JP2001056272A - 応力拡大係数の計測方法 - Google Patents
応力拡大係数の計測方法Info
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- JP2001056272A JP2001056272A JP23052399A JP23052399A JP2001056272A JP 2001056272 A JP2001056272 A JP 2001056272A JP 23052399 A JP23052399 A JP 23052399A JP 23052399 A JP23052399 A JP 23052399A JP 2001056272 A JP2001056272 A JP 2001056272A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 一般の板材に生じた亀裂だけではなく、
溶接部９など形状が複雑な箇所に生じた、どのような亀
裂１０に対しても適用可能であって、抵抗線ひずみゲー
ジなどを使用することなく、非接触で実施することがで
きる応力拡大係数の計測方法を提供すること。 【解決手段】 亀裂１０の先端近傍２２の画像を撮影
し、得られた画像にもとづいて亀裂先端２１からの距離
ｒおよび距離ｒにおける亀裂開口量（亀裂開口変位φ）
を計測することに着目したもので、亀裂１０が発生して
いる構造材料８の表面における亀裂１０をその先端近傍
２２において撮影する撮影手段２０を準備し、撮影手段
２０により、亀裂１０の先端２１からの距離ｒと、距離
ｒにおける亀裂開口変位φと、を計測し、計測結果から
応力拡大係数を演算することを特徴とする。
溶接部９など形状が複雑な箇所に生じた、どのような亀
裂１０に対しても適用可能であって、抵抗線ひずみゲー
ジなどを使用することなく、非接触で実施することがで
きる応力拡大係数の計測方法を提供すること。 【解決手段】 亀裂１０の先端近傍２２の画像を撮影
し、得られた画像にもとづいて亀裂先端２１からの距離
ｒおよび距離ｒにおける亀裂開口量（亀裂開口変位φ）
を計測することに着目したもので、亀裂１０が発生して
いる構造材料８の表面における亀裂１０をその先端近傍
２２において撮影する撮影手段２０を準備し、撮影手段
２０により、亀裂１０の先端２１からの距離ｒと、距離
ｒにおける亀裂開口変位φと、を計測し、計測結果から
応力拡大係数を演算することを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は応力拡大係数の計測
方法にかかるもので、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ないしその構造
材料、さらには建設機械などの機械構造、その他の機器
の安全性を評価する応力拡大係数の計測方法に関するも
のである。
方法にかかるもので、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ないしその構造
材料、さらには建設機械などの機械構造、その他の機器
の安全性を評価する応力拡大係数の計測方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、各種の亀裂部材（亀裂が発生
する可能性がある部材）の安全性評価および余寿命評価
においては、応力拡大係数にもとづいた線形破壊力学の
適用が有効であることが明かとなっている。応力拡大係
数は、亀裂先端の応力場の強さを示すスカラーパラメー
ターであって、亀裂の形状および寸法、亀裂が生じてい
る部材の形状および寸法、ならびに外力のレベルおよび
モードで決まる力学パラメーターである。線形破壊力学
によれば、応力拡大係数の値が材料固有のある一定の値
をこえたときに対象亀裂部材が破断すること、および、
金属疲労などの疲労破壊において応力拡大係数の変動の
大きさにより亀裂の進展速度が決まることが明かとなっ
ている。したがって、応力拡大係数は、亀裂が生じた部
材の安全性、および疲労寿命を定量的に評価するために
必要不可欠なパラメーターである。
する可能性がある部材）の安全性評価および余寿命評価
においては、応力拡大係数にもとづいた線形破壊力学の
適用が有効であることが明かとなっている。応力拡大係
数は、亀裂先端の応力場の強さを示すスカラーパラメー
ターであって、亀裂の形状および寸法、亀裂が生じてい
る部材の形状および寸法、ならびに外力のレベルおよび
モードで決まる力学パラメーターである。線形破壊力学
によれば、応力拡大係数の値が材料固有のある一定の値
をこえたときに対象亀裂部材が破断すること、および、
金属疲労などの疲労破壊において応力拡大係数の変動の
大きさにより亀裂の進展速度が決まることが明かとなっ
