特開 2022-107231 疲労寿命予測方法、疲労寿命予測装置、疲労寿命予測プログラムおよび記憶媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022107231

(43)【公開日】2022-07-21

(54)【発明の名称】疲労寿命予測方法、疲労寿命予測装置、疲労寿命予測プログラムおよび記憶媒体

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/32 20060101AFI20220713BHJP

【ＦＩ】

G01N3/32 E

G01N3/32 C

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021002058

(22)【出願日】2021-01-08

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-10-06

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ▲１▼ ウェブサイトの掲載日 令和３年１月５日 ▲２▼ ウェブサイトのアドレス（ＵＲＬ） ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ａｂｓ／ｐｉｉ／Ｓ０１４２１１２３２０３０６７０８

(71)【出願人】

【識別番号】597147980

【氏名又は名称】株式会社寿ホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(74)【代理人】

【識別番号】100153969

【弁理士】

【氏名又は名称】松澤 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】高城 壽雄

(72)【発明者】

【氏名】村上 敬宜

【テーマコード（参考）】

2G061

【Ｆターム（参考）】

2G061AB05

2G061BA03

2G061BA15

2G061CA01

2G061CA20

2G061DA12

2G061EA03

2G061EA07

2G061EC02

(57)【要約】

【課題】疲労寿命をより高い精度で予測することが可能な技術を提供する。
【解決手段】疲労寿命予測方法は、対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて疲労限度が低下することと、を前提として、疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の亀裂の進展量に基づいて疲労寿命を予測することと、
を含む、疲労寿命予測方法。

【請求項2】

前記疲労寿命を予測することは、
前記対象物の欠陥寸法に基づく疲労限度を算出することと、
前記算出した疲労限度よりも負荷が大きい場合の１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出することと、
前記欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数を算出することと、
を含む、請求項１に記載の疲労寿命予測方法。

【請求項3】

前記材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を算出することである、請求項１または２に記載の疲労寿命予測方法。

【数1】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ_ｗは負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］

【請求項4】

前記疲労寿命を予測することにおいて、前記対象物に対して負荷される応力振幅は一定もしくは２段階以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の疲労寿命予測方法。

【請求項5】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得する疲労試験結果取得部と、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出する材料定数算出部と、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測する疲労寿命予測部と、
を含む、疲労寿命予測装置。

【請求項6】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、
をコンピュータシステムに実行させる疲労寿命予測プログラム。

【請求項7】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、
をコンピュータシステムに実行させる疲労寿命予測プログラムを記憶するコンピュータ読取可能な記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、疲労寿命予測方法、疲労寿命予測装置、疲労寿命予測プログラムおよび記憶媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

金属材料等の対象物の疲労破壊を評価する際には、疲労寿命および疲労限度が重要な評価要素となる場合が多く、種々の検討が行われている。例えば、特許文献１では、疲労寿命に関して、亀裂がない部材内部の応力分布、亀裂深さとクリープ寄与度の関係，およびクリープ寄与度とパリス則のパラメータＣとｍの値との関係に基づいて，部材を進展する亀裂の進展挙動を推定する方法が示されている。また、例えば、特許文献２では、疲労限度に関して、微小欠陥を有する金属材料における疲労限度を予測する方法として、金属材料の潜在疲労亀裂長さを用いて引張疲労限度およびせん断疲労限度を予測する方法が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１４／０３３９２７号

【特許文献2】特開２０１８－１８５２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、負荷する応力が変動することを想定した対象物の疲労寿命の予測については、従来から知られている手法では精度の点から改善の余地があった。

【0005】

本開示は上記を鑑みてなされたものであり、疲労寿命をより高い精度で予測することが可能な技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本開示の一形態に係る疲労寿命予測方法は、対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、前記材料定数を用いて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の亀裂の進展量に基づいて疲労寿命を予測することと、を含む。

【0007】

上記の疲労寿命予測方法によれば、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数が特定されることで、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量が推定可能となる。これを利用して、対象物の試験片に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命の予測が可能となる。ここで、対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて疲労限度が低下することと、を前提にしているので、応力負荷による欠陥（亀裂）の進展と、それにともなう疲労限度の低下とを考慮しているため、繰り返し与えられる負荷の中の正味の亀裂進展駆動力を適切に捉えて疲労寿命が予測されるため、より高い精度での予測が実現される。

【0008】

ここで、前記疲労寿命を予測することは、前記対象物の欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に基づく疲労限度を算出することと、前記算出した疲労限度よりも負荷が大きい場合の１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出することと、前記欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数を算出することと、を含む。

【0009】

上記の構成とすることで、ある応力を負荷した際に、算出した疲労限度よりも負荷が大きい場合の１回の応力負荷に対する亀裂の進展量が算出され、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数が算出される。したがって、対象物への応力負荷の大きさに関わらず、疲労寿命を高い精度で予測することができる。

【0010】

ここで、前記材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を算出することである態様とすることができる。

【0011】

【数1】

【0012】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ_ｗは負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］

【0013】

上記の構成とすることで、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を適切に算出することが可能な材料定数を特定することができ、この材料定数を用いて、疲労寿命を高い精度で予測することができる。

【0014】

前記疲労寿命を予測することにおいて、前記対象物に対して負荷される応力振幅は一定もしくは２段階以上である態様とすることができる。

【0015】

上記の構成によれば、対象物に対する負荷の大きさは特に限定されない。したがって、負荷する応力振幅が一定である場合、および２段階以上である場合のいずれの条件でも疲労寿命を高い精度で予測することができる。

【0016】

本開示の一形態に係る疲労寿命予測装置は、対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得する疲労試験結果取得部と、前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出する材料定数算出部と、前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測する疲労寿命予測部と、を含む。上記の寿命予測装置によれば、上述の寿命予測方法と同様の効果を奏する。

