JP3312298B2 - 応力拡大係数の計測方法 - Google Patents
応力拡大係数の計測方法Info
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Description
方法にかかるもので、とくに橋梁、発電設備、圧力容
器、鉄塔、その他の建築物などの構造物ないしその構造
材料、さらには建設機械などの機械構造、その他の機器
の安全性を評価する応力拡大係数の計測方法に関するも
のである。
する可能性がある部材)の安全性評価および余寿命評価
においては、応力拡大係数にもとづいた線形破壊力学の
適用が有効であることが明かとなっている。応力拡大係
数は、亀裂先端の応力場の強さを示すスカラーパラメー
ターであって、亀裂の形状および寸法、亀裂が生じてい
る部材の形状および寸法、ならびに外力のレベルおよび
モードで決まる力学パラメーターである。線形破壊力学
によれば、応力拡大係数の値が材料固有のある一定の値
をこえたときに対象亀裂部材が破断すること、および、
金属疲労などの疲労破壊において応力拡大係数の変動の
大きさにより亀裂の進展速度が決まることが明かとなっ
ている。したがって、応力拡大係数は、亀裂が生じた部
材の安全性、および疲労寿命を定量的に評価するために
必要不可欠なパラメーターである。
ついては、従来からつぎのような方法が提案されてい
る。第1の方法としては、有限要素法などによる弾性解
析手法がある。すなわち、対象とする亀裂を含む構造物
ないしその構造材料や機器の全体あるいは一部を対象と
して解析モデルを作成し、要素分割のデータおよび境界
条件のデータなどを作成し、弾性解析プログラムにより
応力解析および変形解析を実行し、応力拡大係数を計算
する方法である。しかしながら、この方法においては、
亀裂部材を含んだ構造物ないしその構造材料や機器の全
体あるいは一部を解析する場合に、三次元問題であるこ
とも原因して、非常に多くの要素が必要となり、計算時
間が多くかかるという問題がある。とくに、亀裂の大き
さに対して構造物や機器の大きさが非常に大きい橋梁や
大型プラントなどにおいては、必要となる要素がきわめ
て多くなり、解析は事実上不可能である。仮に適当な大
きさの連続体を取り出し、境界条件を与えて解析を行う
ことができたとしても、その結果として得られた応力拡
大係数がどの程度に正しいのかの検証が問題となる。
る。図5は、このひずみゲージ法の一例を示す斜視図で
あって、亀裂部材1に生じた亀裂2の先端近傍におい
て、その部材側面3に抵抗線ひずみゲージ4をたとえば
放射状に貼り付け、亀裂部材1に荷重が作用したときの
ひずみを計測する方法である。図6は、亀裂部材1に他
の抵抗線ひずみゲージ5を貼り付けた状態を示す斜視図
であって、この場合には、亀裂2の進展方向前方に抵抗
線ひずみゲージ5を貼り付けている。これらの抵抗線ひ
ずみゲージ4、5にそれぞれリード線(図示せず)を接
続し、ひずみの変化にともなう抵抗変化の計測に供す
る。計測されたひずみと応力拡大係数との間の理論的な
関係を照合して応力拡大係数を評価する。しかしなが
ら、この方法においては、図5に示すように、亀裂2の
先端部6を取り囲むように抵抗線ひずみゲージ4を配置
する必要がある。あるいは図6に示すように、亀裂2の
延長線上に他の抵抗線ひずみゲージ5を配置する必要が
ある。亀裂部材1が単純な板材であるような場合には、
抵抗線ひずみゲージ4、5について記述のような配置が
可能であるが、汎用性がないという問題がある。すなわ
ち、図7に示すように、第1の板材7と第2の板材8と
の交差部に施された溶接部9など、形状が複雑な箇所に
生じた亀裂10については、図5あるいは図6に示すよ
うな抵抗線ひずみゲージ4、5の配置は事実上不可能で
ある。しかも実際には、こうした溶接部9に発生する亀
裂がはるかに多く経験されることから、実構造材料に発
生した亀裂10を対象とした現場での適用には不適切で
ある。
る。この方法は、荷重の載荷によって亀裂をまたぐ二点
間の交流電位差が変化することを利用するもので、あら
