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JP7571664B2 - Method, program, and device for predicting crack growth in plastic processing - Google Patents
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JP7571664B2 - Method, program, and device for predicting crack growth in plastic processing - Google Patents

Method, program, and device for predicting crack growth in plastic processing Download PDF

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Description

本発明は、塑性加工工程で被加工材に発生する亀裂の進展を予測する予測方法、プログラム、装置に関する。なお、塑性加工には、鍛造加工、圧延加工などの熱間加工が含まれる。 The present invention relates to a prediction method, program, and device for predicting the growth of cracks that occur in a workpiece during a plastic processing process. Note that plastic processing includes hot processing such as forging and rolling.

昨今、様々な分野で被加工材に対する塑性加工が行われている。この塑性加工での被加工材については、亀裂に対する分析や対策を検討することが求められている。例えば、航空機エンジンや発電用ガスタービンに用いられる超耐熱合金は、低温で脆化する特性を持ち、その加工性は温度に大きく依存する。このため、超耐熱合金の熱間加工工程において、金型形状や加工条件が適切でない場合に加工中に亀裂が生じるリスクがあり、加工品の修正工数の増大や不良発生の原因となる。そこで、製品の短納期化と品質の安定化を実現するには、亀裂の発生位置と大きさを設計段階で予測して事前に亀裂の抑制対策を検討する必要がある。 Nowadays, plastic processing is being carried out on workpiece materials in a variety of fields. There is a demand for analysis of cracks and consideration of countermeasures for cracks in workpiece materials used in this plastic processing. For example, super heat-resistant alloys used in aircraft engines and power generation gas turbines have the property of becoming embrittled at low temperatures, and their workability is highly dependent on temperature. For this reason, in the hot processing process of super heat-resistant alloys, there is a risk that cracks will occur during processing if the mold shape and processing conditions are not appropriate, which will increase the amount of correction work required for the processed product and cause defects. Therefore, in order to shorten product delivery times and stabilize quality, it is necessary to predict the location and size of cracks at the design stage and consider countermeasures to suppress cracks in advance.

従来から、亀裂を予測する方法として、例えば、有限要素法によって破壊を評価する指標を算出して、閾値と比較することで亀裂の発生位置を予測する手法が一般的に知られている。この亀裂の進展に対する予測について、特許文献1には、亀裂が発生してない状態において、所定の負荷条件下での応力状態を求めた後、亀裂の末端位置と先端位置を直線で結んだ仮想亀裂が存在する状態において、亀裂が存在しない状態での応力状態を反映して応力拡大係数を求め、亀裂の進展方向を求める方法が開示されている。 Conventionally, a commonly known method for predicting cracks is to calculate an index for evaluating destruction using the finite element method and compare it with a threshold value to predict the location of crack occurrence. Regarding prediction of crack growth, Patent Document 1 discloses a method for determining the stress state under a specified load condition in a state where no crack has occurred, and then, in a state where a virtual crack exists that connects the end position and tip position of the crack with a straight line, determining a stress intensity factor that reflects the stress state in a state where no crack exists, and determining the direction of crack growth.

特開2008-216184号公報JP 2008-216184 A

ここで、特許文献1では、亀裂の進展を予測するための方法が記載されているが、亀裂の近傍において材料が塑性変形した時の亀裂の取り扱いについては記載されていないため、塑性変形による亀裂の向きの変化を追跡することができない。そのため、亀裂に作用する応力成分を把握することができず、被加工材の塑性変形とともに亀裂が進展していく状況での適用はできなかった。 Patent Document 1 describes a method for predicting crack propagation, but does not describe how to handle cracks when the material in the vicinity of the crack undergoes plastic deformation, so it is not possible to track changes in the direction of the crack due to plastic deformation. As a result, it is not possible to grasp the stress components acting on the crack, and the method cannot be applied in situations where the crack propagates along with the plastic deformation of the workpiece material.

以上のように、特許文献1では、被加工材の塑性変形を伴う亀裂の進展を高い精度で、かつ短時間で予測することはできなかった。 As described above, Patent Document 1 was unable to predict the growth of cracks accompanying plastic deformation of the workpiece with high accuracy and in a short period of time.

そこで、本発明の課題は、塑性加工を行う場合における、被加工材の塑性変形の状況を考慮して、亀裂の発生位置とその進展を高い精度で、かつ短時間で予測する可能とするである。 The objective of the present invention is to make it possible to predict the location of crack initiation and its progression with high accuracy and in a short time, taking into account the state of plastic deformation of the workpiece when plastic processing is performed.

本発明の上記の課題を解決するために、本発明は、塑性加工で被加工材に発生する亀裂の進展を予測する、亀裂進展予測方法において、前記塑性加工に対する塑性加工シミュレーションにより:
前記被加工材への亀裂の発生の判断と、
前記亀裂が発生した亀裂発生位置を特定し、
前記塑性加工シミュレーション後に:
特定された前記亀裂発生位置において亀裂が発生した、前記塑性加工シミュレーションにおける亀裂発生ステップを特定し、
前記亀裂発生ステップおよび前記亀裂発生位置における前記亀裂の法線方向を示す初期亀裂発生法線ベクトルを特定し、
前記初期亀裂発生法線ベクトルに基づき、前記亀裂発生ステップ以降のシミュレーションステップにおける亀裂法線ベクトルを特定することで、当該亀裂の進展を予測する、
亀裂進展予測方法である。
In order to achieve the above object of the present invention, the present invention provides a crack growth prediction method for predicting the growth of a crack that occurs in a workpiece during plastic processing, the method comprising the steps of:
Determining the occurrence of cracks in the workpiece;
Identifying a crack occurrence position where the crack has occurred;
After the plastic processing simulation:
Identifying a crack initiation step in the plastic processing simulation in which a crack occurs at the identified crack initiation position;
Identifying an initial crack initiation normal vector indicating a normal direction of the crack at the crack initiation step and the crack initiation position;
predicting the growth of the crack by identifying a crack normal vector in a simulation step after the crack generation step based on the initial crack generation normal vector;
This is a method for predicting crack growth.

また、本発明には、亀裂進展予測方法を実行する亀裂進展予測装置や亀裂進展予測方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムである亀裂進展予測プログラム自体もしくはこれを格納した記憶媒体も含まれる。 The present invention also includes a crack growth prediction device that executes the crack growth prediction method, and a crack growth prediction program itself, which is a computer program that causes a computer to execute the crack growth prediction method, or a storage medium that stores the program.

本発明によれば、塑性加工における欠陥の進展をより容易に、つまり、より少ない計算量を抑止し、かつ高精度に予想することができる。 The present invention makes it possible to predict the progression of defects during plastic processing more easily, i.e., with less calculation required and with high accuracy.

本発明の一実施形態の亀裂進展予測装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of a crack growth prediction device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態の亀裂進展予測方法の全体の流れを示すフローチャートである。1 is a flowchart showing an overall flow of a crack growth prediction method according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における亀裂進展予測方法のステップS1の詳細を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing details of step S1 of the crack growth prediction method in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態で用いられる加工条件情報を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing processing condition information used in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態を適用した場合における破壊値とシミュレーションステップの関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between a breakdown value and a simulation step when one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態を適用した場合における亀裂面を亀裂するベクトルの配置を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the arrangement of vectors that crack a crack surface when one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態を適用した円柱形状の主ロールと円柱形状のマンドレルでリングを圧延するプロセスを説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a process of rolling a ring with a cylindrical main roll and a cylindrical mandrel to which one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態を適用した破壊値と亀裂進展の評価値を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing fracture values and crack growth evaluation values to which one embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態のステップS4における亀裂発生ステップで特定される法線方向を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the normal direction identified in the crack generation step in step S4 of one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態のステップS5における亀裂発生ステップの次のシミュレーションステップで特定される法線方向を示す図である。FIG. 13 shows the normal directions identified in the simulation step following the crack initiation step in step S5 of one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態のステップS5における図10の次のシミュレーションステップで特定される法線方向を示す図である。FIG. 11 illustrates the normal directions identified in the next simulation step of FIG. 10 in step S5 of one embodiment of the present invention.

