JP2006292481A - Ｆｒｐ構造物の非破壊検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より明確にＦＲＰの欠陥を把握可能となるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法を提供すること。
【解決手段】本方法では、まず検査対象に格子を描き交点をマークする（ステップＳ１０１）。そして、マークした点についてインパルスハンマで打撃・加振し、周波数応答データを取得する（ステップＳ１０２、Ｓ１０３）。本発明では、単なる周波数応答関数ではなく、検査対象となる構造物に特有の振動モードを決定して検査に用いる（ステップＳ１０４）。振動モードは、当該構造物の特徴がより明確に現れやすい。次に、各モード図の周波数を決定する（ステップＳ１０５）。モードシェープは、加速度／加振力（以後Ａ／Ｆという。）の虚数項から得る（ステップＳ１０６）。Ａ／Ｆの虚数項から得られるシェープについてダメージインデックスを計算し（ステップＳ１０７）、その大きさによって欠陥の有無を判断する手法である。
【選択図】 図１７

Description

本発明は、繊維複合強化材料であるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法に関するものであり、更に詳しくは、ＦＲＰの欠陥を定量的、非属人的に把握可能となるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法に関する。

近年、繊維強化複合プラスティック（ＦＲＰ）は、小型船舶だけでなく、将来、艦船等の構造体としても有望視されている。そのため、大型構築物をＦＲＰで成形する手法の開発が行われている。これには、いくつか手法があるが、たとえばＶａＲＴＭ法（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）を使えば、比較的大型のサンドイッチパネルなら成型可能になってきており、これを組み合わせることによって、艦上構造物のボデイとすることができる。なお、サンドイッチパネルは、アルミハニカム材等の金属コア材、アラミドペーパーハニカム等の非金属コア材、または、ポリウレタンフォーム等の発泡材をコア材としてＦＲＰから構成される表皮で挟み込んだ構造体である。

ＦＲＰは、上述のように、元来、積層構造を有するものである。このため、その成形過程において、パネル内で層間剥離が発生したり、樹脂含浸不良となる場合がある。これを欠陥という。これからも、大型構造用ＦＲＰ成型技術は進歩していくものと見られるが、ＦＲＰを使った大型成型技術の開発において、欠陥の把握が品質保証上、不可欠となる。なお、薄板等の一般的な非破壊検査方法は、いくつか技術が開示されている（たとえば、特許文献１〜４）。また、特にＦＲＰの欠陥を調べる検査方法としては、米国海軍研究所が開発したＳＩＤＥＲ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ Ｄａｍａｇｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｒｏｕｔｉｎｅ）という技術がある（たとえば、非特許文献１および２）。

特開２００２−３３３４３６号公報 特開２００２−３４０８６９号公報 特開２００３−０１４７０８号公報 特開２００３−１４９２１４号公報 コリン Ｐ．ラットクリフ他（Ｃｏｌｉｎ Ｐ．Ｒａｔｃｌｉｆｆｅ ｅｔ ａｌ）、"実地試験と長期間モニタリング"（"Ｆｉｅｌｄ Ｌｏａｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ"）、第一回ＣＩＢｒＥ橋梁ワークショップ（１ｓｔ Ａｎｎｕａｌ ＣＩＢｒＥ Ｂｒｉｄｇｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、および橋梁評価ワークショップ年報（Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、３月１日（Ｍａｒｃｈ １ｓｔ）、２００２、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｌａｗａｒｅ（米国デラウェア州立大学） Ｃ．Ｐ．ラットクリフ（Ｃ．Ｐ．Ｒａｔｃｌｉｆｆｅ）、Ｒ．Ｍ．クレーン（Ｒ．Ｍ．Ｃｒａｎｅ）、Ｊ．Ｗ．ジレスピー（Ｊ．Ｗ．Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ）、広帯域振動手段を利用した大型複合構造物におけるダメージ検出（Ｄａｍａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）、先端材料技術ジャーナル（ＳＡＭＰＥ Ｊｏｕｒｎａｌ）、４６巻第１号（Ｖｏｌｕｍｅ４６、Ｉｓｓｕｅ１）、１月（Ｊａｎｕａｒｙ）、２００４、米国

