(57)【要約】【課題】  締結具自体を面圧損傷の検出用のセンサとして用いることで、締結具自身の本来の固有形態や機能を維持しながら、締結孔の周面とその周りにおける面圧損傷を連続的に検知する簡便なモニタリング方法及びシステムを提供する。【解決手段】  複合材１に負荷荷重Ｐが作用するときに、ＣＦＲＰ複合材１を締結するため締結孔１０に挿通されているボルト３の軸部３ｂが締結孔１０の周面１１に当接し、臨界圧力を超えると周面１１及びその近傍部分１１ａには面圧損傷が発生する。面圧損傷に起因して生じる複合材１の厚み方向の変形は、軸部３ｂと一体の頭部３ａに曲げ変形を生じる。その変形を頭部３ａに取り付けた歪みゲージ６で検出することで、面圧損傷の発生とその進展状態をモニタリングすることができる。ボルト３にはセンサ取付け用の加工は不要であるので、締結具自身の固有の締結特性・機能は損なわれない。【選択図】  図２
2005155728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部と前記頭部に一体的な軸部とを備え且つ締結孔が形成されている構造材に対して前記軸部を前記締結孔に挿通させ前記頭部を前記構造材に押し当てる締付け状態で用いられる締結具の前記頭部に歪みセンサを取り付け、前記頭部の変形歪みを前記歪みセンサで検出することにより、前記軸からの面圧に起因して前記構造材の前記締結孔の周りに生じる面圧損傷をモニタリングすることから成るジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法。
【請求項２】
前記構造材は、板状の繊維強化複合材であることから成る請求項１に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法。
【請求項３】
前記締結具は、前記頭部と前記軸部の他方側でねじ込まれるナットとで前記構造材を締めつけるボルト、又は前記軸部の他方側が潰されるリベットであることから成る請求項１に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法。
【請求項４】
前記歪みセンサが前記頭部の歪みを検出し始めるときを、前記締結孔の周りで前記面圧損傷が発生し始める状態とみなすことから成る請求項１に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法。
【請求項５】
前記歪みセンサを無指向性の歪みゲージとして、前記締結具の前記頭部の中心回りのすべての方向の歪みを検出することから成る請求項１に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法。
【請求項６】
締結孔が形成された構造材を締結するために頭部と前記頭部と一体的であり前記締結孔に挿通される軸部とを備える締結具、前記締結具の前記頭部に取り付けられた歪みセンサ、及び前記頭部の変形を前記歪みセンサからの検出信号を受けて前記軸部からの面圧に起因して前記締結孔の周囲に生じる面圧損傷を検知する検知部を備えることから成るジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステム。
【請求項７】
前記構造材は、板状の繊維強化複合材であることから成る請求項６に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステム。
【請求項８】
前記締結具は、前記頭部と前記軸部の他方側でねじ込まれるナットとで前記構造材を締めつけるボルト、又は前記軸部の他方側が潰されるリベットであることから成る請求項６に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステム。
【請求項９】
前記歪みセンサが前記頭部の歪みを検出し始めるときを、前記締結孔の周りで前記面圧損傷が発生し始める状態とみなすことから成る請求項６に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステム。
【請求項１０】
