(57)【要約】  優れた精度と再現性を有し、かつ簡便に力学的数値を推定できる破面解析システムおよび方法を提供する。  破断面の階段状形状を成す破面凹凸を含む凹凸波形を取得し（Ｓ１）、凹凸波形の全体勾配の修正及びノイズを除去し（Ｓ２，３）、この凹凸波形から任意の計測ライン上に存在する段差位置を特定及び段差個数を算出し（Ｓ４）、これにより計測ライン上の平均段差間隔を算出して（Ｓ５）、この平均段差間隔から破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度、又は応力に関する力学的数値を推定する（Ｓ６）。
2011099270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の疲労破面の破面凹凸の段差間隔から、破面形成時に作用した力学的数値を推定することを特徴とする破面解析システム。
【請求項２】
構造物の疲労破面の破面解析システムにおいて、
構造物の破断面を計測して、該破断面の階段状形状を成す破面凹凸を含む凹凸波形を取得する破面情報取得手段と、
破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度、又は応力に関する力学的数値と破面凹凸の関係式、又は予め対象材から得られた破面凹凸と力学的数値との関係グラフを格納したデータベースと、
前記破面情報取得手段で取得した凹凸波形と、前記データベースに格納された関係式または関係グラフに基づいて力学的数値を推定する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記破面情報取得手段で取得した凹凸波形の、任意の計測ライン上に存在する破面凹凸の段差位置を特定する段差位置特定手段と、
前記計測ライン上に存在する前記段差位置特定手段により特定された段差の個数を集計する段差個数集計手段と、
該段差個数集計手段により集計された段差個数に基づいて、前記計測ラインの段差間隔を算出する段差間隔算出手段と、
該段差間隔算出手段で算出された段差間隔と、前記データベースに格納された関係式又は関係グラフに基づいて、破面形成時に作用した力学的数値を推定する力学的数値推定手段により構成したことを特徴とする破面解析システム。
【請求項３】
請求項２に記載の破面解析システムにおいて、
前記段差位置特定手段は、取得した凹凸波形の等高線の密集部分を段差と判定することを特徴とする破面解析システム。
【請求項４】
請求項２に記載の破面解析システムにおいて、
前記段差位置特定手段は、前記計測ライン上で所定長さでの破面凹凸の高低差が所定値以上となる場合に段差と判定することを特徴とする破面解析システム。
【請求項５】
構造物の疲労破面の破面解析方法において、
構造物の破断面を計測して、該破断面の階段状形状を成す破面凹凸を含む凹凸波形を取得する破面情報取得ステップと、
前記取得した凹凸波形の、任意の計測ライン上に存在する破面凹凸の段差位置を特定する段差位置特定ステップと、
前記計測ライン上に存在する、前記特定された段差の個数を集計する段差個数集計ステップと、
前記集計された段差個数に基づいて、前記計測ラインの段差間隔を算出する段差間隔算出ステップと、
該算出された段差間隔と、破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度、又は応力に関する力学的数値と段差間隔の関係式、又は予め対象材から得られた段差間隔と力学的数値との関係グラフに基づいて、前記算出された段差間隔から力学的数値を推定する力学的数値推定ステップを有することを特徴とする破面解析方法。
【請求項６】
請求項５に記載の破面解析方法において、
前記段差位置特定ステップは、取得した凹凸波形の等高線の密集部分を段差と判定することを特徴とする破面解析方法。
【請求項７】
請求項５に記載の破面解析方法において、
前記段差位置特定ステップは、前記計測ライン上で所定長さでの破面凹凸の高低差が所定値以上となる場合に段差と判定することを特徴とする破面解析方法。
【請求項８】
請求項２に記載の破面解析システムにおいて、
前記演算手段は、取得した凹凸波形に含まれるピークノイズを除外するピークノイズ除去手段を備えたことを特徴とする破面解析システム。
【請求項９】
請求項８に記載の破面解析システムにおいて、
