JPH04355338A - 構造部材の寿命予知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は構造部材の寿命予知装置
に係わり、特にガスタービン動翼、静翼、燃焼器等の如
く苛酷な条件のもとで使用され、クリープ・疲労等によ
るき裂が比較的高頻度で発生および成長し短期間のうち
に補修・交換の判定が必要となる構造部材の寿命予知装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、構造部材の寿命予知方法には、大
別して次の３種類がある。

【０００３】（Ａ）解析的方法……構造部材に加わる温
度・応力等の使用条件を解析的に求め、別途実験データ
にもとづき決定した温度・応力（またはひずみ）と材料
寿命の関係、即ち材料特性マスターカーブと使用条件を
照合し、構造部材の評価対象部位の寿命を材料寿命と等
しいとして余寿命＝（材料寿命）−（構造部材の使用期
間）により予知する方法。

【０００４】（Ｂ）非破壊的方法……構造部材の寿命消
費に伴う材質変化およびクリープボイドまたは微小き裂
などの微視的損傷蓄積を、別途実験データにもとづき決
定した非破壊的劣化・損傷評価パラメータ（硬さやクリ
ープボイド定量化パラメータなど）と材料寿命消費率と
の関係、即ち非破壊的損傷評価マスターカーブと構造部
材の評価対象部位について測定した非破壊的劣化・損傷
評価パラメータとを照合し、 余寿命＝使用時間×（１−評価対象部位の材料寿命消費
率）／（評価対象部位の材料寿命消費率）により予知す
る方法。 （Ｃ）破壊試験法……構造部材の評価対象部位からサン
プルを採取し、実験的に余寿命を直接求める方法。

【０００５】以上の寿命予知方法のうち、（Ｂ）は従来
構造部材の使用条件が変化する場合には寿命予知が困難
であること、（Ｃ）はサンプル採取が通常困難であるこ
と等により実用上の困難がある。そこで、（Ａ）と（Ｂ
）の特長を生かした非破壊材料劣化計測と解析の併用に
よる寿命予知方法が考えられるが、この方法に既に提案
されている（特許第１５４４５０９号参照）。

【０００６】しかし、構造部材の使用条件が苛酷化し、
極めて短期間のうちに多数のき裂などの損傷が構造部材
の広い領域にわたって発生する場合には、寿命消費現象
が確率・統計的様相を強く示すようになるため、上述の
確定論的方法では十分な評価ができない場合が多くなっ
てきた。このような確率論的寿命消費現象の原因は、構
造部材の使用条件の変動と、材料の微視的不均一性に起
因するところが大きいが、構造部材の微視的状況をすべ
て反映した評価を行うことは、現在のコンピュータの能
力を持ってしても不可能である。

【０００７】そこで、実際のき裂の挙動を単純な確率論
的モデルに置き換え、モンテカルロ法を応用してコンピ
ュータによりシミュレーションする技法が開発されるよ
うになってきた（例えば、大谷ほか、日本機械学会論文
集Ａ編、５４巻５０３号（昭６３参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、構造部材に
多数のき裂が発生し、それらがお互いに干渉するととも
に材料組織の不均一性の影響を受けながら進展する場合
は、構造部材に分布するき裂の適切な幾何学的および力
学的モデル化を行い、き裂進展挙動を確率論的に再現す
る必要があり、さらに限られた領域で再現したき裂のモ
デルを実機レベルの寸法に拡大して評価できる簡便な方
法を確立する必要がある。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
、その目的は、多数のき裂が発生し、それらがお互いに
干渉するとともに材料組織の不均一性の影響を受けなが
ら進展する場合の構造部材の寿命を、計算機上のモデル
に基づき簡便かつ的確に予知できる構造部材の寿命予知
装置を提供することにある。 ［発明の構成］

