振動疲労評価技術への取り組み

En g in e e rin g So l u tio n s a n d Te ch n o l o g i es

作成 前田 崇 伊野 友里子
Copyright 2020 ESTECH CORP. All rights reserved.

背景 近年、HEV・EVの普及に伴い、モータ、バッテリ、ECU、パワーモジュール等の電動ユニットが多く車両に搭載されるようになりました。
 これらのユニットが路面からの凹凸やエンジン等の周期的で複雑な変動入力に晒された時、亀裂や破損がなく、本来の機能性を担保する安全設計をシミュレーション段階で検討することは手戻りや試作を最小限とすることにつながります。
 応力評価や時間軸領域における振動疲労解析は従来から実施されていますが、時間コストの増大やメカニズム解明の困難さの問題があります。
 対象ユニットに対する振動疲労評価の定量的な予測値が必要です。
 亀裂・破損の可能性が高いと判断された際には、改善検討が効率的に行えるような手法構築が課題となります。
2

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エステックが構築する振動疲労評価技術

Excitation Excitation
force
Excitation
force
Excitation
force
Excitation
force
Excitation
forceforce

 振動疲労解析は、得られた応力結果（時間軸波形あるいはPSD波形）から確率密度分布を算出し、累積疲労損傷則から損傷度D(寿命T）を定量的に予測する解析手法です。
1

ランダム波形x 108

0

1 : 0 ,9000000x+-1 x 1082

2 : 0 ,9000000y+

0-2 x 1085

4 : 0 ,9000000rx+

0-2 x 108
5

累積疲労損傷則5 : 0 ,9000000ry+

0-5 x 1085

6 : 0 ,9000000rz+

0-50

振動伝達特性

3 : 0 ,9000000z+

0-5 x 1092510152025
Time[sec]

303540ランダムPSD

10-410-6

45×000000＝,9000000x+,9000000y+,9000000z+,9000000rx+,9000000ry+,9000000rz+

＝

10-8

Displacement

10-10

応力RMS値

10-1210-14

10-16

10-18

3050

100

150
Frequency[Hz]200250300

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損傷度D（寿命T）エステックが構築する振動疲労評価技術
 定量的かつ効率的な振動疲労評価を行うための重要項目を以下に示します。
1. 初期クラック時間の判定 （※ 振動疲労評価精度の検証データ）
2. 対象ユニットの解析モデル精度
3. 材料SNカーブ特性
4. 振動疲労解析手法 （※ 時間軸領域、周波数軸領域）
5. メカニズム分析手法
6. 対策検討手法

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エステックが構築する振動疲労評価技術
実験技術

解析技術

インパクト加振試験

モデル化手法台上加振試験

コリレーション技術

振動疲労試験（AE）

振動疲労解析
（周波数軸）

データ分析処理（FFT、PCA、ML）

メカニズム分析手法
対策案検討

定量予測・改善案
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振動疲労解析（周波数軸） : 概要
 時間軸解法の解析精度を確保しつつ、計算コストを大幅に削減
 クラック発生要因となるメカニズム分析が容易で対策検討に繋げやすい
計算プロセス

損傷度
（寿命）

計算速度

≒

⋙

時間軸解法

解析精度

周波数軸解法＜メカニズム解明が容易＞
・ 固有モード寄与・ 歪みエネルギ寄与
6※ PDF : 確率密度分布→ 応力発生頻度の関係を正規化

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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例①
 排気系エキマニ解析モデル
 荷重入力 ： 6剛体運動（ラージマス法）
時間軸解法 : 時間軸波形

周波数軸解法 : PSD

時間軸解法

周波数軸解法 PDF算出方法


時間軸解法 : レインフローカウント周波数軸解法 : Dirlik

Excitation Excitation
force
Excitation
force
Excitation
force
Excitation
force
Excitation
force
force

 疲労解析ソルバー

1x 108
1 : 0 ,9000000x+

0-1 x 1082

2 : 0 ,9000000y+

0-2 x 1085

3 : 0 ,9000000z+

0-5 x 1092

4 : 0 ,9000000rx+

0-2 x 1085

5 : 0 ,9000000ry+

0-5 x 1085

6 : 0 ,9000000rz+

0-50510

 材料定義 ： SUS304 （SN）

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152025
Time[sec]

30354045

振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例①
 排気系エキマニ
 損傷率の比較（左図：時間軸解法 右図：周波数軸解法）

 損傷箇所、損傷度共に同じ

MAX Damage
MAX Damage

2.14E-3(節点 500340)

2.42E-3(節点 500340)

Grid
500340501216500346501416501472

Damage2.42E-03
3.05E-04
2.48E-04
2.42E-04
2.26E-04

Grid500340501216501416500346501472

Damage2.14E-03
3.24E-04
2.89E-04
2.06E-04
1.84E-04

損傷率（Damage）（時間軸解法）8

損傷率（Damage）（周波数軸解法）
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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例②
 トラックキャブ
 荷重入力 ： キャブ取り付け4点×3方向（走行パターン10通り）


時間軸解法 : 時間軸波形



周波数軸解法 : PSD

 疲労解析ソルバー
時間軸解法周波数軸解法 PDF算出方法
時間軸解法 : レインフローカウント

周波数軸解法 : Dirlik 材料定義 ： 各部材のENカーブ

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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例②
 トラックキャブ
 入力荷重条件