【0017】

本開示の一形態に係る疲労寿命予測プログラムは、対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、をコンピュータシステムに実行させる。上記の寿命予測プログラムによれば、上述の寿命予測方法と同様の効果を奏する。

【0018】

本開示の一形態に係る記憶媒体は、対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、をコンピュータシステムに実行させる疲労寿命予測プログラムを記憶するコンピュータ読取可能な記憶媒体である。上記の記憶媒体によれば、上述の寿命予測方法と同様の効果を奏する。

【発明の効果】

【0019】

本開示によれば、疲労寿命をより高い精度で予測することが可能な技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、一形態に係る疲労寿命予測装置の概略図である。

【図2】図２は、疲労寿命予測方法の一例を説明するフローチャートである。

【図3】図３は、疲労寿命予測方法に含まれる材料定数を用いた疲労寿命予測方法の一例を説明するフローチャートである。

【図4】図４は、疲労寿命予測方法に含まれる材料定数の算出方法の一例を説明するフローチャートである。

【図5】図５は、図４に含まれるＮ_{ｆｐｒｅｄ}を求めるサブルーチンの一例を説明するフローチャートである。

【図6】図６は、疲労寿命予測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

【図7】図７は、疲労寿命予測装置による疲労寿命予測の評価結果を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0022】

［疲労寿命予測装置］
まず、図１を参照して、一実施形態に係る疲労寿命予測装置１の概略構成について説明する。図１に示す疲労寿命予測装置１は、対象物に対して所定の応力を付与した場合の疲労寿命を予測する装置である。

【0023】

疲労寿命の予測の対象となる対象物の種類は特に限定されないが、工業製品、構造物等および工業製品、構造物等の部材に使用され得る工業材料が主要な対象物となり得る。また、工業材料のうち特に金属については、疲労寿命予測装置１を用いて高い精度での寿命予測が可能となると考えられる。なお、上記の手法は、Ｓ－Ｎ曲線が取得できる材料であれば非金属にも適用可能である。

【0024】

また、疲労寿命予測装置１により予測する疲労寿命とは、対象物に対して繰り返し応力を負荷させた場合に、対象物が破壊するまでの応力負荷の繰返し数である。一般的に、対象物に対して所定の値以上の応力を負荷すると、ある回数を超えた段階で対象物の破壊が生じる。疲労寿命予測装置１では、この破壊が生じるまでの応力負荷の繰返し数を予測する機能を有する。

【0025】

疲労寿命は、一般的に、疲労試験の結果に基づいてＳ－Ｎ曲線を作成して予測されることが多い。このとき、通常は、一定の応力振幅により取得した複数の疲労試験の結果を、公知のモデルに対して当てはめることでＳ－Ｎ曲線が作成される。ただし、応力が変動する場合には、上記のＳ－Ｎ曲線に基づいた疲労限度よりも小さな応力によって亀裂の進展に寄与することがあることから、Ｓ－Ｎ曲線に基づく疲労寿命の推定には改良の余地があることが知られている。

【0026】

本実施形態に係る疲労寿命予測装置１では、疲労の過程である材料内部での亀裂の進展挙動に着目し、その挙動を力学的根拠に基づき定式化することによって、変動応力下における疲労寿命の高精度な予測を実現し得る。なお、詳細は後述するが、疲労寿命予測装置１では、対象物に対して疲労限度を超える応力を負荷すると、対象物に存在する微小な亀裂（初期欠陥）が進展する（大きくなる）ことを前提とした上で、亀裂が大きくなることによる疲労限度の低下を考慮し、繰り返し与える負荷による亀裂の進展を評価することで、疲労寿命を予測する。そのために、まず、対象物に係る複数条件の疲労試験データから、疲労寿命予測に使用するパラメータである３種類の材料定数を算出する。その上で、算出された３種類の材料定数を利用して、対象物に対してある応力を与えた場合の亀裂の進展量を計算して亀裂寸法（初期欠陥および初期欠陥から進展した亀裂の寸法）を更新し、更新した新しい亀裂寸法に応じた疲労限度に基づいて次の評価を行うことを継続し、疲労による亀裂寸法が限界値を超える段階を特定することによって、疲労寿命を予測する。

【0027】

（疲労寿命予測装置の機能部）
図１を参照しながら、疲労寿命予測装置１の各部について説明する。図１に示されるように、疲労寿命予測装置１は、疲労試験データ取得部１１（疲労試験結果取得部）、予測条件取得部１２、材料定数算出部１３、疲労寿命予測部１４、結果出力部１５（出力部）、および、データ記憶部１６を含んで構成される。

【0028】

疲労試験データ取得部１１は、疲労寿命予測の対象となる対象物の疲労試験結果に係るデータを取得する機能を有する。疲労試験データ取得部１１が取得する疲労試験結果に係るデータとしては、一般的な疲労試験結果のデータであり、具体的には、「ある大きさの欠陥を有する試験片について、一定振幅の応力負荷を与えることによる破断までの繰り返し回数」に係る試験を行った際の試験条件およびその結果である。詳細は後述するが、上記の試験結果を複数取得し、疲労寿命予測に使用する。

【0029】

予測条件取得部１２は、疲労寿命予測装置１における疲労寿命予測の条件を指定した情報を取得する機能を有する。予測条件取得部１２が取得する条件を指定した情報としては、例えば、上記の３種類の材料定数の算出に必要な情報として、対象物のビッカース硬さ（ＨＶ）、破断とみなす最終亀裂寸法、材料定数の候補の数値範囲および刻み等が挙げられる。また、予測条件取得部１２が取得する条件を指定した情報としては、例えば、材料定数を算出した後に疲労寿命予測を行う際に必要な情報として、対象物における欠陥寸法の初期値、疲労寿命予測を行う際の負荷の繰り返し数の増分および上限値等が挙げられる。なお、上述の情報は、材料定数の算出および疲労寿命の予測を後述の手法で行った場合に必要な情報であるが、実際の計算方法によっては、上記の情報の一部のみを用いる場合もあるし、上記には含まれない情報を用いる場合もある。したがって、疲労寿命予測を行うための具体的な手法に応じて、予測条件取得部１２が取得する情報の種類は変更され得る。

