R1/2019年 機械・ 材料強度・信頼性 U−2−1

問題文  U-2-1 (2枚以内にまとめよ)

 長年使用した機械構造物の保守担当責任者として、構造強度的な観点から継続使用の可否を判断する場合、下記の内容について記述せよ。

(1)   調査、検討すべき事項とその内容について説明せよ。

(2)   検討を進める業務手順について、留意すべき点、工夫を要する点を含めて述べよ。

(3)   業務を効率的、効果的に進めるための関係者との調整方策について述べよ。


模範解答1   (簡易答案1)    添削履歴9    作成日2020/4/2    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


1.調査、検討すべき事項とその内容

1)機械構造物の故障部位や故障傾向の確認:これまでの故障履歴から頻繁に故

障する箇所や機械特性を把握する。

2)疲労破壊が想定される個所の確認:溶接部や異種材接合部等、長年の使用で

き裂が進行する可能性がある。

3)腐食による劣化状況確認:防食部の劣化や通常腐食が進行しない部位でも腐

食が進行し、腐食疲労や応力腐食割れが発生するケースがあり調査を行う。 

2.検討を進める業務手順について  

@   過去トラブル、類似製品や他業界でのトラブル事例から頻繁に故障する部品や構造、また機械特性を把握することで検査対象を絞り込む。

A   疲労破壊や腐食等、検査対象の部品毎に破壊形態や機械特性に応じた評価法を選択する。

B   溶接部や摺動部等、目視できる部位は表面を磁化器により磁化させ、表面に着色した鉄粉を散布し、き裂付近の漏洩磁束によって凝集した鉄粉を視認することで疲労破壊の原因となるき裂を検出する。

C   機械構造物の部材内部あるいは直接観察できない裏面や部品のはめ合い面に存在する疲労破壊の原因となるキズを超音波探傷試験で行い部材表面から検出する。

D   腐食による塗装部の塗膜剥離や膜厚減少を目視や触診により確認する。また塗装面の上から母材表面を渦電流電磁場測定法により表面開口キズを検出する。

3.関係者との調整方策 

@   磁粉探傷、超音波探傷等、様々な検査業務を1人で兼務することで多能工化し、人材育成するメリットを検査会社に促すことで生産工程の改善を進め効率化する。

A   機械構造物の寿命予測に関して、検査会社が提案する検査方法や検査器具は受け入れる代わりに寿命予測を行う構造設計理論に基づく解釈に基づく評価方法は検査会社に申し入れ、事前に食い違いを防止する。

B   超音波探傷試験は定置式の自動超音波探傷試験装置を活用により省人化による効率化を図ることを検査会社に申し入れる。装置の利用により省人化、工程短縮が図れ、大幅に保守費を低減できるメリットと引き換えに装置を無償貸与するよう社内の資産管理部門に合意を得る。


以下はこの受講生様が練習課題としてお考えになった調整方策についての参考例です。 

本講座では、ご自身が不安な知識について、このような方法で任意に練習課題の指導も受け付けております。

 

C   超音波探傷試験は定置式の自動超音波探傷試験装置を活用により省人化による効率化を図ることを検査会社に申し入れる。装置の利用により省人化、工程短縮が図れ、大幅に保守費を低減できるメリットと引き換えに装置を無償貸与するよう社内の資産管理部門に合意を得る。

D   磁粉探傷の塗装剥離作業の手間を省くため渦電流を用いたACFM(交流電磁場測定法)を活用するよう検査会社に申し入れる。この時、機具損料は高くなるが工程短縮、作業環境改善効果を説明して検査会社に効率化への協力を促す。

E   検査用図面から検査用帳票を自動作成する機能及びデータベースサーバと通信可能なタブレットPCの利便性を点検・補修業者に伝え利用を促す。またクラウドでのデータ共有や同期による検査業務効率化のメリットを情報管理部門に伝え、検査会社への無償貸与の合意を得る。


模範解答1   (簡易答案2)    添削履歴2    作成日2020/4/7    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


 

(1) 調査、検討すべき事項とその内容

@機械構造物の故障部位や故障傾向の確認

これまでの故障履歴から頻繁に故障する箇所や機械特性を把握する。

A疲労破壊が想定される箇所の確認

溶接部や異種材接合部等、長年の使用でき裂が進行する可能性がある。

B腐食による劣化状況確認

防食部の劣化や通常腐食が進行しない部位でも腐食が進行し、腐食疲労や応力腐食割れが発生するケースがあり調査を行う。

 (2) 検討を進める業務手順について 

@検査対象の絞り込み

過去トラブル、類似製品や他業界でのトラブル事例から頻繁に故障する部品や構造、また機械特性を把握することで検査対象を絞り込む。

A評価法の選択 

強磁性体で溶接表面に疲労による開口した割れ状欠陥の検出は磁粉探傷試験を選択する。一方、腐食による肉厚低下、また直接観察できない裏面や内部欠陥の検出は超音波探傷試験を選択する。