しかしながら、上記一般的な非破壊検査方法は、コストや手間がかかったり、定量的でなかった。たとえば、ＵＴ（超音波検査）、Ｘ線解析でも欠陥の解析は行い得るが、現状のところ性能的な限界と同時にコスト的な制約が大きい。また、コインタッピングは検査手法として有効とされているが、職人のみが為せる手法であり、定量性に欠け、属人的技量となってしまう。上記ＳＩＤＥＲは、ＦＲＰの欠陥検査に有効とされているが、一般ＦＲＰ構造への適用に関して、どこまで有効かが不明で、さらなる技術改良が必要である。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＳＩＤＥＲを改良して一般的なＦＲＰ構造についても、より明確にＦＲＰの欠陥を把握可能となるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明によるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法は、検査対象となるＦＲＰ構造物上に一定間隔に設けられた検査点をインパルスハンマで加振し、加速度取得手段からの加速度、および加振力取得手段からの加振力を取得すると共に、それぞれの点における周波数応答関数を取得し、一定の周波数における前記周波数応答関数を前記検査点の位置の関数としたときに、低次の多項式近似曲線から外れる度合いで欠陥の有無を評価するＦＲＰ構造物の非破壊検査方法において、前記周波数応答関数は、共振モード近傍周波数応答関数であるようにしたものである。

つぎの発明によるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法は、前記非破壊検査方法において、前記周波数応答関数は、加速度又は変位から得るようにしたものである。

以上説明したように、この発明に係るＦＲＰ構造物の非破壊検査方法によれば、ＳＩＤＥＲを改良して一般的なＦＲＰ構造についても、より明確にＦＲＰの欠陥を把握可能となる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明に係るＦＲＰ構造物の非破壊検査方法の装置構成を示す説明図である。検査対象となるＦＲＰサンドイッチパネル１（ＶａＲＴＭ法で成形したもの）は、軟質ウレタンフォーム２の上に配置される。この実施例では、当該ＦＲＰサンドイッチパネル１を加振力取得手段であるインパルスハンマ４で加振し、加振力を得ると共に、加振したときの加速度を加速度取得手段である加速度ピックアップ３で測定する。

当該測定にはＦＦＴアナライザ７を使用する。なお、インパルスハンマ４および加速度ピックアップ３は、それぞれ電源や増幅器５、６を介してＦＦＴアナライザ７に接続しておく。ＦＦＴアナライザ７は、パソコン８に接続し、ＦＦＴアナライザ７のデータを処理できるようにしておく。

図２は、サンドイッチパネル上に設定した測定点を示す説明図である。サンドイッチパネルは、一例として１０００×２０００（ｍｍ）のものを用意した。そして、片面に縦２００（ｍｍ）、横２００（ｍｍ）の格子を描き、基本的にはその交点をインパルスハンマで加振して測定する。ただし、当該検査方法が有効であるかどうかを判断するために、ここで用いるＦＲＰサンドイッチパネルは、欠陥があるラインであるＡラインと無いラインであるＢラインとに予め分け、当該２つのライン上の交点を加振する。

ここで、本発明の非破壊検査方法の内容を概説する。図１８は、一般的なＳＩＤＥＲの検査方法を示す説明図である。ＳＩＤＥＲは、検査対象１１の検査点ａ〜ｍをインパルスハンマで加振し、それぞれの点における加速度から得られる周波数応答関数（ＦＲＦ）１３のデータ図１２を概念的に重ね合わせる。そして、一定の周波数１４におけるそれぞれの周波数応答関数１３を位置ａ〜ｍの位置関数として捉える。図１９は、この捉え方を示す説明図である。図中の関数１５が一定の周波数における位置ａ〜ｍの関数である。

図２０は、ダメージインデックスの概念を示す説明図である。上記で求まる関数１５は、検査対象であるＦＲＰ構造物に欠陥がなければ低次、多くは３次の多項式曲線で近似できる特性がある。そこで、検査したい点１６の両側２点ずつの４点１７、１８、１９、２０を通る３次の多項式を求める。図中、点線で描いたのが当該多項式近似曲線である。そして、当該曲線から実際の周波数応答関数が外れる度合い（両者の差）がダメージインデックス２２となる。このダメージインデックス２２が大きければ検査対象部位に欠陥があるとみなせる。

