JP5841081B2 - 強度検査方法および強度評価用データ出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）である試験体の引張強度を検査する強度検査方法に関する。また、本発明は、試験体の引張強度を特定するための強度評価用データを生成して出力する強度評価用データ出力装置に関する。より詳しくは、本願発明は、試験体に引張荷重を与えることにより、試験体に生じたＡＥ波（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に基づいて、試験体の引張強度を検査する技術に関する。

ＦＲＰは、ロケットや航空機などに用いられている。特に、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、強度と剛性に優れている。ＦＲＰでは、積層の剥離や繊維の断線が生じた後に破壊に至る。

このようなＦＲＰの引張強度を検査するために、カイザー効果を利用することが行われている。カイザー効果とは、材料に引張荷重を与え、再び、材料に引張荷重を与える場合に、この引張荷重が先に与えた引張荷重に至るまでは、材料にＡＥ波が生じない現象である。なお、ＡＥ波は、材料の変形や破壊などにより、材料に発生する音波である。カイザー効果は、健全な材料において得られる。

カイザー効果を利用した検査方法を図１に基づいて説明する。この検査方法では、図１に示すように複数回にわたって試験体に引張荷重を与え、各回で発生したＡＥ波に基づいて、材料の引張強度を求める。詳しくは、以下の通りである。

まず、期間Ｔ_１において試験体に引張荷重を与える。期間Ｔ_１では、引張荷重が第１の最大値Ｗ_１になるまで、この引張荷重を徐々に増やしていく。引張荷重が第１の最大値Ｗ_１になったら、引張荷重を試験体から取り除く。
その後、期間Ｔ_２において、再び、試験体に引張荷重を与える。期間Ｔ_２では、引張荷重が、第１の最大値Ｗ_１より大きい第２の最大値Ｗ_２になるまで、この引張荷重を徐々に増やしていく。引張荷重が第２の最大値Ｗ_２になったら、引張荷重を試験体から取り除く。
その後、期間Ｔ_３において、再び、試験体に引張荷重を与える。期間Ｔ_３では、引張荷重が、第２の最大値Ｗ_２より大きい第３の最大値Ｗ_３になるまで、この引張荷重を徐々に増やしていく。引張荷重が第３の最大値Ｗ_３になったら、引張荷重を試験体から取り除く。

試験体が、引張荷重により破壊されると、カイザー効果が得られなくなる。これを検出するために、引張荷重を与えた各回（各期間Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３）について、フェリシティ比を求める。フェリシティ比とは、引張荷重を与えた各回において、ＡＥ波が検出された時の引張荷重を、前回に与えた引張荷重の最大値で割った値である。健全な材料では、カイザー効果が得られるので、フェリシティが１となり、引張荷重により損傷した材料では、カイザー効果が得られなくなるので、フェリシティ比が１よりも小さくなる。したがって、フェリシティ比が１よりも小さくなった回の直前の回で与えた引張荷重の範囲で、試験体が破壊されたことが分かる。

カイザー効果を利用して試験体の健全性を検査する方法は、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特開平１０−０９０２３５号公報

しかし、上述した検査方法について、以下のように、２つの課題がある。

第１に、上述した検査方法では、試験体に最初に与える荷重値の最大値の設定を誤ると、試験体の引張強度を評価できなくなる。最初に与える荷重値の最大値（第１の最大値Ｗ_１）を、試験体の引張強度よりも大きい値に誤って設定した場合には、カイザー効果が得られなくなる。その結果、カイザー効果を利用した検査方法が成立しなくなるので、試験体の引張強度を評価できなくなる。

第２に、上述した検査方法では、引張荷重を与える作業と引張荷重を除く作業とを繰り返すので、時間がかかる。

そこで、本発明の目的は、試験体の引張強度検査において、試験体に最初に与える荷重値の最大値の設定を誤る可能性を小さくし、所要時間を減らすことができる手段を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、繊維強化複合材料である試験体の引張強度を検査する強度検査方法であって、
試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やし、
この引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさを、試験体に取り付けたＡＥセンサにより前記試験期間内の各時点で計測し、
計測した各時点のＡＥ波の大きさに基づいて、周波数成分演算部により、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の複数の周波数成分を求め、
前記各荷重印加区間について、前記複数の周波数成分に基づいて、重心周波数演算部により、ＡＥ波の重心周波数を求め、
前記複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定し、
特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定し、
前記複数の周波数成分は、前記ＡＥセンサの共振周波数よりも低い複数の周波数の成分である、ことを特徴とする。

