JP6573828B2 - 高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンのブレードの、高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値が決定されることを可能にする方法に関する。

従来、ターボジェットのブレードの組（圧縮機ブレードおよびタービンブレード）は、広範囲の周波数にわたって応力を加えられる。それにもかかわらず、臨界周波数は、主に、ブレードの曲げの第１のモードと関連する周波数であり、これらは、通常、５００ヘルツ（Ｈｚ）を超えて位置している。疲労に関してブレードの寸法を決めることができるためには、ブレードに対して耐えられる衝撃の寸法を決定するか、あるいは、より一般的には、実験データを用いて一般に較正される必要がある疲労亀裂伝播のモデルを特に用いることができる。このデータは、長い亀裂の非伝播のしきい値を含み、そのしきい値は、ΔＫ_ｔｈと記され、応力拡大係数（ＳＩＦ）のしきい値振幅ΔＫであって、それを超えて亀裂が疲労により伝播するしきい値振幅ΔＫを特徴付ける。

それにもかかわらず、所与の材料について、この非伝播しきい値は、ほぼ例外なく準静的に決定され、これは、そのブレードがそれらの寿命の間に受ける周波数レベルを表していない。そのうえ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、またはＴｉＡｌなどのある特定の材料は、環境の影響に敏感である場合があり、これはまた、周波数に依存しているこのしきい値を生じる場合がある。

現在、非伝播しきい値は、油圧引張機械を使って、減少する負荷が試験片に加えられる方法によって決定される。この場合、加えられる力は、応力拡大係数に合わせてサーボ制御され、これは、いかに亀裂のサイズが試験中に変化しているかを知ることが必要であるということを意味する。これを行うことができるように、試験中に亀裂のサイズを決定することができるさまざまな計測装置が存在する。第１のこの種の装置は、試験片を通して流れる電流に基づいて電位差を測定することを利用する。亀裂が伝播するにつれて、この電位差測定の結果として得られる抵抗が、伝播平面の利用可能な断面の減少のために増加する。第２の装置は、ひずみゲージが予亀裂の元の位置と反対の試験片の面に配置される「コンプライアンス」法を利用し、亀裂が所与の加えられた力のため伝播すると、測定された変形の増加が観察され得る。この効果は、引張時の試験片の剛性の減少から生じる。剛性と亀裂進展との間の関係を与えるマスターカーブによって、亀裂のサイズを決定することができる。第３の装置は、非常に多くのひずみゲージが亀裂経路に沿って「ｃｏｍｂ（櫛形）」を形成するように配置される「Ｃｏｍｂ」法を利用する。亀裂がひずみゲージに到達すると、ひずみゲージは破壊される。破壊されているひずみゲージの数を知ると、亀裂のサイズを推定することができる。最後に、さらに他の装置は、亀裂の先端の位置がテレセントリックシステムの助けを借りて評価される各画像または各光学的測定の間の相関を利用する。

それらの従来の方法はすべて、試験中に亀裂のサイズを決定するための装置を用いることを利用し、したがって亀裂の端縁に適用される応力拡大係数（ＳＩＦ）をリアルタイムで調整することができ（ＳＩＦ＝ｂ^＊Ｓ^＊√（Л^＊ａ）、ここに、ｂは亀裂のフォームファクタであり、Ｓは加えられる応力であり、かつａは亀裂の特性寸法である）。したがって、ＳＩＦの減少が適用され、ＡＳＴＭ Ｅ６４７規格に提案されているように、（試験中に測定される）亀裂の進展の速度が所与の値、たとえばサイクルあたり１０^−１０メートル（ｍ／ｃｙｃｌｅ）よりも小さくなるとすぐ、しきい値に達していると考えられる。