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の構造部材の寿命予知装置は、構造部材の表
面に存在するき裂を転写する転写装置と、転写したき裂
画像を入力する画像入力装置と、き裂分布を数値化する
き裂画像処理装置と、構造部材を構成する材料の顕微鏡
的に不均一な幾何学的組織分布と前記き裂分布に応じて
組織モデルおよびき裂モデルを座標上に再現するき裂モ
デル作成装置と、構造部材の使用条件に応じて前記組織
モデルの各座標点に温度、応力またはひずみの変化を数
値的に与える負荷条件設定装置と、多数のき裂が同時に
進展する計算を行うき裂進展計算装置と、前記各き裂の
うち最大寸法のものが所定の限界値に達した時点を構造
部材の寿命と判定・表示する寿命判定・表示装置とから
構成されることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の構造部材の寿命予知装置によると、構
造部材のき裂分布計測を基に、多数のき裂の挙動を構造
部材の組織的不均一性を考慮して予測計算できるように
したので、従来困難であった多数のき裂が存在する構造
部材の寿命を的確に予知し、構造部材の破損を未然に防
止することができる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図を参照して説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例のブロック構成図
である。図に示すように、本発明の構造部材の寿命予知
装置は、構造部材の表面に存在するき裂を転写する転写
装置１と、転写したき裂画像を入力する画像入力装置２
と、き裂分布を数値化するき裂画像処理装置３と、構造
部材を構成する材料の顕微鏡的に不均一な幾何学的組織
分布と前記き裂分布に応じて組織モデルおよびき裂モデ
ルを座標上に再現するき裂モデル作成装置４と、構造部
材の使用条件に応じて前記組織モデルの各座標点に温度
、応力またはひずみの変化を数値的に与える負荷条件設
定装置５と、多数のき裂が同時に進展する計算を行うき
裂進展計算装置６と、前記各き裂のうち最大寸法のもの
が所定の限界値に達した時点を構造部材の寿命と判定・
表示する寿命判定・表示装置７とから構成されている。 次に、本実施例の作用を図２〜図４を参照して説明する
。

【００１４】図２は、図１における転写装置１、画像入
力装置２およびき裂画像処理装置３における処理手順を
示している。すなわち構造物８の部分領域９に存在する
多数のき裂１０は、転写装置１により転写シート１１に
転写される。転写されたき裂画像は、画像入力装置２を
介してき裂画像処理装置３に入力された後、演算回路に
より画像領域内の座標点の数値信号に変換され、この信
号から全てのき裂の長さ、個数、方位角、き裂間隔等の
幾何学的特性値が計算されて確率分布により近似される
。例えば、き裂長さＳについては図２に示す３母数ワイ
ブル分布１２が適用され、次式による曲線１３で表わさ
れる。 　　　　　　　　Ｐｓ　＝１−ｅｘｐ［−｛（Ｓ−γ）
／β｝ｍ　］　　　　　　　　　　　　（１）ただし、
Ｐｓ　：累積確率，γ：位置母数，ｍ：形状母数，β：
尺度母数なおデータの分布の性質によっては（１）式以
外の分布形も採用される。

【００１５】図３は、き裂モデル作成装置４における処
理手順を示す。まず、構造部材を構成する材料の顕微鏡
的な幾何学的組織分布状態を組織モデル１４として領域
の座標点を利用して再生する。このとき、２相金属組織
については乱数を利用すれば再生が容易である。次に、
き裂１５を前記組織モデルに分布させる。まず、き裂の
中心点は、一様乱数によりランダムに発生させる。次に
、乱数に（１）式の条件を付帯させて、各き裂発生点に
き裂長さを確率的に割り当てる。

【００１６】負荷条件設定装置５は、構造部材の使用条
件に応じて前記組織モデルに温度、応力およびひずみの
変化を数値的に与える。構造物の使用条件から温度、応
力分布を有限要素法などにより計算し、モデルとして切
り取った領域の座標点について、温度・応力分布を設定
する。図４は、き裂進展計算装置６による処理手順の一
部を示す。前記各き裂に負荷条件設定装置５において定
めた応力分布によりき裂進展力を次式で与える。 　　　　　　　　Ｋ＝σ×（Ｓ×ｆ）１／２　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（２）ただし、σ：応力、Ｓ：き裂長さ、ｆ：幾
何学的因子（き裂形状・位置の関数）を与える。

