JP7747958B2 - Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot welds - Google Patents
Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot weldsInfo
- Publication number
- JP7747958B2 JP7747958B2 JP2021195354A JP2021195354A JP7747958B2 JP 7747958 B2 JP7747958 B2 JP 7747958B2 JP 2021195354 A JP2021195354 A JP 2021195354A JP 2021195354 A JP2021195354 A JP 2021195354A JP 7747958 B2 JP7747958 B2 JP 7747958B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crack
- fatigue strength
- length
- stress intensity
- steel plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
本発明は、スポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を適正に評価可能な疲労強度評価方法に関する。 The present invention relates to a fatigue strength evaluation method that can properly evaluate the fatigue strength of a steel plate having spot welds.
近年、自動車分野では、低燃費化のための車体の軽量化と、衝突安全性向上のための車体の高強度化が求められている。これらの要求を両立させるには、車体の材料として、高強度鋼板を適用することが有効である。また、防錆性を高める観点から、高強度鋼板の中でも、耐食性に優れる亜鉛系めっき鋼板が使用されている。 In recent years, the automotive industry has seen a demand for lighter vehicle bodies to improve fuel economy, while also increasing their strength to improve collision safety. To achieve both of these demands, it is effective to use high-strength steel sheets as the material for vehicle bodies. Furthermore, from the perspective of improving rust prevention, zinc-plated steel sheets, which have excellent corrosion resistance, are used among high-strength steel sheets.
自動車の車体の組み立てには、主としてスポット溶接が用いられているが、亜鉛系めっき鋼板にスポット溶接を行うと、スポット溶接部に割れが発生することがある。この割れは、いわゆる液体金属脆性(Liquid Metal Embrittlement、以下では「LME」と略記する)に起因するといわれており、溶接過程における温度上昇や引張応力の発生によって、溶融した亜鉛系めっき金属が鋼板の結晶粒界に侵入して、粒界強度を低下させることが原因であると考えられている。
このLMEに起因した割れ(LME割れ)が著しい場合には、スポット溶接部の静的な強度が低下する場合がある。このため、LME割れを抑制することを目的として、例えば、鋼板やめっきの成分組成や組織を制御する技術や、特許文献1に記載のように、溶接条件を制御する技術などが提案されている。
しかしながら、従来、LME割れが疲労強度に及ぼす影響は明らかではない。このため、疲労強度の観点では、LME割れを抑制する技術開発に限らず、疲労強度に対するLME割れの影響を適正に評価できる方法が望まれている。
Spot welding is primarily used for assembling automobile bodies, but spot welding of zinc-based coated steel sheets can result in cracks at the spot welds. This cracking is said to be caused by so-called liquid metal embrittlement (hereinafter abbreviated as "LME"), which is believed to be caused by temperature rise and tensile stress generation during the welding process, causing the molten zinc-based coated metal to penetrate into the grain boundaries of the steel sheet, reducing the grain boundary strength.
If the cracking caused by LME (LME cracking) is severe, the static strength of the spot weld may decrease. For this reason, in order to suppress LME cracking, for example, techniques for controlling the chemical composition and structure of the steel sheet and the coating, and techniques for controlling the welding conditions as described in Patent Document 1 have been proposed.
However, the effect of LME cracking on fatigue strength has not been clearly understood. Therefore, from the viewpoint of fatigue strength, not only is there a need for technological development to suppress LME cracking, but there is also a need for a method to properly evaluate the effect of LME cracking on fatigue strength.
一般に、割れが疲労強度に及ぼす影響を評価するには、割れをき裂とみなして算出した応力拡大係数が用いられることが多い。応力拡大係数は、き裂の先端近傍における変形場に基づいて、き裂の進展の駆動力を表現する破壊力学パラメータである。通常、き裂の長さが大きくなると、応力拡大係数も大きくなり、疲労強度を低下させる要因になると考えることが多い。
しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、スポット溶接部においては、LME割れ等のき裂の長さが大きくなっても、応力拡大係数が単調増加しない場合があることが分かった。このため、上記の通常の考え方のように、単純に、スポット溶接部に存在するき裂の長さの大小で、応力拡大係数の大小を評価できず、ひいては疲労強度を適正に評価できないことが分かった。
Generally, to evaluate the effect of cracks on fatigue strength, stress intensity factors calculated by treating the cracks as cracks are often used. The stress intensity factor is a fracture mechanics parameter that expresses the driving force for crack propagation based on the deformation field near the crack tip. Normally, as the crack length increases, the stress intensity factor also increases, and it is often thought that this is a factor that reduces fatigue strength.
However, as a result of intensive research by the present inventors, it was found that in spot welds, even if the length of a crack such as an LME crack increases, the stress intensity factor may not increase monotonically. For this reason, it was found that the magnitude of the stress intensity factor cannot be evaluated simply based on the length of a crack present in a spot weld, as in the above-mentioned conventional thinking, and therefore the fatigue strength cannot be properly evaluated.
なお、非特許文献1には、き裂の応力拡大係数の理論解が示されている。
また、非特許文献2には、き裂の開口変位の解析結果に基づき応力拡大係数を算出する方法が記載されている。
Non-Patent Document 1 presents a theoretical solution for the stress intensity factor of a crack.