C表面探傷による検査

溶接部や摺動部等、表面のキズは磁化器により磁化させ、表面に着色した鉄粉を散布し、き裂付近の漏洩磁束によって凝集した鉄粉を視認することで疲労破壊の原因となるき裂を検出する。

D内部欠陥の探傷による検査

機械構造物の部材内部あるいは直接観察できない裏面や部品のはめ合い面に存在する疲労破壊の原因となるキズを超音波探傷試験で行い部材表面から検出する。

E腐食による塗装検査

腐食による塗装部の塗膜剥離や膜厚減少を目視や触診により確認する。

 (3)関係者との調整方策 

@検査会社への多能工活用要請

多能工の活用を検査会社に申し入れ、業務の進捗に併せて必要な場所に必要な人数を配置可能とすることで業務を平準化させ、効率化する。この時、業務量を平準化することで工程短縮によるコストダウン効果があることを説明して検査会社に効率化への協力を促す。

A検査会社への交流電磁場測定法活用要請

磁粉探傷の塗装剥離作業の手間を省くため渦電流を用いた交流電磁場測定法を活用するよう検査会社に申し入れる。この時、機具損料は高くなるが工程短縮、作業環境改善効果を説明して検査会社に協力を促す。

B検査会社との構造設計理論解釈食い違い防止の事前調整

機械構造物の寿命予測に関して、検査会社が提案する検査方法、器具を受け入れる代わりに構造設計理論に基づく寿命予測の解釈は受け入れるよう申し入れ業務を効率化する。


模範解答1   (完成答案)    添削履歴0    作成日2020/4/8    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


(1)調査、検討すべき事項とその内容

@機械構造物の故障部位や故障傾向の確認

これまでの故障履歴から頻繁に故障する箇所や機械特性を把握する。

A疲労破壊が想定される箇所の確認

溶接部や異種材接合部等、長年の使用でき裂が進行する可能性がある。

B腐食による劣化状況確認

防食部の劣化や通常腐食が進行しない部位でも腐食が進行し、腐食疲労や応力腐食割れが発生するケースがあり調査を行う。

 (2)検討を進める業務手順について

@検査対象の絞り込み

 過去トラブル、類似製品や他業界でのトラブル事例から頻繁に故障する部品や構造、また機械特性を把握することで検査対象を絞り込む。

A評価法の選択      

 強磁性体で溶接表面に疲労による開口した割れ状欠陥の検出は磁粉探傷試験を選択する。一方、腐食による肉厚低下、また直接観察できない裏面や内部欠陥の検出は超音波探傷試験を選択する。

C表面探傷による検査

 溶接部や摺動部等、表面のキズは磁化器により磁化させ、表面に着色した鉄粉を散布し、き裂付近の漏洩磁束によって凝集した鉄粉を視認することで疲労破壊の原因となるき裂を検出する。

D内部欠陥の探傷による検査

 機械構造物の部材内部あるいは直接観察できない裏面や部品のはめ合い面に存在する疲労破壊の原因となるキズを超音波探傷試験で行い部材表面から検出する。

E腐食による塗装検査

 腐食による塗装部の塗膜剥離や膜厚減少を目視や触診により確認する。

(3)関係者との調整方策 

@検査会社の職長への多能工活用要請

 作業現場において多能工の活用を職長に申し入れ、業務進捗に併せて必要な場所に必要な人数を配置可能とすることで業務を平準化させ、効率化する。この時、業務量を平準化することで工程短縮によるCD効果がある旨を職長に説明し効率化への協力を促す。

A検査会社への交流電磁場測定法活用要請

 磁粉探傷の塗装剥離作業の手間を省くため渦電流を用いた交流電磁場測定法を活用するよう検査会社に申し入れる。この時、機具損料は高くなるが工程短縮、作業環境改善効果を説明して検査会社に協力を促す。

B検査会社との構造設計理論解釈食い違い防止の事前調整

機械構造物の寿命予測に関して、検査会社が提案す

る検査方法、器具を受け入れる代わりに構造設計理論に基づく寿命予測の解釈は受け入れるよう申し入れ業務を効率化する。


解説

 