前記締結具の前記頭部の中心回りのすべての方向の歪みを検出するため、前記歪みセンサを無指向性の歪みゲージとしたことから成る請求項６に記載のジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に、航空・宇宙用構造体を構成するために構造材とその締結用の締結具を備えるジョイント構造において、締結具との当接に起因した当該構造材の面圧損傷の発生・進展過程を検知するジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空・宇宙用構造材としては、アルミニウム合金系の金属や樹脂の内部に炭素繊維等の強化繊維が補強材として分散配合された繊維強化金属シート材や、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ等の繊維強化樹脂複合材が用いられており、通常は、これらのシート材を複数枚積層させて一定の厚さを有する複合構造材として構成されることが多い。こうした複合構造材は、航空・宇宙用のみならず、船舶、自動車、土木、建築等の構造材料として広範囲に使用されているが、複合構造材に作用する荷重を引っ張り応力や剪断応力等の面内応力で伝達するという使われ方をするのが通常である。複数の構造材を互いに又は他の構造物と結合するには、通常、ボルトやリベット等の締結具が用いられており、構造材の面内応力は締結具の軸部に一方側から面圧として作用した後、軸部内の剪断力を経て、他方側から面圧として伝達される。こうした応力の伝達の仕方に起因して、構造材には締結具の軸部が挿通される締結孔の周りにおいて、当該軸部から面圧として集中した力が作用するのが避けられない。
【０００３】
航空・宇宙用構造材の安全性・信頼性を向上させるため、構造健全性の評価に関する研究開発が行われてきている。なかでも、航空機構造が破壊するとした場合に、最も一般的な原因となっている部分として、締結具としてのボルト継手部が当該構造材と面接触する締結孔周囲の嵌合部分を挙げることができる。そこで、ボルト継手部とそれに嵌合当接する構造材を対象とした損傷検知の研究・開発が急務となっている。ボルト継手部と面接触する嵌合部分の損傷の検知は、（１）構造材内に埋め込まれた光ファイバーセンサ、（２）締結具に貼付された電気抵抗変化の検出可能な電極材、（３）締結具内に埋め込まれた光ファイバーセンサ等を用いて行う健全性診断試行例がある。ボルトの軸部内部に埋め込まれた光ファイバセンサは、軸部の軸方向歪みを検出し、軸方向歪みと剪断方向歪みとの関連性に基づいて、ボルト継手部が損傷しているか否かの健全性をモニタリングすることが可能である（特願２００２−３８１９１１号）。
【０００４】
繊維強化複合材は、例えば、積層構造型のプレート形状として、単純なシングルラップ継手部により接合した状態として使用することがあるが、この際、繊維強化複合材製プレートのシングルラップ継手部に剥離が存在する場合に、その剥離の発生、進展を明確に検出・評価するため、非破壊検査法の一つとしてＡＥセンサによる被破壊検査法を採用した剥離発生評価方法が提案されている（特許文献１参照）。この剥離発生評価方法によれば、二枚の繊維強化複合材製プレートによりシングルラップ継手部を形成し、且つシングルラップ継手部の接合面に部分的な剥離部を形成しておいた試験片を用い、試験片の一方のプレート上のシングルラップ継手部位置とそこから離れた位置に二つのＡＥセンサを設置し、試験片の両端部に引張荷重を掛けてＡＥ計測が行われる。ＡＥ計測のパラメータとして、発生エネルギーが導入される。二つのＡＥセンサがシングルラップ継手部を跨いでいないことから、位置標定が正確となり、しかも、パラメータとして発生エネルギーを導入したことにより、剥離の発生・進展を明確に検出可能とし、また、ＡＥ計測後、閾値を上げて後処理することにより、不要な雑音を除去して剥離の判定の容易化を図っている。
【特許文献１】特開平１１−２１８４７５号公報（段落［００１３］〜［００１６］、図１〜図９）
【０００５】
また、ボルト軸力の管理装置として、ボルトに特別な加工を施すことなく歪みゲージを貼付し、歪みゲージを破損させることなく歪み量を検出することが提案されている（特許文献２参照）。この提案による管理装置は、被締付物を締め付けるボルトの頭部に貼付した複数の歪みゲージと、これらの歪みゲージからの信号を入力し増幅する増幅器と、増幅器からの信号が入力され、ボルト頭部の歪み量を算出し、この算出した歪み量とメモリに格納されているボルト軸力とボルト頭部の応力との相関関係よりボルト軸力を算出する演算装置と、結果を表示する表示装置とを備えている。被締付物をボルトによって締め付けたとき、ボルト頭部と被締付物との接触面、即ち、ボルト座面からの押し付け反力によりボルト頭部は変形し、ボルト頭部の変形に伴う歪み量がボルト頭部に貼付した歪み検出手段によって検出される。演算手段は歪み検出手段によって検出された検出信号の入力を受けてボルト頭部の歪み量に対応するボルト軸力を算出するので、締付け時のボルト軸力の管理を図ることができる。歪みゲージと被締付物とが接触しないので締付け時の歪みゲージの破損を回避し、また、ボルトの頭部に歪みゲージを貼付することでボルトに特別な加工を施すことなく容易に歪みゲージのリード線を外部に引き出すことが図られている。
