も大となる。そして、取り出したデータについて、材料強度の基本データとなる室温での強度と使用条件下での強度の比の平均値と標準偏差を算出することで、統計的解析を行うことが可能となる。この場合、推定する特性の室温強度との比は統計解析の容易さを考慮して正規分布に従うものとして仮定する。図６には、材料を変化させた場合の室温での材料強度と、高温での材料強度の室温からの変化率の関係を示す。これらの平均値と標準偏差を用いることで、基準となる材料強度、例えば室温での材料強度との乗算により、高温での材料強度を推定可能となる。なお、これらの推定には統計シミュレーションや誤差解析手法を援用してもよい。
【実施例２】
【００１９】
実施例１において、回帰分析を実施する分布は正規分布と３母数ワイブル分布の２つの分布であるが、回帰分析を実施する分布を正規分布ではなく対数正規分布としてもよい。
【００２０】
対数正規分布を用いることで、疲労やクリープ等の時間や回数に対して対数で整理される材料特性についても本発明が適用可能となる。
【実施例３】
【００２１】
実施例１において、一定条件下でのばらつきを考慮して材料特性を推定しているが、温度や化学組成等のパラメータとの連続的な相関性を考慮してもよい。ただし、この場合、測定値はばらつくため、図７に示すように、最小二乗法により近似直線を求め、プロット点のばらつきは正規分布で表現されることを仮定して特性の取得したい温度や化学組成等のパラメータにおける標準偏差を推定する。標準偏差は最小二乗法の計算過程から推定することができる。誤差が重畳する場合は誤差の各要因を考慮することでばらつきを評価することができる。
【００２２】
温度や化学組成等のパラメータとの連続的な相関性を考慮することにより、内挿や外挿による評価が可能となり、 任意の温度や化学組成等における材料特性の取得が可能となる。
【実施例４】
【００２３】
実施例１において、分布の適合性を確認するためにコルモゴロフ−スミルノフ検定やシャピロ−ウィルク検定等の分布適合性の検定を行い、考慮した分布に適合しない分布は仮定する材料強度分布から除外してもよい。
【実施例５】
【００２４】
実施例１〜３において、材料特性の温度、時間、化学組成等のパラメータ依存性を確認するために、Ｆ検定や一元配置分散分析のような分散の検定や、ｔ検定やＴｕｋｅｙの方法に代表されるような多重比較法により平均値の差の検討を行ってもよい。
【００２５】
平均値に差がなく、パラメータ上の特性が等しくないことを認定できない場合は、測定データをひとまとめにして統計解析を行ってもよい。
【００２６】
データをひとまとめにすることにより、データのサンプル数が増えるため、統計解析の信頼度を上げることができる。
【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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