JPS63229339A - 応力拡大係数測定方法および亀裂部材の残余寿命監視装置 - 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〕 （産業上の利用分野） 本発明は、亀裂が生じたり亀裂状のスリットを有する亀
裂部材の前記亀裂等の先端部における応力拡大係数を非
破壊的に測定する応力拡大係数測定方法および前記亀裂
部材の残余寿命を監視する亀裂部材の残余寿命監視装置
に関する。

（従来の技術） 一般に、欠陥を有していたり、あるいは使用中に亀裂が
生じた構造物を安全に使用するために、破壊力学に基づ
いて各種の強度評価が行なわれている。

ところが、応力拡大係数の解析解が得られているのは、
比較的ｔド純な形状のものがほとんどであり、通常は大
型電算機を用いた数値解析により解析しなければならな
いのが現状である。

しかしながら、実際の構造物においては、亀裂までを考
慮した数値解析が、電算機の容量不足あるいは境界条件
が不明等の理由により、実際の状況を高精度で把握でき
ない場合もある。

そこで最近では、実際の構造物に生じた欠陥あるいは亀
裂に対して、直接応力測定を行うことにより応力拡大係
数を求める試みがなされており、本発明者等も、先に特
願昭６０−２１６８１０号において、ゲージベース２５
の上に２個の３軸ロゼツト抵抗線歪ゲージを固着して形
成される応力拡大係数ｕｌ定用ゲージおよびこのゲージ
を用いた応力拡大係数測定方法を提案した。

応力拡大係数ＩＩＪｌ定用ゲージ１は、第８図に示すよ
うにゲージベース２の上に、２個の３軸ロゼツト抵抗線
歪ゲージ３．３を固着して形成されており、ゲージ３，
３のゲージ中心０，０間の距離Ｌ１は、応力拡大係数を
測定すべき亀裂等の全長の１／１０以下に設定され、ま
た各ゲージ中心０とゲージベース２の端縁との距離Ｌ２
も、同様に亀裂等の全長の１／１０以下に設定されてい
る。

また前記応力拡大係数測定方法は、応力拡大係数測定用
ゲージ１を用い、比例外挿法により応力拡大係数を決定
するものである。

すなわち、第９図（Ａ）に示すように応力拡大係数ハ１
定用ゲージ１を亀裂４の先端部に貼付し、この状態で各
３軸ロゼツト抵抗線歪ゲージ３により距ａｒ１．ｒ２の
位置の応力を求める。そしてその応力値に、予めそのゲ
ージパターンに対して求めておいた較正係数を乗じ、第
９図（ｂ）に示すように亀裂先端（ｒ−０）へ外挿（こ
れを比例外挿法と称す）し、応力拡大係数を求める。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、本発明者等の前記提案は、応力拡大係数Ｍ１
定用ゲージ１を、直接亀裂部材表面に貼付ける必要があ
るため、亀裂を有する構造物自体がかなり高温域におい
て運転される場合、例えば２００℃以上の場合には、膨
張系の接着剤あるいはゲージベース材等が熱によるダメ
ージを受け、場合によってはＭ１定不能となる。また、
応力拡大係数測定用ゲージ１を貼付するためには、貼付
する領域が平滑でなければならず、構造物の角部等の場
合には、亀裂先端に応力拡大係数測定用ゲージ１を貼付
できないことがある。

また、前記本発明者等の提案の中でも明確にしているよ
うに、疲労亀裂の余寿命評価にあたっては、疲労亀裂の
開閉口挙動を明確に把握する必要があるが、歪ゲージを
用いる場合には、応力拡大係数測定用ゲージ１の外に、
亀裂開閉口測定用ゲージを取付ける必要があり、測定が
煩雑になる等の問題もある。

本発明はこのような点を考慮してなされたもので、亀裂
部材の亀裂先端部における応力拡大係数を、簡１１ｉな
構成でしかも高精度に測定できる応力拡大係数測定方法
および亀裂部材の残余寿命監視装置を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る応力拡大係数測定方法は、応力拡大係数を
測定すべき亀裂等の全長の１／１０〜３／１０の範囲内
の二点につき、変位計により亀裂の開口変位および亀裂
のすべり変位をそれぞれ検出し、これら各検出結果に基
づき下式（１）　、　（２）ただし ΔＶ：亀裂の長さ方向に対して直角方向の変位、すなわ
ち亀裂の開口変位 ΔＵ：亀裂の長さ方向に平行な剪断変位、すなわち亀裂
のすべり変位 α工、α■；較正係数 Ｃ：亀裂の半長 により前記二点における応力拡大係数Ｋ　Ｉ　、　Ｋ　
ｎを算出し、次いでこれらの応力拡大係数に１゜ＫＩＩ
より亀裂の先端の応力拡大係数を比例外挿法により求め
ることを特徴とする。