以下、この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。本実施形態では、被加工材に対する塑性加工のシミュレーション(塑性加工シミュレーション)での処理について説明する。ここで、本実施形態における亀裂とは、ひび、割れ、裂け、破壊、破損など、時間の経過に応じて進展する欠陥を示す。さらに、進展とは、「進行」「進捗」といった表現は問わず、亀裂における時間の経過と共に変化する状況を示し、その大きさないし長さを示す進展量や進展方向の他、形状を含めてもよい。
<システム構成>
まず、図1に、本実施形態での亀裂進展を予測する亀裂進展予測装置100の構成を示す。亀裂進展予測装置100は、いわゆるコンピュータで実現できる。このため、亀裂進展予測装置100は、CPUの如き演算装置で実現できる処理部1100を有する。処理部1100は、メモリ1200に格納された塑性加工シミュレーションプログラム1210に従って、各種演算を実行する。この内容は、後述する。また、塑性加工シミュレーションプログラム1210は、図示しないネットワークを介して配信されたり、これを格納した記憶媒体を介して亀裂進展予測装置100に格納することが可能である。なお、塑性加工シミュレーションプログラム1210は、ソルバープログラムと、ポストプロセッサプログラムと、の集合であることが一例である。しかし、塑性加工シミュレーションプログラム1210は、他のプログラムでもよく、プリプロセッサプログラムといった他のプログラムを集合対象としてもよい。また、塑性加工シミュレーションプログラムは、本実施例では亀裂の進展を予測する趣旨で用いていることから、亀裂進展予測プログラムと呼ぶことがある。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a process in a simulation of plastic processing of a workpiece (plastic processing simulation) will be described. Here, a crack in this embodiment refers to a defect that progresses over time, such as a crack, a split, a tear, a fracture, or a breakage. Furthermore, progress refers to a state in a crack that changes over time, regardless of whether it is expressed as "progress" or "advancement," and may include the amount of progress or direction of progress, which indicates the size or length, as well as the shape.
<System Configuration>
First, FIG. 1 shows the configuration of a crack growth prediction device 100 for predicting crack growth in this embodiment. The crack growth prediction device 100 can be realized by a so-called computer. For this reason, the crack growth prediction device 100 has a processing unit 1100 that can be realized by an arithmetic device such as a CPU. The processing unit 1100 executes various calculations according to a plastic processing simulation program 1210 stored in a memory 1200. The contents of this will be described later. In addition, the plastic processing simulation program 1210 can be distributed via a network (not shown) or stored in the crack growth prediction device 100 via a storage medium that stores the program. Note that, as an example, the plastic processing simulation program 1210 is a set of a solver program and a postprocessor program. However, the plastic processing simulation program 1210 may be another program, and may be a set of other programs such as a preprocessor program. In addition, since the plastic processing simulation program is used in this embodiment for the purpose of predicting the growth of a crack, it may be called a crack growth prediction program.

また、亀裂進展予測装置100は、利用者へ情報を提供する出力部1300を有する。これは、表示モニタなどで実現できる。さらに、亀裂進展予測装置100は、利用者からの操作を受け付ける入力部1400を有する。これは、キーボードやマウス等のポインティングデバイスなどで実現できる。ここで、出力部1300や入力部1400は、亀裂進展予測装置100と別筐体の端末装置で実現してもよい。この場合、端末装置は、PCの他、タブレットやスマートフォンなどで実現できる。 The crack progression prediction device 100 also has an output unit 1300 that provides information to the user. This can be realized by a display monitor or the like. The crack progression prediction device 100 also has an input unit 1400 that accepts operations from the user. This can be realized by a pointing device such as a keyboard or a mouse. Here, the output unit 1300 and the input unit 1400 may be realized by a terminal device in a separate housing from the crack progression prediction device 100. In this case, the terminal device can be realized by a tablet, smartphone, or other device in addition to a PC.

さらに、亀裂進展予測装置100は、各種情報を記憶する記憶装置を備える。記憶装置には、被加工材特性情報1001、加工条件情報1002やシミュレーション結果情報1003が記憶されている。これらの内容は、後述する。なお、記憶装置については、亀裂進展予測装置100と別筐体のファイルシステムなどで実現してもよい。 The crack growth prediction device 100 further includes a storage device for storing various information. The storage device stores workpiece material characteristic information 1001, processing condition information 1002, and simulation result information 1003. The contents of these will be described later. Note that the storage device may be realized by a file system in a separate housing from the crack growth prediction device 100.

なお、本実施形態では、亀裂進展予測装置100をソフトウエアに従って処理を実行するコンピュータとして記載する。但し、ソフトウエア全体もしくはその一部を、専用回路やFPGA(Field Programmable Gate Array)などハードウエアで実現してもよい。
<亀裂進展予測方法>
図2は、本実施形態の亀裂進展を予測する亀裂進展予測方法の全体の処理を示すフローチャートである。以下、図2に従って、亀裂進展予測方法について説明する。なお、この際、各処理の主体を処理部1100として記載するが、これは、上述のように塑性加工シミュレーションプログラム1210に従った処理となる。
In the present embodiment, the crack growth prediction device 100 is described as a computer that executes processing according to software. However, the entire software or a part of the software may be realized by hardware such as a dedicated circuit or an FPGA (Field Programmable Gate Array).
<Crack growth prediction method>
Fig. 2 is a flowchart showing the overall process of the crack growth prediction method of this embodiment for predicting crack growth. The crack growth prediction method will be described below with reference to Fig. 2. Note that, in this case, the subject of each process is described as a processing unit 1100, but this is the process according to the plastic processing simulation program 1210 as described above.

以下では、まず、図2のフローチャート全体の概要を説明し、次に、各ステップの詳細を説明する。ステップS1において、処理部1100は、所定の加工方法を再現する塑性加工シミュレーションを開始する。このために、処理部1100は、入力部1400を介して利用者から入力されるシミュレーション指示を受け付ける。そして、処理部1100は、シミュレーション指示に含まれる被加工材における破壊値を計算する。 In the following, first, an overview of the entire flowchart in FIG. 2 will be described, and then each step will be described in detail. In step S1, the processing unit 1100 starts a plastic processing simulation that reproduces a specified processing method. To this end, the processing unit 1100 accepts a simulation instruction input by a user via the input unit 1400. Then, the processing unit 1100 calculates the fracture value of the processed material included in the simulation instruction.

次に、ステップS2において、処理部1100は、ステップS1で計算した破壊値が塑性加工シミュレーションの最終ステップにおいて予め設定した閾値を上回る物質点(位置)を候補位置として特定する。そして、処理部1100は、これらの中から、特定した候補位置から入力部1400を介して、利用者が選択した候補位置を亀裂発生位置として決定する。なお、処理部1100は、候補位置を1つに特定し、これを亀裂発生位置として決定してもよい。 Next, in step S2, the processing unit 1100 identifies as candidate positions material points (positions) where the fracture value calculated in step S1 exceeds a preset threshold value in the final step of the plastic processing simulation. The processing unit 1100 then determines, from among these, the candidate position selected by the user via the input unit 1400 from among the identified candidate positions, as the crack occurrence position. Note that the processing unit 1100 may identify one candidate position and determine this as the crack occurrence position.

次に、ステップS3において、処理部1100は、ステップS2で決定した亀裂発生位置において、破壊値が初めて閾値を上回るシミュレーションステップを、亀裂発生ステップとして特定する。 Next, in step S3, the processing unit 1100 identifies the simulation step in which the fracture value exceeds the threshold value for the first time at the crack occurrence position determined in step S2 as the crack occurrence step.

次に、ステップS4において、処理部1100は、亀裂発生位置での亀裂発生ステップにおける亀裂が発生した法線方向を特定する。この法線方向とは、亀裂面に対する法線方向であり、亀裂法線ベクトルを特定することで実現できる(以下、同じ)。 Next, in step S4, the processing unit 1100 identifies the normal direction in which the crack occurred in the crack occurrence step at the crack occurrence position. This normal direction is the normal direction to the crack surface, and can be realized by identifying the crack normal vector (same below).

次に、ステップS5において、処理部1100は、亀裂発生ステップ以降の各シミュレーションステップにおける亀裂の法線方向を特定する。つまり、処理部1100は、破壊値が初めて閾値を上回るシミュレーションステップ以降の各シミュレーションステップにおける亀裂の法線方向を特定する。このことで、被加工材に対する亀裂の予測が可能となる。 Next, in step S5, the processing unit 1100 identifies the normal direction of the crack in each simulation step after the crack occurrence step. In other words, the processing unit 1100 identifies the normal direction of the crack in each simulation step after the simulation step in which the fracture value exceeds the threshold value for the first time. This makes it possible to predict cracks in the workpiece.

