JP7522354B2 - Crack state estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、内面にき裂を有する板状や管状の部材について、き裂の状態(き裂の位置、き裂の長さ)を推定する方法に関する。特に、本発明は、簡便且つ汎用性に優れたき裂の状態推定方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating the state of a crack (crack position, crack length) in a plate-like or tubular member having a crack on its inner surface. In particular, the present invention relates to a simple and versatile method for estimating the state of a crack.
各種の機械構造物において、機械構造物を構成する部材がき裂を有する場合の疲労強度の評価が求められることがある。具体的には、機械構造物に作用する荷重下で、き裂が進展するか否かを評価したり、進展を許容する場合には、き裂の長さ(深さ)が臨界長さに到達するまでの荷重負荷の繰り返し数(すなわち、疲労寿命)を評価することで、機械構造物の健全性を評価することが必要になる場合がある。 In various types of mechanical structures, it is sometimes necessary to evaluate the fatigue strength when a component that constitutes the mechanical structure has a crack. Specifically, it may be necessary to evaluate whether or not a crack will grow under a load acting on the mechanical structure, and if growth is permitted, to evaluate the number of repeated load applications until the length (depth) of the crack reaches a critical length (i.e., the fatigue life) to evaluate the soundness of the mechanical structure.
上記の評価においては、き裂の状態、すなわち、き裂の位置や長さを知ることが必要である。ただし、き裂が外部から視認できない機械構造物の内部(機械構造物を構成する部材の内面)に存在する場合には、外観からき裂の状態を知ることができない。このため、き裂の状態を検知する各種の非破壊的な方法が用いられることがある。具体的には、超音波、X線、赤外線などを機械構造物に照射したり、磁場、電流、電圧などを機械構造物に印加して、き裂の存在による場(磁場、電位場、温度場など)の乱れを検出することで、き裂の状態を検知する方法が用いられることがある。しかしながら、これらの方法には、いずれも特殊な装置を用いることが必要であったり、場の乱れとき裂の状態との関係を予め求める必要があるといった問題がある。 In the above evaluation, it is necessary to know the state of the crack, that is, the position and length of the crack. However, if the crack is inside the mechanical structure (the inner surface of a component that constitutes the mechanical structure) and cannot be seen from the outside, the state of the crack cannot be known from the outside. For this reason, various non-destructive methods are sometimes used to detect the state of the crack. Specifically, methods are sometimes used in which ultrasonic waves, X-rays, infrared rays, etc. are irradiated to the mechanical structure, or a magnetic field, current, voltage, etc. are applied to the mechanical structure to detect the state of the crack by detecting the disturbance of the field (magnetic field, electric potential field, temperature field, etc.) caused by the presence of the crack. However, all of these methods have problems such as the need to use special equipment and the need to determine in advance the relationship between the disturbance of the field and the state of the crack.
一方、部材に外力が加わることで生じる部材の変形量(ひずみ)に基づき、き裂の状態を検知する方法も提案されている(例えば、非特許文献1、2)。
On the other hand, methods have also been proposed for detecting the state of cracks based on the amount of deformation (strain) of a component caused by the application of an external force to the component (e.g.,
非特許文献1には、き裂の先端と対向する試験片の背面にひずみゲージを貼り付け、その出力(ひずみ値)と試験力との関係からコンプライアンス(変形量/荷重を意味する。剛性の逆数)を求め、このコンプライアンスとき裂の長さとの関係式に基づき、き裂の長さを求める方法が記載されている。この方法は、き裂の長さの変化に伴って試験片の剛性が変化することを利用した技術であるが、コンプライアンスとき裂の長さとの関係式は各種試験片に対して個別に定式化されたものであり、その適用は個々の試験片に限られ、汎用性がないという問題がある。
Non-Patent
非特許文献2には、薄鋼板のスポット溶接部を対象に、ひずみゲージの出力に基づいて、内面き裂の発生と進展(き裂の長さの増加)を非破壊で検出する方法が提案されている。しかしながら、非特許文献1と同様に、ひずみとき裂の長さとの関係を予め求めておく必要があり、汎用性がないという問題がある。
Non-Patent
なお、非特許文献3には、円板の表面き裂を対象にして、き裂の有無がコンプライアンス、ひいては曲げモーメントに及ぼす影響を近似的に解析し、き裂の長さと応力拡大係数との関係を得る方法が提案されている。非特許文献3に記載の方法は、視点を変えれば、部材の内面に存在するき裂にも適用できると考えられるが、特定の力学条件に対する結果しか示されていないことや、板のたわみなどについて複雑な定式化を必要とすることから、汎用性に劣る。 Non-Patent Document 3 proposes a method for approximately analyzing the effect of the presence or absence of a crack on compliance, and therefore bending moment, on a surface crack in a circular plate, and for obtaining the relationship between the crack length and the stress intensity factor. If viewed from a different perspective, the method described in Non-Patent Document 3 can also be applied to cracks that exist on the inner surface of a component, but it is less versatile because it only shows results for specific mechanical conditions and requires complex formulations for plate deflection, etc.
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するべくなされたものであり、簡便且つ汎用性に優れたき裂の状態推定方法を提供することを課題とする。 The present invention was made to solve the problems of the conventional technology as described above, and aims to provide a simple and versatile method for estimating the state of a crack.
前記課題を解決するため、本発明者は、鋭意検討を行った。き裂の存在及びき裂の長さの増加は、部材の剛性を局所的に低下させるため、部材の剛性を評価することで、き裂の状態を定量的に評価できる可能性がある。また、部材に外力が加わった場合の弾性変形の理論によれば、変形後の部材の形状の曲率は、部材の剛性と相関を有し、曲率の絶対値が大きいほど剛性は小さいと考えられる。
そこで、本発明者は、部材の外面側から比較的簡便に且つ高精度に測定可能な外面形状に着目した。具体的には、部材に損傷を与えない程度の外力を能動的に加えることにより変形が生じた後の外面形状、又は、部材を用いた機械構造物の組み立て工程等で受動的に生じる外力(残留応力)により変形が生じた後の外面形状を測定することに着目した。そして、本発明者は、測定した外面形状に基づき、外面形状の曲率分布を算出すれば、この曲率分布から部材の局所的な剛性の低下位置、すなわち、き裂の位置を推定できることを見出した。
In order to solve the above problems, the present inventors have conducted extensive research. Since the presence of a crack and an increase in the length of the crack locally reduces the rigidity of a component, it is possible to quantitatively evaluate the state of the crack by evaluating the rigidity of the component. In addition, according to the theory of elastic deformation when an external force is applied to a component, the curvature of the shape of the component after deformation correlates with the rigidity of the component, and it is considered that the greater the absolute value of the curvature, the smaller the rigidity.
Therefore, the inventors focused on the outer surface shape that can be measured relatively easily and with high accuracy from the outer surface side of a component. Specifically, the inventors focused on measuring the outer surface shape after deformation occurs due to active application of an external force that does not damage the component, or the outer surface shape after deformation occurs due to an external force (residual stress) that occurs passively during an assembly process of a mechanical structure using the component. The inventors then found that if the curvature distribution of the outer surface shape is calculated based on the measured outer surface shape, the position of localized reduction in stiffness of the component, i.e., the position of a crack, can be estimated from the curvature distribution.