図１７は、本発明の非破壊検査方法の工程を示すフローチャートである。本方法では、上記ＳＩＤＥＲと同様に、まず検査対象に格子を描き交点をマークする（ステップＳ１０１）。そして、マークした点についてインパルスハンマで打撃・加振し、ＦＦＴによって周波数応答データを取得する（ステップＳ１０２、Ｓ１０３）。なお、インパルスハンマとＦＦＴアナライザによる周波数応答の取得は、５回平均をとることが好ましい。

本発明では、単なる周波数応答関数ではなく、検査対象となるＦＲＰ構造物に特有の振動モードを決定して検査に用いる（ステップＳ１０４）。単なる周波数応答関数がばらつきやすく、高周波成分がダメージインデックスの作成に不利であるのに対して、低次の振動モードシェープは、高周波成分による悪影響が及びにくく、当該構造物の特徴がより明確に現れやすい。また、低次の振動モードシェープは、データ数が少なくても表現できるので、コンピュータ処理によるダメージインデックス等の演算に有利である。

次に、各モードの周波数を決定する（ステップＳ１０５）。モードシェープは、加速度／加振力（以後Ａ／Ｆという。）の周波数応答関数の虚数項から得る（ステップＳ１０６）。虚数項から得るのは、一般に位相遅れを見た方がモードが明確になりやすいからであり、虚数項よりも実数項の方が明確になる場合は実数項から取得してもよい。そして、ここからは２つの手法があり、そのうちの一つは、Ａ／Ｆの周波数応答関数の虚数項（場合によっては実数項）から得られるモードシェープについてダメージインデックスを計算し（ステップＳ１０７）、その大きさによって欠陥の有無を判断する手法である。これは任意であるが、検査場所に合わせてダメージインデックスの大きさを色に分けて可視化すると、実際の欠陥位置が一目で分かりやすくなり便利である。

もう一つの手法は、加速度を積分することによって得られる変位を変位／加振力（以後Ｘ／Ｆという。）に変換し（ステップＳ１０９）、それについてダメージインデックスを計算する手法である（ステップＳ１１０）。変位は、加速度を積分するので、これによって高周波のばらつきが抑えられ、低次のモードの影響がより大きくなるというメリットがある。これについても任意的に色分けによる可視化が有効である（ステップＳ１１１）。

以上が本発明の概略であり、以下に具体的なデータを示しながら詳細に説明する。図３は、Ａ／Ｆの虚数項から得られる周波数応答関数である。検査点は図２のＢラインにおけるＲ０１〜Ｒ２１の合計２１点である。これを見ると共振モードが重なり合ってるのがわかる。これから共振モード近傍を１０個程度見いだし、計算周波数も決定する。

表１は、決定した当該モード番号と計算周波数である。例として１０個取り出したモードシェープは、図４−１〜４−１０に示す通りである。これらの図は、検査対象物のモードシェープが明確に現れている。なお、一般に上記共振モード近傍とは、帯域幅で、共振周波数に対して２％〜１０％程度をいう。

図５は、図３のＡ／Ｆを積分してＸ／Ｆに変換したときの周波数応答関数である。この場合もモードと計算周波数を決定する。それらを示したのが図６−１〜６−３である。ここで、一次モードは正確に現れているが、計算周波数範囲が５２Ｈｚ〜１ｋＨｚ、および５２Ｈｚ〜３５０Ｈｚにおける検査点Ｂ１７〜Ｂ２１で変位、つまり図６−１および６−２の当該点における変位が明らかに過剰となり、全体のモードシェープを乱してしまっている。

検査点Ｂ１６、１８、１９の周波数応答関数を取り出して、その位相を示したのが図７−１および７−２である。これを見ると１５０Ｈｚ以下での位相の測定に不備があることがわかった。この点は、支持条件や測定条件を整備することにより解消できるので、図５のＢ１７〜Ｂ２１における大きな値はこの実施例の評価に用いないこととした。

