JPWO2020170359A1 - 繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法 - Google Patents
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Abstract
AEセンサ(12)、負荷試験装置(14)、記憶装置(22)、重心周波数演算部(24)、及び判定装置(26)を備える。負荷試験装置(14)により試験体(1)に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、記憶装置(22)によりAEセンサ(12)で検出されたAE波を負荷と共に記憶する。次いで、重心周波数演算部(24)によりAE波の周波数とその強度との関係からAE波の重心周波数を求め、判定装置(26)により重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。
Description
本発明は、カイザー効果を利用した繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法に関する。
繊維強化複合材料(FRP:Fiber Reinforced Plastic)は、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料であり、軽量で強度の高い材料として知られている。
特に、炭素繊維強化複合材料(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)は、金属と比較して比強度が高くかつ耐食性があり、ロケットや航空機などに用いられている。
特に、炭素繊維強化複合材料(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)は、金属と比較して比強度が高くかつ耐食性があり、ロケットや航空機などに用いられている。
FRPでは、積層の剥離や繊維の断線が生じた後に破壊に至る。FRPは金属と比較して耐衝撃性が低く、損傷の検出が難しい。
このようなFRPの引張強度を検査するために、カイザー効果を利用することが行われている。「カイザー効果」とは、固体材料にいったん外応力を加えてAE波(Acoustic Emission)を発生させておけば,再負荷しても前回の応力値をこえるまではAE波が生じない不可逆現象をいう。
なお、AE波は、材料の変形や破壊などにより、材料に発生する音波である。カイザー効果は、健全な材料において得られる。
このようなFRPの引張強度を検査するために、カイザー効果を利用することが行われている。「カイザー効果」とは、固体材料にいったん外応力を加えてAE波(Acoustic Emission)を発生させておけば,再負荷しても前回の応力値をこえるまではAE波が生じない不可逆現象をいう。
なお、AE波は、材料の変形や破壊などにより、材料に発生する音波である。カイザー効果は、健全な材料において得られる。
カイザー効果を利用して試験体の健全性を検査する方法は、例えば特許文献1に記載されている。しかし、かかる検査方法には、以下の(1)(2)の課題があった。
(1)試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤ると、試験体の引張強度を評価できなくなる。最初に与える荷重の最大値が、試験体の引張強度よりも大きい場合、カイザー効果が生じないためカイザー効果を利用できず、試験体の引張強度を評価できなくなる。
(2)引張荷重を与える作業と引張荷重を除く作業とを繰り返すので、時間がかかる。
そこで、カイザー効果を利用した試験体の新たな強度検査方法として特許文献2が提案されている。
特許文献2の「強度検査方法」は、試験体に与える引張荷重を時間の経過に従って増やし、試験体に生じるAE波の大きさを試験期間内の各時点で計測する。計測した各時点のAE波の大きさに基づいて、試験期間に含まれる複数の荷重印加区間の各々におけるAE波の複数の周波数成分を求め、各荷重印加区間について、複数の周波数成分に基づいてAE波の重心周波数を求める。複数の荷重印加区間のうち、先の荷重印加区間よりも重心周波数が下がっている荷重印加区間を特定し、特定した荷重印加区間において試験体に与えた引張荷重の大きさを、試験体の引張強度と判定する、ものである。
特許文献2の方法により、試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤る可能性を小さくし、かつ強度検査の所要時間を減らすことができる。
しかし、上述した特許文献2の方法には、以下の(3)(4)の課題があった。
(3)特許文献2の方法では、試験体に与える引張荷重を時間の経過に従って常に増やす必要がある。
しかしAE波を用いた繊維強化複合材料(FRP)の健全性評価手段は、例えばASMEの規格(例えば、ASME Section V Article 11)等で制定されている。
そのため、予め制定された負荷パターンが、負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む場合、特許文献2の方法は適用できなかった。
しかしAE波を用いた繊維強化複合材料(FRP)の健全性評価手段は、例えばASMEの規格(例えば、ASME Section V Article 11)等で制定されている。
そのため、予め制定された負荷パターンが、負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む場合、特許文献2の方法は適用できなかった。
(4)破断直前の層間剥離が発生する時点やその負荷は把握できない。