【特許文献２】特開平６−３３９２６号公報（段落［００１７］〜［００２１］、図１〜図５）
【０００６】
しかしながら、既存のＡＥセンサによる被破壊検査法では、ボルト等の締結具を用いた構造材の機械的な締結箇所では、負荷荷重が１回又は多数の繰返しを受けることによって、締結具が挿入される締結用の嵌合孔の周面とその近傍に面圧破壊を生じる場合がある。その締結箇所に発生した損傷状況は、締結具の頭部やナット等の締め具に邪魔をされ、目視観察で直接的な検知を行うことができない。また、ボルトの頭部に歪みセンサを貼付した上記管理装置は、ボルトの軸方向力、即ち、ボルトに作用する負荷軸方向に対応した歪みのみを検出するもので、面圧損傷を検出しようとするものではない。
【０００７】
ボルト継手部との嵌合部分に生じる損傷を検知する既存の方法では、また、構造材又は締結具の内部にセンサを取り付ける構造であると、取付け構造が複雑になると共に加工作業や取付け作業も複雑化し、作業時間や作業コストの増加という問題がある。更に、センサを取り付けるために構造材や締結具を加工することに起因して、構造材又は締結具本来の機械的強度が低下するという問題点もある。更にまた、既存の方法は、信頼性の点で問題が残されている。即ち、構造材内に光ファイバーセンサを埋め込む形式のものでは、ボルトの内部に光ファイバー挿入用の取付け穴を加工し光ファイバーの先端部を接着剤で取付け穴内に固定して行われるが、ボルトに対する光ファイバーの平行姿勢性、光ファイバーによるボルト変形の忠実な取得性、及び光ファイバーの強度について問題が残されている。電気抵抗変化法では、電極を供試体に直接に貼り付けしているため、供試体の損傷が進むと剥離を生じて計測不能となるおそれがある。このように、既存の方法は、センサ自身の信頼性の向上・維持、構造材又は締結具が本来備える機械的強度等の機能の維持、センサ取付け構造や取付け作業の簡素化、製造・加工の低コスト化など多くの達成すべき問題点を抱えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、構造材を締結するボルト等の締結具の構造が、構造材の締結孔に挿通される軸部と、軸部の一端に一体的に設けられる頭部とから成っている構造に着目して、締結具自身を面圧損傷の検出用のセンサとして用いることにより、軸部との強圧に起因した締結孔の周面における面圧損傷の発生・進展過程を締結具の頭部の変形歪みとして連続的に検出することに解決すべき課題がある。
【０００９】
この発明の目的は、締結具自体を面圧損傷の検出用のセンサとして用いることで、構造材の締結に用いられる締結具自身の本来の固有形態や機能を維持しながら、センサを構造材や締結部の軸部に配置することなく、締結孔の周面とその周りにおける面圧損傷を連続的に検知する簡便なモニタリング方法及びシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明によるジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法は、頭部と前記頭部に一体的な軸部とを備え且つ締結孔が形成されている構造材に対して前記軸部を前記締結孔に挿通させ前記頭部を前記構造材に押し当てる締付け状態で用いられる締結具の前記頭部に歪みセンサを取り付け、前記頭部の変形による歪みを前記歪みセンサで検出することにより、前記軸からの面圧に起因して前記構造材の前記締結孔の周りに生じる面圧損傷をモニタリングすることから成っている。
【００１１】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法によれば、従来、締結具は、複数の構造材を締結するだけの役割を果たすだけであったが、締結孔の周面とその近傍における損傷の発生やその進展状況は構造材の厚み方向の変形として現れ、その構造材の厚み方向の変形は締結具の頭部の座面に力を及ぼし、締結具の軸部及び頭部に曲げ変形を生じさせる。即ち、締結具自身が、軸部が締結孔の周面及びその周りに及ぼす面圧損傷を頭部の変形として検出するセンサとして用いられる。当該頭部に貼付した歪みセンサによって締結具の頭部に生じる変形を検出することによって、締結孔とその近傍の面圧損傷状況等をリアルタイムで且つ連続的に検出することができる。