前記ピークノイズ除外手段は、縦Ｖ×横Ｗの範囲の中で、高さがＪ以上の変動幅で往復振動する箇所を検出し、往復振動の発生前後の高さの中間値で置き換えることを特徴とする破面解析システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の破面解析システムにおいて、
前記ピークノイズ除外手段は、取得した凹凸波形に対して指定されたピークノイズ領域を解析対象から除外することを特徴とする破面解析システム。
【請求項１１】
請求項２に記載の破面解析システムにおいて、
前記段差位置特定手段で特定された段差位置に対して、ユーザが手動で、特定箇所の削除や追加を行える機能を有していることを特徴とする破面解析システム。
【請求項１２】
請求項２に記載の破面解析システムにおいて、
前記力学的数値推定手段により推定された力学的数値の前記データベースへの格納、該データベースに格納された力学的数値の呼出し及び削除を行う結果編集手段を備えたことを特徴とする破面解析システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の破面解析システムにおいて、
前記結果編集手段は、前記段差位置特定手段による段差位置特定結果の画像の記録と呼出しの機能を備えることを特徴とする破面解析システム。
【請求項１４】
構造物の疲労破面における任意の観察領域の破面凹凸の高低差から、破面形成時に作用した力学的数値を推定することを特徴とする破面解析システム。
【請求項１５】
構造物の疲労破面の破面解析システムにおいて、
構造物の破断面を計測して、３次元凹凸形状を取得する破面情報取得手段と、
予め対象材から得られた破面凹凸と、破面形成時に作用した応力拡大係数又はき裂進展速度に関する力学的数値との関係式又は関係グラフを格納したデータベースと、
前記破面情報取得手段で取得した３次元凹凸形状と、前記データベースに格納された関係式または関係グラフに基づいて力学的数値を推定する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記破面情報取得手段で取得した３次元凹凸形状の、高さの最大値から最低値を差し引いた値を算出する高低差算出手段と、
該高低差算出手段で算出された高低差と、前記データベースに格納された関係式又は関係グラフに基づいて、破面形成時に作用した力学的数値を推定する力学的数値推定手段により構成したことを特徴とする破面解析システム。
【請求項１６】
構造物の疲労破面の破面解析方法において、
構造物の破断面を計測して、３次元凹凸形状を取得する破面情報取得ステップと、
前記取得した３次元凹凸形状の、高さの最大値から最低値を差し引いた値を算出する高低差算出ステップと、
該算出された高低差と、予め対象材から得られた破面凹凸と破面形成時に作用した応力拡大係数又はき裂進展速度に関する力学的数値との関係式または関係グラフに基づいて、破面形成時に作用した力学的数値を推定する力学的数値推定ステップを有することを特徴とする破面解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の疲労破面の解析システム及び解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
損傷した構造物の事故原因を究明するため、破断面を対象とした破面解析が行われ、破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度，応力などといった力学的数値が推定される。疲労損傷により形成された破面の形成後期の段階では、ストライエーションとよばれる特有の縞模様が現れ、この縞模様の間隔をもとに力学的数値が推定可能である。一方、損傷発生原因との関係がより深い破面形成初期の段階では、ストライエーションが認められないケースが多く、このような場合に力学的数値を推定する手法はまだ一般に確立されていない。【０００３】
