2017 Fiscal Year Research-status Report

ねじ結合部の動的強度保証を実現する新しいフランジ付ナットの国際規格提案

Research Project

Project/Area Number	16K06043
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	萩原正弥名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90134840)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	フランジ付きナット / 軽量化 / 国際標準化 / 疲労強度 / FE応力解析 / 膨張変形
Outline of Annual Research Achievements	平成28年度に実施した2次元軸対称弾塑性FE解析で，現行のISO 4161で規定されるフランジ付ナットの軽量化が可能であることを示し，M10の二面幅を現行の15mmから14mmに減少したナットの提案を行ったが，今年度，ボルト・ナット結合体の負荷能力に対してさらに詳細な解析を行った結果，かみあいねじ部の静的強度に関しては，ナット材料を適切に選べば，二面幅及び高さをそれぞれ約13％減少でき，その結果，30％程度の質量の低減が行える可能性があることがわかった。そこで，同一の材料から ISO 4161で規定されるM10強度区分10のフランジ付ナットと新しく設計した軽量フランジ付ナット（二面幅13mm，高さ8.4mm）試験片を製作し，M10，強度区分10.9のボルトとの組合せに対して，疲労試験を実施したところ，応力比Rs=0.1の条件では，軽量フランジ付ナットと組合せたボルトの疲労強度の方がむしろ若干高くなるという結果が得られた。2次元軸対称FEMによって破壊箇所となるボルト第1ねじ谷底の局所的応力分布について調べたところ，ナット高さの減少は，応力集中の増加に繋がるが，二面幅の減少によって，半径方向の剛性が低下し，第1ねじ谷底の応力集中が緩和されることがわかった。ただし，実際の現象には，ねじのリード角に起因する接線方向のすべり現象や，ナットの不完全ねじ部の影響もあると考えられ，それの影響を正確に解析するための方法については，ゆるみ発生のメカニズムと併せて引き続き検討する必要がある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 平成29年度は，予定していた疲労試験を実施し，動的負荷作用時にも軽量化フランジ付ナットの優位性について部分的に検証を行うことができたが，ゆるみとも関係するナットの変形及びねじ谷底ねじのリード角に起因するすべり現象や，ナットの不完全ねじ部の影響を調べるためには，精密な3次元FE解析が必要であり，年度内にその結果を得るには至らなかった。現在，初期の精度を得るための，大規模なモデルの改良と，それを補完するための実験（ナットの膨張変形測定）を計画中であり，その進捗を待って，ゆるみを含む動的負荷作用下の挙動に関する基礎的な実験の実施を予定している。
Strategy for Future Research Activity	ボルト・ナット結合の3次元的挙動に関しては，十分な精度で現象をシミュレートするためのモデルの改良を継続し，それと並行して，ゆるみ挙動に関係するボルトのねじれ挙動，及びナットの拡大変形に関する実験系の構築及び測定を行う。一方，疲労強度に関しては，実際のねじ締結と対応させるため，平均応力の高い条件，及び引張負荷のほかに，曲げが作用する条件で実施する予定である。
Causes of Carryover	今年度，ナットの変形に関する実験のための実験系の構築を予定していたが，その条件を決めるための解析結果が十分に得られなかったため，一部部品の作成を次年度に実施することとしたため。