| 研究課題/領域番号 |
17K06548
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| 研究機関 | 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所 |
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研究代表者 |
高橋 一比古 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (30425748)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 疲労き裂 / 補修法 / ストップホール / くさび / 斜面型くさび部材 / 適応型くさび部材 |
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| 研究実績の概要 |
各種構造物において比較的長い疲労き裂が発見された場合には、簡便な応急処置としてき裂先端部にストップホールを設ける場合が多いが、単に孔を開けただけだとそこからき裂が再発してしまうことも多く、またボルト締めや添接板設置等、従来型のストップホール補強方法の適用が困難な場合も多い。そこで本研究では、くさび荷重の付与により孔端部の応力変動幅を抑制するくさび補強型ストップホールを提案し、FE解析によるくさび部材の最適化及び疲労試験による有効性の検証を行って、構造物中を進展する疲労き裂を片側からでも簡便かつ効果的に停止または抑制できる簡易補修法を構築する。
平成29年度は、斜面型くさび部材の試設計及び試作を行い、き裂を模したスリット及びストップホールを模した円孔を有する鋼製平板試験片を用いて、静的載荷試験及び疲労試験を実施した。その結果、斜面型くさび部材の適用により孔端部における歪変動範囲が大幅に低減されることや、ねじ機構とプーリー・錘を用いたトルク負荷機構を有する適応くさび部材を適用した場合、疲労寿命が20倍以上に延伸されることが判明した。くさび補強型ストップホールの基本原理に関しては平成29年2月に特許出願済みだが、これに上記検証データ等を加味し、国内優先権主張出願を行った。
平成30年度も斜面型くさび部材を用いた疲労試験やFE解析を継続し、くさび部材を初期締め付けするだけの単純くさび部材と、外荷重による円孔の変形に追随して自動的に延伸する適応くさび部材について、繰り返し荷重下における円孔端歪・応力の変動や寿命延伸の度合い等を詳細に比較検討し、得られた知見を論文にまとめて投稿した。また、テーパーねじ型くさび部材の試設計及び試作も行って検討したが、テーパーねじの回転可動域が予想よりも小さく、くさび部材としての十分な延伸量が期待できないため、実現困難と判断してそれ以上の検証は見送った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度は、外荷重によるストップホールの変形に自動的に適応する適応型くさび部材を実現しやすいという理由から、主な検討対象を斜面型くさび部材に絞り、FE解析を適宜援用しながら構造・形状寸法等を最適化した。また、適応型くさび部材の機構として、ねじ機構とプーリー・錘を用いたトルク負荷機構を考案した。次に、最適化された斜面型くさび部材とねじ機構及びトルク負荷機構について試設計及び試作を行い、スリット及び円孔を加工した鋼製平板試験片を用いて静的載荷試験ならびに疲労試験による検証試験を実施し、孔端部における歪変動範囲が斜面型くさび部材により大きく低減されることや、疲労寿命が大幅に延伸されることを実証した。なお、くさび補強型ストップホールの基本原理に関して平成29年2月に出願した特許に上記検証データ等を加味し、国内優先権主張出願を行った。
平成30年度も、前年度に引き続き、鋼製平板試験片に斜面型くさび部材を適用した場合の疲労試験やFE解析を実施し、くさび部材を初期締め付けするだけの単純くさび部材と、外荷重による円孔の変形に追随して自動的に延伸する適応くさび部材について、繰り返し荷重下における円孔端歪・応力の変動や寿命延伸の度合い等を詳細に比較検討し、得られた知見を論文にまとめて投稿した。また、テーパーねじ型くさび部材の試設計及び試作も行って検討したが、テーパーねじの回転可動範囲が予想よりも小さく、くさび部材としての十分な延伸量が期待できないため、実現困難と判断してそれ以上の検証は見送った。
以上、実施内容を絞り込んだ部分はあるが、種々の解析や実験を通して貴重な研究成果が得られ、特許出願や研究発表及び論文投稿も行っており、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成31年度は、円孔端に予めスターターノッチを加工した鋼製平板試験及び斜面型くさび部材を用いた疲労試験を行い、ストップホールからき裂が再発した場合に対するくさび補強の有効性について検証する予定である。また、耐疲労スマートペーストによる再発疲労き裂進展抑制効果についても、適宜検証実験を行う予定にしている。
これらの実験及び解析で得られたデータや知見については、随時研究発表や論文投稿を行っていく所存である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度は、斜面型くさび部材の寿命延長効果が予想以上に大きく、疲労試験がrun outして試験期間が一ヶ月以上となるケースが続出したため、実施試験数が制限され、関連費用が縮小した。また、くさび部材の試作やFE解析等により種々の検討を行った結果、ねじ型くさび部材や熱膨張型くさび部材、テーパーねじ型くさび部材は実現するのが困難と判断し、本研究における検証対象を斜面型くさび部材に絞り込んだため、関連費用が縮小した。
次年度は、円孔にスターターノッチを導入した平板試験片を新たに製作してき裂伝播試験を行い、再発き裂に対する斜面型くさび部材や耐疲労スマートペーストの適用性を検証することにしており、上記縮小分はこれらに充当する予定である。
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