なお、疲労破面形成初期の破面解析技術としては、例えば、破面凹凸波形の空間周波数分析を用いる技術（特許文献１）や、粒界ファセット率を用いる技術がある（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５２４７２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】圧力技術第１９巻４号４６〜４９頁（１９８１年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているように破面凹凸波形の空間周波数を用いる方法では、損傷モードや荷重（ΔＫ）などの推定が可能であるが、周波数スペクトルの分布形態から、荷重をどの程度精度良く定量化できるのか不明である。また、上記非特許文献１に記載されているように形成初期破面に認められる粒界ファセット率を用いる方法では、粒界ファセットの判別にある程度の熟練を要し、作業者に依らない再現性の面で課題があるのと、ファセット率と力学的数値（ΔＫ）との関係にかなりのばらつきがあり、定量化の精度の面で課題があった。【０００７】
本発明は上記に鑑みなされたもので、優れた精度と再現性を有し、かつ簡便に力学的数値を推定できる破面解析システムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、構造物の疲労破面の破面凹凸の段差間隔から、破面形成時に作用した力学的数値を推定することを特徴とする。【０００９】
具体的には、本発明の破面解析システムは、構造物の破断面を計測して、該破断面の階段状形状を成す破面凹凸を含む凹凸波形を取得する破面情報取得手段と、破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度、又は応力に関する力学的数値と破面凹凸との関係式、又は予め対象材から得られた破面凹凸と力学的数値との関係グラフを格納したデータベースと、前記破面情報取得手段で取得した凹凸波形と、前記データベースに格納された関係式または関係グラフに基づいて力学的数値を推定する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記破面情報取得手段で取得した凹凸波形の、任意の計測ライン上に存在する破面凹凸の段差位置を特定する段差位置特定手段と、前記計測ライン上に存在する前記段差位置特定手段により特定された段差の個数を集計する段差個数集計手段と、該段差個数集計手段により集計された段差個数に基づいて、前記計測ラインの段差間隔を算出する段差間隔算出手段と、該段差間隔算出手段で算出された段差間隔と、前記データベースに格納された関係式又は関係グラフに基づいて、破面形成時に作用した力学的数値を推定する力学的数値推定手段により構成したことを特徴とするものである。【００１０】
また、本発明の破面解析方法は、構造物の破断面を計測して、該破断面の階段状形状を成す破面凹凸を含む凹凸波形を取得する破面情報取得ステップと、前記取得した凹凸波形の、任意の計測ライン上に存在する破面凹凸の段差位置を特定する段差位置特定ステップと、前記計測ライン上に存在する、前記特定された段差の個数を集計する段差個数集計ステップと、前記集計された段差個数に基づいて、前記計測ラインの段差間隔を算出する段差間隔算出ステップと、該算出された段差間隔と、破面形成時に作用した応力拡大係数，き裂進展速度、又は応力に関する力学的数値と段差間隔との関係式、又は予め対象材から得られた段差間隔と力学的数値との関係グラフに基づいて、前記算出された段差間隔から力学的数値を推定する力学的数値推定ステップを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、再現性を有し、精度良くかつ簡便に破面に作用した力学的数値を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の破面解析システム及び方法の第１の実施の形態の手順を表すフローチャートである。
【図２】破面の凹凸情報を鳥瞰図で示した図である。
【図３】ピークノイズ部分を等高線図で示した図である。
【図４】ピークノイズ部分の断面の模式図である。
【図５】破面の凹凸情報を等高線図で示した図である。
【図６】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図７】破面の等高線図の計測ライン上の段差部分を特定した図である。
【図８】平均段差間隔Ｄと応力拡大係数範囲ΔＫとの関係グラフである。
【図９】応力拡大係数範囲ΔＫとき裂進展速度ｄａ／ｄＮとの関係グラフである。
【図１０】モニタ画面上での入出力状況例を示す図である。
【図１１】計測ライン上の断面凹凸の模式図である。