(1)問題趣旨に対する考え方、取り組み方などについて

設問で問われている内容や趣旨をしっかり読み解くようにしてください。問題一つ一つにある言葉について出題者の意図を想像することです。

そして、問いに素直に端的に答えること。的外れにならないように注意して、問いに対して本質を示すように。各論ではなく考え方を示すことです。

問いに対して「ここではこの技術内容を示すべきだ」と判断するためには、技術的な体系をご自分の中で整理しておく必要があります。

実務での経験を問われているのだと、意識して答えるようにしてください。

的外れな答えにならないよう、特異なニッチの分野に没頭しないよう、汎用的な技術内容を選択するように注意してください。

そのためには、専門知識の引き出しを広げる必要があります。いわゆるキーワード学習のようにただ言葉の意味を暗記する便器用では通用しません。キーワードが示す技術の内容について、様々な視点から問われた場合を想定して、特徴、留意点、課題、具体的な活用法などを整理しておく必要があります。

 

 (2) 論旨のまとめ方、書き方などについて

単刀直入にシンプルに表現できるように思考力、表現力を磨いてください。

特徴とは、第3者がみて即判断根拠となる内容であることです。特徴の裏側にある原理的な背景を示すことです。2つ示すのであれば特徴の違いがはっきり際立たせるように表現しなければなりません。

留意点は目的とかねらいを示し、それを読んで行動できるように具体的に示します。提案に添えることで、提案価値を高められる、独創的で経済価値を高めるものを考案します。

対策や行動を示す際にその理由や根拠を示してください。なぜなら、採点者が、答案中の理由や根拠を読み取ることで、その解答者が再現性のある考え方を持っていると認識でき、その結果採点者が採点しやすくなるからです。

説明に矛盾がないように注意してください。意味がわからない内容は書かないように。根拠なく、経験だけで答えることもよくありません。また記載にダブりがないように注意してください。こうした記述が答案中にあると、技術者としての信頼を失墜します。

技術士は人に教える職務と言われますが、自らの業務でも即座に判断できる程度の高い知識を保有していないと、人に教えることなどできません。そのような、根拠に富んでブレない知識、判断力を答案中に表すことです。

留意点として制約事項を挙げて、それが経験や知識であるかのように書く方もいます。慎重な姿勢はわかりますが、しかしそのものではいけません。この受講生様もこのような考えたようです。例えば、「シェル要素の特徴は薄肉形状への適用性が高い」それに対して、シェル要素の留意点が「3次元データをそのまま使えないため中立面の抽出が必要」では制約事項になっています。しかし3次元データを使おうとした解析者は、そのままでは使えず、結局仕方なく中立面を抽出せざるを得ません。つまり誰でも必然的に、すなわち留意点がわかっていても、いなくても、中立面の抽出はせざるを得ないのです。逆にこのことを知らないのは素人・・。このような留意点は提案として生きていないため、あまり好ましいとは言えません。

留意点とは、提案に添えることで、提案の価値、すなわち技術者の評価を高めるものでなければなりません。

留意点とは独創的な技術応用であり、経済価値を高めるものとお考え下さい。

事業主にプレゼンなどで留意点を伝えたときにどんな反応があるか想像してください。本来は歓迎されものですが、しかし留意点がもし「〇〇ができない」という制約事項などであった場合、事業主は失望するに違いありません。そして、すかさず質問を切り返してくるはずです。「では、それを乗り越えるには何をすればよいか」と。それが真の留意点です。



R1/2019年 機械・ 材料強度・信頼性 V−1

問題文  V-1 (3枚以内にまとめよ)

 機械システムでは局所的な破壊が大規模な構造破壊に発展し、大事故に至ることがある。このような状況を踏まえて、以下の問いに応えよ。

(1)    局所破壊から大規模破壊に至る可能性のある事象を具体的に設定してその概要を示すとともに、大事故を防止あるいは被害を軽減するため、技術者の立場で多面的な観点から課題を抽出し分析せよ。

(2)    抽出した課題のうち最も重要と考える課題を1つ挙げ、その課題に対する複数の解決策を示せ。

(3)    解決策に共通して新たに生じうるリスクとそれへの対策について述べよ。


模範解答1   (簡易答案1)    添削履歴6    作成日2020/5/8    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


