JPH0412412B2 - - Google Patents

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JPH0412412B2
JPH0412412B2 JP59053236A JP5323684A JPH0412412B2 JP H0412412 B2 JPH0412412 B2 JP H0412412B2 JP 59053236 A JP59053236 A JP 59053236A JP 5323684 A JP5323684 A JP 5323684A JP H0412412 B2 JPH0412412 B2 JP H0412412B2
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JP
Japan
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boundary
defects
computer
cracks
measuring
Prior art date
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JP59053236A
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Japanese (ja)
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JPS60196642A (en
Inventor
Shiro Kubo
Kyotsugu Ooji
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OOSAKA DAIGAKUCHO
Original Assignee
OOSAKA DAIGAKUCHO
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Publication date
Application filed by OOSAKA DAIGAKUCHO filed Critical OOSAKA DAIGAKUCHO
Priority to JP5323684A priority Critical patent/JPS60196642A/en
Publication of JPS60196642A publication Critical patent/JPS60196642A/en
Publication of JPH0412412B2 publication Critical patent/JPH0412412B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02Details
    • G01N3/06Special adaptations of indicating or recording means

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

技術分野 本発明は、被側定体内部に存在する亀裂、欠陥
等の瑕疵の位置および形状寸法を、被側定体を破
壊することなく、被側定体表面から得られる測定
値を電子計算機により演算処理することによつて
測定する計算機応用内部瑕疵非破壊測定方法に関
し、特に、被側定体表面にて測定し得る電気ポテ
ンシアルもしくは弾性コンプライアンスのデータ
を新たな手法により解析して被側定体内部に存在
する2次元乃至3次元の瑕疵を未知の自由表面と
して同定するようにしたものである。 従来技術 一般に、構造物などの内部に存在する亀裂ある
いは欠陥を非破壊的に検出して、その位置、形状
および寸法を定量的に測定することは、機器の安
全性を評価するうえで極めて重要である。 従来、かかる構造物内部の亀裂あるいは欠陥の
検出に使用される非破壊検査方法としては種々の
ものがあり、必要とする検査内容に応じ、適切な
特性乃至性能を備えた検査方法が相補的に用いら
れていた。しかしながら、かかる従来の検査方法
は、いずれも、構造物等の内部に存在する亀裂あ
るいは欠陥の位置、形状および寸法を十分の精度
をもつて定量的に求めることが必ずしも容易では
ない、という重大な欠点があつた。 従来の検査方法を有するかかる欠点の主たる原
因としては、構造物等の内部に存在する亀裂ある
いは欠陥が、例えば板状構造物の板厚方向に一様
ないわゆる2次元的形状を有するに留まつている
ことは極めて稀であり、通常は3次元的形状を有
していること、および、従来はかかる3次元的形
状の亀裂あるいは欠陥の位置および形状寸法、特
に形状および寸法を精度よく測定する技術が確立
されていなかつたことによるものと見られる。し
たがつて、かかる3次元の亀裂、欠陥に適用可能
の定量的非破壊検査方法の開発は、現在における
技術開発の極めて重要な課題の一つになつてい
る。 一方、電位差法あるいは電気抵抗法とも呼ばれ
る電気ポテンシアル法および弾性コンプライアン
ス法は、それぞれ、非破壊検査方法の一つとし
て、従来、2次元の亀裂あるいは欠陥の長さ測定
に広く用いられて来ている。しかして、これら従
来慣用の電気ポテンシアル法および弾性コンプラ
イアンス法が2次元の亀裂あるいは欠陥の寸法の
高精度評価に極めて有効であることから考えて、
かかる従来慣用の有効な非破壊検査方法は、3次
元の亀裂あるいは欠陥の測定に拡張して適用可能
にし得れば、従来極めて困難であつた3次元の亀
裂あるいは欠陥の位置および形状寸法の定量測定
に関する一つの有望な測定方法となるものと予想
される。しかしながら、従来は、かかる電気ポテ
ンシアル法もしくは弾性コンプライアンス法によ
つて一般の3次元亀裂あるいは3次元欠陥の位置
および形状寸法を定量的に測定することに成功し
ておらず、現在なお研究開発の段階にあり、ま
た、以下に述べる本発明方法以外には成功の見通
しも立てられていないものと見られる。 目 的 本発明の目的は、上述した従来技術の問題点に
鑑み、その欠点を除去して、被側定体内部に存在
する3次元の亀裂あるいは欠陥の位置および形状
寸法を非破壊にて高精度に定量測定し得る内部瑕
疵非破壊測定方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、従来、主として被側定体
の表面近傍における2次元の亀裂あるいは欠陥の
寸法の高精度定量測定に対してその有効性が確か
められている電気ポテンシアル法および弾性コン
プライアンス法を、被側定体内部に存在する3次
元の亀裂、欠陥等の瑕疵の位置および形状寸法の
定量測定に拡張して適用し、測定データを電子計
算機により演算処理することによつて内部瑕疵の
高精度非破壊測定を行ない得るようにした計算機
応用内部瑕疵非破壊測定方法を提供することにあ
る。 発明の要点 本発明による計算機応用内部瑕疵非破壊測定方
法は、2次元の亀裂あるいは欠陥に対して有効な
電気ポテンシアルおよび弾性コンプライアンスに
基づく測定技術に加えて境界型の数値解析に基づ
く逆問題解析という新たな原理のデータ解析手法
を導入、結合させることにより、3次元の亀裂あ
るいは欠陥がなす瑕疵の位置および形状寸法の定
量的測定を可能にした計算機応用電気ポテンシア
ル断層測定方法および計算機応用弾性コンプライ
アンス断層測定方法を総合したものであり、被側
定体に所定の電流もしくは所定の機械的荷重を印
加したときに、前記被側定体の少なくとも所要の
部位を覆う表面に3次元的に配置し、最多時には
前記被側定体表面のほぼ全面にほぼ均一に3次元
的に配置した複数の点にそれぞれ生ずる電気ポテ
ンシアルもしくは弾性コンプライアンスを測定し
て得た測定値に対し、計算機を応用して境界型の
数値解析に基づく逆問題解析を施すことにより、
前記被側定体内部の少なくとも前記所要の部位の
近傍に存在する3次元の瑕疵の位置および形状寸
法を定量測定することを特徴とするものである。 すなわち、本発明計算機応用内部瑕疵非破壊測
定方法は、構造物など被側定体の表面上における
多点の電気ポテンシアルあるいは弾性コンプライ
アンスの測定値群に対して、境界要素法、境界積
分方程式法などと呼ばれる境界型の数値解析法に
基づく逆問題解析手法を適用してデータ解析を行
なうという新たな形態の測定方法であり、従来の
この種内部瑕疵非破壊測定方法、例えばX線ある
いは超音波を利用した3次元亀裂あるいは3次元
欠陥の定量評価方法と相補い、あるいは競合する
測定方法である。したがつて、本発明測定方法
は、被側定体の表面に現われる電気ポテンシアル
あるいは弾性コンプライアンスの分布に基づいて
