JP3697667B2

JP3697667B2 - Fatigue damage detection sensor for structural materials

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Publication number: JP3697667B2
Application number: JP2002363105A
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Inventors: 猛森; 允阿部
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Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2005-09-21
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造材料の疲労損傷検知センサーにかかるもので、とくに橋梁、発電設備、圧力容器、鉄塔、その他の建築物などの構造物、さらには建設機械などの機械構造、その他の機器の構造材料の疲労損傷度を検知する構造材料の疲労損傷検知センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、特許文献１および２に開示があるように、橋梁その他の構造物における構造材料の疲労損傷度を低コストでかつ容易に検知するための疲労損傷検知センサーがある。
この疲労損傷検知センサーは、鋼橋などの構造材料の表面に取り付け可能な所定長さを有するステンレス鋼その他の板状部材から構成した検知センサー本体に切欠き部をあらかじめ形成しておき、この切欠き部の尖端部からの亀裂の伸びを計測することにより疲労損傷度を検知可能とする。
【０００３】
図２４は、このような従来の疲労損傷検知センサー１の平面図、図２５は、同、正面図であって、疲労損傷検知センサー１は、均一の厚さの検知センサー本体２を有し、この検知センサー本体２の中央部を検知領域３とし、この検知領域３の中央部においてその一側方から内方に向かって所定長さの切欠き部４をあらかじめ形成してある。
検知センサー本体２の両側領域は、左右一対の固定領域５としてあり、橋梁その他の構造材料である母材６に対して接着剤層７により、検知領域３を母材６の表面から浮かした状態で検知センサー本体２を接着している。
【０００４】
母材６すなわち疲労損傷検知センサー１に外力が加わると、切欠き部４の尖端部８に応力が集中し、尖端部８から亀裂９が発生することになるが、この亀裂９の進展状況ないしは進展長さなどを検知するクラックゲージ１０（図２４）を設けるか、あるいは亀裂９を撮影可能な撮影手段１１（図２５）を設けている。
【０００５】
こうした構成の疲労損傷検知センサー１において、構造材料である母材６よりも先に切欠き部４の尖端部８に亀裂９が発生するため、発生した亀裂９をクラックゲージ１０あるいは撮影手段１１により正確に検出し、亀裂９の進展およびそのインターバルから亀裂９の進展速度を検出する。
この進展速度にもとづいて、作用した応力、およびある時間に作用した応力から等価応力を算出し、母材６の累積疲労の程度および亀裂発生寿命を推定することができる。
かくして、疲労損傷検知センサー１によるモニタリング期間における母材６の応力履歴を、切欠き部４からの亀裂進展量として収録し、母材６が受ける疲労損傷度を検知ないし監視することができる。
【０００６】
ところで、亀裂９先端近傍の応力の大きさを示すパラメーターとして応力拡大係数Ｋがある。
ゲージ長さ２Ｈの疲労損傷検知センサー１（検知領域３）内の亀裂９に対する応力拡大係数Ｋは、近似的に、
Ｋ＝σ・Ｈ^1/2 式（１）
で与えられることが知られている。ただし、σは、疲労損傷検知センサー１内の公称応力である。
また、亀裂９の進展速度ｄａ／ｄＮは、応力拡大係数Ｋの変動範囲△Ｋの関数となることが知られている。すなわち、
ｄａ／ｄＮ＝Ｃ・（△Ｋ）³ 式（２）
である。ただし、ａは、亀裂９の長さ（あるいは切欠き部４を含む亀裂９の長さ）、Ｎは、外力の繰り返し数、Ｃは定数である。なお、疲労損傷検知センサー１の幅をＷとする。
△Ｋ＝△σ・Ｈ^1/2 式（３）
であるので、
ｄａ／ｄＮ＝Ｃ・（△σ・Ｈ^1/2）³ 式（４）
となる。
すなわち、亀裂９の進展速度ｄａ／ｄＮは、疲労損傷検知センサー１の長さＨの関数となる。
【０００７】
したがって、亀裂９の進展速度ｄａ／ｄＮを大きくして、より短時間に母材６の疲労損傷度を検知するためには、疲労損傷検知センサー１の長さ２Ｈをより長くすることが考えられるが、これは疲労損傷検知センサー１自体の大型化につながり、取扱いに不便であるなど、好ましいものではないという問題がある。
そこで、長さ２Ｈを長くすることなく、コンパクトで母材６の疲労損傷度を十分に早期に検知可能な感度を有する疲労損傷検知センサーの開発が要請されるに至った。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２９５２５７６号公報
【特許文献２】
特許第２９５２５９４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、構造材料その他の母材の疲労損傷度を十分に早期に検知可能な感度を有する構造材料の疲労損傷検知センサーを提供することを課題とする。
【００１０】
また本発明は、検知領域の見かけ上の長さを伸ばすことが可能な構造材料の疲労損傷検知センサーを提供することを課題とする。
【００１１】
また本発明は、全体を大型化することなく、切欠き部の尖端部における亀裂の進展速度を加速可能な構造材料の疲労損傷検知センサーを提供することを課題とする。
【００１２】
また本発明は、亀裂の進展速度を制御可能な構造材料の疲労損傷検知センサーを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、疲労損傷検知センサーの検知領域における亀裂を発生させる部分に、より応力集中を起こしやすくすること、たとえば検知領域の厚さを部分的に変更すること、すなわち、切欠き部の部分には厚さ減少部を形成し、その他の部分を増厚部とすることに着目したもので、外力が加わる構造材料の疲労損傷の程度を検知するための構造材料の疲労損傷検知センサーであって、上記構造材料の表面に取り付け可能な所定長さを有する板状部材から構成するとともに切欠き部を形成する検知センサー本体を有し、この検知センサー本体を、上記構造材料の上記表面に固定する左右一対の固定領域と、この固定領域の間にあってその中央部に上記切欠き部を形成するとともにこの固定領域の間において上記構造材料から浮いた状態にある検知領域と、に画成し、この検知領域の厚さを上記切欠き部に向かって小さくする厚さ減少部を設けるとともに、上記切欠き部の歪みをεnとし、上記検知領域の平均歪みをεとし、上記検知領域の長さを２Ｈとし、上記厚さ減少部を設けたことにより見かけ上長くなる上記検知領域の換算長さをＨcとしたときに、Ｈc／Ｈ＝εn／ε、とすることを特徴とする構造材料の疲労損傷検知センサーである。
【００１４】
上記厚さ減少部は、これを断面矩形状とすることができる。
【００１５】