Furthermore, Non-Patent Document 2 describes a method for calculating a stress intensity factor based on the analysis results of the crack opening displacement.
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するべくなされたものであり、スポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を適正に評価可能な疲労強度評価方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the problems of the conventional technology as described above, and has an object of providing a fatigue strength evaluation method that can properly evaluate the fatigue strength of steel plates having spot welds.
前記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討した結果、前述のように、スポット溶接部においては、き裂の長さが大きくなっても、応力拡大係数が単調増加しない場合があることを見出した。具体的には、スポット溶接部に存在するき裂に対して、一定の方向及び一定の大きさの外力を作用させる条件下で、図1に示すように、き裂の長さLを変化させた場合、応力拡大係数Kは、所定のき裂の長さLrefまでは増加するものの、このき裂の長さLrefよりも大きくなると減少する(すなわち、応力拡大係数Kがき裂の長さLrefで極大値Kmaxを示す)場合があることを見出した。そして、この場合には、き裂の長さLがき裂の長さLrefより大きくても、応力拡大係数Kが小さくなるために、き裂の長さLrefのときの疲労強度に比べて、疲労強度が大きくなることを見出した。
上記のように、応力拡大係数Kがき裂の長さLの変化に対して、極大値Kmaxを示すように変化するのは、スポット溶接部の変形が拘束されることに起因すると考えられる。具体的には、スポット溶接部を有する鋼板が用いられる実際の車体では、複数の鋼板片がスポット溶接部で結合されるため、スポット溶接部は自由に変形することができない。このため、き裂の長さが大きくなっても、その開口変位は単調には増加せず、き裂の長さが所定値を超えると(鋼板の残存板厚が所定値未満になると)、き裂が存在する部分が分担する荷重やモーメントの減少が顕著となって、開口変位が減少するからである、と考えられる。
To solve the above-mentioned problems, the present inventors conducted extensive research and found that, as described above, in spot welds, the stress intensity factor does not monotonically increase even as the crack length increases. Specifically, they found that when an external force of a constant magnitude and direction is applied to a crack in a spot weld and the crack length L is changed as shown in Figure 1, the stress intensity factor K increases up to a predetermined crack length Lref but decreases when the crack length exceeds Lref (i.e., the stress intensity factor K reaches a maximum value Kmax at the crack length Lref ). In this case, the stress intensity factor K decreases even when the crack length L is longer than Lref , resulting in a higher fatigue strength than when the crack length is Lref .
As described above, the reason why the stress intensity factor K changes to reach a maximum value Kmax with changes in the crack length L is thought to be due to the constraint on deformation of the spot weld. Specifically, in an actual vehicle body using steel plate with spot welds, multiple steel plate pieces are joined by spot welds, so the spot welds cannot deform freely. For this reason, even if the crack length increases, its opening displacement does not increase monotonically. However, when the crack length exceeds a predetermined value (when the remaining thickness of the steel plate becomes less than a predetermined value), the load and moment borne by the part where the crack exists decrease significantly, and the opening displacement decreases.
本発明は、本発明者らの上記の知見に基づき完成したものである。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、き裂が存在するスポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を評価する方法であって、以下の各ステップを有することを特徴とするスポット溶接部を有する鋼板の疲労強度評価方法を提供する。
(1)第1ステップ:前記スポット溶接部に存在するき裂の長さLを所定範囲内で変更した前記鋼板の複数の解析モデルを用いて、それぞれ有限要素解析を実行することで、前記き裂の長さLと前記き裂の応力拡大係数Kとの関係を算出し、前記応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示す前記き裂の長さLrefを導出する。
(2)第2ステップ:前記鋼板のスポット溶接部に存在する実際のき裂の長さLrealを測定する。
(3)第3ステップ:前記き裂の長さLrealと前記き裂の長さLrefとを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値Thよりも大きければ、前記鋼板の疲労強度が合格であると判定し、両者の差の絶対値が前記しきい値Th以下であれば、前記鋼板の疲労強度が不合格であると判定する。
The present invention was completed based on the above findings of the present inventors.
That is, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a method for evaluating the fatigue strength of a steel plate having a spot weld in which a crack exists, characterized by comprising the following steps:
(1) First step: Using a plurality of analytical models of the steel plate in which the length L of a crack present in the spot weld is changed within a predetermined range, a finite element analysis is performed for each model to calculate the relationship between the length L of the crack and the stress intensity factor K of the crack, and the length Lref of the crack at which the stress intensity factor K takes on a maximum value Kmax is derived.
(2) Second step: The actual length L real of the crack present in the spot weld of the steel plate is measured.
(3) Third step: The crack length L real is compared with the crack length L ref , and if the absolute value of the difference between the two is greater than a predetermined threshold value Th, the fatigue strength of the steel plate is judged to be acceptable, and if the absolute value of the difference between the two is equal to or less than the threshold value Th, the fatigue strength of the steel plate is judged to be unacceptable.
