疲労センサおよび疲労損傷度推定方法
【課題】 繰返し応力を受ける構造物などを構成する部材に貼付して、それら部材の疲労損傷度を推定することができる疲労センサ、特に、溶接部に限らず各種形状の部材について疲労評価ができる疲労センサ及びその使用方法を提供する。
構造物、特に橋梁について、非熟練者であってもその耐用期間を正確に推定して、この推定に基づいて的確な保全を実施できる疲労寿命診断方法を提供する。
【解決手段】 中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部３を有しこの疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリット５を設けた破断片１と、この破断片の両端部を固定する箔状の基板２を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、疲労検出部３が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、スリット５の先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有するようにした。
構造物、特に橋梁について、非熟練者であってもその耐用期間を正確に推定して、この推定に基づいて的確な保全を実施できる疲労寿命診断方法を提供する。
【解決手段】 中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部３を有しこの疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリット５を設けた破断片１と、この破断片の両端部を固定する箔状の基板２を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、疲労検出部３が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、スリット５の先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繰返し荷重を受ける構造物で疲労損傷するおそれがある各種の部位における疲労損傷の発生の有無と時期を予測するために使用する貼付け型の疲労センサに関する。また、このような貼付け型疲労センサを用いた部材の疲労損傷度推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現実に供用に付されている橋梁その他の構造物、機械装置、車両、航空機、船舶などの現状の強度や残りの寿命を正確に推定することにより、余寿命が十分あるのに造り直したり大幅な改修工事をしたりする無駄を省き、また適切な保全計画の作成や予算の確保が可能になるが、構造物や車両などの強度や余寿命を正確に推定するためには、構成する部材の疲労状況を把握する必要がある。
【０００３】
材料の疲労を推定するために従来から利用される方法に、測定対象とする部位に歪みゲージを貼付して、その部位に発生する実際の応力を測定し、この応力条件における疲労をＳ−Ｎ線図などを利用して算出する方法がある。
この方法は、変換器など精密な計測装置を用いなければならないので、一度に多数の部位について計測することは難しいため、大型の構造物等における強度や寿命を的確に把握することが難しい。また、部材の損傷度を直接的に計測するものでなく、対象物に発生する応力の経時変化から部材の損傷度を推定するため、実地の疲労状況を正確に把握することは難しい。
【０００４】
これに対して、特許文献１には、実構造物に犠牲試験片を貼付して犠牲試験片に生じた疲労損傷状況から構造物の疲労損傷を予知する方法が開示されている。開示方法に使用する犠牲試験片は、疲労損傷を予知しようとする構造物と同じ材料で作られ、長さ方向中央部に人工亀裂を設けた長さ７０ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ約０．２５ｍｍの薄板状の試験片で、２枚の樹脂製薄板の間に挟んで構成したものである。
事前に構造部材と犠牲試験片のＳ−Ｎ線図を求めておいて、部材に設置した犠牲試験片に損傷が生じたときの荷重繰返し数を求めてＳ−Ｎ線図に当て嵌めるとその時の応力振幅、もしくは分布のある応力振幅を１つの応力振幅値で代表した代表応力振幅が求まるので、これを構造部材のＳ−Ｎ線図に代入すると、溶接部端部などのホットスポット部における寿命が推定できる。
【０００５】
ただし、このような測定を可能にするためには、犠牲試験片がホットスポット部より早く損傷を生じなければならない。犠牲試験片のスリットにおける応力集中率は５程度であるので、構造部材において応力集中度が３ないし４程度になる程度にホットスポットから離れた位置に犠牲試験片を貼付すれば、ホットスポット部の寿命が予測できることになる。なお、犠牲試験片は亀裂が生じてから破断するまでの期間が比較的長いので、十分なモニタリング期間が確保できる。
しかし、特許文献１に記載された犠牲試験片は、形状が比較的大きく溶接ビードの縁端に近接して貼付することができず、スリットにおける応力集中度が比較的小さいため、正確な測定が難しい。また、樹脂製薄膜を介して犠牲試験片に応力を伝達するので、歪みの一部が樹脂製薄膜に吸収されることからも、正確な測定が難しい。
【０００６】
さらに、特許文献２には、長さ１３ｍｍ幅６ｍｍ厚さ０．０５ｍｍの金属箔基板の上に中央部に幅２ｍｍ厚さ０．０２ｍｍの亀裂進展部を有する長さ１２ｍｍ幅５ｍｍ厚さ０．１ｍｍの破断片を形成した、極めて小型で薄いクラック型疲労センサが開示されている。例示された実施例には、亀裂進展部には側端から先端が鋭く加工されたスリットが形成されていて、被測定部材にわずかな歪みが生じても直ぐにスリット先端から亀裂が生じて進展するような感度の高いセンサが記載されている。
特許文献２に開示された疲労センサは、小型で感度が高いため、対象部材の極めて近傍に貼付して貼付部分における繰返し応力により疲労センサの疲労損傷度を測定して対象部位の疲労損傷度を推定したり実寿命を推定することができる。
【０００７】
特に、溶接部におけるホットスポットのように極めて応力集中率が大きく亀裂発生期間が殆ど無いものについて疲労損傷度を推定する場合は、スリット最奥に鋭い先端部を形成したものを利用して亀裂発生期間を無くすことにより、十分信頼できる推定値を得ることができる。
しかし、構造物や輸送機械など測定対象には各種の部材が溶接ばかりでなく機械加工、押出し成型、鋳造など様々な形態で使用されており、これらの部材についてそれぞれ疲労損傷度や寿命を推定しようとすると、測定対象部材によって応力集中率が異なるので、溶接部の測定に適した疲労センサをそのまま使用しても十分正しい結果を得ることができない。
【特許文献１】特開平９−３０４２４０号公報
【特許文献２】特開２００１−２８１１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、繰返し応力を受ける、橋梁などの構造物、機械装置、車両、航空機、船舶などを構成する部材に貼付して、それら部材の疲労損傷度を推定することができる疲労センサを提供することである。
特に、溶接部に限らず各種形状の部材や機械加工面、押出し成型面、鋳造面などの金属加工面についても疲労評価ができる疲労センサ及びその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る疲労センサは、中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部を有しこの疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリットを設けた破断片と、この破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、疲労検出部が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、スリットの先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有することを特徴とする。
【００１０】
破断片は箔状の基板の上に固定されているので、基板を被検体に貼付すれば破断片に余分な応力を与えることが無く、破断片は被検体の歪みを正確に反映することができる。また、破断片の疲労検出部は破断片の両端部より薄く形成されているので、破断片に伝達された歪みは疲労検出部に集中し、疲労検出部の応力検出感度が向上する。さらに、スリット先端形状の曲率を選択することにより、応力集中率を変えて亀裂発生期間を変化させることができる。なお、疲労検出部の厚さが薄いほど亀裂進展速度が速くなるので、経時後の亀裂進展長は疲労検出部の厚さにも大きく影響を受けることになる。
【００１１】
繰返し応力下の被検体の疲労強度は、材料、形状、外力や応力の状態、環境など多くの因子が影響を与える。一定な繰返し応力σの下で破断までの繰返し数Ｎの関係を対数表示で示すＳ−Ｎ曲線で表すと、同じ材料でも、溶接部のＳ−Ｎ曲線は平滑材のＳ−Ｎ曲線より下にあって、水平部として表される疲労限界も低い。また、円滑部材のＳ−Ｎ曲線は傾きが小さく、切り欠きがあったり表面が荒れていると傾きが大きくなる。
一方、疲労センサは被検体より早く破断するべきものあるから、そのＳ−Ｎ曲線は被検体の色々な条件におけるＳ−Ｎ曲線より左に表されるように選ばれる。
【００１２】
所定の繰返し応力条件下における被検体の寿命を推定する場合は、貼付した疲労センサが破断する回数Ｎｓを疲労センサのＳ−Ｎ曲線に当て嵌めて相当する繰返し応力σを求め、被検体のＳ−Ｎ曲線においてこの繰返し応力σに対応する繰返し回数Ｎｍを求めると、これが与えられた繰返し応力条件下における被検体の寿命にあたる。
【００１３】
被検体を実際の環境下で供用する場合、繰返し応力値は一定でないので、累積損傷則により、応力σが一定しない場合に応力毎に負荷回数の積算値が総合的な損傷度に関連することを利用して破断に至る繰返し回数を求めて、被検体の寿命を推定する。
【００１４】
累積損傷則によれば、繰返し応力値ごとに破断に至る負荷回数に対する計測期間中の負荷回数の比を積算した値が損傷度になる。疲労センサのＳ−Ｎ曲線が被検体のＳ−Ｎ曲線が平行である場合は、疲労センサの寿命と被検体の寿命が比例するから（α倍）、疲労センサが破断に至ったときには繰返し応力値によらず、その計測期間のα倍が被検体の寿命となる。また、被検体の供用期間が知れているときは被検体の寿命から供用期間を差し引くことにより余寿命を知ることができる。
【００１５】
累積損傷則を利用して疲労センサの測定結果に基づいて被検体の損傷度を推定するためには、疲労センサのＳ−Ｎ曲線が被検体のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つ必要がある。
本発明の疲労センサは、疲労検出部の厚さとスリット先端の曲率によりＳ−Ｎ曲線を調整することができるので、測定対象とする部材のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つようにして、被検体の寿命や余寿命を求められるようにすることができる。
【００１６】
本発明の疲労損傷度推定方法は、本発明の疲労センサを評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に疲労検出部に生じる亀裂の長さを測定し、この亀裂進展長に基づいて、評価対象部位における疲労損傷度や寿命を推定することを特徴とする。
疲労センサに作用する繰返し応力が一定であれば、疲労検出部に亀裂が発生した後の亀裂進展長は、繰返し回数に比例する。また、亀裂進展速度は繰返し応力が大きいほど早くなる。
【００１７】
部材が破断するときの繰返し応力と繰返し回数を対数表示したＳ−Ｎ線図上に、疲労センサの亀裂がある長さに到達する時期をプロットすると、破断時期に基づくＳ−Ｎ曲線に対して、上側が下側より離れて傾斜が緩くなったＳ−Ｎ曲線が得られる。繰返し応力が小さいときは亀裂進展速度が小さいが、Ｓ−Ｎ曲線が右下がりになっていて目盛り幅に対する繰返し回数が大きいため、下側で破断Ｓ−Ｎ曲線に近接することになるからである。
【００１８】
一般に、ある亀裂長さに達する時期に関するＳ−Ｎ曲線は、亀裂長さが短い間ほど破断Ｓ−Ｎ曲線より傾きが小さい。そこで、測定対象部材の特性に合わせて観察する亀裂長さを選択すれば、部材のＳ−Ｎ曲線と疲労センサの所定の亀裂長さに関するＳ−Ｎ曲線がほぼ平行になるようにすることができる。そして、評価対象部材に貼付してこの選択した亀裂長さに達する期間を計測によって知れば、Ｓ−Ｎ曲線の関係を利用して同じ応力条件下での評価対象部材の寿命を推定することができる。また、供用期間を使って余寿命を知ることができる。
【００１９】
このように、疲労センサを貼付して亀裂発生時期と亀裂進展速度を知り亀裂が所定の長さに達する期間を求めることにより、対象部材の寿命を推定することができる。
さらに、複数回に亘り亀裂進展長を測定することにより、亀裂進展速度と亀裂発生時期を求めて、対象部材の寿命を推定することができる。