【００１７】一方、前記組織モデルの各部分にはき裂進
展抵抗Ｒを付与する。２相組織では、異なる相に異なる
き裂進展抵抗を与える。図４では結晶粒内にはき裂進展
抵抗ＲＩ　を、結晶粒界にはき裂進展抵抗ＲＢ　をＲＩ
　＞ＲＢ　となるよう設定している。構造部材の運転条
件に従って応力の繰返しを与え、繰返しにともないき裂
１５前方のき裂進展抵抗ＲＩ　またはＲＢ　を漸次減少
させる。き裂進展力Ｋがき裂進展抵抗ＲＩ　またはＲＢ
　を越えた時点でき裂の長さＳを所定の寸法だけ進展さ
せる。き裂を囲む所定の領域に応力影響領域を設定して
き裂進展力Ｋを応力影響領域との距離に応じて変化させ
、一方、き裂が相互に所定の間隔以内に接近した場合に
連結させる。

【００１８】なお、組織モデル１４が自己相似図形（フ
ラクタル図形）であれば、どのように拡大した場合につ
いても図形の複雑さは同じであるので、微視的モデルを
実機大に拡大してもモデルの計算結果をそのまま利用し
て構造部材の寿命を判定することができる。寿命判定・
表示装置６は、前記各き裂のうち最大寸法のものが所定
の限界値に達する時点を構造部材の寿命として判定し表
示する。次に、本発明をガスタービン静翼に適用した実
施例を図５〜図８について説明する。

【００１９】図６は本実施例による構造部材の寿命予知
装置の構成図を視覚的に分かりやすく示したものである
。図に示すように、本実施例の構造部材の寿命予知装置
は、静翼の表面に存在するき裂を転写する転写装置３１
と、転写したき裂画像を入力するＣＣＤカメラ３２と、
き裂分布を数値化するき裂画像処理装置３３と、静翼を
構成する材料の顕微鏡的に不均一な幾何学的組織分布と
き裂分布に応じて、組織モデルおよびき裂モデルを座標
上に再現するき裂モデル作成装置３４と、静翼の使用条
件に応じて組織モデルの各座標点に温度、応力（または
ひずみ）の変化を数値的に与える負荷条件設定装置３５
と、多数のき裂が同時に進展する計算を行うき裂進展計
算装置３６と、前記各き裂のうち最大寸法のものが所定
の限界値に達した時点を静翼の寿命と判定・表示する寿
命判定・表示装置３７とから構成されている。

【００２０】ところで、ガスタービン静翼は図５に示す
ように、起動停止に伴うガス温度の変化と、冷却空気と
の混合による局所的な温度変動により有効部１６とサイ
ドウォール部１７に多数のき裂１８が発生する。本実施
例ではこのようなガスタービン静翼に発生したき裂１８
からガスタービン静翼の使用できる期間を次のようにし
て予知する。

【００２１】図６において、転写装置３１は構造部材の
表面に存在するき裂を転写する装置であるが、その装置
には粘着性の転写シート１１が取り付けられ、染色浸透
探傷を施してき裂を検知した上で探傷粉を非検査面から
移しとる。また、転写シート１１としては、酢酸メチル
に浸したアセチルセルロースフィルムでも良く、この場
合は染色浸透探傷は不要である。このようにして採取し
た転写シート１１のき裂画像は、ＣＣＤカメラ３２を介
してき裂画像処理装置３３に入力された後、演算回路に
より画像領域に設定された座標点を数値信号に変換され
、全てのき裂の長さ、個数、方位角、き裂間隔等の幾何
学的特性値が計算される。これらのデータは、確率分布
で近似され、き裂長さＳについては（１）式で示した３
母数ワイブル分布が適用される。き裂モデル作成装置３
４は、構造部材を構成する材料の顕微鏡的に不均一な幾
何学的組織分布状態を再生する。静翼を構成するＣｏ基
合金の組織はデンドライトコアと炭化物境界の２相から
構成されており、図７に示すような、パーコレーション
クラスター（高安編著，フラクタル科学、朝倉書店，１
９８７参照）と称されるモデルで表わされる。パーコレ
ーションクラスターによる組織モデル１９は、領域内に
一様乱数に基づき確率０．５でドットを打ち、隣接ドッ
トを線で結ぶことにより形成され、白いデンドライトコ
ア部２１と、ドットで表わされる境界部２２のランダム
な形状となる。