本発明によれば、第1ステップにおいて、有限要素解析を実行することで、鋼板のスポット溶接部に存在するき裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係を算出する。具体的には、き裂の長さLを所定範囲内で変更した鋼板の複数の解析モデルを用いて、それぞれ有限要素解析を実行することで、き裂の長さL毎に応力拡大係数Kを算出し、上記の関係を算出可能である。そして、第1ステップでは、応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示すき裂の長さLrefを導出する。
次に、第2ステップにおいて、鋼板のスポット溶接部に存在する実際のき裂の長さLrealを測定する。き裂の長さLrealの測定方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、X線CT(Computed Tomography)を用いて測定可能である。
最後に、第3ステップにおいて、き裂の長さLrealとき裂の長さLrefとを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値Thよりも大きければ、鋼板の疲労強度が合格であると判定する。すなわち、き裂の長さLがLrefのときに応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示し、疲労強度が最も低下していると考えられるため、実際のき裂の長さLrealがこのき裂の長さLrefからしきい値Thを超えるだけ離れていれば、応力拡大係数Kが十分に低下し、これに応じて疲労強度も十分に大きくなると考えられるため、鋼板の疲労強度が合格であると判定可能である。逆に、両者の差の絶対値が所定のしきい値Th以下であれば、疲労強度がき裂の長さLがLrefのときに比べて十分に大きくなっていないと考えられるため、鋼板の疲労強度が不合格であると判定可能である。
以上のように、本発明によれば、スポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を適正に評価可能である。
According to the present invention, in the first step, a finite element analysis is performed to calculate the relationship between the length L of a crack present in a spot weld of a steel plate and the stress intensity factor K of the crack. Specifically, by performing finite element analysis on each of a plurality of analytical models of a steel plate in which the crack length L is changed within a predetermined range, the stress intensity factor K is calculated for each crack length L, and the above relationship can be calculated. Then, in the first step, the crack length Lref at which the stress intensity factor K shows a maximum value Kmax is derived.
Next, in the second step, the actual length Lreal of the crack present in the spot weld of the steel plate is measured. The method for measuring the crack length Lreal is not particularly limited, but it can be measured using, for example, X-ray CT (Computed Tomography).
Finally, in the third step, the crack length Lreal is compared with the crack length Lref , and if the absolute value of the difference between the two is greater than a predetermined threshold value Th, the fatigue strength of the steel plate is judged to be acceptable. That is, when the crack length L is Lref , the stress intensity factor K reaches its maximum value Kmax , and fatigue strength is considered to be at its lowest. Therefore, if the actual crack length Lreal is separated from this crack length Lref by more than the threshold value Th, the stress intensity factor K is considered to be sufficiently reduced, and accordingly, fatigue strength is considered to be sufficiently large, so that the fatigue strength of the steel plate can be judged to be acceptable. Conversely, if the absolute value of the difference between the two is equal to or less than the predetermined threshold value Th, it is considered that the fatigue strength is not sufficiently large compared to when the crack length L is Lref , and therefore the fatigue strength of the steel plate can be judged to be unacceptable.
As described above, according to the present invention, it is possible to properly evaluate the fatigue strength of a steel plate having spot welds.
本発明によれば、スポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を適正に評価可能である。このため、従来であれば、き裂の長さが大きいために、一律に疲労強度が不合格であると判定していた鋼板を合格と判定できるケースが生じ、歩留まり向上に貢献できる。また、き裂の長さを過度に低減するための種々の対策を講じるのに必要なコストを削減できる。 The present invention makes it possible to properly evaluate the fatigue strength of steel plates with spot welds. As a result, steel plates that would previously have been uniformly judged to have failed the fatigue strength test due to large crack lengths can now be judged to pass, contributing to improved yields. It also reduces the costs required to take various measures to excessively reduce crack lengths.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部を有する鋼板の疲労強度評価方法(以下、適宜、単に「疲労強度評価方法」という)の概略手順を示すフロー図である。
図2に示すように、本実施形態に係る疲労強度評価方法は、き裂が存在するスポット溶接部を有する鋼板の疲労強度を評価する方法であって、第1ステップST1と、第2ステップST2と、第3ステップST3と、を有する。
以下、各ステップST1~ST3について順に説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 is a flowchart showing an outline of the procedure of a method for evaluating the fatigue strength of a steel plate having spot welds according to one embodiment of the present invention (hereinafter, simply referred to as the "fatigue strength evaluation method" as appropriate).
As shown in FIG. 2 , the fatigue strength evaluation method according to this embodiment is a method for evaluating the fatigue strength of a steel plate having a spot weld in which a crack exists, and includes a first step ST1, a second step ST2, and a third step ST3.
Steps ST1 to ST3 will be described below in order.
<第1ステップST1>
第1ステップST1では、スポット溶接部に存在するき裂の長さLを所定範囲内で変更した鋼板の複数の解析モデル(例えば、後述の図3に示すような解析モデル)を用いて、それぞれ有限要素解析を実行する。そして、第1ステップST1では、前述の図1に示すような、き裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係を算出する。
本実施形態では、き裂の応力拡大係数Kとして、面内開口形(モードI)の応力拡大係数(以下、これを適宜「KI」と称する)を算出するが、必ずしもこれに限るものではなく、有限要素解析における荷重負荷(作用させる外力)の条件に応じて、面内せん断形(モードII)や面外せん断形(モードIII)の応力拡大係数を算出することも可能である。
<First step ST1>
In the first step ST1, a finite element analysis is performed using a plurality of analytical models (for example, an analytical model as shown in Fig. 3 described later) of a steel plate in which the length L of a crack existing in a spot weld is changed within a predetermined range, and the relationship between the crack length L and the stress intensity factor K of the crack, as shown in Fig. 1 described above, is calculated in the first step ST1.