上記厚さ減少部は、これを断面三角形状とすることができる。
【００１６】
上記厚さ減少部は、これを断面台形状とすることができる。
【００１７】
上記厚さ減少部は、これを断面円形状とすることができる。
【００１８】
上記厚さ減少部は、これを断面シャルピー型とすることができる。
【００１９】
上記厚さ減少部の形状を選択することにより、上記切欠き部の尖端部における亀裂の進展速度を制御可能とすることができる。
【００２０】
上記切欠き部の尖端部から進展可能な亀裂の長さをａとし、上記検知領域に作用する外力の回数をＮとし、亀裂進展速度をｄａ／ｄＮとし、ｄａ／ｄＮの加速の程度をｄαとしたときに、ｄα＝（Ｈc／Ｈ）^3/2、とすることができる。
【００２１】
本発明による構造材料の疲労損傷検知センサーにおいては、その検知領域の厚さを切欠き部に向かって小さくする厚さ減少部を設けて、亀裂を形成する部分の厚さを部分的に変更することにより、この切欠き部の尖端部に応力が集中しやすくして亀裂の進展速度を早めるとともに、切欠き部の歪みをεnとし、検知領域の平均歪みをεとし、検知領域の長さを２Ｈとし、厚さ減少部を設けたことにより見かけ上長くなる検知領域の換算長さをＨcとしたときに、Ｈc／Ｈ＝εn／ε、として、亀裂の進展速度を疲労損傷検知センサーの形状ないしその各部の寸法から演算可能とすることができる。
さらに、厚さ変更部の形状を任意に選択することにより、応力集中の度合いを調節して、亀裂の進展速度を制御可能とすることができる。
したがって、疲労損傷検知センサー（検知領域）の見かけ上の長さを伸ばすことが可能となって、センサーを高感度とするとともにコンパクトに製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の第１の実施の形態による構造材料の疲労損傷検知センサー２０を図１および図２にもとづき説明する。ただし、図２４および図２５と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、疲労損傷検知センサー２０の斜視図、図２は、図２５と同様の、同、正面図であって、疲労損傷検知センサー２０は、検知センサー本体２１を有し、検知センサー本体２１は、その中央部の検知領域２２と、両側領域における左右一対の固定領域２３と、に画成してある。
検知領域２２の中央部においてその一側方から内方に向かって前記切欠き部４を形成してある。
【００２３】
検知センサー本体２１は、前記母材６のような構造材料の表面に取り付け可能な所定長さを有するステンレスなどの金属材料その他の板状部材からこれを構成する。
検知センサー本体２１は、検知領域２２の中央部分の切欠き部４が位置する切欠き形成中央薄肉部２４（薄肉部）と、左右一対の両側増厚部２５（増厚部）と、を有しており、したがって、切欠き形成中央薄肉部２４と両側増厚部２５との間に検知センサー本体２１の厚さを切欠き形成中央薄肉部２４（切欠き部４）に向かって小さくした断面矩形状の厚さ減少部２６を形成している。
すなわち、切欠き形成中央薄肉部２４が厚さｔ1であり、両側増厚部２５が厚さｔ2であって、厚さ減少部２６の厚さは（ｔ2−ｔ1）である。
検知領域２２（切欠き形成中央薄肉部２４および左右一対の両側増厚部２５）の長さを２Ｈとし、すなわち、切欠き部４の位置から検知領域２２と固定領域２３との間の境界線までの長さをＨとし、厚さ減少部２６の長さを２Ｈtとし、すなわち、切欠き部４の位置から切欠き形成中央薄肉部２４と両側増厚部２５との間の境界線までの長さをＨtとする。
【００２４】
かくして、切欠き部４を有して亀裂９が発生する切欠き形成中央薄肉部２４の部分に応力すなわち変位が集中し、応力拡大係数Ｋの変動範囲△Ｋが増大する結果、亀裂進展速度ｄａ／ｄＮが加速することになる。
具体的には、前述の式（４）のように、亀裂進展速度ｄａ／ｄＮは、長さＨの３／２乗に比例するため、長さＨを大きくすれば、感度が高くなる。しかしながら、長さＨをあまり長くすることは疲労損傷検知センサー２０の取扱いに不便をきたすため、検知領域２２の部分に厚さ減少部２６を形成することにより、長さＨを大きくすることと同じ効果が得られるものである。
つまり、厚さ減少部２６に臨む切欠き形成中央薄肉部２４の切欠き部４には他の部分（両側増厚部２５）に比較して大きな応力ないし歪みが生じることになる。もし、切欠き部４での歪みが疲労損傷検知センサー２０全体に生じたとすれば、実際の疲労損傷検知センサー２０の長さＨを、（切欠き部４の切欠き形成中央薄肉部２４の歪みεn）／（疲労損傷検知センサー２０内の平均歪み、すなわち、長さ２Ｈの検知領域２２の平均歪みε）だけ長くしたものと等価となるはずである。
【００２５】
すなわち、切欠き部４を形成した切欠き形成中央薄肉部２４の歪みをεnとし、長さ２Ｈの検知領域２２の平均歪みをεとし、さらに、見かけ上の長さが伸びた検知領域２２の長さ（換算センサー部分の換算長さ）を２Ｈcとしたときに、一般的に、
Ｈc／Ｈ＝εn／ε 式（１０）
が成り立つと考える。
式（４）から、厚さｔ1だけの等厚センサーである従来の疲労損傷検知センサー１（図２４、図２５）の亀裂進展速度ｄａ／ｄＮ＝Ｃ・（△σ・Ｈ^1/2）³であり、本発明による疲労損傷検知センサー２０の亀裂進展速度ｄａ／ｄＮ＝Ｃ・（△σ・Ｈc^1/2）³であるので、厚さｔ1だけの等厚センサーである従来の疲労損傷検知センサー１に対して、本発明による疲労損傷検知センサー２０は、その亀裂進展速度ｄａ／ｄＮについて、亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの加速の程度をｄαとしたときに、
ｄα＝（Ｈc／Ｈ）^3/2 式（１１）
だけ加速されることになる。
【００２６】
以下、疲労損傷検知センサー２０における、Ｈc／Ｈ＝εn／ε（式（１０））、およびｄα＝（Ｈc／Ｈ）^3/2（式（１１））を具体的に計算する。
切欠き形成中央薄肉部２４における応力をσa、平均歪みをεa、両側増厚部２５における応力をσb、平均歪みをεbとすると、応力の比は、歪みの比に等しく、
σa／σb＝εa／εb 式（１２）
である。
また、歪みと板厚との関係は、歪みの比が、板厚の逆数に比例し、
εb／εa＝ｔ1／ｔ2 式（１３）
である。
つぎに、切欠き形成中央薄肉部２４に増厚部として両側増厚部２５が加わった形状の疲労損傷検知センサー２０が、切欠き形成中央薄肉部２４のみの厚さの場合の長さＨに比較して見かけ上どれだけの長さ（換算長さ）Ｈcになるのか換算する。
疲労損傷検知センサー２０全体の伸びをδ、切欠き形成中央薄肉部２４の伸びをδa、両側増厚部２５の伸びをδbとすると、
δ＝δa＋δb 式（１４）
は明かである。
疲労損傷検知センサー２０全体の平均歪みをεとすると、
δ＝ε・Ｈ式（１５）
δa＝εa・Ｈ式（１６）
δb＝εb・（Ｈ−Ｈt）式（１７）
である。
式（１４）に、式（１５）、（１６）、（１７）を代入することにより、
ε・Ｈ＝εa・Ｈ＋εb・（Ｈ−Ｈt）式（１８）
式（１３）から、εb＝εa・ｔ1／ｔ2、であり、これを式（１８）に代入して、
εa／ε＝Ｈ・ｔ2／（ｔ1・（Ｈ−Ｈt）＋Ｈt・ｔ2）式（１９）
となり、
式（１０）から
Ｈc／Ｈ＝εa／ε 式（２０）
であるから、
Ｈc＝（Ｈ・ｔ2／（ｔ1・（Ｈ−Ｈt）＋Ｈt・ｔ2））・Ｈ式（２１）
