クリープ — CAE用語解説

クリープは一定応力下で時間とともにひずみが増加する現象で、金属では融点の約0.3〜0.5倍の温度（絶対温度）から顕著になる。ガスタービン翼、原子炉構造材、発電所の蒸気管——高温長寿命機器には必須の解析だ。FEMではNorton則（ひずみ速度 = A×σ^n）をはじめとするクリープ構成則を時間積分で実装する。AbaqusのCreep MaterialやAnsysのCreep Optionsで定義できる。

一次クリープ（遷移）は加工硬化で速度が低下する段階、二次クリープ（定常）は硬化と回復がつり合って速度が一定な段階、三次クリープは組織劣化・微視割れで速度が加速して破断に至る段階だ。実務設計では主に二次クリープ速度を問題にする——Norton則はこの定常クリープを表すモデルだ。三次クリープを扱うには連続損傷力学（CDM）モデルが必要で、Lemaitre・Chabocheモデルがよく使われる。予測したいのが「寸法変化」か「寿命」かで必要なモデルが変わる。

それが「クリープ疲労」問題で、最も厳しい高温損傷形態のひとつだ。ガスタービンの熱起動停止サイクルが典型例——起動時の急激な温度変化（熱疲労）と定格運転中の高温クリープが重なる。評価には線形損傷則（Robinson則）でクリープ損傷D_c + 疲労損傷D_f ≤ 1 を確認するのが古典的だが、最近はABCD（Amplitude-frequency-Based Creep Damage）などより精緻なモデルも研究されている。試験データの取得コストが高いから材料データの整備が設計の律速になることが多い。

Norton則の定数A、nの取り扱いがトラブルの元になりやすい。これらは温度依存性が強いから、使用温度範囲でのクリープ試験データが必要だ。材料データブックの値は特定の試験条件（雰囲気、粒径）に依存していることがある。また解析では時間刻みの設定が重要で、クリープひずみが1ステップで増加しすぎると収束が悪くなる。AbaqusのAutomatic Creep Controllerがステップを自動調整してくれるが、初期設定のパラメータTOLERを理解して適切に設定することが大切だ。

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