JP2003227784A

JP2003227784A - 殻構造の応力試験方法及び装置

Info

Publication number: JP2003227784A
Application number: JP2002024716A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yoshida; 吉田　　誠; Masataka Nosaka; 正隆野坂; Takayuki Sudo; 孝幸須藤; Masataka Kikuchi; 正孝菊池; Masaki Sato; 正喜佐藤; Hitoshi Takada; 仁志高田
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】殻状供試体の積層構造や端面処理を含んだ状
態で応力状態を解明可能にし、合わせてヘリウム透過量
の温度依存性を求めて、複合材料等の軽量材料の評価を
格段に向上させることができる応力試験方法及び装置を
提供する。【解決手段】薄肉殻構造に用いられる炭素繊維強化型
の樹脂系複合材から成る殻状供試体１を装置本体１１に
固定し、圧力室２１に供給されたヘリウムガスの圧力を
殻状供試体１のドーム部２の凹面側に作用させる。ドー
ム部２の頂点部２ａの変位は、レーザ変位計１２によっ
て検出される。殻状供試体１は、冷却室２２に供給され
る極低温流体によって冷却される仕切り板１８を介して
任意温度に冷却される。殻状供試体１を透過したヘリウ
ムガスの量は、負圧室３０を通じて吸引するヘリウムリ
ーク検出器３３で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ロケットの極低
温液体から成る推進剤を貯蔵するタンクのような殻構造
又はドーム形状を両端に持つ円筒構造に生じる応力を求
めるための殻構造の応力試験方法、及びそうした応力を
求めるための試験を行うことができる殻構造の応力試験
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ロケット及びロケットエンジン
の分野においては、ロケットの機体及びロケットエンジ
ンの高性能化を図る上で、それらの構造材の軽量化は避
けて通ることができない重要な課題である。特に、再使
用型の宇宙輸送機の開発に際しては、従来の使い捨て型
のロケットに比べて、機体及びエンジンの大幅な性能向
上と軽量化が求められている。高いエンジン性能を得る
ことができるエンジンは推進剤として水素と酸素とを用
いるエンジンであり、これらの推進剤はタンク内に液体
酸素と液体水素の極低温状態で収容されており、ポンプ
によってあるいはタンク自体を加圧して燃焼室に供給さ
れてそこで燃焼される。

【０００３】ロケットの機体及びエンジンの軽量化のた
めには、構造重量の大きな部分を占める推進薬タンク
を、その構造材として樹脂系材料を含む複合材料を適用
するなどによって軽量化することが効果的であり、その
ため、複合材を用いた極低温タンクの開発が求められて
いる。軽量化を実現する樹脂系材料を含む複合材料の有
力な候補として、炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ）が考
えられている。しかしながら、液体酸素と液体水素とが
いずれも極低温推進剤であるため、このような複合材料
をそのまま圧力容器として使用する場合には、マイクロ
クラッキング等の極低温特有の問題が発生する可能性が
ある。

【０００４】このような複合材料等の材料についてその
基礎データを得るための試験として、従来は、試験片に
ついて一軸の引っ張り、曲げ等の応力試験、あるいは平
面内での２軸の応力試験を行い、そのときに得られたデ
ータに基づいて実際にタンク等に使用された場合の球殻
や両端がドーム型の筒状殻のような立体的な薄肉殻構造
に生じる応力状態を推定していた。しかし、殻構造の応
力状態を精度良く推定するには、複合材の積層構造や端
部に現れる強化繊維のほつれ等に起因又は対処した端面
処理の影響などを別途考慮する必要があり、推定作業が
複雑になると共に推定精度の向上にも限界があるという
問題がある。上記のような薄肉殻構造においては、積層
構造や端面処理の影響などを考慮しなくても、応力状態
を簡単に且つ精度良く推定することができるように改善
が求められている。