である。
さらに、式（１１）から、
ｄα＝（Ｈc／Ｈ）^3/2
＝（Ｈ・ｔ2／（ｔ1・（Ｈ−Ｈt）＋Ｈt・ｔ2））^3/2 式（２２）
である。
かくして、疲労損傷検知センサー２０について、その見かけ上長くなった換算長さＨc、応力拡大係数Ｋおよびその変動範囲△Ｋ、ならびに亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの加速度ｄαを疲労損傷検知センサー２０の形状ないし寸法の諸元のみにより演算することができるとともに、これらを所定の数値に調整することにより亀裂９についての進展速度ｄａ／ｄＮなどを任意の数値に制御することができる。
【００２７】
つぎに図３は、本発明の第２の実施の形態による疲労損傷検知センサー３０の正面図であって、疲労損傷検知センサー３０は、検知センサー本体３１を有し、この検知センサー本体３１は、その中央部の検知領域３２と、両側領域における左右一対の固定領域３３と、に画成している。
検知領域３２の中央部においてその一側方から内方に向かって前記切欠き部４を形成してある。
【００２８】
検知センサー本体３１は、検知領域３２の中央部分の切欠き部４が位置する切欠き形成中央薄肉部３４（薄肉部）と、左右一対の両側増厚部３５（増厚部）と、を有しており、したがって、切欠き形成中央薄肉部３４と両側増厚部３５との間に検知センサー本体３１の厚さを切欠き形成中央薄肉部３４（切欠き部４）に向かって小さくした、上下厚さ方向に一対の断面シャルピー形状の厚さ減少部３６を形成している。
シャルピー形状とは、切欠き部４を形成する中央部が円弧状であり、切欠き形成中央薄肉部３４から両側増厚部３５に向かう方向が放射状の直線である形状である。
切欠き形成中央薄肉部３４が厚さｔ1であり、両側増厚部３５が厚さｔ3である。
【００２９】
検知領域３２（切欠き形成中央薄肉部３４および両側増厚部３５）の長さを２Ｈとし、すなわち、切欠き部４の位置から検知領域３２と固定領域３３との間の境界線までの長さをＨとする。
図４は、疲労損傷検知センサー３０の検知領域３２の右側半分（円弧部３４Ａ、直線部３４Ｂおよび両側増厚部３５）を示す正面図であって、切欠き形成中央薄肉部３４を円弧部３４Ａ（Ａ部）と直線部３４Ｂ（Ｂ部）とに分け、両側増厚部３５をＣ部とする。Ａ部の長さをＨa、Ｂ部の長さをＨbとする。
図５は、円弧部３４Ａの正面図、図６は、直線部３４Ｂの正面図であって、切欠き形成中央薄肉部３４および両側増厚部３５全体の伸びをδ、円弧部３４Ａの伸びをδa、直線部３４Ｂの伸びをδb、両側増厚部３５のδcとすると、
すなわち、全体の伸びδは、
δ＝δa＋δb＋δc 式（３０）
のように表すことができる。
切欠き形成中央薄肉部３４および両側増厚部３５全体の平均歪みをεとし、円弧部３４Ａ、直線部３４Ｂ、および両側増厚部３５の平均歪みをそれぞれεa、εb、εcとすると、
δ＝ε・Ｈ式（３１）
δa＝εa・Ｈa 式（３２）
δb＝εb・Ｈb 式（３３）
δc＝εc・（Ｈ−Ｈa−Ｈb）式（３４）
となる。
【００３０】
まず、円弧部３４Ａについて図５にもとづき考える。円弧部３４Ａの半径をＲとし、その円周角を３π／８とし、図中左右方向の長さ変数をｘとすると、円弧部３４Ａの任意の変数ｘ部分の厚さｔa（ｘ）は、

となる。
歪みと板厚との関係は、式（１３）と同様に、歪みの比が、板厚の逆数に比例し、
εa（ｘ）／εc＝ｔ3／ｔa（ｘ）式（３６）
である。
【００３１】
さらに、図７に示すような各式を得ることができる。
まず、式（３５）および（３６）から、円弧部３４Ａの歪みは、式（３７）のように表される。
したがって、円弧部３４Ａの伸びδaは、式（３８）となり、ｘ＝Ｒ・ｓｉｎθとおくと、ｄｘ＝Ｒ・ｃｏｓθとなり、式（３８）は式（３９）のように計算することができる。
式（３９）において、１−２Ｒ／（ｔ2＋２Ｒｃｏｓ（３π／８））＞０であるので、式（３９）は、式（４０）となり、ここでＤ＝２Ｒ／（ｔ2＋２Ｒｃｏｓ（３π／８））とおくと、式（４０）は、式（４１）となる。
【００３２】
つぎに、直線部３４Ｂについて図６にもとづき考える。図８に各式を示す。
図６から、直線部３４Ｂの板厚ｔb（ｘ）は、式（４２）となる。
歪みと板厚との関係は、式（４３）となる。
式（４２）および（４３）から、直線部３４Ｂの歪みεbは、式（４４）となる。
したがって、直線部３４Ｂの伸びδbは、式（４５）となる。
式（３０）、（３１）、（３２）、（３３）、（３４）から、ε・Ｈは、式（４６）となる。
さらに図９につづいて各式を示すと、εc＝（ｔ1／ｔ2）・εaから、εa／εは、式（４７）と表すことができ、したがって、換算長さＨcは、式（４８）となり、亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの加速度ｄαは、式（４９）のように表すことができる。
かくして、疲労損傷検知センサー３０についても疲労損傷検知センサー２０（図１）と同様に、その見かけ上長くなった換算長さＨc、応力拡大係数Ｋおよびその変動範囲△Ｋ、ならびに亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの加速度ｄαを疲労損傷検知センサー３０の形状ないし寸法の諸元のみにより演算することができる
【００３３】
図１０は、本発明の第３の実施の形態による疲労損傷検知センサー４０の斜視図であって、疲労損傷検知センサー４０は、疲労損傷検知センサー３０（図３）の切欠き形成中央薄肉部３４および断面シャルピー形状の厚さ減少部３６を検知領域３２の片面のみに形成してあるものである。
図１１は、疲労損傷検知センサー４０の正面図、図１２は、疲労損傷検知センサー４０の検知領域３２の右側半分（円弧部３４Ａ、直線部３４Ｂおよび両側増厚部３５）を示す正面図、図１３は、円弧部３４Ａの正面図、図１４は、直線部３４Ｂの正面図であって、上述の疲労損傷検知センサー３０の場合と同様に計算すると、疲労損傷検知センサー４０におけるＨcは、図１５の式（５０）のように計算される。
【００３４】
図１６は、断面シャルピー形状の厚さ減少部３６を形成した疲労損傷検知センサー４０における、ｔ1／ｔ3と、応力拡大係数Ｋの変動範囲△Ｋの増大度（＝（Ｈc／Ｈ）^1/2）との関係を示すグラフ、図１７は、同、ｔ1／ｔ3と、亀裂進展速度ｄａ／ｄＮ（＝（Ｈc／Ｈ）^3/2）との関係を示すグラフであり、ｔ1／ｔ3の減少にともなって、変動範囲△Ｋの増大度および亀裂進展速度ｄａ／ｄＮがともに増加することがわかる。
【００３５】
上記式（５０）を検証するために、Ｈ＝５０ｍｍ、Ｗ＝５０ｍｍ、Ｒ＝０．２５ｍｍ、ｔ1＝０．１９３ｍｍ、ｔ3＝０．４２５ｍｍとした疲労損傷検知センサー４０（図１０）（Ｈc／Ｈ＝２．２１）について有限要素解析を行い、エネルギー法を用いて、応力拡大係数Ｋの変動範囲△Ｋを算出した。
図１８は、ａ／Ｗと△Ｋとの関係を示すグラフであって、縦軸は、ここで計算した△Ｋを△σ・Ｈc^1/2で除して無次元化したものである。
図示のように、疲労損傷検知センサー４０の△Ｋ／△σ・Ｈc^1/2がほぼ１となっており、式（５０）の有効性が確かめられた。
また、△Ｋ／△σ・Ｈc^1/2がほぼ１となる領域も、従来の等厚の疲労損傷検知センサー１（図２４）よりも広くなっている。