ている。したがって、応力拡大係数は、亀裂が生じた部
材の安全性、および疲労寿命を定量的に評価するために
必要不可欠なパラメーターである。
【０００３】応力拡大係数を評価ないし計測する手法に
ついては、従来からつぎのような方法が提案されてい
る。第１の方法としては、有限要素法などによる弾性解
析手法がある。すなわち、対象とする亀裂を含む構造物
ないしその構造材料や機器の全体あるいは一部を対象と
して解析モデルを作成し、要素分割のデータおよび境界
条件のデータなどを作成し、弾性解析プログラムにより
応力解析および変形解析を実行し、応力拡大係数を計算
する方法である。しかしながら、この方法においては、
亀裂部材を含んだ構造物ないしその構造材料や機器の全
体あるいは一部を解析する場合に、三次元問題であるこ
とも原因して、非常に多くの要素が必要となり、計算時
間が多くかかるという問題がある。とくに、亀裂の大き
さに対して構造物や機器の大きさが非常に大きい橋梁や
大型プラントなどにおいては、必要となる要素がきわめ
て多くなり、解析は事実上不可能である。仮に適当な大
きさの連続体を取り出し、境界条件を与えて解析を行う
ことができたとしても、その結果として得られた応力拡
大係数がどの程度に正しいのかの検証が問題となる。
ついては、従来からつぎのような方法が提案されてい
る。第１の方法としては、有限要素法などによる弾性解
析手法がある。すなわち、対象とする亀裂を含む構造物
ないしその構造材料や機器の全体あるいは一部を対象と
して解析モデルを作成し、要素分割のデータおよび境界
条件のデータなどを作成し、弾性解析プログラムにより
応力解析および変形解析を実行し、応力拡大係数を計算
する方法である。しかしながら、この方法においては、
亀裂部材を含んだ構造物ないしその構造材料や機器の全
体あるいは一部を解析する場合に、三次元問題であるこ
とも原因して、非常に多くの要素が必要となり、計算時
間が多くかかるという問題がある。とくに、亀裂の大き
さに対して構造物や機器の大きさが非常に大きい橋梁や
大型プラントなどにおいては、必要となる要素がきわめ
て多くなり、解析は事実上不可能である。仮に適当な大
きさの連続体を取り出し、境界条件を与えて解析を行う
ことができたとしても、その結果として得られた応力拡
大係数がどの程度に正しいのかの検証が問題となる。
【０００４】第２の方法としては、ひずみゲージ法があ
る。図５は、このひずみゲージ法の一例を示す斜視図で
あって、亀裂部材１に生じた亀裂２の先端近傍におい
て、その部材側面３に抵抗線ひずみゲージ４をたとえば
放射状に貼り付け、亀裂部材１に荷重が作用したときの
ひずみを計測する方法である。図６は、亀裂部材１に他
の抵抗線ひずみゲージ５を貼り付けた状態を示す斜視図
であって、この場合には、亀裂２の進展方向前方に抵抗
線ひずみゲージ５を貼り付けている。これらの抵抗線ひ
ずみゲージ４、５にそれぞれリード線（図示せず）を接
続し、ひずみの変化にともなう抵抗変化の計測に供す
る。計測されたひずみと応力拡大係数との間の理論的な
関係を照合して応力拡大係数を評価する。しかしなが
ら、この方法においては、図５に示すように、亀裂２の
先端部６を取り囲むように抵抗線ひずみゲージ４を配置
する必要がある。あるいは図６に示すように、亀裂２の
延長線上に他の抵抗線ひずみゲージ５を配置する必要が
ある。亀裂部材１が単純な板材であるような場合には、
抵抗線ひずみゲージ４、５について記述のような配置が
可能であるが、汎用性がないという問題がある。すなわ
ち、図７に示すように、第１の板材７と第２の板材８と
の交差部に施された溶接部９など、形状が複雑な箇所に
生じた亀裂１０については、図５あるいは図６に示すよ
うな抵抗線ひずみゲージ４、５の配置は事実上不可能で
ある。しかも実際には、こうした溶接部９に発生する亀
裂がはるかに多く経験されることから、実構造材料に発
生した亀裂１０を対象とした現場での適用には不適切で
ある。
る。図５は、このひずみゲージ法の一例を示す斜視図で
あって、亀裂部材１に生じた亀裂２の先端近傍におい
て、その部材側面３に抵抗線ひずみゲージ４をたとえば
放射状に貼り付け、亀裂部材１に荷重が作用したときの
ひずみを計測する方法である。図６は、亀裂部材１に他
の抵抗線ひずみゲージ５を貼り付けた状態を示す斜視図
であって、この場合には、亀裂２の進展方向前方に抵抗
線ひずみゲージ５を貼り付けている。これらの抵抗線ひ
ずみゲージ４、５にそれぞれリード線（図示せず）を接
続し、ひずみの変化にともなう抵抗変化の計測に供す
る。計測されたひずみと応力拡大係数との間の理論的な
関係を照合して応力拡大係数を評価する。しかしなが
ら、この方法においては、図５に示すように、亀裂２の
先端部６を取り囲むように抵抗線ひずみゲージ４を配置
する必要がある。あるいは図６に示すように、亀裂２の
