一次応力が無い場合の3本棒熱ラチェット挙動の検討

Study on thermal ratchetting of a three bar specimen without primary stress

柄谷 和輝; 山下 卓哉; 月森 和之; 中村 貢*; 岩田 耕司

Garatani, Kazuteru; Yamashita, Takuya; Tsukimori, Kazuyuki; Nakamura, Mitsugu*; Iwata, Koji

FBRをはじめとする各種原子力機器の設計において熱応力ラチェット変形は防止すべき重要な破損様式のひとつである。このような変形を制限するため、FBRの設計では1次応力と2次応力の相互作用を考慮したBree線図が用いられている。しかし大きな温度変動が局所的に存在する場合、降伏応力の温度依存性により1次応力が無くとも2次応力のみでラチェット変形が発生する可能性がある。本研究はこの現象を試験およびFEM解析により確認し、さらにそのメカニズムを理論的に検証することを目的とするものである。本研究で得られた結果をまとめると以下のようになる。(1)両端をお互いに拘束したSUS304鋼の3本棒ラチェット試験体の中央の棒の室温(20C)500Cの繰返し熱負荷を与えると、圧縮側にラチェット変形が発生することを実験により確認した。(2)汎用構造解析システムFINASにより、構造モデルとして非線形繰返し非硬化領域モデル(大野モデル)を用いて試験を模擬したFEM解析を実施した。これより試験で計測されたラチェット変形を精度よく予測することができた。(3)降伏応力の温度依存性を考慮した弾完全塑性モデルにより、3本棒熱ラチェット試験において1サイクルあたりに発生するラチェットひずみRを理論的に導き以下の式を得た。ただしラチェットはb)式右辺第1項が第2項より大きい場合に発生する。(4)(3)で示した理論解は試験の初期数サイクルのラチェット変形量を予測した。これより、このラチェットの発生が降伏応力の温度依存性に起因することを確認した。

The thermal stress ratchetting is one of the important failure modes to be prevented in the design of FBR components. To avoid this kind of deformation, the Bree diagram expressed by the combination of primary and secondary stresses has been used in the design of FBR. However, even without primary stress, there is a possibility of ratchetting due to temperature dependence of yield stress when large variations of temperature exist locally. The purpose of this study is to confirm those phenomena by experiment and FEM analysis, and to prove this mechanism by a theoretical model. The following results were obtained. (1) The occurrence of compressive ratchetting deformation was demonstrated by a three bar thermal ratchetting test where the temperature of the central bar was varied cyclically from 20C to 500C. (2) The analysis of the three bar ratchetting test was performed by using the nonlinear cyclic hardening model (Ohno model) installed in FINAS. It is confirmed that the result of analysis represents the experimental ratchetting behavior well. (3) The ratchetting strain per one cycle : of a three bar thermal ratchetting model was derived by using the elastic-perfect plastic model in consideration of temperature dependence of yield stress. [=- : the first cycle a)] [=- : following cycle b)] : thermal expansion ratio, T : variation of temperature, E : Young's modulas, , ; :yield stress at higher and lower temperature respectively. The ratchetting occurs when the first term of right side is greater than the second term of b) equation. (4) The analytical solution by (3) represents well the initial ratchetting behavior of the test. This type of ratchetting occurs due to the temperature dependence of the yield stress of the material.