本発明は、本発明者の上記の知見に基づき完成したものである。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、内面にき裂を有する部材について前記き裂の状態を推定する方法であって、外力が加わることで変形が生じた後の前記部材の外面形状を測定する第1ステップと、前記第1ステップで測定した前記外面形状に基づき、前記外面形状の曲率分布を算出する第2ステップと、前記第2ステップで算出した前記曲率分布において、曲率の絶対値が極大値を示す前記部材の外面の位置を特定する第3ステップと、前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置に対向する前記部材の内面の位置を前記き裂の位置と推定する第4ステップと、前記第2ステップで算出した前記曲率分布において、前記き裂の存在が曲率に影響を及ぼす前記部材の外面の位置の範囲であるき裂影響範囲を決定する第5ステップと、前記第5ステップで決定した前記き裂影響範囲の外側に位置する前記曲率分布に基づき、前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置における前記き裂が存在しない場合の曲率κ
0
を推定する第6ステップと、前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置での絶対値が極大値を示す曲率κ
c
と、前記第6ステップで推定した前記曲率κ
0
との比κ
c
/κ
0
を算出する第7ステップと、前記第7ステップで算出した前記比κ
c
/κ
0
と、前記き裂が存在しない場合の前記部材の厚みt
0
とに基づき、前記第4ステップで推定した前記き裂の位置での前記部材の残存厚みt
r
を推定する第8ステップと、前記厚みt
0
から前記第8ステップで推定した前記残存厚みt
r
を減算することで、前記き裂の長さを推定する第9ステップと、を含む、ことを特徴とするき裂の状態推定方法を提供する。
The present invention has been completed based on the above findings of the present inventors.
That is, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a method for estimating the state of a crack in a member having an inner surface, the method comprising: a first step of measuring an outer surface shape of the member after deformation occurs due to application of an external force; a second step of calculating a curvature distribution of the outer surface shape based on the outer surface shape measured in the first step; a third step of identifying a position on the outer surface of the member where the absolute value of the curvature shows a maximum value in the curvature distribution calculated in the second step; a fourth step of estimating a position on the inner surface of the member opposite the position on the outer surface of the member identified in the third step as the position of the crack; a fifth step of determining a crack-affected range, which is a range of positions on the outer surface of the member where the presence of the crack affects the curvature in the curvature distribution calculated in the second step; a sixth step of estimating a
本発明において、「内面」とは、外部から視認できない部材の面を意味し、「外面」とは、「内面」に対向する面であって、外部から視認できる部材の面を意味する。部材が板状である場合には、この板状部材を用いて組み立てた機械構造物の状態で、外部から視認できない面が「内面」であり、外部から視認できる面が「外面」である。部材が管状である場合には、文字通り、管状部材の内面が「内面」であり、管状部材の外面が「外面」である。
本発明において、「内面にき裂を有する部材」とは、き裂の開口が内面側に存在する部材を意味する。
本発明において、「外力」とは、部材に損傷を与えない程度に能動的に加える外力と、部材を用いた機械構造物の組み立て工程等で受動的に生じる外力(残留応力)との双方を含む概念である。また、「外力」としては、き裂の開口が拡がる方向に作用する外力である限りにおいて、特に限定されず、曲げ荷重、引張荷重、及びこれらが混合された荷重が含まれる。
In the present invention, the "inner surface" refers to a surface of a member that cannot be seen from the outside, and the "outer surface" refers to a surface of the member that faces the "inner surface" and can be seen from the outside. When a member is plate-shaped, in the state of a mechanical structure assembled using this plate-shaped member, the surface that cannot be seen from the outside is the "inner surface", and the surface that can be seen from the outside is the "outer surface". When a member is tubular, the inner surface of the tubular member is literally the "inner surface", and the outer surface of the tubular member is the "outer surface".
In the present invention, the term "component having a crack on its inner surface" refers to a component in which the opening of the crack is present on the inner surface side.
In the present invention, the term "external force" is a concept including both an external force actively applied to a degree that does not damage a member, and an external force (residual stress) that occurs passively during an assembly process of a mechanical structure using the member. In addition, the "external force" is not particularly limited as long as it acts in a direction that expands the opening of a crack, and includes bending loads, tensile loads, and loads that are a mixture of these.
本発明に係る方法によれば、第1ステップにおいて、外力が加わることで変形が生じた後の部材の外面形状が測定される。外面形状、すなわち、部材の外面における面内方向の位置と面外方向の位置との関係は、公知の非接触式又は接触式の形状測定装置によって、部材の外面側から比較的簡便に且つ高精度に測定可能である。非接触式の形状測定装置としては、レーザ等を用いた光学式の1次元距離計を走査する方式の形状測定装置、光学式の2次元距離計、光学式の3次元形状測定装置などを例示できる。接触式の形状測定装置としては、触針式の3次元形状測定装置などを例示できる。 According to the method of the present invention, in the first step, the outer surface shape of a member after deformation caused by application of an external force is measured. The outer surface shape, i.e., the relationship between the in-plane position and the out-of-plane position on the outer surface of the member, can be measured relatively easily and with high accuracy from the outer surface side of the member by a known non-contact or contact shape measuring device. Examples of non-contact shape measuring devices include shape measuring devices that use a scanning optical one-dimensional distance meter using a laser or the like, optical two-dimensional distance meter, and optical three-dimensional shape measuring devices. Examples of contact shape measuring devices include a stylus-type three-dimensional shape measuring device.
そして、本発明に係る方法によれば、第2ステップにおいて、第1ステップで測定した外面形状に基づき、外面形状の曲率分布、すなわち、部材の外面における面内方向の位置と各位置での曲率との関係を算出する。外面形状の曲率分布は、例えば、外面形状の面外方向の位置を面内方向の位置について2階微分する(例えば、面内の任意の一方向の位置について2階微分する)ことで算出可能である。 In the method according to the present invention, in the second step, the curvature distribution of the outer surface shape, i.e., the relationship between the in-plane position on the outer surface of the component and the curvature at each position, is calculated based on the outer surface shape measured in the first step. The curvature distribution of the outer surface shape can be calculated, for example, by second-order differentiation of the out-of-plane position of the outer surface shape with respect to the in-plane position (for example, second-order differentiation with respect to a position in any one direction within the plane).
さらに、本発明に係る方法によれば、第3ステップにおいて、第2ステップで算出した曲率分布において、曲率の絶対値が極大値を示す部材の外面の位置(面内方向の位置)を特定する。この特定された部材の外面の位置では、曲率の絶対値が極大値を示す、すなわち、曲率の絶対値がその近辺に比べて大きくなるため、剛性が小さいと考えられる。したがって、この特定された部材の外面の位置は、き裂の位置に対応すると考えることができる。
このため、本発明に係る方法によれば、第4ステップにおいて、特定した部材の外面の位置に対向する部材の内面の位置をき裂の位置と推定することが可能である。
Furthermore, according to the method of the present invention, in the third step, a position (in-plane position) on the outer surface of the member where the absolute value of the curvature shows a maximum value in the curvature distribution calculated in the second step is identified. Since the absolute value of the curvature shows a maximum value at this identified position on the outer surface of the member, that is, the absolute value of the curvature is larger than that of the surrounding area, it is considered that the rigidity is small. Therefore, it can be considered that this identified position on the outer surface of the member corresponds to the position of the crack.