1. 事象の概要及び課題の抽出と分析

概要 鉄道車両の台車枠にき裂が発生して剛性が低下して振動が増幅し、それに伴い走行を担う車軸が折損することで車両が脱線し、横転して大破する。

@ フェイルセーフ構造設計

き裂が発生しても残りの部分で健全性が確保でき、車軸への過大な振動による荷重を与えないようフェイルセーフ構造を採用する。

A 安全寿命設計

台車枠のき裂進展に伴う振動増加による車軸への繰り返し応力増加への影響をふまえ、高周波焼入れによる疲労強度向上により安全寿命設計を行う。

B 故障予知設計

車軸が折損した後、車輪が脱線する前に異常を検知し、脱線を防止する安全策を講じる。

2. 課題(フェイルセーフ構造設計)の解決策

@  リタンダント構造

部材の1つが破壊しても、他の部材で荷重を分担する構造とする。

A  バックアップ構造

部材が破壊されると予備の部材が荷重を受け持つ構造とする。

B  ロード・ドロッピング構造

き裂が補強材までくると補強材が荷重を受けき裂の進展を防ぐ構造とする。

3.解決策に共通して新たに生じうるリスクとそれへの対策

1) 解決策に共通して新たに生じうるリスク

解決策はいずれも複数の部品で荷重を分担する構造であるが、一度に部品が破損する事態が発生する場合、破壊を防止できない。

2) リスクへの対策

ある程度の損傷は起こることを前提で損傷許容設計を提案する。非破壊検査で発見できるき裂サイズを初期欠陥とし、限界き裂サイズを設定の上、実験とパリス則により初期欠陥から限界き裂サイズに至る期間を求め、その期間内に複数回の非破壊検査を実施できるよう整備計画を立てる。


模範解答1   (簡易答案2)    添削履歴2    作成日2020/5/12    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


(1) 事象の概要及び課題の抽出と分析

概要 鉄道車両の台車枠の一部にき裂が発生して剛性が低下し、台車の振動が増幅することに伴い走行を担う車軸が折損することで車両が脱線し、横転して大破する。

@ フェイルセーフ構造設計

台車枠の一部にき裂が発生しても残りの部分で健全性が確保でき、車軸に致命的な過大な振動による荷重を与えないようフェイルセーフ構造を採用する。

A 安全寿命設計

台車枠のき裂進展に伴い台車の振動が増加し、車軸に加わる繰り返し荷重が増加する。このため車軸と車輪のはめ合い部に高周波焼入れを施し、圧縮残留応力付加に伴う疲労強度向上による安全寿命設計を採用する。

B 故障予知設計

車軸が折損した後、車輪が脱線する前に異常を検知し、脱線を防止する安全策を講じることにより故障予知設計を採用する。 

(2) 課題(フェイルセーフ構造設計)の解決策

@リタンダント構造

台車横バリ間をつなぐ、つなぎハリは複数以上とし、それぞれのハリは荷重を分担して受け持ち、一つの部材が破壊してもそのハリの分担荷重は数多くの他のハリに分配させ、全体としては致命的負担とはならない構造とする。

Aバックアップ構造  

台車枠の横ハリが破壊されるとその予備の横ハリが代わって荷重を受け持つ構造とする。

Bロード・ドロッピング構造

台車フレームのき裂が補強材までくると台車フレーム補強材が荷重を受け進展を防ぐ構造とする。

 (3)解決策に共通して新たに生じうるリスクとそれへの対策

@解決策に共通して新たに生じうるリスク 

フェイルセーフ構造で複数部材を活用した結果、材料強度や荷重の不確かさと相まって応力分布が変化し、複数部材が同時に破壊するケースが起こるリスクがあり、この場合は破壊を防止できない。

Aリスクへの対策(損傷許容設計)

1)き裂サイズ設定による基準値明確化

非破壊検査で発見できるき裂サイズを初期欠陥とし急速に破壊に至るき裂を限界き裂サイズとする。

2)限界き裂サイズに至る期間の決定

実験とパリス則(N=∫(1/CΔKm)da)により初期欠陥から限界き裂サイズに至る期間を求め、この期間内に複数回の非破壊検査を実施できるよう整備計画を立てる。

3)整備による機能回復

整備により偶発的な損傷や環境による劣化および金属の疲労によって生じる構造劣化を適時に発見し、その機能を回復させる。


模範解答1   (完成答案)    添削履歴2    作成日2020/5/14    機械部門  材料強度・信頼性    専門事項 強度設計


(1)事象の概要及び課題の抽出と分析

概要 鉄道車両の台車枠の一部にき裂が発生して剛性が低下し、台車が通常時に対して振動が増幅することで走行を担う車軸に過大な繰り返し荷重が加わり、疲労により折損することで車両が脱線し、横転して大破する。