【図１２】段差判定基準長さαの決定方法を示す図である。
【図１３】段差判定基準高低差Ｈの決定方法を示す図である。
【図１４】破面の等高線図から段差部分を抽出処理した図である。
【図１５】観察領域中の全高低差ΔＺと段差判定基準高低差Ｈの関係グラフである。
【図１６】本発明の破面解析システム及び方法の実施の形態の構成を表す図である。
【図１７】演算処理装置のブロック図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態の手順を表すフローチャートである。
【図１９】本発明の第２の実施の形態における演算処理装置のブロック図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態における観察領域の設定状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の破面解析方法の第１の実施の形態の手順を表すフローチャートである。【００１５】
図１に示すように、本実施の形態では、まず工程Ｓ１では、レーザ顕微鏡を用いて解析対象である損傷した構造物の疲労破面のＸ，Ｙ方向を走査して、疲労破面中のミクロ領域の凹凸情報（ｘ−ｈ，ｙ−ｈ）を取得する。なお、凹凸情報を取得するための手段としては、レーザ顕微鏡に限定されるものではなく、例えば、３次元電子顕微鏡や、原子間力顕微鏡などを使用することも可能である。図２は、工程Ｓ１で得られた凹凸情報を３次元鳥瞰図で表した一例である。凹凸情報は、地形形状とよく似た形態を示している。【００１６】
なお、凹凸情報が全体的な勾配を持っている場合、必要に応じて、工程Ｓ２にて、全体的な勾配を水平に修正する。【００１７】
また、凹凸情報が高周波ノイズを含んでいる場合、必要に応じて、工程Ｓ３にて、高周波ノイズの除去が行われる。高周波ノイズの除去には、本来の凹凸波形の形状が損なわれないように、例えば、メディアンフィルタが使用される。【００１８】
場合によっては、図３の破面凹凸の等高線図に示すように、局所的に突出した凹凸があばた状に分布していることがある。これはピークノイズ７と呼ばれ、上記メディアンフィルタ等では取り切れないため、以下の処理を実施する。【００１９】
図４に示すように、まず、取得された凹凸波形８における縦Ｖ×横Ｗの範囲の中で、高さがＪ以上の変動幅で往復振動する箇所を検出することによりピークノイズ７の特定が可能である。そして上記手法によりピークノイズ７と特定された箇所の凹凸波形の高さを、往復振動の発生箇所の前後の高さの中間値９に置き換えることによりピークノイズ７の除去が可能である。これらの処理は、図示しないピークノイズ除去手段により行われる。【００２０】
また、ピークノイズ７の除去手法としては、取得した凹凸波形の目視から、ピークノイズ７が含まれる領域を除外領域に指定することで、後述する工程Ｓ４以降での計測や解析の対象外とすることも可能である。【００２１】
次に、手順を工程Ｓ４に移して、前記工程でノイズ除去等の修正が施された凹凸情報から、計測ライン上の段差位置の特定及び段差個数の計測が行われる。計測ラインの設定については後述する。【００２２】
図５はＳ１で得られた凹凸情報を等高線図で示した図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。図５に示す疲労破面の等高線図では、等高線が密集した部分（例えば図中Ａ−Ａ線上における領域１ａ）とまばらな部分（同じくＡ−Ａ線上における領域１ｂ）とを含んでいる。そして、図６から明らかなように、疲労破面の断面は階段状形状をなしている。また、等高線の密集部分である領域１ａは、図６で示すＳ部のように段差部となっている。【００２３】
次に、段差位置の特定及び段差個数の計測手法について、図７を用いて説明する。工程Ｓ４では、先ず、前述した工程により得られた等高線図上において、縦横に任意の本数の計測ライン３を設定し、設定した各計測ライン３上で段差位置を特定している。ここで、段差位置の特定とは、手動若しくは演算処理装置において自動的に特定する何れの手段でも良い。自動特定の手法については後述する。計測ライン３上の段差位置が特定されると、当該計測ライン３上の段差個数が計算される。図示の例では、計測ライン３の本数として縦横１０本ずつを設定し、横方向計測ラインＸ１〜Ｘ１０，縦方向計測ラインＹ１〜Ｙ１０のそれぞれにおいて段差部２の特定並びに個数を計算している。この結果、各計測ライン３で測定された段差個数の合計Ａが得られる。なお、特定された段差位置に対して、ユーザが手動で、特定箇所を削除する、或いは未特定の箇所を段差位置として追加する機能を持たせることで、より柔軟に段差部の特定や段差個数の計算を行うことが可能となる。【００２４】