【００２０】
なお、亀裂進展部の所定の亀裂進展長位置に亀裂進展方向を横切るように導体を配置して、導体の両端に電極を設けて導通状態を監視しておき、導体が切断した時期に基づいて所定の亀裂進展長に達したことを検出する方法がある。
このような自動検出機構を利用することにより、所定の亀裂進展長に達する時期を確実に捉えることができる。
また、目視による監視を容易にするため、疲労検出部の亀裂の進展方向に適当な目盛りあるいは進展長の目安となる目印を印しておいてもよい。
【００２１】
さらに、本発明の疲労センサの疲労限界が材質に伴う強度差や形状に応じた応力集中度により変化することを利用して、対象部位が疲労損傷を受ける可能性を推定することができる。本発明の疲労センサの疲労限界は、疲労検出部を形成する材質により異なることは勿論であるが、形状によっても調整することができ、たとえば、スリット部における応力集中度が高ければ低く、応力集中度が低ければ高くなる。疲労センサは疲労による亀裂を対象部材より加速して検出する。
構造物の母材部での疲労特性は応力範囲の疲労限界でおよそ決定され、評価部位で発生している応力が疲労限界より上か下かにより評価部位における疲労損傷発生の有無を判定することができる。
【００２２】
そこで、材質や応力集中度を調整して評価対象の疲労限界と同じ疲労限界を持つように設定した疲労センサを対象に貼付して、所定期間後に疲労センサに亀裂や破断などの損傷が発生するか否かを観察することにより、対象部位に作用する応力が疲労限界以上であるかどうかを判定することができる。
すなわち、疲労限界以下の応力では疲労損傷を生じないことから、評価対象部材の疲労限界とほぼ同じ疲労限界を持つように調整した疲労センサに疲労損傷が生じれば、疲労限界以上の応力が印加されているので、評価対象部材はその供用条件下でいずれ疲労障害が生ずることが予想される。また、疲労センサが疲労損傷を生じない場合は、観察期間が短すぎない限り、評価対象部材は疲労損傷を起こさないと推定することができる。
この方法によれば、対象部位における応力状態を計測器を使わずに観測して疲労亀裂発生の有無を推定するので、簡便かつ安価に適切な保全管理を行うことができる。
【００２３】
たとえば、繰返し荷重を受ける金属製構造物の応力集中部位に、疲労限界を当該部位の疲労限界近傍に調整した疲労センサを貼付し、疲労センサに破断や亀裂発生などの疲労損傷が観察されるかどうかで、対象部位に疲労亀裂が発生するか否かを推定してもよい。疲労センサは対象部位に作用する応力状態を受容するが、対象部位の応力が疲労限界より低ければ何の損傷も生じない。
【００２４】
さらに、応力集中部位が湾曲していたりして疲労センサを直接貼付できない場合は、構造物の部材について解析により応力集中率を求めて、その応力集中率を勘案した疲労限界を有する疲労センサを準備し、この疲労センサを公称応力を示す平滑部に貼付して観察することにより、測定目的である応力集中部位における応力がその疲労限界より大きいか小さいかを判定することができる。
応力集中部では平滑部の応力に対して応力集中度倍の応力を生じるから、疲労センサが平滑部において受ける応力が応力集中部位における疲労限界を応力集中度で割った値を超えれば、対象部位は疲労損傷を発生することになる。したがって、疲労センサの疲労限界は応力集中部位における疲労限界を部材の応力集中度で割った値にするのである。
【００２５】
なお、疲労センサを応力集中部と平滑部の両方に貼付して観測することができれば、さらに精度の高い推定が可能になる。この場合、疲労センサの疲労限界は、応力集中部に貼付するものが応力集中部における疲労限界値、平坦部に貼付するものが応力集中部における疲労限界値を応力集中度で割った値とする。
いずれかの疲労センサで疲労損傷が観測されれば、対象部位はやがて疲労損傷を現わすことが予測される。
【００２６】
また、応力集中部に直接疲労センサを貼付できない場合にも、複数のセンサを利用して信頼性を向上させることができる。評価しようとする応力集中部位の近傍で、応力集中部位からの距離に差がある点に疲労センサを貼付する。疲労センサは、貼付位置における応力集中率を勘案した疲労限界を有するように調整されている。すなわち、評価部位における応力集中度をαｍ、貼付位置における応力集中度をαｐ、応力集中部における疲労限界をＦｍ、疲労センサの疲労限界をＦｓとすると、
Ｆｓ＝Ｆｍ×αｐ／αｍ
という関係を持たせることである。
すると、いずれかの疲労センサに亀裂や破断が観察されるならば、部材の応力集中部に疲労限界を超える応力が作用することになり、やがて疲労損傷が生ずると判定することができる。
この方法は複数のセンサで検知するので、見落としが減って信頼性が高まる。
なお、この場合、応力集中部から近い方のセンサが破断したのに遠い方のセンサが正常のままであるときには、応力集中度が予想より大きいことが伺われ、応力集中部の疲労損傷が早いことが予想できる。
【００２７】
さらに、これら複数の疲労センサを１枚の基板上に一緒に形成した複数型疲労センサを利用するようにしても良い。複数型疲労センサは、それぞれ対象とする応力集中部について貼付される位置の応力集中度に応じた疲労限界を有するように形成された検出素子が隣接して並んだもので、評価したい応力集中部から予め決められた距離だけ離れた位置に応力勾配に沿って素子が並ぶように貼付して観察する。
複数型疲労センサは、複数の疲労センサが１枚の基板上に形成されているため、１回で全てのセンサを貼付できるので、センサ貼付位置を注意深く決定して貼付する作業が１回で済む上、貼付位置のずれが小さく精度の高い計測ができる。
【００２８】
また、発明が解決しようとする課題を解決するため、本発明に係る第２の疲労センサは、亀裂発生期間が短くなるようにされた亀裂進展部と亀裂発生により直ぐに破断に至る破断検出部を直列に設けた破断片と、その破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断時における亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、破断検出部が横断方向両側からスリットが設けられ、そのスリットの先端形状が亀裂発生期間に従った曲率を有することを特徴とする複合型疲労センサである。
【００２９】
本発明の複合型疲労センサは、対象部材に貼付して繰返し応力の下で時間経過させると、亀裂進展部に鋭いスリットなどを設けて亀裂発生期間を短くなるようにしてあるため極めて初期の段階で亀裂が発生して経時にしたがって亀裂が進展する。一方、破断検出部は、先端形状が所定の曲率を持つスリットが設けられて適当な応力集中率を持つようにされているので、部材に対して所定割合で加速された破断時期が来ると破断するようにすることができる。亀裂進展部と破断検出部は直列に配置され、破断検出部が破断すると亀裂進展部に応力が伝達しないので、亀裂進展部における亀裂は疲労センサが破断したときのままそれ以上進展しない。
【００３０】
同じ構造の亀裂進展部のみが組み込まれたもう一つの疲労センサ（亀裂進展型疲労センサ）を上記複合型疲労センサと並接して、亀裂進展長を観察することにより、疲労センサが破断した後の亀裂進展長が分かる。複合型疲労センサの亀裂進展部と亀裂進展型疲労センサの亀裂はいずれも計測期間の初めから進展し、また同じ進展速度であると推定することができる。
したがって、複合型疲労センサと亀裂進展型疲労センサを一緒に使えば、亀裂進展長の差から破断検出部の亀裂発生時期、亀裂進展長から亀裂進展速度を得るので、１度の計測で亀裂発生時期と亀裂進展速度の両方の情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例に係る疲労センサの斜視図、図２は側面図、図３は平面図を表す。また、図４は本実施例の別態様に係る疲労センサの側面図である。
本実施例の疲労センサは、中央部を薄く形成した破断片１を基板２の上に固定したもので、破断片１の中央部が破断片を横断する方向に凹部をもって薄く形成された疲労検出部３を構成し、破断片１の両端の固着部４で基板２に固着されている。
【００３２】
本発明の疲労センサは、疲労検出部３にスリット５を備え、このスリット５の最奥部６の形状により疲労特性を調整するようにしたことを特徴とする。
なお、図４は、図１，２，３に示した疲労センサと異なり、破断片１の基板２に向かい合う面に疲労検出部３の凹部を形成した疲労センサを示す側面図である。図４に示した疲労センサも図１，２，３に示したものと全く同じ機能を有することはいうまでもない。
【００３３】
基板２は、たとえばインバーなど熱膨張率の小さい金属からなる、厚さがたとえば０．０５ｍｍ程度の薄い箔で構成される。また、破断片１はたとえば０．１ｍｍ程度の厚さを有し、純ニッケルなどメッキやエッチングによる形成が容易な金属で構成することが好ましい。なお、測定対象となる部材と同じ材料で構成しても良い。
本実施例の疲労センサは、対象部材の表面に貼付して所定期間経過した後に亀裂の発生状況を観察することにより、その部位に印加される繰返し応力を推定するために使用される。
【００３４】
繰返し応力を受ける部材表面に疲労センサを貼付すると、部材に生じる歪みを薄い箔状基板２および基板に固定された固着部４を介して破断片１に伝達する。破断片１の疲労検出部３はたとえば厚さ０．０２ｍｍなど両脇の部分より薄く形成されているため応力が強化され、さらにスリット５の最奥部６に有する曲率に従ってスリット先端部に応力集中が生じる。
【００３５】
疲労センサにおいて、疲労検出部３に亀裂が生じるまでの亀裂発生期間および亀裂が進展して破断するまでの破断期間は、疲労検出部の材料、形状、応力状態、環境などにより影響を受ける。疲労センサの応力特性は、特に、スリット５とその最奥部６における曲率の存在により生じる応力集中によって支配される。
すなわち、図５に示すように横断方向にスリット５がある破断片１に長手方向の力Ｐが働く場合、応力集中率αは破断片１の幅ｗに対するスリット５の深さｔの割合とスリットの深さｔに対する最奥部曲率半径ρの割合の関数となる。
【００３６】
したがって、たとえば最奥部６における曲率半径ρを選択することにより、容易に応力集中率を調整することができる。なお、疲労検出部３の厚さや幅は、破断片１に印加する応力を疲労検出部３に集中させる度合いに影響することはいうまでもない。また、疲労センサの疲労限界も応力集中度に影響を受け、たとえば、他の条件が変わらなければ、スリット最奥部の曲率半径ρが小さく応力集中が大きいときには小さな歪みで容易に亀裂が生じて疲労限界も小さく、応力集中度が低いときには疲労限界も高くなる。
【００３７】
図６は、繰返し応力により亀裂が発生し進展して破断に至る期間を応力振幅と繰返し数の対数に対してプロットして表したＳ−Ｎ曲線を概念的に示した図面である。曲率半径ρが小さくなるにつれて応力集中度が大きくなるので、より小さな応力振幅で破断が進展し破断期間が短くなりＳ−Ｎ曲線はより左に寄る。またＳ−Ｎ曲線の傾斜も大きくなる。
また、Ｓ−Ｎ曲線右端部の水平線で示される疲労限界も調整により変化し、一般にはＳ−Ｎ曲線の傾きが大きい方が低くなる。
【００３８】
さらに、亀裂発生後の亀裂進展長ａは応力振幅Δσが同じであれば繰返し回数Ｎに比例する。図７に示すように、横断方向にスリット５のある破断片１に長手方向の力Ｐが働くとして、ある応力振幅Δσで繰返し応力Ｐを与えると応力振幅により決まる亀裂発生時期Ｔｃに達するとスリットの最奥部に亀裂ａが生じる。亀裂ａはその後繰返し応力を受けて図中ａ１，ａ２，ａ３と伸長し、やがて破断片を横断する長さａｗまで達すると破断する。
図８は、応力振幅をパラメータとして亀裂の進展長を模式的に示したグラフである。亀裂の進展期間におけるグラフの傾きｄａ／ｄＮ（またはｄａ／ｄｔ）は一定になる。なお、発生期間Ｔｃは実時間ではなく、繰返し回数Ｎに基づいて決まる期間である。
【００３９】
図９は、異なる応力振幅Δσについて、所定の亀裂長ａｉに達するまでの繰返し回数ＮをＳ−Ｎ線図上に表したものである。応力振幅が変わらなければ亀裂が同じ長さだけ進展する期間は等しい。Ｓ−Ｎ曲線では繰返し回数を対数表示することから、同じ応力振幅線上において、亀裂が同じ長さだけ進展する期間を表すと亀裂が進展するほどlogＮで表わした間隔が短くなる。また、応力振幅が小さいほど所定の亀裂長に達する繰返し数は大きくなるが対数表示では繰返し数が大きいほど繰返し数の間隔が小さく表示される。したがって、一定の亀裂長ａ１，ａ２，ａ３に到達するまでの期間をＳ−Ｎ線図上にプロットすると、図９のように破断ａｗを表すＳ−Ｎ曲線に対して傾きの異なる曲線が描ける。
【００４０】
本実施例の疲労センサは、橋梁などの構造物、機械設備、船舶、航空機などの輸送装置など、供用されることにより繰返し応力を受ける装置や機械において、疲労損傷度を評価したい部位に貼付して利用するものである。
疲労センサを貼付した装置等を供用に付すると、疲労センサはその評価対象部位における応力を受けて疲労する。疲労センサの感度が高いため、評価対象部位が疲労の影響を現わすよりずっと短い期間で亀裂や破断など疲労損傷が生起する。