内部の亀裂等を評価するという測定の性格からす
れば、従来、医療の技術分野等において用いられ
ている、いわゆるX線CT法、すなわち、X線断
層写真法と原理的、形式的に等価と見做し得るも
のであり、したがつて、電気ポテンシアルCT亀
裂形状寸法測定方法あるいは弾性コンプライアン
スCT亀裂形状寸法測定方法とも称すべきもので
ある。 しかして、一般に、境界型の数値解析法におい
ては、境界における物理量のみを用いた定式化が
可能であるので、かかる境界上の物理量、すなわ
ち、被側定体表面上の物理量のみを用いて被側定
体内部に存在する未知の自由境界、すなわち、亀
裂あるいは欠陥の存在部位を割出す逆問題解析
法、すなわち、本来内部の亀裂等の存在が原因と
なつて表面上に現われる結果としての物理量を解
析して、逆に原因としての亀裂等の存在を評価す
る解析法を構成することができる。本発明による
上述の電気ポテンシアルCT亀裂測定方法および
弾性コンプライアンスCT亀裂測定方法はかかる
逆問題解析法の適用に基づいており、少なくとも
構造物内部瑕疵非破壊測定方法としては根本的に
新たな着想に基づいたものと見做し得る。 なお、本発明測定方法は、逆問題解析法による
測定データの解析にいわゆるコンピユータの使用
を必須の要件としているので、かかるコンピユー
タエイドの測定結果には、グラフイツク表示等の
コンピユータエイドの後処理を容易に施し得るこ
と勿論である。したがつて、かかる特長を有する
本発明測定方法は、構造物内部の亀裂、欠陥等の
非破壊検査方法として極めて有用であり、また、
材料試験、特に、内部の亀裂、欠陥等に左右され
る強度試験には不可欠と認められ、さらに、内部
の亀裂、欠陥が影響を与え、その監視を必要とす
る機械装置等には、その一部に本発明による測定
装置を組込んで一連のシステムを構成することも
考えられる。 実施例 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。 まず、本発明方法による内部瑕疵非破壊測定装
置の一例として、電気ポテンシアルCT亀裂測定
装置の概略構成を第1図に示す。図示の構成例に
おいては、内部に亀裂等を含む被側定体4に対し
て、定電流電源1から適切な大きさの定電流を流
し、その定電流に基づき、被側定体4の表面にほ
ぼ均一に分布させて設定した多数の測定点5に現
われる電気ポテンシアルの分布を多点電位差測定
器2により測定する。従来の電気ポテンシアル法
においては、被側定体表面近傍の2次元亀裂ある
いは3次元欠陥が測定の対象であつたので、被側
定体表面の特定点乃至その近傍の測定点のみにつ
いて電気ポテンシアルを測定していたが、本発明
測定方法においては、被側定体4の内部に存在す
る2次元乃至3次元の亀裂あるいは欠陥を測定の
対象とするので、被側定体4の全表面に亘りほぼ
均一に分布した多数の測定点に表われる電気ポテ
ンシアル値を測定して、その測定データをデータ
解析用コンピユータ3に入力し、前述した逆問題
解析を施すことにより、被側定体内部の亀裂、欠
陥等の位置および形状寸法を定量的に導出する。
なお、コンピユータのかかるデータ解析による定
量測定自体は、後述するように比較的簡単に行な
うことができ、また、コンピユータ3を用いた測
定結果のグラフイツク表示などの後処理も簡単に
行ない得ることは前述したとおりである。 ここで、本発明測定方法の基本をなす前述の逆
問題解析法についてさらに詳細に説明すると、本
発明測定方法の一半をなす電気ポテンシアルCT
亀裂測定方法においては、この逆問題解析をつぎ
のようにして行なう。 しかして、電気ポテンシアルの問題はラプラス
の式を満足する線形問題に帰着するので、境界要
素法などと呼ばれる境界型の数値解析法を基礎と
すると、境界上の電気ポテンシアルと電流密度と
を用いて問題を取扱うことができる。すなわち、
まず、被側定体表面上の電気ポテンシアルの測定
値を亀裂あるいは欠陥が全くない状態における電
気ポテンシアルの解析値と比較対照することによ
り、その差分から亀裂あるいは欠陥が存在する
面、すなわち、図示の被側定体4における面
ABCDを割出し、この面を未知の境界面とする。
なお、被側定体内部に存在するこの未知境界面以
外の境界面、すなわち、被側定体表面については
予め境界条件が与えられて既知である。しかしな
がら、亀裂あるいは欠陥がなす内部の未知境界面
ABCDについては、どの部分まで亀裂あるいは
欠陥であつて測定値が連続せず、どの部分におい
ては境界が存在せずに測定値が連続しているかの
条件が不明であり、したがつて、境界条件を設定
し得ないことになる。かかる条件不明の境界の問
題は、従来の有限要素法、境界要素法などの順問
題解析手法によつては取扱うことが不可能であ
り、一種の逆問題をなしている。かかる逆問題の
数値解析による未知境界面については、電気ポテ
ンシアルを測定した被側定体表面がなす自由表面
においては、被側定体外空間の表面に垂直な方向
の電流密度が零であるとの境界条件のみならず、
表面上の電気ポテンシアル分布も既知であり、し
たがつて、被側定体表面の全面に亘つて得た測定
値には、亀裂あるいは欠陥の存在によつて生じた
過剰の情報が含まれていることを利用して、その
未知境界面の同定を行なうことができる。 なお、実際には、被側定体表面において測定し
た電気ポテンシアルの分布を結果として表現し得
るような原因をなす亀裂あるいは欠陥は、被側定
体内部の如何なる位置において如何なる形状寸法
をなしているべきかという逆解析によつて未知の
亀裂、欠陥等を同定することになる。 一方、本発明測定方法の他の一半をなす弾性コ
ンプライアンスCT亀裂測定方法においては、上
述した電気ポテンシアルCT亀裂測定方法におけ
る電気的荷重としての電流を機械的荷重に置換
し、また、電気的応答としての電気ポテンシアル
を機械的応答としての弾性コンプライアンスに置
換することにより、上述と全く同様にして逆問題
解析手法による未知亀裂、欠陥の同定を行なうこ
とができる。すなわち、例えば被側定体の適切な
部位に荷重をかけて弾性変形を生じさせたときに
被側定体表面に現われる弾性変位すなわち弾性コ
ンプライアンスを差動変圧器などの変位計を用い
て測定することになる。しかして、弾性変形の問
題も典型的な線形問題であり、上述したと同様
に、境界型の数値解析法を基礎にした逆問題解析
を適用することができる。すなわち、弾性コンプ
ライアンスの測定値を基にして逆問題解析を行な
うことにより、未知の亀裂、欠陥について位置お
よび形状寸法を同定することができる。 なお、上述したいずれのCT亀裂測定方法にお
いても、亀裂あるいは欠陥が被側定体の厚味に比
して浅い位置に存在する表面亀裂あるいは表面欠
陥乃至内部亀裂あるいは内部欠陥に対しては、被
側定体を半無限体と見做して近似的に取扱うこと
ができる。したがつて、数値解析の対象とする測
定値としては、亀裂あるいは欠陥に近い側の被側
定体表面上の電気ポテンシアルあるいは弾性コン
プライアンスの測定値が得られればよく、したが
つて、かかる場合には本発明測定方法の適用がよ
り簡単となる。 しかして、一般に、部材あるいは構造物等の被
側定体の一部に定電流を流して生ずる電気ポテン
シアルの分布を測定する測定技術は、いわゆる電
気ポテンシアル法として既に確立し、普及してお
り、本発明測定方法にもかかる従来の測定技術が
そのまま適用し得るものと考えられる。すなわ
ち、本発明測定方法においては、被側定体表面の
電気ポテンシアルの測定値を、被側定体の形状寸
法、電流流入位置および電流量のデータとともに
コンピユータに入力し、これらの情報を基にして
コンピユータ内にて逆問題解析の処理を行ない、
被側定体内部の亀裂あるいは欠陥の位置および形
状寸法を同定する。なお、情報データの解析には
境界型の数値解析法に基づく逆問題解析法を適用
するのであるから、パーソナルコンピユータ等の
比較的小型のコンピユータによりその情報データ
の解析を実行することができる。 一方、弾性コンプライアンスを測定量として用
いる場合にも、同様の手順により被側定体内部の
亀裂あるいは欠陥の位置および形状寸法を測定す
ることができる。 なお、亀裂あるいは欠陥の存在部位が電気ポテ
ンシアルもしくは弾性コンプライアンスを測定す
る被側定体表面からなり離れている場合には、電
気ポテンシアルもしくは弾性コンプライアンスの
測定精度を向上させること、および、効率的かつ
安定な逆問題解析法を選んで適切なデータ解析を
行なうべきこと、などが本発明方法による測定の
要点をなすものと見られる。 つぎに、本発明測定方法の基礎をなす被側定体
