JP6280339B2 - 粒子を埋め込まれた構造物の非破壊検査 - Google Patents
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Description
非破壊検査（ＮＤＥ）を用いて、複合構造物の特性を評価することができる。例えば、超音波試験のようなＮＤＥは、空所、しわ、亀裂及び剥離のような内部構造不整合を明らかにすることができる。
しかしながら、超音波試験は、複合構造物内の内部ひずみを明らかにしない。他の技法が複合構造物の表面又はバルクにおけるひずみを特定することはできるが、複合構造物内部のひずみは特定することができない。
複合構造物内部のひずみを、破壊することなく特定することが望ましい。
本明細書における一実施形態によれば、システムが、その内部の或る平面に粒子を埋め込まれている構造物と、その平面における粒子の画像を取り込むＸ線撮像装置とを備える。
本明細書における別の実施形態によれば、粒子を埋め込まれている構造物において非破壊検査を実行する方法が、その構造物にＸ線を照射すること、照射された構造物の画像を形成することであって、その画像は粒子を示す、形成することと、画像内の粒子の変位を特定することとを含む。
本明細書における別の実施形態によれば、積層体が、マトリックス内に強化用繊維の複数の層を含む。マトリックスは異なる層内に埋め込まれた金属粒子のパターンを含み、異なる層内に埋め込まれた粒子は、公称寸法及び組成の少なくとも一方に関して異なる。
これらの特徴及び機能は種々の実施形態において独立して達成することができるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。それらの実施形態の更なる詳細は、以下の説明及び図面を参照しながら確認することができる。
図１を参照すると、埋め込まれた粒子を含む構造物１１０が示される。幾つかの実施形態では、構造物１１０は、マトリックス内に埋め込まれた強化用繊維の複数の層から構成される複合積層体とすることができる。その積層体はプラスチックマトリックス内に埋め込まれた炭素強化繊維の複数の層を含むことができる。図１において、各要素１１２は複数の層を表す。他の実施形態では、構造物１１０は、ボンドラインにおいて接着される２つ以上の部材１１２（例えば、硬質の複合部材）を含むことができる。
粒子は構造物１１０の表面の下方の平面１１４に埋め込まれる。図１に示されるように、平面１１４は表面下方の深さ（ｄ）にある。ボンドラインにおいて接着された部材１１２を含む構造物１１０の場合、粒子はボンドライン内に埋め込むことができる。すなわち、ボンドラインは、表面下方の深さ（ｄ）にある。複数の積層された層１１２を含む構造物１１０の場合、粒子は層のうちの１つ又は複数に埋め込むことできる。すなわち、埋め込まれた粒子を含む１つ又は複数の層が表面下方の深さ（ｄ）にある。
埋め込まれた粒子は、Ｘ線に対して完全には透過性でない材料から形成される。例えば、埋め込まれた粒子はＸ線によって蛍光発光するか、Ｘ線を散乱させるか、又はＸ線を吸収することができる。幾つかの実施形態では、粒子は金属粒子とすることができる。その粒子はミクロンサイズ以下にすることができる。
ここで、図２Ａを参照すると、複数の埋め込まれた粒子が示される。粒子２１０は、不均一で、かつ不規則なパターンに配置される。幾つかの実施形態では、粒子２１０は、塊状に配置することができる。他の実施形態では、粒子２１０は、確率的パターンに配置することができる。例えば、粒子２１０は、確率的スペックルパターンに配置することができる。
構造物１１０は、外力及び／又は内力（例えば、温度サイクルによる）から応力を受ける場合がある。応力は構造物１１０内にひずみを引き起こす。例えば、複合繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から形成される積層体において、ひずみは、変形、又は空所、しわ、亀裂及び剥離のような内部不整合を引き起こす場合がある。
ここで図３を参照すると、その中に粒子を埋め込まれている構造物内のひずみを特定する方法が示されており、その粒子はＸ線に対して完全には透過性でない。ブロック３１０において、その構造物はＸ線を照射される。粒子を除いて、その構造物はＸ線を完全に透過することができる。粒子は、Ｘ線が完全に透過するのを防ぐ。例えば、粒子は、Ｘ線によって蛍光発光するか、Ｘ線を散乱させるか、若しくはＸ線を吸収することができるか、又は粒子はＸ線を（例えば、かすめ入射において）反射することができる。
ブロック３２０において、照射された構造物の画像が形成される。その画像は構造物内の或る平面における粒子のパターンを示す。
