JP4736501B2 - Ｆｒｐ構造物の非破壊検査方法 - Google Patents

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。

ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、高い強度を持ち、軽量性、耐食性、耐候性に優れる樹脂材料の一つである。そのため、様々な工業製品に用いられている。たとえば、屋内外配管、航空機ボディ、自動車のボディや小型プレジャーボートのボディにも用いられている。このＦＲＰは、構造的にみると、ガラス繊維に合成樹脂を染み込ませ、何層か積層し硬化させたものである。

ところで、この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でも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）。

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

しかしながら、従来の欠陥把握方法では、コストや手間がかかったり、定量的でなかったりした。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。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、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、欠陥のない箇所とある箇所が把握されているＦＲＰサンプルを用意し、前記欠陥のない箇所の前記ＦＲＰサンプルの表面をインパルスハンマで加振としたときの、打音の周波数スペクトルに前記欠陥がある個所よりも大きな値が現れる周波数帯域をＦ１とし、前記欠陥のある箇所の前記ＦＲＰサンプルの欠陥箇所表面をインパルスハンマで加振としたときの、打音の周波数スペクトルに前記欠陥がない個所よりも大きな値が現れる周波数帯域をＦ２としたときに、検査対象となるＦＲＰ構造物の表面をインパルスハンマで加振としたときの、前記Ｆ１における打音のデシベル合成値をｄＢ１とし、前記Ｆ２における打音のデシベル合成値をｄＢ２としたときのΔ＝ｄＢ２−ｄＢ１を指標とすることを特徴とする。
つぎの発明によるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法は、上記のＦＲＰ構造物の非破壊検査方法と、ＦＲＰ表面をインパルスハンマで加振し、加振力の時間波形の幅を指標とするＦＲＰ構造物の非破壊検査方法とを併用したことを特徴とする。

つぎの発明によるＦＲＰ構造物の非破壊検査方法は、前記ＦＲＰ構造物の非破壊検査方法において、前記加振力の時間波形の幅は、当該波形のピーク値の１／１０乃至１／２の値となる箇所の幅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ＦＲＰ構造物の非破壊検査方法において、前記加振力の時間波形の幅は、当該波形のピーク値の１／２値となる箇所の幅であ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、ＦＲＰの欠陥を定量的、非属人的に把握可能となる。

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は、木枠２の上に置かれた軟質ウレタンフォーム３の上に配置した。この実施例では、当該ＦＲＰサンドイッチパネル１をインパルスハンマ４で加振し、そのときの音または音圧を騒音計５で計測する。

騒音計５のマイク部６は、ＦＲＰサンドイッチパネル１から１５０ｍｍ離した位置に配置した。電源７をつないだインパルスハンマ４と、騒音計５は、ＦＦＴアナライザ８に接続され、時間軸に対する力、周波数に対する打音を解析できるようにした。なお、同図に示すように、測定条件が決まれば電源７を繋げたインパルスハンマ４と、騒音計とを、それぞれデジタルアンプ９で増幅したあと、パソコン１０に接続して解析するようにしてもよい。

図２は、ＦＲＰサンドイッチパネルの測定点を示す説明図である。ＦＲＰサンドイッチパネルは、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した。つまり、５０点を測定する。さらに、サンドイッチパネルは、両面がＦＲＰであるから、上記片面と同様にして他方の面の計１００点を測定した。ただし、当該検査方法が妥当であるかどうかを判断するために、ここで用いるＦＲＰパネルは、あらかじめ欠陥１１〜１５がある箇所がわかるようにして、格子にうまくあたらない部分は、当該部分も測定対象として、結局両面で１０７カ所測定した。なお、欠陥の位置は予め、Ｘ線、ＵＴ、コインタッピング、または目視により確認しておいた。

