JP5002199B2 - 接着部はく離形状同定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバセンサを用いて構造物中の接着部に生じるはく離の形状を同定する接着部はく離形状同定装置に関する。

従来、特許文献１〜３に記載されるように、光ファイバセンサを用いて構造物中の歪を測定する装置が提案されている。
特許文献１記載の発明は、回転駆動されるブレードの歪を測定し、ブレードに作用する荷重の時刻歴データを取得する。
特許文献２記載の発明は、被測定物に複数の光ファイバセンサを配置し、光ファイバセンサ内で発生した歪情報を有するブリルアン散乱光の波長のシフト量と、光ファイバセンサの配置位置とに基づいて、被測定物において歪が発生した位置と歪量とを求める。

しかし、特許文献１，２記載の発明は、構造物中に生じるはく離を検知する目的のものではなかった。特許文献１，２記載の発明にあっては、構造物中に生じるはく離を検知する理論や技術手段が構成されておらず、ましてやはく離の形状まで同定することはできない。

これに対し特許文献３記載の発明は、光ファイバセンサを用いて構造物中の歪を測定し、その測定結果をはく離検知に応用する。
すなわち、特許文献３記載の発明は、コンクリートにＦＲＰを接着固定した構造に対し、コンクリートの接着面及びＦＲＰの接着面には、光ファイバセンサを配置し、光ファイバセンサからの反射光であるブリルアン散乱光の周波数分布を解析することで、光ファイバセンサの長さ方向所定位置の歪を計測する。そして、コンクリート側とＦＲＰ側の同一位置での計測値の差が所定値以上となった場合に、コンクリートとＦＲＰとの接着状態が不良となったと判断し、はく離検知を行う。
特開２００４−３３３３７８号公報 特開２００４−１０８８９０号公報 特開２００２−６２１１８号公報

しかし、特許文献３記載の発明にあってもさらに次のような問題があった。
特許文献３記載の発明にあっては、はく離を検知するために相互に接着される２つの部材の双方に光ファイバセンサを設置しなければならない。
また、特許文献３記載の発明にあっては、はく離の有無やその位置を検出することができても、はく離の形状まで同定することができない。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、光ファイバセンサを用いて構造物中の接着部に生じるはく離の形状を精度よく同定することができる接着部はく離形状同定装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、同定したはく離の形状を視覚的に表示することができる接着部はく離形状同定装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、２部材の接着面と、当該両接着面間に介在する接着剤により形成された接着層とからなる接着部における前記接着面の角からのはく離形状を同定する接着部はく離形状同定装置であって、
前記角を原点Ｏとした前記接着面上のＸ−Ｙ座標において式（１）によって近似的に表現される原点Ｏがはく離開始点とされたはく離先端の形状を同定するにあたり、

前記接着層に埋設され、前記Ｘ−Ｙ座標上に複数が配置され、歪に応じてスペクトルが変化する光を出力する光ファイバセンサの出力光から前記スペクトルを示す計測値情報を各々取得し、
前記計測値情報により示されるスペクトルのピーク波長に基づき算出される歪と、式（１）の（Ａ，Ｂ，α）を変数として理論値解析により得られた理論値情報に基づき算出される歪とを用い、
前記計測値情報に基づき算出される歪を対応する光ファイバセンサの前記Ｘ−Ｙ座標上の位置座標に結びつけた上で、
前記計測値情報に基づき算出される歪と前記理論値情報に基づき算出される歪との残差２乗和を最小化する最小化問題の解（Ａ，Ｂ，α）を得て、これと式（１）に基づき、前記はく離先端の形状を同定する演算処理装置を備える接着部はく離形状同定装置である。

請求項２記載の発明は、前記演算処理装置が同定した前記はく離先端の形状を前記接着部上での配置とともにグラフィック表示する画像表示装置を備える請求項１に記載の接着部はく離形状同定装置である。