そして、ステップS6において、処理部1100は、ステップS6までの処理結果を用いて、被加工材についての亀裂進展の評価値を計算する。この評価値は亀裂の進展の度合いを表すパラメータで、亀裂の進展深さと相関がある。なお、ステップS6での評価値の計算は省略してもよい。以上で、亀裂進展予測方法の全体についての説明を終了する。以下、亀裂進展予測方法における各ステップの詳細を説明する。なお、各ステップの詳細の説明については、以下の順序で行う。まず、図3を用いて、ステップS1の詳細を説明する。次に、ステップS2~ステップS6の詳細を説明する。
<<ステップS1:破壊値の計算工程>>
ステップS1では、処理部1100は、図3に示す本実施形態における亀裂進展予測方法のステップS1の詳細を示すフローチャートに従って、被加工材における破壊値を計算する。この破壊値は、亀裂が生成する評価指標となる。このため、この破壊値を用いることで、亀裂の発生有無が判定できる。
Then, in step S6, the processing unit 1100 calculates an evaluation value of crack growth for the workpiece using the processing results up to step S6. This evaluation value is a parameter that indicates the degree of crack growth, and is correlated with the depth of crack growth. The calculation of the evaluation value in step S6 may be omitted. This completes the explanation of the entire crack growth prediction method. Below, the details of each step in the crack growth prediction method will be explained. The details of each step will be explained in the following order. First, the details of step S1 will be explained using FIG. 3. Next, the details of steps S2 to S6 will be explained.
<<Step S1: Breakdown value calculation process>>
In step S1, the processing unit 1100 calculates a fracture value in the workpiece according to the flowchart showing the details of step S1 of the crack growth prediction method in this embodiment shown in Fig. 3. This fracture value is an evaluation index for crack generation. Therefore, by using this fracture value, it is possible to determine whether or not a crack will occur.

まず、ステップS1001において、処理部1100は、シミュレーション指示に含まれる被加工材の加工前の形状および金型形状を、被加工材特性情報1001から読み込む。例えば、加工が圧延であった場合、金型形状としてロール形状を読み込む。このように、本ステップでは、処理部1100は、被加工材の加工の特性を示す情報を読込むことになる。 First, in step S1001, the processing unit 1100 reads the pre-machining shape of the workpiece and the die shape included in the simulation instructions from the workpiece characteristic information 1001. For example, if the processing is rolling, the roll shape is read as the die shape. Thus, in this step, the processing unit 1100 reads information indicating the processing characteristics of the workpiece.

次に、ステップS1002において、処理部1100は、被加工材の応力ひずみ曲線および熱物性を、被加工材特性情報1001から読み込む。例えば、熱物性として、被加工材の密度、熱伝導率、放射率など用いることができる。このように、本ステップでは、処理部1100は、被加工材自体の特性を示す情報を読込むことになる。また、被加工材特性情報1001は、被加工材の加工の特性を示す情報や被加工材自体の特性を示す情報を含む。 Next, in step S1002, the processing unit 1100 reads the stress-strain curve and thermal properties of the workpiece from the workpiece characteristic information 1001. For example, the thermal properties may be the density, thermal conductivity, emissivity, etc. of the workpiece. Thus, in this step, the processing unit 1100 reads information indicating the characteristics of the workpiece itself. Furthermore, the workpiece characteristic information 1001 includes information indicating the processing characteristics of the workpiece and information indicating the characteristics of the workpiece itself.

次に、ステップS1003において、処理部1100は、被加工材特性情報1001から亀裂進展予測モデルを読み込む。この亀裂進展予測モデルの情報は、亀裂の発生を評価する指標である破壊値Cの計算式、亀裂発生の判定で使用する指標の閾値である閾値C0、および亀裂進展の計算式を含む。 Next, in step S1003, the processing unit 1100 reads a crack growth prediction model from the workpiece material characteristic information 1001. This crack growth prediction model information includes a calculation formula for the fracture value C, which is an index for evaluating the occurrence of a crack, a threshold value C0, which is a threshold value for the index used to determine the occurrence of a crack, and a calculation formula for crack growth.

次に、ステップS1004において、処理部1100は、加工条件情報1002から当該被加工材の加工条件を読み込む。この加工条件情報1002を、図4に示す。図4に示すように、加工条件には、被加工材の加熱温度、被加工材を加熱炉から取り出してから加工機に設置するまでの時間、加工時の圧下速度、圧下量などを用いることができる。また、加工が圧延であった場合は、ロールの回転数を用いることができる。なお、本実施形態では、加工条件として、これらのうち、少なくとの1つを用いることが可能である。 Next, in step S1004, the processing unit 1100 reads the processing conditions for the workpiece from the processing condition information 1002. This processing condition information 1002 is shown in FIG. 4. As shown in FIG. 4, the processing conditions can include the heating temperature of the workpiece, the time from when the workpiece is removed from the heating furnace to when it is placed in the processing machine, the reduction speed during processing, and the reduction amount. Also, if the processing is rolling, the number of rotations of the rolls can be used. Note that in this embodiment, at least one of these can be used as the processing condition.

次に、ステップS1005において、処理部1100は、ステップS1001にて読み込んだ被加工材の形状と金型形状を、それぞれ有限要素法の各要素に分割する。 Next, in step S1005, the processing unit 1100 divides the shape of the workpiece and the shape of the die read in step S1001 into elements of the finite element method.

次に、ステップS1006において、処理部1100は、加工時間を複数の時間区分、つまり、塑性加工シミュレーションにおける各シミュレーションステップに分割する。 Next, in step S1006, the processing unit 1100 divides the processing time into multiple time segments, i.e., into each simulation step in the plastic processing simulation.

次に、ステップS1007において、処理部1100は、ステップS1001~1005で読み込んだ各情報に基づいて、有限要素法によってステップS1006で分割された各シミュレーションステップiにおける状態情報(より具体的に言うとすれば、塑性加工シミュレーションで得た有限要素法における要素の状態情報)を計算する。状態情報として、例えば最大主応力σ_max、ミーゼスの相当応力σ_eff、相当塑性ひずみε、応力成分σを計算する。なお、応力成分σの一例として、σ_xx、σ_yy、σ_zz、σ_xy、σ_yz、σ_xzが含まれる。そして、処理部1100は、これら結果である状態情報を記憶装置もしくはメモリ1200に記憶する。 Next, in step S1007, the processing unit 1100 calculates state information for each simulation step i divided in step S1006 by the finite element method (more specifically, state information of elements in the finite element method obtained in the plastic processing simulation) based on the information read in steps S1001 to 1005. As state information, for example, the maximum principal stress σ_max, the von Mises equivalent stress σ_eff, the equivalent plastic strain ε, and the stress component σ are calculated. Note that examples of the stress component σ include σ_xx, σ_yy, σ_zz, σ_xy, σ_yz, and σ_xz. The processing unit 1100 then stores the resulting state information in the storage device or memory 1200.

次に、ステップS1008において、処理部1100は、ステップS1006で分割された各シミュレーションステップiにおける破壊値のC(i)を算出する。このために、処理部1100は、各シミュレーションステップiの状態情報を、ステップS1003にて読み込んだ亀裂進展予測モデルに適用して算出を行う。また、処理部1100は、この破壊値C(i)を、有限要素法における要素ごとに算出する。そして、処理部1100は、算出された破壊値のC(i)を、メモリ1200に記録する。以上で、ステップS1の処理を終了する。
<<ステップS2:亀裂発生位置の決定工程>>
ステップS2では、処理部1100は、ステップS1で計算した各破壊値C(i)から、塑性加工シミュレーションの最終シミュレーションステップにおける各要素の破壊値C(n)を特定する。そして、処理部1100は、破壊値C(n)と予め記憶装置に設定された閾値C0を比較する。この結果、閾値C0以上の破壊値C(n)を示す位置を候補位置として特定する。そして、出力部1300が、この候補位置および対応する破壊値C(n)を出力する。処理部1100は、この出力に応じて入力部1400を介して利用者が指定した1以上の候補位置を、亀裂発生位置として決定する。なお、上述のとおり、処理部1100が自動的に亀裂発生位置を決定してもよい。
Next, in step S1008, the processing unit 1100 calculates the destruction value C(i) in each simulation step i divided in step S1006. For this purpose, the processing unit 1100 applies the state information of each simulation step i to the crack growth prediction model read in step S1003 to perform the calculation. The processing unit 1100 also calculates this destruction value C(i) for each element in the finite element method. Then, the processing unit 1100 records the calculated destruction value C(i) in the memory 1200. This ends the processing of step S1.
<<Step S2: Determining Crack Occurrence Position>>
In step S2, the processing unit 1100 identifies the destruction value C(n) of each element in the final simulation step of the plastic processing simulation from each destruction value C(i) calculated in step S1. Then, the processing unit 1100 compares the destruction value C(n) with a threshold value C0 previously set in the storage device. As a result, a position showing a destruction value C(n) equal to or greater than the threshold value C0 is identified as a candidate position. Then, the output unit 1300 outputs this candidate position and the corresponding destruction value C(n). In response to this output, the processing unit 1100 determines one or more candidate positions designated by the user via the input unit 1400 as crack occurrence positions. As described above, the processing unit 1100 may automatically determine the crack occurrence position.