【００４１】
疲労センサの第１の使用方法は、対象部材に将来疲労損傷が発生するか否かの判定である。疲労センサと評価対象のＳ−Ｎ曲線を概念的に表わした図１０によって、疲労センサの選択方法を説明する。なお、図１１から図１４および図１６は疲労センサの貼付位置を例示する図面、図１５は疲労センサを複数並べた複数型疲労センサの平面図である。
この方法では、評価対象とする部材の疲労限界とほぼ同じ疲労限界を持つ疲労センサを選択する。疲労センサの疲労限界は、疲労検出部におけるスリット先端形状、疲労検出部の厚さ、破断片の材質などにより、応力集中度、強度などを調整することにより色々な水準にすることができる。
【００４２】
図１０には、疲労センサの応力集中度をα１，α２，α３に調整したときのＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線が描かれている。評価対象部材の疲労限界応力振幅が分かれば、これとほぼ同じ、あるいは構造物等の安全を重視する場合はこれより小さい疲労限界を有する疲労センサを選択する。
図１０に示された例では、評価対象と同じ疲労限界を有する応力集中度α２の疲労センサを選択すればよい。
なお、評価対象部材のＳ−Ｎ曲線の傾きに合うような亀裂長を算定して目標亀裂進展長ａｉとすることによって、疲労センサのＳ−Ｎ曲線が評価対象部材に適合する傾きを持つようにすることも可能である。
【００４３】
選択した疲労センサをその部材の部分に貼付し、疲労センサに亀裂や破断など観察可能な疲労損傷が現れる程度の適当な期間だけ構造物等を供用した後に、疲労センサを観察する。このとき、疲労センサに何らかの疲労損傷が生じた場合は、評価対象部位に作用する繰返し応力は対象部材の疲労限界を超えているので、評価対象部位はいずれ疲労損傷を生じることになると推定できる。疲労センサに疲労損傷が生じない場合には、応力に対して試験期間が短じか過ぎた可能性はあるが、評価対象部位に作用する繰返し応力は疲労限界より低く、疲労損傷が生じない可能性が高いと判定できる。
【００４４】
この方法は、対象部位における応力状態を計測器を使わずに簡単な疲労センサを貼付して観測することで疲労亀裂発生の有無を推定するもので、簡便かつ安価に適切な保全管理を行うことができる。
図１１は、本方法の最も基本的な態様を表わす説明図である。
繰返し荷重を受ける金属製構造物４１の応力集中部位４２の表面位置４３に、疲労限界を当該部位の疲労限界とほぼ同じ値に調整した疲労センサを貼付し、適当な期間経過したところで疲労センサを観察する。その結果、疲労センサに破断や亀裂発生などの疲労損傷が存在すれば、対象部位に生ずる応力はその疲労限界を超えているから、やがて対象部位に亀裂や破断といった疲労損傷が発生するはずである。
なお、疲労センサは極めて高感度に設計されているから、疲労限界以上の荷重が印加されている状態では適当な期間が経過すればほぼ確実に疲労損傷が観察できる。したがって、疲労センサに疲労損傷が見られない場合は、対象部位の応力はその疲労限界より低く将来に亘って疲労損傷が発生しないと判断してもよい。
【００４５】
図１２は、応力集中部位４２が湾曲していたりして疲労センサを直接貼付できないときなどで、平滑部の適当な部位４４に疲労センサを貼付する場合について説明する図面である。図１２（ａ）は疲労センサを貼付する部分の斜視図、図１２（ｂ）は対象部位の応力解析の結果を示す線図である。
図１２（ａ）に示した構造物の部材４１について有限要素法などを用いて解析すると、たとえば図１２（ｂ）のように、応力集中の状態を定量的に求めることができる。ここから平滑部４５における公称応力に対する推定対象部位４２の応力集中率αと対象部位４２の疲労限界値Ｆｍを求める。そして、疲労限界が対象部位４２の疲労限界Ｆｍを応力集中率αで割った値Ｆｓになるように設計された疲労センサを準備し、この疲労センサを平滑部の適当な部位４４に貼付して構造体を供用状態において、適当な期間経過後に疲労センサに現れた疲労損傷を観察する。この結果、疲労損傷が発生していれば、測定目的である応力集中部位４３における応力がその疲労限界Ｆｍより大きいと推定できるので、対象の応力集中部にはやがて何らかの疲労損傷が現れると予測ができる。
【００４６】
図１３は、疲労センサを応力集中部４３と平滑部４４の両方に貼付して観測する場合を示す斜視図である。応力集中部に疲労センサを貼付できる場合にも、図１２で説明した方法を併用すれば、さらに精度の高い推定が可能になる。
この場合、疲労センサの疲労限界は、応力集中部４３に貼付するものが応力集中部における疲労限界値、平坦部４４に貼付するものが応力集中部４２における疲労限界値を応力集中度で割った値とする。
いずれかの疲労センサで疲労損傷が観測されれば、対象部位はやがて疲労損傷を現わすことが予測される。
【００４７】
図１４は、部材４１において応力集中部４２に疲労センサを貼付しなくても、応力値に勾配がある２以上の位置４６，４７に疲労センサを貼付することで、応力集中部４２における疲労損傷発生の有無を推定することができることを説明する図面である。
評価しようとする応力集中部位４２の近傍で、応力集中部位４２からの距離に差がある点４６，４７に疲労センサを貼付する。疲労センサは、貼付位置４６，４７における応力集中率を勘案した疲労限界Ｆｓを有するように調整する。すなわち、評価部位における応力集中度をαｍ、貼付位置における応力集中度をαｐ、応力集中部における疲労限界をＦｍ、疲労センサの疲労限界をＦｓとして、
Ｆｓ＝Ｆｍ×αｐ／αｍ
という関係を持たせる。
【００４８】
疲労限界Ｆｓを上式にしたがって調整した疲労センサを貼付し、適当な期間経過した後に観察して、いずれかの疲労センサに亀裂や破断があれば、応力集中の具合に従って部材の応力集中部４２に疲労限界Ｆｍを超える応力が作用しているので、やがて疲労損傷が生ずることになる。また、疲労センサの一方が亀裂等を起こしたのに他方は正常のままであるときには、予測した応力集中度が実際のものと異なる可能性を示すことになる。
このように、応力集中部に直接疲労センサを貼付しないでも、複数のセンサを利用して推定の信頼性を向上させることができる。この方法は複数のセンサで検知するので、見落としが減って信頼性が高まる。
【００４９】
図１５は、応力集中部の近傍に貼付して応力集中部における疲労損傷の有無を予測するために使用できる複数型疲労センサの平面図、図１６はその使用状態を示す斜視図である。
図１５に示した複数型疲労センサ１５は、図１４により説明した複数の疲労センサを１枚の基板上に一緒に形成したものに当る。複数型疲労センサ１５は、それぞれ対象とする応力集中部について貼付される位置の応力集中度に応じた疲労限界を有するように形成された検出素子１６，１７，１８が隣接して並んだもので、部材４１における評価対象応力集中部４２から予め決められた距離だけ離れた位置４８に応力勾配に沿って素子が並ぶように貼付して観察する。
【００５０】
いずれの検出素子１６，１７，１８が疲労損傷を表わしても、応力集中部４２に疲労限界以上の応力が生じていることになるので、部材４１はいずれ損傷を受けることになると予想できる。
複数型疲労センサ１５は、複数の疲労センサ１６，１７，１８が１枚の基板１９上に形成されているため、１回で全てのセンサを貼付できるので、センサ貼付位置を注意深く決定して貼付する作業が１回で済む上、貼付位置のずれが小さく精度の高い計測ができる。なお、複数型疲労センサ１５に搭載する疲労センサの数は任意であって３個に限らないことはいうまでもない。
【００５１】
疲労センサの第２の使用方法は、対象物に貼付した疲労センサの破断時期を知ることにより、その環境下における対象物の寿命及び余寿命を推定するものである。
図１７は、破断時期を表わす疲労センサのＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線を表わした概念図である。疲労センサのＳ−Ｎ曲線は応力集中度により傾きが異なる。そこで、評価対象のＳ−Ｎ曲線の傾きと同じ傾きを有する応力集中度αｉのときの疲労センサを選択する。
【００５２】
選択した疲労センサを評価対象部位に貼付して、疲労センサが破断する期間Ｔｓを測定する。疲労センサと評価対象部材のＳ−Ｎ曲線は対数対数目盛り上で平行になっているから、評価対象部材の破断時期Ｔｍは、応力振幅の値にかかわらず、定数ｋ倍になる。すなわち、
Ｔｍ＝ｋＴｓ
となり、疲労センサの破断期間Ｔｓに基づいて、同じ振幅の応力が繰返し作用し続けた場合における評価対象の寿命Ｔｍを推定することができる。
【００５３】
また、評価対象物の疲労寿命Ｔｍから診断時までの供用期間Ｔｈを差し引けば、今後寿命が尽きるまでの期間すなわち余寿命Ｔｒを得ることができる。
すなわち、
Ｔｒ＝Ｔｍ−Ｔｈ
である。
【００５４】
なお、疲労メカニズムからは期間Ｔの代りに繰返し応力の繰返し回数Ｎを用いるべきであるが、繰返し応力の作用状況が変わらなければ繰返し回数Ｎは時間Ｔに対応するので、疲労センサの破断期間Ｔｓは破断に至るまでの繰返し回数Ｎｓの代替関数、対象部材の寿命Ｔｍは破断までの繰返し回数Ｎｍの代替関数として使っている。
【００５５】
実際の供用環境下では同じ振幅の応力だけが作用することはないが、累積損傷則により各応力振幅におけるダメージの累積がトータルの損傷度になるので、実際に疲労センサが破断したとすれば、それまでの期間Ｔｓに受けた種々の応力作用が破断に至る損傷を受けたことになる。
そして、その状況が継続するものならば、対象部材の寿命がＴｍ＝ｋＴｓで求められることに変わりはない。
【００５６】
対象部材は供用を開始した当初から繰返し応力の作用を受けているのに対して、疲労センサは試験期間のみ繰返し応力を受ける。疲労センサの結果から求めた対象部材の寿命は試験期間における応力状態を供用期間全体に敷衍することにより推定したものであるから、供用された当初の期間における応力状態が分かっているならばこれに従って補正することが好ましい。また、その後の供用期間についても応力状態が予測できるならば同様である。
【００５７】
なお、通常は疲労センサの監視は適度な時間間隔で定期的に行うことになるが、より正確に寿命を推定するためには破断の瞬間を検出することが要求される。このため、破断片に弱い電流を流しておいて、電気的に断線を検出して破断時刻を正確に知るようにしてもよい。破断片が母材と電気的に絶縁されていないときは、破断片の表面に絶縁された電気良導体または金属ワイヤを張って利用しても良い。
【００５８】
本実施例の第３の使用方法は、亀裂進展長を利用した推定方法であって、対象物に貼付した疲労センサに発生した亀裂が所定の亀裂進展長に達するときの時期を知ることにより、その環境下における対象物の寿命及び余寿命を推定するものである。
図１８は、スリット先端曲率を変化させるなどして応力集中係数を調整した異なる疲労センサＳ１，Ｓ２において、ある長さａｉ，ｂｉの亀裂進展長に到達する期間を表わす疲労センサのＳ−Ｎ曲線を評価対象のＳ−Ｎ曲線と一緒に表わした概念図である。
【００５９】
疲労センサＳ１，Ｓ２のＳ−Ｎ曲線は応力集中度が異なるため傾きが異なる。さらに、所定の亀裂長ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３に到達する期間をプロットするとそれぞれ破断に応ずるＳ−Ｎ曲線に沿って幾分ずつ傾きの異なるＳ−Ｎ曲線が得られる。
そこで、評価対象のＳ−Ｎ曲線の傾きと同じ傾きを有するＳ−Ｎ曲線を持つような疲労センサＳｉの亀裂進展長ａｉまたはｂｉ（以下、ａｉで代表する。）を選択する。図の例では、疲労センサＳ１を使って亀裂進展長ａ１になるまでの期間を検知する場合のＳ−Ｎ曲線が評価対象のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つ。
【００６０】
選択した疲労センサＳｉを評価対象部位に貼付して、疲労センサに発生した亀裂がが目標の亀裂進展長ａｉに到達する期間Ｔｉを測定する。
疲労センサで亀裂長ａｉにかかるＳ−Ｎ曲線と評価対象部材のＳ−Ｎ曲線は対数対数目盛り上で平行になっているから、評価対象部材の破断時期Ｔｍは、応力振幅の値にかかわらず、両Ｓ−Ｎ曲線の距離に従って決まる倍数ｋｉを使って、
Ｔｍ＝ｋｉＴｉ
として求められる。
【００６１】
また、評価対象物の疲労寿命Ｔｍから評価試験までの供用期間Ｔｈを差し引いて（Ｔｒ＝Ｔｍ−Ｔｈ）、余寿命Ｔｒを得ることができる。
このように、疲労センサＳｉの亀裂進展長ａｉに到達する期間Ｔｉが求まれば、同じ振幅の応力が繰返し作用し続けた場合における評価対象の寿命Ｔｍ及び余寿命Ｔｒを推定することができる。
【００６２】
しかし、疲労センサの亀裂長ａが目標とする亀裂長ａｉに到達した期間Ｔｉを直接に検知することは難しい。
疲労センサの亀裂進展特性は、図８により説明したように、亀裂発生期間Ｔｃが経過して亀裂が生じた後の亀裂進展長は繰返し応力に変化がない限り繰返し回数に比例する。すなわち亀裂進展速度ｄａ／ｄｔは変わらない。
すなわち、
Ｔｉ＝Ｔｃ＋ａｉ／（ｄａ／ｄｔ）
