超高速水中水噴流ピーニングによる機械部品の疲れ強度向上に関する流体工学的研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12305013
• Research Institution: Saitama Institute of Technology
• Principal Investigator: 大場 利三郎 埼玉工業大学, 工学系研究科, 教授 (40006169)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 島本 聡 埼玉工業大学, 工学部, 教授 (10118664) ; 伊藤 幸雄 八戸工業大学, エネルギー工学科, 教授 (70006196) ; 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652) ; 根岸 利一郎 埼玉工業大学, 先端科学研究所, 研究員 (70237808) ; 巨 東英 埼玉工業大学, 工学部, 助教授 (10255143)
• Keywords: 噴流 / ピーニング / 残留応力 / 脆性破壊 / キャビテーション / 気泡 / 衝撃波 / 渦

Research Abstract

原子炉圧力容器等の致命的脆性破壊を防止し、炉の寿命と安全性を大幅に改善する高速水中水噴流ピーニング作用に支配的役割を演じている噴流界面気泡雲の超音速挙動、特に加工力が桁違いに高い高壊食性特異渦気泡の発生機構をまず詳細に解明した。
高壊食性特異渦気泡がキャビテーション核に極めて敏感である事実は既に我々が明らかにしている。そこで、供試水温を30度程度高くし、核中の蒸気量の支配因子であるヤコブ数を6分の一程度に下げてみたところ、通常の球状気泡から問題の特異渦気泡に移行する事実、すなわち、ヤコブ数が特異渦気泡の発生に重要な役割を演じている事実、したがって、水温を30度程度上げると加工作用が6倍程度増大する事実を確認した。更に、十分に核を供給するための基礎研究として、薄い空気圏を通って水柱が突入する水噴流の研究も行い、大量の気泡核が安定的に供給できるという明るい見通しも得た。
気泡雲の超音速挙動を超高速写真観測し、ノズル出口からピーニングの最適域とされている第2ピーク領域にわたる広い領域をカバーする巨大衝撃波環(十分強い衝撃波により環状領域内の全気泡が消滅し、渦、水柱等の安定要素のみが残存している)の存在を確認し、気泡雲に遮られて観測困難な噴流内部構造の観測も可能とした。したがって、気泡雲ならびに局所ボイド率が大となり、音速が30m/s程度まで低下することに起因する超音速挙動、特に衝撃波がピーニング作用に著しく効いていることも判明した。
典型的機械部品の歯車を例に取り、応力が特に大きい歯根元に水中水噴流を照射した予備的実験から、疲労強度のかなりの向上、歯面粗さの低減、歯面形状変化は極微小等の明るい見通しを得た。しかし、本格的な疲労試験、応力実験は、現在鋭意進行中の歯根元の微小切欠き効果、焼入条件等の不可欠な条件の検討試験の終了を待って行う予定である。

