(57)【要約】  複合材料構造物の余寿命を高精度に評価すること。  複合材料構造物の余寿命評価システム５は、複合材料に設けられた第１のセンサから複合材料に対する負荷の履歴を算出する負荷履歴評価部７と、第１のセンサ又は第２のセンサから複合材料における状態量を算出する状態量評価部１０と、複合材料の負荷履歴と状態量の関係を予め記録した状態量変化データベース１３と、算出した負荷履歴及び状態量と、状態量変化データベース１３に記録された負荷履歴及び状態量を比較する比較評価部１２を備える。
2017163562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
余寿命評価装置であって、
複合材料構造物を形成する複合材料に設けられたひとつ又は複数の第１のセンサの計測データから、前記複合材料に対する累積損傷度を表す負荷履歴を算出する負荷履歴評価部と、
前記第１のセンサ又は前記複合材料に設けられたひとつ又は複数の第２のセンサの計測データから、前記複合材料における評価部位の剛性を表す状態量を算出する状態量評価部と、
前記複合材料の負荷履歴と状態量の関係を表す状態量変化データを複数予め記録した状態量変化データベースと、
算出された前記負荷履歴及び前記状態量と、前記状態量変化データベースに記録された複数の前記状態量変化データとを比較し、算出された前記負荷履歴及び前記状態量に対応する状態量変化データを表す予測状態量変化データを求め、表示及び／又は記憶及び／又は出力する比較評価部と、
を備えた余寿命評価装置。
【請求項２】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記負荷履歴評価部は、
応力の時刻歴波形から、レインフロー法又は他のサイクルカウント法によって応力頻度分布を算出し、
前記応力頻度分布に対してマイナー則又は他の累積損傷則を適用して累積損傷度を算出して前記負荷履歴を求める、
ことを特徴とした余寿命評価装置。
【請求項３】
請求項２記載の余寿命評価装置において、
前記状態量評価部は、
前記第１のセンサ又は前記第２のセンサにより予め定められた一定期間の間に収集された計測データを、周波数領域で分析すること又は実働モーダル解析することで、前記複合材料構造物の固有振動数を得て、得られた固有振動数を剛性に変換することで、前記状態量を求める、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項４】
請求項３記載の余寿命評価装置において、
前記比較評価部は、
前記状態量変化データベースに予め記録されている複数の前記状態量変化データの複数の曲線のうち、算出された前記状態量と前記負荷履歴を表すデータ点に近接した前記曲線を抽出し、前記曲線が前記データ点を通過するように補間処理を実行することにより前記予測状態量変化データの曲線を生成し、前記予測状態量変化データの曲線から余寿命を求め、前記予測状態量変化データ及び余寿命を、状態量と負荷履歴の各々を座標軸としたグラフ上で表示部に表示並びに／若しくは記憶部に記憶する、又は、外部装置に表示並びに／若しくは記憶させるために出力する、ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項５】
請求項２記載の余寿命評価装置において、
センサ出力と応力の関係を予め記憶した第１の構造設計データベースを有し、
前記負荷履歴評価部は、
前記第１のセンサが、加速度センサ又はひずみ以外の物理量を計測するセンサである場合、及び／又は、前記第１のセンサの取り付け位置と評価部位が異なる場合、
前記負荷履歴評価部は、前記第１の構造物設計データベースを参照し、前記第１のセンサによる加速度データ又はひずみ以外のデータの出力から応力を求め、応力頻度分布を算出する、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項６】
請求項２記載の余寿命評価装置において、
前記負荷履歴評価部は、
前記第１のセンサが、加速度センサ又はひずみ以外の物理量を計測するセンサである場合、及び／又は、前記第１のセンサの取り付け位置と評価部位が異なる場合、
前記第１のセンサによる加速度データ又はひずみ以外のデータの出力から応力への変換と未計測点の補間を有限要素法による計算機シミュレーションで求め、応力頻度分布を算出する、ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項７】
請求項２記載の余寿命評価装置において、