そのため、例えば圧力容器の耐圧試験の際に、層間剥離が発生した後、実際に破断するまで試験する必要があり、破断時の衝撃等で、装置等を損傷する可能性があった。
そのため、例えば圧力容器の耐圧試験の際に、層間剥離が発生した後、実際に破断するまで試験する必要があり、破断時の衝撃等で、装置等を損傷する可能性があった。
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第1の目的は、負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む負荷パターンにおいて、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
また、第2の目的は、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができ、かつ負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
また、第2の目的は、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができ、かつ負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる繊維強化複合材料の健全性評価装置と方法を提供することにある。
本発明によれば、繊維強化複合材料からなる試験体に取り付けられAE波を検出するAEセンサと、
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置が提供される。
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置が提供される。
また本発明によれば、(A)繊維強化複合材料からなる試験体にAE波を検出するAEセンサを取り付け、
(B)前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
(C)前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶し、
(D)前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求め、
(E)前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法が提供される。
(B)前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
(C)前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶し、
(D)前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求め、
(E)前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法が提供される。
本発明の発明者は、繊維強化複合材料(FRP)で発生するAE波の周波数とその強度との関係からAE波の重心周波数を求め、この重心周波数とFRPの破断までの形態(マイクロクラック、マトリックスクラック、層間剥離、及び破断)との関係に着目した。
その結果、FRPが健全な場合は、マイクロクラック又はマトリックスクラックにより発生するAE波の重心周波数が高く、FRPが損傷を受けると、層間剥離によりAE波の重心周波数が(例えば80kHz未満に)低くなることを新たに見出した。
本発明は、かかる新たな知見に基づくものである。
本発明は、かかる新たな知見に基づくものである。
上記本発明によれば、試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返し印加しかつ最大負荷を順に上昇させるので、時間の経過に従って負荷を常に増やす負荷パターンに限定されずに、自由な負荷パターンを適用することができる。
また、AE波の周波数とその強度との関係からAE波の重心周波数を求め、この重心周波数が所定の第1周波数未満(例えば80kHz未満)であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定するので、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる。
また、試験体に最初に与える荷重の最大値の設定を誤った場合でも、その最大値に達する前に、破断直前の層間剥離が生じていると判定できるので、カイザー効果を利用して試験体の引張強度を評価できる。
また、破断直前の層間剥離を判定した時点で、試験を終了できるので、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができる。
さらに、重心周波数が所定の第1周波数を超えている間は、健全性評価を省略又は簡略化できるので、負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む負荷パターンを実施しても評価時間を短縮することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図1は、本発明による繊維強化複合材料の健全性評価装置10の全体構成図である。
この図において、健全性評価装置10は、AEセンサ12、負荷試験装置14、記憶装置22、重心周波数演算部24、及び判定装置26を備える。
この図において、健全性評価装置10は、AEセンサ12、負荷試験装置14、記憶装置22、重心周波数演算部24、及び判定装置26を備える。
AEセンサ12は、繊維強化複合材料(FRP)からなる試験体1に取り付けられAE波2を検出する。