と表現できるから、亀裂発生期間Ｔｃと亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを求めることにより、亀裂長ａｉに到達する期間Ｔｉを算定することができる。
【００６３】
そこで、図１９に説明するように、対象に貼着した疲労センサについて、亀裂が生じた後に適当な期間をおいて少なくとも２回亀裂進展長ａｉを測定する。この２点の測定値から、亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを算出し、外挿して亀裂発生期間Ｔｃを算出することができる。
【００６４】
また、亀裂発生期間Ｔｃを介しないで、亀裂発生後に適当な間隔を置いた少なくとも２回の検出時（期間Ｔ１，Ｔ２）における亀裂進展長ａ１，ａ２を使い、それらの内挿点もしくは外挿点として目標の亀裂長ａｉに到達する期間Ｔｉを得ることもできる。
これらの亀裂進展長ａｉ到達期間Ｔｉの算定方法を用いれば、容易に、評価対象部材の寿命及び余寿命を推定することができる。
【００６５】
なお、図２０に示すように、亀裂進展長を測定するときに基準となる目印を亀裂が進展していく位置の側の直近に印刷しておくこともできる。これらの目印は、試験を継続しなければいけない疲労センサを現物に貼付したまま、亀裂長の測定をするときに助けとなり、正確な測定結果を得るために役立つ。
【００６６】
また、図２１の斜視図に示すように、疲労センサの疲労検出部の箔上に薄膜状の導線を形成して、亀裂が所定の長さになった時を自動的に検出して、正確に到達期間Ｔｉを求めるようにすることができる。
基板２に両端で接合された破断片１の疲労検出部３の表面に、絶縁体１３を堆積させた上に細い薄膜導体１１を形成し、その両端部に電極部１２を形成する。電極部１２には図外の電流検出装置に接続する導線１４が接続される。
薄膜導体１１は、疲労検出部３に設けられたスリットの最奥部６から距離ａｉの位置で、破断片１を横断する方向に進展する亀裂ａの進展方向を横断するように形成される。
【００６７】
このようにして構成された電気的検知機構を持てば、繰返し応力により亀裂が発生し、進展して目標亀裂長ａｉに達すると、薄膜導体１１が切断されて自動的に電気信号を発生する。したがって、監視する人を準備しなくても正確な目標亀裂進展長到達期間Ｔｉを得ることができる。
【００６８】
さらに、図２２と図２３は、１度の測定で亀裂発生期間Ｔｃと亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを一緒に求めるために使用する２個の疲労センサそれぞれの平面図（ａ）と立面図（ｂ）である。
図２２は亀裂進展部と破断部を直列に結合した複合型疲労センサを示し、図２３は図２２に示した亀裂進展部のみを備える亀裂進展型疲労センサを示す。
【００６９】
図２２の複合型疲労センサ２０は、基板２２の上に接合部２７を介して破断片２１の両端が接合されて形成される。破断片２１には、片を横断する方向に薄肉化された部分が２カ所直列にあって、一方が亀裂進展部２３を形成し、他方が破断部２４を形成する。亀裂進展部２３は幅方向中央に鋭い突端を持ったスリット２６が形成され、破断片２１の両端間にわずかな歪みが発生してもスリット２６から側端に向かって亀裂を生起する。破断部２４には側端から合同形のＵ字型スリット２５が形成されている。破断部２４においては、応力集中の程度がスリット最奥部の曲率で規制されて、所定のＳ−Ｎ曲線を持つように調整されている。
【００７０】
また、図２３の亀裂進展型疲労センサ３０は、基板３２の上に破断片３１が両端の接合部で接合されており、破断片３１には横断方向に薄肉部が１カ所設けられ亀裂進展部３３になっている。亀裂進展部３３には、図２２の複合型疲労センサと同じ、わずかな歪みで直ちに亀裂が発生し進展するためのスリット３４が形成されている。
【００７１】
複合型疲労センサ２０と亀裂進展型疲労センサ３０を評価対象部位に近接して貼付する。供用状態で放置しておくと、両方の疲労センサ２０，３０の亀裂進展部２３、３３における亀裂は経時に従って進展する。同じ特性を有する場合は、亀裂は同じペースで成長する。さらに期間が経過すると、複合型疲労センサ２０の破断部２４にも亀裂が入って成長し、破断期間に達するとスリット２５に挟まれた狭隘部を亀裂が横切って破断片２１が破断する。すると、亀裂進展部２３にも応力が伝達しなくなるので、亀裂進展部２３に発生した亀裂はそれ以上進展しないで固定される。破断部２４は亀裂が発生すると直ちに切断されるので、亀裂発生期間Ｔｃと比較して亀裂発生から破断までの期間は殆ど無視できる。
一方、亀裂進展型疲労センサ３０に発生した亀裂は経時に従って進展する。
【００７２】
そこで、複合型疲労センサ２０が破断した後であって、試験開始後適当な期間Ｔｔが経過したところで、２つの疲労センサにおける亀裂進展長ａ，ｂを測定する。
すると、Δ＝ｂ−ａが破断部２４に亀裂が発生した後の亀裂進展長であり、破断部２４に亀裂が発生した期間Ｔｃは試験期間Ｔｔをｂとａで比例配分した
Ｔｃ＝Ｔｔ×ａ／ｂ
で求められる。
また、亀裂進展部２３，３３における亀裂進展速度ｄａ／ｄｔは、
ｄａ／ｄｔ＝Δ／Ｔｔ
となる。
【００７３】
複合型疲労センサ２０の亀裂進展部２３と亀裂進展型疲労センサ３０の亀裂進展部３３の亀裂進展特性は互いに同一であることが好ましいが、それぞれの特性が既知で解析が可能であれば足りる。複合型疲労センサ２０と亀裂進展型疲労センサ３０で亀裂進展特性が異なる場合は、特性差を考慮して補正すればよい。
このように、本実施例の複合型疲労センサと亀裂進展型疲労センサを組み合わせて使用することにより、１回の測定で亀裂発生期間と亀裂進展速度を知ることができる。
【００７４】
また、１度の測定により評価対象部材の寿命を求める方法として、２つの亀裂進展型疲労センサを一緒に使う方法がある。
この方法によるときは、Ｓ−Ｎ曲線の傾きの異なる２つの疲労センサＳ１，Ｓ２を一緒に同じ評価対象部位に貼付して、一定の計測期間Ｔｔ後に両者の亀裂長さａｉ，ｂｉを測定する。そして、図２４に示すように、それぞれの疲労センサＳ１，Ｓ２のそれぞれの亀裂長さａｉ，ｂｉに対応するＳ−Ｎ曲線を描く。このままでは、評価対象部位にどのような応力が働いているかが分からないため、計測結果がＳ−Ｎ曲線上のどこに対応するか判明しない。
【００７５】
しかし、２つの疲労センサは同じ応力作用を受けてきたのであるから、実際の応力作用は２つのＳ−Ｎ曲線を共に満たす必要があり、 ２つのグラフが交差した位置における応力振幅ΔσＲで代表されることになる。したがって、Ｓ−Ｎ曲線において、代表応力振幅ΔσＲに対応する繰返し数ＮＲを代表負荷回数と考えることが妥当であり、計測期間Ｔｔの間にこの負荷回数ＮＲの繰返しを付与したことになる。
【００７６】
そこで、評価対象に係るＳ−Ｎ曲線における代表応力振幅ΔσＲに対応する繰返し回数ＮＬが代表寿命回数になり、計測期間中の負荷状態が恒常的なものとすれば、評価対象の寿命Ｔｍは、
Ｔｍ＝Ｔｔ×ＮＬ／ＮＲ
で求められることになる。
この方法も、ただ１回の測定行為により目的の評価が可能なので、極めて効率的な寿命推定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の１実施例に係る疲労センサの斜視図である。
【図２】本実施例に係る疲労センサの側面図である。
【図３】本実施例に係る疲労センサの平面図である。
【図４】本実施例の別態様に係る疲労センサの側面図である。
【図５】本実施例の疲労センサにおいて疲労検出部の作用を説明するための図面である。
【図６】本実施例の疲労センサに関するＳ−Ｎ曲線を概念的に示した図面である。
【図７】本実施例の疲労センサにおいて亀裂進展の機構を説明するための図面である。
【図８】本実施例の疲労センサにおいて亀裂進展長の変化を模式的に示したグラフである。
【図９】本実施例において所定の亀裂長ａｉに達するまでの繰返し回数Ｎを表わしたＳ−Ｎ線図である。
【図１０】本実施例に係る疲労センサと評価対象についてＳ−Ｎ曲線を概念的に表わしたＳ−Ｎ線図である。
【図１１】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の例を説明する斜視図である。
【図１２】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の別例を説明する斜視図と部材における応力分布図である。
【図１３】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置のさらに別例を説明する斜視図である。
【図１４】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の別例と推定方法を説明する斜視図である。
【図１５】本実施例の複数型疲労センサの平面図である。
【図１６】本実施例の複数型疲労センサの使用例を示す斜視図である。
【図１７】本実施例に係る疲労センサの破断時期を表わすＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線を表わした概念的なＳ−Ｎ線図である。
【図１８】本実施例に係る疲労センサについて所定の亀裂進展長に到達する期間を表わすＳ−Ｎ曲線を評価対象のＳ−Ｎ曲線と一緒に表わした概念的なＳ−Ｎ線図である。
【図１９】本実施例の疲労センサを使った亀裂進展速度と亀裂発生期間を算出する方法を説明する線図である。
【図２０】本実施例の疲労センサにおいて疲労検出部の実施態様例を説明する図面である。
【図２１】本実施例の疲労センサの別態様を示した斜視図である。
【図２２】本実施例の別実施態様として複合型疲労センサを示す図面である。
【図２３】図１６の複合型疲労センサと一緒に使用する亀裂進展型疲労センサを示す図面である。
【図２４】本実施例の疲労センサを使用して評価対象の寿命推定を行う方法を説明するＳ−Ｎ線図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 破断片
２ 基板
３ 疲労検出部
４ 固着部
５ スリット
６ 最奥部
１０ 疲労センサ
１１ 薄膜導体
１２ 電極
１３ 絶縁体
１４ 導線
１５ 複数型疲労センサ
１６，１７，１８ 破断片
１９ 基板
２０ 複合型疲労センサ
２１ 破断部
２２ 基板
２３ 亀裂進展部
２４ 破断部
２５ スリット
２６ スリット
２７ 接合部
３０ 亀裂進展型疲労センサ
３１ 破断部
３２ 基板
３３ 亀裂進展部
３４ スリット
４１ 推定対象部材
４２ 推定対象部位（応力集中部）
４３，４４，４６，４７ 疲労センサ貼付位置
４５ 公称応力部（平滑部）
４８ 複数型疲労センサ貼付位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繰返し荷重を受ける構造物で疲労損傷するおそれがある各種の部位における疲労損傷の発生の有無と時期を予測するために使用する貼付け型の疲労センサに関する。また、このような貼付け型疲労センサを用いた部材の疲労損傷度推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現実に供用に付されている橋梁その他の構造物、機械装置、車両、航空機、船舶などの現状の強度や残りの寿命を正確に推定することにより、余寿命が十分あるのに造り直したり大幅な改修工事をしたりする無駄を省き、また適切な保全計画の作成や予算の確保が可能になるが、構造物や車両などの強度や余寿命を正確に推定するためには、構成する部材の疲労状況を把握する必要がある。
【０００３】
材料の疲労を推定するために従来から利用される方法に、測定対象とする部位に歪みゲージを貼付して、その部位に発生する実際の応力を測定し、この応力条件における疲労をＳ−Ｎ線図などを利用して算出する方法がある。
この方法は、変換器など精密な計測装置を用いなければならないので、一度に多数の部位について計測することは難しいため、大型の構造物等における強度や寿命を的確に把握することが難しい。また、部材の損傷度を直接的に計測するものでなく、対象物に発生する応力の経時変化から部材の損傷度を推定するため、実地の疲労状況を正確に把握することは難しい。
【０００４】
これに対して、特許文献１には、実構造物に犠牲試験片を貼付して犠牲試験片に生じた疲労損傷状況から構造物の疲労損傷を予知する方法が開示されている。開示方法に使用する犠牲試験片は、疲労損傷を予知しようとする構造物と同じ材料で作られ、長さ方向中央部に人工亀裂を設けた長さ７０ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ約０．２５ｍｍの薄板状の試験片で、２枚の樹脂製薄板の間に挟んで構成したものである。
事前に構造部材と犠牲試験片のＳ−Ｎ線図を求めておいて、部材に設置した犠牲試験片に損傷が生じたときの荷重繰返し数を求めてＳ−Ｎ線図に当て嵌めるとその時の応力振幅、もしくは分布のある応力振幅を１つの応力振幅値で代表した代表応力振幅が求まるので、これを構造部材のＳ−Ｎ線図に代入すると、溶接部端部などのホットスポット部における寿命が推定できる。
【０００５】