前記第１のセンサが、ひずみセンサである場合、
前記負荷履歴評価部は、
前記第１のセンサによるひずみデータから前記複合材料構造物に用いられている複合材料の弾性係数とひずみデータとの積により応力を算出し、応力頻度分布を算出する、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項８】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記状態量評価部は、
前記第１のセンサ又は前記第２のセンサにより予め定められた一定期間の間に収集された計測データを、周波数領域で分析すること又は実働モーダル解析することで、前記複合材料構造物の固有振動数を得て、
固有振動数の２乗に比例して評価部位の剛性を計算することで前記状態量を求める、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項９】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
固有振動数と剛性の関係を予め記憶した第２の構造設計データベースを有し、
前記状態量評価部は、
前記第１のセンサ又は前記第２のセンサにより予め定められた一定期間の間に収集された計測データを、周波数領域で分析すること又は実働モーダル解析することで、前記複合材料構造物の固有振動数を得て、
前記第２の構造設計データベースを参照して、得られた固有振動数を剛性に変換することで、前記状態量を求める、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項１０】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記比較評価部は、
前記状態量変化データベースに予め記録されている複数の前記状態量変化データの複数の曲線のうち、算出された前記状態量と前記負荷履歴を表すデータ点に近接した前記曲線を抽出し、前記曲線が前記データ点を通過するように補間処理を実行することにより前記予測状態量変化データの曲線を生成する、ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項１１】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記比較評価部は、
前記複合材料構造物の稼働後から定期的又は適宜のタイミングで、得られたひとつ又は複数の前記予測状態量変化データを、前記状態量変化データベースに記憶する、ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項１２】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記比較評価部は、
算出された前記予測状態量変化データ、及び、前記予測状態量変化データにより求まる余寿命を、状態量と負荷履歴の各々を座標軸としたグラフ上で表示部に表示並びに／若しくは記憶部に記憶する、又は、外部装置に表示並びに／若しくは記憶させるために出力する、ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項１３】
請求項１記載の余寿命評価装置において、
前記状態量評価部は、前記状態量の種類を２以上とし、
前記比較評価部は、前記状態量変化データを３次元以上の空間で表す、
ことを特徴とする余寿命評価装置。
【請求項１４】
余寿命評価方法であって、
複合材料構造物を形成する複合材料に設けられたひとつ又は複数の第１のセンサの計測データから、前記複合材料に対する累積損傷度を表す負荷履歴を算出し、
前記第１のセンサ又は前記複合材料に設けられたひとつ又は複数の第２のセンサの計測データから、前記複合材料における評価部位の剛性を表す状態量を算出し、
前記複合材料の負荷履歴と状態量の関係を表す状態量変化データを複数予め記録した状態量変化データベースを参照し、
算出された前記負荷履歴及び前記状態量と、前記状態量変化データベースに記録された複数の前記状態量変化データとを比較し、算出された前記負荷履歴及び前記状態量に対応する状態量変化データを表す予測状態量変化データを求め、表示及び／又は記憶及び／又は出力する、
余寿命評価方法。
【請求項１５】
風力発電システムであって、
請求項１に記載の余寿命評価装置と、
前記第１のセンサ、又は、前記第１のセンサと前記第２のセンサ、を有する風力発電装置と、
前記予測状態量変化データを、表示及び／又は記憶するための外部装置と、