延長線上に他の抵抗線ひずみゲージ５を配置する必要が
ある。亀裂部材１が単純な板材であるような場合には、
抵抗線ひずみゲージ４、５について記述のような配置が
可能であるが、汎用性がないという問題がある。すなわ
ち、図７に示すように、第１の板材７と第２の板材８と
の交差部に施された溶接部９など、形状が複雑な箇所に
生じた亀裂１０については、図５あるいは図６に示すよ
うな抵抗線ひずみゲージ４、５の配置は事実上不可能で
ある。しかも実際には、こうした溶接部９に発生する亀
裂がはるかに多く経験されることから、実構造材料に発
生した亀裂１０を対象とした現場での適用には不適切で
ある。
【０００５】第３の方法としては、交流電位差法があ
る。この方法は、荷重の載荷によって亀裂をまたぐ二点
間の交流電位差が変化することを利用するもので、あら
かじめ較正しておいた電位差変化と応力拡大係数との関
係と、交流電位差変化値の計測値とを照合することによ
り、応力拡大係数を評価するものである。しかしなが
ら、この方法においても、既述の第２の方法と同様に現
場での適用には不適切である。
る。この方法は、荷重の載荷によって亀裂をまたぐ二点
間の交流電位差が変化することを利用するもので、あら
かじめ較正しておいた電位差変化と応力拡大係数との関
係と、交流電位差変化値の計測値とを照合することによ
り、応力拡大係数を評価するものである。しかしなが
ら、この方法においても、既述の第２の方法と同様に現
場での適用には不適切である。
【０００６】第４の方法としては、コースティック法が
ある。この方法は、亀裂部材に光線を照射し、その入射
光や反射光がスクリーンに結ぶ実像あるいは虚像がどの
ように歪むかによって応力拡大係数を評価するものであ
る。しかしながら、この方法は、透明な材料にしか適用
することができないという問題がある。
ある。この方法は、亀裂部材に光線を照射し、その入射
光や反射光がスクリーンに結ぶ実像あるいは虚像がどの
ように歪むかによって応力拡大係数を評価するものであ
る。しかしながら、この方法は、透明な材料にしか適用
することができないという問題がある。
【０００７】第５の方法としては、光弾性法がある。こ
の方法は、透明な弾性体に偏光を当て、検光子を通して
みることにより得られる干渉模様から応力場を求めて、
応力拡大係数を評価するものである。しかしながら、こ
の方法も第４の方法と同様に、透明な材料にしか適用す
ることができないという問題がある。
の方法は、透明な弾性体に偏光を当て、検光子を通して
みることにより得られる干渉模様から応力場を求めて、
応力拡大係数を評価するものである。しかしながら、こ
の方法も第４の方法と同様に、透明な材料にしか適用す
ることができないという問題がある。
【０００８】以上のように、従来の方法はいずれもその
適用範囲に限界があり、実構造物ないしその構造材料で
みられるような複雑な形状の箇所に生じる亀裂に対して
は適用することができないという問題がある。
適用範囲に限界があり、実構造物ないしその構造材料で
みられるような複雑な形状の箇所に生じる亀裂に対して
は適用することができないという問題がある。
【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、どのような亀裂に対
しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供するこ
とを課題とする。
諸問題にかんがみなされたもので、どのような亀裂に対
しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供するこ
とを課題とする。
【００１０】また本発明は、一般の板材に生じた亀裂だ
けではなく、溶接部など形状が複雑な箇所に生じた亀裂
に対しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供す
ることを課題とする。
けではなく、溶接部など形状が複雑な箇所に生じた亀裂
に対しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供す
ることを課題とする。
【００１１】また本発明は、抵抗線ひずみゲージなどを
使用することなく、非接触で実施することができる応力
拡大係数の計測方法を提供することを課題とする。
使用することなく、非接触で実施することができる応力
拡大係数の計測方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、亀裂
の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像にもとづいて
亀裂先端からの距離およびこの距離における亀裂開口量
（亀裂開口変位）を計測し、その値から応力拡大係数を
