JP2002098626A - 圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法およびその装置 - Google Patents
圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法およびその装置Info
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Abstract
壊の危険性を診断する圧電材料を用いた亀裂の危険度診
断方法およびその装置を提供する。 【解決手段】 機械、構造物あるいは建造物に生じた亀
裂9の先端10付近に圧電材料1A,1Bを配置するフ
ィルム11を設け、前記圧電材料1A,1Bの表裏面間
の電位差を計測することにより、亀裂9先端部近傍の直
交する2方向応力σx とσy の和(σx +σy )の、前
記圧電材料1A,1Bを接着した領域全体にわたる総和
を求め、亀裂9の成長速度や、成長方向および破壊の危
険性を診断する。
Description
機械、構造物あるいは建造物に生じた亀裂の成長速度や
成長方向、および亀裂先端からの破壊の危険性を診断す
る方法およびその装置に関する。
らなる橋梁、船舶、航空機、鉄橋、鉄塔、クレーン、海
洋構造物、プラント設備、建設機械、道路路面および壁
面などでは、使用期間中に種々の要因によって亀裂や割
れを生じることがある。鋭い応力集中部を有する亀裂や
割れは、それらの機械や構造物、建造物の安全性に重要
な影響を及ぼすので、補修の緊急性の判断、余寿命予測
などは、メンテナンスにおいて重要な課題である。
力学に基づいて行なわれるのが一般的である。
は、亀裂先端の応力の特異性を表す応力拡大係数K、ま
たは、応力が変動している場合には応力拡大係数範囲Δ
Kを用いることが多い。この応力拡大係数や応力拡大係
数範囲は、種々の材料の疲労破壊強度、脆性破壊強度な
どの評価に使用されているが、実機の構造に生じた割れ
や亀裂の応力拡大係数を計測する良い方法が無いのが現
状である。
りつけて応力分布を計測し、応力拡大係数を推定する方
法もあるが、計測精度の問題からあまり使用されていな
い。
解析法によって、応力拡大係数を推定する方法もある
が、荷重条件の複雑さ、溶接残留応力や初期変形の影
響、構造の複雑さなどが影響して、実機の応力拡大係数
を精度良く推定することが困難なことが多い。
7(a)は亀裂の開口型変形(モードI)、図7(b)
は亀裂の面内せん断型変形(モードII)、図7(c)は
亀裂の面外せん断型変形(モードIII )をそれぞれ示す
図である。
裂開口型の応力拡大係数KI 、面内せん断型の応力拡大
係数KII、面外せん断型の応力拡大係数KIII があり、
従来の方法では、応力計測結果からこれらを分離して求
めるのが容易でなかった。
されると電荷を発生させるという性質(圧電効果)を持
つ材料で、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換
する機能を持つ。
式図であり、図8(a)はその斜視図、図8(b)はそ
の側面図である。
を有する薄い圧電材料101を、平滑な母材102上
に、正極が上面を、負極が母材102面を向くように接
着して母材102に応力σx ,σy を加えると、圧電方
程式により圧電材料101の上面と下面の間には(σx
+σy )に比例する電位差を生じる。
どを貼り付けて、その上に圧電材料101を接着し、圧
電材料101の上面(正極)に電気端子104を、また
金属箔103(負極)に電気端子105を取付け、電気
配線107を介して計測すると、応力速度d(σx +σ
y )/dtに比例した電圧として得ることができる。次
に、この電圧を電気回路で積分(以降、積分回路106
と呼ぶ)して、もとの(σx +σy )に比例する電圧に
戻すと、2方向応力の和(σx +σy )を計測すること
ができる。このことは、チタン酸ジルコン酸鉛を材料と
するセラミクス圧電材料およびポリフッ化ビニリデン
(PVDF)を材料とする高分子圧電フィルムを用いた
先行技術文献(1)〔新宅英司、藤本由紀夫、濱田邦裕
「圧電素子による簡易応力履歴センサーの開発、第1報
および第2報」(日本造船学会論文集第184号、34
3−350.1998および第186号、401−41