を備えた風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、余寿命評価装置及び方法、風力発電システムに係り、特に、繊維強化樹脂などの複合材料を用いた複合材料構造物の余寿命評価装置及び方法、風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの複合材料が機械構造物の構造部材として適用されるケースが増えている。代表的な例として、風車装置に取り付けられたブレードが挙げられる。風車装置とは風力発電に用いられるエネルギ変換装置である。少なくとも２枚以上のブレードがロータに取り付けられており、ロータは直接あるいはギヤボックスや油圧装置などを介して間接的に発電機に接続されている。ブレードに作用する風力によってロータが回転し、ロータの回転エネルギは発電機によって電力に変換される。また、発電機などを収めた筐体部分をナセルと呼び、ナセルはタワーに取り付けられることが一般的である。このような構成の風車装置は公知である。この中で、ブレードは比剛性、比強度に優れるＦＲＰで構成されることが一般的である。このような風車装置のブレード以外にも、例えば自動車や鉄道車両の車体などにもＦＲＰが構造部材として適用されつつある。これらの構造部材は、繰り返しの荷重負荷に曝されるため、十分な疲労強度を確保した上で設計されなければならない。ＦＲＰの強化繊維として用いられるガラス繊維や炭素繊維は、それら自身はほとんど疲労損傷を生じないことが知られているが、マトリックスとして用いられる樹脂材料は繰り返し荷重負荷によって疲労損傷を生じる。結果としてＦＲＰは疲労損傷するため、上記の製品の構造設計に当たっては、ＦＲＰの疲労強度を十分考慮する必要がある。しかしながら、上記の製品の使用される環境は多種多様であり、したがって構造部材が曝される負荷を設計時点で正確に予測することは簡単ではない。例えば、風車装置においては、風車装置が曝される風況によって、ブレードへの負荷は大きく変化することが想定される。しかしながら、風車装置の寿命期間全てに渡って、その風況を正確に予測することは現実的には簡単ではない。したがって、ブレードが受けた負荷を正確に評価するためには、特許文献１に示すように、ブレードに貼り付けたひずみゲージなどによって、応力履歴を直接計測することが有効であると考えられる。
一方、負荷履歴に依存せず、複合材料の損傷状態を直接評価する手法がいくつか知られている。例えば、ＡＥセンサによって内部損傷によって生じるＡＥ波を捉える手法や、超音波探傷を用いる手法が挙げられる。風車のブレードを例にとると、ブレードに加速度センサを取り付けて、その振動特性からブレードの固有振動数を求め、その変化からブレードの健全性を判断する手法が特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２５７４２号公報
【特許文献２】特許第５０６５４９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば特許文献１に示されるように、一般に、応力履歴を計測することができれば、例えばレインフロー法などを用いて、応力振幅の履歴を定量的に評価し、線形累積損傷則に基づいて疲労強度線図（Ｓ−Ｎ線図）を参照すれば、計測時点までにブレードが受けた負荷により、全寿命のどの程度の割合を消費しているのか、すなわち余寿命を見積もることができる。しかしながら、ＦＲＰに限らず、構造材料の疲労寿命はばらつくことが知られている。そのばらつき幅は、条件にも依存するが、平均値に対して倍半分程度ばらつくことも珍しくはない。すなわち、ブレードが受けた負荷を正確に計測することができたとしても、余寿命の予測精度はＦＲＰが本質的に有する疲労寿命のばらつきに大きく左右されてしまうことが想定される。特に、他の材料と比べ、強化材とマトリックス材の少なくとも２種類の材料から構成される複合材料は、均質な金属材料と比べると、疲労寿命のばらつきは比較的大きくなるため、上記のような方法のみでは、高精度な余寿命評価は簡単ではない。
また、例えば特許文献２に示されるように、複合材料の損傷状態（状態量）を直接評価する手法によると、一般に、複合材料が曝された負荷履歴に依存しない評価を行うことができる。しかしながら、それらの状態量と複合材料の余寿命の関係は、必ずしも一致する訳ではなく、発明者の実験的検討によれば、疲労寿命と同様にばらつきを有する場合があることが分かっている。したがって、複合材料の損傷状態を表す状態量を直接計測できたとしても、必ずしも余寿命を高精度に推定できるわけではない。【０００５】