また、上述の目的を達成するため、本発明は、試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、繊維強化複合材料である試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やし、この引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさを、試験体に取り付けたＡＥセンサにより前記試験期間内の各時点で計測した場合に、計測した各時点のＡＥ波の大きさから、引張強度を評価可能なデータを生成して出力する装置であって、
計測した各時点のＡＥ波の前記大きさに基づいて、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の複数の周波数成分を求める周波数成分演算部と、
前記各荷重印加区間について、前記複数の周波数成分に基づいて、ＡＥ波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記各荷重印加区間の重心周波数と、該荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重とを、試験体強度評価用データとして出力する評価用データ出力部と、を備え、
前記複数の周波数成分は、前記ＡＥセンサの共振周波数よりも低い複数の周波数の成分である、ことを特徴とする。

本発明は、次の原理に基づいてなされている。まず、試験体である繊維強化複合材料に引張荷重を与え、この荷重を、時間の経過に従って大きくしていく場合を想定する。繊維強化複合材料は、引張荷重により破壊されると、この材料には、高い周波数のＡＥ波が伝わり難くなると考えられる。したがって、引張荷重により破壊された時点以降では、引張荷重により発生するＡＥ波の重心周波数が下がる。従って、重心周波数が低下した時に、繊維強化複合材料に与えた引張荷重が、この材料の引張強度になる。

このような原理に基づいて、上述した本発明では、試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やすとともに、試験体に生じるＡＥ波の大きさを各時点で計測し、計測した各時点のＡＥ波の大きさに基づいて、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々について、ＡＥ波を形成する複数の周波数成分を求め、当該複数の周波数成分に基づいて、ＡＥ波の重心周波数を求め、前記複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定する。特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定することができる。

したがって、本発明では、カイザー効果を利用せずに、試験体の引張強度を求めることができるので、試験体に与える荷重値の最大値の設定を誤る可能性が小さくなる。
さらに、本発明では、試験体に与える引張荷重を時間の経過に従って増やすことを１回行うだけでも、試験体の引張強度を求めることができる。したがって、試験体の引張強度検査に要する時間を減らすことができる。

カイザー効果を利用した強度検査方法の説明図である。 本発明の実施形態による強度評価用データ出力装置を示すブロック図である。 本発明の実施形態による強度検査方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例による強度検査方法で得られた結果を示す模式図である。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態による強度評価用データ出力装置１０を示すブロック図である。強度評価用データ出力装置１０は、試験体に引張荷重を与えた時に試験体に生じたＡＥ波の計測データから、引張強度を評価可能なデータを生成して出力する。ここで、計測データは、次のように得られる。すなわち、試験期間において、試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やし、この引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさを、試験期間内の各時点で計測し、これにより得られた当該各時点の当該大きさが計測データとなる。

強度評価用データ出力装置１０は、周波数成分演算部３と重心周波数演算部５と評価用データ出力部７とを備える。

周波数成分演算部３には、試験期間における各時点と、当該各時点に計測されたＡＥ波の大きさの計測値とが互いに関連づけられている上述の計測データが入力される。周波数成分演算部３は、入力された計測データに基づいて、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の周波数成分を求める。より詳しくは、周波数成分演算部３は、当該荷重印加区間毎に、当該荷重印加区間における各時点の大きさの計測値に基づいて、かつ、他の荷重印加区間における各時点の大きさの計測値には基づかないで、ＡＥ波を形成する複数の周波数成分を求める。

