純水素を燃料とする内燃機関が、ターボチャージャーの羽根に壊滅的な破損を生じました。ベンチテスト中に記録されたこの故障は、水素脆化として知られる現象を示しています。VGSTUDIO MAX、SolidWorks CFD、Siemens NXなどの3Dシミュレーションツールを使用することで、高張力鋼へのH2の原子拡散が材料の靭性を低下させ、微粒子の衝撃による破壊を促進したかどうかを分析できます。
故障解析：CTスキャン、CFD、有限要素法 🔍
調査プロセスは、コンピュータ断層撮影（VGSTUDIO MAX）による破断面形状のスキャンと内部の介在物や微細亀裂の検出から始まります。同時に、SolidWorks CFDを使用して、高温高圧の水素が羽根に流れる様子をシミュレーションし、ガス濃度が最も高い領域を計算します。最後に、Siemens NXが水素拡散と応力場を連成させた有限要素解析を実行します。結果は、水素が前縁に蓄積し、鋼の破壊エネルギーを最大40%低下させることを示しています。空気が不活性媒体として作用する従来のガソリンエンジンとは異なり、ここでは水素が金属の結晶格子に浸透し、結合を破壊して脆性を引き起こします。
水素エンジンの疲労シミュレーションへの教訓 ⚙️
この事例は、水素環境下での材料疲労は標準的な鋼のパラメータではモデル化できないことを示しています。原子拡散により、酸化粒子による小さな衝撃が壊滅的な破壊に変わります。シミュレーションエンジニアにとっての課題は、高サイクル疲労解析に水素拡散モデルを統合することであり、これはSiemens NXなどのツールがユーザーサブルーチンを通じて既に可能にしています。水素エンジン用ターボチャージャーの設計においてこの現象を無視することは、早期故障を招くことを意味します。
圧縮機羽根の水素脆化をシミュレーションするエンジニアとして、3Dシミュレーションで破壊の開始点を正確に予測するために、拡散モデルと機械的応力モデルのどの入力パラメータが最も重要だと考えますか？
(追記：材料疲労は、10時間シミュレーションを実行した後のあなたの疲労のようなものです。)