JP4878013B2 - 亀裂発生位置の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、アレスタ部によって進展が阻止された亀裂の発生位置を検出するための方法に関する。

近年、航空機の機体および高速鉄道車両などの構造用材料として、発泡コアサンドイッチパネル（Foam Core Sandwich Panel）が用いられている。この発泡コアサンドイッチパネルは、発泡合成樹脂材料から成るコア層の表面に、繊維強化複合材料（略称ＦＲＰ）から成る面板とも呼ばれる表層が一体的に形成された構造であり、軽量で高い剛性が得られるとともに、水などの液体が浸入せず、一体成形が可能であるため部品点数を削減できるという多くの利点を有するが、表層とコア層との間の剥離に弱いという問題がある。

前記表層とコア層との間の剥離を防止する従来技術は、たとえば特許文献１に提案されている。この先行技術では、表層である面板と、コア層である心材との間に、アレスタを設け、このアレスタによって亀裂の進展を停留させることによって、面板および心材間の剥離を阻止することが提案されている。

特開２００６−２８２０４６号公報

特許文献１の先行技術では、剥離の原因となる亀裂の進展を停留させることが可能であるが、その亀裂を修復するためには、亀裂の発生した位置を特定する必要があるが、発泡コアサンドイッチパネルのような部材内部で発生した亀裂の発生位置を検出する技術は、存在しない。

本発明の目的は、部材内部の亀裂の発生位置を、容易にかつ正確に検出することができる亀裂発生位置の検出方法を提供することである。

本発明は、発泡合成樹脂材料から成るコア層の表面に複合材料から成る表層が積層され、前記表層とコア層との界面領域に、前記表層およびコア層間の剥離の進展を阻止するためのアレスタ部を設け、
前記アレスタ部の前記表層に沿う端部に、グレーティング部を有する複数の光ファイバを埋設し、
各光ファイバからの反射光のスペクトルを比較することによって、前記表層およびコア層間の亀裂の発生位置を検出することを特徴とする亀裂発生位置の検出方法である。

また本発明は、前記各光ファイバは、アレスタ部の前記表層に沿う両端部にそれぞれ設けられることを特徴とする。

本発明によれば、アレスタ部の前記表層に沿う端部にグレーティング部を有する複数の光ファイバを埋設し、各光ファイバから反射光のスペクトルを比較することによって、亀裂が発生している位置を検出することができる。

このような亀裂発生位置の検出は、亀裂先端がアレスタ部に近づくと、アレスタ部の応力が増加するという知見に基づくものであって、各光ファイバのグレーティング部に非軸対称な歪みが生じると、直交する２つの主応力方向に対して屈折率が異なるため、反射光のスペクトルは波長の異なるピークを示す分布となり、これに基づく各光ファイバの応力差から、亀裂が発生している位置を特定することができる。

また本発明によれば、各光ファイバがアレスタ部の表層に沿う両端部にそれぞれ設けられるので、亀裂によって発生したアレスタ部の応力が分散しない位置に各光ファイバが配置されることになり、応力変化を各光ファイバの歪み変化に反映させて、亀裂の検出感度を向上し、亀裂発生位置の検出精度を向上することができる。

図１は本発明の実施の一形態の亀裂発生位置の検出方法の原理を説明するための図である。本実施形態の亀裂発生位置の検出方法は、航空機の機体および高速鉄道車両の構体などに用いられる発泡コアサンドイッチパネル１の亀裂発生位置を検出するために実施される。サンドイッチパネル１は、発泡合成樹脂材料から成るコア層２の表面３に、複合材料から成る表層４が積層され、前記表層４とコア層２との界面領域に、前記表層４およびコア層２間の剥離の進展を阻止するためのアレスタ部５が設けられる。

前記コア層２は、発泡コアとも呼ばれ、たとえばポリエーテルイミド（略称ＰＥＩ）またはポリビニルクロライド（略称ＰＶＣ）から成る発泡合成樹脂によって実現される。

また、表層４は、繊維強化複合材料（略称ＦＲＰ）から成る。繊維強化複合材料は、直径約１０μｍの強化繊維が直交３軸方向に配向性を持つように張架された基材に、マトリクス樹脂を含浸させた材料である。強化繊維は、炭素繊維であってもよく、ガラス繊維であってもよい、またマトリクス樹脂は、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。