【0030】

材料定数算出部１３は、疲労試験データ取得部１１および予測条件取得部１２において取得された情報に基づいて、３種類の材料定数を算出する機能を有する。材料定数の算出方法については後述する。

【0031】

疲労寿命予測部１４は、材料定数算出部１３において算出された材料定数を用いて、対象物に係る疲労寿命を予測する機能を有する。疲労寿命の予測方法については後述する。

【0032】

結果出力部１５は、疲労寿命予測部１４の処理によって得られた疲労寿命予測の結果を出力する機能を有する。出力方法は特に限定されないが、ファイル出力、画面出力、他プログラムへの値の返却等の公知の手法を用いることができる。結果を出力する際に、例えば、材料定数算出部１３によって算出した材料定数を併せて出力することとしてもよい。

【0033】

データ記憶部１６は、疲労試験データ取得部１１および予測条件取得部１２が取得した情報と、上記の各部が行う処理に必要な情報と、を記憶する機能を有する。また、材料定数算出部１３および疲労寿命予測部１４における処理で得られた結果を記憶する機能も有する。

【0034】

［疲労寿命予測方法］
次に、図２～図５を参照しながら、疲労寿命予測装置１による疲労寿命予測方法について説明する。

【0035】

まず、疲労寿命予測装置１では、疲労試験データ取得部１１によって、疲労試験データが取得される（ステップＳ０１）。この処理は、例えば、疲労寿命予測装置１の操作者（ユーザ）が疲労寿命予測装置１を操作することによって行われてもよい。また、予め指定された疲労試験装置において取得された試験結果が、疲労寿命予測装置１に対して逐次送信される構成であってもよく、疲労寿命予測装置１において疲労試験データを逐次取得する構成としてもよい。

【0036】

次に、疲労試験データの予測条件取得部１２によって、疲労寿命予測装置１における疲労寿命予測に係る一連の処理に係る条件を指定した情報が取得される（ステップＳ０２）。この処理は、例えば、疲労寿命予測装置１の操作者（ユーザ）が疲労寿命予測装置１を操作することによって行われてもよい。なお、ステップＳ０１とステップＳ０２との順序は特に限定されず、例えば、ステップＳ０２が先に行われてもよいし、ステップＳ０１とステップＳ０２とが同時に行われてもよい。また、疲労寿命予測に係る条件を指定する情報は、疲労寿命予測装置１の予測条件取得部１２において予め取得されて保持される状態としてもよい。

【0037】

次に、疲労寿命予測装置１の材料定数算出部１３によって、まず、上記の情報に基づいて３つの材料定数（Ｃ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊）の算出が行われる（ステップＳ０３）。材料定数の算出方法については、図３および図４に記載されているが、詳細は後述する。

【0038】

次に、疲労寿命予測装置１の疲労寿命予測部１４によって、材料定数算出部１３において算出された結果を用いて、疲労寿命の予測が行われる（ステップＳ０４）。疲労寿命の予測方法については、図５に記載されているが、詳細は後述する。

【0039】

次に、疲労寿命予測装置１の結果出力部１５によって、疲労寿命予測部１４の処理によって得られた疲労寿命予測の結果が出力される（ステップＳ０５）。出力時には、予測結果を、出力に適した状態に変換するための変換処理等を行ってもよい。

【0040】

（疲労寿命予測の基本的な考え方）
詳細な手順を説明する前に、本実施形態に記載の手法の基本的な考え方について示す。

【0041】

まず、材料にある寸法の欠陥が存在すると，その欠陥に対応した疲労限度σ_ｗ（応力振幅）が決まるという考え方を用いる。このときの疲労限度は、例えば金属材料で応力比Ｒ＝－１の場合には、以下の数式（１）を用いて予測することができる。ここで、応力比Ｒは繰返し応力の最小値と最大値の比で定義される。この数式（１）は、村上敬宜「金属疲労：微小欠陥と介在物の影響」養賢堂，１９９３年発行に記載されている。なお、σ_wを算出する方法は数式（１）に限定されない。例えば、Ｒ＝－１でない場合や非金属材料に本手法を適用する場合などには、他の方法でσ_Ｗを予測することが考えられる．

【0042】

【数2】

この考え方では、疲労限度以下の応力は疲労に寄与しないと考える。また、疲労限度よりも大きな負荷を与えると対象物に対して疲労を与えることになる。すなわち、σ/σ_ｗ－１が疲労に寄与する力学量になるといえる。

【0043】

また、上記の数式（１）では、材料中に欠陥が存在し、その寸法によって疲労限度が決まることを示している。一方、疲労限度以上の応力（応力振幅）の負荷を対象物に対して与えた場合、対象物では、先に存在していた欠陥から亀裂が発生する。そのため、亀裂を含めた欠陥の寸法は、応力負荷の繰り返し数の増加によって大きくなる。数式（１）によれば欠陥の大きさ（欠陥寸法）に応じて疲労限度σ_ｗが徐々に低下することが分かる。つまり、同一の応力負荷であっても、内部の欠陥が大きくなると、疲労に寄与する力学量σ/σ_ｗ－１の値は徐々に大きくなることになる。

【0044】

上記のように、力学量σ/σ_ｗ－１が欠陥（亀裂）を拡大させる駆動力（亀裂進展駆動力）になるといえる。このとき、上記の力学量を用いた、亀裂の進展状態を数式（２）として記述することができる。

