(57)【要約】【課題】  被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定することのできる疲労破壊特定システムおよび疲労破壊特定方法を提供する。【解決手段】  赤外線カメラ２と、該赤外線カメラ２で撮影された温度変化量から逸散エネルギー画像を作成する画像装置と、ひずみゲージ４およびひずみゲージ出力装置５、加振装置６などから疲労破壊特定システム１が構成される。繰返し荷重に伴って生じる疲労破壊の開始点の特定を被試験体ａに貼着されたひずみゲージ４によって特定しながら、逸散エネルギー画像によって疲労破壊が進展するか否かを特定するものである。【選択図】  図１
2006250683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定する疲労破壊特定システムであって、
前記疲労破壊特定システムは、赤外線カメラと、該赤外線カメラで撮影された温度変化量から逸散エネルギー画像を作成する画像装置と、ひずみゲージと、から少なくとも構成されており、繰返し荷重に伴って生じる疲労破壊の開始点の特定を被試験体に貼着されたひずみゲージによって特定しながら、逸散エネルギー画像によって疲労破壊が進展するか否かを特定することを特徴とする疲労破壊特定システム。
【請求項２】
前記被試験体がアルミニウム鋳物や鉄を含む金属から成形されていることを特徴とする請求項１に記載の疲労破壊特定システム。
【請求項３】
被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定する疲労破壊特定方法であって、
被試験体にひずみゲージを貼着するとともに、撮影画像に基づく温度変化量から逸散エネルギー画像を作成できる赤外線カメラを設置し、被試験体に繰返し荷重を載荷しながら、ひずみゲージの値と逸散エネルギーの値を同時計測し、双方の計測結果から疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定することを特徴とする疲労破壊特定方法。
【請求項４】
前記被試験体がアルミニウム鋳物や鉄を含む金属から成形されていることを特徴とする請求項３に記載の疲労破壊特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定する疲労破壊特定システムおよび疲労破壊特定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のエンジンブロックにはエンジン駆動に伴って繰返し荷重が載荷され、エンジンブロックを構成する曲面部やエッジ部、さらにはブロックボア下端の呼吸穴部分などに亀裂が発生し、この亀裂が進展することによってエンジンブロックが破壊に至ることとなる。エンジンブロックの疲労破壊を評価するに際し、各部位ごとの負荷モードの不均一性や経時変動、破壊の原因となる欠陥の形態のばらつきなどにより、その再現性は極めて困難な状況である。
【０００３】
上記する再現性が困難な要因としては種々考えられるが、その一つには、疲労破壊の多くがエンジンブロックの表面や界面の微小な疵や凹凸を起点とするものである一方で、かかる部位のひずみの実測が不可能であることであり、他の一つには、ひずみゲージのみでの測定では、その数や方向に限界があって、静圧ＣＡＥ計算結果が必ずしも実態を反映し得ないことなどである。
【０００４】
ところで、近年の自動車や航空機、船舶などを構成する構成部材の疲労破壊評価においては、熱弾性効果を利用した赤外線ひずみ分布評価法が注目されている。これは、フォーカルプレーンアレイの遠赤外線素子を採用したカメラにて被試験体の画像を連続撮影し、任意に設定した一定間隔のフレームレートに基づいて赤外線画像の取り込みと演算を連続的に実施する（ロックイン方式）ことにより、刻々と変化する温度変化量から平均化した画像を作成するものである。ロックイン方式により、完全な断熱状態でなくとも被試験体の熱弾性効果因子を外乱要因から分離して取り出すことができ、さらには、位相遅れの影響を低減して被試験体の加振状態をリアルタイムで検知することにより、誤測定が回避できる。
【０００５】
特許文献１においても、上記する熱弾性効果に基づく被試験体表面の温度変化を赤外線カメラにて撮影し、温度変化のプラス温度画像とマイナス温度画像を積算測定し、積算された２つの温度画像の差を求めることによって応力分布のフレーム画像を得るようにした赤外線応力分布画像システムに関する発明が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−９１３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
既述する赤外線ひずみ分布評価法や特許文献１に開示の赤外線応力分布画像システムによれば、被試験体表面の高精度な温度応力画像を作成することができる。しかし、被試験体表面のどの部位に亀裂が発生し、さらには、その亀裂が今後進展していくものなのか否かを特定することはできない。