この結果、処理部1100は、決定された亀裂発生位置を、メモリ1200に記録することが望ましい。なお、本実施形態における亀裂発生位置とは、亀裂が発生、つまり、閾値C0以上の破壊値C(n)を示す有限要素法の要素そのもの、要素内の位置もしくは要素間の境界面上の接点を示す。
<<S3:亀裂発生ステップの特定工程>>
ステップS3では、処理部1100は、塑性加工シミュレーションを進め、ステップS2で決定された亀裂発生位置おける破壊値C(i)とステップS1006で分割された各シミュレーションステップiの関係を求める。この結果、処理部1100は、図5に示す破壊値とシミュレーションステップの関係を取得することになる。
As a result, it is desirable for the processing unit 1100 to record the determined crack occurrence position in the memory 1200. Note that the crack occurrence position in this embodiment refers to the element itself of the finite element method where a crack occurs, that is, the element shows a destruction value C(n) equal to or greater than the threshold value C0, a position within the element, or a contact point on the boundary surface between elements.
<<S3: Crack Generation Step Identification Step>>
In step S3, the processing unit 1100 proceeds with the plastic processing simulation, and obtains the relationship between the fracture value C(i) at the crack occurrence position determined in step S2 and each simulation step i divided in step S1006. As a result, the processing unit 1100 obtains the relationship between the fracture value and the simulation step shown in FIG.

そして、処理部1100は、亀裂発生位置における破壊値C(i)が初めて閾値C0以上となるシミュレーションステップiを特定する。つまり、処理部1100は、(数1)および(数2)の関係を満たすシミュレーションステップiを特定する。なお、破壊値C(i)は。時間経過、つまり、シミュレーションステップの進捗に応じて、単調増加する性質を有する。 Then, the processing unit 1100 identifies the simulation step i where the fracture value C(i) at the crack occurrence position first becomes equal to or greater than the threshold value C0. In other words, the processing unit 1100 identifies the simulation step i that satisfies the relationship between (Equation 1) and (Equation 2). Note that the fracture value C(i) has the property of monotonically increasing with the passage of time, that is, with the progress of the simulation steps.

Figure 0007571664000001
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Figure 0007571664000002
Figure 0007571664000002

<<S4:亀裂発生ステップにおける亀裂の法線方向の特定工程>>
次に、ステップS4について、図9も参照しながら説明する。図9は、ステップS4における亀裂発生ステップで特定される法線方向を示す図である。図9のうち、(a)は、被加工材の模式的に立方体で表したもので、各要素(立方体を区切る実線で区切られた領域として図9(a)では示される。以後同様である)で構成される。なお、図9(a)では、紙面正面に露出した要素は5×5の25ある。このうち、断面Aを例に、つまり、(b)を用いて亀裂発生ステップでの法線方向の特定を説明する。
<<S4: Step of Specifying Normal Direction of Crack in Crack Generation Step>>
Next, step S4 will be described with reference to FIG. 9. FIG. 9 is a diagram showing the normal direction identified in the crack generation step in step S4. In FIG. 9, (a) is a schematic representation of the workpiece as a cube, which is composed of elements (shown in FIG. 9(a) as regions separated by solid lines separating the cubes; the same applies hereinafter). In FIG. 9(a), there are 5×5=25 elements exposed to the front of the page. Among these, the section A is used as an example, that is, (b) is used to explain the identification of the normal direction in the crack generation step.

まず、ステップS4では、処理部1100は、ステップS2で決定された亀裂発生位置において、破壊値C(i)が初めて閾値C0以上となるシミュレーションステップにおける亀裂法線ベクトルN0を、当該ステップにおける亀裂発生位置に関する状態情報を用いて特定する。本実施形態では、亀裂が最大主応力方向に垂直に発生する場合を例として、亀裂法線ベクトルN0を特定する。なお、亀裂法線ベクトルN0は、亀裂発生法線ベクトルとも称する。 First, in step S4, the processing unit 1100 uses state information about the crack occurrence position in the simulation step in which the fracture value C(i) becomes equal to or greater than the threshold value C0 for the first time at the crack occurrence position determined in step S2 to identify the crack normal vector N0 in that step. In this embodiment, the crack normal vector N0 is identified by taking as an example a case in which a crack occurs perpendicular to the maximum principal stress direction. The crack normal vector N0 is also referred to as the crack occurrence normal vector.

図9(b)に示す例では、シミュレーションステップi=10が亀裂発生ステップとする。また、断面Aの中央上部に、ステップS2で決定された亀裂発生位置が存在しているものとする。さらに、亀裂が発生する要因である引っ張り(応力)が、断面Aに掛かっている。このため、亀裂発生位置には、引っ張りに応じた最大主応力が、相反する方向に生じる。なお、図9(b)における座標軸は、図示したとおりである。処理部1100は、この最大応力を含む亀裂に関する状態情報を用いて、図9(b)に示す亀裂発生ステップにおける亀裂法線ベクトルN0が特定される。 In the example shown in FIG. 9(b), simulation step i=10 is the crack occurrence step. Also, it is assumed that the crack occurrence position determined in step S2 is located at the upper center of cross section A. Furthermore, tension (stress), which is the cause of crack occurrence, is applied to cross section A. Therefore, at the crack occurrence position, maximum principal stress according to tension occurs in opposing directions. Note that the coordinate axes in FIG. 9(b) are as shown. Using state information regarding the crack including this maximum stress, the processing unit 1100 identifies the crack normal vector N0 in the crack occurrence step shown in FIG. 9(b).

そして、処理部1100は、亀裂法線ベクトルN0をメモリ1200に記録する。なお、ここでは亀裂が最大主応力方向に垂直に発生することを前提とした例を示しているが、亀裂発生ステップにおける亀裂面の裂発生法線方向、に関して他の決め方があれば、その決め方を用いても良い。このようにして、処理部1100は、亀裂発生ステップにおける亀裂の法線方向を特定できる。 Then, the processing unit 1100 records the crack normal vector N0 in the memory 1200. Note that, although an example is shown here that assumes that the crack occurs perpendicular to the maximum principal stress direction, if there is another method for determining the crack initiation normal direction of the crack surface in the crack initiation step, that method may be used. In this way, the processing unit 1100 can identify the normal direction of the crack in the crack initiation step.

そして、処理部1100は、亀裂法線ベクトルN0から、亀裂法線ベクトルN0を規定する亀裂面内ベクトルU0および亀裂面内ベクトルV0を特定できる。ここで、本実施形態では、これら亀裂面内ベクトルU0および亀裂面内ベクトルV0の特定については、ステップS5で実行する。なお、図9(b)では、亀裂面内ベクトルU0は、図面上に垂直に方向である。 Then, the processing unit 1100 can identify the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 that define the crack normal vector N0 from the crack normal vector N0. Here, in this embodiment, the identification of these crack in-plane vector U0 and crack in-plane vector V0 is performed in step S5. Note that in FIG. 9(b), the crack in-plane vector U0 is oriented perpendicular to the drawing.

また、本実施形態では、亀裂面内ベクトルV0は、図示したとおり隣接する他の要素が終点となるベクトルとなる。但し、他の要素に限定されず、始点と同じ要素内としてもよい。 In addition, in this embodiment, the crack in-plane vector V0 is a vector whose end point is another adjacent element as shown in the figure. However, it is not limited to another element, and may be within the same element as the starting point.

なお、図9乃至11の例では説明の簡易化のために、亀裂面内ベクトルU0は、図面上紙面に対して、垂直とした。そして、図10、図11では図示を省略する。これら亀裂面内ベクトルU0および亀裂面内ベクトルV0の特定方法は種々想定できるが、その一例はステップS5の詳細説明において記載する。
<<S5:亀裂発生ステップ以降の亀裂の法線方向の計算工程>>
ステップS5では、亀裂発生位置における亀裂発生以降の亀裂の法線方向を求める。まず、処理部1100は、ステップS4にて特定した亀裂法線ベクトルN0に垂直であり、かつ互いに異なる方向の亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0を特定する。このために、この一例を図6に示す。ここで、ベクトルU0とV0の始点は、亀裂発生位置にあるので、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の始点と終点によって亀裂面を規定することができる。
In the examples of Figures 9 to 11, for the sake of simplicity, the crack in-plane vector U0 is perpendicular to the paper surface of the drawing, and is not shown in Figures 10 and 11. Various methods for identifying the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 can be assumed, and one example will be described in the detailed description of step S5.
<<S5: Calculation process of the normal direction of the crack after the crack generation step>>
In step S5, the normal direction of the crack after the crack occurrence at the crack occurrence position is obtained. First, the processing unit 1100 identifies a crack in-plane vector U0 and a crack in-plane vector V0 that are perpendicular to the crack normal vector N0 identified in step S4 and have different directions from each other. For this purpose, an example is shown in Figure 6. Here, the starting points of the vectors U0 and V0 are at the crack occurrence position, so the crack surface can be defined by the starting points and end points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0.