この様にして段差個数の合計Ａが集計されると、工程Ｓ５にて、段差個数の合計Ａと計測ライン３の合計長さＬから、次式により、平均段差間隔Ｄを算出する。【００２５】
【数１】
2011099270.tif 000003
【００２６】
工程Ｓ６では、上述した平均段差間隔Ｄに基づいて、対象材に対して破面形成時に作用した力学的数値の推定が行われる。本実施例では、力学的数値として、応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮ，応力範囲Δσの推定を行う。【００２７】
図８は、予め対象材について得られている平均段差間隔Ｄと応力拡大係数範囲ΔＫの関係グラフであり、材料データベースから呼び出されるものである。応力拡大係数範囲ΔＫを推定する場合には、図８に図示する関係グラフを用いて、前述した工程で算出した平均段差間隔Ｄとの交点からΔＫを得ることができる。この関係グラフは、例えばＣＴ試験片のき裂進展試験により、応力拡大係数範囲ΔＫが予め分かっている破面について、平均段差間隔Ｄを測定して得られたものである。なお、平均段差間隔Ｄと応力拡大係数範囲ΔＫの関係グラフを材料データベースから呼び出さずに、次式（２）からΔＫを直接算出することもできる。【００２８】
【数２】
2011099270.tif 000004
【００２９】
ただし、Ｃ1とｍ1は、き裂進展試験により得られる材料固有の定数である。【００３０】
図９は、予め対象材について得られている応力拡大係数範囲ΔＫとき裂進展速度ｄａ／ｄＮの関係グラフであり、材料データベースから呼び出されるものである。この関係グラフについても、対象材のＣＴ試験片のき裂進展試験を予め実施しておくことにより得られたものである。図９の関係グラフに基づき、式（２）或いは図８の関係グラフから算出された応力拡大係数範囲ΔＫから破面形成時のき裂進展速度ｄａ／ｄＮが推定される。なお、図９の関係グラフを材料データベースから呼び出さずに、次式（３）からｄａ／ｄＮを直接算出することもできる。【００３１】
【数３】
2011099270.tif 000005
【００３２】
ただし、Ｃ2とｍ2は、き裂進展試験により得られる材料固有の定数である。【００３３】
応力範囲Δσは、式（２）或いは図８の関係グラフから算出された応力拡大係数範囲ΔＫを用いて、次式（４）により算出される。【００３４】
【数４】
2011099270.tif 000006
【００３５】
ここで、Ｆは、荷重形態から決定される形状係数であり、ハンドブックや有限要素法解析などから求めることができる。また、ａはき裂発生起点からの進展深さである。【００３６】
以上のようにして、応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮ，応力範囲Δσを推定することができる。【００３７】
なお、対象材によっては、平均段差間隔Ｄに対して、応力拡大係数の変動範囲の最大値すなわち最大応力拡大係数Ｋmaxが強く相関するケースがある。このような場合は、予め対象材について得られている平均段差間隔Ｄと最大応力拡大係数Ｋmaxの関係グラフ（図８で縦軸をΔＫからＫmaxに置き換えたもの）が、材料データベースから呼び出され、前述した工程で算出された平均段差間隔Ｄとの交点からＫmaxを得ることができる。この関係グラフは、例えばＣＴ試験片のき裂進展試験により、最大応力拡大係数Ｋmaxが予め分かっている破面について、平均段差間隔Ｄを測定して得られたものである。なお、平均段差間隔Ｄと最大応力拡大係数Ｋmaxの関係グラフを材料データベースから呼び出さずに、次式（５）からＫmaxを直接算出することもできる。【００３８】
【数５】
2011099270.tif 000007
【００３９】
ただし、Ｃ3とｍ3は、き裂進展試験により得られる材料固有の定数である。【００４０】
上記により得られた最大応力拡大係数Ｋmaxから次式（６）により、変動応力の最大値すなわち最大応力σmaxが算出される。【００４１】
【数６】
2011099270.tif 000008