1.1999〕の実験に示されている。
と、出力電圧Vと部材表面の直交する2方向応力σx ,
σy の間には次式が成り立つ。
定数、応力−歪関係、母材の応力−歪関係および接着材
の歪伝達率に関係する定数である。Aは圧電材料を接着
した面積である。出力電圧Vは、部材の応力σx ,σy
が圧電材料を接着した領域内部で一様な場合には圧電材
料の面積に比例するが、σx ,σy が分布する場合には
応力分布を領域内部で積分したものになる。
示す図である。
裂の先端近傍の応力分布(近似解)は、図9に示す座標
系において次式で表せることが先行技術文献(2)「岡
村弘之著「線形破壊力学入門」(培風館、22頁から2
6頁、1976)」に示されている。
数KI と面内せん断型(モードII)の応力拡大係数KII
のみを考慮し、面外せん断型(モードIII )の応力拡大
係数KIII を考慮していないが、機械や構造物に生じた
亀裂の多くはモードIあるいはIIの様式で成長すること
が多い。
が、そのσx とσy を上記(1)式に代入すると、比較
的簡単な関数として次の(3)式が得られる。
力拡大係数の推定に使用する式である。
ることにより、上記(3)式のモードIの応力拡大係数
KI とモードIIの応力拡大係数KIIを求めることが課題
であるが、2つの未知量KI ,KIIを分離して求めるに
は、亀裂先端近傍に圧電材料101を2個所設置して積
分回路106からの出力電圧V1 ,V2 をそれぞれ計測
し、上記(3)式を連立させて解く必要がある。
使用されている。疲労亀裂の伝播の問題では、パリス則
に代表される亀裂伝播速度式によって亀裂の成長速度を
推定できる。脆性破壊の評価では、モードIの応力拡大
係数KI が破壊の評価に使用されている。また、KI と
KIIの大きさを比較することにより、亀裂の成長方向を
ほぼ推定できることが、例えば、先行技術文献(3)
〔村上敬宣「き裂伝播経路の予知について」(日本機械
学会論文集(A編)第46巻407号、729−73
7.1980)〕に示されている。
計測方法を精度良く実施することは容易でない。
応力を求め、疲労度を検知し、破壊の危険性を診断す
る、圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法およびその
装置を提供することを目的とする。
亀裂の危険度診断方法において、機械、構造物あるいは
建造物に生じた亀裂の先端付近に圧電材料を配置するフ
ィルムを設け、前記圧電材料の表裏面間の電位差を計測
することにより、亀裂先端部近傍の直交する2方向応力
σx とσy の和(σx +σy )の、前記圧電材料を接着
した領域全体にわたる総和を求め、亀裂の成長速度や、
成長方向および破壊の危険性を診断することを特徴とす
る。
亀裂の危険度診断方法において、機械、構造物あるいは
建造物に生じた亀裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電
極処理を施した2枚の圧電材料を、この圧電材料の中心
が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせ
て配置してフィルムに接着し、上下2枚の圧電材料が発
生する電位差を計測することにより、亀裂の開口型応力
拡大係数K1 と面内せん断型応力拡大係数KIIを分離し
て求めることを特徴とする。
亀裂の危険度診断方法において、前記圧電材料が2枚の
半円形の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位
置するように微小な間隔で向かい合わせて配置すること
を特徴とする。
亀裂の危険度診断方法において、前記2枚の半円形の圧
電材料が、接着する向きによって発生する電荷が異なる
異方性圧電材料であり、直交する方向に切り出した2枚
の圧電材料を正極が向かい合うように重ねて接着するこ
とを特徴とする。
亀裂の危険度診断方法において、前記圧電材料が2枚の
矩形の圧電材料であり、その2枚の矩形の圧電材料の中
心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わ
せて配置することを特徴とする。
装置において、機械、構造物あるいは建造物に生じた亀
裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電極処理を施した2