推定することに着目したもので、構造材料に作用する外
力により発生する亀裂の応力拡大係数の計測方法であっ
て、上記亀裂が発生している上記構造材料の表面におけ
る該亀裂をその先端近傍において撮影する撮影手段を準
備し、この撮影手段により、上記亀裂の先端からの距離
ｒと、この距離ｒにおける亀裂開口変位φと、を計測
し、この計測結果から応力拡大係数を演算することを特
徴とする応力拡大係数の計測方法である。
の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像にもとづいて
亀裂先端からの距離およびこの距離における亀裂開口量
（亀裂開口変位）を計測し、その値から応力拡大係数を
推定することに着目したもので、構造材料に作用する外
力により発生する亀裂の応力拡大係数の計測方法であっ
て、上記亀裂が発生している上記構造材料の表面におけ
る該亀裂をその先端近傍において撮影する撮影手段を準
備し、この撮影手段により、上記亀裂の先端からの距離
ｒと、この距離ｒにおける亀裂開口変位φと、を計測
し、この計測結果から応力拡大係数を演算することを特
徴とする応力拡大係数の計測方法である。
【００１３】応力拡大係数をＫ、上記構造材料の定数
（せん断剛性）をＧ、上記構造材料の他の定数をκ（κ
＝４−３ｖ、ｖはポアソン比）としたときに、φ＝（Ｋ
／Ｇ）×（ｒ／２π）1/2×（κ＋１）とすることがで
きる。
（せん断剛性）をＧ、上記構造材料の他の定数をκ（κ
＝４−３ｖ、ｖはポアソン比）としたときに、φ＝（Ｋ
／Ｇ）×（ｒ／２π）1/2×（κ＋１）とすることがで
きる。
【００１４】上記撮影手段は、その撮像素子として電荷
結合デバイスを有することができる。
結合デバイスを有することができる。
【００１５】上記撮影手段による撮像には、寸法が既知
である指標物を上記亀裂とともに写し込むことができ
る。
である指標物を上記亀裂とともに写し込むことができ
る。
【００１６】本発明による応力拡大係数の計測方法にお
いては、亀裂の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像
にもとづいて亀裂先端からの距離ｒおよびこの距離ｒに
おける亀裂開口量φを計測し、その値から応力拡大係数
を推定するようにしたので、亀裂の先端近傍を撮影する
ための撮影手段のみにより、応力拡大係数を簡単に計測
することができる。亀裂の先端近傍を撮影するだけであ
るので、簡便で、適用場所や構造材料の材質を選ばず、
非接触であるとともに、溶接部その他複雑な形状を有す
る箇所の亀裂に対しても適用可能である。
いては、亀裂の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像
にもとづいて亀裂先端からの距離ｒおよびこの距離ｒに
おける亀裂開口量φを計測し、その値から応力拡大係数
を推定するようにしたので、亀裂の先端近傍を撮影する
ための撮影手段のみにより、応力拡大係数を簡単に計測
することができる。亀裂の先端近傍を撮影するだけであ
るので、簡便で、適用場所や構造材料の材質を選ばず、
非接触であるとともに、溶接部その他複雑な形状を有す
る箇所の亀裂に対しても適用可能である。
【００１７】つぎに本発明による応力拡大係数の計測方
法を図１および図２にもとづき、より具体的に説明す
る。ただし、図５ないし図７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、本発明の
原理を説明するための斜視図、図２は、同、亀裂１０部
分の拡大平面図であって、図７に示したと同様な溶接部
９ないし亀裂１０が発生している第２の板材８（構造材
料）における亀裂１０を撮影手段２０により至近距離、
たとえば２０ｍｍ程度の距離から撮影する。
法を図１および図２にもとづき、より具体的に説明す
る。ただし、図５ないし図７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、本発明の
原理を説明するための斜視図、図２は、同、亀裂１０部
分の拡大平面図であって、図７に示したと同様な溶接部
９ないし亀裂１０が発生している第２の板材８（構造材
料）における亀裂１０を撮影手段２０により至近距離、
たとえば２０ｍｍ程度の距離から撮影する。
【００１８】この撮影手段２０としては、図２の一部を
さらに拡大して示すように、第２の板材８の表面におい
て、亀裂１０の先端２１から所定の距離ｒにある先端近
傍２２の微小な開口部２３の開口量（亀裂開口変位φ）
を精度良く計測することが必要であることから、対象物
（亀裂１０）を少なくとも２０倍以上、好ましくは１０
０〜２００倍に拡大して撮影することができる機能を有
する撮影装置が必要である。撮影手段２０としては、た