ブロック３３０において、画像を処理して、その平面における種々の場所の粒子の変位を特定する。ブロック３４０において、それらの変位からひずみが計算される。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、構造物１１０内の或る平面において埋め込まれた粒子２１０を示す。図２Ａは、構造物１１０が応力を受ける前の粒子２１０のベースライン画像であると仮定し、図２Ｂは、構造物１１０が応力を受けた後の粒子の画像であると仮定する。ピクセルブロック２２０は幾つかの粒子２１０を包囲する。図２Ｂではピクセルブロック２２０がゆがんでいることに注目されたい。ゆがみは、ピクセルブロック２２０内の粒子２１０が、応力の結果として変位したことを示す。
変位及びひずみはデジタル画像相関（ＤＩＣ）によって計算することができる。ＤＩＣは、画像内の変化を正確に測定するために追跡及び画像レジストレーション技法を用いる光学的方法である。ＤＩＣは複数の画像においてパターン認識を実行することができる。各画像は、特定の数（例えば、５〜７個）の粒子に及ぶ複数のピクセルブロック（例えば、１５×１５ピクセルブロック、２５×２５ピクセルブロック、１５×２０ピクセルブロック）に分割することができる。これらのピクセルブロックが全ての画像において見いだされ、その後、各画像内の各ピクセルブロックの形状が特定される。各ピクセルブロックの形状の変化が、その平面における或る場所の変位を特定する。このようにして、その平面の種々の場所において変位が特定される。
その後、各ブロック中心において１組のひずみを計算することができる。その平面に対するひずみ場をひずみの行列として定式化することができる。材料の弾性領域における応力対ひずみ曲線から、内部弾性率特性を特定することができる。
ここで図４を参照すると、構造物１１０内の或る平面におけるひずみを特定するシステム４１０が示されており、その平面には粒子が埋め込まれる。システム４１０は、構造物１１０内の粒子の画像を取り込む撮像装置４２０を含む。図４の撮像装置４２０は、第１及び第２のＸ線放射源４２２と、第１及び第２のＸ線検出器４２４とを含む。放射源４２２は、コリメートされたＸ線を与えることができる。粒子がＸ線を遮断する場合には、検出器はＸ線を電気信号に変換する半導体検出器か、又はＸ線を可視光に変換する半導体検出器を含むことができ、可視光はその後、電気信号に変換される。粒子がＸ線に応答して蛍光発光する場合には、エネルギー分散検出によって画像を形成することができる。
画像では高いコントラストが望ましい。放射源４２２、構造物１１０及び検出器４２４の間の距離を調整して、適切な視野及び最良のコントラストを与えることができる。
第１及び第２の検出器４２４は、粒子に対して、画像内で奥行き知覚を生成する角度に向けることができる。奥行き知覚によって、さらに、内部剥離のような構造不整合を識別できるようになる。
本明細書におけるシステムは２つの検出器には限定されない。幾つかの実施形態は１つの検出器しか含まない場合がある。実施形態によっては、３つ以上の検出器を含む場合がある。
システム４１０は、検出器４２４によって作成された画像を処理するようにプログラミングされたコンピュータ４３０を更に含む。その処理は、画像内の粒子のピクセルブロックのデジタル画像相関を含む。コンピュータ４３０は、ＡＲＡＭＩＳソフトウェアのような市販の既製品のＤＩＣソフトウェアでプログラミングすることができる。
幾つかの実施形態では、コンピュータ４３０は、ひずみ場から内部構造不整合を識別するように更にプログラミングすることができる。例えば、ひずみ場は、種々のタイプの構造不整合に対応するベースラインデータと比較することができる。他の実施形態では、当業者がひずみ場を解析して、構造不整合を識別することができる。
図５は、図４のシステムを用いて、或る平面に粒子を埋め込まれている構造物上で非破壊調査を実行する方法の図である。ブロック５１０において、コンピュータ４３０は構造物のベースライン画像にアクセスする。ベースライン画像は、「良好な状態の」構造物を表す。ベースライン画像は、構造物が使い始められる前に撮影されている場合があるか、又は応力をかけられた後の或る時点において撮影される場合がある。
ブロック５２０において、コンピュータ４３０は、撮像装置４２０に、構造物１１０内の粒子の１つ又は複数の画像を取り込むように指示する。ブロック５３０において、コンピュータ４３０は、取り込まれた画像及びベースライン画像を処理して、各平面における幾つかのピクセルブロックの変位を検出する。幾つかのピクセルブロックを用いて、所与の場所における変位の値を求めることができる。
