JP6542125B2 - 複合材料で作られた部品を特性評価する方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジニアリング産業、および具体的には航空産業における、複合材料で作られた部品を特性評価する方法の分野にある。

所与の部品が開発されている間、部品の所与の領域における繊維含有量および樹脂含有量を知る必要がある。これを行うために、部品を通過する縦超音波の伝播速度および減衰を測定することが知られている。

これらの振幅を測定する方法の１つは、送受信器モードで超音波トランスデューサを使用することである。すると、互いに平行な前後表面によって画定された部品の領域が注目される。縦波は、２つの表面に対して直角に伝播するように配向され、部品の材料の中で部分的に反射され、または減衰もされる。このように、前表面から来る第一エコー、および後表面から来てバックエコーとも称される第二エコーが、観察される。トランスデューサは反射波を受信し、すると２つの反射成分を観察することによって、材料中の波の伝播速度および減衰の両方を推定することが可能となる。

とはいうものの、この解決法は、超音波を強力に吸収する材料には適していない。これはたとえば、不均一で異方性の構造の三次元３Ｄ織り複合材が該当する。工業用の厚さの部品では、強力な吸収のため、これらの材料での記録にはバックエコーが見られない。

このため、その厚さまたは吸収特性に関係なく、複合材料で作られた部品への適用に適していて、多数の部品の特性評価を可能にする方法を開発する必要がある。

本発明は、複合材料で作られた部品を特性評価する方法に関し、方法は、部品内の経路に沿って移動する縦超音波の特性を判定するステップを備え、部品によって伝送された波の移動時間が測定されることを特徴とする。

この手法により、送受信器モード測定におけるバックエコーが起きないことに関する問題が克服される。

有利な特徴によれば、伝送波の移動時間は、波の始まりを観察することによって測定される。

この特徴により、肉厚材料によって生じるような、あるいは特定の複合材料の複雑で不均一で異方性の構造によって生じるような、使用される超音波の正弦波信号の位相ずれまたは変形の、大きく増幅された問題を無視することが、可能である。

一実施形態において、部品内の経路を辿る縦超音波の伝播速度が判定される。

これは、複合材料の繊維含有量および樹脂含有量を判定するのに有用な情報を提供するが、この情報は検討対象の部品の開発に使用されることが可能である。

先の実施形態と組み合わせられてもよい、別の実施形態において、部品内を移動する際に縦超音波が受ける全体のまたは単位長さの減衰を判定するために、伝送波の振幅もまた測定される。

これは、有孔率を判定するのに有用な情報を提供するが、これは検討対象の部品の開発に使用されることが可能である。

好ましくは、部品内の経路に沿って移動する縦超音波を通す部品の寸法を判定するために、部品の第一面および部品の第二面によってそれぞれ反射された超音波の伝播時間と同様に、部品がない状態で伝送された超音波の伝播時間が測定される。

任意であるが有利なこの特徴により、伝送波を通す部品の寸法の正確な測定値が得られるが、その一方でこのような寸法は複合材料で作られた部品において変化しやすく、したがって、使用される超音波が辿る特定の経路について、所与の部品の正確な値を知ることは有用であろう。

具体的には、方法は、３Ｄ織り複合材料で作られた部品に対して実行される。

このような材料は、その不均一性および異方性のため、特性評価するのが特に困難である。本発明により、特に部品が開発中の間、これらを迅速かつ信頼性を持って検討することが可能である。

本発明の方法を実行する上での予備動作を示す図である。 本発明において実行される厚さ測定段階の３つのステップを示す図である。 図２のステップの間に記録された信号を示す図である。 図２のステップの間に記録された信号を示す図である。 図２のステップの間に記録された信号を示す図である。 本発明の方法の間の、伝送波を観察するステップを示す図である。 図６のステップの間に測定された信号を示す図である。 複合材料で作られたスペーサの、図２のステップの間に得られた信号を示す図である。 複合材料で作られたスペーサの、図２のステップの間に得られた信号を示す図である。 複合材料で作られたスペーサの、図６のステップの間に得られた信号を示す図である。

図１を参照すると、送信モードで動作している２面超音波センサが一直線に配置されている。この直線配置は、予備ステップＥ０を構成する。センサは水などの液体によって分離されている。トランスデューサ１０は放射モードで、およびセンサ２０は受信モードで動作する。センサ２０によって受信された信号は、軸ＯｙおよびＯｚ、ならびに角度