【００３６】
つぎに、図１９は、疲労損傷検知センサー４０の疲労亀裂進展試験を行って得た亀裂長さａに対する亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの関係を示すグラフであって、疲労損傷検知センサー４０は、従来の疲労損傷検知センサー１（図２４）に比較して亀裂進展速度ｄａ／ｄＮは、２．８５倍程度加速されると予測したが、実際には２０倍程度加速された。このような大きな違いが生じた原因としては、切欠き部４への応力集中が考えられる。
【００３７】
すなわち、本発明による疲労損傷検知センサーにおける厚さ減少部２６（図２）や厚さ減少部３６（図３）などの形状は任意であり、断面矩形状や断面シャルピー形状以外にも、断面三角形状、断面台形状、断面円形状ないし円弧状その他任意の形状を選択して、切欠き部４における亀裂９の進展速度を制御可能である。
【００３８】
たとえば、図２０は、本発明の第４の実施の形態による疲労損傷検知センサー５０の斜視図であって、疲労損傷検知センサー５０においては、断面三角形状の厚さ減少部５１を設けている。
図２１は、この疲労損傷検知センサー５０についてのＨc／Ｈを既述のようにして計算した結果を式（５１）に示す説明図である。
【００３９】
図２２は、本発明の第５の実施の形態による疲労損傷検知センサー６０の斜視図であって、疲労損傷検知センサー６０においては、断面台形状の厚さ減少部６１を設けている。
図２３は、本発明の第６の実施の形態による疲労損傷検知センサー７０の斜視図であって、疲労損傷検知センサー７０においては、断面円形状（半円の円弧状）の厚さ減少部７１を設けている。
これらの疲労損傷検知センサー６０、７０についても、既述のようにＨc／Ｈをεn／εとして計算し亀裂９の進展速度を算出することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、疲労損傷検知センサーのＨc／Ｈをεn／εとして計算して、切欠き部の尖端部からの亀裂の進展速度を加速可能とするとともに、厚さ減少部の形状を選択可能として、任意の加速度を得ることができるようにしたので、疲労損傷検知センサーを大型化することなく、高感度の疲労損傷検知センサーをコンパクトに製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による構造材料の疲労損傷検知センサー２０の斜視図である。
【図２】同、正面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による疲労損傷検知センサー３０の正面図である。
【図４】同、検知領域３２の右側半分（円弧部３４Ａ、直線部３４Ｂおよび両側増厚部３５）を示す正面図である。
【図５】同、円弧部３４Ａの正面図である。
【図６】同、直線部３４Ｂの正面図である。
【図７】同、円弧部３４Ａについての各式の説明図である。
【図８】同、直線部３４Ｂについての各式の説明図である。
【図９】同、εa／ε、Ｈc、ｄａ／ｄＮなどについての各式の説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態による疲労損傷検知センサー４０の斜視図である。
【図１１】同、正面図である。
【図１２】同、検知領域３２の右側半分（円弧部３４Ａ、直線部３４Ｂおよび両側増厚部３５）を示す正面図である。
【図１３】同、円弧部３４Ａの正面図である。
【図１４】同、直線部３４Ｂの正面図である。
【図１５】同、Ｈcの式（５０）を示す説明図である。
【図１６】同、ｔ1／ｔ3と応力拡大係数Ｋの変動範囲△Ｋの増大度（＝（Ｈc／Ｈ）^1/2）との関係を示すグラフである。
【図１７】同、ｔ1／ｔ3と亀裂進展速度ｄａ／ｄＮ（＝（Ｈc／Ｈ）^3/2）との関係を示すグラフである。
【図１８】同、ａ／Ｗと△Ｋとの関係を示すグラフである。
【図１９】同、疲労損傷検知センサー４０の疲労亀裂進展試験を行って得た亀裂長さａに対する亀裂進展速度ｄａ／ｄＮの関係を示すグラフである。
【図２０】本発明の第４の実施の形態による疲労損傷検知センサー５０の斜視図である。
【図２１】同、Ｈc／Ｈの式（５１）を示す説明図である。
【図２２】本発明の第５の実施の形態による疲労損傷検知センサー６０の斜視図である。
【図２３】本発明の第６の実施の形態による疲労損傷検知センサー７０の斜視図である。
【図２４】従来の疲労損傷検知センサー１の平面図である。
【図２５】同、正面図である。
【符号の説明】
１疲労損傷検知センサー（従来、図２４）
２検知センサー本体
３検知領域
４切欠き部
５左右一対の固定領域
６母材（橋梁その他の構造材料）
７接着剤層
８切欠き部４の尖端部
９亀裂
１０クラックゲージ（図２４）
１１撮影手段（図２５）
２０疲労損傷検知センサー（第１の実施の形態、図１、図２）
２１検知センサー本体
２２検知領域
２３左右一対の固定領域
２４切欠き形成中央薄肉部（薄肉部）
２５左右一対の両側増厚部（増厚部）
２６断面矩形状の厚さ減少部
３０疲労損傷検知センサー（第２の実施の形態、図３）
３１検知センサー本体
３２検知領域
３３左右一対の固定領域
３４切欠き形成中央薄肉部
３４Ａ切欠き形成中央薄肉部３４の円弧部
３４Ｂ切欠き形成中央薄肉部３４の直線部
３５両側増厚部
３６厚さ減少部
４０疲労損傷検知センサー（第３の実施の形態、図１０）
５０疲労損傷検知センサー（第４の実施の形態、図２０）
５１厚さ減少部
６０疲労損傷検知センサー（第５の実施の形態、図２２）
６１厚さ減少部
７０疲労損傷検知センサー（第６の実施の形態、図２３）
７１厚さ減少部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fatigue damage detection sensor for structural materials, and in particular, structures such as bridges, power generation facilities, pressure vessels, steel towers, other buildings, mechanical structures such as construction machines, and other structural materials for equipment. The present invention relates to a fatigue damage detection sensor for a structural material that detects the degree of fatigue damage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as disclosed in

Patent Documents

1 and 2, there is a fatigue damage detection sensor for easily detecting the degree of fatigue damage of structural materials in bridges and other structures at low cost.
