JP2017146200A - モニタリング装置及びモニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材料部品の剥離による破壊の予兆を早期に発見すべく、その剥離の前兆の振動を監視するモニタリング装置を提供する。【解決手段】繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング装置であって、剥離による振動を検出する振動検出手段を備え、振動検出手段は、複合材料部品の振動を検出する加速度センサー２と、加速度センサー２から検出された信号を周波数分布に変換する周波数変換部と、周波数分布から剥離による振動を示す特有の周波数領域を検出する検出部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品に対して、剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング装置及びモニタリング方法に関する。

近年、複合材料部品は軽量かつ高強度であることから、航空機、自動車、鉄道車両、船舶、風力発電ブレード、土木、建築等の構造体に利用されている。

しかし、複合材料は積層して用いられることが多いため、金属等の等方性材料と比較して層間強度が低い。そのため、例えば過度な外部負荷を受けたときに層間剥離が発生し、これが起点となって致命的な破壊が進行することがある。したがって、複合材料の使用に当たっては層間剥離に注意する必要がある。特に長期にわたる使用では繰返し荷重により樹脂が徐々に劣化し、複合材料の保持する強度が低下するため、層間剥離が発生しやすい。

このような層間剥離は、複合材料部品の強度の著しい低下につながるために、早期に発見することが望ましいが、層間剥離は外部からの目視によって確認し難い。

そこで、従来は、超音波探傷装置等の非破壊検査装置を使用し、複合材料部品の健全性を定期検査により確認してきた（例えば、特許文献１）。

特開２００５−９８９２１号公報

金属製部品の場合は、疲労による亀裂の進展はゆっくりとしたものであり、通常の定期検査で発見されてからでも遅くはない。しかし、複合材料部品の場合は層間剥離に起因した亀裂が一気に進展することがあり、定期検査では間に合わないことも考えられる。特に複合材料部品を移動体に使用する場合、定期検査前に複合材料部品に破壊が発生すると、大事故につながりかねないため、複合材料部品に対して、剥離による破壊の予兆をモニタリングすることが求められてきた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複合材料部品の剥離による破壊の予兆を早期に発見すべく、その剥離の前兆の振動を監視するモニタリング装置及びモニタリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るモニタリング装置は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング装置であって、前記剥離による振動を検出する振動検出手段を備えたモニタリング装置を特徴としている。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るモニタリング方法は、モニタリング装置を用いて、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング方法であって、前記剥離による振動を検出するモニタリング装置が、本発明の一態様に係るモニタリング装置であるモニタリング方法を特徴としている。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るモニタリング方法は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング方法であって、前記剥離による振動を検出したときに前記破壊を予兆するモニタリング方法を特徴としている。

本発明の一態様に係るモニタリング装置及びモニタリング方法によれば、複合材料部品の剥離による破壊の予兆を早期に発見することができる。

本発明の一態様に係るモニタリング装置を示す概略図である。 試験片１の長手方向の周波数分布を示すグラフ図である。 試験片１の幅方向の周波数分布を示すグラフ図である。 試験片１の厚み方向の周波数分布をグラフ図である。 試験片２の長手方向の周波数分布を示すグラフ図である。 試験片２の幅方向の周波数分布を示すグラフ図である。 試験片２の厚み方向の周波数分布をグラフ図である。

＜＜概要＞＞
本発明の一態様に係るモニタリング装置は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング装置であって、前記剥離による振動を検出する振動検出手段を備えている。

本発明の一態様に係るモニタリング装置は、複合材料部品の剥離を直接的に監視するのではなく、複合材料部品の剥離が生じる予兆を監視し、その監視結果に基づいて、本来は外部から目視によって確認することのできない複合材料部品の剥離による破壊の予兆をモニタリングすることができる。