しきい値が常に準静的条件（１Ｈｚ〜３０Ｈｚ）下で特徴付けられるということは別として、かつその結果、得られる非伝播値が、これは真値ではないが、周波数の関数として一定であると仮定して、それらの従来の方法の主要な欠点は、これらがその場で決定されるべき亀裂のサイズを必要とするということである。電位を測定するための装置は、導電性材料にのみ適用されることができ、この装置は調節を行うことができるために急速なデータ取得および処理システムを必要とする。原則的に、これは、部品が作動時に受けるような、かつその部品が作られる材料を特徴付けることが望まれるような高周波においては不可能である（＞５００Ｈｚ）。コンプライアンス法は、任意の均質材料に適用され得るが、同様に、これは、調節を行うために急速なデータ取得および処理システムを必要とし、このシステムは、同様に、測定を行うことが望まれる周波数と相容れない。Ｃｏｍｂ法は、必ずしも効果的なサーボ制御をもたらすとは限らない。亀裂の長さは、離散的にのみ、すなわちひずみゲージが配置される位置で決定され得る。この場合、過負荷の影響が亀裂の先端で生じるということが起こり得る。最後に、光学的測定は、亀裂の伝播速度が十分遅い場合にのみ使用され得る。２つの測定間で、亀裂の長さの変化は、亀裂の先端に負荷をかけすぎる影響を回避するために小さくしなければならない。

本発明は、この種の決定を可能にする特定の形状を有する構造試験片について高周波（＞５００Ｈｚ）での疲労亀裂の非伝播しきい値を決定する方法を提案することによって、上述の欠点を軽減するという目的を有する。

この目的を達成するために、本発明は、高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値を決定する方法であって、繰返し負荷が、試験ゾーンに長円形穴を有する少なくとも１つの試験片に加えられ、長円形穴が、１つの端部にノッチを有し、試験片が、２つの剛体質量の間に保持され、２つの剛性プレストレスプレートが、前記少なくとも１つの試験片の両側に配置され、その２つの端部において前記２つの剛体質量にそれぞれ固締され、その繰返し負荷が、疲労亀裂を前記ノッチから生じるように、試験片、質量、およびストレスプレートを備えるアセンブリの共振周波数に等しいように選択される周波数におけるものであり、次いで、亀裂が伝播することを停止したことがいったん観察されると、亀裂の最終長さが測定され、チャートが、疲労による亀裂の非伝播の前記しきい値ΔＫ_ｔｈを決定するのに使用され、前記繰返し負荷が、剛性直立部分の助けを借りて、前記２つの剛体質量を支持するとともに、前記繰返し負荷を試験片、質量、およびストレスプレートを備える前記アセンブリに伝達するためのスラストロッドを含む、構造体に堅固に固締される電気力学的振動機ポットによって得られる、方法を提供する。

この方法の場合は、試験が行われている間に亀裂の長さを測定する必要はもはや全くなく、また、この種の測定に基づいてサーボ制御する必要も全くない。

亀裂の前記停止は、所定数（通常、８００万から１２００万サイクルの範囲にある）の負荷サイクルをカウントすることによって観察されることが好ましい。

また、本発明は、高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値が決定されることを可能にする試験装置であって、
試験ゾーンに長円形穴を有する少なくとも１つの試験片であり、穴が１つの端部にノッチを有する試験片と、
２つの剛体質量間に前記少なくとも１つの試験片が保持される該２つの剛体質量と、
前記少なくとも１つの試験片の両側に配置され、その２つの端部で前記２つの剛体質量にそれぞれ固締される、２つの剛性プレストレスプレートと、
前記２つの剛体質量を支持し、繰返し負荷を前記２つの剛体質量を介して前記少くとも１つの試験片に伝達するためのスラストロッドを含む、構造体に剛性直立部分を使って堅固に固締される電気力学的振動機ポットであり、前記繰返し負荷が、疲労亀裂を前記ノッチから生じるように装置の共振周波数に等しいように選択される周波数を有し、亀裂の伝播が停止したことがいったん観察されると、疲労亀裂の長さが疲労亀裂の前記非伝播しきい値ΔＫ_ｔｈを決定する、電気力学的振動機ポットと
を備える、試験装置を提供する。