In this embodiment, the stress intensity factor K of the crack is calculated as the stress intensity factor of the in-plane opening type (mode I) (hereinafter referred to as "K I " as appropriate), but this is not necessarily limited to this, and it is also possible to calculate the stress intensity factor of the in-plane shear type (mode II) or the out-of-plane shear type (mode III) depending on the load conditions (external force applied) in the finite element analysis.
き裂の応力拡大係数Kを算出する方法としては、例えば、き裂の開口変位を用いる方法が挙げられる。き裂の開口変位を用いて応力拡大係数を算出する際には、まず、有限要素解析を実行することで、解析モデルにおいてき裂を構成する節点の変位uを算出し、この変位uを2倍した値であるき裂の開口変位2uを算出する。具体的には、き裂の先端からの距離r毎に、き裂の開口変位2uを算出する。そして、き裂の先端からの距離rの平方根と、き裂の開口変位2uとの関係を直線で近似し、近似した直線の勾配2u/r1/2に基づき、き裂の応力拡大係数を算出する。具体的には、例えば、以下の式(1)に基づき、き裂の応力拡大係数を算出する。
応力拡大係数={E/4(1-ν2)}・(2π/r)1/2・u ・・・(1)
上記の式(1)において、Eはき裂が存在する鋼板のヤング率であり、νは前記鋼板のポアソン比であり、πは円周率である。
なお、上記の式(1)は、非特許文献2に記載の式(4.8)及び式(4.16)から導き出すことのできる公知の式である。
One method for calculating the crack stress intensity factor K is to use the crack opening displacement. When calculating the stress intensity factor K using the crack opening displacement, first, a finite element analysis is performed to calculate the displacement u of the node that constitutes the crack in the analytical model, and then the crack opening displacement 2u, which is double the displacement u, is calculated. Specifically, the crack opening displacement 2u is calculated for each distance r from the crack tip. Then, the relationship between the square root of the distance r from the crack tip and the crack opening displacement 2u is approximated by a straight line, and the crack stress intensity factor is calculated based on the gradient 2u/r 1/2 of the approximated line. Specifically, the crack stress intensity factor is calculated, for example, based on the following equation (1):
Stress intensity factor={E/4(1−ν 2 )}·(2π/r) 1/2 ·u (1)
In the above formula (1), E is the Young's modulus of the steel plate in which the crack exists, ν is the Poisson's ratio of the steel plate, and π is the ratio of the circumference of the steel plate to its diameter.
The above formula (1) is a known formula that can be derived from formulas (4.8) and (4.16) described in Non-Patent Document 2.
き裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係としては、例えば、変更した各き裂の長さLの各解析モデルを用いて算出したき裂の応力拡大係数Kに対して、最小二乗法等の近似計算を行うことで算出される、多項式関数等の関数を用いることができる。また、変更した各き裂の長さLの各解析モデルを用いて算出したき裂の応力拡大係数Kを結ぶ折れ線を上記の関係とすることも可能である。さらに、解析モデルの数(長さLを変更するき裂の数)が多い場合には、き裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとを対応付けたテーブルを上記の関係とすることも可能である。 The relationship between the crack length L and the crack stress intensity factor K can be, for example, a function such as a polynomial function calculated by performing an approximation such as the least squares method on the crack stress intensity factor K calculated using each analytical model for each changed crack length L. It is also possible to represent the above relationship as a broken line connecting the crack stress intensity factors K calculated using each analytical model for each changed crack length L. Furthermore, if there are a large number of analytical models (the number of cracks with changed length L), it is also possible to represent the above relationship as a table correlating the crack length L with the crack stress intensity factor K.
そして、第1ステップST1では、き裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係に基づいて、応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示すき裂の長さLrefを導出する。なお、本発明者らの知見によれば、スポット溶接部に存在するき裂に対して、一定の方向及び一定の大きさの外力を作用させる条件下において、き裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係には、単一の極大値Kmaxが存在する(複数の極大値は存在しない)ことになる。 Then, in the first step ST1, the crack length Lref at which the stress intensity factor K shows a maximum value Kmax is derived based on the relationship between the crack length L and the crack stress intensity factor K. Note that, according to the findings of the present inventors, under conditions in which an external force of a certain magnitude and in a certain direction is applied to a crack present in a spot weld, the relationship between the crack length L and the crack stress intensity factor K has a single maximum value Kmax (there are no multiple maximum values).
<第2ステップST2>
第2ステップST2では、鋼板のスポット溶接部に存在する実際のき裂の長さLrealを、X線CT等の公知の手法を用いて測定する。
<Second step ST2>
In the second step ST2, the length L real of the actual crack present in the spot weld of the steel plate is measured using a known technique such as X-ray CT.