【０００５】また、液体ヘリウムのような極低温の液体
を貯蔵するタンクにおいては、タンク壁構造をＣＦＲＰ
のような複合材で構成した場合には、極低温に起因して
発生するマイクロクラックを通してのヘリウムリーク量
の変化を極低温の状態で計測する方法は従来提案されて
いなかった。極低温でのマイクロクラックが原因でタン
クから極低温流体のリークが発生しても、室温に戻すと
マイクロクラックが閉じてしまって損傷を検知すること
ができない。そのため、実際に使用される極低温状態と
同じ状態で流体のリーク量を計測する必要がある。例え
ば、温度を変えてヘリウムリーク量を測定して基礎デー
タを得ていれば、収容する液体温度に応じてタンク構造
材に生じるマイクロクラックの発生割合いを推定でき
る。従って、応力試験を兼ねてヘリウムリークを測定す
ることができれば、好都合である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、樹脂系複合材
をタンクに見られるような圧力容器等に不可欠な薄肉の
ドーム形の殻構造に用いた場合のように、殻状供試体を
構成するドーム部の積層構造や端面処理を含んだ状態で
ドーム部に生じる応力状態を解明可能にし、加えて、応
力状態やマイクロクラックの発生をその温度依存性を含
めて解明可能にする点で解決すべき課題がある。

【０００７】この発明の目的は、殻状供試体のドーム部
の積層構造や端面処理の影響を受けることのない状態で
荷重負荷による応力試験をし、また、極低温液体の温度
までの範囲の任意温度での応力試験を可能とし、更に、
極低温でのマイクロクラックの発生等をリアルタイムで
捉えるヘリウムリーク試験も同時に行うことができ、そ
うすることで、複合材料等の軽量材料の評価を格段に向
上させることが期待できる殻構造の応力試験方法及び装
置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明による殻構造の応力試験方法は、殻構造の
一部を成すドーム部とその周辺部に形成されたフランジ
部とを備えた殻状供試体を前記フランジ部において装置
本体に取り付け、前記ドーム部に流体圧力を作用させ、
そのときの前記ドーム部の変位又は歪みを計測し、前記
変位又は前記歪みの計測値に基づいて前記殻構造に生じ
る応力を求めることから成っている。

【０００９】この発明による殻構造の応力試験方法によ
れば、試験片としての殻状供試体をそのフランジ部にお
いて装置本体に固定し、その状態でドーム部に流体圧力
を作用させると、流体圧力に対抗してドーム部の内部に
面内応力が生じる。殻状供試体を構成するドーム部はそ
の周辺部分でフランジ部に滑らかに接続し且つフランジ
部において装置本体に固定されているので、荷重が負荷
される部分に殻状供試体の端部がなく、ドーム部の中央
部、即ち、ドーム部の周辺部から遠い部分ではドーム部
の積層構造や端面処理の影響を回避することができ、ド
ーム部を持つ殻構造が流体圧力を受けた場合に、殻状供
試体の中央部が、面内応力状態、即ち、曲げ等の力が実
質的に作用しない引っ張り等の平面応力状態と同等の応
力状態が再現されていることが期待される。フランジ部
には曲げが作用する可能性があるが、フランジ部の厚さ
を厚くすることにより、殻状供試体がフランジ部で破損
することなく中央部の平面応力状態が維持可能である。
殻構造を有する殻状供試体の中央部が面内応力状態にあ
ることは数値解析によって確認される。即ち、ドーム部
の変位又は歪みの数値解析による計算値とセンサからの
計測値とを対照させることで、面内応力状態を確認する
ことができる。数値解析の一例としては、フランジ部の
固定部材への取付けとドーム部に作用させた流体圧力と
の条件に基づいて、ドーム部に生じる応力や変位（歪
み）を解析する有限要素法を挙げることができる。その
応力状態の確認が一旦得られれば、その後の数値計算は
不要である。

【００１０】この殻構造の応力試験方法において、前記
ドーム部を球殻の一部とし、前記フランジ部を前記球殻
の周辺部分に滑らかに接続する状態に一体成形すること
ができる。殻状供試体をこのように構成することによ
り、ドーム部の端部処理が中央部に及ぼす影響を軽減さ
せることができ、殻状供試体の中央部の平面応力状態を
一層確実にして、より精度の良い応力試験を行うことが
できる。ドーム部を球殻に構成したとき、曲率半径を変
更することによりドーム部の湾曲度を可変に設定するこ
とができ、ドーム部の計測された変位又は歪みに基づい
て、圧力と板厚とのみから球殻に生じる応力を推定する
ことができる。