したがって、電気力学的振動機ポットの助けを借りてその共振周波数での動的引張でセットを励振することによって、疲労亀裂を生じるのに十分高い負荷レベルを達成することができ、その亀裂の伝播の停止が、非伝播しきい値が決定されることを可能にする。

装置は、前記共振周波数を修正することによって前記負荷周波数を変更するための１つまたは複数の付加質量をさらに含むことが好ましい。

前記ノッチは、前記長円形穴の長軸の１つの端部において、および前記負荷の方向に作られることが有利である。

前記直立部分は、剛性ブラケットであることが好ましい。

前記試験片は、前記２つのプレストレスプレートの前記端部のうちの１つと前記２つの剛体質量の対向する１つとの間に初めに存在する隙間を徐々に減少させることによって得られる前記２つのプレストレスプレートに対する引張によって最初は圧縮の状態にされることが有利である。

本発明によれば、装置の前記共振周波数は、３００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲にある。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行われる次の説明から明らかになり、これらは、いかなる限定的な性質も有さない実施を示している。

本発明により疲労亀裂の非伝播しきい値が決定されることを可能にする試験装置に使用される試験片を示す図である。 本発明により疲労亀裂の非伝播しきい値が決定されることを可能にする試験装置に使用される試験片を示す図である。 図１Ａおよび図１Ｂの試験片のΔＫの減衰率を示す図である。 本発明により疲労亀裂の非伝播しきい値を決定する際に用いる試験装置を示す図である。 図３の装置の一部について２試験片の別形を示す図である。

本発明は、穴の端縁に予めノッチがつけられている長円形穴を含む構造試験片に一定の平均と振幅の外部繰返し負荷を加えることを提案する。この長円形穴の存在は、応力勾配を生じ、次いで、その長半径のサイズと関連するその楕円比により、亀裂の先端での応力拡大係数が、疲労亀裂の非伝播しきい値を決定するための所望の減衰率を提示するということを確保することができる。この場合、亀裂は、この減衰負荷の元に自然に停止し、ΔＫ_ｔｈの値を決定することができるためには、亀裂が停止した後に該亀裂の最終長さを測定すれば十分である。亀裂の長さは、試験が終了した後に測定され、試験のスケーリングは、単にチャートの使用を必要とするにすぎない。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の試験装置に使用するのに必要とされる試験片の形状を示している。試験片１０は、形状が長方形であることが好ましく、その中央試験部分１０Ａに長円形穴１２を有し、その穴は、試験片に応力勾配を生じる。穴の１つの端部において、より具体的には、その長軸の端部において、かつ応力（負荷）方向に、試験片は、疲労亀裂の開始を容易にするように、たとえば電食（直線先端を有する放電加工（ＥＤＭ）ノッチ）によって作られるノッチ１４を有する。示されているように、試験片は、試験ゾーン１０Ａにおいて減少された厚さを有することが好ましい。

試験片が圧縮荷重を受ける場合には、引張応力が、弾性のＰｏｉｓｓｏｎ（ポアソン）効果のため穴の端縁に現われる。圧縮（または引張−圧縮）時の繰返し負荷の場合は、亀裂は、各サイクルと同時に開閉し、したがって疲労によって伝播する。亀裂がない場合には、穴の端縁の応力が正であり、これは、応力集中部において徐々に減少し、穴から離れるにつれてゼロに向かう。その結果として、亀裂が穴の端縁から離れて伝播する場合には、その応力拡大係数（ＳＩＦ）は、亀裂の伝播長の増加と共に減少する。応力拡大係数の振幅が伝播段階中に非伝播しきい値ΔＫ_ｔｈに達すると、疲労亀裂は停止する。

長円形穴の形状は、亀裂の進展と共に応力拡大係数の減衰率を決定する。したがって、亀裂長さの関数としてΔＫの所望の曲線を得るように、長円形穴（長軸、および長軸に対する短軸の比）の寸法を決めることが重要である。ΔＫの減衰率は、長軸に対する短軸の比の増加と共に、および短軸のサイズの減少と共に減少する。いったん亀裂が伝播することを停止すると、最適な減衰率が、亀裂の先端での過負荷の影響を回避するとともに、亀裂の長さを測定する際の（およびしたがって、ΔＫ_ｔｈの計算の際の）不確実性を低減する働きをする。