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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例②
 トラックキャブ
 損傷率の比較（左図：時間軸解法 右図：周波数軸解法）

 損傷箇所、損傷度共に同じ損傷度比率（時間軸解法/周波数軸解法）

時間軸解法

周波数軸解法
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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例② トラックキャブ
 損傷度寄与 走行パターン6が最も疲労損傷が大きい

損傷度寄与 走行パターン1～10
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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 荷重入力 ： 路面入力からのEM振動
エンジン起振力（PS-X）


時間軸解法 : 時間軸波形



周波数軸解法 : PSD

 疲労解析ソルバー


時間軸解法



周波数軸解法 PDF算出方法


時間軸解法 : レインフローカウント

周波数軸解法 : Dirlik 材料定義 ： SUS304 （SN）
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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
排気系システム 主要モード(contour : strain enegry density)

4気筒エンジン FEMmodel（ESTECH ORIGINAL）

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Node : 49978

3rd Mode shape 178Hz

4rd Mode shape 205Hz

Element : 31713

前後振りモード

左右振りモード

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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 周波数応答解析 加速度応答
 200Hz付近最大値 ： エキマニ左右振りモードが支配的
200Hz

910810710610Acceleration

510

MAX STRESS

410

Node : 503009
3102

10

110Sum Vector
1 : 1x+ ,503009x+
2 : 1x+ ,503009y+
3 : 1x+ ,503009z+

010

0

50

100

150
Frequency[Hz]200250300

実稼働時の加速度応答 (Node : 503009)

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実稼働モード(200Hz）

振動疲労解析（時間軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 時間軸解法
 路面パターン : 6
 入力時間 : 12[s](全71の入力）・ ランダム入力 E/M （1～6） : DISP・ 確定的入力 エンジン起振力 （7～71） : Force Time Step : 96000 (Δt 1.25e-4）
 Output : 損傷率

時間軸解法
トータル時間コスト

 材料データ : Steel

6:28:03（※）

UTS : 560.0
Sf : 560.8
b : -0.109
c : -0.39
Ef : 0.065
n : 0.12
K : 461.7

 Single CPU

16

過渡応答解析 4:56:05
疲労解析 1:31:58

簡易モデルにも関わらず、計算コストが高い※ ラージマス法による入力の場合、過渡応答解析の時間コストは低下するものの、いずれにしても時間コストはかかる

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振動疲労解析（時間軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 時間軸解法
 損傷度 ： 触媒コンバータ上部
Rank

Element

1501286

25013113501247

45012455501260

6501248

7501258

Catalytic converter upr

8910
Element nodes - Worst Damage sum (duty cycle) over all element nodes

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振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 適用事例③ ： 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 周波数軸解法
 トータル計算コストがおよそ1/22
SOL111 （Nastran2017）

疲労計算

応力データベース（op2）
PSD

 路面パターン : 6
 周波数範囲 : to 300Hz（Δf = 4.0Hz）
 Output : 損傷率（Element No. 500000～502000）

 Dirlik 6路面パターン時間軸解法
Road Pattern+Eng
TOTAL EXECUTION
TIME Vibration :(Each 71 input : 12 sec）

過渡応答解析
4:56:05② EXECUTION
TIME 2:46 [min]疲労計算 1:31:58>
周波数軸解法TOTAL EXECUTION TIME ①+②+③
17:24
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 材料データ : Steel

6:28:03① EXECUTION TIME 8:04 [min]18 統計的手法

PSD自動作成

 単位入力 single CPU

CFV

UTS : 560.0
Sf : 560.8
b : -0.109
c : -0.39
Ef : 0.065
n : 0.12
K : 461.7③ EXECUTION TIME 6:34 [min]振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 時間軸解法 vs. 周波数軸解法

 損傷箇所は共に同じ
時間軸解法

周波数軸解法Rank

Element

Rank

Element

1501286

1501286

250131125013113501247

3501248

4501245

4501247

5501260

5501245

6501248

6501260

7501258

7501258

88501261

99500943

1010500249

Exmani Gasket

Nodecenter

要素中心 （損傷度 Log）

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Catalytic converter upr

FRINGE PLOT(Log Damage)振動疲労解析（周波数軸） : 適用事例③
 排気系エキマニ＋エンジンモデル
 走行パターン３が最も損傷度が高い
 損傷メカニズムはエキマニ左右、前後振りモード
200Hz
166Hz

Element 501286

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振動疲労解析（周波数軸） : 発展形
 計算コスト/ディスク容量の大幅削減
解析モデル
単位入力

周波数応答解析

最適化計算が可能
周波数応答解析

評価点振動振動伝達率

実稼働入力
疲労試験
PSD入力

応力PSD

重量

損傷度

振動疲労解析
（Freqency Domain）

多目的最適化（強度評価・音振改善・軽量化）

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疲労寿命評価まとめ 定量的な振動疲労評価技術を構築するためには、実験技術と解析技術の両方が必要です。
 周波数軸解法による振動疲労解析の適用によって、時間軸解法と同等の解析精度を保ちつつ計算コストが大幅に削減できます。
よって、軽量化やNV性能とのトレードオフを踏まえた多目的最適化への発展形が期待されます。
 またメカニズム分析が容易で対策案検討が効率的に行えます。

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お問い合わせ先 本内容についてのお問い合わせは、下記までお願いいたします。
株式会社エステック 技術部 前田崇
Tel: 045-661-1661
E-mail : takashi.maeda@estech.co.jp

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