Therefore, according to the method of the present invention, in the fourth step, it is possible to estimate the position of the inner surface of the member that faces the identified position of the outer surface of the member as the position of the crack.
以上に説明した第1~第4ステップによれば、任意の部材について、内面に存在するき裂の位置を簡便に推定可能である。ただし、外面形状の曲率分布を算出するだけでは、き裂の長さを推定することは困難である。外面形状の曲率分布をそのまま用いてき裂の長さを推定するには、き裂の長さと曲率との関係を知る必要があるが、これを任意の力学条件に対して定式化することが困難だからである。
そこで、本発明者は、更に鋭意検討した結果、まず、前述の第3ステップで特定した部材の外面の位置(内面に存在するき裂の位置に対応する外面の位置)におけるき裂が存在しない場合の曲率κ0を推定することが有用であることを見出した。この曲率κ0は、第2ステップで算出した曲率分布において、き裂の存在が曲率に影響を及ぼす部材の外面の位置の範囲であるき裂影響範囲を決定し、この決定したき裂影響範囲の外側に位置する曲率分布に基づき推定することができる。次に、本発明者は、第3ステップで特定した部材の外面の位置での絶対値が極大値を示す曲率κcと、推定した曲率κ0との比κc/κ0を算出すれば、この比κc/κ0と、き裂が存在しない場合の部材の厚みt0とに基づき、き裂の位置での部材の残存厚みtrを精度良く推定できることを見出した。き裂の位置での部材の残存厚みtrを推定できれば、き裂が存在しない場合の部材の厚みt0から残存厚みtrを減算することで、き裂の長さを推定することが可能である。
According to the first to fourth steps described above, the position of a crack present on the inner surface of any component can be easily estimated. However, it is difficult to estimate the length of a crack by only calculating the curvature distribution of the outer surface shape. This is because, in order to estimate the length of a crack using the curvature distribution of the outer surface shape as it is, it is necessary to know the relationship between the crack length and the curvature, but it is difficult to formulate this relationship for any mechanical condition.
Therefore, the inventors have further studied and found that it is useful to first estimate the
上記の本発明者の知見によれば、き裂の位置に加えて、き裂の長さを推定するには、前述の第5~第9ステップが必要である。 According to the findings of the inventors mentioned above, in order to estimate the crack length in addition to the crack position, the above-mentioned fifth to ninth steps are necessary.
前記第6ステップにおいて、「前記き裂影響範囲の外側に位置する前記曲率分布に基づき」とは、き裂影響範囲の外側に位置する曲率分布全体に基づく場合に限らず、その一部に基づく場合も含む概念である。
本発明に係る方法によれば、本発明者が知見したように、第8ステップでき裂の位置での部材の残存厚みtrを推定することができ、これを用いて第9ステップでき裂の長さを推定することができる。
なお、き裂の長さに関する本発明者の知見の詳細については、後述する。
In the sixth step , "based on the curvature distribution located outside the crack influenced area" is a concept that includes not only the case where it is based on the entire curvature distribution located outside the crack influenced area, but also the case where it is based on a part of it.
As the inventors have discovered, the method according to the present invention makes it possible to estimate the remaining thickness t r of the component at the position of the crack in the eighth step, and to use this to estimate the length of the crack in the ninth step.
The inventor's findings regarding the crack length will be described in detail later.
本発明に係る方法において、具体的には、前記第6ステップにおいて、前記き裂影響範囲の外側に位置する前記曲率分布を前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置に向けて外挿することで、前記曲率κ0を推定することが考えられる。 In the method according to the present invention , specifically, in the sixth step, it is considered that the curvature κ 0 is estimated by extrapolating the curvature distribution located outside the crack affected area toward the position of the outer surface of the component identified in the third step.
また、本発明に係る方法において、具体的には、前記第8ステップにおいて、前記比κc/κ0の三乗根と、前記厚みt0とを乗算することで、前記残存厚みtrを推定することが考えられる。 In the method according to the present invention , specifically, in the eighth step, the remaining thickness tr may be estimated by multiplying the cube root of the ratio κ c /κ 0 by the thickness t 0 .
本発明によれば、任意の部材について、内面に存在するき裂の状態を簡便に推定可能である。 The present invention makes it possible to easily estimate the state of cracks present on the inner surface of any component.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について、内面にき裂を有する部材が板状である場合を例に挙げて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るき裂の状態推定方法を実行するための装置の概略構成を模式的に示す図である。
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings as appropriate, an embodiment of the present invention will be described, taking as an example a case in which a member having a crack on its inner surface is plate-shaped.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus for carrying out a crack state estimation method according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態に係るき裂の状態推定方法(以下、適宜、単に「推定方法」という)を適用する対象である部材Sは、その内面S1にき裂Cを有する。図1では、便宜上、図示を省略しているが、部材Sは他の部材と組み合わされて機械構造物を構成しており、内面S1は、外部から視認できない状態となっている。部材Sの外面S2は、外部から視認可能である。図1に示す矢符Xは部材Sの長手方向を、矢符Yは厚み方向を、符号Zは長手方向及び厚み方向に直交する幅方向を示す。
図1に示すように、本実施形態に係る推定方法を実行するための装置100は、形状測定装置1と、演算装置2と、を備えている。
As shown in Fig. 1, a member S to which the crack state estimation method according to this embodiment (hereinafter, simply referred to as the "estimation method") is applied has a crack C on its inner surface S1. Although not shown in Fig. 1 for convenience, the member S is combined with other members to form a mechanical structure, and the inner surface S1 is not visible from the outside. The outer surface S2 of the member S is visible from the outside. The arrow X in Fig. 1 indicates the longitudinal direction of the member S, the arrow Y indicates the thickness direction, and the symbol Z indicates the width direction perpendicular to the longitudinal direction and the thickness direction.