図２は、上記に特定した規格に従って、次の式を用いて表されるこの減衰率を示している。すなわち、
ΔＫ（ｘ）／ΔＫｏ＝ｅｘｐ（−０．０８ｘ）
ここに、ｘは、亀裂の先端と長円形穴の端縁との間の（ミリメートル（ｍｍ）での）距離であり、ΔＫｏは、長円形穴に接近したΔＫが到達する最大振幅である。

したがって、試験片の寸法を決める場合には、長円形穴１２およびノッチ１４によって生じた亀裂の進展によるΔＫの変化により、予想されるしきい値を包含することができることを確保するように注意が払われるべきである。亀裂の進展と共に応力拡大係数がいかに変化するかを決定するのは、試験片の形状である。たとえば、７０×３０×３の寸法（ミリメートルでの長さ、幅、および厚さ）を備える試験ゾーン１０Ａを有する長方形試験片の場合は、２４ｍｍの長軸と１２ｍｍの短軸を有する楕円には、試験ゾーンの底部境界から２５ｍｍ離れてその中央が配置される。ノッチは、楕円の長軸の頂部から、および長軸に沿って１．５ｍｍにわたって作られる。

高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値を決定するための試験装置が図３に示されている。試験片１０は、（たとえば、複合材料で作られる）２つの剛性プレストレスプレート２０および２２によって静的予負荷を受け、このプレストレスプレート２０および２２は、試験片の両側に配置され、２つの剛体質量２４、２６間に試験片が係合される該２つの剛体質量２４、２６のうちの１つにプレートの端部２０Ａ、２２Ａのうちの１つにおいて固締され、これらの２つのプレートの他の端部２０Ｂ、２２Ｂは、これらの２つの質量２２のうちの他の１つに初期隙間で固締される。この初期隙間は、頂部剛体質量２４または底部剛体質量２６によって導入されることができるが、有利なことに、この初期隙間の漸減が、２つのプレストレスプレートに引張時に作用することによって、次いで圧縮を試験片に加えることができる一対のファスナねじ２８、３０によって頂部剛体質量を使って取付け具を介して達成される。質量２４、２６は、剛性を付加し、かつ試験片およびプレストレスプレートを備えるアセンブリの共振周波数を修正する働きをする。

このように得られたセットは、電気力学的振動機ポット３２によって振動を受け、この電気力学的振動機ポット３２は、装置の構造体、たとえば支持スラブ３４に堅固に固締され、１つまたは複数の付加質量４０Ａ〜４０Ｃを介して試験片を取り囲む剛性プレストレスプレートおよび質量を備えるセットに振動機ポットによって加えられる力を伝達する。試験片に加えられる各引張サイクルと同時に最大量の変形を得るために、負荷周波数が、セットの引張時の共振周波数に等しいように選ばれる。この周波数は移動質量によって分割される（試験片＋プレストレスプレートを備える）システムの剛性の平方根に等しいので、付加質量４０Ａ〜４０Ｃを付加しまたは除去することは、この共振周波数を変更し、したがって、好ましくは３００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲にある高周波での、異なる周波数での亀裂非伝播しきい値ΔＫ_ｔｈを測定するための試験を行う働きをする。モード増幅が大きいので、加えられる力が比較的小さい場合でも、亀裂の先端に応力拡大係数が加えられるにつれて、試験片の変形が大きくなり得る。

結局停止に至る亀裂の伝播は、加えられるサイクル数を単にカウントすることによって観察され、その数は、８００万から１２００万サイクルの範囲にあることが好ましい。この値は、しきい値ΔＫ_ｔｈの推定される大きさの程度から、および伝播速度から選択される。したがって、周期的に応力をかけることは、それ自体停止されることができ、試験片は、亀裂の最終長さを測定し、次いでチャートの助けを借りて疲労亀裂の前記非伝播しきい値ΔＫ_ｔｈを決定するために装置から取り外され得る。