内部の亀裂あるいは欠陥がなす未知自由表面同定
のための解析手法についてその概要を述べてお
く。 一般に、境界要素法は、支配微分方程式をガウ
ス−グリーンの定理により等価な境界積分方程式
に変換して解を求めるものである。一方、境界要
素法によつて取扱う通常の問題においては、第2
図に示すように、領域Ωを囲む境界Γは、基本境
界条件が与えられてその境界上のポテンシアル値
が既知の境界Γ1と、自然境界条件が与えられ
てその境界に流入する流束qが既知の境界Γ2
からなり、それらの境界Γ1,Γ2における未知の
境界値、すなわち、境界Γ1上の流束qおよび境
界Γ2上のポテンシアル値は、上述した境界積
分方程式を解くことによつて他の既知の境界条件
から求めることができる。 しかしながら、本発明測定方法において用いる
逆問題解析の対象とする問題においては、第3図
に示すように、上述した境界Γ1,Γ2の他に、領
域Ω内のいずれの部分に亀裂あるいは欠陥がある
のか不明であつて境界上のポテンシアル値およ
び流束qがともに未知の境界Γ0が存在する。か
かる境界の問題は、そのままでは解き得ないの
で、従来周知の方法により測定して得た境界Γ2
上のポテンシアル値を併わせ用いて境界積分方
程式を解くことにより、境界Γ0上のポテンシア
ル値および流束qを求めることができ、その
際、領域Ω内部の亀裂あるいは欠陥の存在部位
は、その亀裂、欠陥がなす自由表面に基づく流束
q=0の条件が成立つ部位として求めることがで
きる。なお、問題によつてはポテンシアル値に
基づいて亀裂、欠陥の存在部位を求めることも可
能である。 上述のように被側定体内部の亀裂、欠陥の存在
部位を未知の自由表面として求めるデータ解析の
例として、簡単のために、2次元電気ポテンシア
ルの問題について検討する。なお、2次元問題に
対するデータ解析手法が判れば、その解析手法を
3次元問題に対し拡張して同様に適用することは
容易である。 一般に、座標系X1,X2に対して領域Q内の支
配方程式はつぎのように表わされる。 ∇2φ=o(∇2=∂2/∂X2 1+∂2/∂2 2)(1) そこで、つぎのような境界条件(2)を有する各境
界Γ0,Γ1,Γ2からなる境界Γの問題を考える。 境界Γ0:ポテンシアル値=未知 流束q=∂/∂n=未知 境界Γ1:ポテンシアル値= 流束q=未知 境界Γ2:ポテンシアル値= 流束q=q (2) ここに、nは境界Γ上の外向き単位法線であ
り、記号の上付きバーは既知であることを示すも
のである。 上述の式(1)の両辺に領域Q内にて連続する2次
導関数を有する重み関数*を掛けて領域Q全体
について積分すると、つぎの恒等関係式(3)が得ら
れる。 ∫〓∇2*・dΩ=o (3) 一方、ガウスの発散定理によつてつぎつぎの式
(4)が得られる。 ∫〓(・∇2φ**・∇2)dΩ =∫〓(・q**・q)dΓ (4) ここにq*≡∂*/∂Xi・ni=∂*/∂n つぎに、領域Ωを満たす媒体と同一の性質を有
する媒体が領域Ωの外側に無限に拡がつているも
のとして、第3図に示すように、領域Ω内の一点
aに単位集中ポテンシアルが作用する場合におけ
る領域Ω内の他の一点b上のポテンシアル変化
φ*(a,b)を考えると、支配方程式はつぎの式
(6)となる。 ∇2 *(a,b)+δ(a,b)=o (6) ここに、δ(a,b)はデイラツクのデルタ関
数である。 しかして、*(a,b)は基本解であつて、2
次元問題に対しては、つぎの式(7)によつて与えら
れる。 *(a,b)=*(r) =ln(1/r)/2π (7) ここに、rは点a,b間の距離である。 したがつて、式(7)および式(3)を式(4)に代入する
と、つぎの積分方程式(8)が得られる。 (a)+∫Γ〔q*(a,b)・(B) −*(a,b)・q(B)〕・dΓ(B)=o (8) ここに、aは領域Ω内の任意の点を表わし、B
は境界Γ上の任意の点を表わす。 上式(8)は、領域Ω内の任意の点のポテンシアル
値と境界Γ上のポテンシアル値および流束qと
を関係づける積分方程式であるが、第3図に示す
ように、領域Ω内の任意の点aを境界Γ上の任意
の点Aに移行させるときの積分方程式を求めると
つぎの式(9)となる。 C(A)・(A)+∫Γ〔q*(A,B)・(B) −*(A,B)・q(B)〕・dΓ(B) (9) ここに、C(A)は境界が滑らかなときにはC=1/
2となる。 つぎに、上述の式(9)を離散化するに当り、境界
Γ上のi番目の節点Aiが点Aに一致し、点Bがj
番目の要素上にあるものと見做し、その要素内に
おいてはポテンシアル値および流束qが一定で
あるとすると、つぎの式(10)が得られる。 Cii+Σq*ij・j−Σ*ij・qj=0 (10) ここに、nは全境界要素数とし、*ij,*ijはつ
ぎの式(11)とする。 q*ij=∫Γq*(Ai,B)・dΓ(B)* ij=∫Γ*(Ai,B)・dΓ(B) (11) この式(10)を境界Γ上のすべての節点について書
き表わすとつぎの式(12)のマトリツクス表示が得ら
れる。 このマトリツクス式(12)を解けば、領域内の未知
境界として亀裂、欠陥の存在部位を同定すること
ができる。 いま、第4図に示すように、方形領域の中心線
B′Eの両側に対称な亀裂の自由境界が存在すると
した場合について、中心線B′Eを挾んで対称の位
置にある上辺AD上および下辺BC上に、一定の
ポテンシアル値φ=1およびφ=−1をそれぞれ
与えたときにおける四半領域AB′C′D′の辺AB′お
よびC′D′上のポテンシアル値に基づいて亀裂の長
さaを同定するものとする。 しかして、かかる逆問題解析においては、問題
の対称性からして、第4図に陰影を付して示した
上述の四半領域について解析を行なうことができ
る。いま、第5図に示すように方形領域
AB′C′D′の境界要素分割を行ない、第1表に示す
ような境界条件を与えると、境界AB′上および
C′D′上におけるポテンシアル値のデータは、亀
裂の長さをa/W=1/2としてBEM解析により求め
ることができる。その解析の結果を第2表に示
す。しかして、この第2表から判るように、流束
qの解は要素番号1〜5においては10-6〜10-9
オーダであり、
Technical Field The present invention uses an electronic computer to determine the position and shape of defects such as cracks and defects existing inside the fixed body by using an electronic computer to calculate the measured values obtained from the surface of the fixed body without destroying the fixed body. Regarding the computer-applied non-destructive measurement method for measuring internal defects through calculation processing, in particular, data on electrical potential or elastic compliance that can be measured on the surface of a constant body to be measured is analyzed using a new method to determine the target side. This system is designed to identify two-dimensional or three-dimensional defects existing inside the body as unknown free surfaces. Prior Art In general, nondestructively detecting cracks or defects inside structures and quantitatively measuring their position, shape, and dimensions is extremely important in evaluating the safety of equipment. It is. Conventionally, there are various non-destructive inspection methods used to detect cracks or