As shown in FIG. 1, an
形状測定装置1は、外力が加わることで変形が生じた後の部材Sの外面形状を測定する装置である。外力は能動的に加えられたものでもよいし、受動的に生じたものでもよい。本実施形態の形状測定装置1としては、光切断法を測定原理とする光学式の2次元距離計が用いられている。具体的には、本実施形態の形状測定装置1は、X方向に延びる線状のレーザ光LLを照射する光源(図示せず)と、レーザ光LLが照射された部材Sの外面S2を撮像する撮像手段(図示せず)と、撮像手段で取得した撮像画像に画像処理を施すことで、撮像画像におけるレーザ光LLに相当する画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の位置に基づき外面S2の形状(XY座標)を算出する画像処理手段(図示せず)と、を具備する。なお、外面S2におけるレーザ光LLの照射範囲外の部位の形状を測定する必要がある場合(外面S2におけるレーザ光LLの照射範囲外の部位に対向する内面S1の部位に存在するき裂の状態を推定する場合)には、外面S2の異なる部位にレーザ光LLが照射されるように、形状測定装置1を部材Sの長手方向(X方向)に移動させ、移動させた位置毎に外面形状を測定すればよい。また、必要に応じて、形状測定装置1を部材Sの幅方向(Z方向)に移動させ、移動させた位置毎に外面形状を測定すればよい。
本実施形態では、上記のように、形状測定装置1として、光学式の2次元距離計を用いているが、本発明はこれに限るものではない。例えば、光学式の1次元距離計(Y座標を測定する距離計)をX方向に走査する方式の形状測定装置や、光学式の3次元形状測定装置(XYZ座標を測定する装置)を用いることも可能である。また、接触式(例えば、触針式)の3次元形状測定装置を用いることも可能である。
The
In this embodiment, as described above, an optical two-dimensional range finder is used as the
演算装置2には、形状測定装置1で測定された部材Sの外面形状(外面S2の形状(XY座標))が入力され、演算装置2は、後述の演算(第2ステップST2~第9ステップST9)を実行するように構成されている。
演算装置2としては、例えば、後述の演算を実行するプログラムがインストールされた汎用のコンピュータが用いられる。
The outer surface shape (shape of outer surface S2 (XY coordinates)) of component S measured by
The
以下、上記の構成を有する装置100を用いた本実施形態に係る推定方法について説明する。
図2は、本実施形態に係る推定方法の概略手順を示すフロー図である。図2に示すように、本実施形態に係る推定方法は、第1ステップST1~第9ステップST9を含む。第1ステップST1~第4ステップST4は、き裂Cの位置を推定するステップであり、第5ステップST5~第9ステップST9は、き裂Cの長さを推定するステップである。以下、き裂Cの位置を推定するステップ(第1ステップST1~第4ステップST4)、き裂Cの長さを推定するステップ(第5ステップST5~第9ステップST9)について、順に説明する。
The estimation method according to this embodiment using the
Fig. 2 is a flow diagram showing an outline of the procedure of the estimation method according to this embodiment. As shown in Fig. 2, the estimation method according to this embodiment includes a first step ST1 to a ninth step ST9. The first step ST1 to the fourth step ST4 are steps for estimating the position of the crack C, and the fifth step ST5 to the ninth step ST9 are steps for estimating the length of the crack C. Below, the steps for estimating the position of the crack C (the first step ST1 to the fourth step ST4) and the steps for estimating the length of the crack C (the fifth step ST5 to the ninth step ST9) will be described in order.
[き裂Cの位置を推定するステップ]
き裂Cが存在しない場合と比較して、き裂Cが存在する場合には、部材Sの実質的な厚み(残存厚み)が小さくなる。このため、部材Sに外力が加わると、き裂Cが存在する位置の近傍で部材Sが局所的に折れ曲がる。しかし、形状測定装置1で測定される変形後の部材Sの外面形状は、き裂Cの存在に対して鈍感であるため、外面形状そのものに基づいて折れ曲がり位置を定量的・客観的に決定することは難しい。そこで、本発明者は、折れ曲がりが部材Sの剛性の局所的な低下に起因することに鑑み、部材Sの剛性と相関を有し、且つ、部材Sの外面形状から容易に算出できる曲率分布を用いることで、折れ曲がり位置、すなわち、き裂Cの位置を精度良く推定できることを見出した。
[Step of estimating the position of crack C]
When the crack C is present, the substantial thickness (residual thickness) of the member S is smaller than when the crack C is not present. Therefore, when an external force is applied to the member S, the member S locally bends near the position where the crack C exists. However, since the outer surface shape of the member S after deformation measured by the
<第1ステップST1>
第1ステップST1では、外力が加わることで変形が生じた後の部材Sの外面形状を形状測定装置1によって測定する。形状測定装置1で測定された部材Sの外面形状(外面S2のXY座標)は、演算装置2に入力される。
<First step ST1>
In a first step ST1, the outer surface shape of the member S after deformation caused by the application of an external force is measured by the
<第2ステップST2>
図3は、本実施形態に係る推定方法の第2ステップST2~第6ステップST6を説明する説明図である。
第2ステップST2では、演算装置2が、第1ステップST1で測定した部材Sの外面形状に基づき、図3に示すような外面形状の曲率分布を算出する。具体的には、演算装置2は、部材Sの外面形状(外面S2のXY座標)のY座標をX座標について2階微分することで、外面形状のX方向についての曲率分布(X座標と各X座標での曲率との関係)を算出する。
<Second step ST2>
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the second step ST2 to the sixth step ST6 of the estimation method according to this embodiment.
In the second step ST2, the
<第3ステップST3>
第3ステップST3では、演算装置2が、第2ステップST2で算出した曲率分布において、曲率の絶対値が極大値を示す部材Sの外面の位置を特定する。図3に示す例では、曲率の絶対値が極大値を示す部材Sの外面S2の位置(X座標)Pが特定される。
<Third step ST3>
In the third step ST3, the
<第4ステップST4>
第4ステップST4では、特定した部材Sの外面S2の位置Pに対向する部材Sの内面S1の位置(X座標)P’(図1参照)をき裂Cの位置と推定する。
<Fourth step ST4>
In a fourth step ST4, a position (X coordinate) P' (see FIG. 1) of the inner surface S1 of the member S opposite to the identified position P of the outer surface S2 of the member S is estimated to be the position of the crack C.
[き裂Cの長さを推定するステップ]
部材Sの外力(例えば、曲げ荷重)が加わった場合の弾性変形の理論によれば、変形後の部材Sの外面形状の曲率は、部材Sの剛性(曲げ剛性)に反比例する。また、剛性は、本実施形態のように部材Sが板状部材である場合、断面二次モーメント等の考え方から、部材Sの厚みの三乗に比例すると考えられる。したがって、部材Sの外面形状の曲率が得られれば、き裂Cの位置P’での部材Sの残存厚み、ひいては、き裂Cの長さも定量的に推定できる可能性がある。しかしながら、この考え方を適用するには、解決すべき問題が2点ある。
1点目は、部材Sの外面形状の曲率と部材Sの剛性との相関の定量化である。前述のように、部材Sの外面形状の曲率と部材Sの剛性とは反比例の関係にあるが、その比例係数は、力学条件が完全に明らかな(力学条件が単純な)場合にのみ既知であり、実際の部材Sのように複雑な力学条件に対する汎用解を得ることができない。
2点目は、部材Sの剛性(外面形状の曲率)とき裂Cの長さ(き裂Cの位置P’での部材Sの残存厚み)との相関の定量化である。き裂Cが存在する場合のき裂Cの位置P’に対応する外面S2の位置Pでの曲率と、位置Pでの残存厚みと等しい均一な厚みを有する部材の外面形状の曲率とは、当然に異なる。これは両者の力学条件が異なるからである。したがって、部材Sの外面形状の曲率から直接的に部材Sの残存厚み、ひいては、き裂Cの長さを求めることはできない。
そこで、本発明者は鋭意検討した結果、第5ステップST5~第9ステップST9を実行することで、き裂Cの長さを精度良く推定できることを見出した。
[Step of estimating the length of the crack C]
According to the theory of elastic deformation when an external force (e.g., bending load) is applied to the component S, the curvature of the outer surface shape of the component S after deformation is inversely proportional to the rigidity (bending rigidity) of the component S. Furthermore, when the component S is a plate-like component as in this embodiment, the rigidity is considered to be proportional to the cube of the thickness of the component S from the perspective of the second moment of area and the like. Therefore, if the curvature of the outer surface shape of the component S can be obtained, it may be possible to quantitatively estimate the remaining thickness of the component S at the position P' of the crack C, and therefore the length of the crack C. However, there are two problems to be solved in order to apply this perspective.