【００１２】
また、この発明によるジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステムは、締結孔が形成された構造材を締結するために頭部と前記頭部と一体的であり前記締結孔に挿通される軸部とを備える締結具、前記締結具の前記頭部に取り付けられた歪みセンサ、及び前記頭部の変形を前記歪みセンサからの検出信号を受けて前記軸部からの面圧に起因して前記締結孔の周囲に生じる面圧損傷を検知する検知部を備えることから成っている。
【００１３】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリングシステムによれば、頭部と前記頭部と一体的な軸部とを備える締結具によって、締結孔が形成された構造材を当該軸部を締結孔に挿通させて締結する。締結具の頭部は、構造材の側面において締結孔の開口周りに締め付けられる。構造材に負荷荷重がかけられたときに、締結具の軸部は荷重の作用方向に対応して構造材の締結孔の周面に当接する。このときの当接圧力は負荷荷重が大きくなればなるほど強い圧力となり、臨界圧力を超えると締結孔の周面及びその周りには面圧損傷が発生する。面圧損傷が生じると、構造材、特に複合材においては、材料内部に微視的空隙が形成され始め、構造材の厚み方向に膨れ上がって、締結具の頭部に対してその座面に力を及ぼし、締結具の軸部及び頭部に曲げ変形を生じさせる。締結具の頭部の変形を歪みセンサで検出することにより、面圧損傷の発生と進展状態をモニタリングすることができる。この場合、締結具にセンサ取付けのための加工を施すことがないので、構造材を締結するという締結具自身の固有の締結特性・機能は、何ら損なわれない。しかも、締結具を軸部が締結孔の周面及びその周りに及ぼす面圧損傷を頭部の変形として検出するセンサとして用いることができ、システムを簡素に構成することができる。
【００１４】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムにおいて、前記構造材を、板状の繊維強化複合材であるとすることができる。繊維強化複合材としては、ＦＲＰ、炭素繊維を用いたＣＦＲＰ、ガラス繊維を用いたＧＦＲＰ等の繊維強化樹脂複合材を挙げることができる。これらの繊維強化複合材は、軽量でありながら強度が高く、宇宙・航空機分野において、広範囲に用いられている。
【００１５】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムにおいて、前記締結具は、前記頭部と前記軸部の他方側でねじ込まれるナットとで前記構造材を締めつけるボルト、又は前記軸部の他方側が潰されるリベットとすることができる。宇宙・航空機分野において、締結具としては、ナットと組み合わされるボルト、軸部の他方側が潰されるリベットを挙げることができる。
【００１６】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムにおいて、前記歪みセンサが前記頭部の歪みを検出し始めるときを、前記締結孔の周りで前記面圧損傷が発生し始める状態とみなすことができる。試験機を用いて行ったジョイント構造の負荷試験では、歪みセンサが頭部の変形歪みを検出し始めるときが、ＡＥセンサによって検出される破壊音の検出開始と一致しており、締結孔の変形も弾性変形領域から塑性変形領域に移行していることが観測されている。したがって、歪みセンサによる頭部歪み検出を以て、面圧損傷の発生とみなすことができる。また、頭部歪みが増大することは、面圧損傷の進展が進んだこととみなすことができるのも、明らかである。
【００１７】
このジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムにおいて、前記歪みセンサを無指向性の歪みゲージとすることで、前記締結具の前記頭部の中心回りのどの方向で歪みが生じても、歪みが発生したことを検出することができる。ジョイント構造に負荷される荷重は、一般には、あらゆる方向から作用する可能性がある。したがって、歪みセンサを無指向性の歪みゲージとすることで、どの方向から作用する負荷も検出して、締結孔において面圧損傷が生じる可能性のあることを検出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によるジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムは、上記のように構成されているので、異種又は同種の構造材（複合材、各種金属材）を締結したジョイント構造において、締結孔の周面とその近傍の面圧損傷の発生や進展状況を締結具の頭部に貼付した歪みセンサによって連続的且つリアルタイムに検出することができる。