また、前記振動検出手段は、前記複合材料部品の振動を検出する加速度センサーと、前記加速度センサーから検出された信号を周波数分布に変換する周波数変換部と、前記周波数分布から前記剥離による振動を示す周波数領域を検出する検出部とを備える。
これにより、複合材料部品の剥離の際に発生する特有な振動を検出することができ、モニタリングの精度が向上する。

また、前記周波数変換部は、前記信号から周波数と加速度とに変換し、前記検出部は、前記特有の周波数領域における加速度が閾値を超えたことを検出し、前記閾値を超えた場合に異常を知らせる警報手段を備える。
これにより、剥離が生じる予兆を人に知らせることができ、例えば、鉄道車両等の移動体に使用する場合の事故を未然に防止することができる。

また、本発明の一態様に係るモニタリング方法は、モニタリング装置を用いて、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング方法であって、前記剥離による振動を検出するモニタリング装置が、本発明の一態様に係るモニタリング装置である。

本発明の一態様に係るモニタリング方法は、複合材料部品の剥離を直接的に監視するのではなく、複合材料部品の剥離が生じる予兆を監視することで、本来は外部から目視によって確認することのできない複合材料部品の剥離による破壊の予兆をモニタリングする。

＜実施形態＞
（モニタリング装置の全体構成）
図１は、本発明の一態様に係るモニタリング装置を示す概略図である。ここでは、移動体の構造体の一例である鉄道車両台車用板バネに複合材料部品を適用した場合を例にとって説明する。１は鉄道車両台車用板バネ、２は加速度センサー、３は周波数変換装置、４はケーブル、５は警報装置、６は鉄道車両、７は鉄道車両台車を示す。

（鉄道車両台車用板バネ）
鉄道車両台車用板バネ１は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の一態様である。複合材料部品を構成する繊維強化樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂や、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂のような熱可塑性樹脂等の樹脂材料と、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の強化繊維材料とを複合化して成形された繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ（Fiber Reinforced plastic））が使用可能である。繊維強化樹脂材料（ＦＲＰ）としては、具体的には、炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced plastic））、ガラス繊維強化樹脂材料（ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced plastic））、アラミド繊維強化樹脂材料（ＡＦＲＰ（Aramid Fiber Reinforced Plastic））、ボロン繊維強化樹脂材料（ＢＦＲＰ（Boron Fiber Reinforced Plastic））等があげられる。

鉄道車両台車用板バネ１は、弓状の形状をしており、鉄道車両６を支えるとともに線路からの振動を緩和する。鉄道車両台車用板バネ１としては、例えば、ＣＦＲＰからなる上面部材と、ＣＦＲＰからなる下面部材と、上面部材と下面部材との間に配置され且つＧＦＲＰからなるコア部材とを備えたハイブリッドタイプを使用することができる。

（加速度センサー）
加速度センサー２は、鉄道車両台車用板バネ１の外表面に取り付けられ、鉄道車両６の走行中に常時、振動を検出する。加速度センサー２は、線路から伝わる振動の他、特に鉄道車両台車用板バネ１の層間剥離による振動も検出する。
加速度センサー２としては、例えば、高感度のピエゾ式加速度計が用いられる。ピエゾ式加速度計は、３方向の加速度を測定できるようになっており、鉄道車両台車用板バネ１の長手方向、幅方向、厚み方向の加速度をそれぞれ検出することができる。なお、厚み方向の振動は剥離時の振動だけでなく、複合材料部品に通常作用している振動を検出する。このため、通常の振動と剥離時の振動とを比較するのに利用できる。
破壊のモードによって振動する方向が異なるため、長手方向、幅方向、厚み方向の３方向の振動を検出する。複合材料部品の層間剥離の場合、主に繊維軸方向の振動が大きい。したがって、繊維積層方向が複合材料部品の長手方向と一致するような場合、複合材料部品の長手方向の加速度を測定することにより、層間剥離を検出することが可能となる。
なお、加速度センサー２は、剥離の検出精度等の点から、鉄道車両台車用板バネ１の剥離発生予測位置から５００［ｍｍ］以内の場所に取り付けることが好ましい。剥離発生予測位置は、予め試験を行うことで把握できる。

