技術紹介

AE 法を用いた CFRP 製圧力容器の健全性評価手法
川﨑

拓 *1

大森

Kawasaki Hiraku

真実 *2

Ohmori Mami

大森

征一 *3

Ohmori Seiichi

近年、幅広い用途で利用される炭素繊維強化プラスチック（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics）の損傷評
価・強度評価に対して、著者らは Acoustic Emission（AE）法における独自の周波数解析手法を提案している。本稿では実際の CFRP 圧力容器に対して、AE 手法および周波数解析手法の有効性を確認したので報告する。
キーワード：Acoustic Emission（AE）、重心周波数（F.C.O.G）、CFRP

例するように重心周波数集中部が高くなり、損傷

1. はじめにが発生した際には重心周波数集中部が低くなるこ繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：とを確認した。加えて、AE 信号の重心周波数集

FRP）は、近年機械や構造物の材料として進出がめ

中部の低下は層間はく離が発生する直前の現象でざましく、航空宇宙、船舶海洋など多くの分野である可能性を得ている 。

（4）

使用されている。水素貯蔵技術に着目すると、水

本稿では、実際の CFRP 圧力容器を作製し、耐素自動車や水素ステーションに設置される燃料タ圧試験における本手法の有効性を確認したので報ンクは CFRP を用いた容器で信頼性、安全性が要告する。

求されている。

2. CFRP 圧力容器

CFRP 材料の強度評価や CFRP を用いた製品の供用中ヘルスモニタリングでは負荷応力中に発生し表 1 に作製した圧力容器の仕様を示す。圧力容た損傷を明確にすることが望まれているが、CFRP器は樹脂ライナに CFRP を巻き付けたタイプⅣタの損傷には樹脂割れ、繊維と樹脂のはく離、繊維破表1（1）（2）断、層間はく離などがあり、非常に複雑である。

圧力容器 仕様

当社では、複雑な破壊形態を有する CFRP 材料に対して、微小破壊に伴い発生する音（弾性波）に着目した AE（Acoustic Emission）法を用いた健全性（3）評価手法を検討しており 、CFRP 材引張試験において取得された AE 信号における重心周波数集中部の変化を監視する方法を提案している。本手法では、試験体が健全であれば負荷した応力に比*1：研究開発センター 研究開発グループ*2：検査事業部 技術部*3：検査事業部 技術部（株式会社 IHI 技術開発本部 生産技術センター 生産基盤技術部 検査・計測グループ出向中）—37—

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表2ンクとなっており、樹脂ライナはシリンダー部、圧力パターン

ドーム部でそれぞれ型取りしたポリエチレンの部品を溶着してタンク型の形状を作製している。それに樹脂を含浸させた炭素繊維をフィラメントワインディング方式で巻き付け、オートクレーブにて熱硬化処理を行い成型した。
図 1 に示すように、試験体には、AE センサおよびひずみゲージを設置している。試験体を 5 つの ZONE に分け、試験体ドーム部には 3 個の AEセンサを 1 周に等間隔（0°、120°、240°）で設置し3. タンク破断の状況とひずみ計測結果た。シリンダー部には AE センサをドーム部と同

図 2 にタンク破断写真を示す。図 2（a）はタン様に 3 個設置した。
この時の AE センサは 150kHz に共振周波数を持クの全体図、図 2（b）はエンド側破断面、図 2（c）

つプリアンプ内蔵型の VS150-RIC を用いた。ひずみはエンド側ライナ部である。全体写真よりエンドゲージは軸方向および周方向に沿って 2 軸ひずみ側ドーム部が大きく損傷していることがわかる。

ゲージを設置し、取り付け位置は試験体ドーム部にライナ溶着部を確認したところ、断面がきれいに2 個のひずみゲージを 45°、180°に設置した。センサ切り離されている。このことから、本試験体はエ数は AE センサ 15 個、ひずみゲージが 6 枚となる。

ンド側ドーム部ライナ溶着部から破断したと考え

負荷圧力は表 2 に示すように、およそ 20MPa ごられる。ライナの裂け目の位置はタンク下側（CH14、とに圧力負荷、保持、除荷を繰り返し、試験体がCH15 の間）から口金部に近い部分で破裂し、吹き破断するまで実施した。 破断圧力は 135MPa で飛んで行ったと考えられる。
図 3 にひずみ計測結果を示す。図 3（a）に周方あった。

