Pro-EMFATIC

疲労強度評価ソリューション

製品概要
製品詳細
動作環境

Pro-EMFATIC 製品概要

自動車、重工業、電気・電子、建築・建設などの多岐に渡る分野で用いられている実用機器、構造物は、
多くの場合、繰返し負荷を受けています。
このような場合、発生する応力が静的に安全だとしても、材料が破壊してしまうことがあります。
これは、疲労破壊と呼ばれるもので、常に発生している問題で、構造破壊による事故の主な原因となっています。

疲労が故障・事故の主な原因である以上、設計の段階から疲労による安全評価を行うことが重要です。
しかしながら、疲労解析は、難しい・導入コストが高いといったイメージが先行して、
導入が躊躇されることがしばしばあります。

Pro-EMFATIC(プロ – イー・エム・ファティック)は、構造体の疲労耐久性・寿命・安全率を評価するソフトウェアです。
Pro-EMFATICはFemapのアプリケーションであり、Femap with NX Nastran、NX Nastran、ANSYS、ABAQUS、MARC、MD Nastranなどの解析結果をFemapを通して、安全率、疲労寿命、疲労損傷を評価することができます。

Pro-EMFATICは、Femap APIで開発されたWindowsベースのアプリケーションで、わかりやすく・つかいやすい、
導入しやすいを目指したソフトウェアです。
従来は技術的なスキルや、予算の問題で導入できなかった疲労解析を、
現実的な価格とわかりやすいユーザーインターフェイスを通じて、
製品開発者、設計者、製品性能実験技術者など全てのエンジニアに適する汎用疲労解析ツールとなっています。

Pro-EMFATIC 製品詳細

Femap製品と連携

Femapの解析モデル・解析結果を読み込み、疲労評価を行うことができます。
疲労解析の結果をFemapに取り込みポスト処理を行うことができます。
Femap with NX Nastranと組み合わせることで、CADデータからFEMモデルの作成、解析、疲労評価までをコンパクトにまとめ、最小コストでのソリューションを提供します。

Windowsベースの操作

Pro-EMFATICは、Windowsベースの操作形式を導入しています。
疲労解析に関する一連の作業を簡単にWindows画面で設定することができます。

Pro-EMFATIC初期設定

・疲労評価に用いる応力・ひずみ：最大・最小値法 / 平均値・振幅
・修正ファクタ：応力拡大係数・表面仕上げ係数・寸法係数・荷重拡大(強化)係数
・時刻歴処理：有限要素法の時刻歴解析結果・サーフェイス要素最大損傷方向
・レインフローマトリックスのカスタマイズ(デフォルトの設定で使用可能)

Femapインターフェイス設定

・荷重設定：一定振幅荷重
変動振幅荷重(時刻歴荷重)
荷重サイクルの組み合わせ、(線形・非線形)比例荷重
・有限要素法の解析結果の選択方法：自動選択、カスタマイズ選択
・解析結果のFemapへの書き込み
・Femapでの疲労寿命・損傷コンター図のオプション

解析設定

・疲労解析アルゴリズム、および平均値修正メソッドの選択・Femap解析結果の選択、荷重サイクル構成：
一定振幅荷重、(線形・非線形)比例荷重
変動振幅荷重(線形・非線形の時刻歴荷重)
荷重サイクルの組み合わせ、(線形・非線形)比例荷重
Femapで解析結果のベクトル演算による応力組み合わせの結果も利用可能
・疲労評価の対象位置(要素)の選択

材料データ管理

・材料データのアクティブ化
・材料データ新規入力
・材料データ編集
・材料S-Nカーブ、E-Nカーブのグラフ表示

レインフロー処理とマトリックスデータ管理

・レインフローマトリックスのカスタマイズ設定(デフォルトの設定で使用可能)
・レインフロー計数結果のグラフ表示
・レインフロー荷重サイクルによる損傷のグラフ表示

FEAインターフェイス

Femapを経由して、FEM解析結果を取り込みます。

・NASTRAN
・ABAQUS
・ANSYS
・MARC
・LS-DYNA

ひずみ計測データ

・単一ひずみデータ
・ひずみ時刻歴データ

疲労評価方法

弾性域での疲労(高サイクル疲労)に適した手法

単軸S-N曲線による応力基準の疲労評価

・Mason-Coffin法による応力基準の疲労寿命評価
・Morrowによる応力基準の疲労寿命評価
・Basquinによる応力基準の疲労寿命評価
・ASME BPVC規格による溶接疲労寿命評価
・BWI、BS規格による溶接疲労寿命評価
・Gerber、Goodman、Sodeberg、Morrowによる平均応力補正
・平均応力補正なしも可能

二軸応力基準の疲労評価

・Morrowによる疲労寿命評価
・Basquinによる疲労寿命評価
・ASME BPVC規格による疲労寿命評価
・Gerber、Goodman、Sodeberg、Morrowによる平均応力補正
・平均応力補正なしも可能

弾性域での高サイクル疲労から塑性域での低サイクル疲労までをカバーする手法

単軸E-N曲線によるひずみ基準の疲労評価

・Manson-Coffin則による疲労寿命評価
・Morrow則による疲労寿命評価
・Smith-Watson-Topper則による疲労寿命評価
・最大せん断ひずみによる疲労寿命評価

二軸ひずみ基準の疲労評価

・Manson-Coffin則による疲労寿命評価
・Morrow則による疲労寿命評価
・Smith-Watson-Topper則による疲労寿命評価
・最大せん断ひずみによる疲労寿命評価