以上のとおり、複合材料構造物の損傷状態を推定する方法は、主に、負荷履歴計測に基づく方法と、状態量計測に基づく方法の２種類に大別できる。しかしながら、そのいずれもが、余寿命を定量的に予測するために十分な精度を有しているとは必ずしも言えない。
本発明は、以上の点に鑑み、複合材料構造物の余寿命を高精度に評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の解決手段によると、
余寿命評価装置であって、
複合材料構造物を形成する複合材料に設けられたひとつ又は複数の第１のセンサの計測データから、前記複合材料に対する累積損傷度を表す負荷履歴を算出する負荷履歴評価部と、
前記第１のセンサ又は前記複合材料に設けられたひとつ又は複数の第２のセンサの計測データから、前記複合材料における評価部位の剛性を表す状態量を算出する状態量評価部と、
前記複合材料の負荷履歴と状態量の関係を表す状態量変化データを複数予め記録した状態量変化データベースと、
算出された前記負荷履歴及び前記状態量と、前記状態量変化データベースに記録された複数の前記状態量変化データとを比較し、算出された前記負荷履歴及び前記状態量に対応する状態量変化データを表す予測状態量変化データを求め、表示及び／又は記憶及び／又は出力する比較評価部と、
を備えた余寿命評価装置が提供される。【０００７】
本発明の第２の解決手段によると、
余寿命評価方法であって、
複合材料構造物を形成する複合材料に設けられたひとつ又は複数の第１のセンサの計測データから、前記複合材料に対する累積損傷度を表す負荷履歴を算出し、
前記第１のセンサ又は前記複合材料に設けられたひとつ又は複数の第２のセンサの計測データから、前記複合材料における評価部位の剛性を表す状態量を算出し、
前記複合材料の負荷履歴と状態量の関係を表す状態量変化データを複数予め記録した状態量変化データベースを参照し、
算出された前記負荷履歴及び前記状態量と、前記状態量変化データベースに記録された複数の前記状態量変化データとを比較し、算出された前記負荷履歴及び前記状態量に対応する状態量変化データを表す予測状態量変化データを求め、表示及び／又は記憶及び／又は出力する、
余寿命評価方法が提供される。【０００８】
本発明の第３の解決手段によると、
風力発電システムであって、
上述のような余寿命評価装置と、
前記第１のセンサ、又は、前記第１のセンサと前記第２のセンサ、を有する風力発電装置と、
前記予測状態量変化データを、表示及び／又は記憶するための外部装置と、
を備えた風力発電システムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、複合材料構造物の余寿命を高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】疲労試験中におけるＦＲＰ材料の剛性変化計測結果の一例である。
【図２】本実施例における余寿命評価システムの一例を模式的に表した概念図である。
【図３】本実施例における余寿命評価システムを構成する負荷履歴評価部の一例を表すフローチャートである。
【図４】本実施例における余寿命評価システムを構成する状態量評価部の一例を表すフローチャートである。
【図５】本実施例における余寿命評価システムを構成する状態量変化データベースに格納されるデータを表す模式図である。
【図６】本実施例における余寿命評価システムを構成する比較評価部における余寿命算出過程を表す模式図である。
【図７】本実施例における余寿命評価システムのユーザインタフェース画面の一例である。
【図８】（Ａ）は、本実施例における応力頻度分布の説明図の一例であり、図（Ｂ）は、本実施例における疲労線図の説明図の一例である。
【図９】本実施例に負荷履歴を求める処理についての説明図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
Ａ．概要
本実施例では、単一または複数個、複数種類のセンサを用いて、外力や疲労損傷によって変化する複合材料構造物の単一または複数種類の物理量を計測する。計測された物理量に基づき、構造物が曝されてきた負荷履歴と、損傷状態を反映した状態量の双方をそれぞれ取得する。また、予め、状態量と負荷履歴の関係をそのばらつきを含めてデータベースとして準備しておく。取得された負荷履歴と状態量からデータベースを参照すると、現在の負荷履歴と状態量の関係が、ばらつき範囲の中でどの位置に存在するかを把握することができる。本実施例では双方の特徴を組み合わせることで、複合材料が潜在的に有している疲労寿命のばらつき影響を排除して、高精度に余寿命を評価することができる。