ここで、これら亀裂面内ベクトルU0および亀裂面内ベクトルV0の特定方法を説明する。処理部1100が、(数3)の関係を満足するように亀裂面内ベクトルU0および亀裂面内ベクトルV0決めることで、亀裂法線ベクトルN0に垂直であり、同一方向でない(180度反対方向でないことも含む)ため亀裂面を規定するベクトルとして用いることができる。つまり、亀裂法線ベクトルN0が、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の外積として規定できる。 Here, a method for identifying these crack in-plane vectors U0 and V0 will be described. The processing unit 1100 determines the crack in-plane vector U0 and V0 so as to satisfy the relationship in (Equation 3), so that they can be used as vectors that define the crack surface because they are perpendicular to the crack normal vector N0 and are not in the same direction (including not being in the opposite direction by 180 degrees). In other words, the crack normal vector N0 can be defined as the cross product of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0.

Figure 0007571664000003
Figure 0007571664000003

また、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0は、以下の(数4)(数5)を満たすことも必要になる。 In addition, the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 must satisfy the following (Equation 4) and (Equation 5).

Figure 0007571664000004
Figure 0007571664000004

Figure 0007571664000005
Figure 0007571664000005

ここで、(数4)(数5)には無数の解が存在するが、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の決め方についてルールを設けることで、一意的に亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0を示す解を特定することができる。本実施形態では、処理部1100は、以下の(数6)~(数8)で示されるルールを設定する。 Here, although there are an infinite number of solutions for (Equation 4) and (Equation 5), the processing unit 1100 can identify a solution that uniquely indicates the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 by establishing rules for how to determine the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0. In this embodiment, the processing unit 1100 sets the rules shown in the following (Equation 6) to (Equation 8).

Figure 0007571664000006
Figure 0007571664000006

Figure 0007571664000007
Figure 0007571664000007

Figure 0007571664000008
Figure 0007571664000008

なお、N0x、N0y、N0zはそれぞれ亀裂法線ベクトルN0のx成分、y成分、z成分であり、U0x、U0y、U0zはそれぞれ亀裂面内ベクトルU0のx成分、y成分、z成分である。ここで、これら(数6)~(数8)により、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0のx成分、y成分とz成分を算出する。 Note that N0x, N0y, and N0z are the x, y, and z components of the crack normal vector N0, and U0x, U0y, and U0z are the x, y, and z components of the crack in-plane vector U0. Here, using equations 6 to 8, the processing unit 1100 calculates the x, y, and z components of the crack in-plane vector U0.

そして、処理部1100は、亀裂法線ベクトルN0を回転軸とし、ベクトルU0を繰り返し前記角度θ分回転させることで、亀裂法線ベクトルN0に垂直であり、ベクトルU0と同一方向でないベクトルを得ることになる。このようにして、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の候補を得ることができる。なお、角度θは入力条件として設定でき、例えばステップS1003において亀裂進展予測モデルを読み込む際に、入力部1400を介して入力し、メモリ1200に記録することができる。また、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の決定に際し、(数3)に示す関係を満足していれば、他の例を用いても良い。 Then, the processing unit 1100 uses the crack normal vector N0 as the rotation axis and repeatedly rotates the vector U0 by the angle θ to obtain a vector that is perpendicular to the crack normal vector N0 and does not have the same direction as the vector U0. In this way, the processing unit 1100 can obtain candidates for the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0. Note that the angle θ can be set as an input condition, and can be input via the input unit 1400 and recorded in the memory 1200 when, for example, the crack growth prediction model is loaded in step S1003. In addition, when determining the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0, other examples may be used as long as they satisfy the relationship shown in (Equation 3).

さらに、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の終点位置は、亀裂発生ステップから塑性加工シミュレーションの最終ステップまでの各シミュレーションステップにおける亀裂面を規定することになる。このため、これらは被加工材内部の位置を終点として設定する必要がある。そこで、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の候補終点について、被加工材内部の点であるかを判定する。そして、処理部1100は、候補終点の内、被加工材内部にある候補位置を2つ選択する。つまり、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0で1つずつの終点を特定する。 Furthermore, the end points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 define the crack surface at each simulation step from the crack generation step to the final step of the plastic processing simulation. For this reason, it is necessary to set positions inside the workpiece as the end points. Therefore, the processing unit 1100 determines whether the candidate end points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 are points inside the workpiece. Then, the processing unit 1100 selects two candidate positions within the workpiece from among the candidate end points. In other words, the processing unit 1100 identifies one end point each for the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0.

さらに、処理部1100は、候補終点の選択を、例えば始点に最も近い候補終点から距離が小さい順に選択することで行ってもよい。 Furthermore, the processing unit 1100 may select the candidate end points by, for example, selecting the candidate end points closest to the start point in order of shortest distance.

亀裂法線ベクトルN0の方向は、は亀裂面内ベクトルU0と面内V0の大きさに依存するため、処理部1100は、予め設定されたこれらを所定の大きさにすることが好ましい。つまり、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の大きさdu、dvを入力条件とする。そして、予めメモリ1200に記録された処理部1100は、入力条件du、dvと同じ大きさになるように亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0を計算する。なお、以後の説明では亀裂発生ステップにおける各ベクトル、位置を「初期」を付与して呼ぶことがある。例えば、初期亀裂面内ベクトルU0、V0、初期亀裂法線ベクトルN0、といった呼び方である。 The direction of the crack normal vector N0 depends on the magnitude of the crack in-plane vector U0 and the in-plane vector V0, so it is preferable for the processing unit 1100 to set these to a predetermined magnitude that has been set in advance. In other words, the processing unit 1100 takes the magnitudes du and dv of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 as input conditions. The processing unit 1100 then calculates the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0, which are recorded in advance in the memory 1200, so that they are the same magnitude as the input conditions du and dv. In the following explanation, each vector and position in the crack generation step may be referred to with the word "initial" added. For example, they may be referred to as the initial crack in-plane vectors U0 and V0, and the initial crack normal vector N0.

次に、処理部1100は、亀裂発生ステップから塑性加工シミュレーションの最終ステップまでの各シミュレーションステップにおける亀裂面内ベクトルU(i)と亀裂面内ベクトルV(i)を特定する。なお、当該特定は、各々のシミュレーションステップにおける、前記初期亀裂面内ベクトルU0、V0の終点の変位後の位置を特定し、前記変位後の位置を終点とする、亀裂面内ベクトルを算出することで行われる。なお、終点位置の変位は、有限要素法による塑性加工シミュレーションでは、各要素の変形・変位を各シミュレーションステップ毎に計算していることを利用して取得する。 Next, the processing unit 1100 identifies the crack in-plane vector U(i) and the crack in-plane vector V(i) in each simulation step from the crack generation step to the final step of the plastic processing simulation. This identification is performed by identifying the positions after displacement of the end points of the initial crack in-plane vectors U0 and V0 in each simulation step, and calculating the crack in-plane vector whose end point is the position after the displacement. The displacement of the end point position is obtained by utilizing the fact that in plastic processing simulation using the finite element method, the deformation and displacement of each element are calculated for each simulation step.

そして、処理部1100は、これらを用いて各シミュレーションステップの亀裂面の法線ベクトルN(i)を(数9)によって特定し、メモリ1200に記録する。 Then, the processing unit 1100 uses these to identify the normal vector N(i) of the crack surface for each simulation step using (Equation 9) and records it in the memory 1200.

Figure 0007571664000009
Figure 0007571664000009

ここで、亀裂面内ベクトルU(i)と亀裂面内ベクトルV(i)の特定の具体的な一例を、図10および図11を用いて説明する。図10は、ステップS5における亀裂発生ステップの次のシミュレーションステップ(i=11)で特定される法線方向を示す図である。 Here, a specific example of identifying the crack in-plane vector U(i) and the crack in-plane vector V(i) will be described with reference to Figures 10 and 11. Figure 10 shows the normal direction identified in the simulation step (i = 11) following the crack generation step in step S5.