【００１１】また、この発明による殻構造の応力試験装
置は、ドーム部とその周辺部に形成されたフランジ部と
を備えた殻状供試体を前記フランジ部において固定する
と共に、前記ドーム部に圧力を作用するため固定状態に
置かれた前記ドーム部との間に圧力流体が導入される圧
力室が形成された装置本体、及び前記装置本体に配設さ
れ且つ前記ドーム部の変位又は歪みを計測するセンサか
ら成っている。

【００１２】この殻構造の応力試験装置によれば、ドー
ム部とその周辺部に形成されたフランジ部とを備えた殻
状供試体は、フランジ部において装置本体に固定され
る。殻状供試体の装置本体への固定状態において、装置
本体とドーム部との間に圧力流体が導入される圧力室が
形成されており、圧力室に圧力流体を導入することによ
って、殻状供試体を応力負荷状態とされる。装置本体に
配設されたせンサは、応力負荷状態とされたドーム部の
変位又は歪みを計測し、殻構造に生じる応力を求めるの
に利用される。

【００１３】この殻構造の応力試験方法においては、前
記流体圧力は、前記ドーム部の凹面側に作用させること
ができる。また、この殻構造の応力試験装置において
は、前記圧力室を前記ドーム部の凹面側に形成すること
が好ましい。ドーム部の凹面側に流体圧力を作用させる
ことで、タンク内部に収容した流体の圧力を受けている
状態と同様の状態を模擬することができる。

【００１４】この殻構造の応力試験方法において、前記
ドーム部に沿って配置された放熱板を極低温液体で冷却
することによって、前記ドーム部の温度を低温側が前記
極低温液体の温度までの範囲内で設定可能とすることが
できる。また、この殻構造の応力試験装置において、前
記ドーム部を冷却するため極低温液体で冷却される放熱
板が前記ドーム部に沿って配置されており、前記ドーム
部の温度を低温側が前記極低温液体の温度までの範囲内
で設定可能とすることができる。ドーム部に沿って配置
した放熱板を併用することにより、ドーム部の温度は、
極低温から高温までの任意の温度に設定され、広範な温
度範囲の環境で応力試験をすることが可能である。更
に、この殻構造の応力試験装置においては、前記放熱板
によって、前記圧力室の前記装置本体側の壁部を構成す
ることができる。放熱板が装置本体側の壁部と兼用され
るので、応力試験装置の構造を簡単にすることができ
る。放熱板は、冷却効率を向上するためドーム部の直近
に配置することができる。

【００１５】この殻構造の応力試験方法において、前記
流体圧力をヘリウムガスの圧力とし、前記ドーム部を透
過した前記ヘリウムの量を検出することにより、前記設
定温度での殻状試供体のヘリウムリーク量を測定するこ
とができる。また、この殻構造の応力試験装置におい
て、前記流体圧力をヘリウムガスの圧力とし、前記ドー
ム部を間に挟んで前記圧力室と反対側には真空吸引先に
前記ドーム部を透過した前記ヘリウムの量を検出するリ
ークヘリウム検出器が接続可能な負圧室を形成すること
ができる。極低温加圧状態ではドーム部に微小な亀裂で
あるマイクロクラックが生じる可能性があるが、マイク
ロクラックを通じてドーム部の反対側に漏れた圧力流体
としてのヘリウムガスを実際の使用状態と同等の極低温
状態で測定することができる。ドーム部の圧力室とは反
対側の負圧室をヘリウムリーク検出器に接続することに
より、マイクロクラックによるヘリウムリーク量が計測
される。ヘリウムリーク量を計測することで、材料中の
冷却温度に応じたマイクロクラックの発生程度を推定す
ることができる。

【００１６】この殻構造の応力試験装置において、前記
装置本体は、前記ドーム部との間に前記圧力室を形成す
る基部側の第１フレームと、前記第１フレームとの間に
前記フランジ部を挟んだ状態で前記殻状供試体を固定す
る上側の第２フレームとから構成することができる。装
置本体をこのように二つのフレームで構成することによ
り、簡潔な構造で殻状供試体の応力試験を行うことがで
きる。