The first point is to quantify the correlation between the curvature of the outer surface shape of the member S and the rigidity of the member S. As described above, the curvature of the outer surface shape of the member S and the rigidity of the member S are inversely proportional to each other, but the proportionality coefficient is known only when the mechanical conditions are completely clear (the mechanical conditions are simple), and it is not possible to obtain a general-purpose solution for the complex mechanical conditions of an actual member S.
The second point is to quantify the correlation between the rigidity of the component S (the curvature of the outer surface shape) and the length of the crack C (the remaining thickness of the component S at the position P' of the crack C). The curvature at the position P of the outer surface S2 corresponding to the position P' of the crack C when a crack C exists is naturally different from the curvature of the outer surface shape of a component having a uniform thickness equal to the remaining thickness at the position P. This is because the mechanical conditions of the two are different. Therefore, it is not possible to directly obtain the remaining thickness of the component S, and therefore the length of the crack C, from the curvature of the outer surface shape of the component S.
Therefore, as a result of intensive research, the present inventors have found that the length of the crack C can be estimated with high accuracy by performing the fifth step ST5 to the ninth step ST9.
<第5ステップST5>
第5ステップST5では、演算装置2が、第2ステップST2で算出した曲率分布において、き裂Cの存在が曲率に影響を及ぼす部材Sの外面S2の位置(X座標)の範囲であるき裂影響範囲(図3参照)を決定する。
き裂Cが存在する場合、き裂Cから離れるにしたがって、曲率に及ぼすき裂Cの影響は減少し、やがて曲率はき裂Cが存在しない場合と同等の値になると考えることができる。そこで、本実施形態では、演算装置2は、き裂Cの位置P’に対応する位置Pを基準として、曲率の変化がほぼなくなる位置の範囲をき裂影響範囲として決定する。き裂影響範囲は、第2ステップST2で算出した曲率分布の形状に応じて決定される。具体的には、例えば、演算装置2は、曲率分布をX座標について1階微分することで、曲率の変化率の分布を算出し、この変化率が予め定めたしきい値未満となる(曲率の変化がほぼ収束する)位置P1、P2(図3参照)をき裂影響範囲の最外点として決定する。
<Fifth step ST5>
In the fifth step ST5, the
When a crack C exists, the influence of the crack C on the curvature decreases with distance from the crack C, and the curvature eventually becomes equal to that when the crack C does not exist. Therefore, in this embodiment, the
<第6ステップST6>
第6ステップST6では、演算装置2が、第5ステップST5で決定したき裂影響範囲の外側に位置する曲率分布(図3に示す例では、破線ORで囲んだ、き裂影響範囲よりもX座標の大きな位置にある曲率分布)に基づき、第3ステップST3で特定した部材Sの外面S2の位置Pにおけるき裂Cが存在しない場合の曲率κ0を推定する。具体的には、本実施形態では、演算装置2は、破線ORで囲んだ曲率分布を位置Pに向けて外挿することで、曲率κ0を推定する。すなわち、演算装置2は、破線ORで囲んだ曲率分布(X座標と各X座標での曲率との関係)に基づき、最小二乗法等の近似計算を用いて、X座標と各X座標での曲率との関係を適当な関数(図3に示す例では、一点鎖線で示す近似直線)で近似し、X座標が位置Pであるときの近似関数の値を曲率κ0とする。
<Sixth step ST6>
In the sixth step ST6, the
<第7ステップST7>
第7ステップST7では、演算装置2が、第3ステップST3で特定した部材Sの外面S2の位置Pでの絶対値が極大値を示す曲率κcと、第6ステップST6で推定した曲率κ0との比κc/κ0を算出する。この比κc/κ0は、き裂Cが存在する場合の相対的な外面形状の曲率であり、以下、この比κc/κ0を適宜「無次元化曲率」と称する。
無次元化曲率κc/κ0を算出する理由は以下の通りである。前述の解決すべき問題の2点目でも述べたように、一般的な部材Sについては力学条件が不明であるため、曲率κcのみではき裂Cの長さを一意に決定することができない。一方、曲率κ0についても、この値のみでは力学条件を明らかにすることができないものの、部材Sの厚みt0(き裂Cが存在しない場合の厚み、図1参照)は既知である。したがって、曲率κcと曲率κ0との比を取ることにより、力学条件の影響を相殺した上で、変化した部材Sの厚み、すなわち、残存厚みtr(図1参照)を推定できると考えられる。なお、後述の実施例に示す通り、曲率κ0の値は、部材Sの構造や加わる外力が同一であっても、き裂Cの長さによって変化する。これは、き裂Cの長さによって、力学条件(き裂C近傍の変形状態)が異なるためであり、無次元化曲率κc/κ0を導入して力学条件の影響を相殺することが不可欠であるといえる。
<Seventh step ST7>
In seventh step ST7, the
The reason for calculating the non-dimensional curvature κ c /κ 0 is as follows. As described in the second problem to be solved above, the mechanical conditions of a general member S are unknown, so the length of the crack C cannot be uniquely determined by the curvature κ c alone. On the other hand, although the mechanical conditions cannot be clarified by the value of the curvature κ 0 alone, the thickness t 0 of the member S (thickness when the crack C does not exist, see FIG. 1) is known. Therefore, by taking the ratio between the curvature κ c and the curvature κ 0 , it is considered that the thickness of the member S that has changed, that is, the remaining thickness t r (see FIG. 1), can be estimated after offsetting the influence of the mechanical conditions. Note that, as shown in the examples described later, the value of the curvature κ 0 changes depending on the length of the crack C even if the structure of the member S and the external force applied are the same. This is because the mechanical conditions (deformation state near the crack C) differ depending on the length of the crack C, and it can be said that it is essential to introduce the non-dimensional curvature κ c /κ 0 to offset the influence of the mechanical conditions.