とえば、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）素子を用いたマイ
クロスコープ、あるいはマイクロレンズ付きカメラなど
がある。
さらに拡大して示すように、第２の板材８の表面におい
て、亀裂１０の先端２１から所定の距離ｒにある先端近
傍２２の微小な開口部２３の開口量（亀裂開口変位φ）
を精度良く計測することが必要であることから、対象物
（亀裂１０）を少なくとも２０倍以上、好ましくは１０
０〜２００倍に拡大して撮影することができる機能を有
する撮影装置が必要である。撮影手段２０としては、た
とえば、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）素子を用いたマイ
クロスコープ、あるいはマイクロレンズ付きカメラなど
がある。
【００１９】つぎに測定原理について説明する。図１、
および図２に示すように、測定対象物に存在する亀裂１
０の先端近傍２２を対象として、撮影手段２０により画
像を撮影する。なお、撮影画像には、寸法が既知である
指標物（距離方向指標物２４および開口方向指標物２
５）をともに写し込むことにより、撮影後に縮尺がわか
るようにしておく。これらの距離方向指標物２４および
開口方向指標物２５としては、たとえば実験室では、亀
裂１０の近傍にマイクロビッカース試験機により０．５
ｍｍの間隔で圧痕をつけ、この間に存在する撮影手段２
０の画素数から一つの画素の実スケールを演算すること
ができるようにする構成を採用することができる。実構
造物に対しては、撮影手段２０側に同様な所定間隔の指
標を設けるようにする構成、あるいは物差しを一緒に写
し込む構成など、実寸法を確認可能な任意の構成を採用
することができる。
および図２に示すように、測定対象物に存在する亀裂１
０の先端近傍２２を対象として、撮影手段２０により画
像を撮影する。なお、撮影画像には、寸法が既知である
指標物（距離方向指標物２４および開口方向指標物２
５）をともに写し込むことにより、撮影後に縮尺がわか
るようにしておく。これらの距離方向指標物２４および
開口方向指標物２５としては、たとえば実験室では、亀
裂１０の近傍にマイクロビッカース試験機により０．５
ｍｍの間隔で圧痕をつけ、この間に存在する撮影手段２
０の画素数から一つの画素の実スケールを演算すること
ができるようにする構成を採用することができる。実構
造物に対しては、撮影手段２０側に同様な所定間隔の指
標を設けるようにする構成、あるいは物差しを一緒に写
し込む構成など、実寸法を確認可能な任意の構成を採用
することができる。
【００２０】撮影された画像から、亀裂１０の開口状態
を計測する。具体的には、図２に示すように、亀裂１０
の先端２１から少し離れた数カ所を計測位置とし、亀裂
１０の先端２１から計測位置までの距離ｒ、それぞれの
計測位置ｒにおける亀裂１０の開口幅（亀裂開口変位
φ）について画像上の寸法を計測し、写し込んである上
記指標物（距離方向指標物２４および開口方向指標物２
５）を参照することにより、画像上での寸法を実寸法に
変換する。
を計測する。具体的には、図２に示すように、亀裂１０
の先端２１から少し離れた数カ所を計測位置とし、亀裂
１０の先端２１から計測位置までの距離ｒ、それぞれの
計測位置ｒにおける亀裂１０の開口幅（亀裂開口変位
φ）について画像上の寸法を計測し、写し込んである上
記指標物（距離方向指標物２４および開口方向指標物２
５）を参照することにより、画像上での寸法を実寸法に
変換する。
【００２１】図２に拡大して示すような、無限板中に存
在する半無限亀裂において、亀裂１０の先端２１からの
距離ｒと、その位置での亀裂開口変位φとの間には、 φ＝Σ（Ａn／Ｇ）×ｒn/2（κ×ｓｉｎ（ｎπ／２）＋（ｎ／２）×ｓｉｎ （（ｎ／２−２）π）−（ｎ／２＋（−１）n）×ｓｉｎ（ｎπ／２）） 式（１） という関係がある（ｎについての級数）。ただし、ｎは
１以上の整数、Ｇは構造材料の定数（せん断剛性）、κ
は構造材料の他の定数（κ＝４−３ｖ、ｖはポアソン比
（材料がＳＳ４００材の場合には、ｖ＝０．３））であ
って、多くの材料についてそれぞれの値はすでに求めら
れている。このうち、第１項の係数Ａ1は、応力拡大係
数Ｋと、 Ａ1＝Ｋ／（２π）1/2 式（２） という関係にある。亀裂１０の先端２１にきわめて近い
領域では、第１項が支配的になるものと考えられること
から、第１項のみを取り出すことにより亀裂１０の先端
近傍２２の開口幅（亀裂開口変位φ）を近似することが
できるものとする。すなわち、 φ＝（Ｋ／Ｇ）×（ｒ／２π）1/2×（κ＋１） 式（３） である。なお本発明において、亀裂１０の先端２１にき
わめて近い領域については、亀裂１０の先端２１からの
距離ｒの範囲として、１ｍｍ≦ｒ≦１０ｍｍ程度が望ま