defects inside such structures. It was used. However, all of these conventional inspection methods have the important problem that it is not always easy to quantitatively determine the location, shape, and dimensions of cracks or defects that exist inside structures, etc. with sufficient accuracy. There were flaws. The main cause of such defects with conventional inspection methods is that cracks or defects existing inside a structure, etc., have a so-called two-dimensional shape that is uniform in the thickness direction of a plate-like structure, for example. It is extremely rare for a crack or defect to have a three-dimensional shape, and conventionally it has been difficult to accurately measure the position and shape, especially the shape and dimensions, of cracks or defects in such a three-dimensional shape. This appears to be because the technology had not yet been established. Therefore, the development of a quantitative non-destructive inspection method that can be applied to such three-dimensional cracks and defects has become one of the extremely important issues in current technological development. On the other hand, the electrical potential method and the elastic compliance method, also called the potentiometric method or the electrical resistance method, respectively, have been widely used for measuring the length of two-dimensional cracks or defects as non-destructive testing methods. . Considering that these conventional electric potential method and elastic compliance method are extremely effective for highly accurate evaluation of the dimensions of two-dimensional cracks or defects,
If such a conventional and effective non-destructive testing method can be extended to the measurement of three-dimensional cracks or defects, it will be possible to quantify the position and shape of three-dimensional cracks or defects, which has been extremely difficult in the past. It is expected that this will become a promising measurement method. However, conventionally, it has not been possible to quantitatively measure the position and shape of a general three-dimensional crack or three-dimensional defect using the electric potential method or elastic compliance method, and it is still at the research and development stage. However, it seems that there is no prospect of success other than the method of the present invention described below. Purpose In view of the problems of the prior art described above, an object of the present invention is to eliminate the drawbacks and non-destructively increase the position and shape of three-dimensional cracks or defects existing inside the fixed body. The object of the present invention is to provide a non-destructive measuring method for internal defects that can accurately and quantitatively measure internal defects. Another object of the present invention is to use the electric potential method and the elastic compliance method, which have been proven to be effective for highly accurate quantitative measurement of the dimensions of two-dimensional cracks or defects mainly near the surface of a fixed object. The method is expanded and applied to the quantitative measurement of the position and shape of defects such as three-dimensional cracks and defects that exist inside the fixed body, and the internal defects can be detected by processing the measurement data using an electronic computer. It is an object of the present invention to provide a computer-applied non-destructive measurement method for internal defects that enables highly accurate non-destructive measurement. Summary of the Invention The computer-applied non-destructive internal defect measurement method according to the present invention includes a measurement technique based on