【0045】

【数3】

【0046】

数式（２）では、ａは、欠陥の大きさ√ａｒｅａに対応し、ｄａ／ｄＮは、負荷１サイクルあたりの亀裂ａの進展量であり、Ｃ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊は材料定数である。なお、ｎ^＊は通常１であると仮定をしてもよい。上記の数式（２）を数値積分し、亀裂寸法ａの値が十分に大きな値（一般に１ｍｍ程度以上）になったところを実質的な疲労寿命として予測する。

【0047】

上記の方法を用いた場合、対象物に対して負荷する応力の値が繰り返しの途中で変化した場合でも、亀裂の成長拡大を追跡することができる。したがって、荷重が変動する条件においても対象物の疲労寿命予測が可能になる。

【0048】

（疲労寿命の予測方法）
図３を参照しながら、ステップＳ０４で行われる疲労寿命の予測方法について説明する。ここでは、上述の材料定数Ｃ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊が後述の方法を用いて得られていることを前提として説明する。

【0049】

まず、疲労寿命の予測に使用するパラメータの入力を行う（ステップＳ１１）。図３にも示す通り、疲労寿命の予測には以下の表１に示すパラメータが準備される。

【0050】

【表1】

【0051】

上記の設定のうち、初期欠陥寸法√ａｒｅａ_０は、対象物の材料に含まれる初期欠陥の寸法であり、欠陥を主応力に直角な面に投影した投影面積の平方根で定義される。例えば、光学的手法やＸ線ＣＴ等を用いて測定する方法が考えられる。また、村上敬宜「金属疲労：微小欠陥と介在物の影響」養賢堂，１９９３年発行に記載された手法を用いて設定してもよい。

【0052】

また、限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔは、対象物の材料特性によっても変化し得るが、亀裂の進展から破断へ至る過程を考慮し、例えば、１ｍｍと設定してもよい。１ｍｍから最終破断までに要する繰り返し数は全体の繰り返し数に比較すれば相対的に少ないので、このような設定とすることも可能である。また、繰り返し数Ｎの上限Ｎ_ｓｔｏｐは対象物の使用期限や応力の繰返し周期を考慮して大きく（例えば、１０^７）設定してもよい。また、応力がＮによる関数σ_ａ（Ｎ）である場合、変動の間隔等に応じて増分ΔＮを設定することで疲労寿命の予測精度を高くすることと、計算時間を短縮することと、を両立することができる。

【0053】

次に、初期値の設定を行う（ステップＳ１２）。初期値として、Ｎ＝０とし、√ａｒｅａとして初期欠陥寸法√ａｒｅａ_０を選択する。

【0054】

次に、サイクルＮにおけるσおよび√ａｒｅａにおける疲労限度σ_ｗを算出する（ステップＳ１３～ステップＳ１６）。具体的には、まず、サイクルＮを設定するために、Ｎ＝Ｎ＋ΔＮとした（Ｓ１３）後、Ｎが上限Ｎ_ｓｔｏｐ未満であることを確認し（Ｓ１４）、計算を継続する場合（Ｓ１４－ＹＥＳ）には、サイクルＮに対応する応力振幅σ（Ｎの関数である場合には、σａ（Ｎ）を設定し（Ｓ１５）た上で、数式（１）に基づく疲労限度σ_ｗの算出を行う（Ｓ１６）。このとき、欠陥や欠陥から進展した亀裂の位置に応じてＦ＝１．４３（表面欠陥の場合）またはＦ＝１．５６（内部欠陥の場合）を選択できるが、一般的には安全側となるＦ＝１．４３を用いる。

【0055】

なお、Ｎが上限Ｎ_ｓｔｏｐ以上となった場合（Ｓ１４－ＮＯ）には、処理を終了し、非破断であったという結果を出力する（ステップＳ１７）。

【0056】

疲労限度σ_ｗを算出した後、負荷として与える応力σが疲労限度σ_ｗよりも大きいか否かを確認する（ステップＳ１８）。負荷として与える応力σが疲労限度σ_ｗ以下である場合（Ｓ１８－ＮＯ）、その応力の繰返しによって亀裂は進展しないとして無視し、サイクルＮを新たに設定して上記の手順（Ｓ１３～Ｓ１８）を繰り返すことで次に負荷される応力について同様な検討を行う。一方、負荷として与える応力σが疲労限度σ_ｗよりも大きい場合（Ｓ１８－ＹＥＳ）、その応力の繰返しによって亀裂は進展するとして、亀裂の進展量を算出する（ステップＳ１９）。具体的には、上記の数式（２）に基づいて、繰り返し１回あたりの亀裂進展量について数式（３）を用いて算出し、新しい亀裂寸法について数式（４）を用いて算出する。

【0057】

【数4】

【0058】

新しい亀裂寸法√ａｒｅａを算出した後、新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔよりも大きいか否かを確認する（ステップＳ２０）。新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔ以下である場合（Ｓ２０－ＮＯ）、対象物はまだ破断しないと判定され、サイクルＮを新たに設定して上記の手順（Ｓ１３～Ｓ２０）を繰り返す。一方、新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔより大きい場合（Ｓ２０－ＹＥＳ）、対象物が破断したと判定し、破断繰り返し数Ｎ_ｆを現在のサイクル数Ｎとする（ステップＳ２１）。そして、破断繰り返し数Ｎ_ｆを疲労寿命の予測結果として出力する（ステップＳ２２）。これにより疲労寿命の予測に係る一連の処理が終了する。

【0059】

（材料定数の算出方法）
図４および図５を参照しながら、ステップＳ０３で行われる材料定数の算出方法について説明する。図４は、図３に示すフローチャートに含まれる１ステップに係るフローチャートである。なお、上述の通り算出の対象となる３つの材料定数は、Ｃ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊である。