This fatigue damage detection sensor has a notch formed in advance in a detection sensor body made of stainless steel or other plate-like member having a predetermined length that can be attached to the surface of a structural material such as a steel bridge. The fatigue damage degree can be detected by measuring the elongation of the crack from the tip of the notch.
[0003]
FIG. 24 is a plan view of such a conventional fatigue damage detection sensor 1, FIG. 25 is a front view of the same, and the fatigue damage detection sensor 1 has a detection sensor body 2 having a uniform thickness. A central portion of the detection sensor body 2 is defined as a detection region 3, and a notch portion 4 having a predetermined length is formed in advance from one side to the inside of the central portion of the detection region 3.
The both sides of the detection sensor main body 2 are a pair of left and right fixed regions 5, and the detection region 3 is floated from the surface of the base material 6 by the adhesive layer 7 with respect to the base material 6 that is a bridge or other structural material. The detection sensor body 2 is bonded.
[0004]
When an external force is applied to the base material 6, that is, the fatigue damage detection sensor 1, stress concentrates on the tip 8 of the notch 4 and a crack 9 is generated from the tip 8. A crack gauge 10 (FIG. 24) for detecting the progress length or the like is provided, or an imaging means 11 (FIG. 25) capable of photographing the crack 9 is provided.
[0005]
In the fatigue damage detection sensor 1 having such a configuration, the crack 9 is generated at the tip 8 of the notch 4 before the base material 6 which is a structural material. It detects accurately and detects the growth speed of the crack 9 from the progress of the crack 9 and its interval.
Based on this progress rate, the equivalent stress can be calculated from the applied stress and the stress applied at a certain time, and the degree of cumulative fatigue and crack initiation life of the base material 6 can be estimated.
Thus, the stress history of the base material 6 during the monitoring period by the fatigue damage detection sensor 1 can be recorded as the amount of crack propagation from the notch portion 4, and the degree of fatigue damage received by the base material 6 can be detected or monitored.
[0006]
Incidentally, there is a stress intensity factor K as a parameter indicating the magnitude of stress near the tip of the crack 9.
The stress intensity factor K for the crack 9 in the fatigue damage detection sensor 1 (detection region 3) having a gauge length of 2H is approximately:
K = σ · H^1/2          Formula (1)
It is known to be given in Here, σ is a nominal stress in the fatigue damage detection sensor 1.
Further, it is known that the growth rate da / dN of the crack 9 is a function of the fluctuation range ΔK of the stress intensity factor K. That is,
da / dN = C · (ΔK)^Three          Formula (2)
It is. However, a is the length of the crack 9 (or the length of the crack 9 including the notch 4), N is the number of repetitions of the external force, and C is a constant. The width of the fatigue damage detection sensor 1 is W.
△ K = △ σ ・ H^1/2          Formula (3)
So
da / dN = C · (Δσ · H^1/2)^Three          Formula (4)
It becomes.
That is, the growth rate da / dN of the crack 9 is a function of the length H of the fatigue damage detection sensor 1.
[0007]
Therefore, in order to increase the growth rate da / dN of the crack 9 and detect the fatigue damage degree of the base material 6 in a shorter time, it is conceivable to make the length 2H of the fatigue damage detection sensor 1 longer. However, this leads to an increase in the size of the fatigue damage detection sensor 1 itself, which is not preferable because it is inconvenient to handle.
Therefore, it has been required to develop a fatigue damage detection sensor which is compact and has a sensitivity capable of detecting the degree of fatigue damage of the base material 6 sufficiently early without increasing the length 2H.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2952576
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2952594
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been considered in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a structural material fatigue damage detection sensor having a sensitivity capable of detecting the degree of fatigue damage of structural materials and other base materials sufficiently early. And
[0010]
It is another object of the present invention to provide a structural material fatigue damage detection sensor capable of extending the apparent length of a detection region.
[0011]
It is another object of the present invention to provide a structural material fatigue damage detection sensor capable of accelerating the crack growth rate at the tip of the notch without increasing the overall size.
[0012]
Moreover, this invention makes it a subject to provide the fatigue damage detection sensor of the structural material which can control the growth rate of a crack.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention makes it easier for stress concentration to occur in the crack generation portion in the detection region of the fatigue damage detection sensor, for example, partially changes the thickness of the detection region, that is, the notch portion. Focusing on the fact that the thickness reduction part is formed in the part and the other part is the thickening part, it is a structural material fatigue damage detection sensor for detecting the degree of fatigue damage of the structural material to which external force is applied. A detection sensor body that is formed of a plate-like member having a predetermined length that can be attached to the surface of the structural material and that forms a notch, and the detection sensor body is attached to the surface of the structural material. A pair of left and right fixing regions to be fixed, and the notch portion formed between the fixing regions at the center and floating from the structural material between the fixing regions A detection area is defined, and a thickness reduction part is provided to reduce the thickness of the detection area toward the notch, and the distortion of the notch is εn, and the average distortion of the detection area , Ε, the length of the detection region is 2H, and the conversion length of the detection region, which is apparently long by providing the thickness reduction portion, is Hc / H = εn / ε, This is a fatigue damage detection sensor for a structural material.
[0014]
The thickness reducing portion can have a rectangular cross section.
[0015]
The thickness reducing portion can have a triangular cross section.
[0016]
The thickness reducing portion can be trapezoidal in cross section.
[0017]
The thickness reducing portion can have a circular cross section.
[0018]
The thickness reducing portion can be a Charpy cross section.
[0019]
By selecting the shape of the thickness reducing portion, it is possible to control the rate of crack propagation at the tip of the notch.