<第3ステップST3>
第3ステップST3では、き裂の長さLrealとき裂の長さLrefとを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値Thよりも大きいか否かを判断する(図2のST31)。この結果、両者の差の絶対値がしきい値Thよりも大きければ(図2のST31で「Yes」の場合)、鋼板の疲労強度が合格であると判定する(図2のST32)。一方、両者の差の絶対値がしきい値Th以下であれば(図2のST31で「No」の場合)、鋼板の疲労強度が不合格であると判定する(図2のST33)。
なお、しきい値Thとしては、許容される疲労強度に応じた応力拡大係数に基づいて、適切な値を設定すればよい。具体的には、疲労強度と応力拡大係数Kとは、鋼板のき裂進展特性(応力拡大係数Kとき裂進展速度との関係)に基づいて、定量的に関係付けられる。したがって、許容される疲労強度が与えられれば、これに対応する許容される応力拡大係数K(以下、これをKalと称する)が得られ、ひいては、図1に示すような、き裂の長さLと応力拡大係数Kとの関係から、応力拡大係数Kalに対応する、許容されるき裂の長さL(以下、これをLalと称する)を得ることができる。き裂の長さLalとしては、図1に示すような、き裂の長さLref(応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示すき裂の長さ)よりも小さな値と大きな値との2つの値が得られる。しきい値Thとしては、例えば、き裂の長さLrefと一方のき裂の長さLalとの差の絶対値と、き裂の長さLrefと他方のき裂の長さLalとの差の絶対値とのうち、大きな方を設定すればよい。
<Third step ST3>
In the third step ST3, the crack length Lreal is compared with the crack length Lref , and it is determined whether the absolute value of the difference between them is greater than a predetermined threshold value Th (ST31 in FIG. 2). As a result, if the absolute value of the difference between them is greater than the threshold value Th ("Yes" in ST31 in FIG. 2), the fatigue strength of the steel plate is determined to be acceptable (ST32 in FIG. 2). On the other hand, if the absolute value of the difference between them is equal to or less than the threshold value Th ("No" in ST31 in FIG. 2), the fatigue strength of the steel plate is determined to be unacceptable (ST33 in FIG. 2).
The threshold value Th may be set to an appropriate value based on a stress intensity factor corresponding to the allowable fatigue strength. Specifically, fatigue strength and stress intensity factor K are quantitatively related based on the crack propagation characteristics of the steel plate (the relationship between the stress intensity factor K and the crack propagation rate). Therefore, if an allowable fatigue strength is given, a corresponding allowable stress intensity factor K (hereinafter referred to as K a1 ) can be obtained. In turn, an allowable crack length L (hereinafter referred to as L a1) corresponding to the stress intensity factor K a1 can be obtained from the relationship between the crack length L and the stress intensity factor K as shown in FIG. 1. As the crack length L a1 , two values can be obtained: one smaller than the crack length L ref (the crack length at which the stress intensity factor K reaches its maximum value K max ), and the other larger than it, as shown in FIG. 1. The threshold value Th may be set to, for example, the larger of the absolute value of the difference between the crack length Lref and the length Lal of one crack, and the absolute value of the difference between the crack length Lref and the length Lal of the other crack.
以下、本発明に係る疲労強度評価方法の実施例について説明することで、本発明の特徴をより一層明らかにする。 The following describes examples of the fatigue strength evaluation method according to the present invention, further clarifying the features of the present invention.
<有限要素解析によるき裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係算出>
図3は、本実施例で用いた有限要素解析を実行する解析モデル(鋼板のスポット溶接継手の解析モデル)を示す図である。図3(a)に示す解析モデルは、鋼板片Jaと鋼板片Jbとがスポット溶接された引張せん断継手J(JIS Z 3138「スポット溶接継手の疲れ試験方法」に形状寸法が規定された、溶接部の疲労強度を測定するための標準的な試験片)の解析モデルである。鋼板片の板厚はいずれも1.6mmであり、鋼板片のヤング率が206GPaであり、ポアソン比が0.3である。図3(a)に示す解析モデルは、対称性を考慮して、引張せん断継手Jの1/2のみをモデル化している。
図3(b)は、図3(a)に示す解析モデルのスポット溶接部の拡大図である。図3(b)に示すように、スポット溶接部の直径(ナゲット径)は6mmとし、図3(b)に破線で示す各鋼板片の界面から板厚方向に延び、スポット溶接部の全周に亘るき裂を導入した。き裂の長さ(板厚方向の寸法)Lは、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm及び1.2mmの5種類とした。対向するき裂面とき裂面との間、及び、対向する鋼板片と鋼板片との間には、接触を定義した。
以上の解析モデルにおいて、一方の鋼板片Jaを固定し、他方の鋼板片Jbに面内方向(図3(a)に示す太線矢符方向)の2000Nの荷重を負荷する(外力を作用させる)と共に、荷重の作用位置では板厚方向の変形を拘束する(面内方向の変形だけを許容する)条件で、有限要素解析を実行した。したがって、引張せん断継手の形状は比較的単純であるものの、スポット溶接部の変形拘束状態は、実際の車体における状態に類似したものになる。以上のようにして、有限要素解析を実行することで、応力拡大係数(モードI)を算出した。
<Calculation of the relationship between crack length L and crack stress intensity factor K using finite element analysis>
FIG. 3 is a diagram showing an analytical model (analysis model of a spot-welded joint of steel plates) used in the finite element analysis in this example. The analytical model shown in FIG. 3(a) is an analytical model of a tensile-shear joint J (a standard test piece for measuring the fatigue strength of a weld, the shape and dimensions of which are specified in JIS Z 3138 "Fatigue test method for spot-welded joints") in which steel plate pieces Ja and Jb are spot-welded. The thickness of each steel plate piece is 1.6 mm, the Young's modulus of the steel plate pieces is 206 GPa, and the Poisson's ratio is 0.3. In consideration of symmetry, the analytical model shown in FIG. 3(a) models only half of the tensile-shear joint J.