本実施例は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複合材料構造物の余寿命評価システムであり、前記複合材料に設けられた第１のセンサから前記複合材料に対する負荷の履歴を算出する負荷履歴評価部と、前記複合材料に設けられた前記第１のセンサまたは第２のセンサから前記複合材料における状態量を算出する状態量評価部と、前記複合材料の負荷履歴と状態量の関係を予め記録したデータベースと、算出した前記負荷履歴及び前記状態量と、前記データベースに記録された前記負荷履歴及び前記状態量を比較する比較評価部を備えることを特徴とする複合材料の余寿命評価システムが提供される。
Ｂ．余寿命評価システム(余寿命評価装置)
【実施例１】
【００１２】
図１は、疲労試験中におけるＦＲＰ材料の剛性変化計測結果の一例である。
図１は、同一種類のＦＲＰ材料に対して、同一の条件で全５標本の疲労試験を行った際の、疲労損傷に伴う剛性変化の計測結果を表したものである。それぞれ、プロットの途切れた点が、最終破断に至った点、すなわち疲労寿命を表している。まず、それぞれの結果の疲労寿命に着目すると、最も短寿命であったものが５０，０００回以下の負荷サイクルで破断に至ったのに対し、最も長寿命であった標本では２００，０００回を超える疲労寿命を示した。すなわち、この例では、高々５標本の試験結果に過ぎないものの、疲労寿命は４倍程度のばらつきを有するということを本結果は示している。したがって、この例では、負荷履歴のみが分かっている場合、すなわち図１の横軸を可観測量として考えた場合は、予測される疲労寿命には４倍程度の幅を持たさざるを得ない。次に、疲労損傷に伴う剛性低下に着目する。全ての標本において、疲労試験の初期段階から剛性が徐々に低下していることが分かる。同じＦＲＰ材料であっても、その積層構成や負荷する応力波形のパターン等により、剛性低下の様式は異なるものの、ＦＲＰは均質な金属材料と比較すると、疲労損傷によってマクロな物性変化が顕著に生じやすい場合があることが知られている。また、各標本の結果に着目すると、比較的短寿命となった標本ほど、負荷サイクル数に対してより急峻に剛性が低下していることが分かる。したがって、図１の縦軸を可観測量として考えると、各標本の全寿命に対してどれだけの割合で寿命を消費しているのか（線形累積損傷則における損傷度）を、比較的高精度で推定できるといえる。しかしながら、絶対的な寿命は標本によって大きくばらつくため、余寿命の予測が十分な精度で行えるとは言い難い。そこで、本実施例では、複合材料特有の疲労損傷に伴うマクロな物性変化を利用し、以下に示すがごとく、負荷履歴８と状態量９の双方を用いることにより、高精度に余寿命の予測を行う。【００１３】
図２は、本実施例における余寿命評価システムの一例を模式的に表した概念図である。
図２は、風力発電システムにおける風車装置１のブレード２を例にとり、その余寿命を予測する余寿命評価システム（余寿命評価装置）５の一例である。まず、ブレード２には、その動的変形によって変化する物理量を計測可能なセンサ３をひとつ又は複数個取り付けておく。ブレード２の振動を捉える加速度センサがセンサの信頼性やコストの観点から望ましいが、ひずみゲージなどのひずみセンサでも差し支えない。また、センサ３の実装形態として、必ずしもブレード２に直接取り付けられている必要はなく、例えば、タワーにレーザ変位計を取り付けて、ブレード２の変形量を計測するような形態としてもよい。また、複数個、複数種類のセンサ３を用いてもよい。センサ３による計測データ６は、図２中では、インターネットなどの通信ネットワーク４を経由して、余寿命評価システム５に転送される。このような形態を採用することで、複数の評価対象について単一の余寿命評価システム３を用いることができるという効果がある。通信ネットワーク４の品質によっては、評価に十分な品質での計測データ６の転送が行えない可能性もあるが、その場合は余寿命評価システム５とセンサ３を直結して、製品が設置された現場で評価を行うような構成としても、差し支えない。なお、通信ネットワーク４は、有線、無線、又はそれらを組合わせた各種ネットワークを用いることができる。【００１４】
また、余寿命評価システム５は、負荷履歴評価部７、状態量評価部１０、比較評価部１２の各処理部を有し、また、疲労寿命データベース２１、構造設計データベース２２、状態量変化データベース１３の各データベースを有する。【００１５】