かじめ較正しておいた電位差変化と応力拡大係数との関
係と、交流電位差変化値の計測値とを照合することによ
り、応力拡大係数を評価するものである。しかしなが
ら、この方法においても、既述の第2の方法と同様に現
場での適用には不適切である。
ある。この方法は、亀裂部材に光線を照射し、その入射
光や反射光がスクリーンに結ぶ実像あるいは虚像がどの
ように歪むかによって応力拡大係数を評価するものであ
る。しかしながら、この方法は、透明な材料にしか適用
することができないという問題がある。
の方法は、透明な弾性体に偏光を当て、検光子を通して
みることにより得られる干渉模様から応力場を求めて、
応力拡大係数を評価するものである。しかしながら、こ
の方法も第4の方法と同様に、透明な材料にしか適用す
ることができないという問題がある。
適用範囲に限界があり、実構造物ないしその構造材料で
みられるような複雑な形状の箇所に生じる亀裂に対して
は適用することができないという問題がある。
諸問題にかんがみなされたもので、どのような亀裂に対
しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供するこ
とを課題とする。
けではなく、溶接部など形状が複雑な箇所に生じた亀裂
に対しても適用可能な応力拡大係数の計測方法を提供す
ることを課題とする。
使用することなく、非接触で実施することができる応力
拡大係数の計測方法を提供することを課題とする。
の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像にもとづいて
亀裂先端からの距離およびこの距離における亀裂開口量
(亀裂開口変位)を計測し、その値から応力拡大係数を
推定することに着目したもので、構造材料に作用する外
力により発生する亀裂の応力拡大係数の計測方法であっ
て、上記亀裂が発生している上記構造材料の表面におけ
る該亀裂をその先端近傍において撮影する撮影手段を準
備し、この撮影手段により、上記亀裂の先端からの距離
rと、この距離rにおける亀裂開口変位φと、を計測
し、この計測結果から応力拡大係数を演算することを特
徴とする応力拡大係数の計測方法である。
(せん断剛性)をG、上記構造材料の他の定数をκ(κ
=4−3v、vはポアソン比)としたときに、φ=(K
/G)×(r/2π)1/2×(κ+1)とすることがで
きる。
結合デバイスを有することができる。
である指標物を上記亀裂とともに写し込むことができ
る。
いては、亀裂の先端近傍の画像を撮影し、得られた画像
にもとづいて亀裂先端からの距離rおよびこの距離rに
おける亀裂開口量φを計測し、その値から応力拡大係数
を推定するようにしたので、亀裂の先端近傍を撮影する
ための撮影手段のみにより、応力拡大係数を簡単に計測
することができる。亀裂の先端近傍を撮影するだけであ
るので、簡便で、適用場所や構造材料の材質を選ばず、
非接触であるとともに、溶接部その他複雑な形状を有す
る箇所の亀裂に対しても適用可能である。
法を図1および図2にもとづき、より具体的に説明す
る。ただし、図5ないし図7と同様の部分には同一符号
を付し、その詳述はこれを省略する。図1は、本発明の
原理を説明するための斜視図、図2は、同、亀裂10部
分の拡大平面図であって、図7に示したと同様な溶接部
9ないし亀裂10が発生している第2の板材8(構造材
料)における亀裂10を撮影手段20により至近距離、
たとえば20mm程度の距離から撮影する。
さらに拡大して示すように、第2の板材8の表面におい
て、亀裂10の先端21から所定の距離rにある先端近
傍22の微小な開口部23の開口量(亀裂開口変位φ)
を精度良く計測することが必要であることから、対象物
(亀裂10)を少なくとも20倍以上、好ましくは10
0〜200倍に拡大して撮影することができる機能を有
する撮影装置が必要である。撮影手段20としては、た
とえば、CCD(電荷結合デバイス)素子を用いたマイ
クロスコープ、あるいはマイクロレンズ付きカメラなど
がある。