上記は、検査対象であるＦＲＰサンドイッチパネルに欠陥の無いＢラインにおけるモードシェープ取得結果であった。つぎに、欠陥のあるＡラインにおける測定結果について説明する。図８は、ＡラインのＡ／Ｆの周波数応答関数の虚数項から得られる関数である。Ｂラインと同様に、検査点はＡラインにおけるＡ０１〜Ａ２１の合計２１点である。これから本発明による共振モードを１０個程度見いだし、計算周波数も決定する。

表２は、決定した当該モード番号と計算周波数である。例として取り出した１０個のモードシェープは、図９−１〜９−１０に示す通りである。これらは、Ｂラインと同様に、検査対象物のモードシェープが明確に現れている。

図１０は、図８のＡ／Ｆを積分してＸ／Ｆに変換したときの周波数応答関数である。この場合もモードと計算周波数を決定する。それらを示したのが図１１−１および１１−２である。ここで、Ａ２０における変位が周りの位置における変位と滑らかとなっていない。図１２に示すように、本来Ａ／ＦやＸ／Ｆの虚数項は、＋または−の山なりとなるはずであり、図１１−１や１１−２におけるＡ２０の値は何らかの測定ミスの可能性が考えられた。

そこで、図１３に示すように低い周波数範囲での周波数応答関数を拡大してみると、Ａ２０やＡ２１が０で始まっておらず、０で終わっていない。上記Ａ２０の変位は、このことが原因と見られ、この点は、支持条件や測定条件を整備することにより解消できるので、図１１−１および１１−２におけるＡ２０の値はこの実施例の評価に用いないこととした。

図１４−１および１４−２は、それぞれＡラインおよびＢラインにおける周波数応答関数の実数項から見いだせる１００Ｈｚ〜１ｋＨｚのモードシェープの一つである。このように、位相との関係で、周波数応答関数の虚数項からのモードシェープがうまく取得できない等の場合は、位相の影響が少なく、かつ、高周波の影響を少なくした１００Ｈｚ〜１ｋＨｚのＸ／Ｆの実数項からモードシェープを取得するようにしてもよい。

図１５−１および１５−２は、それぞれＡラインおよびＢラインにおける低次モードシェープから見いだせるダメージインデックスを示したグラフである。ただし、既述したようにＡ２０およびＡ２１は除いている。これを見ると、ＡラインのＡ１１〜Ａ１３における欠陥（図３参照）の部分でダメージインデックスが大きくなっており、欠陥を判別できている。Ｂラインそのものは、欠陥の上にないが、Ｂ１７、およびＢ１８近傍には欠陥があり（図３参照）、これも図１５−２のダメージインデックスによく現れている。

図１６−１および１６−２は、それぞれＡラインおよびＢラインにおける周波数応答関数の実数項から見いだせるダメージインデックスである。ダメージインデックスは、位相の影響が少なく、かつ、高周波側の影響を少なくした１００Ｈｚ〜１ｋＨｚのＸ／Ｆの合計から計算したものである。これを見ると、欠陥のあるＡ０７〜Ａ１２が非常に大きくなっており、Ｂ１７、１８も大きくなっているのがわかる。

したがって、周波数応答関数の実数項から見いだせるモードについてのダメージインデックスをとっても、検査対象の欠陥位置が判別できることがわかった。また、この方法でダメージインデックスを求める方法と、上記虚数項から得られるモードでダメージインデックスを求める方法とでは、敏感となる欠陥の大きさ、深さが異なることがわかったので、この性質を利用して、双方を併用するのも有効である。

このように、この発明によるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法によれば、欠陥の程度を振動モードから見いだせるダメージインデックスという指標で数値化でき、場所や程度を可視化することもできる。振動モード、特に低次の振動モードからダメージインデックスを求めると、単なる周波数応答関数からダメージインデックスを求めるよりも、元となるデータである振動モードが高周波に影響されにくいことから、欠陥の場所や程度がより明確になりやすい。

また、低次の振動モードは、少ないデータで表現できるので、ダメージインデックスの演算処理の負担が軽くて済む。検査対象が大型ＦＲＰ構造物である場合は、検査点が膨大となるので、演算処理の負担が軽いという性質が大変有効となる。また、検査に使う器具は、インパルスハンマ、加速度ピックアップ、ＦＦＴ等、小型のもので済むので現場で容易に検査可能である。これを利用すれば、ドックに入っている大型艦船の上部構造やエンクローズマストに使われるＦＲＰの欠陥検査に有効となる。