前記アレスタ部５内には、グレーティング部を有する複数（本実施形態では２）の光ファイバ６ａ，６ｂが前記表層４に沿って埋設され、各光ファイバ６ａ，６ｂからの反射光のスペクトルＡ，Ｂを比較することによって、前記表層４およびコア層２間の亀裂の発生位置を検出することができる。

前記各光ファイバ６ａ，６ｂは、たとえばコア外径８．５μｍ〜１０μｍ、クラッド外径４０μｍ〜１２５μｍの通信用シングルモード光ファイバによって実現され、アレスタ部５の前記表層４に沿う両端部にそれぞれ設けられる。これらの光ファイバ６ａ，６ｂに非軸対称な歪みが発生すると、直交する２つの主応力方向Ｘ，Ｙに対してそれぞれ異なる屈折率が各光ファイバ６ａ，６ｂのコア内に生じる。このとき、偏光面となる２つのグレーティング部は、異なる波長の独立した光を反射するため、反射光は亀裂の進展方向の上流側（図１では左側）に配置される光ファイバ６ａからの反射光のスペクトルＡのように、２つのピークに分離し、顕著な双峰性を示す。

亀裂の進展方向の下流側に配置される他方の光ファイバ６ｂには、アレスタ部５の亀裂による応力が小さいため、スペクトルＢのように顕著にピークが分離するまでには至らず、スペクトル幅が広くなってスペクトル形状の崩れが確認される。

このような２つのスペクトルＡ，Ｂの形状は、グレーティング部と亀裂先端との位置関係Ｌに依存するグレーティング部の３次元応力状態と直接的に関係付けられる。たとえば、スペクトルＡの２つに分離したピークの間隔Ｈは直交するＸ，Ｙ主応力方向の垂直応力差と比例し、グレーティング部と亀裂先端との距離の関数である。また、スペクトルＢのような場合には、スペクトルの半値幅ｈ（ピーク値の１／２値を与える波長の間隔）がグレーティング部と亀裂先端との距離Ｌの関数となる。よって、グレーティング部と亀裂先端との距離Ｌを、２つに分離したピークの間隔Ｈ、あるいは、スペクトルの半値幅ｈの関数として、Ｌ＝Ｆ（Ｈ）あるいはＬ＝Ｆ（ｈ）として解析に用いるコンピュータに予め設定しておくことによって、亀裂先端位置を検出することができる。

各光ファイバ６ａ，６ｂには、ＬＥＤなどを用いた広帯域光源から光を入射させ、グレーティング部で反射された反射光を光スペクトルアナライザによって解析し、スペクトルＡ，Ｂが得られ、そのスペクトルに関する情報を前記コンピュータに入力し、亀裂発生位置Ｌを算出することができる。

図１では、発泡コアサンドイッチパネル１の断面の下に各光ファイバ６ａ，６ｂに対応して得られたスペクトルＡ，Ｂを示し、このようなグレーティング部を有する各光ファイバ６ａ，６ｂは、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiber Bragg Grating；略称ＦＢＧ）センサを構成する。グレーティング部は、光ファイバ６ａ，６ｂのコアの屈折率を軸方向に周期的に変化させたブラッグ格子である。

グレーティング部は、一例として述べると、長さ１０ｍｍ、周期が約５３０ｎｍであり、各光ファイバ６ａ，６ｂの延在方向に、５０ｍｍ〜３００ｍｍの間隔をあけて形成される。この間隔は、５０ｍｍ〜３００ｍｍに限るものではなく、亀裂の発生位置を検出しようとする対象構造物や部位に応じて、要求される検出位置にグレーティング部が配置されるように任意に選ばれる。

図２は亀裂先端Ｐの接近に伴うアレスタ部５の応力変化を示す図である。図２（１）は、亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝１５．０ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（２）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝１０．２ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（３）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝５．１ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示す。図２（４）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝２．４ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（５）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝０．２ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（６）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝０．０９ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示す。

これらの図２（１）〜図２（６）では、アレスタ部５の応力が大きいほど明度が高く（白く）、応力が小さいほど明度が低く（暗く）表され、同図から明らかなように、亀裂先端Ｐがアレスタ部５に接近して距離Ｌが小さくなるほどアレスタ部５内の応力は大きくなることが判る。