ただし、このような測定を可能にするためには、犠牲試験片がホットスポット部より早く損傷を生じなければならない。犠牲試験片のスリットにおける応力集中率は５程度であるので、構造部材において応力集中度が３ないし４程度になる程度にホットスポットから離れた位置に犠牲試験片を貼付すれば、ホットスポット部の寿命が予測できることになる。なお、犠牲試験片は亀裂が生じてから破断するまでの期間が比較的長いので、十分なモニタリング期間が確保できる。
しかし、特許文献１に記載された犠牲試験片は、形状が比較的大きく溶接ビードの縁端に近接して貼付することができず、スリットにおける応力集中度が比較的小さいため、正確な測定が難しい。また、樹脂製薄膜を介して犠牲試験片に応力を伝達するので、歪みの一部が樹脂製薄膜に吸収されることからも、正確な測定が難しい。
【０００６】
さらに、特許文献２には、長さ１３ｍｍ幅６ｍｍ厚さ０．０５ｍｍの金属箔基板の上に中央部に幅２ｍｍ厚さ０．０２ｍｍの亀裂進展部を有する長さ１２ｍｍ幅５ｍｍ厚さ０．１ｍｍの破断片を形成した、極めて小型で薄いクラック型疲労センサが開示されている。例示された実施例には、亀裂進展部には側端から先端が鋭く加工されたスリットが形成されていて、被測定部材にわずかな歪みが生じても直ぐにスリット先端から亀裂が生じて進展するような感度の高いセンサが記載されている。
特許文献２に開示された疲労センサは、小型で感度が高いため、対象部材の極めて近傍に貼付して貼付部分における繰返し応力により疲労センサの疲労損傷度を測定して対象部位の疲労損傷度を推定したり実寿命を推定することができる。
【０００７】
特に、溶接部におけるホットスポットのように極めて応力集中率が大きく亀裂発生期間が殆ど無いものについて疲労損傷度を推定する場合は、スリット最奥に鋭い先端部を形成したものを利用して亀裂発生期間を無くすことにより、十分信頼できる推定値を得ることができる。
しかし、構造物や輸送機械など測定対象には各種の部材が溶接ばかりでなく機械加工、押出し成型、鋳造など様々な形態で使用されており、これらの部材についてそれぞれ疲労損傷度や寿命を推定しようとすると、測定対象部材によって応力集中率が異なるので、溶接部の測定に適した疲労センサをそのまま使用しても十分正しい結果を得ることができない。
【特許文献１】特開平９−３０４２４０号公報
【特許文献２】特開２００１−２８１１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、繰返し応力を受ける、橋梁などの構造物、機械装置、車両、航空機、船舶などを構成する部材に貼付して、それら部材の疲労損傷度を推定することができる疲労センサを提供することである。
特に、溶接部に限らず各種形状の部材や機械加工面、押出し成型面、鋳造面などの金属加工面についても疲労評価ができる疲労センサ及びその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る疲労センサは、中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部を有しこの疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリットを設けた破断片と、この破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、疲労検出部が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、スリットの先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有することを特徴とする。
【００１０】
破断片は箔状の基板の上に固定されているので、基板を被検体に貼付すれば破断片に余分な応力を与えることが無く、破断片は被検体の歪みを正確に反映することができる。また、破断片の疲労検出部は破断片の両端部より薄く形成されているので、破断片に伝達された歪みは疲労検出部に集中し、疲労検出部の応力検出感度が向上する。さらに、スリット先端形状の曲率を選択することにより、応力集中率を変えて亀裂発生期間を変化させることができる。なお、疲労検出部の厚さが薄いほど亀裂進展速度が速くなるので、経時後の亀裂進展長は疲労検出部の厚さにも大きく影響を受けることになる。
【００１１】
繰返し応力下の被検体の疲労強度は、材料、形状、外力や応力の状態、環境など多くの因子が影響を与える。一定な繰返し応力σの下で破断までの繰返し数Ｎの関係を対数表示で示すＳ−Ｎ曲線で表すと、同じ材料でも、溶接部のＳ−Ｎ曲線は平滑材のＳ−Ｎ曲線より下にあって、水平部として表される疲労限界も低い。また、円滑部材のＳ−Ｎ曲線は傾きが小さく、切り欠きがあったり表面が荒れていると傾きが大きくなる。
一方、疲労センサは被検体より早く破断するべきものあるから、そのＳ−Ｎ曲線は被検体の色々な条件におけるＳ−Ｎ曲線より左に表されるように選ばれる。
【００１２】
所定の繰返し応力条件下における被検体の寿命を推定する場合は、貼付した疲労センサが破断する回数Ｎｓを疲労センサのＳ−Ｎ曲線に当て嵌めて相当する繰返し応力σを求め、被検体のＳ−Ｎ曲線においてこの繰返し応力σに対応する繰返し回数Ｎｍを求めると、これが与えられた繰返し応力条件下における被検体の寿命にあたる。
【００１３】
被検体を実際の環境下で供用する場合、繰返し応力値は一定でないので、累積損傷則により、応力σが一定しない場合に応力毎に負荷回数の積算値が総合的な損傷度に関連することを利用して破断に至る繰返し回数を求めて、被検体の寿命を推定する。
【００１４】
累積損傷則によれば、繰返し応力値ごとに破断に至る負荷回数に対する計測期間中の負荷回数の比を積算した値が損傷度になる。疲労センサのＳ−Ｎ曲線が被検体のＳ−Ｎ曲線が平行である場合は、疲労センサの寿命と被検体の寿命が比例するから（α倍）、疲労センサが破断に至ったときには繰返し応力値によらず、その計測期間のα倍が被検体の寿命となる。また、被検体の供用期間が知れているときは被検体の寿命から供用期間を差し引くことにより余寿命を知ることができる。
【００１５】
累積損傷則を利用して疲労センサの測定結果に基づいて被検体の損傷度を推定するためには、疲労センサのＳ−Ｎ曲線が被検体のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つ必要がある。
本発明の疲労センサは、疲労検出部の厚さとスリット先端の曲率によりＳ−Ｎ曲線を調整することができるので、測定対象とする部材のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つようにして、被検体の寿命や余寿命を求められるようにすることができる。
【００１６】
本発明の疲労損傷度推定方法は、本発明の疲労センサを評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に疲労検出部に生じる亀裂の長さを測定し、この亀裂進展長に基づいて、評価対象部位における疲労損傷度や寿命を推定することを特徴とする。
疲労センサに作用する繰返し応力が一定であれば、疲労検出部に亀裂が発生した後の亀裂進展長は、繰返し回数に比例する。また、亀裂進展速度は繰返し応力が大きいほど早くなる。
【００１７】
部材が破断するときの繰返し応力と繰返し回数を対数表示したＳ−Ｎ線図上に、疲労センサの亀裂がある長さに到達する時期をプロットすると、破断時期に基づくＳ−Ｎ曲線に対して、上側が下側より離れて傾斜が緩くなったＳ−Ｎ曲線が得られる。繰返し応力が小さいときは亀裂進展速度が小さいが、Ｓ−Ｎ曲線が右下がりになっていて目盛り幅に対する繰返し回数が大きいため、下側で破断Ｓ−Ｎ曲線に近接することになるからである。
【００１８】
一般に、ある亀裂長さに達する時期に関するＳ−Ｎ曲線は、亀裂長さが短い間ほど破断Ｓ−Ｎ曲線より傾きが小さい。そこで、測定対象部材の特性に合わせて観察する亀裂長さを選択すれば、部材のＳ−Ｎ曲線と疲労センサの所定の亀裂長さに関するＳ−Ｎ曲線がほぼ平行になるようにすることができる。そして、評価対象部材に貼付してこの選択した亀裂長さに達する期間を計測によって知れば、Ｓ−Ｎ曲線の関係を利用して同じ応力条件下での評価対象部材の寿命を推定することができる。また、供用期間を使って余寿命を知ることができる。
【００１９】
このように、疲労センサを貼付して亀裂発生時期と亀裂進展速度を知り亀裂が所定の長さに達する期間を求めることにより、対象部材の寿命を推定することができる。
さらに、複数回に亘り亀裂進展長を測定することにより、亀裂進展速度と亀裂発生時期を求めて、対象部材の寿命を推定することができる。
【００２０】
なお、亀裂進展部の所定の亀裂進展長位置に亀裂進展方向を横切るように導体を配置して、導体の両端に電極を設けて導通状態を監視しておき、導体が切断した時期に基づいて所定の亀裂進展長に達したことを検出する方法がある。
このような自動検出機構を利用することにより、所定の亀裂進展長に達する時期を確実に捉えることができる。
また、目視による監視を容易にするため、疲労検出部の亀裂の進展方向に適当な目盛りあるいは進展長の目安となる目印を印しておいてもよい。
【００２１】
さらに、本発明の疲労センサの疲労限界が材質に伴う強度差や形状に応じた応力集中度により変化することを利用して、対象部位が疲労損傷を受ける可能性を推定することができる。本発明の疲労センサの疲労限界は、疲労検出部を形成する材質により異なることは勿論であるが、形状によっても調整することができ、たとえば、スリット部における応力集中度が高ければ低く、応力集中度が低ければ高くなる。疲労センサは疲労による亀裂を対象部材より加速して検出する。
構造物の母材部での疲労特性は応力範囲の疲労限界でおよそ決定され、評価部位で発生している応力が疲労限界より上か下かにより評価部位における疲労損傷発生の有無を判定することができる。
【００２２】
そこで、材質や応力集中度を調整して評価対象の疲労限界と同じ疲労限界を持つように設定した疲労センサを対象に貼付して、所定期間後に疲労センサに亀裂や破断などの損傷が発生するか否かを観察することにより、対象部位に作用する応力が疲労限界以上であるかどうかを判定することができる。
すなわち、疲労限界以下の応力では疲労損傷を生じないことから、評価対象部材の疲労限界とほぼ同じ疲労限界を持つように調整した疲労センサに疲労損傷が生じれば、疲労限界以上の応力が印加されているので、評価対象部材はその供用条件下でいずれ疲労障害が生ずることが予想される。また、疲労センサが疲労損傷を生じない場合は、観察期間が短すぎない限り、評価対象部材は疲労損傷を起こさないと推定することができる。
この方法によれば、対象部位における応力状態を計測器を使わずに観測して疲労亀裂発生の有無を推定するので、簡便かつ安価に適切な保全管理を行うことができる。
【００２３】
たとえば、繰返し荷重を受ける金属製構造物の応力集中部位に、疲労限界を当該部位の疲労限界近傍に調整した疲労センサを貼付し、疲労センサに破断や亀裂発生などの疲労損傷が観察されるかどうかで、対象部位に疲労亀裂が発生するか否かを推定してもよい。疲労センサは対象部位に作用する応力状態を受容するが、対象部位の応力が疲労限界より低ければ何の損傷も生じない。
【００２４】
さらに、応力集中部位が湾曲していたりして疲労センサを直接貼付できない場合は、構造物の部材について解析により応力集中率を求めて、その応力集中率を勘案した疲労限界を有する疲労センサを準備し、この疲労センサを公称応力を示す平滑部に貼付して観察することにより、測定目的である応力集中部位における応力がその疲労限界より大きいか小さいかを判定することができる。
応力集中部では平滑部の応力に対して応力集中度倍の応力を生じるから、疲労センサが平滑部において受ける応力が応力集中部位における疲労限界を応力集中度で割った値を超えれば、対象部位は疲労損傷を発生することになる。したがって、疲労センサの疲労限界は応力集中部位における疲労限界を部材の応力集中度で割った値にするのである。
【００２５】
なお、疲労センサを応力集中部と平滑部の両方に貼付して観測することができれば、さらに精度の高い推定が可能になる。この場合、疲労センサの疲労限界は、応力集中部に貼付するものが応力集中部における疲労限界値、平坦部に貼付するものが応力集中部における疲労限界値を応力集中度で割った値とする。
いずれかの疲労センサで疲労損傷が観測されれば、対象部位はやがて疲労損傷を現わすことが予測される。
【００２６】
また、応力集中部に直接疲労センサを貼付できない場合にも、複数のセンサを利用して信頼性を向上させることができる。評価しようとする応力集中部位の近傍で、応力集中部位からの距離に差がある点に疲労センサを貼付する。疲労センサは、貼付位置における応力集中率を勘案した疲労限界を有するように調整されている。すなわち、評価部位における応力集中度をαｍ、貼付位置における応力集中度をαｐ、応力集中部における疲労限界をＦｍ、疲労センサの疲労限界をＦｓとすると、
Ｆｓ＝Ｆｍ×αｐ／αｍ
という関係を持たせることである。
すると、いずれかの疲労センサに亀裂や破断が観察されるならば、部材の応力集中部に疲労限界を超える応力が作用することになり、やがて疲労損傷が生ずると判定することができる。