重心周波数演算部５には、周波数成分演算部３から周波数成分データが入力される。周波数成分データは、周波数成分演算部３が算出した各荷重印加区間の各周波数成分および当該周波数と、当該各周波数成分に関連付けられ当該各周波数成分に対応する前記荷重印加区間（すなわち、当該区間を示すデータ）とからなる。重心周波数演算部５は、入力された周波数成分データに基づいて、各荷重印加区間におけるＡＥ波の重心周波数を求める。

重心周波数Ｆｇは、次の式（１）により表される。

Ｆｇ＝Σ（Ｆi×Ｐｉ）／ΣＰi ・・・（１）

ここで、Ｆiは、各周波数を示し、Ｐｉは、対象とする荷重印加区間におけるＡＥ波の周波数成分（すなわち、当該周波数でのＡＥ波の大きさ（振幅））を示し、ＦｉとＰｉの添え字ｉは、複数の周波数を互いに区別するための指標値であって、１〜ｎ（ｎは、２以上の整数であり、好ましくは、十分に大きい値）までの値をとり、Σは、ｉのすべての値についての総和を示す。

評価用データ出力部７には、重心周波数データと荷重データが入力される。重心周波数データは、重心周波数演算部５が算出した各荷重印加区間の重心周波数と、当該重心周波数に関連付けられ当該重心周波数に対応する前記荷重印加区間（すなわち、当該区間を示すデータ）とからなる。荷重データは、試験期間における各荷重印加区間（好ましくは、当該区間内の各時点）で試験体に与えた引張荷重と、当該引張荷重に関連付けられ当該引張荷重に対応する荷重印加区間を示すデータ（好ましくは、当該区間内の各時点を示すデータ）とからなる。評価用データ出力部７は、入力された重心周波数データと荷重データに基づいて、試験体強度評価用データを出力する。試験体強度評価用データは、前記各荷重印加区間の重心周波数と、該荷重印加区間（好ましくは、当該区間内の各時点）において試験体に与えた引張荷重とからなる。したがって、評価用データ出力部７は、各荷重印加区間の重心周波数と、該荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重とを互いに関連付けたデータを、試験体強度評価用データとして出力する。

評価用データ出力部７は、本実施形態では、試験体強度評価用データを、ディスプレイ装置９と引張強度判定部１１に出力する。
ディスプレイ装置９は、その画面に、試験体強度評価用データを表示する。
引張強度判定部１１は、試験体強度評価用データに基づいて、試験体の引張強度を特定して出力する。より詳しくは、引張強度判定部１１は、複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定し、特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度として出力する。この引張強度は、例えば、引張強度判定部１１からディスプレイ装置９に出力される。この場合、ディスプレイ装置９は、引張強度判定部１１から受けた引張強度を、その画面に表示する。ディスプレイ装置９は、引張強度をその画面に表示する場合に、試験体強度評価用データをその画面に表示しなくてもよい。

図３は、本発明の実施形態による強度検査方法を示すフローチャートである。強度検査方法は、繊維強化複合材料である試験体の引張強度を検査するために、以下のステップＳ１〜Ｓ５を有する。強度検査方法は、強度評価用データ出力装置１０を用いて行われる。

ステップＳ１では、試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、試験体に与える引張荷重を、（例えば、後述の図４Ａ（Ａ）に示すように）時間の経過に従って増やす。このステップＳ１において、引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさ（振幅）を、前記試験期間内の各時点で計測する。この計測は、試験体に取り付けたＡＥセンサ（例えば圧電素子）により行われる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で計測した各時点のＡＥ波の大きさに基づいて、前記試験期間に含まれ連続する複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の複数の周波数成分を算出する。この算出は、上述の周波数成分演算部３により行われる。なお、各荷重印加区間の長さは、例えば１秒である。

ステップＳ３では、各荷重印加区間について、ステップＳ３で算出した複数の周波数成分に基づいて、ＡＥ波の重心周波数を算出する。この算出は、上述の重心周波数演算部５により行われる。
好ましくは、ステップＳ３で使用される複数の周波数成分は、ステップＳ１で用いたＡＥセンサの共振周波数よりも低い複数の周波数の成分である。これにより、比較的大きな周波数成分が得られやすくなる。その結果、試験体の破壊による、重心周波数の時間変化が得られやすくなる。
ステップＳ１で用いられるＡＥセンサの共振周波数により、ステップＳ１で計測されるＡＥ波の大きさが影響される周波数が、当該共振周波数を含む所定の帯域に連続的に広がっている場合には、好ましくは、ステップＳ３で使用される複数の周波数成分は、当該帯域よりも低い複数の周波数の成分である。