【0060】

材料定数を算出する際には、上述の疲労寿命の予測方法で用いた数式を利用する。具体的には、任意のＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を用いて、疲労試験の結果に含まれる測定条件に基づいて破断繰り返し数Ｎ_ｆの予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}を算出する。この予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}と、疲労試験によって得られた破断繰り返し数Ｎ_ｆの実測値Ｎ_ｆｅｘｐとの差分を算出し、この差分が最小となるようなＣ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊の組み合わせを求めることで、Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を特定することができる。予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}と実測値Ｎ_ｆｅｘｐとの差分が最小となるような最適な材料定数Ｃ^＊，ｍ^＊，ｎ^＊を特定する方法は特に限定されないが、以下の実施形態では、数式（５）に示す目的関数Ｏを設定し、目的関数Ｏを最小化するＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を特定する手法について説明する。数式（５）において、Ｍは実験データの組の数であり、Ｅ_ｉはｉ番目の実験データの組におけるＮ_{ｆｐｒｅｄ}とＮ_{ｆｐｒｅｄ}の対数の差Ｅである。Ｅ_ｉは、数式（６）により定義される。

【0061】

【数5】

【0062】

目的関数Ｏを最小化するＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を特定する手法として、例えば、反復計算を用いることができる。具体的には、予め設定された範囲内のＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊に対してＯを総当たり的に計算する方法が挙げられる。そのほか、一般に用いられる各種最適化アルゴリズムを用いることが可能である。

【0063】

図４および図５では、上記の手法を具体的に実行する際の手順の一例を説明する。

【0064】

まず、材料定数の算出に使用するパラメータの入力を行う（ステップＳ３１）。図４にも示す通り、材料定数の算出には以下の表２に示すパラメータが準備される。

【0065】

【表2】

【0066】

なお、疲労試験結果のデータ数は、１～Ｍとされているが、３つの材料定数を求める場合には、最低３つの互いに異なる（条件が互いに異なる）試験データが必要となる（ｉ≧３）。ただし、実際には、材料定数ｎ^＊は１であると仮定することもできるので、その場合には、試験データは２つであってもよい。

【0067】

次に、初期値の設定を行う（ステップＳ３２）。初期値として、Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊については、それぞれ最小値Ｃ^＊ _ｍｉｎ，ｍ^＊ _ｍｉｎおよびｎ^＊ _ｍｉｎが設定される。また、目的関数Ｏの初期値の一例として、Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}＝１０００が設定される。上述の通り、目的関数を最小化できる材料定数を特定する手順であるため、初期値としては十分大きい値が設定される。なお、Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}は目的関数の最新の最小値を指すものであり、以降に説明する手順で繰り返し計算を行う際の基準として用いられる。

【0068】

次に、まず、ｉ＝１として（ステップＳ３３）、破断繰り返し数Ｎ_ｆの予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}を算出する（ステップＳ３４）。

【0069】

ステップＳ３４の詳細、すなわち、破断繰り返し数Ｎ_ｆの予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}の算出方法については、図５に示されているが、概略図３に示す手順と同様であるため、簡単に説明する。

【0070】

まず、疲労寿命の予測に使用するパラメータの入力を行う（ステップＳ５１）。ここでは、ステップＳ３１で準備したパラメータの一部が入力される。

【0071】

次に、疲労試験に用いられた条件（上記で入力されたパラメータ）を用いて、数式（１）に基づく疲労限度σ_ｗの算出を行う（ステップＳ５２）。これにより、疲労試験データに基づく予測疲労限度が算出される。疲労限度σ_ｗを算出した後、疲労試験で用いられた負荷応力σ_ｅｘｐ（ｉ）が疲労限度σ_ｗよりも大きいか否かを確認する（ステップＳ５３）。負荷応力σ_ｅｘｐ（ｉ）が疲労限度σ_ｗ以下である場合（Ｓ５３－ＮＯ）、この負荷応力σ_ｅｘｐ（ｉ）により亀裂が進展しない予測となるため、このσ_ｅｘｐ（ｉ）に対応する実験データを疲労寿命予測の計算に使用できないことを示す通知を出力する（ステップＳ５４）。この場合、予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}の算出ができないため、エラーメッセージまたは警告を出力する構成としてもよい。

【0072】

一方、疲労試験で用いられた負荷σ_ｅｘｐ（ｉ）が疲労限度σ_ｗよりも大きい場合（Ｓ５３－ＹＥＳ）、亀裂の進展量を算出する（ステップＳ５５～５７）。具体的には、初期値として、Ｎ＝０とし、√ａｒｅａとして初期欠陥寸法√ａｒｅａ_０を選択した（Ｓ５５）後、Ｎ＝Ｎ＋ΔＮとし（Ｓ５６）、予測の疲労限度σ_ｗ、繰り返し１回あたりの亀裂進展量Δ√ａｒｅａ、および、新しい亀裂寸法√ａｒｅａを算出する（Ｓ５７）。これらの算出方法は、図３に示すステップＳ１６，Ｓ１８と同じである。ただし、亀裂進展量Δ√ａｒｅａの算出には、下記の数式（７）が用いられる。数式（７）は数式（３）に対応するものであるが、応力σとして試験で用いた負荷σ_ｅｘｐ（ｉ）を用いる点が相違する。

【0073】

【数6】

【0074】

新しい亀裂寸法√ａｒｅａを算出した後、新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔよりも大きいか否かを確認する（ステップＳ５８）。新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔ以下である場合（Ｓ５８－ＮＯ）、対象物はまだ破断しないと判定され、サイクルＮを新たに設定して上記の手順（Ｓ５６～Ｓ５７）を繰り返す。一方、新しい亀裂寸法√ａｒｅａが限界亀裂寸法√ａｒｅａ_ｃｒｉｔより大きい場合（Ｓ５８－ＹＥＳ）、対象物の破断が発生したと判定し、破断繰り返し数Ｎ_ｆの予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}を現在のサイクル数Ｎとする（ステップＳ５９）。そして、予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}を疲労寿命の予測結果として出力する（ステップＳ６０）。この一連の手順で、疲労試験データに基づく予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}が得られる。