electrical potential and elastic compliance that is effective for two-dimensional cracks or defects, and an inverse problem analysis based on boundary-type numerical analysis. A computer-applied electric potential tomography measurement method and a computer-applied elastic compliance tomography method that make it possible to quantitatively measure the position and shape of defects caused by three-dimensional cracks or defects by introducing and combining data analysis methods based on new principles. It is a comprehensive measurement method, and when a predetermined current or a predetermined mechanical load is applied to the target body, the measurement method is three-dimensionally arranged on the surface that covers at least a required part of the target body, In most cases, a boundary type is calculated by applying a computer to the measured values obtained by measuring the electric potential or elastic compliance that occurs at multiple points arranged three-dimensionally almost uniformly over almost the entire surface of the fixed object. By performing inverse problem analysis based on the numerical analysis of
The present invention is characterized in that the position and shape of a three-dimensional defect existing at least in the vicinity of the required portion inside the fixed body to be covered are quantitatively measured. In other words, the computer-applied non-destructive internal defect measurement method of the present invention uses a boundary element method, a boundary integral equation method, etc. for a group of measured values of electrical potential or elastic compliance at multiple points on the surface of a fixed body such as a structure. This is a new type of measurement method that performs data analysis by applying an inverse problem analysis method based on a boundary-type numerical analysis method, which is called a boundary-type numerical analysis method. This is a measurement method that is complementary or competitive with the quantitative evaluation method for three-dimensional cracks or three-dimensional defects used. Therefore, the measuring method of the present invention evaluates internal cracks based on the distribution of electric potential or elastic compliance appearing on the surface of the fixed object, and therefore, the measuring method of the present invention is not applicable to conventional medical technical fields. It can be considered to be theoretically and formally equivalent to the so-called X-ray CT method, that is, X-ray tomography used in It should also be called compliance CT crack shape and size measurement method. In general, boundary-type numerical analysis methods can be formulated using only the physical quantities at the boundary, so it is possible to formulate the boundary using only the physical quantities on the boundary, that is, the physical quantities on the surface of the target constant. An inverse problem analysis method that determines the unknown free boundary existing inside the side body, that is, the location of cracks or defects, that is, the physical quantity that appears on the surface due to the existence of internal cracks, etc. It is possible to construct an analytical method that analyzes the occurrence of cracks, etc., and conversely evaluates the presence of cracks, etc., as a cause. The above-mentioned electrical potential CT crack measurement method and elastic compliance CT crack measurement method according to the present invention are based on the application of such an inverse problem analysis method, and are based on a fundamentally new idea at least as a nondestructive measurement method for internal defects in structures. It can be considered as something. The measurement method of the present invention requires the use of a so-called computer to analyze the measurement data using the inverse problem analysis method, so the computer-aided measurement results can be easily post-processed by computer aids such as graphic display. Of course, it can be applied to Therefore, the measuring method of the present invention having such features is extremely useful as a non-destructive inspection method for cracks, defects, etc. inside structures, and