次に、負荷履歴評価部７について説明する。
図３に負荷履歴評価部７の内部におけるフローチャートを示した。
図８（Ａ）は、本実施例における応力頻度分布の説明図の一例であり、図８（Ｂ）は、本実施例における疲労線図の説明図の一例である。また、図９は、本実施例に負荷履歴を求める処理についての説明図の一例である。
負荷履歴評価部７は、現在時刻ｔ１までの、全て又は予め定められたひとつ又は複数のセンサ３のデータについて、以下の処理を実行する。負荷履歴評価部７は、負荷履歴を評価するために、センサ３によって計測された加速度やひずみ、変位などの物理量を応力へ変換する（Ｓ７１）。ひずみセンサを用いる場合かつ、センサ取り付け位置を評価点とする場合には、材料の弾性係数とひずみの計測値の積をとることで、単純に応力波形が得られる。一方、センサ３で計測する物理量をひずみ以外（加速度センサ等）とする場合、及び／又は、センサ取り付け位置と評価部位が異なる場合には、計測した物理量から応力への変換と、未計測点の補間が必要になるが、有限要素法などによる計算機シミュレーションが最も有効な手段である。あるいは、計算機シミュレーションによって得られたセンサ出力と応力の関係を表す構造設計データを構造設計データベース２２として予め準備及び記憶しておき、負荷履歴評価部７は、構造設計データベース２２を参照して、センサ出力から評価部位の応力を求めるようにしてもよい。負荷履歴評価部７は、このようにして得られた応力の時刻歴波形に対して、レインフロー法に代表されるサイクルカウント法を適用して、応力水準ごとの負荷回数を表す応力頻度分布（図８（Ａ）参照）を求める（Ｓ７２）。さらに、疲労寿命データベース２１は、破壊確率を予め定められたＰ％とした場合の、材料及び評価部位ごとの応力と負荷サイクル数（繰り返し数）の関係を表した疲労線図を記憶する（図８（Ｂ）参照）。負荷履歴評価部７は、疲労寿命データベース２１に記憶された図８（Ｂ）のような疲労線図を参照し、図８（Ａ）のような応力頻度分布に対し、マイナー則などの累積損傷則を適用し、累積損傷度などの疲労損傷の度合いを表す尺度に変換して負荷履歴８を算出する（Ｓ７３）。
例えば、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）により生成された図９に示すように、材料のＳ（応力）−Ｎ（負荷サイクル数：繰り返し数）曲線における各応力Ｓｉに対する破断繰り返し負荷サイクル数（繰り返し数）がＮｉであり、各応力Ｓｉがそれぞれ負荷サイクル（繰り返し数）ｎｉ回繰り返されたとき、累積損傷度Ｄ（なお、Ｄ＝１のとき疲労破壊）は次式で求められる。
Ｄ＝Σ（ｎｉ／Ｎｉ）
（ここで、ｉ＝１〜ｍの整数）【００１６】
以上の処理は、装置が稼働を開始されてから取得されたデータの全てに対して行うことが望ましい。しかしながら、必ずしも常に過去の全データに対して計算処理を行う必要はなく、一定期間ごとに処理を行い、累積損傷度を計算して保存しておく方式としてもよい。センサ３から出力される生の時刻歴データを全て保存する方式とすると、データ量が増大するため、データの保存領域を広く占有したり、データ保存用のストレージに大容量が必要となったりする可能性があるため、必ずしも望ましい形態とは言えない場合がある。しかしながら、算出された累積損傷度のみを保存し、随時積算していく方式とすれば、このような点が生じる可能性は著しく小さくなる。すなわち、代表値として累積損傷度を用いて負荷履歴８を表現する方式が最善の方法のひとつであると想定される。【００１７】
本実施例では、上記で述べた負荷履歴の評価に加え、状態量評価部１０は、損傷度合いによって変化する状態量９の評価を同時に又は並行して等の適宜のタイミングで実施する。状態量９の評価は、状態量評価部９にて実施される。
図４に、状態量評価部内部１０での処理のフローチャートの一例を示した。背景技術にて述べた通り、複合材料の損傷状態を評価する計測手段には数多くの方式が知られている。本実施例において採用する計測手段は、それらの中から特定の方式に限定する必要はない。しかしながら、上述の負荷履歴８を求めるために用いたセンサ３をそのまま用いることができれば、実機に搭載するセンサ構成をより単純にすることができ、コスト減やシステムとしての信頼性向上につながる。負荷履歴８を求めるために用いたセンサ３は、加速度やひずみ、変位といった構造物の変形によって変化する物理量を計測するものである。したがって、この場合、その計測値の大小が一意に損傷状態を表すものではない。そこで、これらのセンサ３を用いる場合には、例えば、一定期間の間に収集されたデータを周波数領域で評価する方法をとることが望ましい。状態量評価部１０は、例えば実働モーダル解析等の手法を用いて、一定期間の間に収集されたデータを分析すれば、構造物の固有振動数を得ることができる（Ｓ１０１）。固有振動数は構造物の剛性によって変化する値であり、固有振動数は剛性の平方根に比例する。すなわち、状態量評価部１０は、固有振動数が既知となれば、構造物の剛性（状態量８）を逆算することができる（Ｓ１０２）。
