機能 – winLIFE BASIC

疲労寿命/信頼性評価解析ソフトwinLIFE -機能

モジュール
winLIFE BASIC

winLIFE BASICは疲労寿命計算の基本機能をカバーしています。通常、winLIFEのユーザーはこのモジュールから開始します。

上級ユーザー向けに、以下の拡張モジュールが用意されています。

  • winLIFE MULTIAXIAL
  • winLIFE MULTIAXIAL MULTICORE
  • winLIFE GEARWHEELS & BEARINGS
  • winLIFE CRACK GROWTH
  • winLIFE VIEWER4WINLIFE
  • winLIFE RANDOM FATIGUE
  • winLIFE STATISTIC

winLIFEのプロジェクト管理システム

通常、疲労寿命計算は1回行えば良いというものではありません。一般に、複数の荷重ケースと派生モデルを計算する必要があります。

そのため、winLIFEはプロジェクト作業のための優れた仕組みを提供しています。最大1000個のプロジェクトを同時に扱うことが可能です。下図は9つのプロジェクトが定義されたユーザーデスクトップを示しています。プロジェクトは1つずつ作業するか、または同時に開いて重ね合わせることが可能です。


winLIFEのユーザーデスクトップ

プロジェクトジェネレータを用いることで、個々のパラメータを体系的に変更したプロジェクトを作成できます。多数の計算には多くの時間がかかるので、これを自動で行うことが重要です。そのためには、バッチジョブの機能が特に有益です。プロジェクトファイルはXMLフォーマットで保存され、デスクトップからバッチでも起動できます。

疲労材料データの取得

winLIFEは、疲労寿命計算のための材料データを取得するいくつかの機能を提供しています。静的材料データから生成できるだけでなく、プログラムパッケージには大規模な材料データベースも含まれています。

コンポーネントの特性と静的材料データに基づくS-N曲線の作成
風力発電、造船、総合エンジニアリングの業界には多くのwinLIFEユーザーが存在するため、静的材料特性に基づいて疲労寿命データを生成するための専用のエントリジェネレータが開発されています。

これには以下のものがあります。

  • ドイツ・ロイド船級協会の造船規定に基づく溶接継手用のS-N曲線ジェネレータ
  • ドイツ・ロイド船級協会の風力発電規定に基づく溶接継手用のS-N曲線ジェネレータ
  • FKMガイドラインに基づく溶接継手用のS-N曲線ジェネレータ
  • Hück-Thrainer-Schützの方法に基づくS-N曲線ジェネレータ
  • Uniform Material則に基づくジェネレータ

下図は、FKMガイドラインに基づくジェネレータの入力マスクです。このジェネレータは、これまでに広く使用され試されており、多くの分野で正当性が認められています。S-N曲線は、降伏応力や引張強さなどの静的材料データと、表面状態、切欠き係数、応力勾配などのコンポーネント情報を組み合わせることで推定できます。


S-N曲線を生成するためのマスク

上図はS-N曲線などを生成するためのマスクです。ユーザーは材料データの一部を変更できます。多くの場合、ユーザーは一部のデータのみ試験結果から得ることができますが、未知なるデータは生成させたいと考えます。そのため、winLIFEを使用してデータを生成した後、既知の値を上書きできます。

winLIFEは、S-N曲線だけでなく、平均応力の影響を考慮するためにHaigh線図も使用します(下図)。


応力振幅、平均応力、および疲労寿命の関係を表すHaigh線図

解析において破損確率(failure rate)が重要な場合は、破損確率50%のS-N曲線から別の破損確率のS-N曲線を導くことができます。winLIFEは、耐久限度の変動幅と有限寿命疲労強度の変動幅にさまざまなバラツキ比率(scatter rate)を考慮しています。

ASMEに基づくS-N曲線
ASME規格や他の一部の規格では、S-N曲線が個々のポイントで記述されます。これらのポイント間では補間がなされます。下図に示したS-N曲線は、23個のポイントで定義されています。このデータはASME規格のサンプルを使用しています。