【００１７】この殻構造の応力試験方法において、前記
ドーム部の前記変位又は前記歪みは、前記ドーム部の頂
点部の変位又は歪みとすることができる。また、この殻
構造の応力試験装置においては、前記センサを前記第２
フレームにおいて前記ドーム部の頂点部に対応する位置
に配置させることができる。ドーム部を部分球殻とした
場合、ドーム部の頂点部の変位（歪み）はフランジ部が
定める平面に直交する方向の変位（歪み）のみであり、
面内応力状態にあると考えられるので、この変位（歪
み）をこの直交方向に測定することにより、殻状供試体
の応力測定における誤差が入り込む可能性が少なくなっ
て、測定精度を向上させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づいて、
この発明による殻構造の応力試験方法及び装置の実施例
を説明する。図１はこの発明による殻構造の応力試験に
おいて試験に供される殻状供試体の一例を示す図であ
り、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）はその縦断面図であ
る。図２は、この発明による殻構造の応力試験装置の一
実施例を示す縦断面図である。

【００１９】図１（ａ）には、殻状供試体１の一例の外
観が示されており、殻状供試体１は、タフエポキシを含
浸させた織物材から成る炭素繊維強化型（ＣＦＲＰ）試
験体であり、ハンドレイアップ法によってドーム形に形
成されている。殻状供試体１は、部分球殻から成るドー
ム部２と、その周辺部分４において滑らかに接続する環
状のフランジ部３とから成り、ドーム部２とフランジ部
３とは一体成形されている。殻状供試体１の全体は４層
積層構造であり、一例として、厚さが１．２ｍｍ、ドー
ム部２の曲率半径は１２１ｍｍである。フランジ部３に
は、後述する装置本体への取付けの際に固定ボルト１５
（図２）が挿通する複数のボルト挿通孔５が周方向に隔
置して形成されている。

【００２０】図１（ｂ）に示すように、フランジ部３が
定める平面と直交する平面でドーム部２を切断したと
き、ドーム部２の断面輪郭６の曲率半径Ｒを変更するこ
とにより、ドーム部２には、任意の湾曲度を持つ球殻形
状を与えることができる。即ち、曲率半径を大きくする
ときにはドーム部２はなだらかな球殻の一部となり、曲
率半径を小さくするときには湾曲の大きい球殻の一部と
なり、球の湾曲度を変更することができる。直交する断
面での断面輪郭６，７の曲率半径Ｒ１，Ｒ２を異にして
湾曲度の異なる回転楕円体の殻体としつつ内圧を作用さ
せた場合には、曲率の大きさに応じて方向によって異な
る大きさの応力を作用させることができるが、単一の曲
率で平面内応力状態を推定するという簡易な応力推定を
そのまま適用することは難しくなる。

【００２１】図２に、極低温状態で加圧することで殻状
供試体１の応力試験を行う殻構造の応力試験装置１０が
示されている。応力試験装置１０は、装置本体１１と、
装置本体１１の取り付けられたセンサ１２とから成って
いる。装置本体１１は、基部側の第１フレーム１３と、
第１フレーム１３を上側から覆うハット形の第２フレー
ム１４とから成っており、第１フレーム１３と第２フレ
ーム１４とをその間に殻状供試体１のフランジ部３を挟
み込んだ状態で複数の固定ボルト１５によって締め付け
ることにより、殻状供試体１を装置本体１１に固定する
ことができる。第１フレーム１３の殻状供試体１と当接
する側には、環状シール１６を配置して、後述する圧力
流体の漏れの防止を図ることができる。