【０００８】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、荷重の繰返し載荷時に、被試験体のどの部位に亀裂が生じ、さらにはその亀裂が今後進展していくものなのか否かを特定することのできる疲労破壊特定システムおよび疲労破壊特定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明による疲労破壊特定システムは、被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定する疲労破壊特定システムであって、前記疲労破壊特定システムは、赤外線カメラと、該赤外線カメラで撮影された温度変化量から逸散エネルギー画像を作成する画像装置と、ひずみゲージと、から少なくとも構成されており、繰返し荷重に伴って生じる疲労破壊の開始点の特定を被試験体に貼着されたひずみゲージによって特定しながら、逸散エネルギー画像によって疲労破壊が進展するか否かを特定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の疲労破壊特定システムは、被試験体の適宜の測定箇所に貼着された複数のひずみゲージによって繰返し荷重載荷時に生じ得る疲労破壊の開始点を特定するとともに、繰返し荷重載荷時の測定箇所の温度変化を赤外線カメラにて撮影することにより、この温度変化量から測定された逸散エネルギーにより、疲労破壊の開始点で生じた疲労破壊がその後に進展するか否かを特定するものである。これは、亀裂の開始位置において、逸散エネルギーが蓄積ピークを超えると疲労破壊が進展し易くなり、亀裂の進展の可能性が極めて高くなるという発明者等の実験結果と該実験結果に対する考察に基づくものである。なお、ここでいう逸散エネルギーとは、破壊力学でいうところの解放エネルギーと等価なものではなく、亀裂先端の塑性領域に蓄積されたエネルギーの一部が熱に変換されて放出したものを温度変化率として計測したものである。
【００１１】
ひずみゲージは、例えば静圧ＣＡＥ計算結果に基づいて、疲労破壊の発生が予測される被試験体の適宜の箇所に貼着すればよい。
【００１２】
ここで、赤外線カメラによる被試験体表面の温度変化の計測から逸散エネルギーの測定までの概要を以下に説明する。
【００１３】
まず、フォーカルプレーンアレイの遠赤外線素子を採用した赤外線カメラにて被試験体の画像を連続撮影する。次に、任意に設定した一定間隔のフレームレートに基づいて赤外線画像の取り込みと演算を連続的に実施し（ロックイン方式）、刻々と変化する温度変化量から平均化した画像を作成する。かかる方法により、高分解能の温度変化画像が作成できる。
【００１４】
ところで、被試験体に作用する繰り返し荷重に伴って生じる熱弾性効果により、応力画像を作成することができる。これは、上記する赤外線カメラで捉えられる温度変化量が主応力と比例関係にあり、温度変化量（ΔＴ）に、各材料の熱弾性係数（Ｋｍ）をかけることで応力値（ＭＰａ）として変換されるものである。応力画像における主応力和（Δσ）は、Δσ＝−ΔＴ／ＫｍＴなる式から求めることができるが、かかる算定式では、熱弾性効果による発熱が、被試験体内部に蓄積される断熱効果と、被試験体表面からの放熱のバランスが一定に保たれていて、外乱要因が加味されていない。一般に、繰り返し荷重に伴う熱弾性効果による断熱効果は、被試験体表面からの放熱よりも大きいため、被試験体自体は、次第に暖められていく。すなわち、温度の上昇／降下を繰り返しながら、温度変化量は徐々に大きくなっていく傾向にある。そこで、温度上昇を伴う曲線的な温度の上昇／降下を含んだ実用的な温度変化式を示すと、ΔＴ＝ｒｅ−Ｔｃ＋Ｄ＋Ｔｅとなる。ここで、ΔＴは温度変化量を、ｒｅは外的要因（風や周囲の温度変化など）を、Ｔｃは熱伝導を、Ｄは逸散エネルギー（繰返しサイクルによる温度上昇量）を、Ｔｅは熱弾性効果をそれぞれ表している。例えば、被試験体がアルミニウム合金などの弾塑性材料からなる場合には、このＴｅ項は時間経過に伴って増加する傾向にある。
【００１５】
ここで、ロックイン方式による赤外線画像測定は、被試験体からの同期入力信号に基づき、被試験体の熱弾性効果による温度変化のみを測定することが可能となり、外的要因による温度変化が排除されている。そこで、応力測定と同様の手法により、応力測定に必要な熱弾性効果による温度上昇／降下から、さらに繰り返しサイクルごとの逸散エネルギーによる温度上昇を分離して測定することにより、繰り返しサイクルにおける逸散エネルギー測定画像を得ることができる。ところで、逸散エネルギーによる温度上昇は、破壊に至る過程の被試験体表面に発生する内部摩擦やヒステリシスによるものである。したがって、逸散エネルギー測定画像中で、該逸散エネルギーの最も高い箇所は、今後疲労破壊に達し、やがては破壊に至ると予測できる。なお、逸散エネルギーによる温度変化は、応力の大きさや荷重、試験片の形状、繰り返し周波数などによって異なり、材料的／機械的な特性に基づいた温度変化である。
【００１６】