ASME規格に基づいて個々のポイントで定義されたS-N曲線

ASME規格に従って計算したい場合、そのためのデータが利用可能であれば、この記述法を使用すべきです。このようなS-N曲線を用いると、通常は平均応力の影響が無視されて、平均応力の影響Mにはゼロがセットされます。

より現実的で過度に安全側でない結果を得るために、winLIFEはFKM規格に従って平均応力の影響を考慮するオプションを提供しています。


ASME S-N曲線(上記)に対するHaigh線図

溶接構造用のS-N曲線の作成
FKMガイドラインに従って溶接構造の計算が可能です。解析は公称応力法と同様の方法で行われます。ユーザーは溶接構造を分類する必要があり、その分類に対応したS-N曲線のカタログが存在します。


ユーザーが割り当てるべき溶接コンポーネントの種類

S-N曲線を作成する際には、winLIFEのS-N曲線ジェネレータが役立ちます。

これは、最初のステップとしての、どちらかと言えば近似的な方法です。結果を改善するには、FEA解析を用いて弾性応力(局部応力)のアプローチに従った溶接構造の計算が可能です。このとき、溶接部の形状を詳細にモデル化する必要があります。

構造応力アプローチを用いる場合は、ANSYSとFEMAPに関してはデータ転送用のマクロが利用可能です。

E-N曲線の作成
局部ひずみアプローチを使用したい場合、プログラムは、繰り返し負荷の材料データを作成するためのさまざまな機能(Uniform Material則など)を提供しています。下図は、入力データを入力するためのマスクを示しています。静的材料データを入力するだけでよく、それに基づいてe-N曲線が推定されます。表面状態と、FEAを使用しない場合は切欠き係数が使用されます。


各種の方法に従った疲労寿命データの作成用入力フォーム

ひずみ-寿命曲線の使用
局部ひずみアプローチを用いる場合、必要な材料データは、静的材料特性に基づいて生成するか(Uniform Material則の場合)、または材料データベースから入手することができます。

下図は、繰り返しデータを静的特性から生成する場合の計算例を示しています。このコンポーネントには、切欠き部の直径係数(diametric quotient)と表面粗さが与えられました。また、切欠き部の応力-ひずみ経路がレインフローマトリックスから計算されました。レインフロー法を用いないでmaterial memory則を用いて経路を計算することも可能です。


疲労寿命データと計算された応力-ひずみ経路のグラフ表示

材料データベース
winLIFE 3.3でデータベースが大幅に改良されています。FKMガイドラインの完全な材料データベースが組み込まれており、winLIFEのCDから利用可能です。さらに、局所的アプローチに基づいた1400以上の材料データセットからなる材料データベースが、winLIFEのCDに追加されています。これまでは、部分的にインターネット上で入手できるだけでしたが、ユーザーはすべての材料データに即座にアクセスできるようになりました。

局部ひずみアプローチ用の材料データベース


インターネット材料データベースのデータを含んだマスク

インターネット材料データベースのマスクと材料特性の表示

FKMに基づく材料データベース


FKM材料データベースにアクセスするためのマスク

ユーザーデータベース
コンポーネントの情報とデータを含んだユーザー作業用のデータは、ユーザーデータベースに格納されます。このデータは他のプロジェクトからもアクセスできます。


荷重の入手

疲労寿命計算を行うには荷重データが必要です。これは、実測荷重の時刻歴または荷重スペクトルのいずれかになります。

荷重スペクトルの定義
荷重スペクトルはサイクルで構成されます。これは以下のデータで定義されます。

  • 平均荷重
  • 荷重振幅
  • 繰り返し数


1サイクルの定義

さまざまな分野での経験から、各種の荷重スペクトルの存在が分かっており、それらは簡単に定義できます。自動車、航空宇宙、風力発電の業界における文献には、そうした分野の問題にどのような荷重スペクトルが作用するかが示されています。この情報があれば、winLIFEのスペクトルジェネレータによって、迅速に荷重スペクトルを作成できます。下図には、3種類の基本的な荷重スペクトルが示されています。