【００２２】第１フレーム１３には、殻状供試体１が載
置される側にキャビティ１７が形成されており、キャビ
ティ１７を上下に二分する形で銅製の仕切り板１８が配
設されている。仕切り板１８は、外周基部１９がキャビ
ティ１７の隅部に電子ビーム等による溶接又は気密に嵌
合固定されており、外周基部１９から延びる湾曲部２０
が殻状供試体１のドーム部２に近接して沿って配置され
ている。仕切り板１８は、銅製とすることによって、後
述するように放熱性が良好な放熱板としての機能を奏し
ている。キャビティ１７は、仕切り板１８によって、殻
状供試体１に面する側の圧力室２１と底側の冷却室２２
とに仕切られている。仕切り板１８には、ヘリウムガス
供給源に繋がり且つ冷却室２２を通って延びる流体供給
管２３が貫通しており、その端部が圧力室２１に開口し
ている。圧力室２１には流体供給管２３を通して圧力流
体としてのヘリウムガスが供給され、殻状供試体１のド
ーム部２には、その凹面側から流体圧力が均一に作用す
る。

【００２３】冷却室２２には、第１フレーム１３内に通
された流入管２４及び流出管２５が接続されており、流
入管２４を通じて冷却室２２に供給された液体水素又は
液体窒素等の極低温流体が流出管２５を通じて流出する
ことにより、常に極低温流体供給が供給されている。冷
却室２２に供給された極低温流体は銅製の仕切り板１８
に接触して冷却し、仕切り板１８は加圧用のヘリウムガ
スを媒体として殻状供試体１を冷却する。殻状供試体１
の表面温度は、高温側を例えば室温とし、低温側を、例
えば、液体窒素（７７Ｋ）によって１０２Ｋ付近にま
で、液体水素（２０Ｋ）により５０Ｋ付近にまでとする
範囲内の任意の設定温度に冷却することができる。

【００２４】第２フレーム１４は、固定ボルト１５が挿
通される周辺部２６、周辺部２６から延びる筒状部２７
及び天板部２８を備えたハット形構造を有しており、周
辺部２６には、冷却用として液体水素又は液体窒素等の
極低温流体を流すことができるチャンネル２９が形成さ
れている。殻状供試体１の上方は、筒状部２７及び天板
部２８で囲まれたスペースが形成されており、このスペ
ースは吸引管３１を通じて行われる真空吸引によって常
に負圧にされる負圧室３０となっている。試験中、吸引
管３１にはヘリウムリーク検出器（ＨＬＤ）３３が接続
されており、ヘリウムリーク検出器３３は負圧室３０に
漏れ出るヘリウムの量を検出可能である。殻状供試体１
は炭素繊維強化型の樹脂材料であっても、極低温環境下
に置かれることで、マイクロクラックが発生する可能性
がある。圧力室２１から殻状供試体１に生じたマイクロ
クラックを通じて負圧室３０に漏れたヘリウムガス量
（ヘリウムリーク量）をヘリウムリーク検出器３３によ
って検出することで、極低温状況下での殻状供試体１の
マイクロクラック発生状況を推定することができる。

【００２５】筒状部２７には、負圧室３０に臨んで配置
されて、負圧室３０の圧力と温度を検出するセンサポー
ト３２が設けられている。また、天板部２８には、ドー
ム部２の頂点部２ａに対応する直上位置において、ドー
ム部２の変位又は歪みを検出するレーザ変位計１２が設
けられている。また、歪みゲージとして、殻状供試体１
のドーム部２の頂点部に１枚、頂点から２５ｍｍ，５０
ｍｍの位置にそれぞれロゼットゲージが取り付けられ
る。ドーム部２が部分球殻であってドーム部２に作用す
る圧力が対称且つ均等であるとすると、ドーム部２の頂
点部２ａの変位（歪み）はフランジ部３が定める平面に
直交する方向に変位（歪み）のみであり、応力状態は引
っ張り応力のみの面内応力状態であると考えられる。従
って、この直交方向に測定した頂点部２ａの変位（歪
み）には、水平方向の誤差が入り込む可能性が少なくな
って、測定精度を向上させることができる。