FRPは、後述する実施例ではCFRPであるが、その他のFRPであってもよい。
FRPは、後述する実施例ではCFRPであるが、その他のFRPであってもよい。
試験体1は、後述する実施例では引張試験用の試験片であるが、圧力容器(例えば水素貯蔵タンク)やその他の部品(例えば飛翔体部品、車両部分)であってもよい。
AEセンサ12は、超音波センサであり、周波数が20〜200kHzのAE信号を検出できるもの、好ましくは20〜150kHz、さらに好ましくは20〜100kHzのAE信号を検出できるものを少なくとも1つ用いる。
例えば、20〜100kHzのAE信号を検出できる低周波数域のAEセンサ12のみを用いてもよい。
CFRPの破断直前に発生するAE信号(AE波2)は、100kHz未満で発生するので、100kHz以上のAE波2の検出は必要性が低いからである。
なお、100〜200kHz用の高周波センサと、20〜75kHz用の低周波センサを用いてもよい。
例えば、20〜100kHzのAE信号を検出できる低周波数域のAEセンサ12のみを用いてもよい。
CFRPの破断直前に発生するAE信号(AE波2)は、100kHz未満で発生するので、100kHz以上のAE波2の検出は必要性が低いからである。
なお、100〜200kHz用の高周波センサと、20〜75kHz用の低周波センサを用いてもよい。
負荷試験装置14は、試験体1に負荷3の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン4を繰り返し印加しかつ最大負荷3aを順に上昇させる。
負荷試験装置14は、試験体1が引張試験用の試験片である場合は引張試験装置であり、試験体1が圧力容器である場合は加圧装置であるが、その他の装置であってもよい。
負荷3は、試験体1に取り付けられた負荷検出器11(例えば歪ゲージ)で計測される。
負荷パターン4は、負荷3が上昇、保持、及び除荷を含み、かつ最大負荷3aが順に上昇するように予め設定する。この負荷パターン4は、例えばASMEの規格(ASME Section V Article 11)に基づくのが好ましいがその他の任意の負荷パターン4を適用することができる。
負荷試験装置14は、試験体1が引張試験用の試験片である場合は引張試験装置であり、試験体1が圧力容器である場合は加圧装置であるが、その他の装置であってもよい。
負荷3は、試験体1に取り付けられた負荷検出器11(例えば歪ゲージ)で計測される。
負荷パターン4は、負荷3が上昇、保持、及び除荷を含み、かつ最大負荷3aが順に上昇するように予め設定する。この負荷パターン4は、例えばASMEの規格(ASME Section V Article 11)に基づくのが好ましいがその他の任意の負荷パターン4を適用することができる。
図1において、20はコンピュータであり、記憶装置22、演算装置、出力装置28を含む。
コンピュータ20は、好ましくは周波数フィルタ21を備え、20〜100kHzの低周波数域のAE信号のみを検出する。
記憶装置22は、AEセンサ12で検出されたAE波2を負荷と共に記憶する。
コンピュータ20は、好ましくは周波数フィルタ21を備え、20〜100kHzの低周波数域のAE信号のみを検出する。
記憶装置22は、AEセンサ12で検出されたAE波2を負荷と共に記憶する。
演算装置は、重心周波数演算部24と判定装置26を含む。
重心周波数演算部24は、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求める。
判定装置26は、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。「所定の第1周波数」は、後述する実施例では、80kHzであるが、FRPの種類に応じて例えば60〜100kHzの範囲で設定してもよい。
重心周波数演算部24は、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求める。
判定装置26は、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。「所定の第1周波数」は、後述する実施例では、80kHzであるが、FRPの種類に応じて例えば60〜100kHzの範囲で設定してもよい。
出力装置28は、例えば画像表示装置であり、少なくとも判定結果を表示する。出力装置28は、好ましくはAE波2の重心周波数5とその強度との関係図を併せて表示する。
図2は、AE波2の周波数とその強度との関係を示す説明図である。この図において、横軸はAE波2の周波数(Frequency[kHz])、縦軸はAE波2の強度(Amplitude[mV])である。
AE波2の重心周波数5、すなわちFCOG(Frequency Center of Gravity)は、この図における重心(図心)の位置する周波数であり、以下の式(1)で求めることができる。
FCOG=Σ(fi×Ai)/ΣAi・・・(1)
FCOG=Σ(fi×Ai)/ΣAi・・・(1)
ここで、fiは、AE波2の周波数、Aiは、周波数fiのAE波2の大きさ(振幅)である。添え字iは、複数の周波数を互いに区別するための指標値であって、1〜n(nは、2以上の整数であり、好ましくは、十分に大きい値)までの値をとり、Σは、iのすべての値についての総和を示す。
図3は、本発明による繊維強化複合材料の健全性評価方法の全体フロー図である。この図において、本発明の健全性評価方法は、上述した健全性評価装置10を用い、S1〜S6の各ステップ(工程)を有する。
ステップS1では、繊維強化複合材料(FRP)からなる試験体1にAE波2を検出するAEセンサ12を取り付ける。