Figure 3(b) is an enlarged view of the spot weld of the analysis model shown in Figure 3(a). As shown in Figure 3(b), the diameter (nugget diameter) of the spot weld was set to 6 mm, and a crack was introduced extending from the interface between each steel sheet shown by the dashed line in Figure 3(b) in the sheet thickness direction and around the entire circumference of the spot weld. The crack length (dimension in the sheet thickness direction) L was set to five lengths: 0.2 mm, 0.5 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, and 1.2 mm. Contact was defined between opposing crack surfaces and between opposing steel sheets.
In the above analysis model, finite element analysis was performed under the following conditions: one steel plate Ja was fixed, and a load of 2000 N was applied (external force was applied) to the other steel plate Jb in the in-plane direction (the direction of the thick arrow in Figure 3(a)), and deformation in the plate thickness direction was constrained (only deformation in the in-plane direction was allowed) at the load application position. Therefore, although the shape of the tensile shear joint is relatively simple, the deformation constraint state of the spot weld is similar to that in an actual vehicle body. By performing finite element analysis in this manner, the stress intensity factor (mode I) was calculated.
図4は、本実施例で算出したき裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係を示す図である。図4に示すように、き裂の長さLが0.8mm(Lref=0.8mm)であるときに応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示すことが分かる。したがって、き裂の長さLが0.8mmよりも小さくても大きくても、応力拡大係数Kは小さくなり、疲労強度は向上すると考えられる。 4 is a diagram showing the relationship between the crack length L and the crack stress intensity factor K calculated in this example. As shown in Fig. 4, the stress intensity factor K reaches its maximum value Kmax when the crack length L is 0.8 mm ( Lref = 0.8 mm). Therefore, it is considered that the stress intensity factor K decreases and the fatigue strength improves whether the crack length L is greater or less than 0.8 mm.
<疲労試験による検証>
図3に示す解析モデルと継手の形状・寸法やスポット溶接部の直径等が同じである、実際の引張せん断継手の疲労試験を実施し、前述の有限要素解析による疲労強度の評価結果の妥当性を検証した。疲労試験に用いた鋼板片は亜鉛系めっき鋼板であり、引張強さが980MPa級である。溶接条件を調整することで、溶接部に板厚方向のき裂(LME割れ)を導入した。き裂の長さ(狙い値)は、0.5mm、1.0mmとした。
疲労試験は、室温・大気中で、応力比(最小荷重/最大荷重)=0.1の条件で実施し、200万回時間強度を疲労強度と定義した。200万回時間強度は、200万回の繰り返しでスポット溶接部が破断する確率が50%となる荷重範囲(最大荷重-最小荷重)を意味する。図4において、き裂長さL=0.5mm、1.0mmに対する応力拡大係数Kは同程度(約12.5MPa・mm1/2)であるため、疲労強度は同等になると予想される。なお、本疲労試験に用いた引張せん断継手では、き裂はスポット溶接部の半周程度にしか亘っていないが、この場合にも、き裂の長さLと応力拡大係数Kとの関係は、図4に示すものと同様の関係になることを、別途、有限要素解析で確認している。
<Verification by fatigue test>
A fatigue test was conducted on an actual tension-shear joint, which had the same joint shape and dimensions and spot weld diameter as the analytical model shown in Figure 3, to verify the validity of the fatigue strength evaluation results obtained by the finite element analysis described above. The steel sheet pieces used in the fatigue test were zinc-plated steel sheets with a tensile strength of 980 MPa. By adjusting the welding conditions, a crack (LME crack) was introduced into the weld in the thickness direction. The crack lengths (target values) were 0.5 mm and 1.0 mm.
The fatigue test was conducted at room temperature in air under a stress ratio (minimum load/maximum load) of 0.1, and the fatigue strength was defined as the 2 million cycles strength. The 2 million cycles strength refers to the load range (maximum load - minimum load) where the probability of the spot weld breaking after 2 million cycles is 50%. In Figure 4, the stress intensity factor K for crack lengths L = 0.5 mm and 1.0 mm is similar (approximately 12.5 MPa·mm 1/2 ), so the fatigue strength is expected to be similar. In the tension-shear joint used in this fatigue test, the crack only extends about halfway around the spot weld. However, separate finite element analysis confirmed that the relationship between the crack length L and the stress intensity factor K is similar to that shown in Figure 4 .