図３はアレスタ部５に光ファイバ６ａ，６ｂを埋め込んだ発泡コアサンドイッチパネル１のＦＥＭモデルを示す図であり、図４はＦＢＧセンサのスペクトルを示す図である。本件発明者は、亀裂先端の接近によってアレスタ部５の応力が増加することを確認するため、各光ファイバ６ａ，６ｂを埋め込んだ半径１０ｍｍの半円形断面のアレスタ部５を有する長さ１８０ｍｍ、幅３５ｍｍ、厚み２６ｍｍの発泡コアサンドイッチパネル１を模擬したＦＥＭモデル１０を用いて、亀裂先端Ｐがアレスタ部５の亀裂進展方向の上流側端部に接近する際の反射光スペクトルを求めたところ、図４のスペクトルＡ１，Ｂ１を得た。

その結果、亀裂の接近に伴うアレスタ部５内の応力変化によって、反射光スペクトルのピークが移動する現象を利用して、亀裂発生位置を検出できることが確認された。

以上のように本実施の形態によれば、アレスタ部５にグレーティング部を有する複数の光ファイバ６ａ，６ｂを埋設し、各光ファイバ６ａ，６ｂから反射光のスペクトルＡ，Ｂを比較することによって、亀裂が発生している亀裂先端位置を検出することができる。

このような亀裂発生位置の検出は、亀裂先端Ｐがアレスタ部５に近づくと、アレスタ部５の応力が増加するという知見に基づくものであって、各光ファイバ６ａ，６ｂのグレーティング部に非軸対称な歪みが生じると、直交する２つの主応力方向に対して屈折率が異なり、反射光のスペクトルは前述の図１に示されるように、波長の異なるピークを示す分布となり、これに基づく各光ファイバ６ａ，６ｂの応力差から、亀裂が発生している位置を特定することができる。

また、各光ファイバ６ａ，６ｂがアレスタ部５の表層４に沿う両端部にそれぞれ設けられるので、亀裂によって発生したアレスタ部５の応力が断面全体に分散しない位置に各光ファイバ６ａ，６ｂが配置されることになり、微小な応力変化を各光ファイバ６ａ，６ｂの歪みの変化に反映させて、亀裂の検出感度を向上し、亀裂発生位置の検出精度を向上することができる。

このように亀裂の進展範囲を容易に特定することができるので、検査、修理に要する費用を低減することができる。また各光ファイバ６ａ，６ｂは、アレスタ部５に埋設されるので、亀裂発生位置もアレスタ部５が存在する既知の位置上に存在することになり、亀裂発生位置の特定が容易かつ正確である。

また、前述のような亀裂発生位置の検出方法は、進展がアレスタ部５によって抑制されている亀裂が存在する発泡コアサンドイッチパネルによって構築された航空機や高速鉄道車両などの実施対象物が運用中であってもモニタすることができるので、運行上の安全性の向上を図り、たとえば航空機であれば、損傷を修理することができる空港まで運行を継続することも可能であり、運行に支障を生じることなしに亀裂発生位置を検出することができる。

本発明の実施の一形態の亀裂発生位置の検出方法の原理を説明するための図である。 亀裂先端Ｐの接近に伴うアレスタ部５の応力変化を示す図である。図２（１）は、亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝１５．０ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（２）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝１０．２ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（３）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝５．１ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（４）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝２．４ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（５）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝０．２ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示し、図２（６）は亀裂先端Ｐがアレスタ部５から距離Ｌ＝０．０９ｍｍに存在するときのアレスタ部５の応力発生状況を示す。 アレスタ部５に光ファイバ６ａ，６ｂを埋め込んだ発泡コアサンドイッチパネル１のＦＥＭモデルを示す図である。 ＦＥＭモデルによる解析結果を示す図である。

符号の説明

１ 発泡コアサンドイッチパネル
２ コア層
３ コア層２の表面
４ 表層
５ アレスタ部
６ａ，６ｂ 光ファイバ
１０ ＦＥＭモデル
Ａ，Ｂ スペクトル

Claims (2)

1. 発泡合成樹脂材料から成るコア層の表面に複合材料から成る表層が積層され、前記表層とコア層との界面領域に、前記表層およびコア層間の剥離の進展を阻止するためのアレスタ部を設け、
   前記アレスタ部の前記表層に沿う端部に、グレーティング部を有する複数の光ファイバを埋設し、
   各光ファイバからの反射光のスペクトルを比較することによって、前記表層およびコア層間の亀裂の発生位置を検出することを特徴とする亀裂発生位置の検出方法。
2. 前記各光ファイバは、アレスタ部の前記表層に沿う両端部にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１記載の亀裂発生位置の検出方法。