【００２６】殻状供試体１の応力試験は次の（１）〜
（７）の手順で行われる。（１）室温において、圧力室２１に圧力流体としてヘリ
ウムガスを加圧供給する。ガス圧力を０．２５ＭＰａと
し、ヘリウムリーク検出器３３によって殻状供試体１を
透過したヘリウム透過量を定常値に達するまで計測す
る。以後、圧力室２１は可能な限り０．２５ＭＰａのヘ
リウム圧力を保ち、一連の試験で殻状供試体１内のヘリ
ウム濃度勾配を一定に保つ。（２）室温でヘリウムガスの圧力を０．１〜０．６ＭＰ
ａの範囲で変更して、殻状供試体１での応力試験を行
う。（３）圧力室２１内のヘリウムガス圧力を０．２５ＭＰ
ａに保ち、冷却室２２に冷却用の極低温液体として液体
窒素を供給し、放熱板としての仕切り板１８を冷却する
ことによって殻状供試体１を室温から液体窒素温度付近
まで冷却した後、ヘリウムガスの圧力を０．１〜０．６
ＭＰａの範囲で変更して殻状供試体１の応力試験を行
い、殻状供試体１の異常の有無を確認する。（４）室温でヘリウムガスの圧力を０．１〜０．６ＭＰ
ａの範囲で変更して殻状供試体１の応力試験を行い、殻
状供試体１の異常の有無を確認する。（５）冷却用の極低温液体として液体水素を冷却室２２
に循環させることによって、（３）と同様の応力試験を
行う。（６）室温でヘリウムガスの圧力を０．１〜０．６ＭＰ
ａの範囲で変更して殻状供試体１の応力試験を行い、殻
状供試体１の異常の有無を確認する。（７）殻状供試体１内のヘリウムを除いた後、（１）と
同様に室温でヘリウムリーク検出器３３によってヘリウ
ム透過量を計測する。液体水素による冷却試験の際に
は、安全のため、防護容器内に試験装置を設置して試験
を行うのが好ましい。

【００２７】対照試験として、同様なドーム部曲率半径
を有するステンレス製ラプチャーディスクを図２に示す
応力試験装置１０に装着して室温加圧試験も行われた。
試験に使用したラプチャーディスクはステンレス製であ
り、基本的なサイズは図１に示す殻状供試体１と同様で
あるが、耐圧１．０ＭＰａ、厚さ０．１ｍｍと非常に薄
く製作された。ラプチャーディスクは、ヤング率等のデ
ータが解っているステンレス材料を用いることで、解析
方法の検証に利用することができる。室温での加圧時の
頂点変位と歪みの実測値（増圧途上と減圧途上）と有限
要素法による数値計算値とが、図３及び図４にそれぞれ
示されている。図３では、０．１ＭＰａを境として変位
量の傾きが大きく異なり、０．１ＭＰａ以上では、計算
とほぼ一致した傾きを持つ。これは、ヘリウムガスによ
る加圧初期に、ドーム部２全体が上方に変位するためと
考えられる。

【００２８】殻状供試体１の応力試験結果の一例が、図
５及び図６に示されている。ラプチャーディスクの加圧
試験と同様に、図５は、この発明による応力試験におい
てＣＦＲＰで製作された殻状供試体１を室温で加圧した
ときの頂点部２ａの変位の実測値と有限要素法による数
値計算結果を示すグラフである。殻状供試体１の厚さ
は、ラプチャーディスクの厚さの約１０倍と厚いため、
曲げに対する剛性が高く、図３と同様な変位の傾きが変
化する位置が０．４ＭＰａ付近まで上昇していると考え
られる。以後の傾きは計算結果と略一致する。

【００２９】図６は、この応力試験によって得られた、
ヘリウムガスが殻状供試体１を透過するヘリウム透過量
の温度による変化、即ち、温度依存性を示すグラフであ
る。図６に示す温度依存性は、液体窒素（ＬＮ２）／液
体水素（ＬＨ２）による冷却試験後の室温まで連続的に
昇温する際にヘリウム透過量を測定した連続データであ
る。図６に示すように、温度の低下に伴ってヘリウムリ
ーク量が増加している。この図から、液体窒素によって
冷却した場合、低温で１００倍以上の透過量を示してい
るが、昇温と共に試験前の値に戻っている。即ち、極低
温では、マイクロクラックが開いてヘリウムリーク量が
増加し、昇温と共にマイクロクラックが閉じてヘリウム
リーク量が減少していることが理解される。また、通
常、材料内の拡散による透過の場合ではヘリウム圧力を
変化させても透過量が短時間で変化する現象は起こらな
いが、冷却時の加圧試験ではヘリウム圧力に追従して大
きな時間遅れが無く、透過量が変化する傾向が見られ
た。液体窒素、液体水素の各試験後の室温におけるヘリ
ウム透過試験では、透過量には特に変化が見られなかっ
た。