本発明によれば、ひずみゲージを計測することによって亀裂（疲労破壊）の開始点を特定することができ、逸散エネルギーを計測することによって、ひずみゲージにて特定された亀裂が今後進展し得るものであるか否かを精度よく特定することが可能となる。
【００１７】
また、本発明による疲労破壊特定システムの他の実施形態は、前記被試験体がアルミニウム鋳物や鉄を含む金属から成形されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の疲労破壊特定システムは、アルミニウム鋳物から成形された自動車のエンジンブロックなど、固有の疲労破壊特性を備えつつも、その形状が比較的複雑で、その負荷モードの特定が極めて困難な被試験体への適用に好適である。
【００１９】
また、本発明による疲労破壊特定方法は、被試験体に繰返し荷重を載荷することによって該被試験体に生じ得る疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定する疲労破壊特定方法であって、被試験体にひずみゲージを貼着するとともに、撮影画像に基づく温度変化量から逸散エネルギー画像を作成できる赤外線カメラを設置し、被試験体に繰返し荷重を載荷しながら、ひずみゲージの値と逸散エネルギーの値を同時計測し、双方の計測結果から疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を特定することを特徴とする。
【００２０】
既述するように、繰返し荷重載荷時における被試験体表面のひずみ量と逸散エネルギーの値を同時計測することによって、双方の計測結果から疲労破壊の開始点と疲労破壊の進展の可否を精度よく特定することが可能となる。
【００２１】
また、本発明による疲労破壊特定方法の他の実施形態は、前記被試験体がアルミニウム鋳物や鉄を含む金属から成形されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明から理解できるように、本発明の疲労破壊特定システムおよび疲労破壊特定方法によれば、ひずみゲージと逸散エネルギーの同時計測をおこなうことにより、その負荷モードの特定が極めて困難なエンジンブロックなどの被試験体の疲労破壊開始点やその進展の可否の特定を精度よくおこなうことができる。なお、図示する実施形態においては、被試験体としてアルミニウム鋳物からなる車両のエンジンブロックが示されているが、被試験体がかかる実施形態に限定されるものでないことは勿論のことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の疲労破壊特定システムの一実施形態を示した図である。図２は、疲労破壊試験に使用された被試験体の断面図であり、図３ａ〜ｅは、実験結果に基づいて主応力和（ひずみ）の変動を順に示した図であり、図４ａ〜ｅは、実験結果に基づいて逸散エネルギーの変動を順に示した図である。図５ａ，ｂは、それぞれ図３，４に示す実験結果を示したグラフである。
【００２４】
図１は、疲労破壊特定システムの一実施形態を示した図である。疲労破壊特定システム１は、制御装置７によって作動が制御されるとともに、加振実験時のロードセル信号を制御装置７に送信する加振装置６と、エンジンブロックａ（被試験体）に貼着されたひずみゲージ付近を撮影する赤外線カメラ２、この赤外線カメラ２で撮影された温度データを取り込んで、ロックイン機能によって赤外線画像を解析処理するためのコンピュータ３、ひずみゲージに連通するゲージリード４１に繋げられたひずみゲージ出力装置５から大略構成されている。ここで、ひずみゲージ出力装置５はコンピュータ３にも接続されており、ひずみゲージからの電圧信号を連続的に採取して、エンジンブロックａに作用する加振周波数の実測をおこなうことができるようになっている。なお、被試験体の形状が複雑で、測定箇所を赤外線カメラ２にて直接撮影できないような場合には、図示しない１枚または２枚以上のミラーを使用し、測定箇所をミラーで反射させながら反射像を赤外線カメラ２にて撮影することもできる。
【００２５】
ここで、コンピュータ３内に備えられたロックイン機能について説明する。まず、コンピュータ３にて任意に設定されたタイミングで、加振装置６のロードセルの出力値、またはエンジンブロックａに貼着されたひずみゲージから入力した電圧信号を連続的に採取し、エンジンブロックａに作用する加振周波数を実測する。このデータ点群を仮設定されたサインカーブ上にプロットし、フィッティングとスムージングを経て参照信号を形成する。赤外線カメラ２にて撮影される温度データの採取に際し、測定ごとに上記参照信号を実測し、コンピュータ３にて規定したフレームレートに基づいて（加振装置の設定周波数や温度変化には関係なく）、採取された２点が参照信号のサインカーブ上に再度プロットされる。ここで、設定されるフレームレートは、加振装置の設定周波数とは同期しない周波数が選択される。この連続的に採取された点群を積算することにより、疲労破壊過程のエンジンブロックの振動に起因する微小な周波数振動の測定や、設定された加振装置の周波数と実際のエンジンブロックの周波数とのずれに関係のない温度差の測定が可能となる。なお、積算回数が増加するにつれてサインカーブは滑らかになり、外雑因子に起因した変動影響が少なくなる。例えば、この積算回数を２０００〜１００００回程度おこない、実質上の温度分解能を±０．００５℃以下とすることができる。