（周波数変換装置）
周波数変換装置３は、加速度センサー２から検出された信号（加速度）を周波数分布に変換する装置であり、常時ＦＦＴ変換により周波数分布に変換する。周波数分布は、例えば、周波数（横軸）と加速度（縦軸）との分布、周波数（横軸）と振幅（縦軸）との分布等である。

（検出部）
本発明の一態様に係るモニタリング装置は、振動に特有の周波数領域を検出する検出部を備えている。検出部としては、上記周波数変換機能と検出機能とを有するＦＴＴアナライザー等を使用できる他、ＣＰＵ等でプログラムを実行することでも実施できる。
また、後述する図２等において詳述するが、検出部は、特有の周波数領域（横軸）における加速度（縦軸）の閾値を超えたことを検出する。この周波数領域を剥離現象として捉え閾値として設けることにより、剥離の予兆を把握することができるようになる。なお、閾値の設定は、ノイズを剥離による破壊の予兆として把握しないようにするためである。

なお、複合材料部品の層間剥離に特有の周波数領域は、複合材料部品に使用される強化繊維材料や樹脂材料等を含め、複合材料部品の重量・寸法・この部品に負荷される荷重等によって異なるため、その仕様により特定する必要がある。特有の周波数領域（横軸）は、８［ｋＨｚ］以上２０［ｋＨｚ］以下の範囲である。周波数領域の特定は、事前の破壊実験等により行われる。また、加速度（縦軸）の閾値の設定は、事前の破壊実験もしくはシミュレーション等により適宜決定される。

（警報装置）
警報装置５は、拡声器もしくは警報ランプを備えている。警報装置５は、検出部が加速度の閾値を超えたことを検出すると、鉄道車両６内の運転士もしくは車掌に異常を知らせる。これにより、事故を未然に防止することが可能となる。

（ケーブル）
ケーブル４は、加速度センサー２と周波数変換装置３とを接続している。通常、加速度センサー２は鉄道車両６の外側にあり、周波数変換装置３は鉄道車両６の内側にあるため、ケーブル４は防水仕様であることが好ましい。ケーブル４は、鉄道車両６の一部に孔（図示せず）を穿け、その孔を通して鉄道車両６の内側にある周波数変換装置３と接続される。この孔は鉄道車両６内への雨水や風等の侵入を防ぐためシールされる。

（鉄道車両台車）
鉄道車両台車７は、走行性能や乗り心地を左右する重要な装置であり、基本的な機能や性能として、乗客や貨物等を乗せた車体を、車体の下から支持しながら軌道上を円滑に走行するという重要な役割がある。鉄道車両台車７は、駆動機構としての電動機、ブレーキ、車輪や車軸、走行安定性のためのまくらバネ（空気バネ）、軸バネ、そして、これらを支持する台車枠から構成されている。鉄道車両台車７は、車体と台車枠の間に枕はり（ボルスタ）がないボルスタレス台車、特に軸はり式台車が好ましい。軸はり式台車は、車両の全荷重を、車体の横はり、枕はり、枕バネ（空気バネ）、台車枠、軸バネ、軸箱、車軸・車輪、レールの順に受けている。

（モニタリング方法）
本発明の一態様に係るモニタリング方法は、本発明の一態様に係るモニタリング装置を用いて、複合材料部品の層間剥離による破壊の予兆を監視する。具体的には、鉄道車両台車用板バネ１の外表面に加速度センサー２を取り付け、鉄道車両台車用板バネ１の層間剥離による振動を検出する。加速度センサー２から検出された信号を、周波数変換装置３により周波数分布に変換する。検出部は、剥離に起因する特有の周波数領域において、加速度の閾値を超えたことを検出すると、警報装置５により鉄道車両６内の運転士もしくは車掌に異常を知らせる。これにより、事故を未然に防止することが可能となる。