多軸ひずみ基準の疲労評価

・Brown-Miller則によるE-N曲線

疲労安全率

疲労限度に対する、現在の設定の応力振幅と平均応力の安全率の計算

・単軸応力基準のGoodman線図による安全率の計算
・単軸応力基準のGerber線図による安全率の計算
・二軸応力基準のGoodman線図による安全率の計算
・二軸応力基準のGerber線図による安全率の計算
・多軸応力基準のDang Van線図による安全率の計算

材料データベース

デフォルトで付属する材料データベース

・SAE BS 970：180種
・溶接(BS7608-1993)：Standard Design(10クラス)、Mean Line(10クラス)
・日本材料学会などの実験データの取り込みが可能
・データベースはxml形式で管理し、自由に編集・追加が可能

荷重サイクルの指定

FEM解析で用いた荷重ケースに基づく荷重サイクルの指定

・一定振幅荷重
・変動振幅荷重
・荷重ケースの組合せ
・データポイントによる荷重定義が可能
・CSV形式での荷重履歴の読込みが可能

解析オプション

・最大・最小値、または振幅・平均値による疲労寿命評価
・最大主応力・最大せん断応力による疲労寿命評価
・疲労評価に用いる応力ひずみベクトルの選択
・Critical Plane法による疲労寿命評価
・一定応力、一定平均応力による疲労安全率評価
・荷重組み合わせによる疲労評価
・応力集中係数による補正
・表面仕上げによる疲労強度補正
・モデルフィルタによる解析範囲のコントロール

ポスト処理

・Femapによる疲労寿命・損傷量のコンター表示
・Femapによる疲労安全率のコンター表示
・レポート自動生成機能

Q&A

Q1）疲労評価はどんなとき行うべきか？

疲労評価はすべての構造物の設計段階で実施するべきでしょう。特に構造破壊が甚大な被害をもたらす場合、疲労評価は必須です。
しかしながら、特定の分野を除いて、設計段階で疲労解析までを行う例は少ないようです。この原因はおもに導入コストと操作性ですが、Pro-EMFATICは設計者が利用できる操作性と製品価格を実現しています。

Q2）金属疲労はどんな風に起こるか？

金属の疲労破壊は、繰り返し作用する荷重によって構造部材に応力集中する微細な部位が生まれ、そこに亀裂が発生して、更に繰り返し荷重を受けると亀裂が進展し、疲労破壊が起こります。
身近な例としては、針金を何度も折り曲げていると表面がくもり、やがて破断します。これは後述する低サイクル疲労の例です。

Q3）高サイクル疲労と低サイクル疲労とは？

高サイクル疲労は、たとえば弾性域で荷重が作用する場合に発生する疲労現象です。機械設計では降伏荷重に対し、安全率をとって設計しますが、十分と思われる安全率をとった構造物が疲労破壊することがあります。一般的に高サイクル疲労による破壊は10万回以上の繰り返し荷重で発生します。
低サイクル疲労は降伏点近くから降伏域で荷重サイクルが作用する場合に見られる疲労現象です。
金属材料の場合、塑性域に入ったとしてもすぐに破断するわけではありません。一般的に低サイクル疲労による破壊は1万回以下の繰り返し荷重で発生します。

Q4）S-N曲線とE-N曲線とは？

S-N曲線は、縦軸に応力の振幅レベルをとり、横軸にその応力振幅での破断までの繰り返し回数をとったものです。S-N曲線は高サイクル疲労の評価に使用します。
E-N曲線は、縦軸にひずみの振幅レベルをとり、横軸にそのひずみ振幅での破断回数をとったものです。E-N曲線は高サイクル疲労でも低サイクル疲労でも使用できます。

Q5）平均応力補正とは？

S-N曲線やE-N曲線は応力の振幅中心をゼロとした試験から得られています。実際の構造物では平均の応力はゼロになるとは限りません。平均応力が正の場合、一般的にS-N曲線やE-N曲線の繰り返し荷重よりも小さな荷重で破断が発生します。この効果を考慮することを平均応力補正と呼びます。

Q6）Pro-EMFATICではどんな平均応力補正を利用しているか？

S-N曲線に対する平均応力補正を行う手法はいくつかあります。Pro-EMFATICでは疲労計算アルゴリズムによって、実用的に使用する以下の手法を利用できます。

・Manson-Coffinの式について：Goodman、Gerber、Soderberg
・Basquin、ASME PBVCの式について：Goodman、Gerber、Soderberg、Morrow
E-N曲線に対する平均応力補正を行う手法もいくつかありますが、Pro-EMFATICでは以下の手法が利用できます。
・Morrow
・SWT（Smith-Watson-Topper）

Pro-EMFATIC 動作環境

OS	スタンドアローン版	Microsoft Windows 10, 11 (64bit)
OS	ネットワーク版	Microsoft Windows 10, 11 (64bit)
CPU	Intel x86互換64bit CPU (Intel 64, AMD 64)
メモリ	4GB 以上 (※推奨 RAM：8GB以上)
ハードディスク	最小セットアップ 1GB 最大セットアップ 4GB ※推奨ソフトウェア使用時 100GB以上の空き
グラフィックス	OpenGL 対応
その他	Simcenter Femap v2401以上(※1) 必須

※1 Pro-EMFATICは、Simcenter Femapのアドオンとして使用します。ご利用に際してはSimcenter Femapが必要になります。