【００４２】
なお、一般に、最大応力拡大係数Ｋmaxからは、き裂進展速度ｄａ／ｄＮは一義的に求まらないため、本ケースでは、き裂進展速度は推定不可となる。【００４３】
工程Ｓ７では、算出された力学的数値の出力が行われる。具体的には、図１０に示すように、モニタ画面上に、推定結果の応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮ，応力範囲Δσが表示され、必要に応じて、プリントアウトされたり、記憶媒体に記録される。【００４４】
なお、前述したように、対象材によっては、モニタ画面上に最大応力拡大係数Ｋmaxおよび最大応力σmaxがΔＫおよびΔσの代わりに表示される。【００４５】
以上、本実施の形態によれば、レーザ顕微鏡等により得られる疲労破面の階段状形状の平均段差間隔を等高線図中に引いた縦横の計測ラインを用いて測定するので、再現性を有し、精度良くかつ簡便に破面に作用した力学的数値を推定することができる。【００４６】
なお、工程Ｓ４においては、以下のようにして段差位置を自動特定してもよい。【００４７】
図１１は、計測ライン３上の断面凹凸の模式図である。図７の等高線図の段差部２は、図１１において、傾斜勾配が一定以上で、段差の前後の高低差も一定以上である場合に段差と認識される。したがって、自動特定方法として、凹凸波形上の一定長さを段差判定基準長さαを隔てた２点の高低差が段差判定基準高低差Ｈ以上となる条件を段差と判定するアルゴリズムにより、コンピュータによる段差の自動特定が可能である。上記条件は、次式（７）で表される。【００４８】
【数７】
2011099270.tif 000009
【００４９】
ここで、ｈ（ｘ）は、凹凸波形の高さ座標、ｘは凹凸波形の長さ座標である。【００５０】
なお、段差判定基準長さαは、図１２のように等高線図中の段差部分４の幅を包含する長さを段差判定基準長さαと決定する。また、段差判定基準高低差Ｈは、図１３の下図のように等高線図から肉眼で段差判定したサンプル計測ライン５上の｜ｈ（ｘ＋α）−ｈ（ｘ）｜グラフから、段差部と非段差部とを分ける高さを段差判定基準高低差Ｈと決定する。【００５１】
また、段差判定基準長さαと段差判定基準高低差Ｈは、対象材について予め得られている段差判定基準長さαと段差判定基準高低差Ｈのデータから決定することもできる。この段差判定基準長さαと段差判定基準高低差Ｈデータは、例えばＣＴ試験片のき裂進展試験で得られた破面の段差特定作業で得ることができ、得られたデータはデータベースに格納され、必要に応じて呼び出される。【００５２】
以上、工程Ｓ４における、段差判定基準長さαと段差判定基準高低差Ｈによる段差位置の自動特定によれば、段差特定作業がスピーディかつ省力化され、一定基準で段差判別されるので、平均段差間隔Ｄの測定値がより客観化され、再現性も高まるというメリットがある。【００５３】
あるいは、工程Ｓ４においては、画像解析を利用して以下のようにして段差位置を自動特定してもよい。【００５４】
図７の等高線図の段差部２は、等高線が密集して一定以上の幅で色が濃くなっていることから、この条件で段差部の抽出が可能である。抽出結果を図１４に示す。段差部分６が抽出されており、段差部分が自動特定されたことを示す。【００５５】
以上、工程Ｓ４における、画像処理による段差位置の自動特定によれば、段差特定作業がスピーディかつ省力化され、一定基準で段差判別されるので、平均段差間隔Ｄの測定値がより客観化され、再現性も高まるというメリットがある。【００５６】
あるいは、工程Ｓ４での段差判定基準高低差Ｈについては、観察領域中の全高低差ΔＺとＨの相関性を利用して、以下のように自動決定するようにしても良い。図１５は、観察領域中の全高低差ΔＺと段差判定基準高低差Ｈの関係グラフであり、図示するようにΔＺとＨは線形関係にあることが発明者に認められている。従って、計測されたΔＺから次式（８）を用いてＨが決定できる。【００５７】
【数８】
2011099270.tif 000010
【００５８】
なお、ｋは定数であり、予め対象材の値を材料データベースに格納しておくようにしても良い。【００５９】
以上の段差判定基準高低差Ｈの自動決定によれば、工程Ｓ４における段差特定作業がよりスピーディかつ省力化され、一定基準で段差判別することができる。この結果、平均段差間隔Ｄの測定値がより客観化され、再現性も高めることが可能となる。【００６０】