および

の連続調整の後に極大値を通過する。

図２において、参照番号３０が付された検討対象の部品の材料の厚さの測定が行われる。測定は、１マイクロメートル以内の精度でなければならない。

第一ステップＥ１は、部品がない状態で、２つのトランスデューサ１０と２０との間の水を通じて伝送される波の移動時間を測定することから成る。第二ステップは、トランスデューサ１０が送受信器として動作して表面３１に対向した状態で、部品３０の、参照番号３１が付された第一表面によって反射された波の移動時間を測定することから成る。第三ステップは、トランスデューサ２０が同様に送受信器として動作して表面３２に対向した状態で、部品３０の、参照番号３２が付された第二表面によって反射された波の移動時間を測定することから成る。

移動時間はいつも、信号のアーチではなく信号の始まりを観察することによって測定される。これにより、操作者は、可能性のある信号の位相ずれに関連するいかなる現象も無視することができる。具体的には、複数の反射が存在するときに、位相ずれが見られる。これはまた、反射の後に信号が反転されたときにも発生する。信号のアーチの形状は修正され、移動時間の正確な値を得ることは困難である。信号の始まりのみを観察することによって信号を測定することが提案されるのは、このためである。

水中の波の伝播速度Ｖ_{ｗａｔｅｒ}は既知なので、式

を用いて、減算によってステップＥ１、Ｅ２、およびＥ３から部品の厚さを得ることが可能であり、ここでＸ１はトランスデューサ１０と表面３１との間の距離、Ｘ２はビームの衝突点における部品の厚さ、およびＸ３はトランスデューサ２０と表面３２との間の距離であって、ｔ_{Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３}、ｔ_Ｘ１、およびｔ_Ｘ３はそれぞれステップＥ１、Ｅ２、およびＥ３の間に測定された移動時間である。

図３から図５は、７６．２０ミリメートル（ｍｍ）の厚さを有してＴＡ６Ｖチタンで作られたスペーサについて、水温２２℃、波の周波数５メガヘルツ（ＭＨｚ）（水中の伝播速度１４８６．４５メートル毎秒（ｍ／ｓ）とする）で、それぞれステップＥ１、Ｅ２、およびＥ３の間に表示されたグラフを示す。波の移動時間は、それぞれ参照番号１００、１１０、および１２０が付された、波の始まりを基準として測定されている。

以下の結果が得られた：

Ｘ２＝（ｔ_{Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３}−ｔ_Ｘ３−ｔ_Ｘ１）×Ｖ_{ｗａｔｅｒ}
Ｘ２＝（９２．７２×１０^−６−２６．４９×１０^−６−１４．９７×１０^−６）×１４８６．５４
Ｘ２＝７６．２０ｍｍ

キャリパーで測定された厚さは、実際に７６．２０ｍｍ、すなわち３インチである。

図６は、その間に部品３０によって伝送される波が観測される、ステップＥ４を示す。このため、トランスデューサ１０は発信器モードで動作しており、その一方でトランスデューサ２０は受信器モードで動作している。図中、入射波は参照番号４０が付されており、部品３０内を伝播する波は参照番号４１、および伝送波は参照番号４２である。

部品３０内の波の移動時間は、ｔ’_Ｘ２＝ｔ−（ｔ_Ｘ１＋ｔ_Ｘ３）で表される。Ｘ２は事前に判定されたとおりにわかっているので、材料中の波の伝播速度は、Ｖ_{ｍａｔｅｒｉａｌ}＝Ｘ２／ｔ’_Ｘ２で表される。

図７は、やはり５ＭＨｚの波で、チタン（ＴＡ６Ｖ）で作られた７６．２０ｍｍスペース厚スペーサについて、ステップＥ４の間に観察された信号を示す。波の移動時間は、参照番号１３０が付された、波の始まりを基準として測定されている。

得られた値は以下のとおりである：

ｔ’_Ｘ２＝（５３．８０×１０^−６−２６．４９×１０^−６−１４．９７×１０^−６）

Ｖ＝７６．２０×１０^−３／１２．３４×１０^−６

そして最後に、速度の数値はＶ＝６１７５．０４ｍ／ｓである。この値は、方法を実証するために、従来の伝播速度測定を用いて検証されている。

図８から図１０は、トランスデューサが１ＭＨｚで発信している状態で、４７．０９ｍｍの厚さを有する複合材段付きスペーサについて、ステップＥ２、Ｅ３、およびＥ４で得られたスキャンを示す。波の移動時間は、それぞれ参照番号１４０、１５０、および１６０が付された、波の始まりを基準として測定されている。