このような構成によると、鉄道車両台車用板バネ１の層間剥離の振動を捉え、人に対する報知を行うことができる。鉄道車両台車用板バネ１が繰返し疲労により致命的な破壊でない層間剥離が発生すると、警報装置５により報知が行われることになる。

運転士は直ちに鉄道車両６を停止させ車両基地に戻り、超音波探傷装置等の非破壊検査装置により詳細に鉄道車両台車用板バネ１の異常の有無が検査され、必要に応じ鉄道車両台車用板バネ１は交換される。
また、鉄道車両６の場合、踏切等での自動車との衝突が考えられる。自動車と衝突した場合、大きな振動を受けるが、加速度センサー２を利用して周波数分布を解析することにより、鉄道車両台車用板バネ１のダメージの有無（大きさ）をその場で把握することができ、車両整備基地への移動の可否判断が可能となる。

（複合材料の破壊特性）
複合材料部品の破壊様式には、様々な破壊モードがあり、複合材料の繊維軸方向に対する引張り破壊、圧縮破壊の他、層間での剥離破壊等がある。複合材料部品は層間強度が低く、鉄道列車、航空機等の用途ではこの剥離破壊を防ぐことが主要な技術課題となっている。層間剥離の振動には特徴があり、地上を移動する車両用途の場合、走行中に線路や道路等から受ける通常の振動とは周波数が異なる特徴を有する。剥離の振動を特定し、そこに振動の方向に分類分けした閾値を設けることにより他の振動と区別することが可能となり、破壊の予兆を検出することができる。
通常の使用による繰返し荷重により複合材料部品は次第に劣化していくが、この振動を検出することにより剥離に起因する破壊を予兆でき、複合材料部品の交換等により事故の未然防止が可能となる。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

複合材料部品の振動数を試験的に測定した実施例を示す。走行中の鉄道車両で剥離の予兆を検出することは安全上できないため、振動数の測定は試験機により行った。

〔実施例１〕
炭素繊維プリプレグ（東邦テナックス社製プリプレグ（Ｑ−Ｃ１１１８）、厚さ：０．１８７［ｍｍ］）を、炭素繊維が長手方向に延びるように（繊維配向角度が０度）２０層積層してなる試験片１（長さ：３００［ｍｍ］、幅１２．７［ｍｍ］）を作製し、層間剥離が起こりやすいように予め剥離面の一部に亀裂を入れた。この試験片１の外表面（左端から４０［ｍｍ］）に加速度センサーを取り付け、曲げ試験機を使用して三点曲げ荷重（所謂、ＧIIｃ荷重モードである。）での振動を検出し、周波数変換装置を用いて周波数分布を測定した。試験片１の長手方向、幅方向、厚み方向の周波数分布を、図２〜図４に示した。なお、分布において、周波数は横軸で、加速度が縦軸である。

加速度センサー：小型三軸ＩＣＰ加速度計（東陽テクニカ社製、型番３５６Ａ０３ １３９１３３）
周波数変換装置（ＦＦＴアナライザー）：東陽テクニカ社製、ＯＲ３４Ｊ−４ＦＦＴアナライザー
荷重モード：ＧIIｃ（曲げ試験）
試験（変位）速度：０．１[ｉｎ／ｍｉｎ]

図２は、試験片１の長手方向の周波数分布を示すグラフ図である。高周波側（ここでは、１１ｋ［Ｈｚ］以上１７ｋ［Ｈｚ］以下の範囲であり、特有の周波数領域に相当する。）の周波数分布は、試験片１の層間剥離による振動に起因する。低周波側（ここでは、４［Ｈｚ］以上７ｋ［Ｈｚ］以下の範囲である。）の周波数分布は、試験片と同じ試験条件で単に荷重を作用させた通常の振動（ここでは試験機から伝わる振動と考えられ、実使用においては、例えば、鉄道車両の走行中に線路等から受ける振動と考えられる）に起因する。このように、試験片１の層間剥離による振動は、通常の振動よりも高周波側にあり、且つ加速度が大きいため、層間剥離による振動を明確に区別することができる。したがって、高周波側の加速度を検出することにより、層間剥離の予兆検出が可能となる。