図１６は、本発明の破面解析システムの構成を示す図である。【００６１】
本実施例の破面解析システムは、破面の凹凸情報取得手段であるレーザ顕微鏡１１、凹凸情報の全体勾配修正およびノイズ除去処理し、平均段差間隔Ｄを求め、ΔＫ，ｄａ／ｄＮ，Δσ等の力学的数値を推定する手段を有するコンピュータ１２，予め材料試験によって得られている材料毎のＤ−ΔＫ関係グラフ，ΔＫ−ｄａ／ｄＮ関係グラフ，段差判定基準長さα，段差判定基準高低差Ｈ等を蓄積するデータベース１３，システム利用者が各種計算命令，材料データ，結果出力命令等を入力する手段であるキーボード１４およびマウス１５，計算結果や計算条件等を出力する手段であるモニタ１６及びプリンタ１７で構成される。【００６２】
なお、レーザ顕微鏡１１の代わりに、破面の凹凸情報を取得できる別手段に置き換えてもよい。例えば、３次元電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などが考えられる。【００６３】
次に、図１６に示すコンピュータ１２による力学的数値の推定演算の詳細について、図１７を用いて説明する。図１７は、コンピュータ１２における力学的数値の推定の演算処理ブロック図である。演算手段としてのコンピュータ１２は、勾配修正部２１，フィルタ部２２，段差位置特定部２３，段差個数カウント部２４，平均段差間隔算出部２５，力学的数値推定部２６によって構成される。勾配修正部２１では、前述したレーザ顕微鏡１１等の凹凸情報取得手段２０で測定された疲労破面の凹凸情報が全体的な勾配を有している場合に、勾配を水平に修正する。フィルタ部２２では、凹凸情報に含まれるピークノイズが除去される。段差位置特定部２３では、計測ライン上の段差位置の特定，計測ライン上の段差個数のカウント，各計測ラインでの段差個数の合計の演算処理が行われる。平均段差間隔算出部２５では、各計測ラインの全長及び段差個数の合計により平均段差間隔が算出される。そして、力学的数値推定部２６では平均段差間隔算出部２５で求められた平均段差間隔から、前述したデータベース１３に格納された平均段差間隔Ｄと応力拡大係数範囲ΔＫの関係グラフ，応力拡大係数範囲ΔＫとき裂進展速度ｄａ／ｄＮの関係グラフ，応力範囲Δσの関係式等に基づいて、破面に作用した力学的数値の推定の演算が行われる。力学的数値推定部２６による演算結果は、モニタ１６，プリンタ１７といった出力手段に出力される。また、コンピュータ１２による力学的数値の演算の際、前述のキーボード１４或いはマウス１５といった入力手段３０から、適宜、各種計算命令，材料データ，結果出力命令等が入力される。また、コンピュータ１２には、推定結果の力学的数値のデータベース１３への格納、データベース１３に格納された力学的数値の呼出し及び削除が可能な結果編集機能を備えている。この結果編集機能により、コンピュータ１２では必要に応じて力学的数値をデータベース１３に格納、呼出し等ができるようになる。また、結果編集機能には、段差位置特定部２３による段差位置特定結果の画像をデータベース１３に記録、或いはデータベース１３からの呼出しが可能な機能を含ませることができる。【００６４】
また、対象材によっては、平均段差間隔Ｄに対して、最大応力拡大係数Ｋmaxが強く関係するケースがある。このような対象材については、データベース１３に、Ｄ−Ｋmax関係グラフが蓄積されており、コンピュータ１２の有する推定手段により、Ｋmax及びσmaxが推定される。【００６５】
以上、本実施の形態によれば、レーザ顕微鏡等により得られる疲労破面の階段状形状の平均段差間隔を等高線図中に引いた縦横の計測ラインを用いて測定するので、再現性を有し、精度良くかつ簡便に破面に作用した力学的数値を推定可能な破面解析システムを提供することができる。
【実施例２】
【００６６】
次に、本発明の破面解析システム及び方法の第２の実施の形態について、図１８から図２０を用いて説明する。図１８は本実施例のフローチャート、図１９は演算処理装置のブロック図、図２０は観察領域の設定状況を示す図である。なお、ハードウェア構成としては第１の実施例（図１６）と同様であるため、その説明は省略する。【００６７】
本実施例は、構造物の疲労破面における破面凹凸の高低差から力学的数値を推定することを特徴とするものである。【００６８】