枚の圧電材料を、この圧電材料の中心が亀裂先端に位置
するように微小な間隔で向かい合わせて配置し接着する
フィルムと、電極処理を施した圧電材料の上面(正極)
と金属箔(負極)にそれぞれ出力端子を取付けてなるセ
ンサーを備え、前記上下2枚の圧電材料が発生する電位
差を計測することにより、亀裂の開口型応力拡大係数K
1 と面内せん断型応力拡大係数KIIを分離して求める手
段とを具備することを特徴とする。
亀裂の危険度診断装置において、前記圧電材料が2枚の
半円形の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位
置するように微小な間隔で向かい合わせて配置する構造
を有することを特徴とする。
亀裂の危険度診断装置において、前記2枚の半円形の圧
電材料が接着する向きによって発生する電荷が異なる異
方性圧電材料であり、直交する方向に切り出した2枚の
圧電材料を正極が向かい合うように重ねて接着する構造
を有することを特徴とする。
亀裂の危険度診断装置において、前記圧電材料が2枚の
矩形の圧電材料であり、その2枚の矩形の圧電材料の中
心が亀裂先端に位置するように微小な間隔で向かい合わ
せて配置する構造を有することを特徴とする。
を用いて詳細に説明する。
いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
電材料の中心に微小な半径R0 の半円を加工した2枚の
半円形の圧電材料1A,1Bを準備し、これを構造部材
8に生じた亀裂9を挟むように向かい合わせて近接させ
て置き、圧電材料の半径の中心に亀裂先端10が位置す
るようにフィルム11上に接着する。圧電材料には前述
の方法で上面に正極の出力端子4A,4Bと下面に負極
の出力端子5A,5Bを取付けて電気配線7を経て積分
回路6に接続する。積分回路6から得られる圧電材料1
A,1Bの出力電圧VA ,VB は、
半円の加工を行なわない場合には、(4)式でR0 =0
とする。
れば、それらを上記(4)式に代入して連立方程式を解
き、KI とKIIを次のように得ることができる。
のと同じ形状寸法の圧電材料を平滑な母材に設置して、
σx =σ、σy =0の単軸の正弦波応力を負荷した実験
を行ない、上記(1)式から事前に求めておくことがで
きる。
いた亀裂の危険度診断装置の構成図である。
円形でない場合にも上述の方法は適用可能である。例え
ば、図2に示すように、長さL、高さHの長方形の圧電
材料1C,1Dをフィルム11上に設置した場合には、
積分回路からの出力電圧VC,VD は上記(3)式を用
いるとそれぞれ次のようになる。
H)と接着位置に関連する寸法(亀裂からの微小距離)
H0 によって決まる値であり、次式を事前に数値積分し
て求めておくことができる。
のような高分子材料からなる場合は、圧電材料がx,y
方向に異方性を示すので、圧電材料を接着する向きによ
って積分回路からの出力電圧が異なったものになる。こ
の場合には、図3(a)に示すように、同一形状の圧電
材料1E,1Fを直交する2方向から切り出し、図3
(b)に示すように、正極が互いに向かい合うように重
ねて接着して使用することにより、2つの圧電材料の出
力電圧に生じる異方性を打ち消すことができる。すなわ
ち、圧電材料1Eの出力電圧をVE =c2 σx +c3 σ
y とし、圧電材料1Fの出力電圧をVF =c3 σx +c
2 σy とすると、両方の出力電圧が加え合わされて、
(σx +σy )に比例する出力電圧を得ることができ
る。
用すると、同じ方法で応力拡大係数KI ,KIIを分離し
て求めることができる。なお、この場合の出力端子4,
5は図3(b)に示すように、向かい合う圧電材料1
E,1Fの正極の間に金属箔などを挟んで正極端子4を
取付け、反対側の両面の負極を短絡させて負極端子5を
取付ける。
て、亀裂先端近傍に精度良く圧電材料を接着する必要が
ある。しかし、実機械や構造物の現場で精度良く接着作
業を行なうのは容易でない。このため予め金属の箔や蒸
着による電気配線を施した薄い樹脂などのフィルム11
をべースとし、この表面に圧電材料を精度良く接着して
出力端子を取付けたものをセンサーとして構成し、これ
を機械や構造物に接着する方法が有効である。
あり、図4(a)はその平面図、図4(b)はその側面