Research Products

• [Publications] 山部正博,大場利三郎: "水噴流が空気圏を通って垂直水中突入する際に生じる狭いダクト内二次元吸込気泡流の挙動(第2報)"日本機械学会論文集(B編). 66-644. 1079-1084 (2000)
• [Publications] Yukio Ito,Risaburo Oba: "Behavior of Cavities Formed by Submerged Water Jets for Two Kinds of Nozzles"噴流工学. 17-3. 8-15 (2000)
• [Publications] 井小萩利明,大場利三郎: "前後縁丸みを持つスーパキャビテーション翼形の実用迎え角特性の解析(後縁丸みの顕著な影響)"44回ターボ機械協会総会講演会講演論文集. 48-53 (2000)
• [Publications] 山部正博,大場利三郎: "水噴流が空気圏を通って垂直水中突入する際に生じるダクト内二次元吸込気泡流の挙動"日本混相流学会年会講演会講演論文集. 193-194 (2000)
• [Publications] 伊藤幸雄,大場利三郎: "キャビテーションを伴う超高速水中水噴流の挙動"日本機械学会年次大会講演会講演論文集No.00-1. 4. 107-108 (2000)
• [Publications] 大場利三郎: "粒子画像流速測定法PIVによる過渡噴流周りの流れの解明"日本機械学会年次大会講演会講演論文集No.00-1. 4. 97-98 (2000)
• [Publications] 根岸利一郎: "共鳴散乱動力学回折におけるX線定在波"日本結晶学会誌. 42. 497-503 (2000)
• [Publications] D.Y.JU,M.Narasnki,H.Kamisugi: "Computer Predictions and Experimental Verification of Residual Stresses and Distortion in Carburizing-Quenching of Steel"Journal of Shanghai Jiaotong University. Vol.E-5. 165-172 (2000)
• [Publications] P.DING,D.Y.JU,S.Imatani T.INOUE and E.de VRIES: "Numerical Simulation of Coupled Thermo-mechanical Behavior of a Cylinder Billet during Hot-forging Process"Journal of Shanghai Jiaotong University. Vol.E-5. 263-269 (2000)
• [Publications] D.Y.Ju: "Simulation of thermo-mechanical behavior and interfacial stress of metal matri composite under thermal shock process"Composite Structures. 48. 113-118 (2000)
• [Publications] D.Y.Ju: "Computer Predictions of Thermo-Mechanical Behavior and Residual Stresses during Induction Hardening of Notched Cylinder"Journal of Material Science Forum. 347-349. 352-357 (2000)
• [Publications] D.Y.Ju and M.Narazaki: "Simulation and Experimental Verification of Residual Stress and Distortion during quenching of Steel"Proc.of ASM International. 1. 441-447 (2000)
• [Publications] L.Hu,L.Zhao,C.Li,D.Y.Ju and H.Zhao: "Theroritical and Experimental Studies on Continuous Cast-Rolling with Liquid Core in Cast Strand"IRON and STEEL. 35. 93-99 (2000)
• [Publications] 巨東英,島本聡,Albert S.Kobayashi: "軸方向にマルチき裂を有するシェル構造の非線形数値解析と実験検証"日本機械学会論文集(A編). 66. 548-554 (2000)
• [Publications] D.Y.JU,W.Hao and T.Mitamura: "Evaluation of Microstricture and Bonding Strength on Interface of 3Y-TZP and Titanium"Advanced on Material Science and Technology. 2. pp.3-10 (2000)
• [Publications] 島本聡,野方文雄,梅崎栄作: "混合モード下におけるポリカーボネイト材の疲労き裂発生と伝播課程における先端部のひずみ挙動"日本非破壊検査協会49巻5号. 49. 325-330 (2000)
• [Publications] E.Umezaki,K.Kodama A.Shimoto: "Evaluation of Stress Intensity Factor Using White Light Photoelastic Experime"Fracture and Strength of Solids Part1. 183-187. 97-102 (2000)
• [Publications] A.Shimoto,J.H.nam,T.Shimomura and E.Umezaki: "Determinations of Stress Intensity Factor in Isotropic and Anisotropic Body by the Photoelastic and Caustics Methods under Various Load Ratios"Fracture and Strength of Solids Part1. 183-187. 97-102 (2000)
• [Publications] A.Shimoto,T.Oguchi,D.Y.Ju and A.S.Kobaya: "Simulation and Experimental Verification of Axial Multi-Crack Propagation and Crack Kinking in Pressurized Fuselage"Fracture and Strength of Solids Part1. 183-187. 97-102 (2000)
• [Publications] E.Umezaki and A.Shimamoto: "Application of isotropic points extracted using computerized photoelastic experiment to design structural members"journal of STRAIN ANALYSIS Vol.35. 5. 415-421 (2000)
• [Publications] A.Shimamoto,Y.Furuya and E.Umezaki: "Active control of stress intensity factor K under mixed mode stress in the SMA-FEC"Solid mechanics and its application. 86. 521-530 (2000)
• [Publications] 大場利三郎: "ホーンノズルを通る超音速水中水噴流の挙動"45回ターボ機械協会(八戸)講演会講演論文集. 108-113 (2000)
• [Publications] 大場利三郎: "Project 1超高速水噴流に関する研究"埼工大ハイテクリサーチセンター2000年度研究成果報告書. 21-22 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "Project 1粘性過渡流ならびにキャビテーションの挙動に関する研究"埼工大ハイテクリサーチセンター2000年度研究成果報告書. 22-23 (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "超高速水中水噴流用垂直型回流試験水槽のキャビテーション核分布特性"日本機械学会年次大会講演会講演で講演の予定. (2001)
• [Publications] 大場利三郎: "最高衝撃圧を呈する水温近傍におけるキャビテーションの様相"日本機械学会年次大会講演会講演で講演の予定. (2001)