JP4201720B2

JP4201720B2 - 疲労センサ

Info

Publication number: JP4201720B2
Application number: JP2004027930A
Authority: JP
Inventors: 修山本; 福彦片岡
Original assignee: 株式会社ジャパンテクノメイト
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005221300A

Description

本発明は、構造物の疲労損傷度を評価するための疲労センサに関する。

構造物の疲労損傷度を簡便かつ低コストでモニタする方法として、初期亀裂を人工的に設けた試験片を疲労センサとして構造物に固定し、初期亀裂部から進展する試験片の疲労亀裂の長さから構造物の疲労損傷度を評価する方法が知られている（特許文献１、２参照）。

上記疲労センサを用いた疲労損傷度の評価では、試験片において進展する疲労亀裂に基づいて構造物の疲労損傷度が評価されるため、疲労亀裂は被験体である構造物の主応力方向に対して、概ね直交する方向に進展するように制御されることが望まれる。すなわち、試験片はその初期亀裂が構造物の主応力方向に対して略直交するように構造物に固定される必要がある。従来の疲労センサでは、初期亀裂は一方向に対してのみ形成されているため、疲労損傷度の評価を適正に行なうためには、構造物における主応力方向を予測し、この方向に直交するように試験片を構造物に固定しなければならない。したがって、構造物の主応力方向の予測が困難な場合には、初期亀裂を主応力方向に直交させて試験片を構造物に固定することは難しく、疲労亀裂の進展方向を適正に制御できないという問題がある。

初期亀裂の始端部は、例えば試験片に設けられた円形開口の周縁部の相対する２つの位置から、それぞれ径方向に沿って形成されたスリット状の切欠きの先端部に設けられる。スリット状の切欠きは例えばワイヤカットを用いて形成されるが、加工精度上の問題や試験片個別の材料特性のバラツキの問題等により、スリット先端部は必ずしも亀裂をスリット方向に進展させるのに適したものとはならない。したがって、従来試験片に対してスリット方向と直交する方向に予め引張荷重を掛けてスリット先端部に初期亀裂を形成し、初期亀裂が略スリット方向に形成された試験片のみを疲労センサとして用いている。
特開２００１−２７２３１９号公報特開２００３−３０２３２１号公報

以上のように、疲労センサを用いて構造物の疲労損傷度を適正に評価するには、構造物の主応力方向に対して試験片に発生する疲労亀裂の進展方向を適正に制御する必要がある。しかし、主応力方向の予測の困難性や試験片の加工精度等により疲労亀裂の進展方向を適正に制御することは困難であった。

本願発明は、試験片を用いた疲労センサにおいて、疲労亀裂の進展方向を構造物の主応力方向に対して適正に制御可能とすることを目的としている。

本発明の疲労センサは、構造物に固定した試験片に形成される疲労亀裂から構造物の疲労損傷度を算定するための疲労センサであって、回転対称な周縁形状を有する開口または切欠きが形成された薄板状の試験片を備え、開口または切欠きの周縁部から放射状に複数のスリットが形成されたことを特徴としている。

複数のスリットの先端部の各々に、例えば初期亀裂が各々のスリットに沿った方向に形成される。または、例えば複数のスリットの先端部から所定距離離れた位置に細孔が各々形成される。

本発明の疲労センサは、構造物に固定した試験片に形成される疲労亀裂から構造物の疲労損傷度を算定するための疲労センサであって、開口または切欠きが形成された薄板状の試験片を備え、開口または切欠きにより応力集中を生じる周縁部近傍において、周縁部から所定距離離れた位置に細孔が形成されたことを特徴としている。

例えば、周縁部から所定距離離れた位置に形成された細孔の周縁部とは反対側に、更に複数の細孔が所定の間隔で直列して形成されることが好ましい。また更に、開口または切欠きが回転対称な周縁形状を有し、直列する細孔の列がこの開口または切欠きの周縁部から放射状に複数形成されることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、試験片を用いた疲労センサにおいて、疲労亀裂の進展方向を構造物の主応力方向に対して適正に制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における疲労センサの平面図である。

第１実施形態の疲労センサ１０は、例えば薄板状の金属製試験片１１からなる。本実施形態において、試験片１１には正方形の四隅を円弧状に成形した薄板が用いられるが、試験片１１の形状には、円形や矩形など様々なものが考えられる。本実施形態において試験片１１の厚さは略０．１ｍｍのオーダーであり、その一辺は例えば１０ｍｍ程度である。また、試験片１１の略中央には、例えば約１ｍｍ程度の直径を有する円形開口１２が形成される。