内蔵のジェネレータで生成された各種の荷重スペクトルの例(上段:直線分布(n=1)、中段:p=0.5 – スペクトル、下段:正規分布)

荷重履歴の使用
別の方法は荷重(応力、モーメント、力)の時刻歴を使用することです。これは通常、測定によって得られます。特別な場合には手入力することもできます。他のプログラムからインポートすることも容易です。時刻歴の長さは、ディスクの空き容量にのみ制限されます。

荷重の手入力
荷重(例えば、時間の関数としての力)をエントリマスクから入力して保存できます。この方法は手間を要するので、短い荷重シーケンスしか入力できないでしょう。


エントリマスクとデータおよび結果のグラフ表示

フォースジェネレータ(正弦波)
単純な荷重時刻歴を素早く簡単に生成したい場合があります。これは、下図に示す正弦波ジェネレータを用いて行うことができます。


正弦波ジェネレータのエントリと、結果として得られた信号のグラフ表示

実測された荷重時刻歴のインポート
一般には、非常に詳細な実測データが用いられ、その規模は数ギガバイトにもなります。


ズームアップされた実測荷重履歴

荷重スペクトル、荷重履歴、およびレインフローマトリックスに対して、対話型のデータ入力とデータ修正が可能です。グラフ記述の範囲にマークを付けて、マウスまたはキーボードを用いて簡単に修正できます。

winLIFEプログラムは、疲労寿命の計算に通常用いられるレインフロー法を使用します。レインフローマトリックスには、損傷に関連する信号部分のみが含まれています。

winLIFEは、損傷の計算結果をレインフローマトリックスの形でカラー表示します。そのため、危険な信号部分が即座に明らかになります。

局所的アプローチが用いられる場合、レインフローマトリックスから応力-ひずみ経路が計算されて、グラフに表示されます。全損傷度は、損傷度の割合をすべて加算することで得られます(線形累積損傷則)。

周波数荷重の記述
固有振動数の帯域で加振されるシステムの場合は、PSD(パワースペクトル密度)によって励振加速度を定義するのが普通です。これは多くの場合、コンポーネントを頑丈な加速テストリグに固定して行われます。この手続きについては、winLIFE RANDOMのページに説明があります。

疲労寿命計算

FEAを使用する場合
winLIFEは、FEAからインポートしたデータを用いて疲労計算を行うことができます。この場合、局部応力と各節点の条件が考慮されます。

一般に、モデルの全節点が問題となるわけではないので(損傷は通常、表面から始まる)、ユーザーは、さまざまな基準で疲労寿命計算に用いる節点を選択できます。これによって、検討対象の節点数を大幅に減らして、計算時間を短縮できます。

FEAプログラムからデータを転送するためのマクロがwith winLIFEに同梱されています。winLIFEの計算結果(節点ごとの損傷度)は、FEAプログラム側でカラー表示できます。損傷度の範囲ごとに異なるカラーが用いられます。winLIFEとNASTRANとの間のデータ転送には、FEMAPのユーザーインターフェースを利用できるので、このプログラムの使用に何も難しさはありません。

winLIFEは、下記のFEAプログラムと連携して使用できます。

  • FEMAPベースのプログラム(MSC.NASTRAN、NEi NASTRAN、NX NASTRAN、WTP2000)
  • IDEAS
  • SAMCEF

FEAとのインターフェースについては詳細な説明があるので、多くのユーザーは独自のインターフェースを書いています。MEDINAやANSYSなどのプログラムとのリンクが問題なく実現されています。