本疲労試験で評価した引張せん断継手の疲労強度を表1に示す。
なお、非特許文献1に記載の理論解に従えば、片側き裂を有する有限厚さの板(ここでは1.6mm)が曲げ負荷を受ける場合(2次元問題)を例に考えると、以下の式(2)~(4)から、き裂の長さ1.0mmの応力拡大係数KIは、き裂の長さ0.5mmの応力拡大係数KIの約2.6倍になる。
KI=σ・(πa)1/2・F(α) ・・・(2)
α=a/W ・・・(3)
F(α)=1.122-1.40α+7.33α2-13.08α3+14.0α4・・・(4)
ここで、aはき裂の長さ[mm](本実施例では、a=0.5mm、1.0mm)、Wは板厚[mm](本実施例では1.6mm)である。
According to the theoretical solution described in Non-Patent Document 1, if we consider an example in which a plate of finite thickness (here, 1.6 mm) with a one-side crack is subjected to a bending load (two-dimensional problem), the stress intensity factor K I for a crack length of 1.0 mm is approximately 2.6 times the stress intensity factor K I for a crack length of 0.5 mm, based on the following equations (2) to (4).
K I =σ・(πa) 1/2・F(α) ...(2)
α=a/W...(3)
F(α)=1.122-1.40α+7.33α 2 -13.08α 3 +14.0α 4 ...(4)
Here, a is the crack length [mm] (in this example, a=0.5 mm, 1.0 mm), and W is the plate thickness [mm] (1.6 mm in this example).
以上のように、理論解に従えば、き裂の長さ0.5mmに対して、き裂の長さ1.0mmの疲労強度は、応力拡大係数Kが約2.6倍に増加することに起因して、大幅に低下すると予測され、疲労試験の結果と大きく異なることになる。したがって、図4に示すようなき裂の長さLとき裂の応力拡大係数Kとの関係を、有限要素解析を実行することで予め算出して把握しておくことで、許容される(疲労強度が合格と判定される)き裂の長さ(Lreal±Th)を適正に評価可能である。
換言すれば、図4に示すような関係を予め把握していない場合には、理論解のように、き裂の長さが大きいほど疲労強度が低下するという誤った判断をしてしまうおそれがある。この結果、き裂の長さが大きければ一律に疲労強度が不合格であると判定して歩留まりが低下したり、き裂の長さを過度に低減するための種々の対策を講じるのに無駄なコストが嵩むといった弊害が生じる可能性がある。
As described above, according to the theoretical solution, the fatigue strength of a crack length of 1.0 mm is predicted to be significantly lower than that of a crack length of 0.5 mm due to an increase in the stress intensity factor K of approximately 2.6 times, which is significantly different from the results of the fatigue test. Therefore, by calculating and understanding in advance the relationship between the crack length L and the crack stress intensity factor K as shown in Figure 4 by performing finite element analysis, it is possible to properly evaluate the allowable crack length (L real ±Th) (at which the fatigue strength is judged to be acceptable).
4, there is a risk of misjudging that the fatigue strength decreases as the crack length increases, as in the theoretical solution. As a result, there is a possibility that any crack with a large length will be uniformly judged to have a failure in fatigue strength, resulting in a decrease in yield, or that various measures to excessively reduce the crack length will result in unnecessary increases in costs.
K・・・応力拡大係数
Kmax・・・応力拡大係数の極大値
L・・・き裂の長さ
Lref・・・応力拡大係数が極大値を示すき裂の長さ
Lreal・・・実際のき裂の長さ
ST1・・・第1ステップ
ST2・・・第2ステップ
ST3・・・第3ステップ
K: stress intensity factor K max : maximum value of stress intensity factor L: crack length L ref : length of crack where stress intensity factor shows maximum value L real : actual crack length ST1: first step ST2: second step ST3: third step
Claims (1)
前記スポット溶接部に存在するき裂の長さLを所定範囲内で変更した前記鋼板の複数の解析モデルを用いて、それぞれ有限要素解析を実行することで、前記き裂の長さLと前記き裂の応力拡大係数Kとの関係を算出し、前記応力拡大係数Kが極大値Kmaxを示す前記き裂の長さLrefを導出する第1ステップと、
前記鋼板のスポット溶接部に存在する実際のき裂の長さLrealを測定する第2ステップと、
前記き裂の長さLrealと前記き裂の長さLrefとを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値Thよりも大きければ、前記鋼板の疲労強度が合格であると判定し、両者の差の絶対値が前記しきい値Th以下であれば、前記鋼板の疲労強度が不合格であると判定する第3ステップと、を有する、
ことを特徴とするスポット溶接部を有する鋼板の疲労強度評価方法。 A method for evaluating fatigue strength of a steel plate having a spot weld in which a crack exists, comprising:
a first step of performing finite element analysis on each of a plurality of analytical models of the steel plate in which the length L of a crack present in the spot weld is changed within a predetermined range, thereby calculating a relationship between the length L of the crack and a stress intensity factor K of the crack, and deriving a length Lref of the crack at which the stress intensity factor K shows a maximum value Kmax ;
A second step of measuring the actual crack length L real present in the spot weld of the steel plate;
a third step of comparing the crack length L real with the crack length L ref , and determining that the fatigue strength of the steel plate is acceptable if the absolute value of the difference between the two is greater than a predetermined threshold value Th, and determining that the fatigue strength of the steel plate is unacceptable if the absolute value of the difference between the two is equal to or less than the threshold value Th.