@フェイルセーフ構造設計

 台車枠の一部にき裂が発生しても残りの部分で健全性が確保でき、車軸に致命的な過大な振動による荷重を与えないよう台車枠にフェイルセーフ構造設計を採用する。

A安全寿命設計      

 台車枠のき裂進展に伴い台車の振動が増加し、車軸

に加わる繰り返し荷重が増加する。このため設計目標の寿命中に疲労により致命的な破損を生じないよう、車軸の車輪とのはめ合い部に高周波焼入れを施し、圧縮残留応力を付加することで疲労強度を向上させる安全寿命設計を採用する。

B故障予知設計

 車軸が折損した後、車輪が脱線する前に台車枠の構造上のゆがみやずれ等の異常を歪ゲージや近接センサー等により検知し、緊急停止させることにより脱線を未然に防止する安全策を講じる故障予知設計を採用する。 

 (2)課題(フェイルセーフ構造設計)の解決策

台車枠き裂の段階で致命的な破壊に進展しないよう、台車枠にフェイルセーフ構造設計を採用することが最も重要な課題と考え、解決策を以下に示す。

@リタンダント構造

台車横バリ間をつなぐ「つなぎハリ」は複数以上とし、それぞれのハリは荷重を分担して受け持ち、一つの部材が破壊してもハリの分担荷重は数多くの他のハリに分配させ、全体としては致命的負担とはならない構造とする。

@  バックアップ構造

 台車枠の側バリ間をつなぐ「横ハリ」が破壊されるとその予備のハリが代わって荷重を受け持つようにすることで全体としては致命的負担とはならない構造とする。

A  ロードドロッピング構造

 台車枠の側バリを構成するフレームのき裂が、補強材まで進展するとフレームの補強材が荷重を受け、進展を防ぐようにすることで、全体としては致命的な負担とはならない構造とする。

(3)解決策に共通して新たに生じうるリスク、対策 

@解決策に共通して新たに生じるリスク

 フェイルセーフ構造で複数部材を活用した結果、材料強度や荷重の不確かさと相まって応力分布が変化し、複数部材が同時に破壊するケースが起こるリスクがあり、この場合は破壊を防止できない。

B  リスクへの対策

1)初期き裂寸法決定による初期値設定

非破壊検査で発見できるき裂サイズを初期欠陥とし、疲労き裂進展解析で用いる初期き裂寸法を決定し、初期値を定する。

2)限界き裂サイズ決定による寿命設定

破壊力学の観点で、急速に破壊に至るき裂を「限界き裂サイズ」とし、a=1/π(Kc/σ)2(a:き裂サイズ、Kc:破壊靭性値、σ:基準応力)から求める。

3)限界き裂サイズに至る期間の決定

実験とパリス則N=∫(1/CΔKm)da(N:回数、C、m:材料計数、K:応力拡大係数、a:き裂サイズ)により、初期欠陥から限界き裂サイズに至る期間を求める。

4)整備計画の決定

 初期欠陥から限界き裂サイズに至る期間の間に複数回の非破壊検査を実施できるよう整備計画を立てる。

5)整備による機能回復

 整備により偶発的な損傷や環境による劣化および金属の疲労によって生じる構造劣化を適時に発見し、その機能を回復させる。

以上のように、台車枠の損傷が軽微な段階において適切に予防保全を行うことで、大規模破壊を回避することで可能となる。


解説

(1)課題の分析のしかたについて

多面的な観点での分析の仕方は、素直に出題内容に沿って、かつダブりがないような内容とすればわかりやすいです。

具体的な機械を挙げ、事象を具体的に設定する問題では、その機械だけに特化した内容を示せば正解できます。

概要を挙げた後に課題の抽出と分析を示す場合は、概要にそった内容の分析結果を示せれば解答しやすいです。

課題を複数挙げる場合は、この答案のように、もし同じような視点で複数挙げることができれば解答しやすいです。

 

(2) 解決策の提案、方策の考え方、書き方などについて

問題文をオウム返しに書き写すことは不要です。見出しは答案ですので、簡潔に示せば十分通じます。

解決策を複数挙げる場合は、似たような内容にせず、漏れなくダブりがない内容で提案するようにしてください。

最も重要だと考える課題を選んだ理由を詳しく述べる必要はありません。選定理由を求められることはありますが、それは主題ではありません。前置きを入れず端的に解決策を示せばよいのです。

まとめの文章では簡潔に概念思考し、回りくどい言い方はしないよう、専門用語を活用して説明すれば解答をまとめやすいです。

(3)リスクの導き方、書き方などについて

ただ「〇〇が悪くなる」などと説明するなど、常識的なことをリスクとして挙げるのではなく、予測困難な経済損失事象をえりすぐってリスクとして示せれば技術士にふさわしい分析力を示せます。

リスクは、解決策に挙げた内容に由来するものに限定し、解決策からはずれた内容にならないよう注意してください。