例題による計算手順の簡単な説明
疲労計算の手順について、簡単な説明を以下に示します。下図はトラックのサスペンションの一部です。このパーツには動的な力荷重が作用します(以降の図を参照)。対称性を利用して、パーツの半分だけが解析されています。


疲労寿命の予測に用いられた、トラックのサスペンション部品

最初のステップでは、静的FEA計算によってコンポーネントに働く応力を決定します。そのために、基準の荷重Foの条件下で応力状態を計算します。基準の荷重の方向は、作用力F(t) の方向と一致していなければいけません。

荷重F(t) に対応した弾性応力は、F(t)/Foの比率でスケール倍することによって計算できます。例えば、下図のような力荷重F(t) が存在する場合、コンポーネントの応力を任意の時間点で計算することが可能です。局所的アプローチの場合は、実際の応力-ひずみ曲線が存在します。すなわち、各節点での実際の応力経路(塑性変形を含むもの)は、ノイバー則を用いて計算できます。


コンポーネントの荷重時刻歴

この荷重時刻歴は試験走行での測定から得られました。winLIFEは、この荷重に対してレインフロー・カウントを行って、結果を下図のように表示します。


損傷の結果を含むレインフローマトリックス

疲労解析用の材料データは、繰返し特性(図参照)と、損傷パラメータ-寿命曲線(図参照)です。


定常状態での材料の繰り返し特性


問題となる節点に対して、レインフローマトリックスから計算された応力-ひずみ経路

レインフロー・カウントと繰り返し特性から、応力-ひずみ経路が計算されます(上図)。カウント結果と損傷パラメータ-寿命曲線(下図)に基づいて、モデルの各節点に対して累積損傷度が計算されます。結果はモデル上にコンターマップとして表示されます。


Smith-Watson-Topper法に基づいた損傷パラメータ-寿命曲線

ここに示した局部ひずみアプローチ以外にも、S-N曲線を用いた応力基準の方法が使用可能です。この場合、応力基準のS-N曲線を使用できます。

疲労寿命計算の結果は、累積損傷度や損傷等価振幅です。破損に至るまでの繰り返し数がエクスポートファイルに書き出されます。FEプログラムはこれを用いて下図のように表示できます。FEMAPに対してはインターフェースが提供されており、FEMAPのユーザーデスクトップに自動的にインストールされます。


FEMAPにおけるwinLIFEの累積損傷度の結果表示

FEAを使用しない場合
FEAを使用しない場合、計算は1点(通常は切欠き部)で行われます。ユーザーは、形状に関する情報と、応力と荷重の関係を指定する必要があります。すなわち、切欠き係数、応力勾配、表面状態などを入力する必要があります。FEAを使用しない疲労寿命計算は、2つの伝統的な方法(公称応力法と局部ひずみアプローチ)によって実行されます。

公称応力法では、疲労限度を考慮する上でさまざまな仮定(オリジナル法、ハイバッハの修正法、簡易修正法、Liu-Zennerの修正法)が用いられます。下図は、これらの仮定を示しています。


winLIFEで利用可能な仮定

局部ひずみアプローチで計算が行われる場合、手順はFEAを用いた場合と同様です。

各計算結果の加算

車を開発する場合を考えてみましょう。車はさまざまな路面状態の道路を走ります。道路ごとの測定データと、測定距離に対応した疲労計算結果が得られました。しかし、各道路での一般ドライバーの走行距離は、測定した距離とは異なります。この場合、測定した距離における疲労計算結果を、一般ドライバーの走行距離に合わせて変換することができます。また、すべての道路の総延長に合わせて累積損傷度も加算できます。winLIFEは、重み係数を付加することによって、節点ごとの異なる計算結果を合算します。

重ね合わせと外挿

一般に、疲労寿命計算は特定の荷重に対して実施されます。下表は、各種の路面状態の道路で、テスト車両の試験走行をしたときの試験シナリオです。通常、ルートの一部に対して1回の測定が行われます。その結果、試験走行の結果を必要な時間またはルートまで外挿し、ルート全体に合算する必要があります。