また本発明に係る亀裂部材の残余寿命監視装置は、応力
拡大係数を測定すべき亀裂等の全長の１／１０〜３／１
０の範囲内の二点につき、亀裂の開口変位および亀裂の
すべり変位をそれぞれ検出する変位計と、前記各点にお
ける両変位に基づき、亀裂先端の応力拡大係数を算出す
る応力拡大係数演算器と、前記一方の点における亀裂の
開口変位に基づき、亀裂の開閉口点を算出する開閉口点
演算器と、前記応力拡大係数と亀裂の開閉口点とからｑ
効応力拡大係数範囲を算出し、この有効応力拡大係数範
囲と予め記憶している材料定数とを比較して亀裂部材の
残余寿命を求める評価器とを備えていることを特徴とす
る。

（作　用） 本発明に係る応力拡大係数ρ１定方法においては、所定
位置に設定された二点につき、変位計により亀裂の開口
変位および亀裂のすべり変位をそれぞれ検出するように
している。したがって、変位計を直接亀裂部材に貼付す
る必要はなく、また変位を検出するための変位計本体と
、その変位計本体を亀裂部材に取付ける治具とを別異に
構成することが可能となる。このため、変位計本体の強
制冷却および変位計本体を亀裂部材表面から離すことか
可能となり、高温等の悪影響から変位計を保護すること
ができる。そして変位計として、渦電流、磁気、レーザ
ー等の非接触の市販の変位計を用いることにより、この
効果は最大限に生かされる。

また、このような変位計を用い、その測定変位値に較正
係数を乗じ、さらにこの値を亀裂先端まで外挿するよう
にしているので、従来と同等のあるいはそれ以」二の高
精度で応力拡大係数を求めることができる。

また本発明に係る亀裂部材の残余寿命監視装置において
は、所定の二点における亀裂の開口変位および亀裂のす
べり変位をそれぞれ検出する変位計からの検出値に基づ
き、応力拡大係数演算器においては亀裂先端の応力拡大
係数が算出されるとともに、開閉口点演算器においては
亀裂開閉口点が算出される。このため、開閉口点測定用
のセンサを新たに設ける必要がない。また評価器におい
ては、前記応力拡大係数と亀裂の開閉口点とから何効応
力拡大係数範囲が算出され、これと予め記憶している亀
裂部材の材料定数とが比較されて亀裂部材の残余寿命が
求められる。このため、簡便で高精度な残余寿命監視が
可能となる。

（実施例） 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、本発明によって応力拡大係数を求める比例外挿法
の基礎式について説明する。

この基礎式は、次式（３）　、　　（４）で表わされる
。

ただし △Ｖ：亀裂のすべり変位 ΔＵ：亀裂の開口変位 ｒＡ：亀裂先端からの距離 前記式（３）　、　（４）において、サフィックスＡ。

Ｂは、それぞれ応力拡大係数を求めたい問題の値を示し
、Ｂは予め較正係数を求めておく問題に関する値である
。また問題Ｂについては、変位測定位置ｒを問題Ｂと同
一とすることを基本条件とする。

次に、前記式（３）　、　（４）による比例外挿法の基
礎式の妥当性について説明する。

第２図（ａ）　、　（ｂ）に示すように、上下方向に一
様な引張を受ける帯板６中央部の斜め亀裂５の応力拡大
係数は、既に、尊家関数を用いて北側、結城等によって
厳密な解が求められている。