<第8ステップST8>
第8ステップST8では、演算装置2が、第7ステップST7で算出した無次元化曲率κc/κ0と、き裂Cが存在しない場合の部材Sの厚みt0とに基づき、第4ステップST4で推定したき裂Cの位置P’での部材Sの残存厚みtrを推定する。無次元化曲率κc/κ0は、き裂Cが存在しない場合を基準とした相対的な外面形状の曲率である。したがって、弾性変形の理論に基づき、無次元化曲率κc/κ0が部材Sの厚みの三乗に反比例すると考えれば、き裂Cが存在しない場合の部材Sの厚みt0との比較により、き裂Cが存在する場合の部材Sの厚み、すなわち、残存厚みtrを推定することができる。具体的には、本実施形態では、演算装置2は、無次元化曲率κc/κ0の三乗根と、厚みt0とを乗算することで、残存厚みtrを推定する。
すなわち、演算装置2は、以下の式(A)によって、残存厚みtrを推定する。
tr=t0・(κc/κ0)1/3 ・・(A)
<Eighth step ST8>
In the eighth step ST8, the
That is, the
t r =t 0・(κ c /κ 0 ) 1/3・・(A)
<第9ステップST9>
第9ステップST9では、演算装置2が、厚みt0から第8ステップST8で推定した残存厚みtrを減算することで、き裂の長さtcを推定する。
すなわち、演算装置2は、以下の式(B)によって、き裂の長さtcを推定する。
tc=t0-tr ・・(B)
<Ninth step ST9>
In a ninth step ST9, the
That is, the
t c =t 0 -t r ...(B)
以上に説明した本実施形態に係る推定方法は、き裂Cが存在しない場合の部材Sの厚みt0を基準にして、力学条件が不明であることを外面形状の曲率の相対比(無次元化曲率κc/κ0)を用いることで解決したものである。また、外面形状の曲率分布からき裂Cが曲率分布に及ぼす影響を定量的に推定する方法であり、部材Sの外面形状という限られた情報から、部材Sの内面S1に存在するき裂Cの状態(き裂Cの位置と長さ)を精度良く推定できるものである。このように、本実施形態に係る推定方法によれば、任意の部材Sについてのき裂Cの状態を、非破壊で、簡便に且つ高精度に推定でき、部材Sの疲労強度に及ぼすき裂Cの影響を定量的に評価できる効果も得られる。 The estimation method according to the present embodiment described above solves the problem of unknown mechanical conditions by using the relative ratio of the curvatures of the outer surface shape (non-dimensional curvature κ c /κ 0 ) based on the thickness t 0 of the member S when no crack C exists. In addition, this is a method for quantitatively estimating the effect of the crack C on the curvature distribution from the curvature distribution of the outer surface shape, and can accurately estimate the state of the crack C present on the inner surface S1 of the member S (the position and length of the crack C) from limited information, namely the outer surface shape of the member S. In this way, according to the estimation method according to the present embodiment, the state of the crack C in an arbitrary member S can be estimated non-destructively, simply, and with high accuracy, and the effect of quantitatively evaluating the effect of the crack C on the fatigue strength of the member S can also be obtained.
以下、本発明に係るき裂の状態推定方法の効果を有限要素解析を用いて検証した実施例について説明することで、本発明の特徴をより一層明らかにする。 Below, we will explain examples in which the effectiveness of the crack state estimation method according to the present invention was verified using finite element analysis, to further clarify the features of the present invention.
図4に示すように、長さ(X方向の寸法)が20mm、厚みt0(Y方向の寸法)が1.6mmで、X方向の一方の端(左端)から距離Lの位置に長さDのき裂Cを有する板状の部材Sを対象にして、有限要素解析を実行した。解析モデルとしては2次元弾性解析モデルを用い、解析モデルの要素としては平面ひずみ要素を用いた。要素分割は0.1mm角の格子状とした。き裂Cを構成する節点は二重節点とした。板材を構成する材料のヤング率E=206[GPa]とし、前記材料のポアソン比ν=0.3とした。距離Lは、1mm、2mmの2条件とし、長さDは、0mm(き裂無し)、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mmの5条件とした。
この解析モデルに対して、部材Sの左端を完全固定し、部材Sの他方の端(右端)にY方向負側(下方)に500Nの荷重(曲げ荷重)を負荷する条件で、有限要素解析を実行し、変形後の部材Sの外面形状(具体的には、X座標の関数である外面S2の変形量δy(x))等を算出した。
As shown in FIG. 4, a finite element analysis was performed on a plate-like member S having a length (dimension in the X direction) of 20 mm, a thickness t 0 (dimension in the Y direction) of 1.6 mm, and a crack C of length D at a distance L from one end (left end) in the X direction. A two-dimensional elastic analysis model was used as the analysis model, and plane strain elements were used as the elements of the analysis model. The element division was a lattice of 0.1 mm square. The nodes constituting the crack C were double nodes. The Young's modulus E of the material constituting the plate material was set to 206 [GPa], and the Poisson's ratio ν of the material was set to 0.3. The distance L was set to two conditions, 1 mm and 2 mm, and the length D was set to five conditions, 0 mm (no crack), 0.5 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, and 1.2 mm.
Finite element analysis was performed on this analysis model under the condition that the left end of the member S was completely fixed and a load (bending load) of 500 N was applied to the other end (right end) of the member S in the negative Y direction (downward), and the outer surface shape of the member S after deformation (specifically, the deformation amount δ y (x) of the outer surface S2, which is a function of the X coordinate) was calculated.
なお、図4に示す解析モデルと同じ単一の板状の部材Sであれば、き裂Cを外観から直接検出できるものの、本実施例では、き裂Cが存在する内面S1と反対側の外面S2の形状(変形量)に基づき、き裂Cの状態(き裂Cの位置、き裂Cの長さ)を推定できるか否かを検証することを目的とした。本実施例は、複数の板状の部材を重ねた機械構造物(スポット溶接部など)で、き裂Cが存在する側の部材Sの変形挙動を模擬したものであり、内面S1のき裂Cの検出可否の検証に資するものである。
また、前述のように、本発明に係るき裂の状態推定方法では、き裂Cが存在しない場合の曲率κ0を推定するが(実際の機械構造物を構成する部材Sについては、き裂Cが存在しない場合の曲率が既知ではないため)、本実施例では、比較のために、き裂Cが存在しない場合(D=0mm)の解析も実行した。
さらに、前述のように、要素分割は0.1mm角の格子状としたため、外面S2の変形量δy(x)は、座標Xに関する離散的なデータ(各要素を構成する各節点における値)として算出されることになる。実際の部材Sを対象とした外面形状の測定においても、デジタルデータを得る方式であれば、測定される外面形状は離散的となるが、その測定ピッチを曲率κcの特定や曲率κ0の推定に必要な精度を満足する程度に細かく設定すればよい。
Although the crack C can be directly detected from the appearance if it is a single plate-like member S like the analysis model shown in Fig. 4, the purpose of this embodiment is to verify whether or not it is possible to estimate the state of the crack C (position of the crack C, length of the crack C) based on the shape (amount of deformation) of the outer surface S2 opposite to the inner surface S1 where the crack C exists. This embodiment simulates the deformation behavior of the member S on the side where the crack C exists in a mechanical structure (such as a spot welded portion) in which multiple plate-like members are stacked, and contributes to verifying whether or not the crack C on the inner surface S1 can be detected.
As described above, in the crack state estimation method according to the present invention, the curvature κ 0 is estimated in the absence of the crack C (because the curvature in the absence of the crack C is not known for the member S constituting the actual mechanical structure), but in this embodiment, for comparison, an analysis in the absence of the crack C (D=0 mm) was also performed.
Furthermore, as described above, since the element division is in the form of a 0.1 mm square grid, the deformation amount δ y (x) of the outer surface S2 is calculated as discrete data (values at each node constituting each element) related to the coordinate X. Even in measuring the outer surface shape of an actual member S, if a method for obtaining digital data is used, the measured outer surface shape will be discrete, but the measurement pitch can be set finely to a degree that satisfies the accuracy required for identifying the curvature κ c and estimating the curvature κ 0 .