この方法は複数のセンサで検知するので、見落としが減って信頼性が高まる。
なお、この場合、応力集中部から近い方のセンサが破断したのに遠い方のセンサが正常のままであるときには、応力集中度が予想より大きいことが伺われ、応力集中部の疲労損傷が早いことが予想できる。
【００２７】
さらに、これら複数の疲労センサを１枚の基板上に一緒に形成した複数型疲労センサを利用するようにしても良い。複数型疲労センサは、それぞれ対象とする応力集中部について貼付される位置の応力集中度に応じた疲労限界を有するように形成された検出素子が隣接して並んだもので、評価したい応力集中部から予め決められた距離だけ離れた位置に応力勾配に沿って素子が並ぶように貼付して観察する。
複数型疲労センサは、複数の疲労センサが１枚の基板上に形成されているため、１回で全てのセンサを貼付できるので、センサ貼付位置を注意深く決定して貼付する作業が１回で済む上、貼付位置のずれが小さく精度の高い計測ができる。
【００２８】
また、発明が解決しようとする課題を解決するため、本発明に係る第２の疲労センサは、亀裂発生期間が短くなるようにされた亀裂進展部と亀裂発生により直ぐに破断に至る破断検出部を直列に設けた破断片と、その破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断時における亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、破断検出部が横断方向両側からスリットが設けられ、そのスリットの先端形状が亀裂発生期間に従った曲率を有することを特徴とする複合型疲労センサである。
【００２９】
本発明の複合型疲労センサは、対象部材に貼付して繰返し応力の下で時間経過させると、亀裂進展部に鋭いスリットなどを設けて亀裂発生期間を短くなるようにしてあるため極めて初期の段階で亀裂が発生して経時にしたがって亀裂が進展する。一方、破断検出部は、先端形状が所定の曲率を持つスリットが設けられて適当な応力集中率を持つようにされているので、部材に対して所定割合で加速された破断時期が来ると破断するようにすることができる。亀裂進展部と破断検出部は直列に配置され、破断検出部が破断すると亀裂進展部に応力が伝達しないので、亀裂進展部における亀裂は疲労センサが破断したときのままそれ以上進展しない。
【００３０】
同じ構造の亀裂進展部のみが組み込まれたもう一つの疲労センサ（亀裂進展型疲労センサ）を上記複合型疲労センサと並接して、亀裂進展長を観察することにより、疲労センサが破断した後の亀裂進展長が分かる。複合型疲労センサの亀裂進展部と亀裂進展型疲労センサの亀裂はいずれも計測期間の初めから進展し、また同じ進展速度であると推定することができる。
したがって、複合型疲労センサと亀裂進展型疲労センサを一緒に使えば、亀裂進展長の差から破断検出部の亀裂発生時期、亀裂進展長から亀裂進展速度を得るので、１度の計測で亀裂発生時期と亀裂進展速度の両方の情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例に係る疲労センサの斜視図、図２は側面図、図３は平面図を表す。また、図４は本実施例の別態様に係る疲労センサの側面図である。
本実施例の疲労センサは、中央部を薄く形成した破断片１を基板２の上に固定したもので、破断片１の中央部が破断片を横断する方向に凹部をもって薄く形成された疲労検出部３を構成し、破断片１の両端の固着部４で基板２に固着されている。
【００３２】
本発明の疲労センサは、疲労検出部３にスリット５を備え、このスリット５の最奥部６の形状により疲労特性を調整するようにしたことを特徴とする。
なお、図４は、図１，２，３に示した疲労センサと異なり、破断片１の基板２に向かい合う面に疲労検出部３の凹部を形成した疲労センサを示す側面図である。図４に示した疲労センサも図１，２，３に示したものと全く同じ機能を有することはいうまでもない。
【００３３】
基板２は、たとえばインバーなど熱膨張率の小さい金属からなる、厚さがたとえば０．０５ｍｍ程度の薄い箔で構成される。また、破断片１はたとえば０．１ｍｍ程度の厚さを有し、純ニッケルなどメッキやエッチングによる形成が容易な金属で構成することが好ましい。なお、測定対象となる部材と同じ材料で構成しても良い。
本実施例の疲労センサは、対象部材の表面に貼付して所定期間経過した後に亀裂の発生状況を観察することにより、その部位に印加される繰返し応力を推定するために使用される。
【００３４】
繰返し応力を受ける部材表面に疲労センサを貼付すると、部材に生じる歪みを薄い箔状基板２および基板に固定された固着部４を介して破断片１に伝達する。破断片１の疲労検出部３はたとえば厚さ０．０２ｍｍなど両脇の部分より薄く形成されているため応力が強化され、さらにスリット５の最奥部６に有する曲率に従ってスリット先端部に応力集中が生じる。
【００３５】
疲労センサにおいて、疲労検出部３に亀裂が生じるまでの亀裂発生期間および亀裂が進展して破断するまでの破断期間は、疲労検出部の材料、形状、応力状態、環境などにより影響を受ける。疲労センサの応力特性は、特に、スリット５とその最奥部６における曲率の存在により生じる応力集中によって支配される。
すなわち、図５に示すように横断方向にスリット５がある破断片１に長手方向の力Ｐが働く場合、応力集中率αは破断片１の幅ｗに対するスリット５の深さｔの割合とスリットの深さｔに対する最奥部曲率半径ρの割合の関数となる。
【００３６】
したがって、たとえば最奥部６における曲率半径ρを選択することにより、容易に応力集中率を調整することができる。なお、疲労検出部３の厚さや幅は、破断片１に印加する応力を疲労検出部３に集中させる度合いに影響することはいうまでもない。また、疲労センサの疲労限界も応力集中度に影響を受け、たとえば、他の条件が変わらなければ、スリット最奥部の曲率半径ρが小さく応力集中が大きいときには小さな歪みで容易に亀裂が生じて疲労限界も小さく、応力集中度が低いときには疲労限界も高くなる。
【００３７】
図６は、繰返し応力により亀裂が発生し進展して破断に至る期間を応力振幅と繰返し数の対数に対してプロットして表したＳ−Ｎ曲線を概念的に示した図面である。曲率半径ρが小さくなるにつれて応力集中度が大きくなるので、より小さな応力振幅で破断が進展し破断期間が短くなりＳ−Ｎ曲線はより左に寄る。またＳ−Ｎ曲線の傾斜も大きくなる。
また、Ｓ−Ｎ曲線右端部の水平線で示される疲労限界も調整により変化し、一般にはＳ−Ｎ曲線の傾きが大きい方が低くなる。
【００３８】
さらに、亀裂発生後の亀裂進展長ａは応力振幅Δσが同じであれば繰返し回数Ｎに比例する。図７に示すように、横断方向にスリット５のある破断片１に長手方向の力Ｐが働くとして、ある応力振幅Δσで繰返し応力Ｐを与えると応力振幅により決まる亀裂発生時期Ｔｃに達するとスリットの最奥部に亀裂ａが生じる。亀裂ａはその後繰返し応力を受けて図中ａ１，ａ２，ａ３と伸長し、やがて破断片を横断する長さａｗまで達すると破断する。
図８は、応力振幅をパラメータとして亀裂の進展長を模式的に示したグラフである。亀裂の進展期間におけるグラフの傾きｄａ／ｄＮ（またはｄａ／ｄｔ）は一定になる。なお、発生期間Ｔｃは実時間ではなく、繰返し回数Ｎに基づいて決まる期間である。
【００３９】
図９は、異なる応力振幅Δσについて、所定の亀裂長ａｉに達するまでの繰返し回数ＮをＳ−Ｎ線図上に表したものである。応力振幅が変わらなければ亀裂が同じ長さだけ進展する期間は等しい。Ｓ−Ｎ曲線では繰返し回数を対数表示することから、同じ応力振幅線上において、亀裂が同じ長さだけ進展する期間を表すと亀裂が進展するほどlogＮで表わした間隔が短くなる。また、応力振幅が小さいほど所定の亀裂長に達する繰返し数は大きくなるが対数表示では繰返し数が大きいほど繰返し数の間隔が小さく表示される。したがって、一定の亀裂長ａ１，ａ２，ａ３に到達するまでの期間をＳ−Ｎ線図上にプロットすると、図９のように破断ａｗを表すＳ−Ｎ曲線に対して傾きの異なる曲線が描ける。
【００４０】
本実施例の疲労センサは、橋梁などの構造物、機械設備、船舶、航空機などの輸送装置など、供用されることにより繰返し応力を受ける装置や機械において、疲労損傷度を評価したい部位に貼付して利用するものである。
疲労センサを貼付した装置等を供用に付すると、疲労センサはその評価対象部位における応力を受けて疲労する。疲労センサの感度が高いため、評価対象部位が疲労の影響を現わすよりずっと短い期間で亀裂や破断など疲労損傷が生起する。
【００４１】
疲労センサの第１の使用方法は、対象部材に将来疲労損傷が発生するか否かの判定である。疲労センサと評価対象のＳ−Ｎ曲線を概念的に表わした図１０によって、疲労センサの選択方法を説明する。なお、図１１から図１４および図１６は疲労センサの貼付位置を例示する図面、図１５は疲労センサを複数並べた複数型疲労センサの平面図である。
この方法では、評価対象とする部材の疲労限界とほぼ同じ疲労限界を持つ疲労センサを選択する。疲労センサの疲労限界は、疲労検出部におけるスリット先端形状、疲労検出部の厚さ、破断片の材質などにより、応力集中度、強度などを調整することにより色々な水準にすることができる。
【００４２】
図１０には、疲労センサの応力集中度をα１，α２，α３に調整したときのＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線が描かれている。評価対象部材の疲労限界応力振幅が分かれば、これとほぼ同じ、あるいは構造物等の安全を重視する場合はこれより小さい疲労限界を有する疲労センサを選択する。
図１０に示された例では、評価対象と同じ疲労限界を有する応力集中度α２の疲労センサを選択すればよい。
なお、評価対象部材のＳ−Ｎ曲線の傾きに合うような亀裂長を算定して目標亀裂進展長ａｉとすることによって、疲労センサのＳ−Ｎ曲線が評価対象部材に適合する傾きを持つようにすることも可能である。
【００４３】
選択した疲労センサをその部材の部分に貼付し、疲労センサに亀裂や破断など観察可能な疲労損傷が現れる程度の適当な期間だけ構造物等を供用した後に、疲労センサを観察する。このとき、疲労センサに何らかの疲労損傷が生じた場合は、評価対象部位に作用する繰返し応力は対象部材の疲労限界を超えているので、評価対象部位はいずれ疲労損傷を生じることになると推定できる。疲労センサに疲労損傷が生じない場合には、応力に対して試験期間が短じか過ぎた可能性はあるが、評価対象部位に作用する繰返し応力は疲労限界より低く、疲労損傷が生じない可能性が高いと判定できる。
【００４４】
この方法は、対象部位における応力状態を計測器を使わずに簡単な疲労センサを貼付して観測することで疲労亀裂発生の有無を推定するもので、簡便かつ安価に適切な保全管理を行うことができる。
図１１は、本方法の最も基本的な態様を表わす説明図である。
繰返し荷重を受ける金属製構造物４１の応力集中部位４２の表面位置４３に、疲労限界を当該部位の疲労限界とほぼ同じ値に調整した疲労センサを貼付し、適当な期間経過したところで疲労センサを観察する。その結果、疲労センサに破断や亀裂発生などの疲労損傷が存在すれば、対象部位に生ずる応力はその疲労限界を超えているから、やがて対象部位に亀裂や破断といった疲労損傷が発生するはずである。
なお、疲労センサは極めて高感度に設計されているから、疲労限界以上の荷重が印加されている状態では適当な期間が経過すればほぼ確実に疲労損傷が観察できる。したがって、疲労センサに疲労損傷が見られない場合は、対象部位の応力はその疲労限界より低く将来に亘って疲労損傷が発生しないと判断してもよい。
【００４５】
図１２は、応力集中部位４２が湾曲していたりして疲労センサを直接貼付できないときなどで、平滑部の適当な部位４４に疲労センサを貼付する場合について説明する図面である。図１２（ａ）は疲労センサを貼付する部分の斜視図、図１２（ｂ）は対象部位の応力解析の結果を示す線図である。
図１２（ａ）に示した構造物の部材４１について有限要素法などを用いて解析すると、たとえば図１２（ｂ）のように、応力集中の状態を定量的に求めることができる。ここから平滑部４５における公称応力に対する推定対象部位４２の応力集中率αと対象部位４２の疲労限界値Ｆｍを求める。そして、疲労限界が対象部位４２の疲労限界Ｆｍを応力集中率αで割った値Ｆｓになるように設計された疲労センサを準備し、この疲労センサを平滑部の適当な部位４４に貼付して構造体を供用状態において、適当な期間経過後に疲労センサに現れた疲労損傷を観察する。この結果、疲労損傷が発生していれば、測定目的である応力集中部位４３における応力がその疲労限界Ｆｍより大きいと推定できるので、対象の応力集中部にはやがて何らかの疲労損傷が現れると予測ができる。
【００４６】
図１３は、疲労センサを応力集中部４３と平滑部４４の両方に貼付して観測する場合を示す斜視図である。応力集中部に疲労センサを貼付できる場合にも、図１２で説明した方法を併用すれば、さらに精度の高い推定が可能になる。