本発明によれば、接着層に埋設された複数の光ファイバセンサから検出されたスペクトルのピーク波長に基づき歪の計測値を算出し、はく離先端の形状を式（１）で想定したときの歪の理論値との同定演算により、接着部に生じるはく離先端の形状を精度よく同定することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、同定した接着部のはく離先端の形状を接着部上での配置とともにグラフィック表示するので、同定したはく離の形状を使用者に対し視覚的に表示することができ、使用者にはく離形状を容易に認識させることができる。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は、構造物とこれを分析対象とする接着部はく離形状同定装置の概略構成図である。図１に示す構造物ａは、航空機の翼の外板ａ１と、ハット型縦通材ａ２と、外板ａ１とハット型縦通材ａ２とを接着固定する接着剤により形成された接着層ａ３とからなる。
接着部はく離形状同定装置ｂは、演算処理装置ｂ１と、画像表示装置ｂ２と、光スペクトラムアナライザｂ３と、光源ｂ４と、光サーキュレータｂ５と、センシング用の光ファイバｂ６と、Ａ/Ｄコンバータｂ７と、アンプｂ８とから構成される。

光ファイバｂ６は、接着層ａ３に埋設され、図１に示すようにハット型縦通材ａ２の長手方向に配置される。図１に示す光ファイバｂ６を含め複数本（図示せず）の光ファイバｂ６，ｂ６，・・・が間隔隔てて平行に配置される。
このような構造物ａでは、ハット型縦通材ａ２の接着面の内側角部からはく離が開始される。そのうち１つは図１に示す点Ｏである。同図に点Ｏを原点とするＸ−Ｙ座標を示した。図２に、同Ｘ−Ｙ座標と接着層ａ３の外形を示す。

この光ファイバｂ６には、FBG（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサが複数形成されている。すなわち、光ファイバｂ６のコア部に所定の波長光を反射するグレーティング部が複数形成されている。このグレーティング部がセンサ部となる。本実施形態では、図２に示すようにグレーティング部ｇがｎ行ｈ列に形成されている。個々のグレーティング部をｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnhにより表すこととする。

光源ｂ４より所定の波長帯域を網羅する照射光が光ファイバｂ６のコア部に入射される。その光は、光ファイバｂ６のコア部を伝搬してグレーティング部ｇで特定の波長の光のみ選択的に反射される。一本の光ファイバｂ６に形成されたグレーティング部（例えば、ｇ11，ｇ21〜ｇn1）は、互いに異なる波長帯域の反射特性となるように形成されている。

構造物ａに生じる応力により、このグレーティング部ｇにも歪が生じる。
グレーティング部ｇに歪が生じると、グレーティング部ｇの格子間隔の変化(伸縮)に伴って反射光の波長が変化する。すなわち、グレーティング部ｇの歪に変化が生じると、その歪量に応じて反射光の波長が変動することとなる。この変動としては、反射光のスペクトル形状の変化や、ピーク波長を含めてスペクトル全体のシフトがある。
したがって、光源ｂ４の所定の波長帯域は、すべてのグレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnhの反射光波長の変動波長帯域を網羅するものとされる。

光サーキュレータｂ５は、光源ｂ４からの光を光ファイバｂ６側へ進行させ、グレーティング部ｇで反射されて返ってきた反射光を光スペクトラムアナライザｂ３へ入力させる。

光スペクトラムアナライザｂ３は、１本の光ファイバｂ６によりシリアルで入力された反射光をグレーティング部毎（例えばｇ11，ｇ21，・・・ｇn1毎）の反射光に分離してパラレル変換し、分離された各反射光のスペクトル信号を電気信号に変換して外部出力する。スペクトラムアナライザｂ３の出力は、図示しないインターフェースを介してＡ／Ｄ変換されて演算処理装置ｂ１に入力される。

演算処理装置ｂ１は、以上のようにして各グレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnh毎のスペクトル情報を取得する。演算処理装置ｂ１は、このスペクトル情報により示されるスペクトルのピーク波長に基づき、反射光スペクトルのピーク波長と歪との相関を用いて各グレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnh毎の歪を算出する。演算処理装置ｂ１は、一定のサンプリング期間又はサンプリング回数の平均として歪を算出する。