および図2に示すように、測定対象物に存在する亀裂1
0の先端近傍22を対象として、撮影手段20により画
像を撮影する。なお、撮影画像には、寸法が既知である
指標物(距離方向指標物24および開口方向指標物2
5)をともに写し込むことにより、撮影後に縮尺がわか
るようにしておく。これらの距離方向指標物24および
開口方向指標物25としては、たとえば実験室では、亀
裂10の近傍にマイクロビッカース試験機により0.5
mmの間隔で圧痕をつけ、この間に存在する撮影手段2
0の画素数から一つの画素の実スケールを演算すること
ができるようにする構成を採用することができる。実構
造物に対しては、撮影手段20側に同様な所定間隔の指
標を設けるようにする構成、あるいは物差しを一緒に写
し込む構成など、実寸法を確認可能な任意の構成を採用
することができる。
を計測する。具体的には、図2に示すように、亀裂10
の先端21から少し離れた数カ所を計測位置とし、亀裂
10の先端21から計測位置までの距離r、それぞれの
計測位置rにおける亀裂10の開口幅(亀裂開口変位
φ)について画像上の寸法を計測し、写し込んである上
記指標物(距離方向指標物24および開口方向指標物2
5)を参照することにより、画像上での寸法を実寸法に
変換する。
在する半無限亀裂において、亀裂10の先端21からの
距離rと、その位置での亀裂開口変位φとの間には、 φ=Σ(An/G)×rn/2(κ×sin(nπ/2)+(n/2)×sin ((n/2−2)π)−(n/2+(−1)n)×sin(nπ/2)) 式(1) という関係がある(nについての級数)。ただし、nは
1以上の整数、Gは構造材料の定数(せん断剛性)、κ
は構造材料の他の定数(κ=4−3v、vはポアソン比
(材料がSS400材の場合には、v=0.3))であ
って、多くの材料についてそれぞれの値はすでに求めら
れている。このうち、第1項の係数A1は、応力拡大係
数Kと、 A1=K/(2π)1/2 式(2) という関係にある。亀裂10の先端21にきわめて近い
領域では、第1項が支配的になるものと考えられること
から、第1項のみを取り出すことにより亀裂10の先端
近傍22の開口幅(亀裂開口変位φ)を近似することが
できるものとする。すなわち、 φ=(K/G)×(r/2π)1/2×(κ+1) 式(3) である。なお本発明において、亀裂10の先端21にき
わめて近い領域については、亀裂10の先端21からの
距離rの範囲として、1mm≦r≦10mm程度が望ま
しく、さらに好ましくは距離rとして約5mm前後であ
る。
亀裂開口量φをこの式(3)に適用することにより、応
力拡大係数Kを計算することができる。計算に必要とな
る計測点の数は何点でもよく、一点の場合には、式
(3)を逆に解くことにより、複数点の場合には最小自
乗法などの手法により応力拡大係数Kを計算することが
できる。最小自乗法などの手法による場合は、仮に応力
拡大係数Kおよび複数点の距離rを設定して式(3)か
ら求められる複数点における亀裂開口量φの計算値と、
それぞれの計測点(距離r)での亀裂開口量φの実際の
計測値との間の差の自乗和が最小となるように応力拡大
係数Kを求めることができる。
(SS400材)について、開口幅(亀裂開口変位φ)
の計算値と、上述のような本発明による計測方法の実測
値とを比較し、本発明による応力拡大係数の計測方法の
妥当性を説明する。CT試験片26の応力拡大係数K
は、 K=(P/W)×a1/2×F(a/W) 式(4) と計算することができる。ただし、Pは単位厚さあたり
の荷重であり、さらに図3に示すように、WはCT試験
片26を取り付ける疲労試験機(図示せず)の取付け用
孔27の中心からCT試験片26における亀裂10の進
展方向の端部までの長さ、aは上記取付け用孔27の中
心から亀裂10の先端21までの長さである。 F(ξ)=29.6−185.5ξ+655.7ξ2+
1017.0ξ3+638.9ξ4、である。この式
(4)を式(3)に代入することにより、亀裂開口変位
φの近似値を計算することができる。