図３は、ＦＲＰサンドイッチパネルに欠陥がある箇所と、ない箇所とで比較した加振力示すグラフである。横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸は加振力（Ｎ）である。これを見ると、欠陥がない箇所をインパルスハンマで加振すると、加振力は大きくなり、鋭くとがった波形が得られる。欠陥がない箇所は、パネル内部が密となっていて固いから、加振力が大きくなる性質があると考えられる。一方、欠陥がある箇所を加振すると、加振力は相対的に小さく、すそが広い鈍い波形が得られることがわかった。欠陥がある箇所は、パネル内部が剥離していたり、繊維層が浮いていたりして、それがクッションの役割を果たして加振力が相対的に小さくなると考えられる。

図４は、加振力波形の時間幅を示す説明図である。ここで、発明者は、加振力波形の鋭さを定量的に把握するために、波形のピーク（頂点）となる加振力の１／１０〜９／１０の大きさとなる箇所の時間幅に注目した。波形の頂点または、底辺は、測定誤差が含まれやすいので、それらを省くためである。より好ましくは、ピーク（頂点）となる加振力の１／２となる時間幅、すなわち半値幅Δｔを測定してやればよい。半値幅Δｔは、多くのＦＦＴアナライザ等に検出ソフトが組み込まれているのが現状であるから、半値幅を利用すると、特別なソフトウェアも不要で、すぐに本方法を実施できるようになるというメリットがある。

図５は、欠陥がある箇所と、ない箇所とで半値幅の分布を調べた結果を示す分布図である。ここで、０は、欠陥がない箇所で、１は、欠陥がある箇所を示している。これを見ると、欠陥がない箇所は、半値幅が０．６（ｍｓｅｃ）に集中しているが、欠陥がない場合は、半値幅が大きくなり、分布もばらつくことがわかった。

表１は、欠陥のある箇所とない箇所とで、半値幅の最小値、最大値、平均値、および標準偏差を調べた結果である。これを見ると、半値幅が、欠陥がない箇所の半値幅よりも大きくなったときは、欠陥の可能性が高いと言える。また、パネルサンプルを使った実験により、ある一定の閾値が求まるときは、当該閾値よりも大きいときに欠陥があると判断してもよい。なお、サンプルは、たとえば３００×３００程度の大きさのものでも、実際に検査した対象物と同一の材料、構造を有していれば、大きさが異なっていても有力な閾値決定手段となる。

図６は、欠陥がある箇所とない箇所とで、打音スペクトルを調べたグラフである。横軸は、周波数（Ｈｚ）、縦軸は音（ｄＢ）である。欠陥のある箇所をインパルスハンマで打撃すると、５（ｋＨｚ）〜６（ｋＨｚ）で音が高いレベルになることがわかった。しかし、従来のように単純なレベルの大小では、加振力によりレベル差が生じてしまうことから欠陥の有無を判別する手法としては不適当である。

そこで、発明者は、Δ＝ｄＢ２−ｄＢ１という値に注目することにした。ここで、ｄＢ１は、欠陥のないときに特徴的となる周波数（これをＦ１とする。）の音で、この例では５００（Ｈｚ）〜１（ｋＨｚ）のｄＢの合成値である。ＦＲＰパネルの欠陥がない箇所は、この周波数帯域Ｆ１において、山状のスペクトルとなり、特徴的となることが多い。また、ｄＢ２は、欠陥のあるときに差が現れる周波数（これをＦ２とする。）の音で、この例では３（ｋＨｚ）〜６（ｋＨｚ）のｄＢの合成値である。ＦＲＰパネルの欠陥がある箇所は、この周波数帯域Ｆ２において、欠陥がない場合に比べてレベルが高くなることが多い。

一般に、検査対象となるＦＲＰパネルの大きさや形状は様々である。したがって、上記ｄＢ１、ｄＢ２の周波数帯域は、いつも決まった帯域とは限らない。そこで、現実的には、同一材料で成形された小型サンプル（欠陥箇所と欠陥がない箇所とが予め把握されているもの）を用いて、スペクトルが特徴的となる箇所の周波数帯域Ｆ１、Ｆ２を選択する。上記の例では、Ｆ１およびＦ２が、それぞれ５００（Ｈｚ）〜１（ｋＨｚ）、３（ｋＨｚ）〜６（ｋＨｚ）ということである。