It is recognized as indispensable for material testing, especially strength tests that are affected by internal cracks and defects. It is also conceivable to incorporate the measuring device according to the present invention into a series of systems. EXAMPLES The present invention will be explained in detail below using examples with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a schematic configuration of an electrical potential CT crack measuring device as an example of a non-destructive measuring device for internal defects according to the method of the present invention. In the illustrated configuration example, a constant current of an appropriate magnitude is applied from a constant current power source 1 to a fixed body 4 that has cracks or the like inside, and the surface of the fixed body 4 is determined based on the constant current. The multi-point potentiometer 2 measures the distribution of electrical potential appearing at a large number of measurement points 5 set to be distributed almost uniformly. In the conventional electrical potential method, the object of measurement was a two-dimensional crack or three-dimensional defect near the surface of the fixed object, so the electric potential was measured only at a specific point on the surface of the fixed object or a measurement point in its vicinity. However, in the measuring method of the present invention, two-dimensional or three-dimensional cracks or defects existing inside the fixed body 4 are to be measured, so that the measurement method covers the entire surface of the fixed body 4. By measuring the electric potential values appearing at a large number of almost uniformly distributed measurement points, inputting the measured data into the data analysis computer 3, and performing the inverse problem analysis described above, cracks inside the fixed body can be detected. , quantitatively derive the position and shape of defects, etc.
It should be noted that the quantitative measurement itself by data analysis using a computer can be performed relatively easily as will be described later, and as mentioned above, post-processing such as graphical display of the measurement results using the computer 3 can also be performed easily. As I said. Here, to explain in more detail the above-mentioned inverse problem analysis method that forms the basis of the measurement method of the present invention, the electrical potential CT
In the crack measurement method, this inverse problem analysis is performed as follows. However, since the problem of electric potential boils down to a linear problem that satisfies Laplace's equation, if a boundary-type numerical analysis method called the boundary element method is based, it is possible to solve the problem using the electric potential and current density on the boundary. Can deal with problems. That is,
First, by comparing and contrasting the measured value of the electrical potential on the surface of the fixed body with the analytical value of the electrical potential in a state where there are no cracks or defects, the difference is found to determine the surface where the crack or defect exists, that is, the surface shown in the figure. Surface in the fixed body 4
Determine ABCD and make this surface the unknown boundary surface.