即ち、ジョイント構造における締結具の頭部などで隠れた箇所の損傷状況を連続的に監視し、ジョイント構造の健全性について非常に簡便にモニタリングを行うことができる。また、締結具自身が締結孔近傍の面圧損傷を捕捉するための捕捉手段として利用されており、それを歪みセンサに伝達しているので、締結される各構造材やボルトのような締結具にはセンサ取付けのための加工や特殊な作業が不要であり、締結具自身に本来備わる強度等の締結特性・機能を損うことなくそのまま維持することができる。また、歪みセンサの取付け作業も、締結具の頭部に貼付するだけであるので、システムの構成及び運営について、簡単化・低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による締結具を用いたジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法及びシステムの実施例を説明する。図１は本発明に係わるジョイント構造供試体の構成を模式的に示す図、図２は外力の負荷荷重Ｐが締結具に作用した場合の円孔部近傍で生じる損傷状況と締結具の板厚方向における変形挙動の関係を模式的に示す図、図３はダブルラップジョイント方式の面圧強度試験片の取付け状況及び面圧損傷のモニタリングを模式的に示す図である。
【００２０】
本発明に関して、ジョイント構造の面圧損傷計測試験を以下の手順で実施した。（１）ＣＦＲＰ複合材料と鋼製側板とを歪みゲージを貼付したボルトで締結したジョイント構造供試体を製作した。（２）実際にジョイント構造供試体に負荷荷重を作用させて、ジョイント構造供試体のボルトが挿通する締結孔とその近傍における損傷状況をボルトに貼付した歪みゲージよって検出可能か否か、ＡＥ法を併用した静的引張試験を行って計測した。
【００２１】
図１（ａ）には、本発明による締結具を用いたジョイント構造の面圧損傷モニタリング方法に係わるジョイント構造供試体及び本発明による面圧損傷モニタリングシステムの一例が模式的に示されている。ジョイント構造供試体は、試験片となるＣＦＲＰ複合材１と鋼製スペーサ板５とを、２枚の鋼製側板２，２に挟んで、締結具としてのボルト３と中ボルト４とを用いて締結された構成を有している。ＣＦＲＰ複合材１の母材としては、熱可塑性ポリイミド系の複合材料の他、熱硬化性エポキシ系の複合材料を挙げることができ、すべての母板は一方向プリプレグ１６層を積層した擬似等方性積層板である。ボルト３は、頭部３ａと、一端が頭部３ａと一体的に形成されている円柱状の軸部３ｂとを備える通常の構造を有している。ボルト３の軸部３ｂの他端側に形成された雌ねじ部にナットを螺合させることによって、ＣＦＲＰ複合材１は２枚の鋼製側板２，２に挟まれた状態で締め付けられる。ボルト３の頭部３ａは、端面が鋼製側板２と平行な平坦面に形成されており、後述するＣＦＲＰ複合材１の円形の締結孔の周面とその近傍における面圧損傷の発生・進展過程を連続的に測定するための歪みセンサとしての歪みゲージ６が取り付けられている。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すジョイント構造供試体外観写真である。
【００２２】
図２を参照して、本発明による締結具を用いたジョイント構造の面圧損傷モニタリングの原理を説明する。図２（ａ）には、外力がジョイント構造の面内方向に作用したとき、ボルト３に作用する負荷荷重Ｐと、その荷重Ｐに起因してＣＦＲＰ複合材１の締結孔の周面とその近傍で生じる面圧損傷状況が模式図として示されている。外力は、図１に示すジョイント構造において上下方向に作用する引っ張り力であるとする。ＣＦＲＰ複合材１には、ボルト３が挿通させられる断面円形の締結孔１０が形成されており、締結孔１０の周面１１（内周面となる）がボルト３の軸部３ｂの周面３ｃ（外周面となる）と当接している。図示の例の場合、両周面１１，３ｃの当接場所はボルト３の軸部３ｂの下側となり、締結孔１０の周面１１の下側部分がボルト３の軸部３ｂを上方に押し上げ、締結孔１０の周面１１の下側部分は反力としてボルト３の軸部３ｂから面圧を受ける。クロムモリブデン鋼製の二枚の鋼製側板２，２については、ボルト３の軸部３ｂとの力関係は上下方向に逆となり、鋼製側板２，２に形成されている円形孔１２の周面１３は上側部分でボルト３の軸部３ｂと当接する。