ステップS2では、試験体1に負荷3の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン4を繰り返して印加しかつ最大負荷3aを順に上昇させる。
ステップS3では、AEセンサ12で検出されたAE波2を負荷3と共に記憶する。
なお、このステップは、AE波2の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施するのがよい。所定の閾値は、例えばAEセンサ12の1台当たり1秒間に10〜50個、好ましくは10〜20個であるが、適宜変更してもよい。
ステップS4では、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求める。
ステップS5では、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるか否かを判断する。
ステップS5で重心周波数5が所定の第1周波数未満(YES)であるとき、ステップS6で破断直前の層間剥離が生じていると判定する。ステップS5で重心周波数5が所定の第1周波数以上(NO)であるときは、S2〜S4を繰り返す。
ステップS2では、試験体1に負荷3の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン4を繰り返して印加しかつ最大負荷3aを順に上昇させる。
ステップS3では、AEセンサ12で検出されたAE波2を負荷3と共に記憶する。
なお、このステップは、AE波2の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施するのがよい。所定の閾値は、例えばAEセンサ12の1台当たり1秒間に10〜50個、好ましくは10〜20個であるが、適宜変更してもよい。
ステップS4では、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求める。
ステップS5では、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるか否かを判断する。
ステップS5で重心周波数5が所定の第1周波数未満(YES)であるとき、ステップS6で破断直前の層間剥離が生じていると判定する。ステップS5で重心周波数5が所定の第1周波数以上(NO)であるときは、S2〜S4を繰り返す。
また、ステップS6において、重心周波数5が第1周波数未満であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
また、ステップS4において、負荷3と重心周波数5との関係を求め、負荷3の上昇に対し重心周波数5が所定の第2範囲で上昇するときに、マイクロクラックのみが生じていると判定することができる。
また、さらに高い負荷範囲において負荷3の上昇に対し重心周波数5が所定の第3範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。
さらに高い負荷範囲において重心周波数5が第1周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。
また、さらに高い負荷範囲において負荷3の上昇に対し重心周波数5が所定の第3範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。
さらに高い負荷範囲において重心周波数5が第1周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。
図4は、カイザー効果を示す従来の実施例である。
この図において、横軸は試験開始からの経過時間(Time[s])、右側の縦軸は負荷(Load[kN])、左側の縦軸はAE波2の大きさ(Amp[dB])である。
また図中の太い実線の折れ線は負荷パターン4、白丸(○)は検出されたAE波2を示している。
この図において、横軸は試験開始からの経過時間(Time[s])、右側の縦軸は負荷(Load[kN])、左側の縦軸はAE波2の大きさ(Amp[dB])である。
また図中の太い実線の折れ線は負荷パターン4、白丸(○)は検出されたAE波2を示している。
図4の負荷パターン4は、負荷の上昇、保持、及び除荷を2回繰り返し、最大負荷3aを順に上昇させ、最後に破断するまで負荷を上昇させたものである。
この図にAで示す破線の円内では、AE波2が発生していない。従って、再負荷しても前回の応力値をこえるまではAE波2が生じないカイザー効果が生じていることがわかる。
この図にAで示す破線の円内では、AE波2が発生していない。従って、再負荷しても前回の応力値をこえるまではAE波2が生じないカイザー効果が生じていることがわかる。
従来の健全性評価方法では、健全比率(FR:Felicity Ratio)を通常用いている。
健全比率FRは、以下の式(2)で求めることができる。
FR=(AE波2の発生負荷)/(直前の最大負荷3a)・・・(2)
健全比率FRは、以下の式(2)で求めることができる。
FR=(AE波2の発生負荷)/(直前の最大負荷3a)・・・(2)
FRPが健全な場合、カイザー効果により前回の応力値をこえるまではAE波2が生じないので、FRは1.0となる。
またFRPが損傷を受けると、カイザー効果が生じなくなるので、FRが低下する。
従って、例えばFR>0.95を健全範囲とすることで、健全性を評価することができる。
図4のBで示す破線の円内では、AE波2の発生負荷が低くFRが低下しており、FRPが損傷を受けたサインと考えることができる。
またFRPが損傷を受けると、カイザー効果が生じなくなるので、FRが低下する。
従って、例えばFR>0.95を健全範囲とすることで、健全性を評価することができる。