シミュレーションステップ(i=11)では、引っ張りにより、断面Aが変形する。そこで、処理部1100は、この断面Aの変形に応じて、亀裂面内ベクトルU(i=11)と亀裂面内ベクトルV(i=11)を特定する。つまり、断面Aが図9から図10にかけて、図面上上下方向に潰れることになる。このため、処理部1100は、亀裂面内ベクトルV0の終点が、変形分だけ変位した位置を終点とする亀裂面内ベクトルVを特定することになる。なお、処理部1100は、亀裂面内ベクトルU(i=11)の終点については、亀裂面内ベクトルU0が引っ張りの影響を受けない方向であるため、亀裂面内ベクトルU0の終点と同様であると特定する。 In the simulation step (i=11), the cross section A is deformed by tension. The processing unit 1100 then identifies the crack in-plane vector U (i=11) and the crack in-plane vector V (i=11) in accordance with the deformation of the cross section A. In other words, the cross section A is crushed in the vertical direction on the drawing from FIG. 9 to FIG. 10. Therefore, the processing unit 1100 identifies the crack in-plane vector V whose end point is a position displaced by the deformation amount of the crack in-plane vector V0. The processing unit 1100 identifies the end point of the crack in-plane vector U (i=11) as the same as the end point of the crack in-plane vector U0, since the crack in-plane vector U0 is in a direction that is not affected by tension.

このように、ステップS5において、処理部1100は、引っ張りなどの亀裂の要因に応じた亀裂面内ベクトルの終点を特定し、これを用いて亀裂面ないし亀裂法線ベクトルN(i)を特定している。なお、この亀裂面ないし亀裂法線ベクトルN(i)の特定はあくまでも一例であり、これに限定されない。 In this way, in step S5, the processing unit 1100 identifies the end point of the crack in-plane vector according to the cause of the crack, such as tension, and uses this to identify the crack surface or crack normal vector N(i). Note that this identification of the crack surface or crack normal vector N(i) is merely an example and is not limited to this.

そして、処理部1100は、亀裂面内ベクトルV(i=11)と亀裂面内ベクトルU(i=11)を、数9に適用して、亀裂法線ベクトルN(i=11)を特定する。このことで、処理部1100は、亀裂の進展方向を特定することができる。この亀裂法線ベクトルN(i=11)は、図10に示す方向となる。 Then, the processing unit 1100 applies the crack in-plane vector V (i = 11) and the crack in-plane vector U (i = 11) to equation 9 to identify the crack normal vector N (i = 11). In this way, the processing unit 1100 can identify the crack propagation direction. This crack normal vector N (i = 11) is in the direction shown in Figure 10.

さらに、処理部1100は、(数10)および(数11)を用いて、亀裂の進展量を算出する。 Furthermore, the processing unit 1100 calculates the amount of crack growth using (Equation 10) and (Equation 11).

Figure 0007571664000010
Figure 0007571664000010

Figure 0007571664000011
Figure 0007571664000011

この結果、処理部1100は、図10のD(i=11)で示される進展量で、亀裂進展方向の先端を示す亀裂進展先に亀裂が進展したと予測できる。 As a result, the processing unit 1100 can predict that the crack has progressed to the crack advancement tip, which indicates the tip of the crack advancement direction, by the amount of progress shown by D (i = 11) in Figure 10.

なお、(数10)および(数11)は、一例であり、他の数式などの条件を用いてもよい。 Note that (Equation 10) and (Equation 11) are merely examples, and other formulas and other conditions may be used.

続いて、以上の処理を、各シミュレーションステップで実行する。図11は、図10の次のシミュレーションステップで特定される法線方向を示す図である。図11において、断面Aは引っ張りにより、図10に示す断面よりもさらに潰れた形状となっている。このため、処理部1100は、この変形に応じて、亀裂面内ベクトルV(i=11)よりも、図上横方向(平行な方向)となる亀裂面内ベクトルV(i=12)を特定する。この結果、処理部1100は、法線ベクトルN(i=11)よりも図上で下向きとなる法線ベクトルN(i=12)を特定することになる。また、処理部1100は、シミュレーションステップi=12における亀裂進展先を、図示すようなi=11から進んだ位置として特定することになる。 Then, the above process is executed at each simulation step. FIG. 11 is a diagram showing the normal direction identified at the simulation step next to FIG. 10. In FIG. 11, cross section A is further crushed than the cross section shown in FIG. 10 due to tension. Therefore, in response to this deformation, the processing unit 1100 identifies the crack in-plane vector V(i=12) that is more horizontal (parallel) on the figure than the crack in-plane vector V(i=11). As a result, the processing unit 1100 identifies the normal vector N(i=12) that is more downward on the figure than the normal vector N(i=11). In addition, the processing unit 1100 identifies the crack advance destination in simulation step i=12 as the position advanced from i=11 as shown in the figure.

このように、本実施形態では、ステップS4およびステップS5において、処理部1100が、以下の処理を実行している。
(1)亀裂発生ステップで、状態情報から法線ベクトルN0を特定
(2)この法線ベクトルN0から、亀裂面内ベクトルU0、亀裂面内ベクトルV0を特定
(3)次のシミュレーションステップにおける亀裂面内ベクトルU(i)、亀裂面内ベクトルV(i)を、引っ張り等の要因に応じた変形および変位を考慮して亀裂面内ベクトルU0、亀裂面内ベクトルV0から特定
(4)次に、各シミュレーションステップにおける亀裂面内ベクトルU(i)、亀裂面内ベクトルV(i)から法線ベクトルN(i)を特定
(5)(3)(4)を繰り返し、シミュレーションステップごとに実行することで、各シミュレーションステップの法線ベクトルを、連続的・伝搬的に特定
また、処理部1100は、上述のように、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の始点と終点を用いて、亀裂発生ステップ以降の塑性加工シミュレーションの最終ステップまでの各シミュレーションステップにおける亀裂法線ベクトルを計算する。そして、処理部1100は、これをメモリ1200に記録する。なお、処理部1100は、各シミュレーションステップで、亀裂面内ベクトルUiと亀裂面内ベクトルViの始点を算出してもよいし、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の始点を流用してもよい。さらに、本実施例では、亀裂面内ベクトルU0と亀裂面内ベクトルV0の終点を始点と異なる要素内になるように設定したが、同じ要素内としてもよい。
Thus, in this embodiment, in steps S4 and S5, the processing unit 1100 executes the following processes.
(1) In the crack initiation step, identify the normal vector N0 from the state information.
(2) From this normal vector N0, identify the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0.
(3) The crack in-plane vector U(i) and the crack in-plane vector V(i) in the next simulation step are determined from the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0, taking into account deformation and displacement due to factors such as tension.
(4) Next, identify the normal vector N(i) from the crack in-plane vector U(i) and the crack in-plane vector V(i) at each simulation step.
(5) (3) and (4) are repeated and executed for each simulation step, thereby continuously and propagatingly identifying the normal vectors of each simulation step. As described above, the processing unit 1100 calculates the crack normal vectors in each simulation step from the crack generation step to the final step of the plastic processing simulation using the start and end points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0. Then, the processing unit 1100 records this in the memory 1200. Note that the processing unit 1100 may calculate the start points of the crack in-plane vector Ui and the crack in-plane vector Vi in each simulation step, or may reuse the start points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0. Furthermore, in this embodiment, the end points of the crack in-plane vector U0 and the crack in-plane vector V0 are set to be in different elements from the start points, but they may be in the same element.

また、ステップS4において、処理部1100は、亀裂発生位置の近傍における被加工材の局所的な変形と回転を、例えば連続体力学の変形勾配テンソルや変位勾配テンソルによって特定することもできる。このことで、ステップS5において、処理部1100は、亀裂発生ステップ以降における亀裂の法線方向、つまり、亀裂法線ベクトルN(i)を特定することができる。 In addition, in step S4, the processing unit 1100 can also identify the local deformation and rotation of the workpiece in the vicinity of the crack initiation position, for example, by the deformation gradient tensor or displacement gradient tensor of continuum mechanics. This allows the processing unit 1100 to identify the normal direction of the crack after the crack initiation step, that is, the crack normal vector N(i), in step S5.