ステップＳ４では、各荷重印加区間について、ステップＳ３で算出した該荷重印加区間の重心周波数と、ステップＳ１で該荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重とを、試験体強度評価用データとして出力する。この出力は、上述の評価用データ出力部７により行われる。この出力は、上述のディスプレイ装置９と引張強度判定部１１へなされてよい。

ステップＳ５では、ステップＳ４で出力された試験体強度評価用データに基づいて、前記複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定する。この特定は、上述の引張強度判定部１１により行われてもよいし、上述のディスプレイ装置９の画面に表示された試験体強度評価用データを見た人により行われてもよい。また、ステップＳ５では、特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定する。

図４は、本発明の実施例の強度検査方法で得られた結果を示す模式図である。
図４（Ａ）は、時間と、ＣＦＲＰである試験体に与えた引張荷重との関係を示す。図４（Ａ）に示すように、本実施例では、試験体に与える引張荷重を、時間の経過とともに徐々に大きくしていった。
図４（Ｂ）は、時間（すなわち、各荷重印加区間）と、本実施例により算出された重心周波数との関係を示す。本実施例では、荷重印加区間を１秒に設定した。したがって、図４（Ｂ）は、１秒の荷重印加区間毎に算出された重心周波数を曲線で大まかに示している。

この実施例では、重心周波数は、０ｋＨｚから１５０ｋＨｚまでの連続する周波数の成分を用いて算出された。

図４に示されるように、６ｋＮの荷重を与えた荷重印加区間において、重心周波数が下がっている。したがって、試験体に６ｋＮの引張荷重を与えた時に、試験体が破壊されたことが分かる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、ディスプレイ装置９と引張強度判定部１１のいずれか一方を省略してもよい。または、ディスプレイ装置９と引張強度判定部１１の両方を省略してもよい。この場合、評価用データ出力部７は、他の装置（例えば、プリンタ装置または記憶装置）に出力されてよい。

３ 周波数成分演算部、５ 重心周波数演算部、７ 評価用データ出力部、９ ディスプレイ装置、１１ 引張強度判定部、１０ 強度評価用データ出力装置

Claims (2)

1. 繊維強化複合材料である試験体の引張強度を検査する強度検査方法であって、
   試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やし、
   この引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさを、試験体に取り付けたＡＥセンサにより前記試験期間内の各時点で計測し、
   計測した各時点のＡＥ波の大きさに基づいて、周波数成分演算部により、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の複数の周波数成分を求め、
   前記各荷重印加区間について、前記複数の周波数成分に基づいて、重心周波数演算部により、ＡＥ波の重心周波数を求め、
   前記複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定し、
   特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定し、
   前記複数の周波数成分は、前記ＡＥセンサの共振周波数よりも低い複数の周波数の成分である、ことを特徴とする強度検査方法。
2. 試験開始時点から試験終了時点までの試験期間において、繊維強化複合材料である試験体に与える引張荷重を、時間の経過に従って増やし、この引張荷重により試験体に生じるＡＥ波の大きさを、試験体に取り付けたＡＥセンサにより前記試験期間内の各時点で計測した場合に、計測した各時点のＡＥ波の大きさから、引張強度を評価可能なデータを生成して出力する装置であって、
   計測した各時点のＡＥ波の前記大きさに基づいて、前記試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々における前記ＡＥ波の複数の周波数成分を求める周波数成分演算部と、
   前記各荷重印加区間について、前記複数の周波数成分に基づいて、ＡＥ波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
   前記各荷重印加区間の重心周波数と、該荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重とを、試験体強度評価用データとして出力する評価用データ出力部と、を備え、
   前記複数の周波数成分は、前記ＡＥセンサの共振周波数よりも低い複数の周波数の成分である、ことを特徴とする強度評価用データ出力装置。

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