(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材に作用する応力と前記構造部材を構成する材料の破壊靭性値を用いて前記構造部材の終局のき裂寸法を算出する第１のプロセスと、前記第１のプロセスにおいて算出された終局のき裂寸法を限界条件として、前記応力と前記構造部材を構成する材料のき裂進展特性とから所定の荷重繰返し数前の状態において許容されるき裂の寸法を求める第２のプロセスとを備えていることを特徴とする許容欠陥寸法決定方法。
【請求項２】
所定の荷重繰返し数を構造部材が寿命中に受ける総繰返し数とし、製造時点において許容される欠陥寸法を求めることを特徴とする請求項１記載の許容欠陥寸法決定方法。
【請求項３】
所定の荷重繰返し数を現時点から構造部材の寿命末期までに受ける総繰返し数とし、現時点において許容される欠陥寸法を求めることを特徴とする請求項１記載の許容欠陥寸法決定方法。
【請求項４】
き裂が三次元的な形状を示す場合に対して計算される種々の形状の終局き裂寸法を限界条件として求めた種々の許容されるき裂の寸法のうち、最小のものを許容欠陥寸法とすることを特徴とする請求項１記載の許容欠陥寸法決定方法。
【請求項５】
き裂進展特性の代りに応力腐食割れ進展特性を用い、荷重繰返し数の代りに供用時間を用いて応力腐食割れに対する許容欠陥寸法を求めることを特徴とする請求項１記載の許容欠陥寸法決定方法。
【請求項６】
第１のプロセスにおいて算出された終局のき裂寸法に安全率を乗じた値を限界条件とすることを特徴とする請求項１記載の許容欠陥寸法決定方法。
【請求項７】
構造部材に作用する応力を含む設計情報を入力する入力部と、前記構造部材を構成する材料の破壊靭性値を記載した破壊靭性データベースと、前記材料のき裂進展データを記載したき裂進展データベースと、前記入力部から入力された前記応力と前記破壊靭性データベースから取り込んだ前記構造部材を構成する材料の破壊靱性値を用いて前記構造部材の終局のき裂寸法を算出し、この算出された終局のき裂寸法を限界条件として、前記応力と前記き裂進展データベースから取り込んだ前記き裂進展特性とから所定の荷重繰返し数前の状態において許容されるき裂の寸法を求める演算部とを備えていることを特徴とする許容欠陥寸法決定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いろいろな設備や装置を構成する構造部材の健全性を確保するため、製造時あるいは供用中の構造部材の許容欠陥寸法を決定する方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、構造部材の許容欠陥寸法の決定は、規格や基準に基づく画一的な値を採用するか、あるいは初期欠陥寸法を仮定し、欠陥の成長解析を実施して、寿命末期における欠陥寸法が対象とする構造部材の機能を損なうものであるか否かを評価し、許容判定を実施するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの規格や基準に基づく許容欠陥寸法では、検査技術の向上による欠陥の検出性能およびサイジング精度の向上に十分に対応できないという問題がある。また、初期欠陥寸法を想定し欠陥の成長解析を実施して欠陥の許容判定を行う方法では、用いる検査方法と仮定した初期欠陥寸法との関係が必ずしも明確でないという問題があり、検査方法が必ずしも対象とする構造部材に対して最適なものではなかった。そのため、検出された欠陥が許容されるか否かの判定は、その都度、検出された欠陥を初期欠陥寸法として欠陥の成長解析を実施し、許容判定を実施しなければならなかった。
【０００４】
本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、構造部材の許容欠陥寸法を予め決定する方法およびシステムを提供し、それによって検査精度の目標値を示し、構造部材に対して最適な検査方法を選択することができるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は許容欠陥寸法決定方法であり、構造部材に作用する応力と前記構造部材を構成する材料の破壊靭性値を用いて前記構造部材の終局のき裂寸法を算出する第１のプロセスと、前記第１のプロセスにおいて算出された終局のき裂寸法を限界条件として、前記応力と前記構造部材を構成する材料のき裂進展特性とから所定の荷重繰返し数前の状態において許容されるき裂の寸法を求める第２のプロセスとを備えていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１の発明は、対象とする構造部材に作用する応力に対して破壊を生じる終局のき裂寸法を算出し、この終局のき裂寸法を出発点として、材料の疲労き裂進展特性データを用いてき裂の成長過程を逆方向にシミュレートすることで、所定の荷重繰返し数分だけ前の状態の欠陥寸法を算出し、その時点での許容欠陥寸法とする許容欠陥寸法決定方法であり、本方法を用いることにより、その時点で許容される欠陥寸法を予測することができるため、最適な検査手法を選択することができるという利点がある。