A method for evaluating fatigue strength of a steel plate having spot welds, characterized by :
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021195354A JP7747958B2 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot welds |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021195354A JP7747958B2 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot welds |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023081555A JP2023081555A (en) | 2023-06-13 |
| JP7747958B2 true JP7747958B2 (en) | 2025-10-02 |
Family
ID=86727962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021195354A Active JP7747958B2 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot welds |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7747958B2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001056272A (en) | 1999-08-17 | 2001-02-27 | Kazuo Tateishi | Measuring method of stress enlarging factor |
| JP2010156668A (en) | 2008-05-09 | 2010-07-15 | Nippon Steel Corp | Fatigue life estimation device of welded structure, fatigue life estimation method of welded structure, and computer program |
| CN106289975A (en) | 2016-08-12 | 2017-01-04 | 上海电气电站设备有限公司 | The test method of material domain fracture toughness |
| US20190197211A1 (en) | 2016-06-20 | 2019-06-27 | Safran Aircraft Engines | Method for estimating stress intensity factors and method for calculating associated service life |
| JP2019120560A (en) | 2017-12-28 | 2019-07-22 | 三菱重工コンプレッサ株式会社 | Evaluation method for rotary machine remaining life, evaluation system for rotary machine remaining life, and evaluation program for rotary machine remaining life |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10946470B2 (en) * | 2015-12-16 | 2021-03-16 | Jfe Steel Corporation | Resistance spot welding method and welded member production method |
-
2021
- 2021-12-01 JP JP2021195354A patent/JP7747958B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001056272A (en) | 1999-08-17 | 2001-02-27 | Kazuo Tateishi | Measuring method of stress enlarging factor |
| JP2010156668A (en) | 2008-05-09 | 2010-07-15 | Nippon Steel Corp | Fatigue life estimation device of welded structure, fatigue life estimation method of welded structure, and computer program |
| US20190197211A1 (en) | 2016-06-20 | 2019-06-27 | Safran Aircraft Engines | Method for estimating stress intensity factors and method for calculating associated service life |
| CN106289975A (en) | 2016-08-12 | 2017-01-04 | 上海电气电站设备有限公司 | The test method of material domain fracture toughness |
| JP2019120560A (en) | 2017-12-28 | 2019-07-22 | 三菱重工コンプレッサ株式会社 | Evaluation method for rotary machine remaining life, evaluation system for rotary machine remaining life, and evaluation program for rotary machine remaining life |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023081555A (en) | 2023-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9555504B2 (en) | Method for assembling aluminum alloy parts by welding | |
| EP3195973B1 (en) | Laser welded joint and laser welding method | |
| Dehabadi et al. | Application of artificial neural network to predict Vickers microhardness of AA6061 friction stir welded sheets | |
| Ramulu et al. | Forming limit investigation of friction stir welded sheets: influence of shoulder diameter and plunge depth | |
| Zhang et al. | Effects of weld penetration on tensile properties of 2219 aluminum alloy TIG-welded joints | |
| Qian et al. | Competing fracture modes in Al-steel resistance spot welded structures: Experimental evaluation and numerical prediction | |
| Chen et al. | Multiple nonlinear regression prediction model for process parameters of Al alloy self-piercing riveting | |
| Sun et al. | Strength estimation of self-piercing rivets using lower bound limit load analysis | |
| Ferreira et al. | Investigation of internal defects and premature fracture of dissimilar refill friction stir spot welds of AA5754 and AA6061 | |
| JP7747958B2 (en) | Fatigue strength evaluation method for steel plates with spot welds | |
| de Sousa Santos et al. | Refill friction stir spot welding of aerospace alloys in the presence of interfacial sealant | |
| Leitner et al. | Fatigue strength of HFMI-treated and stress-relief annealed high-strength steel weld joints | |
| Sen et al. | Fabrication of longitudinal welded tube of aluminum alloy for structural application using friction stir welding process and its characterization | |
| Sandnes et al. | On the fatigue properties of a third generation aluminium-steel butt weld made by Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) | |
| Kang et al. | Fatigue behavior of dissimilar aluminum alloy spot welds | |
| Sheikhi et al. | Effect of process parameter on mechanical properties of friction stir welded tailored blanks from aluminium alloy 6181-T4 | |
| Slany et al. | Analysis of bimetal pipe bends with a bend of 0.7 D with a cladding layer of Inconel 625 | |
| Moltasov et al. | Effect of load eccentricity on stress condition of butt welded joint with asymmetrical reinforcement | |
| Sabokrouh et al. | Correlation between the weld residual stresses and its tensile and impact strength | |
| Fakhri et al. | Mechanical behaviour and failure mechanism of resistance spot welded aluminium and copper joint used in the lightweight structures | |
| JP7046780B2 (en) | A method for manufacturing a 7000 series aluminum alloy member. | |
| Fakhri et al. | Stress Intensity Factor For Aluminum And Copper Spot Weld Joints | |
| JP7846373B2 (en) | Method for estimating the stress intensity factor of welded joints | |
| JP2025064091A (en) | Method for estimating stress intensity factors for welded joints | |
| Kumar et al. | Residual Stress in FSSW Process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240821 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250527 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250603 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250609 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250819 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250901 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7747958 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |