JP4087730B2

JP4087730B2 - 応力異方性検出方法および応力診断方法

Info

Publication number: JP4087730B2
Application number: JP2003086120A
Authority: JP
Inventors: 裕己戸田; 頼信村田; 尚弘呉
Original assignee: 株式会社酒井鉄工所
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004294232A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音弾性測定の原理に基づいて構造部材等の応力の状態を調べるための方法である。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、固体中の弾性波の伝搬特性が固体の応力状態によって変化する現象（音弾性効果）を利用してその応力状態を測定する音弾性測定の技術が知られている。この音弾性測定の具体的な方法としては各種知られているが、その一つである複屈折音弾性法は比較的簡単で、また圧延鋼板等の板厚平均の応力状態（鋼板内部の主応力差に関する応力状態）を測定可能なことから高い注目を集めている。
【０００３】
この複屈折音弾性法は、平面応力状態にある被測定物の一点で板厚方向に伝わり、かつ互いに直交する主軸方向に偏向する２つの横波の音速差が主応力差に比例するという現象を利用し、その複屈折の大きさを無次元化された音響複屈折（音響異方性という）として数値化して検出する方法で（非特許文献１）、この音響異方性に基づいて被測定物に作用する応力を診断することにより、例えば構造物の耐久性等を非破壊検査することが可能になる。
【０００４】
【非特許文献１】
「超音波ＴＥＣＨＮＯ（５月号）」、日本工業出版株式会、１９９４年（平成６年）５月１５日、Ｐ４２−４９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この複屈折音弾性法は、その手法として上記のように注目されながらも次のような課題が残されている結果、実用性に乏しかった。
【０００６】
すなわち、複屈折音弾性法により求められる音響異方性は、応力に依存する音響異方性（応力異方性という）と被測定物の組織による音響異方性（組織異方性という）とが重畳しているため、例えば残留応力等、既に応力が生じている被測定物の応力を正確に診断するには、求められた音響異方性（実測値）から組織異方性を分離して応力異方性のみを検出することが必要となる。つまり、無応力状態において被測定物の組織異方性を予め求めおくことが不可欠となる。しかしながら、実際の構造物の応力状態を診断することを考えたときに、構造物を構成する全ての構成部材の全域に亘って予め無応力状態で組織異方性を求めておくことは事実上不可能である。そのため、複屈折音弾性法が適用できるのは、予め無応力状態で組織異方性が求められている特定の場所（特定の部材の特定部分）に限られることとなる。これが、複屈折音弾性法が実用性に乏しい最大の原因であった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、残留応力等、既に応力が生じた状態であっても被測定物に作用する応力の診断を正確に行うことができる応力状態測定方法および応力診断方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願出願人は、鋭意研究を重ねた結果、周知の表面ＳＨ波法、すなわち測定対象物の表面に沿って表面ＳＨ波を伝搬させて被測定物の音響異方性を求める方法に基づき求めることが可能な音響異方性のうち応力に依存しない音響異方性である表面異方性と、複屈折音弾性法により無応力状態の被測定物から求められる組織異方性との間に相関関係があることを突き止めた。
【０００９】
そこで、本願出願人は、この研究結果を構造物等の応力状態の診断に適用することを考え、以下のような応力異方性検出方法を発明した。
【００１０】
すなわち、測定対象物の厚さ方向に横波超音波を伝搬させて測定対象物の音響異方性を求める複屈折音弾性法、および測定対象物の表面に沿って表面ＳＨ波を伝搬させて測定対象物の音響異方性を求める表面ＳＨ波法を、被測定物と同質材料からなり、かつ無応力状態の厚さの異なる複数種類の試料に対しそれぞれ実施することにより、前記複屈折音弾性法に基づき各試料の組織に依存する組織異方性を求めるとともに前記表面ＳＨ波法に基づき前記音響異方性のうち応力に依存しない表面異方性を求め、さらにこれら組織異方性と表面異方性との相関関係を求める相関検知工程と、前記表面ＳＨ波法により被測定物の表面異方性を求める工程と、この工程で求められた被測定物の表面異方性に基づいて前記相関検知工程で求められた相関関係から被測定物の組織異方性を求める工程と、前記複屈折音弾性法により被測定物の音響異方性を求める工程と、この工程で求められた音響異方性から前記相関関係に基づいて求められる組織異方性を減算することにより、被測定物の応力に依存する音響異方性である応力異方性を求める工程とを有するというものである。
【００１１】
この方法によれば、構造物の柱、梁等、被測定物と同質材料からなる試料を使って予め組織異方性と表面異方性との相関関係さえ求めておけば、あとは現場で複屈折音弾性法および表面ＳＨ波法に基づき被測定物の音響異方性を求めることによって、被測定物の応力異方性のみを求めることが可能となる。つまり、残留応力等が既に生じた被測定物についてもその音響異方性を求めれば、その値と上記相関関係から直接応力異方性を求めることができるようになる。従って、従来のように、構造物の柱等、被測定物そのもの（現物）の無応力状態での音響異方性（組織異方性）を予め調べておく必要がなくなり、複屈折音弾性法の実用性を高めることが可能になる。
【００１２】
一方、本発明に係る応力診断方法は、被測定物に作用する応力を診断する方法であって、請求項１に記載の応力異方性検出方法により検出した被測定物の応力異方性に基づいて該被測定物に作用する応力を診断するようにしたものである。
【００１３】
この診断方法によれば、被測定物のより内部の応力をより正確に診断することが可能となる。従って、構造物の耐久性等をより正確に評価することができるようになる。
【００１４】
なお、請求項の記載において「異方性を求める」とは、複屈折の大きさを無次元化された音響複屈折（音響異方性）として数値化して求めることを意味するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る応力異方性検出方法を説明するフローチャートである。この応力異方性検出方法は、複屈折音弾性法により求められる音響異方性（つまり複屈折を無次元した値である音響複屈折）のうち被測定物の応力にのみ依存する音響複屈折（応力異方性）を求める方法であって、同図に示すステップＳ１〜Ｓ７の工程からなる。
【００１７】
この方法は、測定の準備工程（ステップＳ１〜Ｓ３）と、測定データの処理を含めた実際の測定工程（ステップＳ４〜Ｓ７）とに大別される
準備工程では、まず、被測定物である圧延鋼板と同鋼種で、かつ厚さの異なる複数の供試体、例えば１０数枚の供試体について表面ＳＨ波法を用いて音響異方性の測定を行う（ステップＳ１）。ここで測定する音響異方性は表面ＳＨ波法により求めることができる音響異方性のうち、応力に依存しない表面異方性である。表面ＳＨ波法による音響異方性の測定は、図２に示す測定装置を用いて行う。この測定装置は、同図に示すように表面ＳＨ波センサ１０、シングアラウンド音速測定装置１８、およびデータ処理装置２０等から構成されている。
【００１８】
表面ＳＨ波センサ１０はいわゆる超音波センサであって、超音波として伝搬方向に対して垂直方向に振動する横波を送信する圧電素子１４ａ（例えばＰＺＴ圧電素子）を具備する送信子１４と、この送信子１４から送信される横波を受信する圧電素子１６ａを具備する受信子１６とを有している。送信子１４及び受信子１６は保持部材１２を介して所定間隔で一体に保持されており、同図および図３に示すように、供試体１の表面に送信子１４及び受信子１６を押し付けた状態で前記送信子１４から送信される横波を受信子１６で受信するように構成されている。各圧電素子１４ａ，１６ａと表面ＳＨ波センサ１０の送受信面（供試体１に対する送信子１４及び受信子１６の接触面）は、供試体１に入射する横波が供試体１の表面に沿って伝搬するように傾き角度が設定されている。
【００１９】
シングアラウンド音速測定装置１８は、表面ＳＨ波センサ１０における横波（超音波）の送受信を所定回数繰り返しその伝搬時間を積算するシングアラウンド法を用いて横波の伝搬時間（伝搬速度）を測定する装置で、例えば横波の送受信を１万回繰り返すことにより精度の高い伝搬時間を測定するものである。
【００２０】
データ処理装置２０は、例えばパソコン等からなり、シングアラウンド音速測定装置１８の測定結果に基づき、伝搬時間のデータをサイン関数で近似して横波の最大伝搬速度と最小伝搬速度を演算するとともに、その結果に基づき以下の演算式に基づいて供試体１の表面異方性を演算するものである。
【００２１】
【数１】

【００２２】
ここで、
Φ₀ ；音響異方性（表面異方性）
Ｖ_S1 ；最大伝搬速度
Ｖ_S2 ；最小伝搬速度
である。
【００２３】
ステップＳ１での測定手順について具体的に説明すると次の通りである。まず、図２に示した表面ＳＨ波センサ１０を任意の供試体１の表面に所定の圧力で押し付け、この状態で横波の伝搬時間を測定する（図３参照）。なお、供試体１は、例えば数センチ四方の大きさとし、測定面は予め高精度の平面に仕上げ、粘性のある接触媒質（音響結合剤）を塗布しておく。
【００２４】
次いで、表面ＳＨ波センサ１０を供試体１の測定面に直交する軸回りに１０°だけ回転させて同様に横波の伝搬時間を測定し、以後、１０°間隔で０°から１８０°まで表面ＳＨ波センサ１０の方向、つまり横波の伝搬方向を変えながら１つの供試体１から１９個の伝搬時間データを採取する。
【００２５】
そして、データ処理装置２０において、これら１９個のデータをサイン関数Ａsin(４θ＋α)で近似して最大伝搬速度Ｖ_S1と最小伝搬速度Ｖ_S2を求めるとともに、この速度Ｖ_S1，Ｖ_S2と上記数１とから当該供試体１の音響異方性（表面異方性）を求める。なお、サイン関数Ａsin(４θ＋α)において、４θは９０°周期を意味し、αは任意の基準方向（例えば最初の測定方向０°）に対する位相角を意味し、振幅Ａは最大伝搬速度Ｖ_S1と最小伝搬速度Ｖ_S2との速度差の半分を意味する。
【００２６】
こうして最初の供試体１の表面異方性Φ₀₁を求めた後、同様にして、他の供試体１の表面異方性Φ₀₂〜Φ_0nを求める。これによりステップＳ１を終了する。
【００２７】
次いで、無負荷状態の前記各供試体１の音響異方性を複屈折音弾性法によって測定することにより、各供試体１の組織異方性を測定する（ステップＳ２）。
【００２８】
複屈折音弾性法による音響異方性の測定は、図４に示す測定装置を用いて行う。この測定装置は、同図に示すように超音波センサ２２、シングアラウンド音速測定装置２４、およびデータ処理装置２６等から構成されている。
【００２９】
超音波センサ２２は、伝搬方向に対して垂直方向に振動する横波（超音波）を送信するとともに、その反射波を受診する圧電素子２２ａ（例えばＰＺＴ圧電素子）を備えたセンサで、供試体１に入射する横波が供試体１の表面に直交する方向、つまり供試体１の厚み方向に伝搬するように前記圧電素子２２ａが超音波センサ２２の送受信面に対して設けられている。
【００３０】
シングアラウンド音速測定装置２４は、表面ＳＨ波法の測定装置に適用されるシングアラウンド音速測定装置１８と同様に、超音波センサ２２における横波（超音波）の送受信を所定回数繰り返してその伝搬時間を積算するシングアラウンド法を用いて横波の伝搬時間（伝搬速度）を測定する装置である。
【００３１】
データ処理装置２６は、パソコン等からなり、シングアラウンド音速測定装置２４の測定結果に基づき以下の演算式（数２）に基づいて供試体１の音響異方性（組織異方性）を演算するものである。
【００３２】
【数２】

【００３３】
ここで、
Ｂ₀ ；音響異方性（組織異方性）
Ｖ₀₁,Ｖ₀₂ ；互いに直交する方向に偏向する２つの横波の伝搬速度
である。
【００３４】
ステップＳ２での測定手順について具体的に説明すると次の通りである。まず、図４に示した超音波センサ２２を任意の供試体１の表面に対して振動方向が圧延方向に一致する方向に向けて所定の圧力で押し付け、この状態で横波の伝搬時間を測定する。すなわち、図５に示すように、超音波センサ２２から送信されて供試体１の厚み方向に伝搬する横波が供試体１の底面で反射して超音波センサ２２に受診されるまでの時間、あるいは供試体１の底面からの1回目の反射の横波と２回目の反射の横波の時間差を測定する。
【００３５】