さらに、はく離形状の同定のための処理内容につき説明する。
上述したようにして、演算処理装置ｂ１は、各グレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnh毎のスペクトル情報を取得し、それらから歪の計測値を演算して得る。演算処理装置ｂ１は、各グレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnhの位置座標の情報を予め記憶し保存している。演算処理装置ｂ１は、各スペクトル情報を対応する位置座標に結びつけてスペクトルの計測値情報として記憶保持する。同様に、歪の各計測値を対応する位置座標に結びつけて歪の計測値情報として記憶保持する。

接着部はく離の形状同定は、以上の計測値情報と、構造物ａの属性情報及び荷重条件に基づく理論的解析(有限要素解析、光学解析)より得られた理論値情報とに基づき行う。ここで、構造物ａの属性情報には、構造物ａの幾何学的情報及び構成部材の物性情報が含まれる。荷重条件としては、翼の定常状態で想定される荷重として、接着層ａ３に平行な所定の面内荷重が構造物ａに負荷された条件とする。

本実施形態では、計測値と理論値との残差２乗和を最小化することにより接着部はく離の形状同定を行う。具体的には、次の２通りの最小化処理を行う。
１つは、歪情報を用いた形状同定（第１の形状同定演算）である。図２に示すＸ−Ｙ座標において、はく離先端ｃの形状は、Ａ，Ｂ，αを変数とする式（１）によって近似的に表現される。

この歪情報を用いた形状同定は、歪の理論値情報として有限要素解析より得られるＸ軸方向平均歪をε_i（変数：Ａ，Ｂ，α）とし、上記歪の計測値情報によるＸ軸方向平均歪をω_iとしたとき、式（２）の関数Ｆを最小化する最適化問題を解くことに帰着される。
ここで、Ｎは総計測点数である。総計測点数とは、本同定に用いるグレーティング部ｇ11〜ｇn1，ｇ12〜ｇn2，・・・ｇ1h〜ｇnhの総数である。すべてを用いる場合は、Ｎ＝ｎ×ｈである。一部を用いる場合は、はく離付近（原点Ｏ付近）に配置されるグレーティング部から得られる情報を用いる。最適化手法としてBFGS可変計量法を、一次元探索には囲い込みと多項式近似を用いる。

この歪情報を用いた形状同定を行った場合、得られた同定結果が式（２）の目的関数における局所最小解となるケースが多く、これにより形状同定の精度が低下してしまう。
そこで本実施形態では、演算処理装置ｂ１が取得したスペクトル情報により示される反射光スペクトル形状を用いた形状同定（第２の形状同定演算）をも実施する。

すなわち、演算処理装置ｂ１は、上述のようにして取得したスペクトル情報により示される反射光スペクトル形状をフーリエ級数によって近似し、その係数を基に接着部はく離の形状同定を行う。反射光スペクトル形状を算出するための光学解析手法としては有限要素解析より得られた歪を利用し、伝達行列法によって算出する。
反射光スペクトル形状を用いた形状同定は、理論値情報として有限要素解析より得られる反射光スペクトル形状に関するｍ次のフーリエ係数をａ_ｍ（変数：Ａ，Ｂ，α）とし、上記スペクトルの計測値情報による反射光スペクトル形状に関するｍ次のフーリエ係数をｂ_ｍとしたとき、式（３）の関数Ｆを最小化する最適化問題を解くことに帰着される。最適化手法としてBFGS可変計量法を、一次元探索には囲い込みと多項式近似を用いる。

本実施形態では上記の２通りの手法を組み合わせ、演算処理装置ｂ１は、次のような順序で接着部はく離の形状同定のための演算を行う。

（ステップ１）
接着部はく離の形状同定においては、はく離領域にセンサ部、すなわち、グレーティング部ｇが含まれるか否かによってそのグレーティング部ｇに生じる平均歪の値が大きく異なる。すなわち、はく離領域においては、理論値情報として得られた平均歪と計測値情報として得られた平均歪が大きく異なる。そこで、本形状同定においては、いかなる一つのセンサ部においても式（４）を満たした場合、初期値から除外する。

