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内圧作用する金属容器の耐圧強度について
- 金属容器の設計検討で悩んでいます。設計条件は板厚0.5mm、半径70mm、長さ80mm、材質SPCE(引張強度280MPa、降伏応力250MPa)となっています。この深絞り容器がどの程度の内圧に耐えられるかを検討しています。
- 解析ソフトを用いて主応力を求め、材料が割れる内圧を検討しています。また、試作品にて耐圧限界を見て、解析結果と比較しています。解析では深絞りのエッジ部に応力集中し、0.2～0.3MPaで引張強度をオーバーした結果になりましたが、実験では3MPaまで容器の割れはなく、シール部から洩れが生じました。
- この結果から、解析の条件がまずい可能性が考えられます。薄肉円筒の周方向応力を考慮した場合でも、3MPaの内圧に対して引張強度を超えているはずです。しかし、深絞りによる加工硬化により金属が弾性域を保っていることが考えられます。経験のある方の意見を求めています。
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小生も、回答（３）さんの内容にて差が生じていると思います。 > 解析では深絞りのエッジ部に応力集中し、0.2～0.3MPaで引張強度オーバーしたのに対し、 > 実験では3MPaまでかけても容器の割れがなく、…… の十倍の差が生じていることが？？？です。 詳細形状が判りませんが、“深絞りのエッジ部に応力集中し”の部分は、薄肉円筒の周方向 応力の考慮でなく、薄肉球体の応力の考慮ではないでしょうか？ ガスタンクを球体にする場合は、より薄肉でタンクが製作できます。 （中立軸によって、内側が引張応力、外側が圧縮応力が掛かり、外側の部分がより多く応力を 受けれる構造になるに近い形状になっているのでは？）
その他の回答 (3)
絞りの加工硬化による強化が数十％あるのでは？ http://www.mrfujii.jp/products/wirerod/tensile.htm SPCC 1/4調質 引張強さ370～490 N/mm2 一方絞りの板厚減少はコーナが大きい。単純化するなら上記資料では 1/4調質=20%減面 程度？ 結局、増分も減分もあってギリギリ状態ではないでしょうか ＞解析では深絞りのエッジ部に応力集中し、0.2～0.3MPaで引張強度オーバー メッシュの切り方次第。応力集中で大きくはなっても、板厚全体を均すとそれほど違うはずはないでしょう。 でないと、手計算で行う薄肉円筒＝タンクの設計が出来なくなってしまう。 ＞局部的にこういう力は発生するものと考えています 正しいでしょうが、その分塑性変形する均し効果があるのでは？ ＞時間を長くしてやれば 静的には観測しにくくとも、少しの応力振幅を与えれば、疲れ破壊 ＞亀裂の進展が進み、割れる 薄肉円筒の式は、その単純さからも応力は板厚内で均一と考える。 均一でないのは厚肉円筒。ＦＥＭの解はこれになっているのでは？ いずれが妥当なのは明らかでしょう。
素人回答ですので、あてにしない方がいいかも知れませんが、多少でも ご参考になればと思い回答します。 ＞薄肉円筒の周方向応力を考えても、3MPaの内圧に対し ＞σθ=P×r/t=3×70/0.5=420MPa で完全に引張強度を超えている 確かにご指摘のとおりと思いますが、次のようなことを考慮することが 適切と思います。 (1)板厚：0.5mmと記載されていますが、深絞りで成形した品物であれば、 板厚の分布がある筈ですので、実際の板厚を使って計算する。 (2)深絞り成形すれば、加工硬化が発生するので、応力－ひずみ曲線は、 素材のものとは異なる。 （降伏点、引張強さともに、素材より高い値となる） (3)引張強度：280MPaは、素材において保証される最低値であって、実力 はかなり高い値である。・・・できれば、実際に使った素材で（或いは 深絞り後の製品で）引張試験を行って実力データで検討する。 (4)引張試験のデータや素材の規格値は見かけの応力であるのに対して、 おそらく解析ソフトの計算結果は真応力を示している・・・大変形を 扱う場合は、真応力で比較しないときちんとした比較ができない。 CPCEの実力の応力－ひずみ曲線があれば好都合なのですが、ちょこっと 探した範囲では見つけられませんでした。
おそらく、深絞りなので、Π のような形状ではないかと推察しますが。。。 実際の耐圧テストした製品の形状をまづ細かく調べることが重要だと思います つまり、どれ位の変形量が残ったか判るのであれば応力の状態も分ると思う 戻って、実際の耐圧後の製品形状は少なからず、∩ のような鏡板形状になって いるのでは無いですか？これ以降は私の推測だが、形状が変化することによって 応力集中した隅Ｒ部の応力はある時点から一定になったのだと思います。それは フタ板平板部が変形することがそれを証明しているのではないかと私は考えます
補足
ご回答ありがとうございます。 加工硬化、確かに影響してそうです。実物の強度調べたいと思います。 >>メッシュの切り方次第。応力集中で大きくはなっても、板厚全体を均すとそれほど違うはずはないでしょう。 メッシュはどういう設定にしても、最大主応力はほぼ変わりません。恐らく、局部的にこういう力は発生するものと考えています。局所的な箇所に過度な応力がかかるだけでは、割れには進展しないのでしょうか？この場合、実験で加圧時間を今は10秒程度だが、時間を長くしてやれば、亀裂の進展が進み、割れるということもあるのでしょうか？ まだまだ設計者として未熟者なので、設計の考え方を教えてください。 製品の応力として考えなければいけないのは最大主応力orミーゼス応力だと考えていましたが、解析すると、単軸応力よりも大きい値が出て、それを満たすような設計が出来れば、解析結果を反映、無理そうなら単軸応力で考えても良い。(ただし、試験で実物は評価) こんな考え方なのでしょうか？