次いで、超音波センサ２２を供試体１の測定面に直交する軸回りに９０°回転させて同様に横波の伝搬時間を測定する。そして、超音波センサ２２において、これらのデータに基づき上記数１から当該供試体１の音響異方性（組織異方性）を求める。つまり、無負荷状態では、応力に依存する異方性が存在しないため、複屈折音弾性法により測定した供試体１の音響異方性がそのまま供試体１の集合組織に依存する組織異方性として求められることとなる。
【００３６】
そして、最初の供試体１の組織異方性Ｂ₀₁を求めた後、同様にして、他の供試体１の組織異方性Ｂ₀₁〜Ｂ_0nを測定する。これによりステップＳ２を終了する。
【００３７】
次いで、ステップＳ１，Ｓ２において測定した各供試体１の表面異方性Φ₀₁〜Φ_0nおよび組織異方性Ｂ₀₁〜Ｂ_0nに基づき、これらの関係を多項式Ｂ₀＝ｆ（Φ₀）で近似してそれらの相関を求める（ステップＳ３）。例えば、図６は、供試体１として一般構造圧延板ＳＳ４００を用いてその表面異方性と組織異方性との相関を求めたグラフを示している。
【００３８】
このようにして表面異方性と組織異方性との相関（以下、単に相関関係という）を求める準備作業が終了した後、実際の測定工程に移る。
【００３９】
この測定工程では、被測定物である圧延鋼板の表面異方性Φを表面ＳＨ波法により測定し、その値と、ステップＳ３で求めた相関関係とに基づいて圧延鋼板の組織異方性Ｂ₀を求める（ステップＳ４，Ｓ５）。なお、ステップＳ４の測定で使用する測定装置はステップＳ１で使用した測定装置（図２）と基本的に同一のものでよく、また、その測定方法も一の供試体１に対してその表面異方性を測定する方法と同一である。このステップＳ４での表面異方性の測定は、残留応力等が既に生じた状態の被測定物であっても、応力に依存せずに実施可能である。
【００４０】
次いで、被測定物である圧延鋼板の音響異方性Ｂを複屈折音弾性法により測定する（ステップＳ６）。この測定で使用する測定装置はステップＳ２の測定装置（図４）と同一のものでよく、また、基本的な測定方法も供試体１に対してその組織異方性を測定する方法と同一である。但し、ステップＳ６の測定では、超音波センサ２２を供試体１に対して適宜動かし、互いに直交する方向に偏向する２つの横波の伝搬速度差が最大となる位置での各横波の伝搬速度に基づいて音響異方性Ｂを求める。
【００４１】
このようにして圧延鋼板の音響異方性Ｂを測定した後、この音響異方性ＢからステップＳ５で求めた組織異方性Ｂ₀を減算して、圧延鋼板の応力にのみに依存する音響異方性Ｂ（応力異方性）を求める。
【００４２】
すなわち、複屈折音弾性法では、圧延鋼板の圧延方向と主応力方向が一致する場合には、平面応力状態にある圧延鋼板の音響異方性について次式が成立つ。
【００４３】
【数３】

【００４４】
ここで、
Ｂ；音響異方性
Ｂ₀ ；組織異方性（無応力状態の音響異方性：[数２]参照）
Ｖ₁，Ｖ₂ ；主応力方向に偏向する２つの横波の伝搬速度
Ｃ_A ；音弾性定数
σ₁，σ₂ ；主応力
である。
【００４５】
従って、ステップＳ６で測定した圧延鋼板の音響異方性Ｂから当該圧延鋼板の組織にのみ依存する音響異方性Ｂ₀を減算することにより、主応力差（σ₁−σ₂）に対応する音響異方性Ｂ、つまり応力異方性が求められることとなる。
【００４６】
なお、圧延方向が主応力方向と一致しない場合には、数３は圧延方向と主応力方向の角度ずれに関係する項が加わる関係式（記載省略）に替わるが、この場合も音響異方性Ｂ₀が求められると、音響異方性Ｂから応力異方性を求めることができる。
【００４７】
以上のような方法によると、被測定物である圧延鋼板と同鋼種の供試体１を使ってその組織異方性と表面異方性との相関関係を事前に求めておけば（ステップＳ１〜Ｓ３の処理）、被測定物の音響異方性（表面異方性Φ₀、音響異方性Ｂ）を表面ＳＨ波法および複屈折音弾性法により求めることにより、その結果と前記相関関係とに基づいて被測定物の応力にのみ依存する応力異方性を求めることができるので、従来のように、構造物の柱等、被測定物そのもの（現物）の無応力状態での音響異方性（組織異方性）を予め測定していない場合でも、被測定物の音響異方性を現場測定するだけで、その結果と上記の相関関係とから被測定物の応力異方性を求めることができるようになる。特に、組織異方性と表面異方性との相関関係は、一度求めておけば同質の材料を使った構造物に対してもそのまま適用することができるため、その後の測定では、被測定物の音響異方性を現場測定しさえすればその結果と上記相関関係とから容易に被測定物の応力異方性を求めることができる。
