応力 - ライフ サイクル(S-N)カーブ

疲労強度は、異なるレベルの周期的な応力を個別の試験片に適用し、破損までのサイクル数を測定することによって決定できます。 疲労データ点のグラフ表現は、周期的応力または代替応力の振幅(S - 縦軸)に対する破損までのサイクル数(N - 横軸)です。 疲労強度は、特定のサイクル数で疲労破壊が発生する応力と定義されます。 以下に標準的な S-N カーブを示します。

通常、サイクル数 N ではなく、N の 10 を底とする対数が使用されます。これは、N 値の範囲は一般的に広いためです。 SOLIDWORKS Simulation では、S-N カーブの中間データ点を得るために、3 種類の補間スキームから選択できます: ログ-ログ、半-ログ、線形。 SN 補間スキームの例については、SOLIDWORKS Simulation ヘルプ: SN 補間スキームの例.

試験片は、選択されている最大サイクル数(通常は 1000 万サイクル)内で破壊が発生しなくなるまで応力レベルを下げながらテストされます。 カーブのほぼ水平の部分は、試験材料の疲労限界または耐久性限界を示します。 適用された応力振幅が材料の耐久性限界より低い場合、試験片は無限寿命を持つといいます。 アルミニウム、マグネシウム、銅合金などの多くの非鉄金属および合金の場合、明確な耐久性限界はなく、カーブの低応力部分は水平の線に収束しません。 このような材料では、S-N カーブは下がり続けます。

材料の S-N カーブでは、周期的応力振幅(または代替応力)と特定の応力比 R で破壊が発生するために必要なサイクル数の関係が示されます。応力比 R は、最大周期的応力に対する最小周期適応力の比と定義されます。 完全反転加重の場合、R = -1 です。加重が適用されて除去される場合は(反転しない)、R = 0 です。

完全反転加重、R = -1 ゼロ基準加重、R = 0
Fatigue_fully_reversed.gif

Fatigue_zero_based_positive.gif

Fatigue_zero_based_negative.gif

実験の結果、平均応力が試験片の耐疲労性に大きく影響することがわかっています。 すべての材料について、異なる応力比 R に対応する複数の S-N カーブ(最大 10 個)を定義できます。ソフトウェアは、S-N カーブ間の線形補間を使用して、特定の応力比に対するデータを抽出します。

応力比 R = -1(完全可逆またはゼロ平均)による S=N カーブが材料の疲労解析プロパティ定義に使用された場合は、補正手法(Goodman、Gerber、または Soderberg)を選択してゼロではない平均応力の効果を考慮することが可能です。

S-N カーブは、平均の疲労寿命か、特定の破壊確率に基づいています。 材料の S-N カーブを作成するには、交番応力、平均応力(あるいは応力比)を統計的に変更して、破壊までのサイクル数をカウントする試験を多く実行する必要があります。

S-N カーブを作成する試験は、荷重が制御された環境下で実行されます。 通常、S-N カーブは完全反転応力サイクルでの単軸荷重から得られます。 一般に、実際の荷重環境は複数軸であるため、疲労強度を減らすことが必要になる場合があります。 ソフトウェアでは、この不一致を考慮するため、耐疲労性減少率疲労 ダイアログ ボックスに用意されています。