【0075】

図４に戻り、予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}が得られると、上記の数式（６）に基づいて、試験結果と予測値との差Ｅ（ｉ）を算出する（ステップ３５）。この一連の処理をｉ＝１～Ｍまでｉを＋１ずつ大きくしながら、繰り返し行う（ステップＳ３６，３７）。全ての疲労試験結果（ｉ＝１～Ｍ）について、試験結果と予測値との差Ｅ（ｉ）の算出が終わると（Ｓ３６－ＹＥＳ）、数式（５）に示す目的関数Ｏに対して代入し、計算結果を算出する（Ｓ３８）。そして、目的関数Ｏの計算結果をＯ_{ｕｐｄａｔｅ}と比較する（ステップＳ３９）。現在の目的関数Ｏの計算結果がそれ以前の目的関数の最小値Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}よりも小さい場合（Ｓ３９－ＹＥＳ）には、Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}を現在の目的関数Ｏの計算結果に変更（更新）するとともに、目的関数Ｏの計算に使用した現在のＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を、Ｃ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}，ｍ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}およびｎ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}として変更（更新）する（ステップＳ４０）。なお、目的関数Ｏの計算結果がそれ以前の目的関数の最小値Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}以上である場合（Ｓ３９－ＮＯ）には、Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}等の更新（Ｓ４０）は行わない。

【0076】

以降は、Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を変更しながら、上記の処理（Ｓ３３～Ｓ４０）を繰り返す。具体的には、まず、ｍ^＊およびｎ^＊を最小値ｍ^＊ _ｍｉｎ，ｎ^＊ _ｍｉｎに固定した状態でＣ^＊を増分ΔＣ^＊ずつ変更しながら、Ｃ^＊ _ｍａｘとなるまで計算を繰り返す（ステップＳ４１，４２）。その結果、ｍ^＊およびｎ^＊を固定した状態での最小値Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}の算出時に使用したＣ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}を特定することができる。その後、ｍ^＊（ステップＳ４３～Ｓ４５）およびｎ^＊（ステップＳ４６～Ｓ４８）についてもそれぞれ同様の計算を行うことで、他の材料定数を最小値に固定した状態での最小値Ｏ_{ｕｐｄａｔｅ}の算出時に使用したｍ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}およびｎ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}を算出することができる。

【0077】

この一連の反復計算を行うことで、ｍ^＊ _ｍｉｎ≦ｍ^＊≦ｍ^＊ _ｍａｘ，Ｃ^＊ _ｍｉｎ≦Ｃ^＊≦Ｃ^＊ _ｍａｘ，ｎ^＊ _ｍｉｎ≦ｎ^＊≦ｎ^＊ _ｍａｘの範囲内で最小の目的関数Ｏを与える最適なＣ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}，ｍ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}およびｎ^＊ _{ｕｐｄａｔｅ}が得られるので、これらを、Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊の計算結果として出力する（ステップＳ４９）。

【0078】

以上の手順により、疲労試験結果を利用して、Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を算出することができる。

【0079】

［ハードウェア構成］
図６を参照して、疲労寿命予測装置１のハードウェア構成について説明する。図６は、疲労寿命予測装置１のハードウェア構成の一例を示す図である。疲労寿命予測装置１は、１または複数のコンピュータ１００を含む。コンピュータ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)１０１と、主記憶部１０２と、補助記憶部１０３と、通信制御部１０４と、入力装置１０５と、出力装置１０６とを有する。疲労寿命予測装置１は、これらのハードウェアと、プログラム等のソフトウェアとにより構成された１または複数のコンピュータ１００によって構成される。

【0080】

疲労寿命予測装置１が複数のコンピュータ１００によって構成される場合には、これらのコンピュータ１００はローカルで接続されてもよいし、インターネット又はイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続されてもよい。この接続によって、論理的に１つの疲労寿命予測装置１が構築される。

【0081】

ＣＰＵ１０１は、オペレーティングシステムやアプリケーション・プログラムなどを実行する。主記憶部１０２は、ＲＯＭ（Read Only Memory)及びＲＡＭ（Random Access Memory）により構成される。補助記憶部１０３は、ハードディスク及びフラッシュメモリなどにより構成される記憶媒体である。補助記憶部１０３は、一般的に主記憶部１０２よりも大量のデータを記憶する。材料定数算出部１３および疲労寿命予測部１４の少なくとも一部は、補助記憶部１０３によって実現される。通信制御部１０４は、ネットワークカード又は無線通信モジュールにより構成される。疲労試験データ取得部１１、予測条件取得部１２、および結果出力部１５の少なくとも一部は、通信制御部１０４によって実現されてもよい。入力装置１０５は、キーボード、マウス、タッチパネル、及び、音声入力用マイクなどにより構成される。例えば、予測条件取得部１２の少なくとも一部は、入力装置１０５によって実現されてもよい。出力装置１０６は、ディスプレイ及びプリンタなどにより構成される。結果出力部１５の少なくとも一部は、出力装置１０６によって実現される。例えば、出力装置１０６は、疲労寿命予測の結果をディスプレイ等に表示してもよい。

【0082】

補助記憶部１０３は、予め、プログラム１１０（疲労寿命予測プログラム）及び処理に必要なデータを格納している。プログラム１１０は、疲労寿命予測装置１の各機能要素をコンピュータ１００に実行させる。プログラム１１０によって、例えば、上述したステップＳ０１からステップＳ０４に係る処理がコンピュータ１００において実行される。例えば、プログラム１１０は、ＣＰＵ１０１又は主記憶部１０２によって読み込まれ、ＣＰＵ１０１、主記憶部１０２、補助記憶部１０３、通信制御部１０４、入力装置１０５、及び出力装置１０６の少なくとも１つを動作させる。例えば、プログラム１１０は、主記憶部１０２及び補助記憶部１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを行う。