しく、さらに好ましくは距離ｒとして約５ｍｍ前後であ
る。
在する半無限亀裂において、亀裂１０の先端２１からの
距離ｒと、その位置での亀裂開口変位φとの間には、 φ＝Σ（Ａn／Ｇ）×ｒn/2（κ×ｓｉｎ（ｎπ／２）＋（ｎ／２）×ｓｉｎ （（ｎ／２−２）π）−（ｎ／２＋（−１）n）×ｓｉｎ（ｎπ／２）） 式（１） という関係がある（ｎについての級数）。ただし、ｎは
１以上の整数、Ｇは構造材料の定数（せん断剛性）、κ
は構造材料の他の定数（κ＝４−３ｖ、ｖはポアソン比
（材料がＳＳ４００材の場合には、ｖ＝０．３））であ
って、多くの材料についてそれぞれの値はすでに求めら
れている。このうち、第１項の係数Ａ1は、応力拡大係
数Ｋと、 Ａ1＝Ｋ／（２π）1/2 式（２） という関係にある。亀裂１０の先端２１にきわめて近い
領域では、第１項が支配的になるものと考えられること
から、第１項のみを取り出すことにより亀裂１０の先端
近傍２２の開口幅（亀裂開口変位φ）を近似することが
できるものとする。すなわち、 φ＝（Ｋ／Ｇ）×（ｒ／２π）1/2×（κ＋１） 式（３） である。なお本発明において、亀裂１０の先端２１にき
わめて近い領域については、亀裂１０の先端２１からの
距離ｒの範囲として、１ｍｍ≦ｒ≦１０ｍｍ程度が望ま
しく、さらに好ましくは距離ｒとして約５ｍｍ前後であ
る。
【００２２】画像計測により得られた計測位置ｒおよび
亀裂開口量φをこの式（３）に適用することにより、応
力拡大係数Ｋを計算することができる。計算に必要とな
る計測点の数は何点でもよく、一点の場合には、式
（３）を逆に解くことにより、複数点の場合には最小自
乗法などの手法により応力拡大係数Ｋを計算することが
できる。最小自乗法などの手法による場合は、仮に応力
拡大係数Ｋおよび複数点の距離ｒを設定して式（３）か
ら求められる複数点における亀裂開口量φの計算値と、
それぞれの計測点（距離ｒ）での亀裂開口量φの実際の
計測値との間の差の自乗和が最小となるように応力拡大
係数Ｋを求めることができる。
亀裂開口量φをこの式（３）に適用することにより、応
力拡大係数Ｋを計算することができる。計算に必要とな
る計測点の数は何点でもよく、一点の場合には、式
（３）を逆に解くことにより、複数点の場合には最小自
乗法などの手法により応力拡大係数Ｋを計算することが
できる。最小自乗法などの手法による場合は、仮に応力
拡大係数Ｋおよび複数点の距離ｒを設定して式（３）か
ら求められる複数点における亀裂開口量φの計算値と、
それぞれの計測点（距離ｒ）での亀裂開口量φの実際の
計測値との間の差の自乗和が最小となるように応力拡大
係数Ｋを求めることができる。
【００２３】つぎに、図３に示すようなＣＴ試験片２６
（ＳＳ４００材）について、開口幅（亀裂開口変位φ）
の計算値と、上述のような本発明による計測方法の実測
値とを比較し、本発明による応力拡大係数の計測方法の
妥当性を説明する。ＣＴ試験片２６の応力拡大係数Ｋ
は、 Ｋ＝（Ｐ／Ｗ）×ａ1/2×Ｆ（ａ／Ｗ） 式（４） と計算することができる。ただし、Ｐは単位厚さあたり
の荷重であり、さらに図３に示すように、ＷはＣＴ試験
片２６を取り付ける疲労試験機（図示せず）の取付け用
孔２７の中心からＣＴ試験片２６における亀裂１０の進
展方向の端部までの長さ、ａは上記取付け用孔２７の中
心から亀裂１０の先端２１までの長さである。 Ｆ（ξ）＝２９．６−１８５．５ξ＋６５５．７ξ2＋
１０１７．０ξ3＋６３８．９ξ4、である。この式
（４）を式（３）に代入することにより、亀裂開口変位
φの近似値を計算することができる。
（ＳＳ４００材）について、開口幅（亀裂開口変位φ）
の計算値と、上述のような本発明による計測方法の実測
値とを比較し、本発明による応力拡大係数の計測方法の
妥当性を説明する。ＣＴ試験片２６の応力拡大係数Ｋ
は、 Ｋ＝（Ｐ／Ｗ）×ａ1/2×Ｆ（ａ／Ｗ） 式（４） と計算することができる。ただし、Ｐは単位厚さあたり
の荷重であり、さらに図３に示すように、ＷはＣＴ試験
片２６を取り付ける疲労試験機（図示せず）の取付け用
孔２７の中心からＣＴ試験片２６における亀裂１０の進
展方向の端部までの長さ、ａは上記取付け用孔２７の中
心から亀裂１０の先端２１までの長さである。 Ｆ（ξ）＝２９．６−１８５．５ξ＋６５５．７ξ2＋
１０１７．０ξ3＋６３８．９ξ4、である。この式
（４）を式（３）に代入することにより、亀裂開口変位
φの近似値を計算することができる。
【００２４】このＣＴ試験片２６について、それぞれの
荷重をかけて、式（４）により計算した応力拡大係数Ｋ
と、撮影手段２０により亀裂１０を実際に撮影し式
（３）から求めた応力拡大係数Ｋと、を比較する。すな
わち、図４は、亀裂１０の先端２１からの距離ｒに対す
る開口変位φ（亀裂開口変位）の関係を示すグラフであ