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、所定の荷重繰返し数を構造部材が寿命中に受ける総繰返し数とし、製造時点において許容される欠陥寸法を求めることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、所定の繰返し数分だけ前の状態の欠陥寸法を算出する過程において、所定の繰返し数として、対象とする機器の寿命中の総繰返し数を用いる許容欠陥寸法決定方法であり、本方法により、供用前の状態すなわち製造時の許容欠陥寸法を決定することができるという利点および製造時に最適な検査方法を選択することができるという利点がある。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、所定の荷重繰返し数を現時点から構造部材の寿命末期までに受ける総繰返し数とし、現時点において許容される欠陥寸法を求めることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、所定の繰返し数分だけ前の状態の欠陥寸法を算出する過程において、所定の繰返し数として、現時点から対象とする機器の寿命までの繰返し数を用いる許容欠陥寸法決定方法であり、本方法により、現時点での許容欠陥寸法を決定することができるという利点および製造時に最適な検査方法を選択することができるという利点がある。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、き裂が三次元的な形状を示す場合に対して計算される種々の形状の終局き裂寸法を限界条件として求めた種々の許容されるき裂の寸法のうち、最小のものを許容欠陥寸法とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、対象とする構造部材に作用する応力に対して破壊を生じる終局のき裂寸法を算出し、この終局のき裂寸法を出発点として、材料の疲労き裂進展特性データを用いてき裂の成長過程を逆方向にシミュレートすることで、所定の荷重繰返し数分だけ前の状態の欠陥寸法を算出し、その時点での許容欠陥寸法とする許容欠陥寸法決定方法において、実機の欠陥の形状が三次元的になりうることをも考慮し、この場合に終局の欠陥形状および寸法として種々のものが考えられるため、それらすべてについて上記手順にしたがって所定の荷重繰返し数分だけ前の状態の欠陥寸法を算出し、その中から最も寸法の小さいものを許容欠陥寸法とする許容欠陥寸法決定方法であり、本方法を用いることにより、三次元欠陥についてもその時点で許容される欠陥寸法を予測することができるため、最適な検査手法を選択することができるという利点がある。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、繰返し応力によるき裂進展特性の代りに応力腐食割れ進展特性を用い、荷重繰返し数の代りに供用時間を用いて応力腐食割れに対する許容欠陥寸法を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、応力腐食割れにより欠陥の成長が引き起こされる場合について、対象とする構造部材に作用する応力に対して破壊を生じる終局のき裂寸法を算出し、この終局のき裂寸法を出発点として、材料の応力腐食割れ特性データを用いてき裂の成長過程を逆方向にシミュレートすることで、所定の時間だけ前の状態の欠陥寸法を算出し、その時点での許容欠陥寸法とする許容欠陥寸法決定方法であり、本方法を用いることにより、その時点で許容される欠陥寸法を予測することができるため、最適な検査手法を選択することができるという利点がある。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、第１のプロセスにおいて算出された終局のき裂寸法に安全率を乗じた値を限界条件とすることを特徴とする。  請求項６の発明は、上記終局のき裂寸法からき裂進展の逆シミュレーションにより所定時間前の時点での許容欠陥寸法を決定する方法において、終局のき裂寸法に適当な安全率を設定する許容欠陥寸法決定方法であり、本方法を用いることにより、安全性を高めることができるという利点がある。
【００１６】
請求項７の発明は許容欠陥寸法決定システムであり、構造部材に作用する応力を含む設計情報を入力する入力部と、前記構造部材を構成する材料の破壊靭性値を記載した破壊靭性データベースと、前記材料のき裂進展データを記載したき裂進展データベースと、前記入力部から入力された前記応力と前記破壊靭性データベースから取り込んだ前記構造部材を構成する材料の破壊靭性値を用いて前記構造部材の終局のき裂寸法を算出し、この算出された終局のき裂寸法を限界条件として、前記応力と前記き裂進展データベースから取り込んだ前記き裂進展特性とから所定の荷重繰返し数前の状態において許容されるき裂の寸法を求める演算部とを備えていることを特徴とする。
請求項７の発明によれば、許容欠陥寸法の決定を迅速に行うことができるとともに広範に適用することができるという利点がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の許容欠陥寸法決定方法およびシステムを図面を用いて説明する。