図5は、本実施例によって算出した変形後の部材Sの外面形状(外面S2の変形量δy(x))を示す図である。図5(a)はL=1mmの場合の算出結果であり、図5(b)はL=2mmの場合の算出結果である。図5において、D=0mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mmの各条件で算出された結果をそれぞれ異なる形態のドットでプロットしている。なお、図5の縦軸は、各X座標での変形量δy(x)を変形量が最大となる負荷位置(部材Sの右端)での変形量で除算して無次元化した無次元化変形量を示している。したがって、実際に算出された変形量δy(x)がY方向の負の値であるのに対して、図5に示す無次元化変形量は正の値になっている。
図5に示すように、き裂Cの位置(図5(a)ではL=1mmの位置、図5(b)ではL=2mmの位置)の近傍において、変形が屈曲しているように見える。しかしながら、特に、き裂Cの長さが小さいと屈曲は不明瞭である。このため、外面S2の変形量、すなわち、変形後の部材Sの外面形状そのものに基づいて、き裂Cの位置を明確且つ定量的に推定することは困難であることが分かる。したがって、前述のように、本発明に係る状態推定方法では、外面形状の曲率分布を算出(第2ステップST2)している。
FIG. 5 is a diagram showing the outer surface shape (deformation amount δ y (x) of the outer surface S2) of the member S after deformation calculated by this embodiment. FIG. 5(a) shows the calculation result when L = 1 mm, and FIG. 5(b) shows the calculation result when L = 2 mm. In FIG. 5, the results calculated under each condition of D = 0 mm, 0.5 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, and 1.2 mm are plotted with dots of different shapes. The vertical axis of FIG. 5 shows the non-dimensional deformation amount obtained by dividing the deformation amount δ y (x) at each X coordinate by the deformation amount at the load position (the right end of the member S) where the deformation amount is maximum. Therefore, while the actually calculated deformation amount δ y (x) is a negative value in the Y direction, the non-dimensional deformation amount shown in FIG. 5 is a positive value.
As shown in Figure 5, the deformation appears to bend near the position of crack C (position L = 1 mm in Figure 5(a) and position L = 2 mm in Figure 5(b)). However, the bending is unclear, especially when the length of crack C is small. For this reason, it is clear that it is difficult to clearly and quantitatively estimate the position of crack C based on the amount of deformation of the outer surface S2, i.e., the outer surface shape of the member S after deformation itself. Therefore, as described above, in the state estimation method of the present invention, the curvature distribution of the outer surface shape is calculated (second step ST2).
図6は、本実施例によって算出した外面形状の曲率分布を示す図である。図6(a)はL=1mmの場合の算出結果であり、図6(b)はL=2mmの場合の算出結果である。図6において、D=0mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mmの各条件で算出された結果をそれぞれ異なる形態のドットでプロットしている。なお、図6の縦軸は、負の値となっているが、本実施例では、外面形状がX方向正側に対して時計回りの向きの曲線となっており(上に凸となっており)、この場合の曲率を負の値として定義しているためである。
外面形状の曲率分布は、部材Sの外面形状のY座標をX座標について2階微分することで算出できる。本実施例では、部材Sの外面形状、すなわち、変形量δy(x)が離散的なデータとして算出されているため、以下の式(1)によって1階微分を算出し、同じ要領で更にその1階微分を算出することで、曲率分布を算出した。
dδy(xi)/dxi={δy(xi+1)-δy(xi-1)}/(xi+1-xi-1)・・(1)
上記の式(1)において、添え字iは、部材Sの固定端(左端)からi番目の節点におけるデータであることを意味する。
図6に示すように、図5とは異なり、固定端からの距離Lが1mm及び2mmの近傍において、曲率の絶対値が明瞭な極大値を示している。したがって、曲率の絶対値が極大値を示す部材Sの外面S2の位置(X座標)に対向する部材Sの内面の位置をき裂Cの位置と精度良く推定することが可能である。本実施例では、L=1mm及び2mmの位置がき裂Cの位置であると推定されたと考えて、後述のように、き裂Cの長さtcを推定している。
なお、外面形状の曲率分布を算出するにあたっては、例えば、離散的なデータを適宜関数近似した後に、その関数を2階微分するなど、必要な精度が確保できる限りにおいて、その算出方法は限定されない。
Fig. 6 is a diagram showing the curvature distribution of the outer surface shape calculated by this embodiment. Fig. 6(a) shows the calculation result when L = 1 mm, and Fig. 6(b) shows the calculation result when L = 2 mm. In Fig. 6, the results calculated under each condition of D = 0 mm, 0.5 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, and 1.2 mm are plotted with dots of different shapes. Note that the vertical axis of Fig. 6 is a negative value, but this is because in this embodiment, the outer surface shape is a curve in the clockwise direction with respect to the positive side of the X direction (convex upward), and the curvature in this case is defined as a negative value.
The curvature distribution of the outer surface shape can be calculated by second-order differentiation of the Y coordinate with respect to the X coordinate of the outer surface shape of the member S. In this example, since the outer surface shape of the member S, i.e., the deformation amount δ y (x), is calculated as discrete data, the first-order differentiation is calculated by the following formula (1), and the first-order differentiation is further calculated in the same manner to calculate the curvature distribution.
dδ y (x i )/dx i = {δ y (x i+1 )−δ y (x i−1 )}/(x i+1 −x i−1 )...(1)
In the above formula (1), the subscript i indicates data at the i-th node from the fixed end (left end) of the member S.
As shown in Fig. 6, unlike Fig. 5, the absolute value of the curvature clearly shows a maximum value in the vicinity of the distance L from the fixed end of 1 mm and 2 mm. Therefore, it is possible to accurately estimate the position of the inner surface of the member S opposite the position (X coordinate) of the outer surface S2 of the member S where the absolute value of the curvature shows a maximum value as the position of the crack C. In this embodiment, it is considered that the positions of L = 1 mm and 2 mm are estimated to be the position of the crack C, and the length tc of the crack C is estimated as described below.
In addition, when calculating the curvature distribution of the outer surface shape, the calculation method is not limited as long as the required accuracy can be ensured, such as, for example, appropriately performing a function approximation on discrete data and then performing a second-order differentiation of the function.
次に、本実施例では、図6に示す外面形状の曲率分布に基づき、前述のように定義されるき裂影響範囲を決定した。本実施例では、式(1)と同じ要領で曲率分布をX座標について1階微分することで、曲率の変化率の分布を算出し、この変化率が予め定めたしきい値(5×10-3(1/mm2)程度)未満となる(曲率の変化がほぼ収束する)位置をき裂影響範囲の最外点として決定した。具体的には、図6に示すように、き裂影響範囲の最外点(X方向正側の最外点)の位置は、き裂Cの位置+2mmとなった。 Next, in this embodiment, the crack-affected range defined as above was determined based on the curvature distribution of the outer surface shape shown in Fig. 6. In this embodiment, the distribution of the rate of change of the curvature was calculated by first-order differentiation of the curvature distribution with respect to the X coordinate in the same manner as in formula (1), and the position where this rate of change was less than a predetermined threshold value (approximately 5 x 10 -3 (1/mm 2 )) (where the change in curvature nearly converges) was determined as the outermost point of the crack-affected range. Specifically, as shown in Fig. 6, the position of the outermost point of the crack-affected range (the outermost point on the positive side in the X direction) was the position of crack C + 2 mm.