ブロック５４０において、コンピュータ４３０は、ピクセルブロック変位からひずみを特定し、その平面におけるひずみ場を定式化する。構造物１１０が、ボンドラインにおいて結合された２つの部分を含み、粒子がボンドライン内に埋め込まれる場合には、ボンドラインの平面においてひずみ場が特定されることになる。構造物１１０が積層体であり、層のうちの１つが粒子を埋め込まれる場合には、ひずみ場はその層の平面において特定されることになる。
ブロック５５０において、ひずみ場を用いて、空所、しわ、剥離及び亀裂のような内部構造不整合を識別する。例えば、剥離は、平面外への変位（３Ｄ画像）の変化として現れ、一方、亀裂又はしわは大きな局所的ひずみとして現れることになる。
本明細書における構造物は、単一の平面における粒子には限定されない。実施形態によっては、構造物が複数の平面において埋め込まれた粒子を含む場合もある。
図６は、複数の平面において埋め込まれた金属粒子を含む積層体６１０の図である。異なるタイプの粒子が異なる層内に埋め込まれる。粒子のタイプは、公称寸法及び／又は組成に関して異なる場合がある。一例にすぎないが、１つの層６１２が銅粒子を埋め込まれる場合があり、別の層６１４がチタン粒子を埋め込まれる場合があり、別の層６１６がアルミニウム粒子を埋め込まれる場合があり、それ以外も同様である。他の金属は、限定はしないが、金、銀、タングステン及び鉄を含む。その構造物の他の層６１８はＸ線に影響を及ぼす粒子を含まない。
図６は、１つおきの層が金属粒子を埋め込まれていることを示す。しかしながら、実際には、埋め込まれた粒子を有する層間の分離をより大きくすることができる。一例にすぎないが、３０層を有する積層体では、６層ごとに１層が金属粒子を含むことができる。
図７を参照すると、ＣＦＲＰ積層体の作製及び非破壊検査が示される。レイアップ前に、その中に異なるタイプの粒子が分散している樹脂を積層体の異なる層に予め含浸させることができる（ブロック７１０）。粒子を含まないそれらの層に樹脂を含浸させる。積層体のレイアップ中に（ブロック７０２）、予め含浸した層を形成ツール上に堆積することできる。
レイアップが硬化した（ブロック７３０）後に非破壊検査が実行される。非破壊検査中に、積層体はＸ線を照射され、種々の平面にある粒子が撮像される（ブロック７４０）。幾つかの実施形態では、平面は異なるＸ線エネルギーレベルにおいて順次に照射され、それにより、種々の平面の画像を生成することができる。他の実施形態では、種々の平面を、単一のパスにおいて照射し、撮像することができる。種々の平面にある粒子は、吸収するエネルギー量によって区別することができる。例えば、鉛粒子は、チタン粒子よりも大きくのエネルギーを吸収することになり、結果として、画像内に低いグレースケール値を有することになる。
他の実施形態では、異なる粒子は、異なる周波数においてＸ線を吸収し、蛍光発光する。異なる平面における画像は、エネルギー分散検出によって形成することができ、その検出によれば、異なる粒子の蛍光スペクトルを区別できるようになる。例えば、チタン、銅、タングステン及び鉛の蛍光発光スペクトルが異なる平面に分散する。
ＤＩＣを用いて、異なる平面ごとに異なる場所において画像内の金属粒子の変位が特定される（ブロック７５０）。異なる平面ごとにひずみ場が計算される（ブロック７６０）。
１１０ 構造物
１１２ 部材、層
１１４ 平面
２１０ 粒子
２２０ ピクセルブロック
３１０ ブロック
３２０ ブロック
３３０ ブロック
３４０ ブロック
４１０ システム
４２０ 撮像装置
４２２ Ｘ線放射源
４２４ Ｘ線検出器
４３０ コンピュータ
５１０ ブロック
３２０ ブロック
５３０ ブロック
５４０ ブロック
５５０ ブロック
６１０ 積層体
６１２ 層
６１４ 層
６１６ 層
６１８ 層
７１０ ブロック
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Claims (14)
- 構造物（１１０）であって、前記構造物（１１０）内の或る平面（１１４）に粒子（２１０）を埋め込まれている構造物（１１０）と、
前記平面（１１４）における前記粒子（２１０）の画像を取り込むＸ線撮像装置（４２０）と
を備えるシステムであって、
前記構造物（１１０）は積層体（１１２）を含み、前記粒子（２１０）は前記積層体（１１２）の異なる層（６１２、６１４、６１６）のうちの少なくとも２つに埋め込まれており、
前記異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれた前記粒子（２１０）は、公称寸法及び／又は組成に関して異なり、
前記粒子（２１０）を埋め込まれている前記異なる層（６１２、６１４、６１６）は照射され（７４０）、蛍光発光し、