以上のように、本発明にかかるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法は、ＦＲＰ構造物内部に起きる剥離等の欠陥箇所の把握に有用であり、特に、大型艦船にも利用されるＦＲＰパネルの欠陥箇所把握に適している。

本発明に係るＦＲＰ構造物の非破壊検査方法の装置構成を示す説明図である。 サンドイッチパネル上に設定した測定点を示す説明図である。 Ａ／Ｆの虚数項から得られる周波数応答関数を示す図である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 図３のＡ／Ｆを積分してＸ／Ｆに変換したときの周波数応答関数を示す図である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は場所、縦軸は変位である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は場所、縦軸は変位である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は場所、縦軸は変位である。 検査点Ｂ１６、１８、１９の周波数応答関数を取り出して、その位相を示したグラフであり、横軸は周波数、縦軸はＸ／Ｆの虚数項の大きさである。 検査点Ｂ１６、１８、１９の周波数応答関数を取り出して、その位相を示したグラフであり、横軸は周波数、縦軸はＡ／Ｆの位相の大きさである。 ＡラインのＡ／Ｆの虚数項から得られる周波数応答関数を示す図である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は検査点、縦軸は大きさである。 図８のＡ／Ｆを積分してＸ／Ｆに変換したときの周波数応答関数を示す図である。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は場所、縦軸は大きさである。 決定したモードシェープを示す棒グラフであり、横軸は場所、縦軸は大きさである。 一般的なＡ／Ｆ、Ｘ／Ｆの虚数項の大きさを示すグラフであり、横軸は周波数、虚数項の縦軸は大きさである。 低い周波数範囲でのＡ／Ｆ虚数項の大きさを示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸は虚数項の大きさである。 Ａラインにおける周波数応答関数の実数項から見いだせる１００Ｈｚ〜１ｋＨｚのモードシェープを示すグラフであり、横軸は位置、縦軸はＸ／Ｆの大きさである。 Ｂラインにおける周波数応答関数の実数項から見いだせる１００Ｈｚ〜１ｋＨｚのモードシェープを示すグラフであり、横軸は位置、縦軸はＸ／Ｆの大きさである。 Ａラインにおけるモードシェープから見いだせるダメージインデックスを示したグラフであり、横軸は場所、縦軸はダメージインデックスの大きさである。 Ｂラインにおけるモードシェープから見いだせるダメージインデックスを示したグラフであり、横軸は場所、縦軸はダメージインデックスの大きさである。 Ａラインにおける周波数応答関数の実数項から得られるモードシェープから見いだせるダメージインデックスを示したグラフであり、横軸は場所、縦軸はダメージインデックスの大きさである。 Ｂラインにおける周波数応答関数の実数項から得られるモードシェープから見いだせるダメージインデックスを示したグラフであり、横軸は場所、縦軸はダメージインデックスの大きさである。 本発明の非破壊検査方法の工程を示すフローチャートである。 一般的なＳＩＤＥＲの検査方法を示す説明図である。 周波数応答関数を位置関数として捉える概念を示す説明図である。 ダメージインデックスの概念を示す説明図である。

符号の説明

１ サンドイッチパネル
２ 軟質ウレタンフォーム
３ 加速度ピックアップ
４ インパルスハンマ
５ 増幅器
６ 電源
７ アナライザ
８ パソコン
１１ 検査対象
１２ データ図
１３ 周波数応答関数
１４ 周波数
１５ 位置の関数
２２ ダメージインデックス

Claims (2)

1. 検査対象となるＦＲＰ構造物上に一定間隔に設けられた検査点をインパルスハンマで加振し、加速度取得手段からの加速度、および加振力取得手段からの加振力を取得すると共に、それぞれの点における周波数応答関数を取得し、一定の周波数における前記周波数応答関数を前記検査点の位置の関数としたときに、低次の多項式近似曲線から外れる度合いで欠陥の有無を評価するＦＲＰ構造物の非破壊検査方法において、
   前記周波数応答関数は、共振モード近傍周波数応答関数であることを特徴とするＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。
2. 前記周波数応答関数は、加速度又は変位から得ることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。

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