図4のBで示す破線の円内では、AE波2の発生負荷が低くFRが低下しており、FRPが損傷を受けたサインと考えることができる。
しかし、従来の健全性評価方法では、図4において、およそ85dB以下でFRPが損傷を受けていることがわかるにすぎず、破断直前の層間剥離が発生する時点やその負荷は把握できない。
以下、本発明による健全性評価方法の実施例を説明する。
上述した健全性評価装置10を用い引張試験を実施した。この試験では、最初に繊維強化複合材料(FRP)からなる試験体1にAE波2を検出するAEセンサ12を取り付けた。また負荷検出器11として歪ゲージを取り付けた。
試験体1として引張試験用の試験片を用いた。この試験片は、CFRP(具体的にはT700SC)であり、ラミネート(繊維層の積層)は0/45/90/−45の4層である。
AEセンサ12として、100〜200kHz用の高周波センサと、20〜75kHz用の低周波センサを用いた。
また、20〜100kHzの低周波数域のAE信号のみを検出する周波数フィルタ21を用いた。
試験体1として引張試験用の試験片を用いた。この試験片は、CFRP(具体的にはT700SC)であり、ラミネート(繊維層の積層)は0/45/90/−45の4層である。
AEセンサ12として、100〜200kHz用の高周波センサと、20〜75kHz用の低周波センサを用いた。
また、20〜100kHzの低周波数域のAE信号のみを検出する周波数フィルタ21を用いた。
図5は、本発明の実施例の負荷パターン4を示す図である。この図に示すように、試験体1に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン4を3回繰り返して印加し、かつ最大負荷3aを238,476,714MPaの順に上昇させた。
また、負荷の4回目の上昇は試験体1の破断まで実施した。破断時の負荷は825MPaであった。
また、負荷の4回目の上昇は試験体1の破断まで実施した。破断時の負荷は825MPaであった。
記憶装置22により、AEセンサ12で検出されたAE波2を、歪ゲージで検出された負荷と共に記憶した。また、重心周波数演算部24により、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求めた。
図6は、AE波2の重心周波数5とその強度との関係図である。この図において、横軸は強度(Tensile Stress[MPa])、縦軸は重心周波数5(FCOG[kHz])である。また、図中の白丸(○)は検出されたAE波2の重心周波数5である。
図6において、約50MPaからAE波2が検出され、負荷が50〜約430MPaまでの上昇に対し、AE波2の重心周波数5が約85kHzから約115kHzまで上昇した。また、断面観察からこの間のFRPにはマイクロクラックが発生していた。またこの間の210〜340MPaまでの範囲でFRは、1.0であった。
なお、「マイクロクラック」とは、FRPのマトリックスに発生しており、長さが20μm以上〜100μm以下のクラックを意味する。
なお、「マイクロクラック」とは、FRPのマトリックスに発生しており、長さが20μm以上〜100μm以下のクラックを意味する。
この結果から、負荷の上昇に対し重心周波数5が所定の第2範囲で上昇するときに、FRPは健全であり、マイクロクラックのみが生じていると判定することができる。この例で、第2範囲は約80kHzから約120kHzまでであり、詳しくは約85kHzから約115kHzまでである。
図6において、負荷が約430〜約720MPaまでの上昇に対し、AE波2の重心周波数5が約115kHzから約83kHzまで下降した。また、断面観察からこの間のFRPにはマトリックスクラックが発生していた。またこの間の440〜580MPaまでの範囲でFRは、0.97であった。
なお、「マトリックスクラック」とは、マイクロクラックが進展してマトリックス内のき裂長さが100μmを超えているが、層間剥離は生じていないクラックを意味する。
なお、「マトリックスクラック」とは、マイクロクラックが進展してマトリックス内のき裂長さが100μmを超えているが、層間剥離は生じていないクラックを意味する。
この結果から、マイクロクラックの発生よりもさらに高い負荷範囲において、負荷の上昇に対し重心周波数5が所定の第3範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定することができる。この例で、第3範囲は約120kHzから約80kHzまでであり、詳しくは約115kHzから約83kHzまでである。
図6において、約720MPaから825MPa(破断強度)までの負荷範囲において、重心周波数5は約75kHzよりも低い値となっている。また、断面観察からこの間のFRPには層間剥離が発生していた。また670〜810MPaまでの範囲でFRは、0.84であった。
なお、「層間剥離」とは、マトリックスクラックが進展してラミネート(積層)された繊維層の一部が剥離した状態を意味する。
なお、「層間剥離」とは、マトリックスクラックが進展してラミネート(積層)された繊維層の一部が剥離した状態を意味する。
この結果から、マトリックスクラックの発生よりもさらに高い負荷範囲において重心周波数5が第1周波数よりも低いときに層間剥離が生じていると判定することができる。第1周波数は、この例で第3範囲の最小値よりも低く、約80kHz又は約75kHzであるであるが、FRPの種類に応じて例えば60〜100kHzの範囲で設定してもよい。
上述した実施例から、FRPの破損が、マイクロクラック、マトリックスクラック、層間剥離、破断の順で発生することが確認された。またマイクロクラックとマトリックスクラックの場合は、重心周波数5は80kHz以上、120kHz以下であり、FRは、0.95を超えており、FRPは健全範囲にあることがわかる。