図７は、欠陥がある箇所と、ない箇所とで上記Δの値の分布を調べた結果を示す分布図である。ここで、０は、欠陥がない箇所で、１は、欠陥がある箇所を示している。これを見ると、欠陥がない箇所は、−３８〜−２３（ｄＢ）に集中したが、欠陥がある箇所は、大きくばらつき、最大で６（ｄＢ）まで大きくなった。このように、上記Δの値を指標としても、欠陥がある箇所と、欠陥がない箇所は、判別可能となる。なお、この場合も、予め用意したサンプルを使って、ｄＢ１およびｄＢ２のそれぞれでサンプリングすべき周波数帯域を決定することが有力な閾値決定手段となる。

以上により、本発明に係るＦＲＰ構造物の非破壊検査方法によれば、ＦＲＰをインパルスハンマで打撃し、その応答の時間幅、打音スペクトルを調べ、より好ましくは、最適な閾値を求めることにより、誰でも定量的に、容易に欠陥箇所を指摘することができるようになる。なお、どちらの手法を用いてもよいし、両者を併用すれば、検査の信頼性も向上するが、艦隊等のドック等屋外で検査するときは、雑音を排除、無視することが困難となるので、そのようなときは、打音スペクトルが有力な解析対象となる。

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。

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。 ＦＲＰサンドイッチパネルの測定点を示す説明図である。 ＦＲＰサンドイッチパネルに欠陥がある箇所と、ない箇所とで比較した加振力示すグラフであり、横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸は加振力（Ｎ）である。 加振力波形の時間幅を示す説明図である。 欠陥がある箇所と、ない箇所とで半値幅の分布を調べた結果を示す分布図である。 欠陥がある箇所とない箇所とで、打音スペクトルを調べたグラフである。 欠陥がある箇所と、ない箇所とで上記Δの値の分布を調べた結果を示す分布図である。

符号の説明

１ サンドイッチパネル
２ 木枠
３ 軟質ウレタンフォーム
４ インパルスハンマ
５ 騒音計
６ マイク部
７ 電源
８ アナライザ
９ デジタルアンプ
１０ パソコン
１１ 欠陥

Claims (4)

1. 欠陥のない箇所とある箇所が把握されているＦＲＰサンプルを用意し、
   前記欠陥のない箇所の前記ＦＲＰサンプルの表面をインパルスハンマで加振としたときの、打音の周波数スペクトルに前記欠陥がある個所よりも大きな値が現れる周波数帯域をＦ１とし、
   前記欠陥のある箇所の前記ＦＲＰサンプルの欠陥箇所表面をインパルスハンマで加振としたときの、打音の周波数スペクトルに前記欠陥がない個所よりも大きな値が現れる周波数帯域をＦ２としたときに、
   検査対象となるＦＲＰ構造物の表面をインパルスハンマで加振としたときの、前記Ｆ１における打音のデシベル合成値をｄＢ１とし、前記Ｆ２における打音のデシベル合成値をｄＢ２としたときのΔ＝ｄＢ２−ｄＢ１を指標とすることを特徴とするＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。
2. 請求項１に記載のＦＲＰ構造物の非破壊検査方法と、ＦＲＰ表面をインパルスハンマで加振し、加振力の時間波形の幅を指標とするＦＲＰ構造物の非破壊検査方法とを併用したことを特徴とするＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。
3. 前記加振力の時間波形の幅は、当該波形のピーク値の１／１０乃至１／２の値となる箇所の幅であることを特徴とする請求項２に記載のＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。
4. 前記加振力の時間波形の幅は、当該波形のピーク値の１／２値となる箇所の幅であることを特徴とする請求項２に記載のＦＲＰ構造物の非破壊検査方法。

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