JP6165908B1 - 複合材料の損傷評価方法と装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の「強度検査方法および強度評価用データ出力装置」は、カイザー効果の成立範囲では負荷応力に比例して重心周波数集中部が高くなり、損傷が発生すると、重心周波数集中部が低下することを利用している。
しかし、従来の方法では、負荷応力の上昇中に発生するAE波を計測するため、AE波の計測が一過性であり、同一条件での計測の繰り返しができず、データが不足する可能性があった。
そのため、重心周波数集中部の変化点(すなわち周波数変化点)を見つけ難く、検出漏れや検出誤差が生じる可能性があった。
(B)引張荷重を順に増加させて、前記試験片に応力負荷と応力除荷を繰り返し、
(C)応力負荷時に、前記超音波発振源から疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信し、
(D)受信信号を周波数解析して、低周波域の時間波形の振幅値を取得し、
(E)前記振幅値の変化から、前記試験片の損傷の有無を評価する、複合材料の損傷評価方法が提供される。
前記(D)において、受信信号を周波数解析して、さらに高周波域の時間波形の振幅値を取得し、
前記(E)において、前記応力除荷時における前記低周波域及び前記高周波域の前記振幅値が、負荷応力の増加につれて低下する場合に、前記試験片の損傷有りと評価する。
引張荷重を順に増加させて、前記試験片に応力負荷と応力除荷を繰り返す引張試験装置と、
応力負荷時に、前記超音波発振源から疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信するAE装置と、
受信信号を周波数解析して、低周波域の時間波形の振幅値を取得し、前記振幅値の変化から、前記試験片の損傷の有無を評価する制御解析装置と、を備えた複合材料の損傷評価装置が提供される。
従って、実際に発生するAE波でなく、疑似AE信号を発信し受信するので、同一条件で多数の受信信号を繰り返し取得することができる。
この図において、本発明の損傷評価装置10は、超音波発振源12及び超音波受信センサ14、引張試験装置16、AE装置18、及び制御解析装置20を備える。
試験片1は、例えばFRP,CFRPなどの平板であるのがよい。
図2は、後述する実施例で使用した試験片1の説明図である。この実施例では、長さL=200mm、幅W=12.5mm、厚さt=3mmの試験片1を用いた。超音波発振源12と超音波受信センサ14のセンサ間距離L1は100mmであった。
図3は、後述する実施例における引張試験時の負荷パターンを示す図である。この実施例では、200時間毎に負荷応力を133MPaずつ増加させ、133,266,399,532,665,798MPaの応力負荷と、その間の応力除荷とを繰り返した。
以下、発信する疑似AE信号2を「発信信号2」、受信する疑似AE信号3を「受信信号3」と呼ぶ。
なお、「時間波形」とは、横軸が時間、縦軸が出力波形の関係を示すデータである。
この図において、本発明の方法は、S1〜S5の各ステップ(工程)からなる。
また、ステップS2において、最初の応力負荷前に、超音波発振源12から発信される疑似AE信号2(発信信号2)を周波数解析して、その重心周波数又はその近傍を境にして、その下方を低周波域に、その上方を高周波域に設定する。
なお、「重心周波数」とは、AE信号の周波数解析結果におけるスペクトルの代表値である。重心とは、加重平均値を指しており、周波数における成分強度の積和を、成分強度の総和で割った値となる。
後述する実施例において、低周波域は、0〜150kHzであり、高周波域は、150〜850kHzである。
また、ステップS3において、さらに応力除荷時に、同様に、疑似AE信号2を発信し、疑似AE信号3を受信することが好ましい。
また、ステップS4において、同様に、受信信号3を周波数解析して、さらに高周波域の時間波形の振幅値を取得することが好ましい。
トレカプリプレグT700SCを0−45−90に積層し、L200×W12.5×t3mmとしたCFRP試験片(試験片1)を用いた。AEセンサ(超音波発振源12と超音波受信センサ14)として、富士セラミックス社製AE144Aを2個使用し、試験片1の中央から50mmの位置にそれぞれ設置した(センサ間距離L1=100mm)。
一方のAEセンサ(超音波発振源12)よりパルス信号(疑似AE信号2)を励起し、他方のAEセンサ(超音波受信センサ14)で受信することにより超音波の伝搬傾向を確認した。
