東京都市大、ボルト・ナットの締め付け力を予測するシミュレーション技術を開発

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つなぎ目表面の様子の例:目視(左)と微視レベルの様相(右)

東京都市大学は2017年9月27日、締め付けたボルト・ナットをハンマーなどで叩いた際に生じる振動速度を、コンピューター上で予測するシミュレーション技術を開発したと発表した。これによりボルト・ナットの締め付け力を計算で求められるようになる。

ボルト・ナットを使って部品を締め付けて固定する方法(ボルト締結)は幅広く用いられているが、その剛性の予測/評価のためには、従来の設計/開発では実験から得られた剛性などのデータベースを利用するのが一般的だ。しかし、新たな機械を設計する際、データベースにないものは適用できず、またボルトの締結やゆるみなどによる剛性の変化も、一般的かつ定量的な予測/評価法は確立されていない。

今回の研究では、データベースに頼らない剛性の予測/評価を可能にするため、まず、つなぎ目における微小な凹凸が及ぼす剛性と応力分布への影響を数理的に見積もる力学モデルを開発。これに基づき機械の剛性と応力状態を計算するマルチスケール・シミュレーターを開発した。この技術とデータ同化技術(適宜実測値を入れて補正を行い、シミュレーションの精度を改善する手法)と組み合わせることで、機械全体の剛性、つなぎ目の微小な凹凸、つなぎ目の応力分布の3者を関連付けた。

2枚の板を8本のボルトで締結した試験片による打撃試験では、試験片に生じた振動はシミュレーションでの予測と合致し、つなぎ目表面の粗さが違う試験片に対しても、実測とシミュレーションの数値が合致していた。開発したシミュレーションソフトは実際の振動の速度をよく捉えており、ボルトの締め付け力が設定された時の剛性の高さを推定できるようになった。

打撃試験の様子

今回の成果により、データベースに頼らない剛性の予測/評価が可能になり、材質の強度に応じたボルト・ナットの締め付けも可能になる。例えば自動車産業では、強度が必要な部位には鋼を、それ以外には軽量なアルミ合金を用いるマルチマテリアル構造が主流となりつつあるが、アルミ合金の強度が比較的低いため、負荷を与えすぎない適正な締め付け力が必要となる。現在、マルチマテリアル構造に対する今回の手法の有効性検証と課題抽出を行っており、現場で利用できるソフトウェアを5年以内に実用化することを目指している。

また、既設の大型構造物の老朽化や整備不良に伴う事故の防止や保守管理の省力化とともに、熟練技術者不足の解消にも貢献が期待できる。現在、データ同化シミュレーションを利用して、ボルト周辺を叩いたときの振動の違いから締め付け力を定量的に評価する技術の開発を進めているという。

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