図１は、第１の実施の形態の許容欠陥寸法決定方法の手順を示す図である。すなわち、まず、ステップＳ１−１において、構造部材の寸法および構造部材に作用する応力から応力拡大係数を算出し、次のステップＳ１−２において、前記算出された応力拡大係数と構造部材の材料の破壊靭性値とから、その構造部材に終局の破壊を引き起こすき裂の寸法、すなわち終局き裂寸法を破壊力学計算により求める。次にステップＳ１−３において、前記終局き裂寸法および前記応力拡大係数と材料のき裂進展特性とから、き裂進展逆シミュレーションにより任意繰返し数あるいは任意時間前のき裂寸法を計算し、次のステップＳ１−４において、前記き裂寸法をその時点の許容欠陥寸法とする。
【００１８】
き裂進展逆シミュレーションの具体的な方法を図２、図３を用いて以下に説明する。すなわち、図２に示すように構造部材１の寸法をWとし、構造部材１に作用する応力をσ、構造部材１の材料の破壊靭性値をKICとすると、終局き裂２の寸法afは、
KIC=F(af/W)σ√(π・af)
を満足するafとして求められる（図３のステップＳ３−１）。ここで、F(af/W)は構造部材１の形状および負荷形態によって定まる係数であり、負荷形態とは引張、曲げなどのことである。
【００１９】
例えばき裂進展が疲労により引き起こされる場合には、き裂進展速度すなわち応力の変動１回当たりのき裂進展量は、作用する応力の変動範囲Δσとき裂寸法aとから、ステップＳ３−２において
ΔK=F(a/W)Δσ √(π・a)
で求まる応力拡大係数範囲を用いて、
da/dN=C・ΔKn      C, nは材料により定まる定数
により求まる（ステップＳ３−３）。このことから、き裂寸法がaiの時点から微小繰返し数ΔNサイクル前のき裂寸法ai-1は、
ai-1=ai-dai/dN・ΔN
とすることができる（ステップＳ３−４）。したがって、最初にai=afから計算を開始し、ΔNの総和がNとなったときのaが、Nサイクル前の許容欠陥３の寸法として決定される（ステップＳ３−７）。
【００２０】
なお、き裂進展が応力腐食割れにより引き起こされる場合には、き裂進展速度da/dNを単位時間当りのき裂進展量da/dtで置き換え、微小繰返し数ΔNを微小時間Δtで置き換えることにより、t時間前の許容欠陥寸法を決定することができる。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施の形態の許容欠陥寸法決定方法を説明する図である。き裂の形状として、より現実に則した三次元形状のき裂を考えると、終局のき裂形状および寸法としては種々のものが考えられる。すなわち、図４に示す終局き裂４，５の双方ともに、同じ作用応力の下で応力拡大係数が材料の破壊靭性値KICとなり得る。このような終局き裂の形状は図示した終局き裂４，５の他にも種々あり、それらのすべてについて上記手順に従い、評価時点の欠陥寸法を計算し、許容欠陥寸法とする。終局き裂の寸法は連続的な値を取ると考えられるため、具体的には例えば終局のき裂寸法を適当な刻み幅で離散化して計算する。
【００２２】
図５は本発明の第３の実施の形態の許容欠陥寸法決定システムを示すものである。すなわち、上記計算手順をプログラム化し、必要に応じて構造部材の寸法や作用応力等の設計情報６、構成材料の破壊靭性値やき裂進展特性データをデータベース７，８として備え、検査により検出された欠陥検査データ９とともに演算部であるプログラム10に入力することにより欠陥寸法を演算する機能を備えている。
【００２３】
なお、この第３の実施の形態の許容欠陥寸法決定システムにおいて、破壊靱性データベース７やき裂進展データベース８をプログラム10中に保有する構成としてもよい。このようにすると、許容欠陥寸法の決定を迅速に行えるとともに広範に適用できるという利点がある。
【００２４】
また、構造部材の寸法や部材に作用する応力等の設計情報６をプログラム10中に保有する構成にすると、対象とする構造部材に対して許容欠陥寸法の決定を常時実施できるという利点がある。
【００２５】
また、この第３の実施の形態の許容欠陥寸法決定システムは、検査により検出された欠陥寸法を入力して欠陥の許容判定を行うので、検出された欠陥の許容判定をその場で実施できるという利点がある。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の許容欠陥寸法決定方法あるいはシステムによれば、構造部材の許容欠陥寸法を予め決定することができ、それによって構造部材の健全性を確保するとともに検査精度の目標値を示し、構造部材に対して最適な検査方法を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の許容欠陥寸法決定方法を示す流れ図。
【図２】上記第１の実施の形態の作用を説明する図。
【図３】上記第１の実施の形態におけるき裂進展逆シュミレーションの手順を示す流れ図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の許容欠陥寸法決定方法を説明する図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の許容欠陥寸法決定システムを示す図。
【符号の説明】
１…構造部材、２…終局き裂、３…許容欠陥、４…終局き裂、５…終局き裂、６…設計情報、７…破壊靭性データベース、８…き裂進展データベース、９…欠陥検査データ、10…プログラム。
【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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