荷重をかけて、式(4)により計算した応力拡大係数K
と、撮影手段20により亀裂10を実際に撮影し式
(3)から求めた応力拡大係数Kと、を比較する。すな
わち、図4は、亀裂10の先端21からの距離rに対す
る開口変位φ(亀裂開口変位)の関係を示すグラフであ
って、図4(1)は荷重が0.50tonfの場合、図
4(2)は荷重が1.00tonfの場合、図4(3)
は荷重が1.50tonfの場合をそれぞれ示す。
端21からごく近傍の領域においては、本発明による画
像計測にもとづく亀裂開口変位φの実測値と、計算値と
が非常によく合致していることがわかる。かくして、撮
影手段20を用いることにより距離rおよび亀裂開口変
位φを計測し、式(3)から容易に応力拡大係数Kを得
ることができる。なお本発明により計測方法により、C
T試験片26について、たとえば亀裂10の先端21か
らの距離r=5mmの位置において亀裂開口変位φ=
0.02mmとなるときの効力拡大係数K=19.4M
Pam1/2と演算することができる。
により亀裂の先端を含むその先端近傍を撮影し、亀裂先
端からの距離rおよび開口量φから、非接触で、かつ複
雑な形状の箇所における亀裂についても応力拡大係数を
簡単に求めることができる。
開口変位φ(亀裂開口変位)の関係を示すグラフであっ
て、図4(1)は荷重が0.50tonfの場合、図4
(2)は荷重が1.00tonfの場合、図4(3)は
荷重が1.50tonfの場合をそれぞれ示す。
る。
貼り付けた状態を示す斜視図である。
施された溶接部9に生じた亀裂10を示す斜視図であ
る。
な開口部 24 距離方向指標物(指標物) 25 開口方向指標物(指標物) 26 CT試験片(図3) 27 取付け用孔 r 亀裂10の先端21からの距離 φ 亀裂10の先端21から所定の距離rにある先端
近傍22の微小な開口部の開口量(亀裂開口変位)
Claims (4)
- 【請求項1】 構造材料に作用する外力により発生す
る亀裂の応力拡大係数の計測方法であって、 前記亀裂が発生している前記構造材料の表面における該
亀裂をその先端近傍において撮影する撮影手段を準備
し、 この撮影手段により、前記亀裂の先端からの距離rと、
この距離rにおける亀裂開口変位φと、を計測し、 この計測結果から応力拡大係数を演算することを特徴と
する応力拡大係数の計測方法。 - 【請求項2】 応力拡大係数をK、前記構造材料の定
数(せん断剛性)をG、前記構造材料の他の定数をκ
(κ=4−3v、vはポアソン比)としたときに、 φ=(K/G)×(r/2π)1/2×(κ+1) とすることを特徴とする請求項1記載の応力拡大係数の
計測方法。 - 【請求項3】 前記撮影手段は、その撮像素子として
電荷結合デバイスを有することを特徴とする請求項1記
載の応力拡大係数の計測方法。 - 【請求項4】 前記撮影手段による撮像には、寸法が
既知である指標物を前記亀裂とともに写し込むことを特
徴とする請求項1記載の応力拡大係数の計測方法。
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JP23052399A JP3312298B2 (ja) | 1999-08-17 | 1999-08-17 | 応力拡大係数の計測方法 |
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JP2001056272A JP2001056272A (ja) | 2001-02-27 |
JP3312298B2 true JP3312298B2 (ja) | 2002-08-05 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1999
- 1999-08-17 JP JP23052399A patent/JP3312298B2/ja not_active Expired - Fee Related
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