ここでeは閾値である。この閾値は構造物の接着部の形状等により決定されるパラメータで、実験等で経験的に求められる。

（ステップ２：第１の形状同定演算）
次に、上述した歪情報を用いた形状同定を行う。すなわち、式（２）の関数Ｆの値をゼロに近づける最適化計算を行う。

（ステップ３：第２の形状同定演算）
次に、上述した反射光スペクトル形状を用いた形状同定を行う。すなわち、式（３）の関数Ｆの値をゼロに近づける最適化計算を行う。その際、ステップ２の最適化計算により算出された最適解を初期値とする。

以後目的関数式（２）、式（３）の値がある閾値以下になるまでステップ２及びステップ３を交互に繰り返し行う。この閾値とは構造物の接着部の形状により決定されるパラメータで、実験等で経験的に求められる。その際、各ステップでは、前ステップの最適化計算により算出された最適解を初期値として受け継ぐ。これにより、精度良く同定を行うことができる。

演算処理装置ｂ１は、上記演算で得られた解（Ａ，Ｂ，α）と式（１）に基づき、はく離先端の形状を特定し、画像表示装置ｂ２に表示する。画像表示装置ｂ２には、図３に示すように、同定した接着層ａ３のはく離形状を接着層ａ３上での配置とともにグラフィック表示する。図３(a)は２次元表示、図３（ｂ）は３次元表示したものである。図３においてｄ１は、本接着部はく離形状同定装置ｂが同定したはく離先端のラインである。図３(a)中のｄ２は、接着層ａ３の外形ラインである。
これにより、使用者に接着部のはく離形状を視覚的に表示することができ、使用者にはく離形状を容易に認識させることができる。

なお、本実施形態においては、第１の形状同定演算を先に行ったが、第２の形状同定演算を先に行っても良い。

本発明一実施形態に係る接着部はく離形状同定装置の概略構成図である。 図１に示す点Ｏを原点とするＸ−Ｙ座標上の接着層の平面図である。 本発明一実施形態に係るはく離形状のグラフィック表示例である。(a)は２次元、(b)は３次元で示したグラフィック表示例である。

符号の説明

ａ 構造物
ａ１ 外板
ａ２ ハット型縦通材
ａ３ 接着層
ｂ 接着部はく離形状同定装置
ｂ１ 演算処理装置
ｂ２ 画像表示装置
ｂ３ 光スペクトラムアナライザ
ｂ４ 光源
ｂ５ 光サーキュレータ
ｂ６ 光ファイバ
ｂ７ Ａ/Ｄコンバータ
ｂ８ アンプ
ｃ はく離先端
ｄ はく離部
ｇ グレーティング部

Claims (2)

1. ２部材の接着面と、当該両接着面間に介在する接着剤により形成された接着層とからなる接着部における前記接着面の角からのはく離形状を同定する接着部はく離形状同定装置であって、
   前記角を原点Ｏとした前記接着面上のＸ−Ｙ座標において式（１）によって近似的に表現される原点Ｏがはく離開始点とされたはく離先端の形状を同定するにあたり、
   

   

   前記接着層に埋設され、前記Ｘ−Ｙ座標上に複数が配置され、歪に応じてスペクトルが変化する光を出力する光ファイバセンサの出力光から前記スペクトルを示す計測値情報を各々取得し、
   前記計測値情報により示されるスペクトルのピーク波長に基づき算出される歪と、式（１）の（Ａ，Ｂ，α）を変数として理論値解析により得られた理論値情報に基づき算出される歪とを用い、
   前記計測値情報に基づき算出される歪を対応する光ファイバセンサの前記Ｘ−Ｙ座標上の位置座標に結びつけた上で、
   前記計測値情報に基づき算出される歪と前記理論値情報に基づき算出される歪との残差２乗和を最小化する最小化問題の解（Ａ，Ｂ，α）を得て、これと式（１）に基づき、前記はく離先端の形状を同定する演算処理装置を備える接着部はく離形状同定装置。
2. 前記演算処理装置が同定した前記はく離先端の形状を前記接着部上での配置とともにグラフィック表示する画像表示装置を備える請求項１に記載の接着部はく離形状同定装置。

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