って、図４（１）は荷重が０．５０ｔｏｎｆの場合、図
４（２）は荷重が１．００ｔｏｎｆの場合、図４（３）
は荷重が１．５０ｔｏｎｆの場合をそれぞれ示す。
荷重をかけて、式（４）により計算した応力拡大係数Ｋ
と、撮影手段２０により亀裂１０を実際に撮影し式
（３）から求めた応力拡大係数Ｋと、を比較する。すな
わち、図４は、亀裂１０の先端２１からの距離ｒに対す
る開口変位φ（亀裂開口変位）の関係を示すグラフであ
って、図４（１）は荷重が０．５０ｔｏｎｆの場合、図
４（２）は荷重が１．００ｔｏｎｆの場合、図４（３）
は荷重が１．５０ｔｏｎｆの場合をそれぞれ示す。
【００２５】図４のグラフに示すように、亀裂１０の先
端２１からごく近傍の領域においては、本発明による画
像計測にもとづく亀裂開口変位φの実測値と、計算値と
が非常によく合致していることがわかる。かくして、撮
影手段２０を用いることにより距離ｒおよび亀裂開口変
位φを計測し、式（３）から容易に応力拡大係数Ｋを得
ることができる。なお本発明により計測方法により、Ｃ
Ｔ試験片２６について、たとえば亀裂１０の先端２１か
らの距離ｒ＝５ｍｍの位置において亀裂開口変位φ＝
０．０２ｍｍとなるときの効力拡大係数Ｋ＝１９．４Ｍ
Ｐａｍ1/2と演算することができる。
端２１からごく近傍の領域においては、本発明による画
像計測にもとづく亀裂開口変位φの実測値と、計算値と
が非常によく合致していることがわかる。かくして、撮
影手段２０を用いることにより距離ｒおよび亀裂開口変
位φを計測し、式（３）から容易に応力拡大係数Ｋを得
ることができる。なお本発明により計測方法により、Ｃ
Ｔ試験片２６について、たとえば亀裂１０の先端２１か
らの距離ｒ＝５ｍｍの位置において亀裂開口変位φ＝
０．０２ｍｍとなるときの効力拡大係数Ｋ＝１９．４Ｍ
Ｐａｍ1/2と演算することができる。
【００２６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、撮影手段
により亀裂の先端を含むその先端近傍を撮影し、亀裂先
端からの距離ｒおよび開口量φから、非接触で、かつ複
雑な形状の箇所における亀裂についても応力拡大係数を
簡単に求めることができる。
により亀裂の先端を含むその先端近傍を撮影し、亀裂先
端からの距離ｒおよび開口量φから、非接触で、かつ複
雑な形状の箇所における亀裂についても応力拡大係数を
簡単に求めることができる。
【図１】本発明の原理を説明するための斜視図である。
【図２】同、亀裂１０部分の拡大平面図である。
【図３】同、ＣＴ試験片２６の平面図である。
【図４】同、亀裂１０の先端２１からの距離ｒに対する
開口変位φ（亀裂開口変位）の関係を示すグラフであっ
て、図４（１）は荷重が０．５０ｔｏｎｆの場合、図４
（２）は荷重が１．００ｔｏｎｆの場合、図４（３）は
荷重が１．５０ｔｏｎｆの場合をそれぞれ示す。
開口変位φ（亀裂開口変位）の関係を示すグラフであっ
て、図４（１）は荷重が０．５０ｔｏｎｆの場合、図４
（２）は荷重が１．００ｔｏｎｆの場合、図４（３）は
荷重が１．５０ｔｏｎｆの場合をそれぞれ示す。
【図５】従来のひずみゲージ法の一例を示す斜視図であ
る。
る。
【図６】同、亀裂部材１に他の抵抗線ひずみゲージ５を
貼り付けた状態を示す斜視図である。
貼り付けた状態を示す斜視図である。
【図７】同、第１の板材７と第２の板材８との交差部に
施された溶接部９に生じた亀裂１０を示す斜視図であ
る。
施された溶接部９に生じた亀裂１０を示す斜視図であ
る。
１ 亀裂部材（図５、図６） ２ 亀裂 ３ 亀裂部材１の部材側面 ４ 抵抗線ひずみゲージ（図５） ５ 他の抵抗線ひずみゲージ（図６） ６ 亀裂２の先端部 ７ 第１の板材 ８ 第２の板材 ９ 溶接部 １０ 亀裂 ２０ 撮影手段（マイクロスコープ）（図１） ２１ 亀裂１０の先端 ２２ 亀裂１０の先端近傍 ２３ 亀裂１０の先端２１から所定の距離ｒにある微小
な開口部 ２４ 距離方向指標物（指標物） ２５ 開口方向指標物（指標物） ２６ ＣＴ試験片（図３） ２７ 取付け用孔 ｒ 亀裂１０の先端２１からの距離 φ 亀裂１０の先端２１から所定の距離ｒにある先端
近傍２２の微小な開口部の開口量（亀裂開口変位）
な開口部 ２４ 距離方向指標物（指標物） ２５ 開口方向指標物（指標物） ２６ ＣＴ試験片（図３） ２７ 取付け用孔 ｒ 亀裂１０の先端２１からの距離 φ 亀裂１０の先端２１から所定の距離ｒにある先端
近傍２２の微小な開口部の開口量（亀裂開口変位）
Claims (4)
- 【請求項１】 構造材料に作用する外力により発生す
る亀裂の応力拡大係数の計測方法であって、 前記亀裂が発生している前記構造材料の表面における該
亀裂をその先端近傍において撮影する撮影手段を準備
し、 この撮影手段により、前記亀裂の先端からの距離ｒと、