円形開口１２の周縁部には、放射状に複数のスリット１３が略等間隔で形成される。隣り合う２つのスリットがなす角をθとするとき、θ≦３０°であることが好ましい。本実施形態では、θ＝３０°の場合が例示され、１２本のスリットが円形開口１２の周囲に設けられている。また、主応力の作用する方向が概略予測される場合には、スリットの間隔に粗密を設け、予測される主応力方向と直交する方向にスリットの間隔を密に配置できるように構成してもよい。

図２は、スリット１３の１つの拡大図である。スリット１３は、円形開口１２の周縁部から径方向に沿って穿設された切欠きであり、例えば本実施形態において、スリット１３の幅は約０．１ｍｍ、長さは約０．５ｍｍである。スリット１３の先端部は略半円形状に加工され、その先端にはスリット１３の長手方向に沿った初期亀裂１４が形成される。第１実施形態の疲労センサ１０では、１２本の初期亀裂１４が各スリット１３の先端部に各々円形開口１２の径方向に沿って形成される。すなわち、１２本の初期亀裂が円形開口１２を中心として放射状に設けられる。

したがって、主応力の方向を考慮せずに疲労センサ１０を構造物に固定しても、主応力方向との交差角が直角に最も近い初期亀裂１４から疲労亀裂が進展することとなる。このとき、主応力方向に対する初期亀裂１４近傍における疲労亀裂の進展方向の誤差は、約±θ／２度（本実施形態では±１５°）の範囲に抑えることができる。これらのことから、構造物の主応力方向に関する情報が得られない場合においても、疲労センサ１０の固定方向に係わらず、疲労亀裂の進展方向を構造物の主応力方向に対し略直交するように制御することが可能となる。また、主応力の作用する方向が概略予測される場合には、スリット間隔に粗密を設けた疲労センサを用いることも出来る。

なお、疲労センサ１０は、疲労度を求める構造物の特定箇所において、試験片１１の外側周縁部を構造物に固定することにより構造物に固着される。固定方法としては、主に接着剤が用いられるが、ボルトや溶接などを用いてもよい。

次に図３を参照して、本実施形態の疲労センサを用いた構造物の疲労損傷度の推定と余寿命予測の方法について説明する。

（１）まず所定期間構造物に貼着した疲労センサに発生した疲労亀裂の長さを求める。（２）次に疲労センサの特性曲線から疲労センサの破断寿命の無次元量（ｎ／ｎｆ）を求める。ここで、ｎは所定期間内に作用した応力の回数であり、ｎｆは試験片（疲労センサ）の破断寿命である。（３）作用した応力の回数ｎを例えば２〜０．５倍の精度で計測又は推定する。（４）試験片の破断寿命ｎｆを求める。（５）疲労センサの疲労強度線図から等価応力変動幅ΔＳｅｑを求める。（６）構造物の着目点のＳＮ線図（公称応力ベース）を用いて構造物の疲労寿命Ｎｆを求める。（７）Ｎｆの疲労寿命の構造物にｎ回の応力が作用したことから、測定期間中（所定期間中）の疲労損傷度ｄ（＝ｎ／Ｎｆ）を求める。（８）現時点における単位期間（例えば１年）当りの疲労累積損傷度Ｄ（＝ｎ₀／Ｎｆ：単位期間当たりの応力作用回数）を求める。（９）構造物に作用する荷重の時間変化や、構造物の使用環境などによる疲労強度の変化を加味し、竣工時の疲労損傷度を０として、現在の疲労累積損傷度Ｄから過去の劣化曲線を求める。また、今後の使用条件と環境条件の予測を加味して、将来の劣化曲線を求め、余寿命を算定する。

なお、図３の（９）に示されたグラフにおいて、疲労損傷度が１となったときが破壊状態に対応する。また、図３の（９）のグラフでは（６）で使用する構造物のＳＮ線図において、３つのレベルの残存確率（または破壊確率）に対応する疲労累積損傷度を用いて、最安全側の余寿命（設計余寿命：破壊確率２．３％）、平均余寿命（破壊確率５０％）、最長余寿命（破壊確率９７．７％）の劣化曲線が求められている。

以上のように、第１実施形態の疲労センサでは、構造物の主応力方向の推定が困難な場合や、構造物が想定外の荷重にさらされる場合においても、疲労センサの固定方向に係らず試験片に発生する疲労亀裂の方向を常に略適正な方向に進展するように制御することができ、構造物の疲労損傷度を精度よく評価することが可能となる。

次に図４を参照して、本発明が適用された第２実施形態の疲労センサについて説明する。第２実施形態の疲労センサの構成は、初期亀裂を設けない点を除いて略第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様の構成に関して同一参照符号を用い、その説明を省略する。