剛性Ｅは、例えば、固有周波数ｆ、予め定めたパラメータαにより、次式で求めることができる。
Ｅ＝αｆ２ 【００１８】
図１に示したように、ＦＲＰ材料において、剛性は疲労損傷によって変化するパラメータである。すなわち、上記の周波数領域での評価を用いれば、負荷履歴の評価に用いるセンサ３と同一のセンサを用いて、損傷状態を評価することが可能である。周波数領域評価に適用するデータの収集期間１１は、評価対象とする構造体の固有振動数などによって決定されるべきだが、例えば、連続的に常に現時刻から一定期間の過去までの計測データに対して分析を実施し、分析結果である固有振動数などの損傷状態を表す値のみを保存しておくような形式としてもよく、この方式を採用すれば、データのストレージ容量も最小限とすることができる。ここでは、構造物の固有振動数からその剛性を逆算する方法について述べたが、例えば構造物に負荷される外力の大きさを高精度に見積もることができれば、例えばひずみゲージなどの変形量を直接計測するセンサを採用してもよく、外力の変形量の関係から、評価対象部位の剛性を直接評価することが可能である。あるいは、予め得られた固有振動数に対する剛性を表す構造設計データを記憶した構造設計データ２２を予め備え、状態量評価部１０は、構造設計データ２２を参照して、固有振動数から評価部位の剛性を求めるようにしてもよい。【００１９】
以上の手順によって、取得された負荷履歴８（累積損傷度）と状態量９（剛性）の関係を、図２中の比較評価部１２は、状態量変化データベース１３に予め格納された負荷履歴と状態量の関係と比較する。
図５は、本実施例における余寿命評価システムを構成する状態量変化データベースに格納されるデータを表す模式図である。
このデータベース１３には、図５に示すように、直接的な計測によって得られる状態量９と、負荷履歴８を基に算出される累積損傷度の関係２０が予め格納されている。すなわち、データベース１３は、図１に示したＦＲＰ材料の疲労損傷に伴う剛性（状態量９）と負荷サイクル数（累積損傷度：負荷履歴９）の関係と等価である。データベース１３の構築は、予め実施する実験結果に基づいてなされることが望ましい。すなわち、図１に示したような試験結果を積み重ねて、状態量９と負荷履歴８の関係を蓄積していくことと等しい。【００２０】
図６に、比較評価部１２にて行われる余寿命１６の算出過程の模式図を示す。比較評価部１２は、データベース１３に対し、算出された状態量９と負荷履歴８について、データベース１３のそれぞれ縦軸と横軸から参照すれば、これらの交点１４の位置が、材料の疲労損傷挙動のばらつきも含めた中で、現在の損傷状態の相対的な位置を表しているといえる。したがって、実際に評価対象としている位置での材料の疲労損傷挙動は、この交点１４を通る曲線１５で表すことができる。データベース１３は、実験結果の積み重ねによって構築されているため、実機からの計測値より得られた交点１３を通るデータが予めデータベースに格納されていることは、厳密には起こり得ないと想定され得る。そこで、比較評価部１２は、交点１４を通る推定曲線１５を、状態量変化データベース１３に格納されているデータを用いて補間生成する必要がある。補間生成の方法にはさまざまな方式が考えられるが、例えば、状態量変化データベース１３に格納された全てのデータ点のうち、最も（又は予め定めた閾値より）交点１４に近い点を通過するデータを採用し、このデータを交点１４を通過するようにデータベース１３中の横軸（累積損傷度）方向に拡大縮小させて、推定曲線１５を生成するような簡便な方式でも十分である。生成された推定曲線１５を参照すれば、自ずと疲労寿命に到達するまでの余寿命１６を累積損傷度のスケールで高精度に見積もることができる。すなわち、本実施例の方法を適用することで、構造物に用いられている材料が潜在的に有するばらつきの影響を廃して、高精度に余寿命の予測が可能になる。