また、試験片１の幅方向、厚み方向の周波数分布を示す図３、図４のグラフ図においても、試験片１の層間剥離による振動は、通常の振動よりも高周波側に検出された。ただし、試験片１の長手方向の周波数分布を示す図２のグラフ図の方が、図３、図４のグラフ図よりも、高周波側と低周波側の周波数分布の差がより明確であるため、０度繊維配向が多い、試験片１の長手方向の振動を検出する方が好ましい。つまり、繊維配向のうち、配向比率が最も多い繊維の延びる方向の振動を検出するのが好ましい。

〔実施例２〕
炭素繊維プリプレグ（東邦テナックス社製プリプレグ（Ｑ−１１１１２）、厚さ：０．１８７［ｍｍ］）を、炭素繊維が長手方向に延びるように２０層積層してなる試験片２（長さ：３００［ｍｍ］、幅１２．７［ｍｍ］）を作製し、層間剥離が起こりやすいように予め剥離面の一部に亀裂を入れた。この試験片２を使用する以外は、実施例１と同様にして、試験片２の長手方向、幅方向、厚み方向の周波数分布をそれぞれ測定した。その結果を、図５〜図７に示した。なお、分布において、周波数は横軸で、加速度が縦軸である。

図５は、試験片２の長手方向の周波数分布を示すグラフ図である。高周波側（ここでは、８ｋ［Ｈｚ］以上１８ｋ［Ｈｚ］以下の範囲であり、特有の周波数領域に相当する。）の周波数分布は、試験片２の層間剥離による振動に起因する。低周波側（ここでは、４ｋ［Ｈｚ］以上７ｋ［Ｈｚ］未満の範囲以下の範囲である。）の周波数分布は、通常の振動（例えば、鉄道車両の走行中に線路等から受ける振動）に起因する。このように、試験片２の層間剥離による振動は、通常の振動よりも高周波側にあり、且つ加速度が大きいため、層間剥離による振動を明確に区別することができる。したがって、高周波側の加速度を検出することにより、層間剥離の予兆検出が可能となる。

また、試験片２の幅方向、厚み方向の周波数分布を示す図６、図７のグラフ図においても、試験片２の層間剥離による振動は、通常の振動よりも高周波側に高い加速度で検出された。ただし、試験片２の長手方向の周波数分布を示す図５のグラフ図の方が、図６、図７のグラフ図よりも、高周波側と低周波側の周波数分布の差がより明確であるため、０度繊維配向が多い、試験片２の長手方向の周波数分布を検出する方が好ましい。

実施例１と実施例２とも、試験機から伝わる振動と考えられる通常の振動は、同じ低周波側に存在し、層間剥離による振動と考えられる特有の周波数領域は同じ高周波側に存在している。このように、層間剥離による振動は特有の周波数で生じると推測できる。
実施例１と実施例２とを対比すると、試験片により振動特性は大きく異なり、高靱性樹脂を使用した試験片１は、試験片２に比べて振動（振幅）が小さかった。また、高靱性樹脂を使用した試験片１は、試験片２に比べて、高周波数側と低周波数側の振動による波形の差が小さかった。このように試験片の仕様が異なると、周波数分布が若干異なるが、層間剥離による特有の周波数は明確に存在する。
ただし、実機で使用される複合材料部品においても、上記の実施例と同様に層間剥離による特有の周波数領域が存在すると推測できる。特有の周波数領域は、スケールダウンしたサンプルで予め試験することで把握することができ、この結果を利用することで精度の高い監視が可能となる。