したがって、この問題について第２図（ａ）。

（ｂ）のような境界要素分割により、境界要素法（ＢＥ
Ｍ）を用いて数値解析を行ない、式（３）。

（４）７における較正係数αＩ、α。を算出する。次式
（５）　、　　（６）はその算出式を示し、また第３図
はその解析結果を示す。

前記式（５）　、　（Ｇ）を用いて式（３）　、　（４
）を書直すと、本発明の（１）　、　　（２）が導かれ
る。

次に、本発明の第１の発明である応力拡大係数ａｌｌｌ
ｌｌ法定ついて説明する。

第１図（ａ）　、　（ｂ）は、本発明の第１の発明の一
実施態様を示すもので、亀裂１１の先端からＬｌの位置
には、亀裂１１を挟んで両側に変位測定用治具１２，１
３が、また亀裂１１の先端からＬ１＋Ｌ２の位置には、
亀裂１１を挟んで両側に変位測定用治具１．４．１５が
、スポット溶接あるいはパーカッション溶接により固定
されている。

これらの治具１２，１３，１４．１５は、第１図（ｂ）
に示す変位測定用のクリップゲージ１６゜１７を固定す
るものであり、治具１２，１３および１４．１５は、そ
れぞれ対をなしている。そして、ａ、　　ｂポイント間
の亀裂開口変位ΔＶはクリップゲージ１６により、また
ｃ、ｄポイント間の亀裂すべり変位ΔＵはクリップゲー
ジ１７により、ダブルクリップゲージ構成で同時に測定
される。

各クリップゲージ１６，１７の片方の梁部分は、治具１
２，１４のａ点、ｂ点に固定され、また各クリップゲー
ジ１６，１７の他方の梁部分は、治具１３．１５のす、
ａ点において自由にスライドするようになっている。そ
してこれにより、一方向の変位ΔＶ、ΔＵのみを測定で
きるようになっている。

また各治具１２，１Ｂ、１４．．１５の設定位置は、１
／１０≦Ｌ　　／２Ｃ≦（Ｌ１＋Ｌ２）／２Ｃ≦３／１
０（２Ｃ：亀裂の全長）の範囲となるように設定されて
いる。また亀裂の開口点を算出する場合、本例では、ク
リップゲージ１６を用い治具１２，１３のａ、ｂ間の変
位△Ｖを用いるようになっている。

なお、前述のようにしてＬ　ｔ　、　　Ｌ　２を求める
のは、次の理由に基づくものである。

すなわち、第２図（ａ）　、　（ｂ）に示した斜め亀裂
５を有する帯板６が引張荷重を受ける場合について、亀
裂長さに対する板幅の比２ｃ／Ｗ＝０゜２．０．３．０
．４．０．５で、亀裂の傾き角α−０６，３０″、４５
°の各場合について境界要素法（ＢＥＭ）で解析し、式
（５）　、　（６）により較正係数αＩ、α■を求めた
結果が第３図である。

第３図からも明らかなように、前記各条件にかかわらず
、ｒ／２ｃ＜０．３５の範囲内では、較正係数は２Ｃ／
Ｗあるいはαに依存しないで一本の曲線で表示できる。

一方、本例においては、変位ｉ’ｌｌｌ定用治具１２゜
１３．１４．１５は有限の寸法を有しており、ｒ／２ｃ
＜０．１以下の較正係数の急激にｒ依存を示す範囲での
測定は、精度上問題を生じることになる。

以−１−のことより、１／１０≦ｒ　／　２　ｃ≦３／
１０の範囲内が、応力拡大係数Ｍ１定を行なうための妥
当な範囲と考えられる。

次に、第１図に示す変位計による応力拡大係数測定を実
施した結果について第４図（ａ）〜（Ｃ）を参照して説
明する。

このａｌｌｌ定に用いた亀裂部材２０は、構造用炭素鋼
（ＳＳ４１材）からなる厚さ５ｍｍの帯板である。

この亀裂部材２０の中央には、斜めの切欠き２１が設け
られており、その切欠き２１の先端において変位１４１
１定を行なう。その後、本発明の応力拡大係数測定方法
に従って応力拡大係数を算出する。

このようにして求められた／Ｉ１１定点における応力拡
大係数に１．ＫＩＩから、下式（７）　、　　（８）に
より算出される応力拡大係数Ｆ１．ＦＩＩと北側等によ
る解析解とを比較して別表に示す。

Ｆ−に／（σＦｉ１−）　　・・・・・・・・・（７）
ＩＩ Ｆ−に／（σＦＴ１−）　　・・・・・・・・・（８）
■■ この別表からも明らかなように、本発明の応力拡大係数
評価手法は、工学的に充分な精度で応力拡大係数を決定
できる手法であることが判る。