【００３０】圧力流体によってドーム部２を加圧したと
きの殻状供試体１の歪み分布は、フランジ部３の固定及
び周辺部２６の内面形状を境界条件として有限要素法に
よって数値計算可能である。その計算結果は、歪み、変
位等の計測結果と一致しており、中央部には等方性の面
内応力が負荷された状態にあることが確認された。

【００３１】上記のように複合材料として炭素繊維強化
複合材（ＣＦＲＰ）によって薄肉のドーム形の殻状供試
体１を製作し、殻状供試体１によってドーム形状の歪
み、変位の特性に加えて、室温及び極低温中（液体窒
素、液体水素）で温度変化に伴うヘリウム透過量を計測
することにより、従来から問題を指摘されていたヘリウ
ム透過量の温度依存特性を把握し評価することができ
る。

【００３２】上記の実施例ではドーム部２の凹面側に流
体圧力を作用させていたが、凸面側に流体圧力を作用さ
せることもできる。例えば、深海艇の場合のように、球
殻構造の外側から高い水力を受けることになるが、ドー
ム部２の凸面側に流体圧力を作用させることで、この状
態を模擬することができる。また、ロケットの液体推進
剤を貯留するタンクのみならず、その他、液化天然ガス
等のエネルギー用ガスの運搬用、又は貯蔵用のタンク等
の応力試験にも適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、上記のように、殻構造の一
部を成すドーム部とその周辺部に形成されたフランジ部
とを備えた殻状供試体を前記フランジ部において装置本
体に取り付け、ドーム部に流体圧力を作用させ、そのと
きのドーム部の変位又は歪みを計測し、変位又は歪みの
計測値に基づいて殻構造に生じる応力を求めているの
で、ドーム部の積層構造及び端面処理の影響がすべて含
まれた状態で、任意の面内応力を負荷した状態の応力試
験が可能となる。また、放熱板を用いることにより、極
低温の液体水素温度までの温度における応力状態の試験
が可能となる。また、低温で荷重をかけた状態でのマイ
クロクラック等の異常がヘリウムリークディテクタによ
ってリアルタイムで計測することができることから、ロ
ケット用極低温推進剤タンク等の極低温液体を貯蔵する
容器に用いられる材料の評価精度を格段に向上させるこ
とができ、そうして評価された材料を、例えば、ロケッ
トエンジンの推進剤を貯留するタンク構造に適用するこ
とにより、タンクの軽量化・高性能化を図り、延いて
は、特に再利用型ロケットの軽量化・高性能化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による殻構造の応力試験において試験
に供される殻状供試体の一例を示す図であり、（ａ）は
全体斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。