[0020]
The length of the crack that can propagate from the tip of the notch is a, the number of external forces acting on the detection region is N, the crack growth rate is da / dN, and the degree of acceleration of da / dN is dα. Dα = (Hc / H)^3/2, And can be.
[0021]
In the fatigue damage detection sensor for a structural material according to the present invention, a thickness reduction portion for reducing the thickness of the detection region toward the notch portion is provided, and the thickness of the crack forming portion is partially changed. As a result, stress is easily concentrated on the tip of the notch to increase the crack propagation speed, the notch distortion is εn, the average strain of the detection region is ε, and the length of the detection region is Hc / H = εn / ε, and the crack growth rate is the shape of the fatigue damage detection sensor, where Hc is the converted length of the detection region that is apparently long due to the provision of the thickness reduction portion. It can be calculated from the dimensions of the respective parts.
Furthermore, by arbitrarily selecting the shape of the thickness changing portion, the degree of stress concentration can be adjusted to control the crack growth rate.
Therefore, the apparent length of the fatigue damage detection sensor (detection region) can be increased, and the sensor can be made highly sensitive and compact.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a structural material fatigue damage detection sensor 20 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 24 and 25 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
1 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 20, and FIG. 2 is a front view similar to FIG. 25. The fatigue damage detection sensor 20 includes a detection sensor main body 21, and the detection sensor main body 21 is shown in FIG. Is defined by a detection area 22 in the center and a pair of left and right fixed areas 23 in both side areas.
The notch 4 is formed in the center of the detection region 22 from one side to the inside.
[0023]
The detection sensor main body 21 is composed of a metal material such as stainless steel or other plate-like member having a predetermined length that can be attached to the surface of a structural material such as the base material 6.
The detection sensor main body 21 has a notch-forming central thin portion 24 (thin portion) where the notch 4 in the central portion of the detection region 22 is located, and a pair of left and right side thickening portions 25 (thickening portions). Therefore, a cross section in which the thickness of the detection sensor main body 21 is reduced toward the notch formation central thin part 24 (notch part 4) between the notch formation center thin part 24 and the both side thickening parts 25. A rectangular thickness reducing portion 26 is formed.
That is, the notch formation center thin part 24 is thickness t1, the both-sides thickening part 25 is thickness t2, and the thickness reduction part 26 is (t2-t1).
The length of the detection region 22 (the notch forming central thin portion 24 and the pair of left and right thickening portions 25) is 2H, that is, the boundary line between the detection region 22 and the fixed region 23 from the position of the notch portion 4. And the length of the thickness reducing portion 26 is 2Ht, that is, from the position of the notch portion 4 to the boundary line between the notch forming central thin portion 24 and the thickened portions 25 on both sides. Let the length be Ht.
[0024]
Thus, the stress, that is, the displacement concentrates on the notch-formed central thin portion 24 having the notch 4 and the crack 9 is generated, and the fluctuation range ΔK of the stress intensity factor K is increased. As a result, the crack growth rate da / DN is accelerated.
Specifically, the crack growth rate da / dN is proportional to the 3/2 power of the length H as in the above-described equation (4). Therefore, if the length H is increased, the sensitivity is increased. However, if the length H is made too long, the handling of the fatigue damage detection sensor 20 is inconvenient, so that the thickness reduction portion 26 is formed in the detection region 22 to increase the length H. An effect is obtained.
That is, a large stress or strain is generated in the notch portion 4 of the notch forming central thin portion 24 facing the thickness reducing portion 26 as compared with the other portions (both side thickened portions 25). If the distortion at the notch 4 occurs in the entire fatigue damage detection sensor 20, the actual length H of the fatigue damage detection sensor 20 is set to (the distortion at the notch formation center thin part 24 of the notch 4). εn) / (average strain in the fatigue damage detection sensor 20, that is, average strain ε of the detection region 22 having a length of 2H) should be equivalent to a longer one.
[0025]
That is, the distortion of the notch forming central thin portion 24 in which the notch 4 is formed is εn, the average strain of the detection region 22 having a length of 2H is ε, and the detection region 22 whose apparent length is extended When the length (converted length of the conversion sensor part) is 2Hc,
Hc / H = εn / ε Equation (10)
I think that holds.
From equation (4), the crack growth rate da / dN = C · (Δσ · H of the conventional fatigue damage detection sensor 1 (FIGS. 24 and 25), which is a constant thickness sensor having a thickness t 1 only.^1/2)^ThreeThe crack growth rate da / dN = C · (Δσ · Hc of the fatigue damage detection sensor 20 according to the present invention.^1/2)^ThreeTherefore, the fatigue damage detection sensor 20 according to the present invention is different from the conventional fatigue damage detection sensor 1 which is a constant thickness sensor having only the thickness t1 with respect to the crack growth speed da / dN. Where dα is the degree of acceleration of
dα = (Hc / H)^3/2          Formula (11)
Will only be accelerated.
[0026]
Hereinafter, Hc / H = εn / ε (formula (10)) and dα = (Hc / H) in the fatigue damage detection sensor 20^3/2(Equation (11)) is specifically calculated.
The stress ratio is equal to the strain ratio, where σa is the stress at the notch-formed central thin portion 24, εa is the average strain, σb is the stress at the thickened portion 25 on both sides, and εb is the average strain.
σa / σb = εa / εb Equation (12)
It is.
Also, the relationship between strain and plate thickness is such that the strain ratio is proportional to the reciprocal of the plate thickness,
εb / εa = t1 / t2 Equation (13)
It is.
Next, the fatigue damage detection sensor 20 having a shape in which both side thickened portions 25 are added as thickened portions to the notched central thin portion 24 has a length H in the case where the thickness of the notched central thin portion 24 is only the thickness. In comparison, the apparent length (converted length) Hc is converted.
If the elongation of the entire fatigue damage detection sensor 20 is δ, the elongation of the notch-formed central thin portion 24 is δa, and the elongation of the both side thickened portions 25 is δb,
δ = δa + δb Formula (14)
Is clear.
If the average strain of the entire fatigue damage detection sensor 20 is ε,
δ = ε · H Formula (15)
δa = εa · H Formula (16)
δb = εb · (H−Ht) Equation (17)
It is.
By substituting equations (15), (16), and (17) into equation (14),
ε · H = εa · H + εb · (H−Ht) Equation (18)
From equation (13), εb = εa · t1 / t2, which is substituted into equation (18),
.epsilon.a / .epsilon. = H.t2 / (t1. (H-Ht) + Ht.t2) Equation (19)
And
From equation (10)
Hc / H = εa / ε Formula (20)
Because
Hc = (H.t2 / (t1. (H-Ht) + Ht.t2)). H Formula (21)
It is.
Furthermore, from equation (11):
dα = (Hc / H)^3/2
= (H.t2 / (t1. (H-Ht) + Ht.t2))^3/2    Formula (22)
It is.