【0083】

プログラム１１０は、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどの有形の記憶媒体に記録された上で提供されてもよい。プログラム１１０は、データ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。

【0084】

［疲労寿命予測結果の有効性］
上記の疲労寿命予測装置１による疲労寿命の予測結果の有効性を検証した結果を以下に示す。

【0085】

まず、対象物として炭素鋼Ｓ４５Ｃ（ＨＶ＝１７６）の試験片を準備し、疲労試験によって、２点の実験データを得た。実験データは下記の通りである。
実験データ１： σ＝２７０ＭＰａ，Ｎ_ｆ＝３０，４０７
実験データ２： σ＝２３５ＭＰａ，Ｎ_ｆ＝１２０，２６４
なお、実験データ１，２は、図７に示す破断繰り返し数Ｎｆと応力振幅σとの対応関係を示す図（Ｓ－Ｎ曲線図）に示している。なお、対象物の試験片における初期欠陥寸法√ａｒｅａ_０は９２μｍであった。

【0086】

次に、上記の２つの実験データを用いて、上述の材料定数Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊の算出手法により材料定数Ｃ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を算出した。ただし、過去の実験データおよび次元解析よりｎ^＊＝１と仮定したので、実際には、Ｃ^＊，ｍ^＊を下記の通り算出した。
Ｃ^＊＝１０^－３．４
ｍ^＊＝２．８

【0087】

次に、上記の材料定数を用いて、以下の変動荷重を模擬した実験における対象物（試験片）の疲労寿命を予測した。なお、初期欠陥寸法√ａｒｅａ_０は９２μｍとした。

【0088】

（試験条件）
ステップ１：σ＝２７０ＭＰａにてＮ＝２３，４００まで応力負荷
ステップ２：ステップ１終了後，σ＝１８５ＭＰａにて破断まで応力負荷

【0089】

上述の疲労寿命予測方法に基づいた計算の結果、ステップ１の応力負荷を終了した時点で、初期欠陥から発生した亀裂の寸法√ａｒｅａは２５１μｍであると予測された。また、このときの疲労限度は１６９ＭＰａと予測された。この結果から、ステップ２の負荷応力は、初期状態の疲労限度よりも低く、ステップ１の応力負荷終了時における疲労限度よりも高いと推定された。また、ステップ２における破断までの応力負荷回数の予測値（ステップ１，２の応力負荷の回数の予測値）である疲労寿命の予測値は、Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}＝５６４，７００であった。

【0090】

一方、実際に試験片を用いて上記の試験条件によって疲労寿命を測定したところ、疲労寿命はＮ_ｆｅｘｐ＝５８５，８３０であった。内訳は、ステップ１が２３，４００（実験条件）であり、ステップ２が５６２，４３０であった。

【0091】

上記の予測値Ｎ_{ｆｐｒｅｄ}と実測値Ｎ_ｆｅｘｐとを比較すると相対誤差が４％であった。この結果から、十分に高い精度で疲労寿命が予測できたといえる。

【0092】

図７では、上記の試験結果を示している。なお、図７では、初期状態の条件から算出した疲労限度の推定値σ_Ｗ＝１９９ＭＰａをＴ１として示し、ステップ１からステップ２に切り替えた時点での疲労限度の推定値σ_Ｗ＝１６９ＭＰａをＴ２として示している。

【0093】

［作用］
上記の疲労寿命予測装置１による疲労寿命予測方法によれば、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数が特定されることで、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量が推定可能となる。これを利用して、対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命の予測が可能となる。ここで、対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて疲労限度が低下することと、を前提にしているので、応力負荷による欠陥（亀裂）の進展と、それにともなう疲労限度の低下とを考慮していることになる。したがって、繰り返し負荷される応力の中の正味の亀裂進展駆動力を適切に捉えて疲労寿命が予測されるため、より高い精度での予測が実現される。

【0094】

上述のように、従来から、Ｓ－Ｎ曲線に基づく疲労限度および疲労寿命の推定には改良の余地があることは指摘されていた。この点に関して、例えば、有限の繰り返し数で破壊する領域を疲労限度以下に延長して設計曲線とする修正マイナー則（Modified Miner’s rule）のように、Ｓ－Ｎ曲線に対して新たな解釈を加えることは検討されていた。しかしながら、これらの手法は、実験結果とＳ－Ｎ曲線とを対応付けるための論理立てであり、力学的根拠が十分であるとはいえない点でも依然として改良の余地があった。

【0095】

これに対して、上記の疲労寿命予測方法では、対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて疲労限度が低下することと、を前提とし、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出し、この結果に基づいて、疲労寿命を予測している。このように、対象物に対して応力を負荷した際の対象物の変化を捉えて疲労寿命予測を行うことで、従来の手法とは異なり高い精度で疲労寿命を予測することが可能となる。特に、上記の疲労寿命予測方法は、対象物が応力負荷を繰り返し受けることによって亀裂の寸法が増大し、その結果、対象物の疲労限度が低下することを認識した上で疲労寿命を予測する点が従来の手法と大きく異なる。従来の手法では、応力負荷を繰り返し受ける間の亀裂の増大等については考慮されていなかった。これに対して、上記の疲労寿命予測方法では、亀裂の寸法の増大による疲労限度の低下を時々刻々と把握し、その結果を疲労寿命の予測に反映させる。そのため、上記の疲労寿命予測方法では、より高い精度で疲労寿命を予測することが可能となるだけでなく、応力の大きさが途中で変化した場合であっても疲労寿命を予測することが可能となっている。