得られた値は以下のとおりである：

Ｘ２＝（ｔ_{Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３}−ｔ_Ｘ３−ｔ_Ｘ１）×Ｖ_{ｗａｔｅｒ}
Ｘ２＝（９０．２２×１０^−６−２６．２１×１０^−６−３２．３４×１０^−６）×１４８６．５４
Ｘ２＝３１．６７×１０^−６×１４８８．７６
Ｘ２＝４７．０７８ｍｍ
ｔ’_Ｘ２＝ｔ−（ｔ_Ｘ１＋ｔ_Ｘ３）
ｔ’_Ｘ２＝（７４．９０×１０^−６−２６．２１×１０^−６−３２．３４×１０^−６）

Ｖ_{ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ}＝Ｘ２／ｔ’_Ｘ２
Ｖ_{ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ}＝４７．０７８×１０^−３／１６．３５×１０^−６

そして最後に、速度の数値はＶ_{ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ}＝２８７９．４ｍ／ｓである。

すると、材料内の縦波の減衰が注目される。

発信器から受信器に伝送される波の振幅の式は、以下のように記述される：

ここでＡ_Ｍａｘはトランスデューサの表面における最大振幅を表し、

は水中の波の減衰である。

材料を通過した後の発信器から受信器に伝送される波の振幅の式は、以下のように記述される：

ここで

は材料内の波の減衰であり、ｔ_１２は水から材料への振幅伝送係数であり、ｔ_２１は材料から水への振幅伝送係数である。

ｔ_１２×ｔ_２１の積の式は、材料の音響インピーダンス

および水の音響インピーダンス

の関数である。音響インピーダンスの式において、

は密度を表し、Ｖは検討対象の周波数における縦波の伝播速度を表す。

振幅比Ｙ_１／Ｙ_２は以下のように記述される：

これより、材料内の減衰の式を推定することができる：

第一の実施形態は、２．２５ＭＨｚの波を用いて、４７．０９ｍｍの厚さを有する複合材料のスペーサに関する。

この実施形態の数値は以下のとおりである：

Ｖ_２＝２９４６．７５ｍ／ｓ

Ｖ_{ｗａｔｅｒ}＝１４８６．５４ｍ／ｓ

ｔ_１２×ｔ_２１＝０．７５４７８
ｘ_２＝４７．０７８ｍｍ（正確な超音波測定）
Ｙ_１＝６４３．２ミリボルトｓ（ｍＶ）
Ｙ_２＝１５．８８５ｍＶ

第二の実施形態は、１ＭＨｚの波を用いて、４７．０９ｍｍの厚さを有する複合材料のスペーサに関する。

Ｖ_２＝２８７９．３９ｍ／ｓ

Ｖ_{ｗａｔｅｒ}＝１４８６．５４ｍ／ｓ

ｔ_１２×ｔ_２１＝０．７５４７９
ｘ_２＝４７．０７８ｍｍ（正確な超音波測定）
Ｙ_１＝３７０．２５ｍＶ
Ｙ_２＝１６．３９５ｍＶ

本発明は、記載された実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲内のいずれの変形例にも及ぶ。

Claims (3)

1. 複合材料で作られた部品（３０）を特性評価する方法であって、方法は、部品（３０）内の経路に沿って移動する縦超音波（４１）の特性を判定するステップを備え、部品（３０）によって伝送された縦超音波（４２）の移動時間が測定され（Ｅ４）、伝送波（４２）の移動時間は波の始まり（１３０、１６０）を観察することによって測定され、縦超音波（４１）が正弦波であり、
   部品がない状態で伝送された超音波の移動時間が測定され（Ｅ１）、部品内の経路に沿って移動する縦超音波（４１）が通される部品（３０）の寸法を判定するために、部品の第一面（３１）および部品の第二面（３２）によってそれぞれ反射された超音波の移動時間が測定され（Ｅ２、Ｅ３）、
   縦超音波（４１）が部品（３０）内の移動の際に受ける全体のまたは単位長さの減衰を判定するために、伝送波（４２）の振幅もまた測定され、
   部品内の縦超音波の減衰（α _２ ）は、式
   

   

   に従って判定され、
   ここで、Ｙ _１ は、発信器から受信器に伝送される波の振幅であり、Ｙ _２ は、材料を通過した後の発信器から受信器に伝送される波の振幅であり、ｔ _１２ は、水から複合材料への振幅伝播係数であり、ｔ _２１ は、複合材料から水への振幅伝播係数であり、α _１ は、水中で伝送される波の減衰の値であり、Ｘ _２ は、部品内の経路に沿って移動する伝送波が通される部品の寸法である、ことを特徴とする、方法。
2. 部品（３０）内の経路を辿る部品（３０）内の縦超音波（４１）の伝播速度が判定される、請求項１に記載の方法。
3. ３Ｄ織り複合材料で作られた部品に対して実行される、請求項１または２に記載の特性評価方法。

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