【００２２】次に、静翼のき裂１８を組織モデル１９に
分布させる。まず、き裂１８の中心点は、一様乱数によ
りランダムに発生させる。次に、乱数を（１）式の条件
を付けて、各き裂発生点にき裂長さを割り当てる。負荷
条件設定装置３５は、静翼の起動停止に伴う温度、応力
およびひずみの変化を有限要素法などにより計算し、組
織モデル１９の各点に数値的に与える。

【００２３】き裂進展計算装置３６は、前記各き裂に前
記負荷条件設定装置により定めた応力分布に従いき裂進
展力として例えば、（２）式のＫを与える。一方、前記
組織モデルの各部分にはき裂進展抵抗Ｒを付与する。静
翼のデンドライト組織では、デンドライトコア部２１に
は境界部２２と比べて高いき裂進展抵抗を与え、それぞ
れＲＩ　，ＲＢ　とする。静翼の使用条件に従って応力
の繰返しを与え、繰返しにともないき裂１８前方のき裂
進展抵抗ＲＩまたはＲＢ　を漸次減少させる。前記き裂
進展力Ｋが前記き裂進展抵抗ＲＩ　またはＲＢ　を越え
た時点で前記き裂の長さを所定の寸法だけ進展させる。 き裂進展後の状況を図８に示す。前記組織モデルは、自
己相似図形（フラクタル図形）であるため、微視的モデ
ルを実機大に拡大しても計算結果がそのまま適用出来る
。寿命判定・表示装置３６は、前記各き裂のうち最大寸
法のものが所定の限界値に達すると静翼の寿命に至った
として判定し表示する。

【００２４】上述したように、本実施例によると、ガス
タービン静翼に多数発生したき裂の将来の進展挙動を予
知し、今後部材が使用できる期間を的確に予知すること
ができる。

【００２５】なお、上記実施例はガスタービン静翼につ
いて説明したが、動翼・燃焼器などのガスタービン高温
部品ならびにその他の苛酷環境下で使用される構造部材
について適用可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
実機構造部材のき裂分布計測を基に、多数のき裂の挙動
を構造部材の組織的不均一性を考慮して予測計算できる
ようにしたので、従来困難であった多数のき裂が存在す
る構造部材の寿命を的確に予知できるとともに構造部材
の破損を未然に防止することができるというすぐれた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック構成図。

【図２】本発明のき裂画像入力部分の処理手順を説明す
るための図。

【図３】本発明のき裂モデル作成装置の処理手順を説明
するための図。

【図４】本発明のき裂進展計算処理方法を説明するため
の図。

【図５】ガスタービン静翼のき裂発生状況を示す図。

【図６】本発明をガスタービン静翼へ適用した実施例の
構成図。

【図７】ガスタービン静翼のき裂モデルの例を示す図。

【図８】本発明のガスタービン静翼への実施例のき裂モ
デルにおいて、き裂進展計算後の状況を示す図。

【符号の説明】

１，３１…転写装置、２，３２…画像入力装置、３，３
３…き裂画像処理装置、４，３４…き裂モデル作成装置
、５，３５…負荷条件設定装置、６，３６…き裂進展計
算装置、７，３７…寿命判定・表示装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　構造部材の表面に存在するき裂を転写
   する転写装置と、転写したき裂画像と材料組織を数値化
   するき裂画像処理装置と、構造部材を構成する材料の顕
   微鏡的に不均一な幾何学的組織分布状態と前記組織モデ
   ル内の領域にき裂を生成させるき裂モデル作成装置と、
   構造部材の使用条件に応じて前記組織モデルに温度、応
   力およびひずみの変化を数値的に与える負荷条件設定装
   置と、前記き裂を同時に進展させるき裂進展計算装置と
   、前記各き裂のうち最大寸法のものが所定の限界値に達
   する時点を構造部材の寿命として判定・表示する寿命判
   定・表示装置とから構成されたことを特徴とする構造部
   材の寿命予知装置。