【0096】

また、上記の手法では、疲労寿命の予測に必要な疲労試験の数を大幅に減らすことができる。上記実施形態で説明した手法によれば、材料定数は３つ（または仮定を加えることで２つ）とすることができるため、疲労試験の数も少なくとも３つ（または２つ）あればよい。従来は複数回の疲労試験を行ってより実態に則したＳ－Ｎ曲線を作成することが考えられたが、精度面を考慮すると疲労試験の回数を増やすことが望まれた。また、疲労寿命をより正確に算出しようとする場合、試験片を用いて実際に応力を負荷した疲労試験を行うことも考えられるが、負荷する応力を変更する度に疲労試験を繰り返す必要がある。一方、上記実施形態で説明した方法では、より少ない疲労試験データから精度良く疲労寿命予測ができるという点で従来の手法に対して有利である。また、疲労寿命予測を予測する条件として、負荷する応力を変更した場合にも、上記の方法では、簡単に再計算が可能であるため、種々の条件に適用が可能であるという点からも従来の手法に対して有利である。

【0097】

また、疲労寿命を予測する際には、対象物の欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に基づく疲労限度を算出することと、算出した疲労限度よりも負荷が大きい場合の１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数を算出することと、が行われる。具体的には、ある応力を負荷した際に、算出した疲労限度よりも負荷が大きい場合には１回の応力負荷に対する亀裂の進展量が算出される一方、算出した疲労限度よりも負荷応力が小さい場合には１回の応力負荷に対する亀裂の進展量は０とされ、その上で欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数が算出される。したがって、応力負荷の大きさに関わらず、疲労寿命を高い精度で予測することができる。

【0098】

また、材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する上述の数式（３）におけるＣ^＊，ｍ^＊およびｎ^＊を算出する。このような構成とすることで、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を適切に算出することが可能な材料定数を特定することができ、この材料定数を用いて、疲労寿命を高い精度で予測することができる。

【0099】

また、疲労寿命を予測することでは、対象物に対して負荷される応力振幅は一定もしくは２段階以上である。上述のように、本実施形態で説明した手法では、負荷の大きさは特に限定されない。したがって、負荷する応力振幅が一定である場合、および２段階以上である場合のいずれの条件でも疲労寿命を高い精度で予測することができる。特に、対象物に対して負荷される応力振幅が２段階以上であっても、高い精度で予測ができる点は、上記の有効性の評価からも明らかである。

【0100】

［変形例］
以上、本開示は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

【0101】

上記実施形態では、疲労寿命予測装置１が１台のコンピュータシステムから構成される場合について説明したが、複数台のコンピュータシステムによって構成されてもよい。

【0102】

上記実施形態では、操作者が疲労寿命予測装置１を直接操作して上述の処理を行うことを想定して説明している。しかしながら、上記実施形態に係る疲労寿命予測装置１および疲労寿命予測方法は、例えば不特定多数のユーザがアクセス可能なＷｅｂ等を介したサービスとして提供されていてもよい。

【符号の説明】

【0103】

１…疲労寿命予測装置、１１…疲労試験データ取得部、１２…予測条件取得部、１３…材料定数算出部、１４…疲労寿命予測部、１５…結果出力部、１６…データ記憶部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2021-07-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の亀裂の進展量に基づいて疲労寿命を予測することと、
を含み、
前記材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ ^＊ ，ｍ ^＊ およびｎ ^＊ を算出することである、疲労寿命予測方法。

【数1】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ _ｗ は負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］

【請求項2】

前記疲労寿命を予測することは、
前記対象物が所定の大きさの欠陥を有している場合に、当該欠陥を応力負荷方向に投影した像の面積の平方根によって定義される欠陥寸法に基づいて、疲労限度を算出することと、
前記疲労限度を算出することにおいて算出された疲労限度よりも負荷が大きい場合に、前記材料定数を算出することで算出された前記材料定数を用いて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出することと、
前記１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出することにおいて算出された、前記１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を用いて、前記欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法が限界欠陥寸法に達するまでの応力の負荷回数を算出し、これを疲労寿命の予測結果とすることと、
を含む、請求項１に記載の疲労寿命予測方法。

【請求項3】

前記疲労寿命を予測することにおいて、前記対象物に対して負荷される応力振幅は一定もしくは２段階以上である、請求項１または２に記載の疲労寿命予測方法。

【請求項4】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得する疲労試験結果取得部と、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出する材料定数算出部と、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測する疲労寿命予測部と、
を含み、
前記材料定数算出部は、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ ^＊ ，ｍ ^＊ およびｎ ^＊ を算出する、疲労寿命予測装置。

【数2】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ _ｗ は負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］

【請求項5】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、
をコンピュータシステムに実行させ、
前記材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ ^＊ ，ｍ ^＊ およびｎ ^＊ を算出することである、疲労寿命予測プログラム。

【数3】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ _ｗ は負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］

【請求項6】

対象物に関する複数条件での疲労試験による試験結果と、前記疲労試験に使用した試験片の初期欠陥寸法と、前記疲労試験に係る試験条件と、を含む疲労試験データを取得することと、
前記対象物に対して疲労限度以上の応力負荷を与えた場合に初期欠陥から亀裂が進展することと、欠陥および欠陥から進展した亀裂の寸法に応じて前記疲労限度が低下することと、を前提として、前記疲労試験データに基づいて、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量を算出するための材料定数を算出することと、
前記材料定数を用いて算出される１回の応力負荷に対する亀裂の進展量に基づいて、前記対象物に対してある応力を負荷した場合の疲労寿命を予測することと、
をコンピュータシステムに実行させる疲労寿命予測プログラムを記憶し、
前記材料定数を算出することは、１回の応力負荷に対する亀裂の進展量Δ√ａｒｅａを算出する下記の数式（Ａ）におけるＣ ^＊ ，ｍ ^＊ およびｎ ^＊ を算出することである、コンピュータ読取可能な記憶媒体。

【数4】

［ただし、Δ√ａｒｅａは１回の応力負荷に対する亀裂の進展量であり、σは負荷の応力振幅であり、σ _ｗ は負荷を与える際の疲労限度であり、√ａｒｅａは欠陥の寸法である。］