この場合、疲労センサの疲労限界は、応力集中部４３に貼付するものが応力集中部における疲労限界値、平坦部４４に貼付するものが応力集中部４２における疲労限界値を応力集中度で割った値とする。
いずれかの疲労センサで疲労損傷が観測されれば、対象部位はやがて疲労損傷を現わすことが予測される。
【００４７】
図１４は、部材４１において応力集中部４２に疲労センサを貼付しなくても、応力値に勾配がある２以上の位置４６，４７に疲労センサを貼付することで、応力集中部４２における疲労損傷発生の有無を推定することができることを説明する図面である。
評価しようとする応力集中部位４２の近傍で、応力集中部位４２からの距離に差がある点４６，４７に疲労センサを貼付する。疲労センサは、貼付位置４６，４７における応力集中率を勘案した疲労限界Ｆｓを有するように調整する。すなわち、評価部位における応力集中度をαｍ、貼付位置における応力集中度をαｐ、応力集中部における疲労限界をＦｍ、疲労センサの疲労限界をＦｓとして、
Ｆｓ＝Ｆｍ×αｐ／αｍ
という関係を持たせる。
【００４８】
疲労限界Ｆｓを上式にしたがって調整した疲労センサを貼付し、適当な期間経過した後に観察して、いずれかの疲労センサに亀裂や破断があれば、応力集中の具合に従って部材の応力集中部４２に疲労限界Ｆｍを超える応力が作用しているので、やがて疲労損傷が生ずることになる。また、疲労センサの一方が亀裂等を起こしたのに他方は正常のままであるときには、予測した応力集中度が実際のものと異なる可能性を示すことになる。
このように、応力集中部に直接疲労センサを貼付しないでも、複数のセンサを利用して推定の信頼性を向上させることができる。この方法は複数のセンサで検知するので、見落としが減って信頼性が高まる。
【００４９】
図１５は、応力集中部の近傍に貼付して応力集中部における疲労損傷の有無を予測するために使用できる複数型疲労センサの平面図、図１６はその使用状態を示す斜視図である。
図１５に示した複数型疲労センサ１５は、図１４により説明した複数の疲労センサを１枚の基板上に一緒に形成したものに当る。複数型疲労センサ１５は、それぞれ対象とする応力集中部について貼付される位置の応力集中度に応じた疲労限界を有するように形成された検出素子１６，１７，１８が隣接して並んだもので、部材４１における評価対象応力集中部４２から予め決められた距離だけ離れた位置４８に応力勾配に沿って素子が並ぶように貼付して観察する。
【００５０】
いずれの検出素子１６，１７，１８が疲労損傷を表わしても、応力集中部４２に疲労限界以上の応力が生じていることになるので、部材４１はいずれ損傷を受けることになると予想できる。
複数型疲労センサ１５は、複数の疲労センサ１６，１７，１８が１枚の基板１９上に形成されているため、１回で全てのセンサを貼付できるので、センサ貼付位置を注意深く決定して貼付する作業が１回で済む上、貼付位置のずれが小さく精度の高い計測ができる。なお、複数型疲労センサ１５に搭載する疲労センサの数は任意であって３個に限らないことはいうまでもない。
【００５１】
疲労センサの第２の使用方法は、対象物に貼付した疲労センサの破断時期を知ることにより、その環境下における対象物の寿命及び余寿命を推定するものである。
図１７は、破断時期を表わす疲労センサのＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線を表わした概念図である。疲労センサのＳ−Ｎ曲線は応力集中度により傾きが異なる。そこで、評価対象のＳ−Ｎ曲線の傾きと同じ傾きを有する応力集中度αｉのときの疲労センサを選択する。
【００５２】
選択した疲労センサを評価対象部位に貼付して、疲労センサが破断する期間Ｔｓを測定する。疲労センサと評価対象部材のＳ−Ｎ曲線は対数対数目盛り上で平行になっているから、評価対象部材の破断時期Ｔｍは、応力振幅の値にかかわらず、定数ｋ倍になる。すなわち、
Ｔｍ＝ｋＴｓ
となり、疲労センサの破断期間Ｔｓに基づいて、同じ振幅の応力が繰返し作用し続けた場合における評価対象の寿命Ｔｍを推定することができる。
【００５３】
また、評価対象物の疲労寿命Ｔｍから診断時までの供用期間Ｔｈを差し引けば、今後寿命が尽きるまでの期間すなわち余寿命Ｔｒを得ることができる。
すなわち、
Ｔｒ＝Ｔｍ−Ｔｈ
である。
【００５４】
なお、疲労メカニズムからは期間Ｔの代りに繰返し応力の繰返し回数Ｎを用いるべきであるが、繰返し応力の作用状況が変わらなければ繰返し回数Ｎは時間Ｔに対応するので、疲労センサの破断期間Ｔｓは破断に至るまでの繰返し回数Ｎｓの代替関数、対象部材の寿命Ｔｍは破断までの繰返し回数Ｎｍの代替関数として使っている。
【００５５】
実際の供用環境下では同じ振幅の応力だけが作用することはないが、累積損傷則により各応力振幅におけるダメージの累積がトータルの損傷度になるので、実際に疲労センサが破断したとすれば、それまでの期間Ｔｓに受けた種々の応力作用が破断に至る損傷を受けたことになる。
そして、その状況が継続するものならば、対象部材の寿命がＴｍ＝ｋＴｓで求められることに変わりはない。
【００５６】
対象部材は供用を開始した当初から繰返し応力の作用を受けているのに対して、疲労センサは試験期間のみ繰返し応力を受ける。疲労センサの結果から求めた対象部材の寿命は試験期間における応力状態を供用期間全体に敷衍することにより推定したものであるから、供用された当初の期間における応力状態が分かっているならばこれに従って補正することが好ましい。また、その後の供用期間についても応力状態が予測できるならば同様である。
【００５７】
なお、通常は疲労センサの監視は適度な時間間隔で定期的に行うことになるが、より正確に寿命を推定するためには破断の瞬間を検出することが要求される。このため、破断片に弱い電流を流しておいて、電気的に断線を検出して破断時刻を正確に知るようにしてもよい。破断片が母材と電気的に絶縁されていないときは、破断片の表面に絶縁された電気良導体または金属ワイヤを張って利用しても良い。
【００５８】
本実施例の第３の使用方法は、亀裂進展長を利用した推定方法であって、対象物に貼付した疲労センサに発生した亀裂が所定の亀裂進展長に達するときの時期を知ることにより、その環境下における対象物の寿命及び余寿命を推定するものである。
図１８は、スリット先端曲率を変化させるなどして応力集中係数を調整した異なる疲労センサＳ１，Ｓ２において、ある長さａｉ，ｂｉの亀裂進展長に到達する期間を表わす疲労センサのＳ−Ｎ曲線を評価対象のＳ−Ｎ曲線と一緒に表わした概念図である。
【００５９】
疲労センサＳ１，Ｓ２のＳ−Ｎ曲線は応力集中度が異なるため傾きが異なる。さらに、所定の亀裂長ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３に到達する期間をプロットするとそれぞれ破断に応ずるＳ−Ｎ曲線に沿って幾分ずつ傾きの異なるＳ−Ｎ曲線が得られる。
そこで、評価対象のＳ−Ｎ曲線の傾きと同じ傾きを有するＳ−Ｎ曲線を持つような疲労センサＳｉの亀裂進展長ａｉまたはｂｉ（以下、ａｉで代表する。）を選択する。図の例では、疲労センサＳ１を使って亀裂進展長ａ１になるまでの期間を検知する場合のＳ−Ｎ曲線が評価対象のＳ−Ｎ曲線と同じ傾きを持つ。
【００６０】
選択した疲労センサＳｉを評価対象部位に貼付して、疲労センサに発生した亀裂がが目標の亀裂進展長ａｉに到達する期間Ｔｉを測定する。
疲労センサで亀裂長ａｉにかかるＳ−Ｎ曲線と評価対象部材のＳ−Ｎ曲線は対数対数目盛り上で平行になっているから、評価対象部材の破断時期Ｔｍは、応力振幅の値にかかわらず、両Ｓ−Ｎ曲線の距離に従って決まる倍数ｋｉを使って、
Ｔｍ＝ｋｉＴｉ
として求められる。
【００６１】
また、評価対象物の疲労寿命Ｔｍから評価試験までの供用期間Ｔｈを差し引いて（Ｔｒ＝Ｔｍ−Ｔｈ）、余寿命Ｔｒを得ることができる。
このように、疲労センサＳｉの亀裂進展長ａｉに到達する期間Ｔｉが求まれば、同じ振幅の応力が繰返し作用し続けた場合における評価対象の寿命Ｔｍ及び余寿命Ｔｒを推定することができる。
【００６２】
しかし、疲労センサの亀裂長ａが目標とする亀裂長ａｉに到達した期間Ｔｉを直接に検知することは難しい。
疲労センサの亀裂進展特性は、図８により説明したように、亀裂発生期間Ｔｃが経過して亀裂が生じた後の亀裂進展長は繰返し応力に変化がない限り繰返し回数に比例する。すなわち亀裂進展速度ｄａ／ｄｔは変わらない。
すなわち、
Ｔｉ＝Ｔｃ＋ａｉ／（ｄａ／ｄｔ）
と表現できるから、亀裂発生期間Ｔｃと亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを求めることにより、亀裂長ａｉに到達する期間Ｔｉを算定することができる。
【００６３】
そこで、図１９に説明するように、対象に貼着した疲労センサについて、亀裂が生じた後に適当な期間をおいて少なくとも２回亀裂進展長ａｉを測定する。この２点の測定値から、亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを算出し、外挿して亀裂発生期間Ｔｃを算出することができる。
【００６４】
また、亀裂発生期間Ｔｃを介しないで、亀裂発生後に適当な間隔を置いた少なくとも２回の検出時（期間Ｔ１，Ｔ２）における亀裂進展長ａ１，ａ２を使い、それらの内挿点もしくは外挿点として目標の亀裂長ａｉに到達する期間Ｔｉを得ることもできる。
これらの亀裂進展長ａｉ到達期間Ｔｉの算定方法を用いれば、容易に、評価対象部材の寿命及び余寿命を推定することができる。
【００６５】
なお、図２０に示すように、亀裂進展長を測定するときに基準となる目印を亀裂が進展していく位置の側の直近に印刷しておくこともできる。これらの目印は、試験を継続しなければいけない疲労センサを現物に貼付したまま、亀裂長の測定をするときに助けとなり、正確な測定結果を得るために役立つ。
【００６６】
また、図２１の斜視図に示すように、疲労センサの疲労検出部の箔上に薄膜状の導線を形成して、亀裂が所定の長さになった時を自動的に検出して、正確に到達期間Ｔｉを求めるようにすることができる。
基板２に両端で接合された破断片１の疲労検出部３の表面に、絶縁体１３を堆積させた上に細い薄膜導体１１を形成し、その両端部に電極部１２を形成する。電極部１２には図外の電流検出装置に接続する導線１４が接続される。
薄膜導体１１は、疲労検出部３に設けられたスリットの最奥部６から距離ａｉの位置で、破断片１を横断する方向に進展する亀裂ａの進展方向を横断するように形成される。
【００６７】
このようにして構成された電気的検知機構を持てば、繰返し応力により亀裂が発生し、進展して目標亀裂長ａｉに達すると、薄膜導体１１が切断されて自動的に電気信号を発生する。したがって、監視する人を準備しなくても正確な目標亀裂進展長到達期間Ｔｉを得ることができる。
【００６８】
さらに、図２２と図２３は、１度の測定で亀裂発生期間Ｔｃと亀裂進展速度ｄａ／ｄｔを一緒に求めるために使用する２個の疲労センサそれぞれの平面図（ａ）と立面図（ｂ）である。
図２２は亀裂進展部と破断部を直列に結合した複合型疲労センサを示し、図２３は図２２に示した亀裂進展部のみを備える亀裂進展型疲労センサを示す。
【００６９】
図２２の複合型疲労センサ２０は、基板２２の上に接合部２７を介して破断片２１の両端が接合されて形成される。破断片２１には、片を横断する方向に薄肉化された部分が２カ所直列にあって、一方が亀裂進展部２３を形成し、他方が破断部２４を形成する。亀裂進展部２３は幅方向中央に鋭い突端を持ったスリット２６が形成され、破断片２１の両端間にわずかな歪みが発生してもスリット２６から側端に向かって亀裂を生起する。破断部２４には側端から合同形のＵ字型スリット２５が形成されている。破断部２４においては、応力集中の程度がスリット最奥部の曲率で規制されて、所定のＳ−Ｎ曲線を持つように調整されている。
【００７０】
また、図２３の亀裂進展型疲労センサ３０は、基板３２の上に破断片３１が両端の接合部で接合されており、破断片３１には横断方向に薄肉部が１カ所設けられ亀裂進展部３３になっている。亀裂進展部３３には、図２２の複合型疲労センサと同じ、わずかな歪みで直ちに亀裂が発生し進展するためのスリット３４が形成されている。
【００７１】
複合型疲労センサ２０と亀裂進展型疲労センサ３０を評価対象部位に近接して貼付する。供用状態で放置しておくと、両方の疲労センサ２０，３０の亀裂進展部２３、３３における亀裂は経時に従って進展する。同じ特性を有する場合は、亀裂は同じペースで成長する。さらに期間が経過すると、複合型疲労センサ２０の破断部２４にも亀裂が入って成長し、破断期間に達するとスリット２５に挟まれた狭隘部を亀裂が横切って破断片２１が破断する。すると、亀裂進展部２３にも応力が伝達しなくなるので、亀裂進展部２３に発生した亀裂はそれ以上進展しないで固定される。破断部２４は亀裂が発生すると直ちに切断されるので、亀裂発生期間Ｔｃと比較して亀裂発生から破断までの期間は殆ど無視できる。
一方、亀裂進展型疲労センサ３０に発生した亀裂は経時に従って進展する。
【００７２】
そこで、複合型疲労センサ２０が破断した後であって、試験開始後適当な期間Ｔｔが経過したところで、２つの疲労センサにおける亀裂進展長ａ，ｂを測定する。