Thus, with respect to the fatigue damage detection sensor 20, the converted length Hc, the stress intensity factor K and its fluctuation range ΔK, and the acceleration dα of the crack growth rate da / dN, which are apparently long, are used as the shape of the fatigue damage detection sensor 20. Calculations can be made based only on the dimensions, and by adjusting these to predetermined numerical values, the growth rate da / dN for the crack 9 can be controlled to an arbitrary numerical value.
[0027]
Next, FIG. 3 is a front view of the fatigue damage detection sensor 30 according to the second embodiment of the present invention. The fatigue damage detection sensor 30 has a detection sensor main body 31, and the detection sensor main body 31 is The center detection area 32 and a pair of left and right fixed areas 33 in both side areas are defined.
The notch 4 is formed in the center of the detection region 32 from one side to the inside.
[0028]
The detection sensor main body 31 has a notch-forming central thin part 34 (thin part) where the notch part 4 of the central part of the detection region 32 is located, and a pair of left and right side thickening parts 35 (thickening part). Therefore, the thickness of the detection sensor main body 31 is reduced toward the notch formation center thin part 34 (notch part 4) between the notch formation center thin part 34 and the both side thickening parts 35. A pair of Charpy-shaped thickness reduction portions 36 are formed in the vertical thickness direction.
The Charpy shape is a shape in which the center part forming the notch part 4 has an arc shape and the direction from the notch forming center thin part 34 toward the both side thickened parts 35 is a radial straight line.
The notch-formed central thin portion 34 has a thickness t1, and both side thickened portions 35 have a thickness t3.
[0029]
The length of the detection region 32 (notch formation center thin portion 34 and both side thickened portions 35) is set to 2H, that is, the length from the position of the notch portion 4 to the boundary line between the detection region 32 and the fixed region 33. Let H be H.
FIG. 4 is a front view showing the right half (arc portion 34A, linear portion 34B, and both side thickened portions 35) of the detection region 32 of the fatigue damage detection sensor 30, wherein the notch-formed central thin portion 34 is the arc portion 34A. It is divided into (A part) and straight part 34B (B part), and both side thickened part 35 is set as C part. The length of the A part is Ha, and the length of the B part is Hb.
5 is a front view of the arc portion 34A, and FIG. 6 is a front view of the straight portion 34B. The elongation of the notch-formed central thin portion 34 and the both side thickened portions 35 is δ, and the elongation of the arc portion 34A is shown. If δa, the elongation of the straight portion 34B is δb, and δc of the thickened portions 35 on both sides,
That is, the overall elongation δ is
δ = δa + δb + δc Equation (30)
It can be expressed as
When the average distortion of the notch forming central thin portion 34 and both side thickened portions 35 is ε, and the average strain of the arc portion 34A, straight portion 34B, and both side thickened portions 35 is εa, εb, and εc, respectively.
δ = ε · H Formula (31)
δa = εa · Ha Formula (32)
δb = εb · Hb Formula (33)
δc = εc · (H−Ha−Hb) Equation (34)
It becomes.
[0030]
First, the arc portion 34A will be considered based on FIG. When the radius of the arc portion 34A is R, its circumferential angle is 3π / 8, and the length variable in the left-right direction in the figure is x, the thickness ta (x) of an arbitrary variable x portion of the arc portion 34A is

It becomes.
As for the relationship between the strain and the plate thickness, the ratio of the strain is proportional to the reciprocal of the plate thickness, as in the equation (13).
.epsilon.a (x) /. epsilon.c = t3 / ta (x) (36)
It is.
[0031]
Furthermore, each equation as shown in FIG. 7 can be obtained.
First, from equations (35) and (36), the distortion of the arc portion 34A is expressed as equation (37).
Therefore, the elongation δa of the circular arc portion 34A is expressed by equation (38), and when x = R · sin θ, dx = R · cos θ is obtained, and equation (38) can be calculated as equation (39).
In Formula (39), since 1-2R / (t2 + 2Rcos (3π / 8))> 0, Formula (39) becomes Formula (40), where D = 2R / (t2 + 2Rcos (3π / 8)) Then, equation (40) becomes equation (41).
[0032]
Next, the straight part 34B will be considered based on FIG. FIG. 8 shows each equation.
From FIG. 6, the plate thickness tb (x) of the straight portion 34B is expressed by the equation (42).
The relationship between strain and plate thickness is given by equation (43).
From the equations (42) and (43), the strain εb of the straight line portion 34B becomes the equation (44).
Therefore, the elongation δb of the straight line portion 34B is expressed by Expression (45).
From Expressions (30), (31), (32), (33), and (34), ε · H becomes Expression (46).
Further, referring to FIG. 9, each equation is shown, from εc = (t1 / t2) · εa, εa / ε can be expressed as equation (47). Therefore, the converted length Hc is expressed by equation (48). Thus, the acceleration dα of the crack growth rate da / dN can be expressed as in Expression (49).
Thus, similarly to the fatigue damage detection sensor 20 (FIG. 1), the fatigue damage detection sensor 30 has an apparently long converted length Hc, stress intensity factor K and its variation range ΔK, and crack growth rate da /. The acceleration dα of dN can be calculated only by the specifications of the shape or size of the fatigue damage detection sensor 30.
[0033]
FIG. 10 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 40 according to the third embodiment of the present invention. The fatigue damage detection sensor 40 is a notch-formed central thin portion 34 of the fatigue damage detection sensor 30 (FIG. 3). In addition, the thickness reduction portion 36 having a Charpy cross section is formed only on one side of the detection region 32.
FIG. 11 is a front view of the fatigue damage detection sensor 40, and FIG. 12 is a front view showing the right half (the arc portion 34A, the straight portion 34B, and the both side thickening portions 35) of the detection region 32 of the fatigue damage detection sensor 40. 13 is a front view of the arc portion 34A, and FIG. 14 is a front view of the straight portion 34B. When calculated in the same manner as the fatigue damage detection sensor 30 described above, Hc in the fatigue damage detection sensor 40 is as shown in FIG. Is calculated as shown in equation (50).
[0034]
FIG. 16 shows the degree of increase (= (Hc / H)) in the fluctuation range ΔK of t1 / t3 and the stress intensity factor K in the fatigue damage detection sensor 40 in which the thickness reduction portion 36 having a Charpy cross section is formed.^1/2FIG. 17 is a graph showing the relationship between t1 / t3 and crack growth rate da / dN (= (Hc / H).^3/2), And it can be seen that, as t1 / t3 decreases, both the degree of increase in the fluctuation range ΔK and the crack growth rate da / dN increase.
[0035]
In order to verify the above equation (50), fatigue damage detection sensor 40 (FIG. 10) with H = 50 mm, W = 50 mm, R = 0.25 mm, t1 = 0.193 mm, and t3 = 0.425 mm (Hc / A finite element analysis was performed on H = 2.21), and the fluctuation range ΔK of the stress intensity factor K was calculated using the energy method.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between a / W and ΔK, and the vertical axis shows ΔK calculated here as Δσ · Hc.^1/2Divided by to make it dimensionless.