Note that boundary surfaces other than this unknown boundary surface that exist inside the to-be-side regular body, ie, the to-be-side regular body surface, are given boundary conditions in advance and are known. However, the internal unknown interface formed by a crack or defect
Regarding ABCD, it is unclear to what extent there is a crack or defect and the measured values are not continuous, and in what part there is no boundary and the measured values are continuous. Therefore, the boundary condition This means that it will not be possible to set . Such boundary problems with unknown conditions cannot be handled by conventional forward problem analysis methods such as the finite element method and the boundary element method, and constitute a kind of inverse problem. Regarding the unknown boundary surface obtained by numerical analysis of such an inverse problem, it can be said that the current density in the direction perpendicular to the surface of the space outside the fixed body is zero on the free surface formed by the surface of the fixed body on which the electric potential is measured. In addition to boundary conditions,
The electrical potential distribution on the surface is also known, and therefore measurements taken over the entire surface of the fixed object contain excess information caused by the presence of cracks or defects. Utilizing this fact, the unknown boundary surface can be identified. In reality, the cracks or defects that cause the distribution of electric potential measured on the surface of the target body to be expressed as a result may have any shape and size at any position inside the target body. Unknown cracks, defects, etc. can be identified by inverse analysis. On the other hand, in the elastic compliance CT crack measurement method, which is the other half of the measurement method of the present invention, the electrical current as the electrical load in the electrical potential CT crack measurement method described above is replaced with a mechanical load, and the electrical response is By replacing the electrical potential with elastic compliance as a mechanical response, unknown cracks and defects can be identified using the inverse problem analysis method in exactly the same manner as described above. That is, for example, when a load is applied to an appropriate part of the target body to cause elastic deformation, the elastic displacement, or elastic compliance, that appears on the surface of the target body is measured using a displacement meter such as a differential transformer. It turns out. Therefore, the problem of elastic deformation is also a typical linear problem, and in the same way as described above, inverse problem analysis based on the boundary type numerical analysis method can be applied. That is, by performing inverse problem analysis based on the measured values of elastic compliance, the position and shape of unknown cracks and defects can be identified. In addition, in any of the above-mentioned CT crack measurement methods, for surface cracks, surface defects, internal cracks, or internal defects where the crack or defect exists at a shallow position compared to the thickness of the target body, The lateral field can be regarded as a semi-infinite field and treated approximately. Therefore, as a measurement value to be subjected to numerical analysis, it is sufficient to obtain a measurement value of electric potential or elastic compliance on the fixed body surface on the side closer to the crack or defect. This makes it easier to apply the measuring method of the present invention. In general, the measurement technique for measuring the distribution of electric potential generated by passing a constant current through a part of a fixed object such as a member or structure has already been established and widely used as the so-called electric potential method. It is considered that the conventional measurement technique related to the measurement method of the present invention can be applied as is. That is, in the measurement method of the present invention, the measured value of the electrical potential on the surface of the fixed object is input into a computer along with data on the shape and dimensions of the fixed object, the current inflow position, and the amount of current, and the measurement is performed based on this information. Process the inverse problem analysis in the computer,
Identify the location and geometry of cracks or defects within the fixed body. Note that since the inverse problem analysis method based on the boundary type numerical analysis method is applied to the analysis of the information data, the analysis of the information data can be executed by a relatively small computer such as a personal computer. On the other hand, when elastic compliance is used as the measurement quantity, the position and shape of a crack or defect inside the fixed body can be measured using a similar procedure. In addition, if the location of the crack or defect is far away from the surface of the fixed object on which the electric potential or elastic compliance is to be measured, it is necessary to improve the measurement accuracy of the electric potential or elastic compliance and to measure the electric potential or elastic compliance efficiently and stably. The key point of measurement using the method of the present invention is that an appropriate inverse problem analysis method should be selected to perform appropriate data analysis. Next, an overview will be given of an analysis method for identifying an unknown free surface caused by a crack or a defect inside a fixed body to be covered, which forms the basis of the measurement method of the present invention. Generally, in the boundary element method, a solution is obtained by converting a governing differential equation into an equivalent boundary integral equation using the Gauss-Green theorem. On the other hand, in ordinary problems handled by the boundary element method, the second
As shown in the figure, the boundary Γ surrounding the region Ω consists of a boundary Γ 1 whose potential value is known given the basic boundary conditions, and a flux q flowing into the boundary given the natural boundary conditions. consists of the known boundary Γ 2 , and the unknown boundary values at these boundaries Γ 1 and Γ 2 , that is, the flux q on the boundary Γ 1 and the potential value on the boundary Γ 2 , can be calculated using the boundary integral equation described above. By solving, it can be determined from other known boundary conditions. However, in the problem targeted by the inverse problem analysis used in the measurement method of the present invention, as shown in FIG . There exists a boundary Γ 0 where it is unknown whether there is a boundary, and both the potential value and the flux q on the boundary are unknown. Since such a boundary problem cannot be solved as it is, the boundary Γ 2 obtained by measuring it using a conventionally well-known method