【００４８】
従って、上記実施形態の応力異方性検出方法を適用することにより複屈折音弾性法を用いた応力状態の測定をより実用的なものとすることができる。
【００４９】
特に、上記実施形態の応力異方性検出方法により被測定物の応力異方性を求め、その異方性に基づいて被測定物の応力診断を行うようにすれば、被測定物のより内部の応力状態を正確に診断することが可能となるため、これにより構造物の耐久性等をより正確に評価することができるようになるという利点がある。
【００５０】
なお、上記実施形態における方法は、本発明に係る応力異方性検出方法の一の実施形態であって、その具体的な方法（内容）は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５１】
例えば、上記実施形態では、供試体１の表面異方性を測定する工程（ステップＳ１）と供試体１の組織異方性を測定する工程（ステップＳ２）とを分けているが、表面異方性と組織異方性とは、供試体１のほぼ同一箇所で測定するのが好ましい。従って、一つの供試体１に対してこれら各工程の処理を連続して行うようにしてもよい。これによれば表面異方性と組織異方性との相関関係をより信頼性の高いものにすることが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の応力異方性検出方法によると、構造物の柱、梁等、被測定物と同質材料からなる試料を使って予め組織異方性と表面異方性との相関関係を求めておくことにより、現場で被測定物の音響異方性を測定することにより、その値と上記相関関係から直接応力異方性を求めることができる。従って、従来のように柱等、被測定物そのもの（現物）の無応力状態での音響異方性（組織異方性）を予め調べておく必要が無くなり、その結果、複屈折音弾性法の実用性を著しく高めることが可能になる。
【００５３】
一方、本発明に係る応力診断方法によると、上記方法により検出された被測定物の応力異方性に基づいて該被測定物に作用する応力を診断するようにしたので、被測定物内部の応力状態を、より正確に診断することが可能となる。従って、構造物の耐久性等をより正確に評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の応力異方性検出方法を説明するフローチャートである。
【図２】表面ＳＨ波法により音響異方性を測定する測定装置の構成を示す概略図である。
【図３】表面ＳＨ波法による音響異方性の測定方法を説明する斜視図である。
【図４】複屈折音弾性法により音響異方性を測定する測定装置の構成を示す概略図である。
【図５】複屈折音弾性法による音響異方性の測定方法を説明する斜視図である。
【図６】表面異方性と音響異方性との相関関係の一例を示す図（グラフ）である。
【符号の説明】
１供試体
１０表面ＳＨ波センサ
１４送信子
１６受信子
１８，２４シングアラウンド音速測定装置
２０，２６データ処理装置
２２超音波センサ

Claims

測定対象物の厚さ方向に横波超音波を伝搬させて測定対象物の音響異方性を求める複屈折音弾性法、および測定対象物の表面に沿って表面ＳＨ波を伝搬させて測定対象物の音響異方性を求める表面ＳＨ波法を、被測定物と同質材料からなり、かつ無応力状態の厚さの異なる複数種類の試料に対しそれぞれ実施することにより、前記複屈折音弾性法に基づき各試料の組織に依存する組織異方性を求めるとともに前記表面ＳＨ波法に基づき前記音響異方性のうち応力に依存しない表面異方性を求め、さらにこれら組織異方性と表面異方性との相関関係を求める相関検知工程と、
前記表面ＳＨ波法により被測定物の表面異方性を求める工程と、
この工程で求められた被測定物の表面異方性に基づいて前記相関検知工程で求められた相関関係から被測定物の組織異方性を求める工程と、
前記複屈折音弾性法により被測定物の音響異方性を求める工程と、
この工程で求められた音響異方性から前記相関関係に基づいて求められる組織異方性を減算することにより、被測定物の応力に依存する音響異方性である応力異方性を求める工程とを有する
ことを特徴とする応力異方性検出方法。
被測定物に作用する応力を診断する方法であって、
請求項１に記載の応力異方性検出方法により検出された被測定物の応力異方性に基づいて該被測定物に作用する応力を診断することを特徴とする応力診断方法。