As shown in the figure, ΔK / Δσ · Hc of the fatigue damage detection sensor 40^1/2Was almost 1, confirming the effectiveness of equation (50).
ΔK / Δσ · Hc^1/2The region where is substantially 1 is also wider than the conventional uniform thickness fatigue damage detection sensor 1 (FIG. 24).
[0036]
Next, FIG. 19 is a graph showing the relationship between the crack growth rate da / dN and the crack length a obtained by conducting the fatigue crack growth test of the fatigue damage detection sensor 40. The crack growth rate da / dN was predicted to be accelerated about 2.85 times as compared with the fatigue damage detection sensor 1 (FIG. 24), but was actually accelerated about 20 times. As a cause of such a large difference, stress concentration on the notch 4 can be considered.
[0037]
That is, the shape of the thickness reduction part 26 (FIG. 2), the thickness reduction part 36 (FIG. 3), etc. in the fatigue damage detection sensor according to the present invention is arbitrary. The shape, cross-sectional trapezoidal shape, circular cross-section or arc shape, or any other shape can be selected to control the growth rate of the crack 9 in the notch 4.
[0038]
For example, FIG. 20 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 50 according to the fourth embodiment of the present invention, and the fatigue damage detection sensor 50 is provided with a thickness reducing portion 51 having a triangular cross section.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing the result of calculating Hc / H for the fatigue damage detection sensor 50 as described above in the equation (51).
[0039]
FIG. 22 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 60 according to the fifth embodiment of the present invention, and the fatigue damage detection sensor 60 is provided with a thickness reducing portion 61 having a trapezoidal cross section.
FIG. 23 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 70 according to the sixth embodiment of the present invention. In the fatigue damage detection sensor 70, the thickness reducing portion 71 having a circular cross section (semicircular arc) is shown. Is provided.
For these fatigue damage detection sensors 60 and 70 as well, as described above, Hc / H is calculated as εn / ε, and the progress rate of the crack 9 can be calculated.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, Hc / H of the fatigue damage detection sensor is calculated as εn / ε, the crack growth rate from the tip of the notch can be accelerated, and the thickness reduction portion Therefore, it is possible to obtain an arbitrary acceleration, so that a high-sensitivity fatigue damage detection sensor can be made compact without increasing the size of the fatigue damage detection sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a structural material fatigue damage detection sensor 20 according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the same.
FIG. 3 is a front view of a fatigue damage detection sensor 30 according to a second embodiment of the present invention.
4 is a front view showing the right half (arc portion 34A, linear portion 34B, and both side thickened portions 35) of the detection region 32 in the same manner. FIG.
FIG. 5 is a front view of the arc portion 34A.
FIG. 6 is a front view of the straight portion 34B.
FIG. 7 is an explanatory diagram of each formula for the arc portion 34A.
FIG. 8 is an explanatory diagram of each formula for the straight line portion 34B.
FIG. 9 is an explanatory diagram of respective equations for εa / ε, Hc, da / dN, and the like.
FIG. 10 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 40 according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a front view of the same.
12 is a front view showing the right half of the detection region 32 (arc portion 34A, linear portion 34B, and both side thickened portions 35). FIG.
FIG. 13 is a front view of the arc portion 34A.
FIG. 14 is a front view of the straight portion 34B.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an equation (50) for Hc.
FIG. 16 shows the degree of increase in fluctuation range ΔK of t1 / t3 and stress intensity factor K (= (Hc / H))^1/2).
FIG. 17 shows t1 / t3 and crack growth rate da / dN (= (Hc / H).^3/2).
FIG. 18 is a graph showing the relationship between a / W and ΔK.
FIG. 19 is a graph showing the relationship between the crack growth rate da / dN and the crack length a obtained by conducting a fatigue crack growth test of the fatigue damage detection sensor 40;
FIG. 20 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 50 according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing Hc / H formula (51).
FIG. 22 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 60 according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a perspective view of a fatigue damage detection sensor 70 according to a sixth embodiment of the present invention.
24 is a plan view of a conventional fatigue damage detection sensor 1. FIG.
FIG. 25 is a front view of the same.
[Explanation of symbols]
1 Fatigue damage detection sensor (conventional, Fig. 24)
2 Detection sensor body
3 Detection area
4 Notch
5 Left and right pair of fixed areas
6 Base material (bridge and other structural materials)
7 Adhesive layer
8 Tip of notch 4
9 Crack
10 Crack gauge (Fig. 24)
11 Shooting means (Fig. 25)
20 Fatigue damage detection sensor (first embodiment, FIGS. 1 and 2)
21 Detection sensor body
22 Detection area
23 A pair of left and right fixed areas
24 Notch formation center thin part (thin part)
25 A pair of left and right side thickened parts (thickened part)
26 Thickness reduction part with rectangular cross section
30 Fatigue damage detection sensor (second embodiment, FIG. 3)
31 Detection sensor body
32 Detection area
33 A pair of left and right fixed areas
34 Notch formation center thin part
34A Arc part of notch formation center thin part 34
34B Straight part of notch formation center thin part 34
35 Thickened parts on both sides
36 Thickness reduction part
40 Fatigue damage detection sensor (third embodiment, FIG. 10)
50 Fatigue damage detection sensor (fourth embodiment, FIG. 20)
51 Thickness reduction part
60 Fatigue damage detection sensor (fifth embodiment, FIG. 22)
61 Thickness reduction part
70 Fatigue damage detection sensor (sixth embodiment, FIG. 23)
71 Thickness reduction part

Claims

A structural material fatigue damage detection sensor for detecting the degree of fatigue damage of a structural material to which an external force is applied,
It has a detection sensor body that is formed of a plate-like member having a predetermined length that can be attached to the surface of the structural material and forms a notch,
This detection sensor body
A pair of left and right fixing regions to be fixed to the surface of the structural material;
A detection region that is between the fixed regions and forms the notch in the central portion thereof and floats from the structural material between the fixed regions, and is defined.
While providing a thickness reduction portion that reduces the thickness of the detection region toward the notch,
The distortion of the notch is εn,
The average distortion of the detection area is ε,
The length of the detection area is 2H,
When the converted length of the detection region that is apparently long due to the provision of the thickness reduction portion is Hc,
Hc / H = εn / ε,
And then
The length of the crack that can develop from the tip of the notch is a,
The number of external forces acting on the detection area is N,
The crack growth rate is da / dN,
When the degree of acceleration of da / dN is dα,
dα = (H c / H) ^3/2 ,
Fatigue damage detection sensor structural material, characterized in that to allow calculated with.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein the thickness reducing portion has a rectangular cross section.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein the thickness reducing portion has a triangular cross section.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein the thickness reducing portion has a trapezoidal cross section.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein the thickness reducing portion has a circular cross section.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein the thickness reducing portion is a Charpy cross section.

2. The structural material fatigue damage detection sensor according to claim 1, wherein a crack propagation speed at a tip portion of the notch can be controlled by selecting a shape of the thickness reducing portion.