すると、Δ＝ｂ−ａが破断部２４に亀裂が発生した後の亀裂進展長であり、破断部２４に亀裂が発生した期間Ｔｃは試験期間Ｔｔをｂとａで比例配分した
Ｔｃ＝Ｔｔ×ａ／ｂ
で求められる。
また、亀裂進展部２３，３３における亀裂進展速度ｄａ／ｄｔは、
ｄａ／ｄｔ＝Δ／Ｔｔ
となる。
【００７３】
複合型疲労センサ２０の亀裂進展部２３と亀裂進展型疲労センサ３０の亀裂進展部３３の亀裂進展特性は互いに同一であることが好ましいが、それぞれの特性が既知で解析が可能であれば足りる。複合型疲労センサ２０と亀裂進展型疲労センサ３０で亀裂進展特性が異なる場合は、特性差を考慮して補正すればよい。
このように、本実施例の複合型疲労センサと亀裂進展型疲労センサを組み合わせて使用することにより、１回の測定で亀裂発生期間と亀裂進展速度を知ることができる。
【００７４】
また、１度の測定により評価対象部材の寿命を求める方法として、２つの亀裂進展型疲労センサを一緒に使う方法がある。
この方法によるときは、Ｓ−Ｎ曲線の傾きの異なる２つの疲労センサＳ１，Ｓ２を一緒に同じ評価対象部位に貼付して、一定の計測期間Ｔｔ後に両者の亀裂長さａｉ，ｂｉを測定する。そして、図２４に示すように、それぞれの疲労センサＳ１，Ｓ２のそれぞれの亀裂長さａｉ，ｂｉに対応するＳ−Ｎ曲線を描く。このままでは、評価対象部位にどのような応力が働いているかが分からないため、計測結果がＳ−Ｎ曲線上のどこに対応するか判明しない。
【００７５】
しかし、２つの疲労センサは同じ応力作用を受けてきたのであるから、実際の応力作用は２つのＳ−Ｎ曲線を共に満たす必要があり、 ２つのグラフが交差した位置における応力振幅ΔσＲで代表されることになる。したがって、Ｓ−Ｎ曲線において、代表応力振幅ΔσＲに対応する繰返し数ＮＲを代表負荷回数と考えることが妥当であり、計測期間Ｔｔの間にこの負荷回数ＮＲの繰返しを付与したことになる。
【００７６】
そこで、評価対象に係るＳ−Ｎ曲線における代表応力振幅ΔσＲに対応する繰返し回数ＮＬが代表寿命回数になり、計測期間中の負荷状態が恒常的なものとすれば、評価対象の寿命Ｔｍは、
Ｔｍ＝Ｔｔ×ＮＬ／ＮＲ
で求められることになる。
この方法も、ただ１回の測定行為により目的の評価が可能なので、極めて効率的な寿命推定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の１実施例に係る疲労センサの斜視図である。
【図２】本実施例に係る疲労センサの側面図である。
【図３】本実施例に係る疲労センサの平面図である。
【図４】本実施例の別態様に係る疲労センサの側面図である。
【図５】本実施例の疲労センサにおいて疲労検出部の作用を説明するための図面である。
【図６】本実施例の疲労センサに関するＳ−Ｎ曲線を概念的に示した図面である。
【図７】本実施例の疲労センサにおいて亀裂進展の機構を説明するための図面である。
【図８】本実施例の疲労センサにおいて亀裂進展長の変化を模式的に示したグラフである。
【図９】本実施例において所定の亀裂長ａｉに達するまでの繰返し回数Ｎを表わしたＳ−Ｎ線図である。
【図１０】本実施例に係る疲労センサと評価対象についてＳ−Ｎ曲線を概念的に表わしたＳ−Ｎ線図である。
【図１１】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の例を説明する斜視図である。
【図１２】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の別例を説明する斜視図と部材における応力分布図である。
【図１３】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置のさらに別例を説明する斜視図である。
【図１４】本実施例の疲労損傷発生予測方法における疲労センサの貼付位置の別例と推定方法を説明する斜視図である。
【図１５】本実施例の複数型疲労センサの平面図である。
【図１６】本実施例の複数型疲労センサの使用例を示す斜視図である。
【図１７】本実施例に係る疲労センサの破断時期を表わすＳ−Ｎ曲線と評価対象のＳ−Ｎ曲線を表わした概念的なＳ−Ｎ線図である。
【図１８】本実施例に係る疲労センサについて所定の亀裂進展長に到達する期間を表わすＳ−Ｎ曲線を評価対象のＳ−Ｎ曲線と一緒に表わした概念的なＳ−Ｎ線図である。
【図１９】本実施例の疲労センサを使った亀裂進展速度と亀裂発生期間を算出する方法を説明する線図である。
【図２０】本実施例の疲労センサにおいて疲労検出部の実施態様例を説明する図面である。
【図２１】本実施例の疲労センサの別態様を示した斜視図である。
【図２２】本実施例の別実施態様として複合型疲労センサを示す図面である。
【図２３】図１６の複合型疲労センサと一緒に使用する亀裂進展型疲労センサを示す図面である。
【図２４】本実施例の疲労センサを使用して評価対象の寿命推定を行う方法を説明するＳ−Ｎ線図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 破断片
２ 基板
３ 疲労検出部
４ 固着部
５ スリット
６ 最奥部
１０ 疲労センサ
１１ 薄膜導体
１２ 電極
１３ 絶縁体
１４ 導線
１５ 複数型疲労センサ
１６，１７，１８ 破断片
１９ 基板
２０ 複合型疲労センサ
２１ 破断部
２２ 基板
２３ 亀裂進展部
２４ 破断部
２５ スリット
２６ スリット
２７ 接合部
３０ 亀裂進展型疲労センサ
３１ 破断部
３２ 基板
３３ 亀裂進展部
３４ スリット
４１ 推定対象部材
４２ 推定対象部位（応力集中部）
４３，４４，４６，４７ 疲労センサ貼付位置
４５ 公称応力部（平滑部）
４８ 複数型疲労センサ貼付位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部を有し該疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリットを設けた破断片と、該破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、前記疲労検出部が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、前記スリットの先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有することを特徴とする疲労センサ。
【請求項２】
前記疲労検出部の所定の亀裂進展長位置に亀裂進展方向を横切るように導体を配置して、該導体の両端に電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項３】
前記スリットにおける応力集中度を調整して評価対象部材の疲労限界と同等の疲労限界を持つようにしたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項４】
前記スリットにおける応力集中度を調整して評価対象部材の疲労限界に対して該疲労センサを貼付する部位と該評価対象部材の応力集中度の差に伴う補正を施した値と同等の疲労限界を持つようにしたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項５】
請求項４記載の疲労センサにおける前記破断片を１枚の基板上に直列に複数並べたことを特徴とする複数型疲労センサ。
【請求項６】
請求項１または２記載の疲労センサを評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に前記疲労検出部に生じる亀裂の長さに基づいて、該評価対象部位における疲労損傷度を推定することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【請求項７】
請求項３から５のいずれかに記載の疲労センサを該評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に前記疲労検出部に亀裂が生じる場合に、該評価対象部材が疲労損傷を生じると推定することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【請求項８】
亀裂発生期間が短くなるようにされた亀裂進展部と亀裂発生により直ぐに破断に至る破断検出部を直列に設けた破断片と、該破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断時における亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、前記破断検出部が横断方向両側からスリットが設けられ、該スリットの先端形状が亀裂発生期間に従った曲率を有することを特徴とする複合型疲労センサ。
【請求項９】
請求項８記載の複合型疲労センサにおける前記亀裂進展部と同じ亀裂進展特性を有する亀裂進展部を備えた破断片の両端部を箔状の基板に固定した亀裂進展型疲労センサを、請求項８記載の複合型疲労センサと並べて貼付して、該複合型疲労センサから破断時における亀裂進展度を読み取り、該複合型疲労センサから読み取った該破断時における亀裂進展度と前記亀裂進展型疲労センサの亀裂長測定値との割合に基づいて亀裂発生期間と亀裂進展速度を算出することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【請求項１】
中央部を横断して端部より薄く形成された疲労検出部を有し該疲労検出部に先端が亀裂の始点となるスリットを設けた破断片と、該破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断あるいは亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、前記疲労検出部が亀裂進展度合いに従って選択された厚さを持ち、前記スリットの先端形状が亀裂発生期間に従って選択された曲率を有することを特徴とする疲労センサ。
【請求項２】
前記疲労検出部の所定の亀裂進展長位置に亀裂進展方向を横切るように導体を配置して、該導体の両端に電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項３】
前記スリットにおける応力集中度を調整して評価対象部材の疲労限界と同等の疲労限界を持つようにしたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項４】
前記スリットにおける応力集中度を調整して評価対象部材の疲労限界に対して該疲労センサを貼付する部位と該評価対象部材の応力集中度の差に伴う補正を施した値と同等の疲労限界を持つようにしたことを特徴とする請求項１記載の疲労センサ。
【請求項５】
請求項４記載の疲労センサにおける前記破断片を１枚の基板上に直列に複数並べたことを特徴とする複数型疲労センサ。
【請求項６】
請求項１または２記載の疲労センサを評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に前記疲労検出部に生じる亀裂の長さに基づいて、該評価対象部位における疲労損傷度を推定することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【請求項７】
請求項３から５のいずれかに記載の疲労センサを該評価対象部材に貼付して、所定期間経過後に前記疲労検出部に亀裂が生じる場合に、該評価対象部材が疲労損傷を生じると推定することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【請求項８】
亀裂発生期間が短くなるようにされた亀裂進展部と亀裂発生により直ぐに破断に至る破断検出部を直列に設けた破断片と、該破断片の両端部を固定する箔状の基板を備えて、被検体表面に貼付して破断時における亀裂進展度を検知する疲労センサにおいて、前記破断検出部が横断方向両側からスリットが設けられ、該スリットの先端形状が亀裂発生期間に従った曲率を有することを特徴とする複合型疲労センサ。
【請求項９】
請求項８記載の複合型疲労センサにおける前記亀裂進展部と同じ亀裂進展特性を有する亀裂進展部を備えた破断片の両端部を箔状の基板に固定した亀裂進展型疲労センサを、請求項８記載の複合型疲労センサと並べて貼付して、該複合型疲労センサから破断時における亀裂進展度を読み取り、該複合型疲労センサから読み取った該破断時における亀裂進展度と前記亀裂進展型疲労センサの亀裂長測定値との割合に基づいて亀裂発生期間と亀裂進展速度を算出することを特徴とする疲労損傷度推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００７−３０９８０１（Ｐ２００７−３０９８０１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３９６０１（Ｐ２００６−１３９６０１）
【出願日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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