引張試験は、図3に示した負荷パターンで、試験片1が破断(本試験では829MPa)するまで実施し、その過程で133MPa毎に負荷応力を除荷し、除荷時と応力負荷時の二つのタイミングで超音波伝搬傾向の確認を行った。
図5は、応力負荷前に取得した疑似AE信号2の周波数解析結果を示す図である。この図において、横軸は周波数、縦軸は信号強度である。またこの図における重心周波数は、約150kHzであった。
「重心周波数集中部」とは、横軸に時間、縦軸に重心周波数をプロットした図において、プロットした点が集中する部分を意味する。言い換えれば、矢印Aで示す応力において、試験片1は損傷を受けているといえる。
なお、矢印Bで示す点線は試験片1の破断時の応力である。
このことより、応力負荷時では超音波の伝搬傾向が変化し、試験片1の損傷後(矢印Aで示す点線より右側)は、損傷により音が通り難くなっているにも関わらず、低周波域の信号が増幅されることが確認できた。
従って、実際に発生するAE波でなく、疑似AE信号2,3を発信し受信するので、同一の試験片1を用いて、同一条件で多数の受信信号3を繰り返し取得することができる。
2 疑似AE信号(発信信号)、3 疑似AE信号(受信信号)、
10 損傷評価装置、12 超音波発振源(AEセンサ)、
14 超音波受信センサ(AEセンサ)、16 引張試験装置、
18 AE装置、20 制御解析装置(PC)
Claims (10)
- (A)超音波発振源と超音波受信センサを複合材料からなる試験片に間隔を隔てて取り付け、
(B)引張荷重を順に増加させて、前記試験片に応力負荷と応力除荷を繰り返し、
(C)応力負荷時に、前記超音波発振源から疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信し、
(D)受信信号を周波数解析して、低周波域の時間波形の振幅値を取得し、
(E)前記振幅値の変化から、前記試験片の損傷の有無を評価する、複合材料の損傷評価方法。 - 前記(E)において、前記応力負荷時における前記低周波域の前記振幅値が、負荷応力の増加につれて減少から増加に変化する場合に、その変化点の前記負荷応力を前記試験片の引張強度と評価する、請求項1に記載の複合材料の損傷評価方法。
- 前記(E)において、前記応力負荷時における前記低周波域の前記振幅値が、負荷応力の増加につれて減少する場合に、前記試験片の損傷なしと評価し、増加する場合に、前記試験片の損傷有りと評価する、請求項1に記載の複合材料の損傷評価方法。
- 前記(C)において、さらに応力除荷時に、前記超音波発振源から前記疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信し、
前記(D)において、受信信号を周波数解析して、さらに高周波域の時間波形の振幅値を取得し、
前記(E)において、前記応力除荷時における前記低周波域及び前記高周波域の前記振幅値が、負荷応力の増加につれて低下する場合に、前記試験片の損傷有りと評価する、請求項1に記載の複合材料の損傷評価方法。 - 前記超音波発振源と前記超音波受信センサは、AEセンサである、請求項1に記載の複合材料の損傷評価方法。
- 最初の応力負荷前に、前記超音波発振源から発信される前記疑似AE信号を周波数解析して、その重心周波数又はその近傍を境にして、その下方を前記低周波域に、その上方を高周波域に設定する、請求項1に記載の複合材料の損傷評価方法。
- 前記低周波域は、0〜150kHzであり、前記高周波域は、150〜850kHzである、請求項6に記載の複合材料の損傷評価方法。
- 複合材料からなる試験片に間隔を隔てて取り付けられる超音波発振源及び超音波受信センサと、
引張荷重を順に増加させて、前記試験片に応力負荷と応力除荷を繰り返す引張試験装置と、
応力負荷時に、前記超音波発振源から疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信するAE装置と、
受信信号を周波数解析して、低周波域の時間波形の振幅値を取得し、前記振幅値の変化から、前記試験片の損傷の有無を評価する制御解析装置と、を備えた複合材料の損傷評価装置。 - 前記AE装置は、さらに応力除荷時に、前記超音波発振源から前記疑似AE信号を発信し、前記試験片を伝搬した前記疑似AE信号を、前記超音波受信センサにより受信する、請求項8に記載の複合材料の損傷評価装置。
- 前記制御解析装置は、前記受信信号を周波数解析して、さらに高周波域の時間波形の振幅値を取得し、前記振幅値の変化から、前記試験片の損傷の有無を評価する、請求項8に記載の複合材料の損傷評価装置。
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