さらに、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定することができる。この例において、第1周波数は、80kHzであるが、FRPの種類に応じて例えば60〜100kHzの範囲で設定してもよい。
また、重心周波数5が第1周波数以下であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
さらに、重心周波数5が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定することができる。この例において、第1周波数は、80kHzであるが、FRPの種類に応じて例えば60〜100kHzの範囲で設定してもよい。
また、重心周波数5が第1周波数以下であるときの引張荷重を層間剥離が生じる引張荷重と判定することができる。
上述した本発明によれば、試験体1に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターン4を繰り返し印加しかつ最大負荷3aを順に上昇させるので、時間の経過と共に負荷を常に増やす負荷パターン4に限定されず、自由な負荷パターン4を適用することができる。
また、AE波2の周波数とその強度との関係からAE波2の重心周波数5を求め、この重心周波数5が所定の第1周波数未満(例えば80kHz未満)であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する。これにより、破断直前の層間剥離を容易かつ確実に検出することができる。
また、試験体1に最初に与える荷重の最大値の設定を誤った場合でも、その最大値に達する前に、破断直前の層間剥離が生じていると判定できるので、カイザー効果を利用して試験体1の引張強度を評価できる。
また、破断直前の層間剥離を判定した時点で、試験を終了できるので、実際に破断するまで試験することなく、健全性評価ができる。
さらに、重心周波数5が第1周波数を超えている間は、FRPは健全範囲にあると判定できるので、健全性評価を省略又は簡略化して、負荷の保持又は負荷の減少(除荷)を含む負荷パターン4を実施しても評価時間を短縮することができる。
さらに、100〜200kHz用の高周波センサで検出するAE信号は、第1周波数未満の重心周波数5への影響がほとんどないので、高周波センサを省略し、センサの設置数を半減させることができる。この場合、周波数フィルタ21を用いて20〜100kHzの低周波数域のAE信号のみを検出することが好ましい。
なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
1 試験体、2 AE波、3 負荷、3a 最大負荷、4 負荷パターン、
5 重心周波数、10 健全性評価装置、11 負荷検出器、
12 AEセンサ、14 負荷試験装置、20 コンピュータ、
21 周波数フィルタ、22 記憶装置、24 重心周波数演算部、
26 判定装置、28 出力装置
5 重心周波数、10 健全性評価装置、11 負荷検出器、
12 AEセンサ、14 負荷試験装置、20 コンピュータ、
21 周波数フィルタ、22 記憶装置、24 重心周波数演算部、
26 判定装置、28 出力装置
Claims (5)
- 繊維強化複合材料からなる試験体に取り付けられAE波を検出するAEセンサと、
前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させる負荷試験装置と、
前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶する記憶装置と、
前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求める重心周波数演算部と、
前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する判定装置と、を備えた繊維強化複合材料の健全性評価装置。 - (A)繊維強化複合材料からなる試験体にAE波を検出するAEセンサを取り付け、
(B)前記試験体に負荷の上昇、保持、及び除荷を含む負荷パターンを繰り返して印加しかつ最大負荷を順に上昇させ、
(C)前記AEセンサで検出されたAE波を前記負荷と共に記憶し、
(D)前記AE波の周波数とその強度との関係から前記AE波の重心周波数を求め、
(E)前記重心周波数が所定の第1周波数未満であるとき破断直前の層間剥離が生じていると判定する、繊維強化複合材料の健全性評価方法。 - 前記重心周波数が第1周波数未満であるときの引張荷重を前記層間剥離が生じる引張荷重と判定する、請求項2に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。
- 前記負荷と前記重心周波数との関係を求め、
前記負荷の上昇に対し前記重心周波数が所定の第2範囲で上昇するときに、マイクロクラックのみが生じていると判定し、
さらに高い負荷範囲において前記負荷の上昇に対し前記重心周波数が所定の第3範囲で下降するときに、マトリックスクラックが生じていると判定し、
さらに高い負荷範囲において前記重心周波数が前記第1周波数よりも低いときに前記層間剥離が生じていると判定する、請求項2に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。 - 前記(C)は、前記AE波の発生頻度が所定の閾値を超えるときに実施する、請求項2に記載の繊維強化複合材料の健全性評価方法。
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