図４は、第２実施形態の疲労センサにおけるスリット１３の拡大図である。図４に示すように第２実施形態のスリット１３の先端部分には、初期亀裂が設けられず、代わりに、その先端からスリット１３の中心線に沿って所定距離ａ（例えば０〜１ｍｍ程度、より好ましくは０〜０．１ｍｍ）離れた位置に例えば直径０．０１ｍｍオーダーの円形の細孔１５が形成される。スリット１３の先端部と細孔１５の間においては、先端部の形状による応力集中と細孔１５による応力集中が加算され、周辺部に比べ相対的に高い応力集中係数が得られる。したがって、試験片に繰り返し荷重が掛かると、主応力方向に直交するスリット１３の先端部から細孔１５に向けて亀裂が発生することとなる。なお、距離ａは、スリット１３の先端部による応力集中と細孔１５による応力集中の相互作用により、周辺部位に比べてスリット１３の先端部と細孔１５との間に十分高い応力集中が発生する範囲に取られればよく上記値に限定されるものではない。

以上のことから、第２実施形態によれば、人工的に初期亀裂を形成しなくとも疲労亀裂の進展方向をより確実に制御することができる。また、これにより疲労センサの製造工程において、人工的に初期亀裂を生成する工程を省くことができ、疲労センサの歩留りの悪化を防止することができる。

図５は、本発明が適用された第３実施形態の疲労センサの平面図である。図５を参照して第３実施形態の疲労センサについて説明する。

第３実施形態の疲労センサ２０は、例えば薄板状の金属製試験片１１からなる。本実施形態において、試験片１１には正方形の四隅を円弧状に成形した薄板が用いられるが、試験片１１の形状には、円形や矩形など様々なものが考えられる。本実施形態において試験片１１の厚さは略０．１ｍｍのオーダーであり、その一辺は例えば１０ｍｍ程度である。また、試験片１１の略中央には、例えば約１ｍｍ程度の直径を有する円形開口１２が形成される。

円形開口１２の周縁部近傍において、円形開口１２の中心を挟んで相対する位置には、一対の円形の細孔１５が形成される。細孔１５の直径は０．０１ｍｍオーダーであり、円形開口１２の周縁部からはそれぞれ所定距離ａ（例えば０〜１ｍｍ程度、より好ましくは０〜０．１ｍｍ）離れた位置に設けられる。

第３実施形態の疲労センサ２０は、構造物の主応力方向に対して、一対の細孔１５を結ぶ直線が略直交するように構造物に固定される。円形開口１２の周縁部と細孔１５の間においては、円形開口１２による応力集中と細孔１５による応力集中が加算され、周辺部に比べ相対的に高い応力集中係数が得られる。したがって、試験片に繰り返し荷重が掛かると、円形開口１２の周縁部から細孔１５に向けて主応力方向に略直交する亀裂が発生することとなる。なお、距離ａは、円形開口１２による応力集中と細孔１５による応力集中の相互作用により、周辺部位に比べて円形開口１２と細孔１５との間に十分高い応力集中が発生する範囲に取られればよく上記値に限定されるものではない。

以上のように、第３実施形態によれば、スリットや初期亀裂を人工的に形成しなくとも疲労亀裂の進展方向をより確実に制御することができる。また、これにより疲労センサの製造工程において、スリットを形成する工程を省くことができるとともに、人工的に初期亀裂を生成する工程を省くことができ、疲労センサの歩留りの悪化を防止することができる。

次に図６を参照して、本発明が適用された第４実施形態の疲労センサについて説明する。第４実施形態の疲労センサの構成は、略第３実施形態と同様であり、第３実施形態と同様の構成に関して同一参照符号を用い、その説明を省略する。

図６は、第４実施形態の疲労センサにおける円形開口１２及び細孔１５が形成された周辺の部分拡大図である。第４実施形態の疲労センサには、第３実施形態と同様に円形開口１２の周縁部から距離ａ離間して一対の細孔１５が形成されている。一対の細孔１５の外側には、一対の細孔１５を結ぶ直線（又は細孔から周縁部への法線）に沿って更に所定の数の細孔１６が略等間隔ｂで複数形成され細孔列１７を形成する。本実施形態において、細孔１６は例えば細孔１５と同じ寸法形状を有し、間隔ｂ及び細孔１５と細孔１６の間隔は距離ａに等しい。これにより、疲労亀裂が細孔１５に達すると、細孔１５と細孔１６との間に応力集中が起こり、亀裂は細孔１５から細孔１６に向けて進展する。同様に、疲労亀裂が細孔１６に達すると、応力は亀裂が達した細孔１６と次に隣接する細孔１６との間に集中し、亀裂は次の細孔１６に向けて進展する。なお、距離ｂは、細孔間に発生する応力集中が、周辺部位に比べて十分高くなる範囲に取られればよく本実施形態に限定されるものではない。