次に、本実施例では、図6に示す外面形状の曲率分布及びき裂影響範囲に基づき、無次元化曲率κc/κ0を算出した。本実施例では、図6に示すように、き裂影響範囲の外側に位置する曲率分布のうち、き裂Cの位置+2mm~き裂Cの位置+4mmの範囲である範囲ORの曲率分布を外挿することで曲率κ0を推定した。具体的には、範囲ORの曲率分布に基づき、最小二乗法を用いて、以下の式(2)で表される近似直線で近似し、き裂Cの位置(図6(a)ではL=1mm、図6(b)ではL=2mm)における近似直線の縦軸の値を曲率κ0として算出した。
κ=ax+b ・・(2)
上記の式(2)において、κは曲率[1/mm]、a、bは定数である。
そして、き裂Cの位置における曲率κcと、上記のようにして推定した曲率κ0との比κc/κ0を無次元化曲率として算出した。
なお、き裂影響範囲の決定方法、外挿に用いる曲率分布の範囲やその近似関数は、曲率分布の状態に応じて、適切な条件を設定すればよい。
Next, in this embodiment, the non-dimensional curvature κ c /κ 0 was calculated based on the curvature distribution of the outer surface shape and the crack-influenced range shown in Fig. 6. In this embodiment, as shown in Fig. 6, the
κ=ax+b...(2)
In the above formula (2), κ is the curvature [1/mm], and a and b are constants.
Then, the ratio κ c /κ 0 between the curvature κ c at the position of the crack C and the curvature κ 0 estimated as described above was calculated as a dimensionless curvature.
The method of determining the crack-affected range, the range of curvature distribution used for extrapolation, and its approximation function may be set according to appropriate conditions depending on the state of the curvature distribution.
最後に、本実施例では、算出した無次元化曲率κc/κ0と、部材の厚みt0=1.6mmとに基づき、前述の式(A)によって、残存厚みtrを推定し、更に、前述の式(B)によって、き裂Cの長さtcを推定した。 Finally, in this embodiment, based on the calculated non-dimensional curvature κ c /κ 0 and the member thickness t 0 = 1.6 mm, the remaining thickness tr was estimated by the above-mentioned formula (A), and further, the length t c of the crack C was estimated by the above-mentioned formula (B).
図7は、以上に説明した本実施例の結果を纏めて示す図である。
図7に示すように、推定される曲率κ0は実際のき裂の長さによって変化する。すなわち、曲率κ0は、一定値ではなく、き裂無しの解析モデルにおける曲率κ0(この曲率κ0は推定値ではなく、有限要素解析によって算出される外面S2の曲率)とも一致しない。これは、推定される曲率κ0が、それぞれのき裂Cの長さでの変形状態(き裂Cの長さによって異なる)になった場合の外面S2の曲率を表しているからである。
図7に示すように、推定したき裂Cの長さtcは、解析モデルに設定した実際のき裂Cの長さと良く一致しており、本発明に係る推定方法が妥当であることが確認できた。
FIG. 7 is a diagram showing the results of this embodiment described above.
As shown in Fig. 7, the estimated curvature κ0 varies depending on the actual crack length. That is, the curvature κ0 is not a constant value, and does not match the curvature κ0 in the analysis model without a crack (this curvature κ0 is not an estimated value, but the curvature of the outer surface S2 calculated by finite element analysis). This is because the estimated curvature κ0 represents the curvature of the outer surface S2 in a deformed state (which differs depending on the length of the crack C) at each crack C length.
As shown in FIG. 7, the estimated length tc of the crack C is in good agreement with the actual length of the crack C set in the analysis model, confirming that the estimation method according to the present invention is valid.
1・・・形状測定装置
2・・・演算装置
100・・・装置
S・・・部材
S1・・・内面
S2・・・外面
C・・・き裂
1: Shape measuring device 2: Calculation device 100: Device S: Member S1: Inner surface S2: Outer surface C: Crack
Claims (3)
外力が加わることで変形が生じた後の前記部材の外面形状を測定する第1ステップと、
前記第1ステップで測定した前記外面形状に基づき、前記外面形状の曲率分布を算出する第2ステップと、
前記第2ステップで算出した前記曲率分布において、曲率の絶対値が極大値を示す前記部材の外面の位置を特定する第3ステップと、
前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置に対向する前記部材の内面の位置を前記き裂の位置と推定する第4ステップと、
前記第2ステップで算出した前記曲率分布において、前記き裂の存在が曲率に影響を及ぼす前記部材の外面の位置の範囲であるき裂影響範囲を決定する第5ステップと、
前記第5ステップで決定した前記き裂影響範囲の外側に位置する前記曲率分布に基づき、前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置における前記き裂が存在しない場合の曲率κ 0 を推定する第6ステップと、
前記第3ステップで特定した前記部材の外面の位置での絶対値が極大値を示す曲率κ c と、前記第6ステップで推定した前記曲率κ 0 との比κ c /κ 0 を算出する第7ステップと、
前記第7ステップで算出した前記比κ c /κ 0 と、前記き裂が存在しない場合の前記部材の厚みt 0 とに基づき、前記第4ステップで推定した前記き裂の位置での前記部材の残存厚みt r を推定する第8ステップと、
前記厚みt 0 から前記第8ステップで推定した前記残存厚みt r を減算することで、前記き裂の長さを推定する第9ステップと、を含む、
ことを特徴とするき裂の状態推定方法。 A method for estimating a state of a crack in a member having a crack on an inner surface, comprising the steps of:
A first step of measuring an outer surface shape of the member after deformation caused by application of an external force;
a second step of calculating a curvature distribution of the outer surface shape based on the outer surface shape measured in the first step;
a third step of identifying a position on the outer surface of the member where the absolute value of the curvature shows a maximum value in the curvature distribution calculated in the second step;
a fourth step of estimating the position of the inner surface of the member opposite the position of the outer surface of the member identified in the third step as the position of the crack;
a fifth step of determining a crack influence range, which is a range of positions on the outer surface of the component where the presence of the crack affects the curvature in the curvature distribution calculated in the second step;
A sixth step of estimating a curvature κ 0 in the case where the crack does not exist at the position of the outer surface of the component specified in the third step, based on the curvature distribution located outside the crack influence range determined in the fifth step ;
a seventh step of calculating a ratio κ c /κ 0 between the curvature κ c at the position of the outer surface of the member identified in the third step, the absolute value of which is a maximum value, and the curvature κ 0 estimated in the sixth step ;
an eighth step of estimating a remaining thickness t r of the member at the position of the crack estimated in the fourth step based on the ratio κ c /κ 0 calculated in the seventh step and a thickness t 0 of the member in the absence of the crack ;
and a ninth step of estimating a length of the crack by subtracting the remaining thickness t r estimated in the eighth step from the thickness t 0 .
A method for estimating the state of a crack, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のき裂の状態推定方法。 In the sixth step, the curvature κ 0 is estimated by extrapolating the curvature distribution located outside the crack influence range toward the position of the outer surface of the member identified in the third step.
The method for estimating a state of a crack according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のき裂の状態推定方法。 In the eighth step, the remaining thickness t r is estimated by multiplying the cube root of the ratio κ c /κ 0 by the thickness t 0 .
3. The method for estimating a state of a crack according to claim 1 or 2 .
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