【００２３】
荷重Ｐが締結用のボルト３の軸部３ｂに負荷されると、それに伴ってＣＦＲＰ複合材１がボルト３の軸部３ｂの周面３ｃと当接する周面１１の下側部分とその近傍部分１１ａで面内変形を生じる。荷重Ｐが許容荷重Ｐｃより小さければ、ＣＦＲＰ複合材１には面内変形を生じるが、締結孔１０の変形は弾性変形範囲内にある。また、ボルト３の軸部３ｂの軸方向長さが変化しても、δｔｃの範囲内までであれば、その軸方向長さ方向の変形に応じてボルト３の頭部３ａにも全体的な一様な軸方向の変位は生じても、歪みゲージ６が検出可能なボルト３の頭部３ａの曲げ変形は殆ど生じない。
【００２４】
荷重Ｐが許容荷重Ｐｃ以上に達すると、ＣＦＲＰ複合材１の周面１１の下側部分とその近傍部分１１ａが面内変形から面外変形挙動へと移行し、ボルト３の頭部３ａ及び軸部３ｂの首下領域も変形する。この変形は、図２（ａ）において、破線の矢印で示すように、ボルト３に対してその両端を上に反らせるような曲げ変形の形態を呈する。かかる面外変形に応じて、ＣＦＲＰ複合材１には、厚さ方向に有意な変位増分δｔｉが生じる。変位増分δｔｉは上記面外変形の増加に比例して増加するという傾向があることが、実験により判明している。符号７で示す部材は、ボルト３の頭部３ａと鋼製側板２との間に介装されるワッシャである。変位増分δｔｉに応じてボルト３の頭部３ａにはワッシャ７と同様に曲げ変形が生じるので、歪みゲージ６が頭部３の変形を検出することができる。ワッシャ７について示されている矢印Ｑは、ボルト頭部３ａとナット部を締め付ける初期の力に大きく依存して、比例して生じるところの鋼製側板２を押す力を示している。そのため、外力の作用は、ＣＦＲＰ複合材１が弾性域内であれば、締結孔１０近傍の面内損傷が面外変形へと移行を開始するまで、初期の面外力Ｑとバランスして安定している。
【００２５】
図３には、実施したダブルラップジョイント方式の面圧強度試験片の取付け状況及びモニタリングが模式的に示されている。締結具３の頭部３ａに取り付けられた歪みゲージ６と同時にＡＥセンサがＣＦＲＰ複合材１に取り付けられ、本発明による面圧損傷のモニタリングの実現可能性を検証している。試験片側については、図１に示すジョイント構造供試体と同様に、試験片としてのＣＦＲＰ複合材１、鋼製側板２，２、締結用のボルト３、中ボルト４及び鋼製スペーサ板５から構成されており、ＣＦＲＰ複合材１と鋼製スペーサ板５の各側でクランプ部９，９によって試験機に取り付けられる。図３に示した試験装置２０は、ボルト３の頭部３ａに取り付けられた歪みゲージ６、ＣＦＲＰ複合材１に取り付けられＣＦＲＰ複合材１に生じる損傷を音響的に検出するＡＥ（アコースティックエミッション）センサ８、歪みゲージ６からの検出信号の入力を受けて増幅する歪みアンプ２１、ＡＥセンサ８からの損傷信号が入力されるＡＥ出力部２２、クランプ部９に関連して取り付けられ試験片（ＣＦＲＰ複合材１）に印加される荷重を出力する荷重出力部２３、歪みアンプ２１とＡＥ出力部２２と荷重出力部２３とからの信号が取り込まれるＡ／Ｄ変換部２４、及びＡ／Ｄ変換部２４に接続されて解析・処理され、最終的に荷重〜変位曲線を得るためのＰ／Ｃ出力部２５を備えている。なお、締結孔１０の変位は、特殊な治具を必要としない非接触式の電子光学変位計（図示せず）を用いて測定される。
【００２６】
試験装置２０によれば、ボルト３には、歪みゲージ等のセンサ貼付けや埋設用としてボルトの機械的特性を変えてしまうような加工を施すことなく、締結具としてのボルト３の機能をそのまま維持しながら、頭部３ａに貼付した歪みゲージ６によって、ＣＦＲＰ複合材１の円形締結孔１０とその近傍部分１ａにおける損傷の発生・進展過程を連続的に検出できることが確認された。また、その損傷信号を歪み計測装置を経由してパーソナルコンピュータヘ取り込んで解析・処理を実行し、更にその結果をＣＲＴやフラットディスプレイパネルのような表示画面上にリアルタイムで表示をするなど、一連の動作が問題なく達成できることが確認された。実際に軸部３ｂからの面圧に起因して締結孔１０の周面１１及びその近傍部分１１ａに生じる面圧損傷をモニタリングする場合には、ＡＥセンサ８とその信号処理系統、及び荷重出力部２３とその信号処理系統は不要であり、検知部頭部３ａの変形を歪みゲージ６からの検出信号を受ける歪みアンプ２１、歪みアンプ２１からの信号が取り込まれるＡ／Ｄ変換部２４、及びＡ／Ｄ変換部２４に接続されて解析・処理され、最終的に荷重〜変位曲線を得るためのＰ／Ｃ出力部２５を本発明のシステムの検知部２６とすることができる。