次に、本発明の第２の発明の一実施例を第５図を参照し
て説明する。

第５図において、符号３０は亀裂１１を有する亀裂部材
であり、亀裂１１の先端部３１には、第１図に示すよう
に変位計が配されている。そしてこの変位計で得られた
変位は、増幅器３２に送られるようになっている。

この増幅器３２には、式（５）　、　（６）によって応
力拡大係数を演算する応力拡大係数演算器３３が接続さ
れている。

一方、第１図に示すクリップゲージ１６により計１定さ
れた亀裂開口変位Δ■は、増幅器３２に送られると同時
に増幅器３４にも送られ、開閉口点線算器３５において
、第６図に示すような手法により亀裂開閉口点測定が実
施されるようになっている。この結果は、応力拡大係数
演算器３３に入力され、有効応力拡大係数範囲の算出に
用いられるようになっている。

また、評価器３６においては、予め記憶器３７に記憶さ
れている亀裂部材３０の材料定数（亀裂進展特性曲線）
と、前記有効応力拡大係数の比較が行なわれ、亀裂部材
３０の残余寿命が求められるようになっている。そして
この評価器３６には、比較結果を表示する表示器３８と
、評価器３６により危険と判断されたときに運転停止信
号を発する運転制御器３９が接続されている。

次に、本実施例の作用について説明する。

第６図に示すように負荷変動に伴う最大応力拡大係数Ｋ
　　　　、Ｋ　　　　と、最小応力拡大係数Ｉ　ａ＋ａ
ｘ　　　ＩＩ　Ｌｌａｘ Ｋ、、Ｋ　　　　との差として応力拡大係数範Ｉ［ｎｌ
ｎ　　　ｌｌｌｌｌＩｎ 囲を算出し、モードＩ成分についてのみ次式（９）。

（１０）のように亀裂開閉口比（Ｘ−Ｙ）／　（Ｘ−Ｚ
）を乗じて有効応力拡大係数範囲とする。

Δに−（Ｋ　　　　−に、） Ｉ　　　　Ｉｍａｘ　　　　Ｉｍ＋ｎ （Ｘ−Ｙ）／　（Ｘ−Ｚ）・・・・・・（９）Δに−（
Ｋ　　　　−Ｋ　　　　）　　・・・・・・（１０）Ｉ
Ｉ　　　　ＩＩｍａｘ　　　ｌ１ｍ１ｎ混合モードにお
ける破壊条件には、最大主応力説を採用することとし、
式（９）　、　（１０）より次式（１１）に示される最
大主応力拡大係数ΔＫ　　　をθＷａＸ 応力拡大係数演算器３３で演算する。

ΔＫｏａ＋ａｘ　−ＣＯ３（θｌ１ｌａｘ／２）（ＫＩ
−Ｃｏｓ２（θｎ＋ａｘ／２）−（３／２）Δに■・ｓ
１ｎθｒＡａｘ　ｌ　　　−−−−−−−＝（ｌｌ＞（
Δに■・θｌｌ１ａｘ＜０） このようにして得られたΔにθｆｆ１ａＸを用い、記憶
器３７に記憶されているｄ　　／ｄＮ−ΔＫｅｆ’ｆ’
曲線と評価器３６において比較検討を行なう。第７図は
、このｄ　　／ｄＮ−△Ｋｅｆ’［’曲線を示す。

この曲線は材料定数であり、材料毎に決まる疲労亀裂の
進展速度と有効応力拡大係数範囲との関係を示す。

ΔＫｔｈ≦△Ｋｃｆｆ≦△ＫＦＬの範囲であれば、現在
の亀裂部は速度が判り、余寿命として近い将来の亀裂進
展特性が得られ、運転を継続しながら、補修時期等の判
断を決定する。またΔＫｃｆＴが第７図の領域■であれ
ば、余寿命は極めて短いため、早急な機械の停止と補修
とが必要となる。このような判断結果は、表示器３８に
表示される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る応力拡大係数測定方
法は、変位計により亀裂の開口変位および亀裂のすべり
変位をそれぞれ検出するようにしているので、変位計を
直接亀裂部材に貼付する必要がなく、また変位を検出す
るための変位計本体とその変位計本体を亀裂部材に取付
ける治具とを別異に構成することができる。このため変
位計本体の強制冷却および変位計本体を亀裂部材から離
すことが可能となり、高温等の悪環境から変位計を保護
することができる。また、このような変位計を用い、そ
の測定変位値に較正係数を乗じ、さらにこの値を亀裂先
端まで外挿するようにしているので、従来と同程度ある
いはそれ以上の高精度で応力拡大係数を求めることがで
きる。