＜＜変形例＞＞
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態のいずれかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。

１．複合材料部品
実施形態では、複合材料部品として鉄道車両台車用板バネ１について説明したが、航空機、自動車、鉄道、船舶のような移動体に使用される構造体や、風力発電ブレードに使用される構造体、土木、建築分野における構造体等にも適用できる。
また、鉄道車両台車用板バネ１は、ガラス繊維複合材料と炭素繊維複合材料とから構成されていたが、どちらか一方の複合材料により構成されてもよいし、アラミド繊維複合材料等の他の複合材料を含んでもよいし、他の複合材料から構成されてもよい。なお、強化繊維の種類も変わっても、剥離による特有の周波数領域は存在すると推測できる。但し周波数領域の数値については試験等を行う必要がある。
また、実施形態の複合材料部品は、プリプレグを積層した複合材料により構成されているが、例えば、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）成形法により成形した複合材料や、ハンドレイアップ成形法により成形した複合材料等により複合材料部品を構成してもよい。
上述のような複合材料部品を利用する場合、破壊の予兆である剥離が発生する位置を予め試験により把握し、その剥離発生予測位置の近くに加速度センサーを配することで、モニタリングできる。

２．警報装置
実施形態では警報装置を備えているが必須ではなく、他の手段により鉄道車両内の運転士もしくは車掌に異常を知らせることも可能である。

３．試験片
試験片の材質、大きさ等は実施例に限定されず、複合材料部品の用途に応じて適宜変更可能である。

４．剥離
本実施形態における剥離は、強化繊維材料と樹脂材料との間で生じる場合、強化繊維材料間に存在する樹脂材料内で生じる場合を含む。また、剥離は、複合材料を積層した場合、複合材料間で生じる剥離や、各複合材料内で生じる剥離（強化繊維材料と樹脂材料との間、強化繊維材料間に存在する樹脂材料で生じる剥離である。）を含む。

１ 鉄道車両台車用板バネ
２ 加速度センサー
３ 周波数変換装置

Claims (10)

1. 繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング装置であって、
   前記剥離による振動を検出する振動検出手段を備えた
   モニタリング装置。
2. 前記振動検出手段は、前記複合材料部品の振動を検出する加速度センサーと、
   前記加速度センサーから検出された信号を周波数分布に変換する周波数変換部と、
   前記周波数分布から前記剥離による振動を示す特有の周波数領域を検出する検出部とを備える
   請求項１に記載のモニタリング装置。
3. 前記周波数変換部は、前記信号から周波数と加速度との分布に変換し、
   前記検出部は、前記特有の周波数領域における加速度が閾値を超えたことを検出する
   請求項２に記載のモニタリング装置。
4. 前記閾値を超えた場合に異常を知らせる警報手段を備える
   請求項３に記載のモニタリング装置。
5. 前記複合材料部品は、繊維強化樹脂材料からなる複合材料を積層したものであり、
   前記加速度センサーは、前記複合材料部品の積層方向と直交する面内での振動を検出する
   請求項２〜４の何れか１項に記載のモニタリング装置。
6. 前記加速度センサーは、前記複合材料部品の剥離発生予測位置から５００[ｍｍ]以内の場所に取り付けられる
   請求項５に記載のモニタリング装置。
7. 前記複合材料部品が構造体である請求項１〜６の何れか１項に記載のモニタリング装置。
8. 前記複合材料部品は、移動体に使用される構造体である請求項１〜６の何れか１項に記載のモニタリング装置。
9. モニタリング装置を用いて、繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング方法であって、
   前記剥離による振動を検出するモニタリング装置が、請求項１〜８の何れか１項に記載のモニタリング装置である
   モニタリング方法。
10. 繊維強化樹脂材料からなる複合材料部品の剥離に起因する破壊の予兆を監視するモニタリング方法であって、
    前記剥離による振動を検出したときに前記破壊を予兆する
    モニタリング方法。