前記蛍光発光する粒子（２１０）は、エネルギー分散検出を用いて撮像される、システム。 - 前記画像を解析し、前記平面における種々の場所のひずみを特定する（３４０）ようにプログラミングされるコンピュータを更に含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記ひずみから内部構造不整合を識別すること（５５０）を更に含み、
前記ひずみを特定することは、前記粒子（２１０）を含むピクセルブロック（２２０）を形成することと、前記ピクセルブロック（２２０）の形状の変化を特定すること（５３０）とを含み、
前記コンピュータ（４３０）は、前記画像内で前記粒子（２１０）のデジタル画像相関を実行するようにプログラミングされる、請求項２に記載のシステム。 - 前記撮像装置は、前記構造物（１１０）の一方の側にある第１及び第２のＸ線放射源（３２０）と、前記構造物（１１０）の他方の側にある少なくとも１つのＸ線検出器とを含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記粒子（２１０）は不均一で、不規則なパターンに配置され、
前記粒子（２１０）は金属粒子である、請求項１に記載のシステム。 - 前記構造物（１１０）は接着層によって接合される３以上の部材（１１２）を含み、２層以上の前記接着層は前記粒子（２１０）のパターンを含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記構造物（１１０）はマトリックス内に埋め込まれる強化用繊維の層（６１２、６１４、６１６）を含み、異なるタイプの前記粒子（２１０）が、前記構造物（１１０）内の異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
- 粒子（２１０）を埋め込まれている構造物（１１０）上で非破壊検査を実行する方法であって、前記粒子は前記構造物（１１０）内の或る平面（１１４）に埋め込まれ、該方法は、
前記構造物（１１０）にＸ線を照射すること（３１０）と、
前記照射された構造物（１１０）の画像を形成すること（３２０）であって、前記画像は前記粒子を示す（７４０）、形成することと、
前記画像内の前記粒子の変位（７５０）を特定すること（３３０）と
を含む方法であって、
前記粒子（２１０）は異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれ、
前記異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれた前記粒子（２１０）は、公称寸法及び／又は組成に関して異なり、
前記粒子（２１０）を埋め込まれている前記異なる層（６１２、６１４、６１６）は照射され（７４０）、蛍光発光し、
前記画像を形成すること（３２０）は、エネルギー分散検出を用いて前記蛍光発光する粒子（２１０）を撮像することを含む、方法。 - 前記粒子（２１０）は照射され、蛍光発光するか、前記Ｘ線を散乱させるか、又は前記Ｘ線を吸収する（７４０）、請求項８に記載の方法。
- 前記変位を特定すること（３３０）は、前記画像内のピクセルブロック（２２０）の形状変化を特定すること（５３０）と、前記変位からひずみを特定すること（３４０）とを含む、請求項８に記載の方法。
- コンピュータ（４３０）を用いて、デジタル画像相関（ＤＩＣ）を実行し、前記粒子（２１０）の前記変位を特定する（３３０）、請求項８に記載の方法。
- 前記画像を形成すること（３２０）は、前記粒子（２１０）に対して、前記画像内に奥行きを生み出すような角度で第１及び第２の検出器（４２４）を使用することを含む、請求項８に記載の方法。
- 前記粒子（２１０）を埋め込まれている前記層（６１２、６１４、６１６）は異なるＸ線エネルギーレベルで照射され（７４０）、
前記画像内の前記粒子（２１０）の前記変位は、前記粒子（２１０）を埋め込まれている層（６１２、６１４、６１６）ごとに特定される（７５０）、請求項８に記載の方法。 - マトリックス内に強化用繊維の複数の層（６１２、６１４、６１６、６１８）を含む積層体（１１０、６１０）であって、
前記マトリックスは異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれた粒子（２１０）のパターンを含み、前記異なる層（６１２、６１４、６１６）内に埋め込まれた前記粒子（２１０）は公称寸法及び組成のうちの少なくとも１つに関して異なり、
前記粒子（２１０）を埋め込まれている前記異なる層（６１２、６１４、６１６）は、照射され（７４０）、蛍光発光し、
前記蛍光発光する粒子（２１０）は、エネルギー分散検出を用いて撮像される、積層体。
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