By solving the boundary integral equation using the above potential values together, the potential value and flux q on the boundary Γ 0 can be obtained. It can be determined as a location where the condition of flux q=0 based on the free surface formed by the crack or defect is satisfied. Depending on the problem, it is also possible to determine the location of cracks or defects based on the potential value. As described above, as an example of data analysis for determining the location of cracks and defects inside the fixed body as an unknown free surface, for the sake of simplicity, we will consider the problem of two-dimensional electric potential. Note that once a data analysis method for a two-dimensional problem is known, it is easy to extend that analysis method to a three-dimensional problem and apply it in the same way. Generally, the governing equation within the region Q for the coordinate systems X 1 and X 2 is expressed as follows. ∇ 2 φ=o (∇ 2 = ∂ 2 /∂X 2 1 +∂ 2 /∂ 2 2 ) (1) Therefore, each boundary Γ 0 , Γ 1 , Γ 2 with the following boundary condition (2) Consider the problem of the boundary Γ consisting of. Boundary Γ 0 : Potential value = unknown flux q = ∂/∂n = unknown boundary Γ 1 : Potential value = flux q = unknown boundary Γ 2 : Potential value = flux q = q (2) Here, n is It is an outward unit normal on the boundary Γ, and the superscript bar in the symbol indicates that it is known. When both sides of the above equation (1) are multiplied by a weighting function * having a continuous second derivative within the region Q and integrated over the entire region Q, the following identity relation equation (3) is obtained. ∫〓∇ 2*・dΩ=o (3) On the other hand, according to Gauss's divergence theorem, the following equation
(4) is obtained. ∫〓(・∇ 2 φ **・∇ 2 )dΩ =∫〓(・q **・q)dΓ (4) Here q * ≡∂ * /∂X i・n i =∂ * /∂ n Next, assuming that the medium that has the same properties as the medium that fills the area Ω extends infinitely outside the area Ω, as shown in Figure 3, the unit concentration potential at a point a in the area Ω is Considering the potential change φ * (a, b) on another point b in the region Ω in the case where
(6) becomes. ∇ 2 * (a, b) + δ (a, b) = o (6) where δ (a, b) is the Dirac delta function. Therefore, * (a, b) is the basic solution, and 2
For dimensional problems, it is given by the following equation (7). * (a,b)= * (r)=ln(1/r)/2π (7) Here, r is the distance between points a and b. Therefore, by substituting equation (7) and equation (3) into equation (4), the following integral equation (8) is obtained. (a)+∫Γ[q * (a, b)・(B) − * (a, b)・q(B)]・dΓ(B)=o (8) Here, a is the area Ω represents any point, B
represents an arbitrary point on the boundary Γ. Equation (8) above is an integral equation that relates the potential value at any point within the region Ω to the potential value and flux q on the boundary Γ, but as shown in Figure 3, The following equation (9) is obtained when an integral equation for moving an arbitrary point a to an arbitrary point A on the boundary Γ is obtained. C(A)・(A)+∫Γ[q * (A, B)・(B) − * (A, B)・q(B)]・dΓ(B) (9) Here, C(A ) is C=1/ when the boundary is smooth
It becomes 2. Next, when discretizing the above equation (9), the i-th node A i on the boundary Γ coincides with point A, and the point B coincides with j
Assuming that the potential value and flux q are constant within the element, the following equation (10) is obtained. C ii +Σq * ij・j −Σ * ij・q j =0 (10) Here, n is the total number of boundary elements, and * ij and * ij are given by the following equation (11). q * ij=∫Γq * (A i , B)・dΓ(B) * ij=∫Γ * (A i , B)・dΓ(B) (11) This equation (10) can be applied to all When expressed in terms of nodes, the following matrix representation of equation (12) is obtained. By solving this matrix equation (12), it is possible to identify the location of cracks and defects as unknown boundaries within the region. Now, as shown in Figure 4, the center line of the rectangular area
Assuming that there are free boundaries of a symmetrical crack on both sides of B′E, constant potential values φ = 1 and φ Suppose that the length a of the crack is identified based on the potential values on the sides AB' and C'D' of the quadrant AB'C'D' when given = -1, respectively. Accordingly, in such an inverse problem analysis, it is possible to analyze the above-mentioned quadrant area shown in shading in FIG. 4 due to the symmetry of the problem. Now, as shown in Figure 5, a rectangular area is created.
By dividing AB′C′D′ into boundary elements and giving the boundary conditions shown in Table 1, on the boundary AB′ and
Data on the potential value on C′D′ can be obtained by BEM analysis with the crack length a/W=1/2. The results of the analysis are shown in Table 2. Therefore, as can be seen from Table 2, the solution for flux q is on the order of 10 -6 to 10 -9 for element numbers 1 to 5,

【表】【table】

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 被側定体に所定の電流もしくは所定の機械的
荷重を印加したときに、前記被測定体の少なくと
も所要の部位を覆う表面に3次元的に配置し、最
多時には前記被側定体表面のほぼ全面にほぼ均一
に3次元的に配置した複数の点にそれぞれ生ずる
電気ポテンシアルもしくは弾性コンプライアンス
を測定して得た測定値に対し、計算機を応用して
境界型の数値解析に基づく逆問題解析を施すこと
により、前記被側定体内部の少なくとも前記所要
の部位の近傍に存在する3次元の瑕疵の位置およ
び形状寸法を定量測定することを特徴とする計算
機応用内部瑕疵非破壊測定方法。 2 特許請求の範囲第1項記載の測定方法におい
て、前記瑕疵が亀裂もしくは欠陥であることを特
徴とする計算機応用内部瑕疵非破壊測定方法。 3 特許請求の範囲第1項または第2項記載の測
定方法において、前記電気ポテンシアルもしくは
前記弾性コンプライアンスに基づき、計算機を応
用して前記被側定体内部に存在する自由表面を同
定することにより、前記逆問題解析を行なうよう
にしたことを特徴とする計算機応用内部瑕疵非破
壊測定方法。
[Scope of Claims] 1. When a predetermined current or a predetermined mechanical load is applied to the object to be measured, it is arranged three-dimensionally on the surface covering at least a required part of the object to be measured, and at most, the Boundary-type numerical analysis using a computer for the measured values obtained by measuring the electric potential or elastic compliance that occurs at multiple points arranged almost uniformly three-dimensionally over almost the entire surface of the fixed object. A computer-applied internal defect detection method characterized by quantitatively measuring the position and shape of a three-dimensional defect existing at least in the vicinity of the required part inside the fixed body by performing an inverse problem analysis based on Destructive measurement method. 2. A computer-applied non-destructive measuring method for internal defects, wherein the defect is a crack or a defect in the measuring method according to claim 1. 3. In the measuring method according to claim 1 or 2, by applying a computer to identify a free surface existing inside the to-be-side fixed body based on the electric potential or the elastic compliance, A method for nondestructively measuring internal defects using a computer, characterized in that the inverse problem analysis is performed.
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