現時点から未来における、時間当たりの累積損傷度の増加は、別途推定方法が必要になるが、この推定が可能であれば、最もユーザにとって直感的に理解しやすい時間のスケールで余寿命を予測することが可能になる。なお、上記では、未来の余寿命を推定するために、状態量変化データベース１３に格納されている状態量変化データを基に推定曲線１５を生成したが、比較評価部１２は、構造物の稼働後から定期的又は適宜のタイミングに上記の評価を行っていけば、複数個の交点１４が得られ、これらをつないだものは実機計測から得られた新たなデータ（予測状態量変化データ）として、状態量変化データベース１３にフィードバックすることにより、状態量変化データベース１３をより充実した内容に更新して行くことが可能となっていく。【００２１】
図７は、本実施例における余寿命評価システムのユーザインタフェース画面の一例である。
比較評価部１２は、以上の状態量９、負荷履歴８及びデータベース１３を用いた余寿命評価の過程、結果及び／又は余寿命等のデータを状態量変化データベース１３に記憶する。また、比較評価部１２は、状態量変化データベース１３を参照して、これら予測状態変化データを余寿命評価システム５内の表示部に表示したり、情報端末１８に出力して、情報端末１８を用いて、表示及び／又は記憶させてユーザに示すことができる。特に、図７に示す様なグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を採用することで、ユーザは評価部位が現在置かれている損傷の進行度と、ばらつき範囲内での位置を直感的に理解することが可能となり、メンテナンスや交換の計画を立案し易くなることにつながる。また、余寿命評価の結果は、ユーザに伝えるだけでなく、直接装置の制御に用いてもよい。例えば、風車装置であれば、余寿命が想定よりも短い場合には、より荷重を低減するような制御に変更したり、想定よりも長い場合には、損傷低減よりも発電効率を重視した制御に変更したりしてもよい。【００２２】
なお、図２では、説明の便宜上単一のセンサから得られた計測データから、負荷履歴８と状態量９の双方を算出するように図示しているが、本実施例は用いるセンサの個数や種類を限定するものではなく、複数のセンサから得られた複数種類のデータを用いて、負荷履歴８や状態量９のそれぞれを算出してもよく、また、負荷履歴８と状態量９を算出する上で、それぞれについて異なるセンサからの計測データを用いてもよい。
【実施例２】
【００２３】
実施例１では、状態量として単一の状態量のみを用いて余寿命の評価を行ったが、評価に用いる状態量の種類を２以上としてもよい。その場合、図２中に示したデータベース１３は、３次元以上の空間に表されることとなるが、基本的な余寿命評価の手順は、実施例１にて説明した内容と同一である。複数種類の状態量を評価に用いるためには、必然的に複数種類のセンサを実機に取り付けたり、複数種類のデータ分析手法をシステム５に実装したりする必要があるため、システムとしてはより複雑なものとなる。一方で、材料の損傷によって生じる様々な物理現象を多角的に捉えて寿命予測に反映することができるようになるため、余寿命の予測精度を向上させることができる。【００２４】
Ｃ．付記
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１    風車装置
２    ブレード
３    センサ
４    通信ネットワーク
５    余寿命予測システム
６    計測データ
７    負荷履歴評価部
８    負荷履歴
９    状態量
１０   状態量評価部
１１   状態量評価に用いるデータ収集期間
１２   比較評価部
１３   データベース
１４   交点
１５   推定曲線
１６   余寿命
１７   データのフィードバック
１８   情報端末
１９   評価結果の装置制御への反映経路
２０   状態量と累積損傷度の関係を表す事前データ
２１   疲労寿命データベース
【図１】
2017163562.tif 000003
【図２】
2017163562.tif 000004
【図３】
2017163562.tif 000005
【図４】
2017163562.tif 000006
【図５】
2017163562.tif 000007
【図６】
2017163562.tif 000008
【図７】
2017163562.tif 000009
【図８】
2017163562.tif 000010
【図９】
2017163562.tif 000011
【国際調査報告】
2017163562.tif 000012
2017163562.tif 000013