以上のように、第４実施形態によれば、第３実施形態と同様の効果が得られるとともに、疲労亀裂の進展方向を更に確実に制御することができる。また、細孔間の間隔ｂを調整することにより、亀裂進展速度及び感度を制御することができる。すなわち、細孔間の間隔ｂを狭くすれば感度は上がり、間隔を広げれば感度を下げることができる。

図７は、本発明が適用された第５実施形態の疲労センサの平面図である。図７を参照して第５実施形態の疲労センサについて説明する。第５実施形態の疲労センサの構成は、略第４実施形態と同様であり、第４実施形態と同様の構成に関して同一参照符号を用い、その説明を省略する。

第５実施形態の疲労センサ３０において、円形開口１２の周縁部には、放射状に複数の細孔列１７が略等間隔で形成される。隣り合う２つの細孔列１７がなす角をθとするとき、θ≦３０°であることが好ましい。本実施形態では、θ＝３０°の場合が例示され、１２本の細孔列が円形開口１２の周囲に設けられている。

以上のように、第５実施形態の疲労センサでは、構造物の主応力方向の推定が困難な場合や、構造物が想定外の荷重にさらされる場合においても、疲労センサの固定方向に係らず試験片に発生する疲労亀裂の方向を常に略適正な方向に進展するように制御することができ、構造物の疲労損傷度を精度よく評価することが可能となる。また、各細孔列においては、第３及び第４実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２実施形態のスリット先端部に第５実施形態の細孔列を配置することも可能である。また、本実施形態では、試験片の略中央に円形の開口を設けたが、開口の形状は円形以外であってもよく、試験片周縁部に設けた切欠き（例えば円弧状の切欠き）であってもよい。このとき例えば第１、２、５実施形態では、何れの方向のスリットや細孔列が主応力方向に直交しても略同様の応力集中が起こるように、例えば回転対称な周縁形状（例えば円弧状）をしていればよい。また第３、４実施形態では、細孔が形成される位置近傍における開口または切欠きの周縁形状が応力集中に適した形状であればよい。

また、本実施形態のスリット及び細孔列は、円形開口の周囲に略等間隔で放射状に配置されたが、例えば間隔に粗密を設け、主応力が掛かると大まかに予想される方向と直交する方向に密な部分を配置できるように構成してもよい。

第１実施形態の疲労センサの平面図である。図１の疲労センサのスリット周辺の部分拡大図である。本実施形態の疲労センサを用いた構造物の疲労損傷度の推定と余寿命予測の方法を説明する図である。第２実施形態の疲労センサのスリット周辺の部分拡大図である。第３実施形態の疲労センサの平面図である。第４実施形態の疲労センサに設けられた細孔列の拡大図である。第５実施形態の疲労センサの平面図である。

符号の説明

１０、２０、３０疲労センサ
１１試験片
１２円形開口
１３スリット
１４初期亀裂
１５、１６細孔

Claims

構造物に固定した試験片に形成される疲労亀裂から構造物の疲労損傷度を算定するための疲労センサであって、
回転対称な周縁形状を有する開口または切欠きが形成された薄板状の試験片を備え、
前記開口または切欠きの周縁部から放射状に複数のスリットが形成される
ことを特徴とする疲労センサ。
前記複数のスリットの先端部の各々に、初期亀裂が前記各々のスリットに沿った方向に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の疲労センサ。
前記複数のスリットの先端部から所定距離離れた位置に細孔が各々形成されたことを特徴とする請求項１に記載の疲労センサ。
構造物に固定した試験片に形成される疲労亀裂から構造物の疲労損傷度を算定するための疲労センサであって、
開口または切欠きが形成された薄板状の試験片を備え、
前記開口または切欠きにより応力集中を生じる周縁部近傍において、前記周縁部から所定距離離れた位置に細孔が形成される
ことを特徴とする疲労センサ。
前記細孔の前記周縁部の反対側に更に複数の細孔が所定の間隔で直列して形成されることを特徴とする請求項４に記載の疲労センサ。
前記開口または切欠きが回転対称な周縁形状を有し、直列する前記細孔の列が前記開口または切欠きの周縁部から放射状に複数形成されることを特徴とする請求項５に記載の疲労センサ。