【００２６】
エンジンブロックａに繰返し作用する荷重に伴って生じる熱弾性効果により、赤外線カメラ２が捉える応力画像が解析できるが、上記するロックイン機能と赤外線カメラにより、応力測定に必要な熱弾性効果による温度の上昇や降下から、小さな繰返しサイクルごとの逸散エネルギーの温度上昇量を分離して測定することにより、温度上昇量を示す逸散エネルギー画像を作成することができる。逸散エネルギーが大きな箇所は、周囲に比して機械的に大きく発熱している箇所であり、かかる箇所から疲労限界に至り、最終的には破断に至ると推測することができる。
【００２７】
図２は、エンジンブロックａに穿設された呼吸孔ｂのまわりにひずみゲージ４，４，…が貼着された状況が示されている。ひずみゲージ４，４，…は、例えば、静圧ＣＡＥ計算結果に基づいて疲労破壊の発生が予測されるエンジンブロックａの適宜の箇所や、人為的に疵が設けられた箇所などに貼着される。
【００２８】
図３，４は、発明者等の実験に基づく計測結果を模式的に示したものであり、図３には主応力和（ひずみ）の変動が順に示されており、図４には、逸散エネルギーの変動が順に示されている。例えば、図３ａにおける呼吸孔ｂの右にある横長のコンターに注目すれば、その中央にいくにつれて主応力和の値が大きくなるものである。これは、図４の逸散エネルギーを示したコンターについても同様である。
【００２９】
図３によれば、亀裂の先端を示す点線Ｘが時間とともに呼吸孔ｂから離れていくことが分かる。亀裂は、発生から進展の過程において、応力が解放されることによってその開始点が移動することもあり、必ずしも一度発生した発生点を開始点として進展するとは限らない。
【００３０】
一方、図４によれば、逸散エネルギーを示すコンターは亀裂の先端を示す点線Ｘの時系列的な移動に伴って移動していることが分かり、これは図３の主応力和（ひずみ）と同様の傾向にある。
そこで、図３，４に基づいて、実験結果をグラフ化したものが図５ａ，ｂに示されている。図５ａは、任意の時間における呼吸孔ｂからの距離に応じた主応力和の値を、連続する時間ごとにプロットしてなるグラフである。主応力和（ひずみ）は、亀裂の先端で急激な勾配を呈する傾向にある（図５ａにおける２１０〜２２０ｍｍ付近）。亀裂の先端位置は図示する点Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓの順に移動し、矢印Ｘに沿って亀裂が進展している可能性が高い。なお、図中のＴ点は亀裂の開始点である。
【００３１】
そこで、図５ｂに示す逸散エネルギーのグラフを見てみる。このグラフも任意の時間における呼吸孔ｂからの距離に応じた逸散エネルギーの値を、連続する時間ごとにプロットしたものである。ここで、蓄積された逸散エネルギーのピーク値を示す位置が図中のＴ点であるが、かかるピーク値を過ぎると逸散エネルギーは大きな値となり、実際にはこのピーク値を過ぎてから呼吸孔ｂ付近で疲労破壊が進展していた。
【００３２】
上記の実験結果より、まず、亀裂の開始点やその先端の移動は、ひずみゲージにより計測することが可能となる。しかし、これだけでは、発生した亀裂がその後進展するか否かを評価することはできないため、かかる亀裂開始点付近から、逸散エネルギーがある一定のピーク値を超えるか否かに注目し、ピーク値を超えた場合には亀裂が進展するものと評価することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の疲労破壊特定システムの一実施形態を示した図。
【図２】疲労破壊試験に使用された被試験体の断面図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、実験結果に基づいて主応力和（ひずみ）の変動を順に示した図。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、実験結果に基づいて逸散エネルギーの変動を順に示した図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３，４に示す実験結果を示したグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１…疲労破壊特定システム、２…赤外線カメラ、３…コンピュータ、４…ひずみゲージ、５…ひずみゲージ出力装置、６…加振装置、７…制御装置、ａ…エンジンブロック、ｂ…呼吸孔
【図１】
2006250683.tif 000003
【図２】
2006250683.tif 000004
【図３】
2006250683.tif 000005
【図４】
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【図５】
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