【００２７】
図４は、上記試験の結果として、特性線図と実際の円孔部近傍における損傷状況を示す図である。図４（ａ）は、横軸を非接触式電子光学変位計で測定した締結孔１０の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸をクランプ９に関連して測定された負荷荷重Ｐ（ｋＮ）及び歪みゲージ６で測定したボルト３の頭部３ａの板厚方向の歪み（％）として、試験結果を示すグラフである。グラフ中、Ｐ−δ曲線は締結孔１０の変形量δと負荷荷重Ｐとの関係を示しており、ボルト出力は締結孔１０の変形量δと歪みゲージ６によって検出されるボルト３の頭部３ａの歪みとの関係を示している。ボルト３がセンサとして有効であるか否かを評価するために、併用したＡＥセンサ８からのＡＥイベント数総和の結果もＡＥ出力として一緒に表示されている。Ｐ−δ曲線において、負荷荷重Ｐと締結孔１０の変形量δの関係については、初期の段階において線形であることが判るように弾性変形を示すが、更に変形が進むと塑性領域（イ）、（ロ）、（ハ）へと向かうことが判る。ボルト３の頭部３ａに貼付された歪みゲージ６は、初期の段階、即ち、締結孔１０の変形量δは生じているが頭部３ａには全体的な変位を生じているに過ぎない範囲においては板厚方向の歪みを検出していないが、塑性領域（イ）、（ロ）、（ハ）へと向かうに伴って歪みが増加する傾向を示している。ＡＥ法に従って求めたＡＥイベント数総和は、塑性領域（イ）、（ロ）、（ハ）へと向かうに伴って急増し、歪みゲージ６によって検出する歪み増加と良い相関を示している。図４（ｂ）は、実際の締結孔１０の周面１１とその近傍部分１１ａにおける損傷状況を確認するため、各塑性領域（イ）、（ロ）、（ハ）の位置に対応する締結孔１０を別々の試験片から切り出して観察した写真図である。（イ）は損傷が局部的で少ない。（ロ）は微視的空隙の発生という損傷が（イ）より若干増加した状態である。（ハ）は損傷が板厚全体にわたって進行している様子が認められる。
【００２８】
図４から解るように、非接触式電子光学変位計で測定した締結孔１０の変形量δ、歪みゲージ６で測定したボルト３の頭部３ａの板厚方向の歪み、及びＡＥセンサ８からのＡＥイベント数総和についての出力結果の対応関係から、ボルト３を面圧損傷の検出用のセンサとする構想を実現することができる。また、このモニタリング手法による面圧損傷の検出感度や機能性は、ＡＥセンサと同等の水準を持つことができる。
【００２９】
実験室における検証では負荷の作用方向が既知であるため、締結用のボルト３に貼付する歪みゲージ６として単軸歪みゲージが適用された。しかし、実際のジョイント構造は３次元的な構造であるので、多方向から作用する可能性がある外力に対して歪みゲージの軸方向が一致しないと、歪みの検出が困難になることがある。そこで全ての方向に対応した歪みを検知する無指向性歪みゲージを採用した。図５は無指向性歪みゲージの一例を示す平面図であり、無指向性歪みゲージ３０は、ゲージ長０．６５ｍｍ、抵抗エレメント本数１１８本、歪みゲージの抵抗値３５０Ωから構成される。中心点から放射状に配置された各抵抗線エレメント３１は、周方向の見込む角度幅が非常に小さく、且つ隣の抵抗線エレメント３１，３１と接続されている。歪みが生じれば、いずれかの抵抗線エレメント３１の抵抗値が変化するので、歪み発生状態となったことを検出することができる。
【００３０】
図６は、無指向性歪みゲージ３０の円形３６０°の内９°に相当する２抵抗線エレメントを削除しているため、削除による影響を３軸歪みゲージと比較した。即ち、削除した２抵抗線エレメントの箇所を０度、４５度および９０度方向に一致させて評価した。その結果、最大荷重が１７．３０ｋＮ作用する場合には、単軸歪みゲージの計測値が０度方向で５，２１８με、４５度方向で１，６４６με、及び９０度方向で１，５８０μεと大きな相違となって現れている。一方、無指向性歪みゲージ３０は、同じ荷重で０度方向が１，７５７με、４５度方向で２，０１２με、及び９０度方向で２，１９１μεとほぼ近い歪み値が計測され、方向依存性の影響を単軸ゲージほど大きく受けていない。
【００３１】
以上の結果から、複合材等のジョイント構造の機械式接合、即ちボルト継手部等におけるボルトの頭部やナットに邪魔をされて目視観察で直接的な検知ができないことに対して、面圧損傷の自己診断機能を兼備したボルト継手設計が初期の目的通り十分機能していることを実験的に検証することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