図である。
ス11としては、例えばポリイミドフイルムを使用し、
これに金属箔を接着あるいは蒸着させて負極の出力端子
5A,5Bを取付けておく。亀裂開口によって上下面の
ポリイミドフイルムが容易に切断されるように、フイル
ムの一部にスリット12を加工しておく。これに圧電材
料1A,1Bを精度よく接着して、上面に正極の出力端
子4A,4Bを取付ける。このようにセンサー14を構
成することによって、現場での接着作業を容易かつ精度
良く行なうことができる。
ーの模式図である。
成したセンサー14を、構造物に生じた亀裂9の先端1
0に設置し、積分回路6、電圧記録計15および電源1
6などを平板13に一緒に取付けておく。橋梁や鉄橋な
どでは、通常の使用環境下で自動車や貨物車両あるいは
鉄道車両などを走らせて計測すると、実使用下での亀裂
の応力拡大係数を求めることができる。
下で計測を行なうことにより実使用下の応力拡大係数を
求めることができる。また、亀裂が発見された場合に、
使用を続行することができない機械や構造物では、特殊
な荷重を負荷して、圧電材料の発生する応答を調べるこ
とにより、実機の応力拡大係数を推定することもでき
る。
ことを検証するため、実験を行なった。まず、平滑な試
験片にチタン酸ジルコン酸鉛の圧電材料(長さ17m
m、幅11mm、厚さ0.3mm、村田製作所製)をエ
ポキシ樹脂で接着し、平滑試験片に応力範囲40Mp
a、1Hzの正弦波の完全両振り軸応力を繰り返し負荷
した。
験の結果、積分回路からは電圧範囲が0.40Vの正弦
波の出力電圧が得られた。圧電材料の寸法は187mm
2 である。
=5.3×10-5(V/N)が得られる。
り、図6(a)はコンパクト試験片を示す図、図6
(b)は45°亀裂付平板試験片を示す図である。
(ピン穴の中心をつなぐ線から亀裂先端までの距離が4
0mm)と、45度方向に長さ85mmの傾斜亀裂を有
する平板試験片にチタン酸ジルコン酸鉛の圧電材料を貼
り付けて実験を行った。圧電材料は長さ17mm、幅1
1mm、厚さ0.3mm(村田製作所製)の長方形で、
亀裂からH0 =0.5mmの位置に貼り付けた。
ピンPに荷重範囲が1kN、荷重繰り返し速度1Hzの
片振り引っ張り荷重を負荷した。図6(b)に示す45
度方向に傾斜亀裂を加工した平板試験片では応力範囲が
20Mpa、繰り返し速度1Hzの両振り軸応力を負荷
した。
裂開口型(モードI)の応力拡大係数が、図6(b)に
示す45度方向に亀裂を有する平板試験片では亀裂開口
型(モードI)と面内せん断型(モードII)の応力拡大
係数が計測できる。なお、この形状の圧電材料のGを上
記(7)式を数値積分して計算すると、G=37.7m
m1.5 となる。
試験片では積分回路から出力電圧範囲がVC =0.39
(V)、VD =0.40(V)、周期1秒の正弦波が得
られた。上記(6)式にこれらの出力電圧VC 、VD を
代入して応力拡大係数範囲を求めると次の値が得られ
る。
亀裂を有する平板試験片では出力電圧範囲がVC =0.
01(V)、VD =0.51(V)、周期1秒の正弦波
が得られた。上記(6)式にこれらを代入すると次の値
が得られる。
範囲ΔKが従来の研究により明らかにされている。図6
(a)に示すコンパクト試験片では上記先行技術文献
(2)の219ぺージに示された方法で、また、図6
(b)に示す45度方向の傾斜亀裂を有する平板試験片
では上記先行技術(3)の731ぺージの方法で応力拡
大係数が計算できる。与えられた荷重条件下で応力拡大
係数を計算すると、図6(a)に示すコンパクト試験片
ではΔKI =215MPa√mm、ΔKII=0.0MP
a√mmとなる。
亀裂を有する平板試験片ではΔKI=149MPa√m
m、ΔKII=130MPa√mmとなる。実験で求めた
応力拡大係数範囲の方が理論値に比べて多少小さい値を
示しているが、両者はほぼ近い値が得られている。
=6mm、厚さt=0.3mm(村田製作所製)の小型
の圧電材料を、H0 =0.5mmの位置に接着して同じ
荷重条件で実験したところ、表1に示すように、コンパ
クト試験片では、VC =0.19(V)、VD =0.2
0(V)の電圧範囲が得られた。
斜亀裂を有する平板試験片では、V C =0.01
(V)、VD =0.24(V)の電圧範囲が得られた。
この寸法の圧電材料のGは数値積分により、G=16.
