熱疲労 — CAE用語解説

そう、それが典型的な熱疲労だ。エンジン始動で排気温度が急上昇し、停止で冷える。この繰り返しでマニフォールドに熱応力が発生して、数千〜数万サイクルでクラックが進展する。温度差が大きいほどダメージも大きいよ。

機械的疲労は外部荷重の繰り返しが原因だけど、熱疲労は温度変化に伴う熱応力の繰り返しが原因だ。温度変化の幅が大きいと塑性ひずみが生じるから、低サイクル疲労（10⁴回以下で破壊）になることが多い。

FEMで熱-構造連成解析を行う。まず過渡熱解析で温度履歴を求め、次にその温度を荷重として弾塑性解析で応力・ひずみ履歴を計算する。

得られた塑性ひずみ範囲$\Delta\varepsilon_p$からCoffin-Mansonの式$N_f = C(\Delta\varepsilon_p)^{-n}$で寿命を予測する。エキゾーストマニフォールドなら高温側でクリープも考慮する必要があるから、ひずみ範囲法にクリープ損傷を足す場合もあるよ。

そのとおり。高温保持でクリープひずみが蓄積すると、疲労とクリープの相互作用で寿命が大幅に短くなる。タービンブレードやエンジンバルブの設計では、この疲労-クリープ相互作用が最大の設計課題だよ。

• 疲労 — 機械的疲労との違いを理解しておくことが重要
• 熱応力 — 熱疲労の駆動力となる繰り返し応力の源
• 低サイクル疲労 — 塑性ひずみ主体の疲労で、ε-N曲線で評価

その通り。材料データも高温側が重要で、600℃以上でのε-N曲線やクリープ特性が必要になる。データがなければ試験で取得するしかない。熱疲労は設計の上流段階から温度分布をコントロールすることが最善の対策だよ。