上記の実施の形態においては、構造材はＣＦＲＰ複合材から成る板材であるとし、また締結具についてはボルトとして説明してきたが、それ以外にも、構造材はアルミニウム合金等の金属板或いは繊維補強された金属板であってもよい。また、締結具はリベットや鋲のように、頭部と軸部とを持つ締結具であれば、適用可能であることは明らかである。更に、本発明は、構造材（複合材料、各種金属材料）を、当該構造材に形成されている締結孔内に締結具の軸部を挿通した状態で締結具によって締結したとき、締結具の頭部に貼付した歪みゲージによって当該頭部の変形を検出することで、間接的ながら締結孔の周面とその近傍部分の損傷状況を連続的且つリアルタイムで検出することができる手法であり、ジョイント構造におけるボルトの頭部などで隠れた箇所の損傷状況を、連続的に監視できる非常に簡便な構造健全性モニタリング技術を提供している。従って、航空・宇宙用のジョイント構造に限らず、機械式継手構造を適用した自動車、土木建築等その他の分野における構造健全性の評価、運用・維持管理コストの低減などに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係わるジョイント構造供試体の構成を示す模式図、及び歪みゲージを貼付したボルトの外観写真である。
【図２】外力の負荷荷重が締結具に作用した場合の円孔部近傍で生じる損傷状況と締結具の板厚方向における変形挙動の関係を示す模式図である。
【図３】ダブルラップジョイント方式の面圧強度試験片の取付け状況及び面圧損傷のモニタリングを模式的に示す図である。
【図４】荷重〜変位曲線を対応させた損傷検知のボルト出力とＡＥイベント数総和との比較を示すグラフ及び損傷状態を示す写真図である。
【図５】無指向性歪みゲージの一例を示す平面図である。
【図６】無指向性歪みゲージにおける負荷荷重方向の影響評価を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＣＦＲＰ複合材                  ２  鋼製側板
３  歪みゲージを貼付したボルト
３ａ  頭部            ３ｂ  軸部              ３ｃ  周面
４  中ボルト                        ５  鋼製スペーサ板
６  歪みゲージ                      ７  ワッシャ
８  ＡＥセンサ                      ９  クランプ部
１０  締結孔
１１  締結孔１０の周面              １１ａ  周面の近傍部分
１２  鋼製側板の円形孔              １３  円形孔１２の周面
２１  歪みアンプ                    ２２  ＡＥ出力部
２３  荷重出力部                    ２４  Ａ／Ｄ変換部
２５  Ｐ／Ｃ出力部
２６  検知部
３０  無指向性歪みゲージ            ３１  抵抗線エレメント
Ｐ    荷重
Ｐc   損傷臨界荷重
δ    変位
δｔ０  板厚方向の初期変位
δｔｃ  板厚方向の損傷臨界変位
δｔｉ  板厚方向の変位増分
【図１】
2005155728.tif 000003
【図２】
2005155728.tif 000004
【図３】
2005155728.tif 000005
【図４】
2005155728.tif 000006
【図５】
2005155728.tif 000007
【図６】
2005155728.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月25日(2003.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図６は、無指向性歪みゲージ３０の円形３６０°の内９°に相当する２抵抗線エレメントを削除しているため、削除による影響を３軸歪みゲージと比較した。即ち、削除した２抵抗線エレメントの箇所を０度、４５度および９０度方向に一致させて評価した。その結果、最大荷重が１７．３０ｋＮ作用する場合には、単軸歪みゲージの計測値が０度方向で５，２１８με、４５度方向で１，６４６με、及び９０度方向で−１，５８０μεと大きな相違となって現れている。一方、無指向性歪みゲージ３０は、同じ荷重で０度方向が１，７５７με、４５度方向で２，０１２με、及び９０度方向で２，１９１μεとほぼ近い歪み値が計測され、方向依存性の影響を単軸ゲージほど大きく受けていない。