9mm1.5 となる。これらを、上記(6)式に代入する
と、次のような応力拡大係数範囲が得られる。
1と表2にまとめているが、寸法の小さい圧電材料を用
いると、理論値により近い応力拡大係数範囲が計測でき
ていることが分かる。
電材料を用いることにより、本発明に基づいて、構造物
などに生じた亀裂の応力拡大係数範囲が計測できること
が分かる。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、2枚の圧電材料を構造物などに生じた亀裂先端
部に、微小な間隔で亀裂を挟むように向かい合わせて接
着し、圧電材料の表裏面間の電位差をそれぞれ計測し
て、亀裂の開口型の応力拡大係数KI と面内せん断型の
応力拡大係数KIIを分離して求めることができる。この
ようにして得られたKI 、KIIは、機械、構造、材料分
野で多数蓄積されている応力拡大係数を用いた疲労亀裂
成長速度や成長方向、さらに脆性破壊強度のデータと見
比べることにより、機械、構造物の安全性の判断やメン
テナンスに利用することができる。
精度良く接着し、出力端子などを取付けて構成した装置
は、実機械や構造物への適用を容易にするものとなり、
実用的センサーとなる。
危険度診断装置の構成図である。
危険度診断装置の構成図である。
て、等方性の圧電材料と同じ機能を持たせる方法の説明
図である。
である。
る。
る。
Claims (9)
- 【請求項1】 機械、構造物あるいは建造物に生じた亀
裂の先端付近に圧電材料を配置するフィルムを設け、前
記圧電材料の表裏面間の電位差を計測することにより、
亀裂先端部近傍の直交する2方向応力σx とσy の和
(σx +σy )の、前記圧電材料を接着した領域全体に
わたる総和を求め、亀裂の成長速度や、成長方向および
破壊の危険性を診断することを特徴とする圧電材料を用
いた亀裂の危険度診断方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断方法において、機械、構造物あるいは建造物
に生じた亀裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電極処理
を施した2枚の圧電材料を、該圧電材料の中心が亀裂先
端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置し
てフィルムに接着し、上下2枚の圧電材料が発生する電
位差を計測することにより、亀裂の開口型応力拡大係数
K1 と面内せん断型応力拡大係数KIIを分離して求める
ことを特徴とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方
法。 - 【請求項3】 請求項2記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断方法において、前記圧電材料が2枚の半円形
の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位置する
ように微小な間隔で向かい合わせて配置することを特徴
とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断方法において、前記2枚の半円形の圧電材料
が、接着する向きによって発生する電荷が異なる異方性
圧電材料であり、直交する方向に切り出した2枚の圧電
材料を正極が向かい合うように重ねて接着することを特
徴とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法。 - 【請求項5】 請求項2記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断方法において、前記圧電材料が2枚の矩形の
圧電材料であり、該2枚の矩形の圧電材料の中心が亀裂
先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置
することを特徴とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診
断方法。 - 【請求項6】(a)機械、構造物あるいは建造物に生じ
た亀裂の長さ方向の上下面に、表裏面に電極処理を施し
た2枚の圧電材料を、該圧電材料の中心が亀裂先端に位
置するように微小な間隔で向かい合わせて配置し接着す
るフィルムと、(b)電極処理を施した圧電材料の上面
(正極)と金属箔(負極)にそれぞれ出力端子を取付け
てなるセンサーを備え、(c)前記上下2枚の圧電材料
が発生する電位差を計測することにより、亀裂の開口型
応力拡大係数K1 と面内せん断型応力拡大係数KIIを分
離して求める手段とを具備することを特徴とする圧電材
料を用いた亀裂の危険度診断装置。 - 【請求項7】 請求項6記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断装置において、前記圧電材料が2枚の半円形
の圧電材料であり、その円の中心が亀裂先端に位置する
ように微小な間隔で向かい合わせて配置する構造を有す
ることを特徴とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診断
装置。 - 【請求項8】 請求項6記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断装置において、前記2枚の半円形の圧電材料
が接着する向きによって発生する電荷が異なる異方性圧
電材料であり、直交する方向に切り出した2枚の圧電材
料を正極が向かい合うように重ねて接着する構造を有す
ることを特徴とする圧電材料を用いた亀裂の危険度診断
装置。 - 【請求項9】 請求項6記載の圧電材料を用いた亀裂の
危険度診断装置において、前記圧電材料が2枚の矩形の
圧電材料であり、該2枚の矩形の圧電材料の中心が亀裂
先端に位置するように微小な間隔で向かい合わせて配置
する構造を有することを特徴とする圧電材料を用いた亀
裂の危険度診断装置。
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JP2000293553A JP3857032B2 (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 圧電材料を用いた亀裂の危険度診断方法およびその装置 |
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