【図２】この発明による殻構造の応力試験装置の一実施
例を示す縦断面図である。

【図３】この発明による応力試験においてラプチャディ
スクを用いたときの室温での加圧時の頂点部の変位の実
測値と数値計算結果とを示すグラフである。

【図４】この発明による応力試験においてラプチャディ
スクを用いたときの室温での加圧時の頂点部の歪みの実
測値と数値計算結果とを示すグラフである。

【図５】この発明による応力試験において殻状供試体を
室温で加圧したときの頂点部の変位の実測値と数値計算
結果とを示すグラフである。

【図６】この発明による応力試験において殻状供試体を
透過したヘリウム透過量の温度依存性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１殻状供試体２ドーム部３フランジ部４周辺部５ボルト孔６，７断面輪
郭１０応力試験装置１１装置本体１２レーザ変位計１３第１フレー
ム１４第２フレーム１５固定ボルト１６シール１７キャビティ１８仕切り板（放熱板）１９周辺基部２０湾曲部２１圧力室２２冷却室２３圧力流体供
給管２４流入管２５流出管２６周辺部２７筒状部２８天板部２９チャンネル３０負圧室３１吸引管３２センサポート３３ヘリウムリ
ーク検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須藤孝幸宮城県角田市君萱字小金沢１航空宇宙技術研究所角田宇宙推進技術研究所内 (72)発明者菊池正孝宮城県角田市君萱字小金沢１航空宇宙技術研究所角田宇宙推進技術研究所内 (72)発明者佐藤正喜宮城県角田市君萱字小金沢１航空宇宙技術研究所角田宇宙推進技術研究所内 (72)発明者高田仁志宮城県角田市君萱字小金沢１航空宇宙技術研究所角田宇宙推進技術研究所内Ｆターム(参考） 2G061 AA02 AB01 AC04 CB01 EA04 EB03 2G067 AA44 CC13 DD17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】殻構造の一部を成すドーム部とその周辺
部に形成されたフランジ部とを備えた殻状供試体を前記
フランジ部において装置本体に取り付け、前記ドーム部
に流体圧力を作用させ、そのときの前記ドーム部の変位
又は歪みを計測し、前記変位又は前記歪みの計測値に基
づいて前記殻構造に生じる応力を求めることから成る殻
構造の応力試験方法。
【請求項２】前記ドーム部は球殻の一部であり、前記
フランジ部は前記球殻の周辺部分に滑らかに接続する状
態に一体成形されていることから成る請求項１に記載の
殻構造の応力試験方法。
【請求項３】前記流体圧力は、前記ドーム部の凹面側
に作用されることから成る請求項１又は２に記載の殻構
造の応力試験方法。
【請求項４】前記ドーム部に沿って配置された放熱板
を極低温液体で冷却することによって、前記ドーム部の
温度を低温側が前記極低温液体の温度までの範囲内で設
定可能としたことから成る請求項１〜３のいずれか１項
に記載の殻構造の応力試験方法。
【請求項５】前記流体圧力をヘリウムガスの圧力と
し、前記ドーム部を透過した前記ヘリウムの量を検出す
ることにより、前記設定温度でのヘリウムリーク量を測
定することから成る請求項４に記載の殻構造の応力試験
方法。
【請求項６】前記ドーム部の前記変位又は前記歪み
は、前記ドーム部の頂点部の変位又は歪みであることか
ら成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の殻構造の応
力試験方法。
【請求項７】ドーム部とその周辺部に形成されたフラ
ンジ部とを備えた殻状供試体を前記フランジ部において
固定すると共に、前記ドーム部に圧力を作用するため固
定状態に置かれた前記ドーム部との間に圧力流体が導入
される圧力室が形成された装置本体、及び前記装置本体
に配設され且つ前記ドーム部の変位又は歪みを計測する
センサから成る殻構造の応力試験装置。
【請求項８】前記圧力室は、前記ドーム部の凹面側に
形成されていることから成る請求項７に記載の殻構造の
応力試験装置。
【請求項９】前記ドーム部を冷却するため極低温液体
で冷却される放熱板が前記ドーム部に沿って配置されて
おり、前記ドーム部の温度を低温側が前記極低温液体の
温度までの範囲内で設定可能としたことから成る請求項
７又は８に記載の殻構造の応力試験装置。
【請求項１０】前記放熱板は、前記圧力室の前記装置
本体側の壁部を構成していることから成る請求項９に記
載の殻構造の応力試験装置。
【請求項１１】前記流体圧力はヘリウムガスの圧力で
あり、前記ドーム部を間に挟んで前記圧力室と反対側に
は真空吸引先に前記ドーム部を透過した前記ヘリウムの
量を検出するリークヘリウム検出器が接続可能な負圧室
が形成されていることから成る請求項７〜１０のいずれ
か１項に記載の殻構造の応力試験装置。
【請求項１２】前記装置本体は、前記ドーム部との間
に前記圧力室を形成する基部側の第１フレームと、前記
第１フレームとの間に前記フランジ部を挟んだ状態で前
記殻状供試体を固定する上側の第２フレームとから構成
されていることから成る請求項７〜１１に記載の殻構造
の応力試験装置。
【請求項１３】前記センサは、前記第２フレームにお
いて前記ドーム部の頂点部に対応する位置に配置されて
いることから成る請求項１２に記載の殻構造の応力試験
装置。