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

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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
Figure 0006542125
および
Figure 0006542125
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Vwaterは既知なので、式
Figure 0006542125
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、tX1+X2+X3、tX1、およびtX3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:
Figure 0006542125
Figure 0006542125
Figure 0006542125
X2=(tX1+X2+X3−tX3−tX1)×Vwater
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−(tX1+tX3)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、Vmaterial=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:
Figure 0006542125
t’X2=(53.80×10−6−26.49×10−6−14.97×10−6
Figure 0006542125
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:
Figure 0006542125
Figure 0006542125
Figure 0006542125
Figure 0006542125
X2=(tX1+X2+X3−tX3−tX1)×Vwater
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−(tX1+tX3
t’X2=(74.90×10−6−26.21×10−6−32.34×10−6
Figure 0006542125
composite=X2/t’X2
composite=47.078×10−3/16.35×10−6
そして最後に、速度の数値はVcomposite=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:
Figure 0006542125
ここでAMaxはトランスデューサの表面における最大振幅を表し、
Figure 0006542125
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:
Figure 0006542125
ここで
Figure 0006542125
は材料内の波の減衰であり、t12は水から材料への振幅伝送係数であり、t21は材料から水への振幅伝送係数である。
12×t21の積の式は、材料の音響インピーダンス
Figure 0006542125
および水の音響インピーダンス
Figure 0006542125
の関数である。音響インピーダンスの式において、
Figure 0006542125
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。
Figure 0006542125
振幅比Y/Yは以下のように記述される:
Figure 0006542125
これより、材料内の減衰の式を推定することができる:
Figure 0006542125
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:
Figure 0006542125
=2946.75m/s
Figure 0006542125
Figure 0006542125
water=1486.54m/s
Figure 0006542125
12×t21=0.75478
=47.078mm(正確な超音波測定)
=643.2ミリボルトs(mV)
=15.885mV
Figure 0006542125
Figure 0006542125
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。
Figure 0006542125
=2879.39m/s
Figure 0006542125
Figure 0006542125
water=1486.54m/s
Figure 0006542125
12×t21=0.75479
=47.078mm(正確な超音波測定)
=370.25mV
=16.395mV
Figure 0006542125
Figure 0006542125
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 )は、式
    Figure 0006542125
    に従って判定され、
    ここで、Y は、発信器から受信器に伝送される波の振幅であり、Y 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 は、水中で伝送される波の減衰の値であり、X 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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