もちろん、セットを支持スラブ３４に堅固に固締するように、たとえばねじ型４２のファスナ手段を使用することが適切である。たとえ局所のみであっても、支持スラブ３４からのいかなる分離も、セットに、したがってまた試験片１０に電気力学的振動機ポット３２によって伝えられる機械的エネルギーの伝達の損失となり得る。

したがって、上に記述した試験片を用いることによって、次の結果が得られている。すなわち、８０．７メガパスカル（ＭＰａ）の試験片の応力振幅に対応する０．７の負荷比の場合、および８０３Ｈｚの応力周波数の場合は、亀裂は、８．６ｍｍ進行してから停止した。チャートを用いると、ΔＫ_ｔｈは、２．７メガパスカル−ルートメートル（ＭＰａ．√ｍ）に等しいと決定される。

上の説明は引張セットを参照しているが、曲げ式負荷を考えることもできることが明らかであるということを認められたい。特に、図４に示されるように、セットがただ１つの試験片の代わりに２つの試験片５２、５４を含む場合、および２つの試験片の間の間隔が十分大きい場合には、この場合、２つの質量５６および５８、ならびに２つのプレストレスプレート６０、６２を備えるセットによって加えられる負荷がたとえ曲げ式から成るとしても、試験片の一方または他方に加えられる応力場は、事実上、引張になっていると考えられることができる。

Claims (6)

1. 決定されるべき疲労亀裂の非伝播しきい値を可能にする試験装置であって、
   試験ゾーン（１０Ａ）に長円形穴（１２）を有する少なくとも１つの試験片（１０；５２、５４）であり、長円形穴が、疲労亀裂を開始するための頂点において負荷の方向のノッチ（１４）を有し、その最終長さが、疲労の亀裂の非伝播の前記しきい値ΔＫ_ｔｈを決定する、試験片と、
   ２つの剛体質量（２４、２６；５６、５８）間に前記少なくとも１つの試験片が保持される、該２つの剛体質量（２４、２６；５６、５８）と、
   ２つのプレストレスプレートであって、前記少なくとも１つの試験片の両側に配置され、その２つの端部（２０Ａ、２２Ａ；２０Ｂ、２２Ｂ）で前記２つの剛体質量にそれぞれ固締されており、前記２つのプレストレスプレートの前記端部のうちの１つと前記２つの剛体質量の対向する１つとの間には、前記２つのプレストレスプレートに引張時に作用すべく、隙間がある、２つのプレストレスプレート（２０、２２；６０、６２）と、
   前記２つの剛体質量を支持するとともに、負荷の方向において繰返しの負荷を前記２つの剛体質量を介して前記少なくとも１つの試験片に伝達するためのスラストロッド（３２Ａ）を含む、構造体（３４）に剛性の直立部分（３６、３８）を使って堅固に固締される電気力学的振動機ポット（３２）であり、前記繰返しの負荷は、疲労亀裂を前記ノッチから生じるように装置の共振周波数に等しいように選択される周波数を有する、電気力学的振動機ポット（３２）と
   を備える、試験装置。
2. 前記共振周波数を修正することによって前記の負荷の周波数を変更するための１つまたは複数の付加質量（４０Ａ〜４０Ｃ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
3. 前記試験片が、前記２つのプレストレスプレートの前記端部のうちの１つと前記２つの剛体質量の対向する１つとの間に初めに存在する前記隙間を徐々に減少させることによって得られる前記２つのプレストレスプレートに対する引張によって最初は圧縮の状態にされることを特徴とする、請求項１または２に記載の試験装置。
4. ２つの試験片（５２、５４）を備え、２つの剛体質量（５６、５８）および２つのプレストレスプレート（６０、６２）に加えられる負荷が曲げ式から成る、請求項１から３のいずれか一項に記載の試験装置。
5. 前記プレストレスプレートは、複合材料で作られる、請求項３または４に記載の試験装置。
6. 前記直立部分が、剛性ブラケットであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の試験装置。

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