例えば、シミュレーションステップi=1の被加工材の形状を基準配置に、シミュレーションステップi=2の被加工材の形状を現在配置とした場合の変形勾配テンソルをF、さらに変形勾配テンソルを転置し、かつ逆行列をとったテンソルをF^(-T)とする。このとき、i=2における亀裂法線ベクトルN(i=2)は、i=1における亀裂法線ベクトルN(i=1)にF^(-T)を作用させることによって表現することができる。具体的には、処理部1100は、以下の破壊条件式である(数12)の履歴を用いて、法線ベクトルN(i=2)を特定する。 For example, the deformation gradient tensor when the shape of the workpiece in simulation step i=1 is set as the reference configuration and the shape of the workpiece in simulation step i=2 is set as the current configuration is denoted as F, and the tensor obtained by transposing the deformation gradient tensor and taking the inverse matrix is denoted as F^(-T). In this case, the crack normal vector N(i=2) at i=2 can be expressed by applying F^(-T) to the crack normal vector N(i=1) at i=1. Specifically, the processing unit 1100 identifies the normal vector N(i=2) using the history of the following fracture condition equation (Equation 12).

Figure 0007571664000012
Figure 0007571664000012

なお、本実施形態では、時間に関するパラメータとして、シミュレーションステップ(i)で規定したが、時間、時刻(t)を用いてもよい。
<<S6:亀裂進展の評価値の計算工程>>
ステップS6では、処理部1100は、亀裂発生位置において、塑性加工シミュレーションの最終ステップまでの各シミュレーションステップにおける亀裂の法線ベクトルN(i)から単位法線ベクトルを求める。そして、処理部1100は、亀裂発生位置における応力成分σ_xx、σ_yy、σ_zz、σ_xy、σ_yz、σ_xzと単位法線ベクトルから亀裂面に作用する応力ベクトルを計算する。そして、ステップS1003にて読み込んだ亀裂進展の計算式を用いて、亀裂の進展の評価値を計算する。なお、処理部1100は、当該評価値をメモリ1200に記録することが望ましい。そして、処理部1100は、評価値を含む各工程(ステップ)の結果を、シミュレーション結果情報1003として記録することが望ましい。さらに、出力部1300が、シミュレーション結果情報1003を出力することが望ましい。
<検証例>
本実施形態は、リング圧延に対して適用可能である。このうち、熱間リング圧延工程において、亀裂の発生が比較的多いNi基合金について、本実施形態へ適用した例を示す。
In this embodiment, the time-related parameters are defined in the simulation step (i), but time or instant (t) may also be used.
<<S6: Calculation process of evaluation value of crack growth>>
In step S6, the processing unit 1100 obtains a unit normal vector from the normal vector N(i) of the crack at each simulation step up to the final step of the plastic processing simulation at the crack occurrence position. Then, the processing unit 1100 calculates a stress vector acting on the crack surface from the stress components σ_xx, σ_yy, σ_zz, σ_xy, σ_yz, σ_xz at the crack occurrence position and the unit normal vector. Then, the processing unit 1100 calculates an evaluation value of the crack growth using the calculation formula of the crack growth read in step S1003. It is preferable that the processing unit 1100 records the evaluation value in the memory 1200. Then, it is preferable that the processing unit 1100 records the results of each process (step) including the evaluation value as simulation result information 1003. Furthermore, it is preferable that the output unit 1300 outputs the simulation result information 1003.
<Verification example>
This embodiment is applicable to ring rolling. Among them, an example of application of this embodiment to a Ni-based alloy, which is relatively prone to cracks in a hot ring rolling process, will be described.

Ni基合金製の矩形の被加工材1を900℃に加熱した後、図7に示す円柱形状の主ロール2と円柱形状のマンドレル3でリングを圧延するプロセスの塑性加工シミュレーションによって、亀裂の発生を判定した。なお、被加工材1の寸法は、内径:450mm、外径600mm、高さ:500mmである。 After heating a rectangular workpiece 1 made of a Ni-based alloy to 900°C, the occurrence of cracks was judged by a plastic processing simulation of the process of rolling a ring with a cylindrical main roll 2 and a cylindrical mandrel 3 shown in Figure 7. The dimensions of the workpiece 1 are inner diameter: 450 mm, outer diameter: 600 mm, and height: 500 mm.

ここでは、破壊値Cの計算式と、亀裂進展の計算式として、それぞれ以下の(数13)~(数18)を用いた。なお、ここでは閾値C0は1に等しく、破壊値Cが1を超えたら亀裂が発生したと判定される。また、この判定は、本実施例の亀裂進展予測装置100の処理部1100で実行可能である。 Here, the following (Equation 13) to (Equation 18) are used as the calculation formula for the destruction value C and the calculation formula for the crack growth, respectively. Note that here, the threshold value C0 is equal to 1, and if the destruction value C exceeds 1, it is determined that a crack has occurred. Furthermore, this determination can be performed by the processing unit 1100 of the crack growth prediction device 100 of this embodiment.

Figure 0007571664000013
Figure 0007571664000013

Figure 0007571664000014
Figure 0007571664000014

Figure 0007571664000015
Figure 0007571664000015

ここで、Ccは温度依存の固有閾値である。 where Cc is the temperature-dependent characteristic threshold.

Figure 0007571664000016
Figure 0007571664000016

Figure 0007571664000017
Figure 0007571664000017

Figure 0007571664000018
Figure 0007571664000018

ここで、σ_cは亀裂面に作用する垂直応力成分である。 Here, σ_c is the normal stress component acting on the crack surface.

シミュレーションの最終ステップにおいて破壊値Cが閾値C0を超過した点の中からリングの上端面内側角部の点P1を選択し、P1に亀裂進展の評価を行った。図8にP1おける破壊値Cと亀裂進展の評価値の履歴を示す。破壊値が閾値を超過した時刻以降に亀裂進展の評価値が計算でき、有限要素モデルの修正なく容易に亀裂進展の予測ができることが確認できた。 In the final step of the simulation, point P1 on the inner corner of the upper end face of the ring was selected from the points where the fracture value C exceeded the threshold value C0, and crack growth was evaluated at P1. Figure 8 shows the history of fracture value C and crack growth evaluation value at P1. It was confirmed that the crack growth evaluation value could be calculated after the time when the fracture value exceeded the threshold value, and that crack growth could be easily predicted without modifying the finite element model.

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本実施形態のある構成の一部を別の構成に置き換えることが可能である。本実施形態の構成に、他の構成を加えることも可能である。つまり、本実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modified examples. For example, the above-described embodiment has been described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to having all of the configurations described. In addition, it is possible to replace a part of a certain configuration of this embodiment with a different configuration. It is also possible to add other configurations to the configuration of this embodiment. In other words, it is possible to add, delete, or replace other configurations with respect to part of the configuration of this embodiment.

以上の本発明の一実施形態によれば、亀裂発生時の亀裂法線方向を特定し、当該時刻における亀裂面を規定するベクトルの座標を記録しているため、亀裂発生以降の亀裂面の法線方向が追跡でき、亀裂進展の評価が可能になる。 According to one embodiment of the present invention, the crack normal direction at the time of crack occurrence is identified and the coordinates of the vector defining the crack surface at that time are recorded, so that the normal direction of the crack surface after crack occurrence can be tracked and crack progression can be evaluated.

1 被加工材、2 主ロール、3 マンドレル、100 亀裂進展予測装置、1100 処理部、1200 メモリ、1210 塑性加工シミュレーションプログラム、1300 出力部、1400 入力部、1001 被加工材特性情報、1002 加工条件情報、1003 シミュレーション結果情報 1 Workpiece, 2 Main roll, 3 Mandrel, 100 Crack growth prediction device, 1100 Processing unit, 1200 Memory, 1210 Plastic processing simulation program, 1300 Output unit, 1400 Input unit, 1001 Workpiece characteristic information, 1002 Processing condition information, 1003 Simulation result information

Claims (13)