また、本発明に係る亀裂部材の残余寿命監視装置は、亀
裂の開口変位および亀裂のすべり変位を検出する変位計
を用い、この変位計での測定変位値により亀裂先端の応
力拡大係数および亀裂開閉口点を求めるようにしている
ので、開閉口点測定用センサを新たに設ける必要がない
。また、評価器において、前記測定変位値の流用により
有効応力拡大係数範囲が算出され、これと予め記憶され
ている亀裂部材の材料定数との比較により亀裂部材の残
余寿命が求められるので、機械構造物の破壊を未然に防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係る応力拡大係数測定方法の一
実施態様を示す説明図、第１図（ｂ）はそのＭ１定に用
いられる変位計の斜視図、第２図（ａ）。 （ｂ）は本発明の妥当性および較正係数の算出のために
実施した境界要素法解析対象を示す概略図、第３図は本
発明の妥当性を示す較正係数の解析結果のグラフ、第４
図（ａ）は本発明の妥当性を検討するための試験片の正
面図、第４図（ｂ）は同様の側面図、第４図（ｃ）は同
図（ａ）の要部拡大図、第５図は本発明に係る亀裂部材
の残余寿命監視装置の一実施例を示すブロック図、第６
図は亀裂の開閉口点を示す決定手法のグラフ、第７図は
亀裂進展速度と有効応力拡大係数範囲との関係を示す特
性図、第８図は従来の応力拡大係数測定用歪ゲージを示
す説明図、第９図（ａ）　、　　（ｂ）は亀裂先端近傍
の応力値を用いる比例外挿法による応力拡大係数決定の
手法を示す説明図である。 １１・・・亀裂、１２．１３，１４．１５・・・変位Ｍ
ｊ定定心治具１６．１７・・・クリップゲージ、３０・
・・亀裂部材、３３・・・応力拡大係数演算器、３５・
・・開閉凹点演算器、２６・・・評価器、３７・・・記
憶器。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 （ａ） （り 羊　１　図 （ａ）　　　　　　　（−ｅ） 第　２　図 ｆＸＩＯ’１ ぎ裂７を浦力鴫の距離　　　ｙｉｍｍ＋＄　３　図 第４　目 芋５　図 負荷ｆｒ量 蔓　Ｏ図 △Ｋｔｈ Ｗ９０ｊＪＸ力肱人派Ｋ０’ｌｊｍ９Ｌ　Ｌ　ｏ　ｑ　
　△Ｋ　ｅｆｆ革　７　因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、応力拡大係数を測定すべき亀裂等の全長の１／１０
   〜３／１０の範囲内の二点につき、変位計により亀裂の
   開口変位および亀裂のすべり変位をそれぞれ検出し、こ
   れら各検出結果に基づき下式 ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし Δｖ：亀裂の長さ方向に対して直角方向の変位すなわち
   亀裂の開口変位 Δｕ：亀裂の長さ方向に平行な剪断変位、すなわち亀裂
   のすべり変位 α＿ I 、α＿II：較正係数 ｃ：亀裂の半長 により前記二点における応力拡大係数Ｋ＿ I 、Ｋ＿II
   を算出し、次いでこれらの応力拡大係数Ｋ＿ I 、Ｋ＿
   IIより亀裂の先端の応力拡大係数を比例外挿法により求
   めることを特徴とする応力拡大係数測定方法。 ２、ａ、応力拡大係数を測定すべき亀裂等の全長の１／
   １０〜３／１０の範囲内の二点につき、亀裂の開口変位
   および亀裂のすべり変位をそれぞれ検出する変位計と、 ｂ、前記各点における両変位に基づき、亀裂の先端の応
   力拡大係数を算出する応力拡大係数演算器と、 ｃ、前記一方の点における亀裂の開口変位に基づき、亀
   裂の開閉口点を算出する開閉口点演算器と、 ｄ、前記応力拡大係数と亀裂の開閉口点とから有効応力
   拡大係数範囲を算出し、この有効応力拡大係数範囲と予
   め記憶している材料定数とを比較して亀裂部材の残余寿
   命を求める評価器と、を具備することを特徴とする亀裂
   部材の残余寿命監視装置。