目標値と実際値から係数を計算できます。そして、試験ルートでの結果に対して、この係数を掛け合わせる必要があります。この処理は外挿と呼ばれます。ユーザーが係数を計算してセットするか、または目標値と実際値を入力すると、プログラムが係数を自動的に計算します。

ルート各部の結果を合算することを、重ね合わせと呼びます。

表:試験走行のデータ:目標値と実際値、外挿用に計算された係数
  測定時間
試験ルート [s]
測定ルート
試験ルート [km]
設定目標 係数
幹線道路 1322 18 km 2000 s 2000/1322= 1,51
高速道路 3122 74 km 200 km 200/74=2,7
試験コース 1017 6,3 km 20 km 20/6,3 = 3,17
クロスカントリー 2522 4,2 km 3600 s 3600/2522=1,42

統計分析

下図に示すエントリマスクを用いて、統計的信頼性を決定することができます。以前に実施した疲労寿命計算の結果と、使用したS-N曲線のデータが引き継がれます。


統計的特性値の計算

データ処理と訂正

実測データを使用すると、ほとんどの場合にデータの修正を必要とします。実測データには多数の欠陥があるため、最初のステップとして、ユーザーはデータをチェックすべきです。winLIFEでは、対話形式で簡単にデータの訂正が可能です。

以下の方法で、荷重履歴と荷重スペクトルの修正が可能です。

  • スパイクの検出と除去
  • データの選択と、乗算、加算、または上書き

さらに、レインフローマトリックスでも繰り返し回数の変更が可能です。これは結果のチェックにも役立ちます。

結果の表示と分析

結果表示には、下記に示すような、よく用いられるすべてのグラフが利用可能です。

  • レインフローマトリックスプロトコルファイル(各節点の結果を含む)
  • レンジペア・ミーン・カウント
  • レベルクロッシング
  • S-N曲線と荷重スペクトルおよび損傷度百分率の組み合わせ
  • Haigh線図(ポイントしての荷重値を含む)
  • プロトコルファイル(各節点の結果を含む)

レポートジェネレータ
レポートジェネレータを用いると、グラフを開くなどの個々のステップを省いて印刷が可能です。レポートジェネレータによって、わずかな作業ステップで、プロジェクトを簡単に文書化できます。手法ごとにグラフをまとめて選択できます(下図は、公称応力法用のマスクです)。たった1回のマウスクリックで、印刷またはPDFファイル出力を行えます。


レポートジェネレータの選択用入力マスク

グラフのスケーリングとデザイン変更
図表ごとに、特別なカラーや線種の設定が可能です。オブジェクトをクリックすると、変更可能なプロパティを含むウィンドウが現れます。下図には、レイアウトの例が示されています。グラフごとに、下記のものを選択できます。

  • フォントサイズ
  • 線の色
  • 線種
  • 軸の範囲

線種、色、線幅、テキストの選択によるグラフデザインの変更


レポートジェネレータの選択によって自動生成されるPDFファイル

単位

単位の定義

さまざまな方法で応力の単位を定義できます。winLIFEの内部ではN/mm2で計算が行われます。応力に別の単位を使用したい場合は、単位リストから選択できます。主にPSIが用いられるため、そのためのデフォルトが用意されています。

応力に独自の単位を定義したい場合は、単位の名称と乗数を入力することで作成できます。winLIFEが使用する他の量には下記の標準単位が使用されます。これらは変更できません。

ひずみ​​ ​​ ​​ ​​ [‰]
RPM ​​ ​​ ​​ ​​[1/min]

荷重には任意の単位を使用できますが、一貫性がなければいけません。
winLIFEには3つのデフォルト定義があります。

ISO単位系(デフォルト) [N/mm²] 乗数 1
PSI [lbf/in²] 乗数 145,04
2倍のデフォルト(応力範囲) [N/mm²] 乗数 2