塑性加工で被加工材に発生する亀裂の進展を予測する、亀裂進展予測方法において、
前記塑性加工に対する塑性加工シミュレーションにより:
前記被加工材への亀裂の発生の判断と、
前記亀裂が発生した亀裂発生位置を特定し、
前記塑性加工シミュレーション後に:
特定された前記亀裂発生位置において亀裂が発生した、前記塑性加工シミュレーションにおける亀裂発生ステップを特定し、
前記亀裂発生ステップおよび前記亀裂発生位置における前記亀裂の法線方向を示す初期亀裂発生法線ベクトルを特定し、
前記初期亀裂発生法線ベクトルに基づき、前記亀裂発生ステップ以降のシミュレーションステップにおける亀裂法線ベクトルを特定することで、当該亀裂の進展を予測する、
亀裂進展予測方法。
A method for predicting the progress of a crack that occurs in a workpiece during plastic processing, comprising:
Simulation of the plastic processing for the above-mentioned plastic processing:
Determining the occurrence of cracks in the workpiece;
Identifying a crack occurrence position where the crack has occurred;
After the plastic processing simulation:
Identifying a crack initiation step in the plastic processing simulation in which a crack occurs at the identified crack initiation position;
Identifying an initial crack initiation normal vector indicating a normal direction of the crack at the crack initiation step and the crack initiation position;
predicting the growth of the crack by identifying a crack normal vector in a simulation step after the crack generation step based on the initial crack generation normal vector;
Crack growth prediction method.
請求項1に記載の亀裂進展予測方法において、
前記亀裂発生ステップを、破壊条件式の履歴に基づいて特定する、
亀裂進展予測方法。
The crack growth prediction method according to claim 1,
The crack initiation step is identified based on a history of a fracture condition formula.
Crack growth prediction method.
請求項1に記載の亀裂進展予測方法において、
前記亀裂発生ステップに関し:
前記塑性加工シミュレーションで得た前記亀裂発生位置に関する状態情報、を用いて前記初期亀裂発生法線ベクトルを特定し、
以下の要件をいずれも満たす複数の初期亀裂面内ベクトルを特定する、
亀裂発生法線ベクトルと垂直であり、
当該亀裂発生位置が始点、前記被加工材内を終点とし、
それぞれが互いに異なる方向である、
亀裂進展予測方法。
The crack growth prediction method according to claim 1,
With respect to the crack generating step:
Identifying the initial crack initiation normal vector using state information on the crack initiation position obtained by the plastic processing simulation;
Identifying multiple in-plane vectors of the initial crack that satisfy all of the following requirements:
is perpendicular to the crack initiation normal vector,
The crack initiation position is the starting point, and the end point is within the workpiece,
Each is in a different direction,
Crack growth prediction method.
請求項3に記載の亀裂進展予測方法において、
前記亀裂発生ステップより後のシミュレーションステップ各々に関し:
当該シミュレーションステップにおける、前記初期亀裂面内ベクトルの終点の変位後の位置を特定し、
前記変位後の位置を終点とする、亀裂面内ベクトルを特定し、
前記亀裂面内ベクトルに基づいて、亀裂法線ベクトルを特定し、
前記亀裂法線ベクトルに基づいて、前記亀裂の進展の予測を行う、
亀裂進展予測方法。
The crack growth prediction method according to claim 3,
For each simulation step after the crack initiation step:
Identifying a position after displacement of an end point of the initial crack in-plane vector in the simulation step;
Identifying a crack in-plane vector whose end point is the position after the displacement;
Identifying a crack normal vector based on the crack in-plane vector;
A prediction of the growth of the crack is performed based on the crack normal vector.
Crack growth prediction method.
請求項3に記載の亀裂進展予測方法において、
前記塑性加工シミュレーションでは、有線要素法を用いて前記被加工材を複数の要素に分割し、
前記複数の初期亀裂面内ベクトルにおける終点と始点は、同じ要素内である塑性加工における亀裂進展予測方法。
The crack growth prediction method according to claim 3,
In the plastic processing simulation, the workpiece is divided into a plurality of elements using a wire element method;
A method for predicting crack growth during plastic processing, wherein the end points and start points of the multiple initial crack in-plane vectors are within the same element.
請求項3に記載の亀裂進展予測方法において、
予め特定された亀裂面内ベクトルを、前記亀裂発生法線ベクトルを回転軸として、所定角度を繰り返し回転させることで、前記複数の候補位置を特定する塑性加工における亀裂進展予測方法。
The crack growth prediction method according to claim 3,
A method for predicting crack propagation during plastic processing, in which a pre-specified crack in-plane vector is repeatedly rotated a predetermined angle around the crack initiation normal vector as a rotation axis, thereby identifying the multiple candidate positions.
請求項1から6のいずれかに記載の亀裂進展予測方法を、コンピュータに実行させる亀裂進展予測プログラム。 A crack growth prediction program that causes a computer to execute the crack growth prediction method according to any one of claims 1 to 6. 処理部と塑性加工シミュレーションプログラムを格納したメモリを有し、塑性加工で被加工材に発生する亀裂の進展を予測する、亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、前記塑性加工シミュレーションプログラムを実行することで:
前記塑性加工に対する塑性加工シミュレーションにより:
前記被加工材への亀裂の発生の判断と、
前記亀裂が発生した亀裂発生位置を特定し、
前記塑性加工シミュレーション後に:
特定された前記亀裂発生位置において亀裂が発生した、前記塑性加工シミュレーションにおける亀裂発生ステップの特定と、
前記亀裂発生ステップおよび前記亀裂発生位置における前記亀裂の法線方向を示す初期亀裂発生法線ベクトルの特定と、
前記初期亀裂発生法線ベクトルに基づき、前記亀裂発生ステップ以降のシミュレーションステップにおける亀裂法線ベクトルを特定することで、当該亀裂の進展を予測する、
亀裂進展予測装置。
A crack growth prediction device having a processing unit and a memory storing a plastic processing simulation program, which predicts the growth of a crack that occurs in a workpiece during plastic processing, comprising:
The processing unit executes the plastic working simulation program to:
Simulation of the plastic processing for the above-mentioned plastic processing:
Determining the occurrence of cracks in the workpiece;
Identifying a crack occurrence position where the crack has occurred;
After the plastic processing simulation:
Identifying a crack occurrence step in the plastic processing simulation in which a crack occurs at the identified crack occurrence position;
Identifying an initial crack initiation normal vector indicating a normal direction of the crack at the crack initiation step and the crack initiation position;
predicting the growth of the crack by identifying a crack normal vector in a simulation step after the crack generation step based on the initial crack generation normal vector;
Crack growth prediction device.
請求項8に記載の亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、前記亀裂発生ステップを、破壊条件式の履歴に基づいて特定する、
亀裂進展予測装置。
9. The crack growth prediction device according to claim 8,
The processing unit identifies the crack occurrence step based on a history of a fracture condition equation.
Crack growth prediction device.
請求項8に記載の亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、前記亀裂発生ステップに関し:
前記塑性加工シミュレーションで得た前記亀裂発生位置に関する状態情報、を用いて前記初期亀裂発生法線ベクトルを特定し、
以下の要件をいずれも満たす複数の初期亀裂面内ベクトルを特定する、
亀裂発生法線ベクトルと垂直であり、
当該亀裂発生位置が始点、前記被加工材内を終点とし、
それぞれが互いに異なる方向である、
亀裂進展予測装置。
9. The crack growth prediction device according to claim 8,
The processing unit, in relation to the crack generating step,
Identifying the initial crack initiation normal vector using state information on the crack initiation position obtained by the plastic processing simulation;
Identifying multiple in-plane vectors of the initial crack that satisfy all of the following requirements:
is perpendicular to the crack initiation normal vector,
The crack initiation position is the starting point, and the end point is within the workpiece,
Each is in a different direction,
Crack growth prediction device.
請求項10に記載の亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、前記亀裂発生ステップより後のシミュレーションステップ各々に関し:
当該シミュレーションステップにおける、前記初期亀裂面内ベクトルの終点の変位後の位置を特定し、
前記変位後の位置を終点とする、亀裂面内ベクトルを特定し、
前記亀裂面内ベクトルに基づいて、亀裂法線ベクトルを特定し、
前記亀裂法線ベクトルに基づいて、前記亀裂の進展の予測を行う、
亀裂進展予測装置。
The crack growth prediction device according to claim 10,
The processing unit, for each simulation step after the crack initiation step,
Identifying a position after displacement of an end point of the initial crack in-plane vector in the simulation step;
Identifying a crack in-plane vector whose end point is the position after the displacement;
Identifying a crack normal vector based on the crack in-plane vector;
A prediction of the growth of the crack is performed based on the crack normal vector.
Crack growth prediction device.
請求項10に記載の亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、
前記塑性加工シミュレーションでは、有線要素法を用いて前記被加工材を複数の要素に分割し、
前記複数の初期亀裂面内ベクトルにおける終点と始点は、同じ要素内である塑性加工における亀裂進展予測装置。
The crack growth prediction device according to claim 10,
The processing unit includes:
In the plastic processing simulation, the workpiece is divided into a plurality of elements using a wire element method;
A crack propagation prediction device in plastic processing, wherein the end point and start point of the multiple initial crack in-plane vectors are within the same element.
請求項10に記載の亀裂進展予測装置において、
前記処理部は、
予め特定された亀裂面内ベクトルを、前記亀裂発生法線ベクトルを回転軸として、所定角度を繰り返し回転させることで、前記複数の候補位置を特定する塑性加工における亀裂進展予測装置。
The crack growth prediction device according to claim 10,
The processing unit includes:
A crack propagation prediction device for plastic processing that identifies the multiple candidate positions by repeatedly rotating a pre-specified crack in-plane vector by a predetermined angle around the crack initiation normal vector as a rotation axis.
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