この距離ｒにおける亀裂開口変位φと、を計測し、 この計測結果から応力拡大係数を演算することを特徴と
する応力拡大係数の計測方法。 - 【請求項２】 応力拡大係数をＫ、前記構造材料の定
数（せん断剛性）をＧ、前記構造材料の他の定数をκ
（κ＝４−３ｖ、ｖはポアソン比）としたときに、 φ＝（Ｋ／Ｇ）×（ｒ／２π）1/2×（κ＋１） とすることを特徴とする請求項１記載の応力拡大係数の
計測方法。 - 【請求項３】 前記撮影手段は、その撮像素子として
電荷結合デバイスを有することを特徴とする請求項１記
載の応力拡大係数の計測方法。 - 【請求項４】 前記撮影手段による撮像には、寸法が
既知である指標物を前記亀裂とともに写し込むことを特
徴とする請求項１記載の応力拡大係数の計測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23052399A JP3312298B2 (ja) | 1999-08-17 | 1999-08-17 | 応力拡大係数の計測方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23052399A JP3312298B2 (ja) | 1999-08-17 | 1999-08-17 | 応力拡大係数の計測方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001056272A true JP2001056272A (ja) | 2001-02-27 |
| JP3312298B2 JP3312298B2 (ja) | 2002-08-05 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23052399A Expired - Fee Related JP3312298B2 (ja) | 1999-08-17 | 1999-08-17 | 応力拡大係数の計測方法 |
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| JP (1) | JP3312298B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003035528A (ja) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Ohbayashi Corp | ひび割れ画像計測による構造物の損傷度評価システム及び方法 |
| JP2007303916A (ja) * | 2006-05-10 | 2007-11-22 | K & T Consultant:Kk | 構造物の応力測定方法 |
| JP2009244957A (ja) * | 2008-03-28 | 2009-10-22 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 台車枠の強度評価方法 |
| JP2012184996A (ja) * | 2011-03-04 | 2012-09-27 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 溶接形状評価装置及びその評価方法 |
| KR101447833B1 (ko) | 2013-09-25 | 2014-10-13 | 경북대학교 산학협력단 | 응력 확대 계수 측정 방법 |
| CN105241582A (zh) * | 2015-10-24 | 2016-01-13 | 扬州大学 | 一种拉压载荷作用下线弹性板椭圆孔边应力集中系数的测量方法 |
| CN111220310A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-02 | 西南交通大学 | 一种接触网补偿装置运行监测与异常报警系统及方法 |
| JP7513889B2 (ja) | 2020-10-26 | 2024-07-10 | 日本製鉄株式会社 | 応力拡大係数の算出方法及び疲労強度の評価方法 |
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| CN103837074A (zh) * | 2014-03-21 | 2014-06-04 | 洛阳理工学院 | 一种脆性材料裂缝位置和宽度判定的简易装置 |
-
1999
- 1999-08-17 JP JP23052399A patent/JP3312298B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3312298B2 (ja) | 2002-08-05 |
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