先ず、本実施例による破面解析の手順について、図１８を用いて説明する。工程Ｓ２１では、レーザ顕微鏡等を用いて解析対象である損傷した構造物の疲労破面のＸ，Ｙ方向を走査して、疲労破面中のミクロ領域の３次元凹凸情報（ｘ−ｈ，ｙ−ｈ）を取得する。凹凸情報が全体的な勾配を持っている場合、必要に応じて、工程Ｓ２２にて、全体的な勾配を水平に修正する。また、凹凸情報がピークノイズを含んでいる場合、必要に応じて、工程Ｓ２３にて、ピークノイズの除去が行われる。なお、工程Ｓ２１から工程Ｓ２３については、第１の実施例（図１）における工程Ｓ１からＳ３と同様の工程である。【００６９】
次に、工程Ｓ２４では、３次元凹凸情報として取得された疲労破面４０を図２０に示すように、縦と横にｎ分割し、複数の観察領域４１を設定する（ｎは１〜１０の操作者により指定された値）。そして、工程Ｓ２５において、各観察領域４１における破面凹凸の高さの最大値から最低値を差し引いた値（高低差）がそれぞれ算出され、得られた全ての高低差を平均し、平均高低差が算出される。【００７０】
工程Ｓ２６では、上述した平均高低差の値に基づいて、対象材に対して破面形成時に作用した力学的数値の推定が行われる。本実施例では、力学的数値として、応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮの推定を行う。すなわち、予め対象材から得られた破面凹凸（平均高低差）と力学的数値（応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮ）との関係式、或いは関係グラフに基づき算出することができる。なお、破面凹凸（平均高低差）と力学的数値との関係グラフは、第１の実施例と同様にデータベースから呼び出される。このようにして得られた力学的数値は、工程Ｓ２７においてモニタ画面上や記憶媒体等に出力される。【００７１】
次に、本実施例における力学的数値の推定演算の詳細について、図１９を用いて説明する。図１９は、コンピュータ１２における力学的数値の推定の演算処理ブロック図である。演算手段としてのコンピュータ１２は、勾配修正部２１，フィルタ部２２，観察領域設定部２７，高低差算出部２８，力学的数値推定部２９によって構成される。なお、勾配修正部２１，フィルタ部２２は第１の実施例と同様であるため説明を省略する。観察領域設定部２７では、凹凸情報として取得された疲労破面を操作者によって指定される分割数で縦と横に分割して複数の観察領域を設定する。高低差算出部２８では、前述の各観察領域における破面凹凸の高低差を算出し、それらを平均して平均高低差が算出される。そして、力学的数値推定部２９では、高低差算出部２８で算出された平均高低差から、データベース１３に格納された平均高低差と力学的数値（応力拡大係数範囲ΔＫ，き裂進展速度ｄａ／ｄＮ）の関係グラフ、或いは関係式に基づいて、破面に作用した力学的数値の推定の演算が行われる。【００７２】
なお、対象材によっては、平均高低差に対して、最大応力拡大係数Ｋmaxが強く相関するケースがある。この場合は、上記の応力拡大係数範囲ΔＫおよび応力範囲Δσを、最大応力拡大係数Ｋmaxおよび最大応力σmaxで置き換えることにより、同様の推定が可能となる。【００７３】
本実施例によっても、再現性を有し、精度良くかつ簡便に破面に作用した力学的数値を推定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、構造物の疲労破面の解析システム及び解析方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ  等高線が密集した部分
１ｂ  等高線がまばらな部分
２  段差部
３  計測ライン
４，６  段差部分
５  サンプル計測ライン
７  ピークノイズ
８  凹凸波形
９  中間値
１１  レーザ顕微鏡
１２  コンピュータ
１３  データベース
１４  キーボード
１５  マウス
１６  モニタ
１７  プリンタ
４０  疲労破面
４１  観察領域
Ａ  段差個数の合計
Ｄ  平均段差間隔
Ｈ  段差判定基準高低差
Ｌ  計測ラインの合計長さ
α  段差判定基準長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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