図1

センサ配置図—38—

（a）タンク外観（a）周方向設置センサ（b）エンド側破断面

図2（c）エンド側ライナ

タンク破断写真

向に設置したセンサを、図 3（b）に軸方向に設置したセンサの結果を示す。結果は各負荷サイクル中の最大ひずみ値を示しており、ZONE02 に設置（b）軸方向設置センサしたセンサを黒、ZONE03 を赤、ZONE04 を緑で

図3ひずみ計測結果示している。
図 3（a）より、周方向の最大ひずみはおよそ4. AE 計測結果

8000 ～ 9500me であり、最も変形量が大きかったのはタンク中央部に位置する ZONE03（CH05）であっまずはじめに、一般的な AE 解析手法であるフェた。破断箇所に近い ZONE04 においても、他点とリシティ比（FR）を用いて解析を行った。FR とは、異なる点は確認されなかった。次に、図 3（b）軸AE が発生した荷重を先行荷重で除した値となり、方向の最大ひずみ量に着目すると、ZONE02 およ

CFRP に代表される複合材料における健全性評価手び ZONE03 にておよそ 2000me であり、周方向に法として普及している。FR を用いた方法は ASME比べて小さい。圧力容器は加圧されると周方向に規格にも制定されており、FR が 0.95 以上で合格と膨らむため、予想通りの結果が得られた。一方でしている（5）（6）。

破断箇所に近い ZONE04（CH12）では圧力 30MPa

圧力負荷 4 ～ 8 回目（破断）において、横軸を試験において他点に比べて高いひずみ量が計測されて圧力、縦軸を 0.1MPa ごとに発生した AE の発生数いる。CH12 は 30MPa で断線したため、その後の（AE Hit）に整理した結果を図 4 に示す。本結果は、経過は確認できなかった。同じ ZONE04（CH09）で計測したすべてのセンサを用いている。本試験結果

は、60MPa から破断に至るまで、ひずみ量が高くでは、圧力負荷 6 回目までは FR が 1.0 であったが、なっている。このことから、破断箇所近傍では試圧力負荷 7 回目にて 0.7 に低下した。このことから、験の早い段階から軸方向に対する負荷がかかって圧力負荷 6 回目の 75 ～ 100MPa において ASME 規格いたと考えられる。

上許容できなくなる損傷が発生したと予想される。
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図4

全 CH を用いた AE 発生数の圧力履歴

次に、各 ZONE において、負荷回数と FR を整図5理した結果を図 5 に示す。各 ZONE においても、各 ZONE におけるフェリシティ比

圧力負荷回数 7 回目以降で FR は ASME 合格ラインである 0.95 を下回った。特に、破断位置に最も心とは、加重平均を指しており、周波数 f i におけ近い ZONE05 では、他 ZONE に比べて著しく低下る 成 分 強 度 A( f i ) の 積 和 を、 成 分 強 度 の 総 和 でしている。しかし、負荷回数 8 回目では、試験体割った値となる（式（1））。

中央部に位置する ZONE03 においても FR の急激な低下が確認できるため、本結果からは耐圧試験

F , C , O, G =∑ A( f ) * f∑ A( f )ii（1）ii

中に破断位置を推定することは難しい。

i

図 6 に全 15CH を用いて計算した F.C.O.G 結果

5. F.C.O.G 結果を示す。横軸に試験圧力、縦軸に重心周波数、色次 に、 当 社 の 独 自 手 法 で あ る 重 心 周 波 数

合いは 2MPa × 2kHz 内に標定される AE の発生数

（F.C.O.G：Frequency Center Of Grabity）を用いた解を示している。F.C.O.G は破断圧力 135MPa に対し析を行った。重心周波数とは、AE 信号の周波数て低い圧力 30MPa で変化した。30 ～ 80MPa にか解析結果におけるスペクトルの代表値である。重けて F.C.O.G は 60kHz まで低下した。FR が低下し多い

発生数少ない

図6

全 CH を用いた重心周波数解析結果—40—

た 70 ～ 100MPa 近傍で F.C.O.G は 60kHz 近傍に集の F.C.O.G は破断に至るまで 90kHz 近傍に集中す中した。これは 1 章で解説した引張試験の結果と同ることが予想される。このことから、各部位に設じ傾向であった。一方で、破断直前の 100 ～ 135MPa

置されたセンサで解析することにより損傷位置をにおいて F.C.O.G は 90kHz 近傍に集中し、過去に捉えることができると考える。

報告している短冊形の引張試験時の結果と異なる

6. 最後に（7）傾向を示した 。
図 7 に各 ZONE における F.C.O.G の解析結果を

本稿では、CFRP 製圧力容器における健全性評示 す。 破 断 位 置 に 最 も 遠 い ZONE01 に お け る価手法に、一般的な FR とは異なる独自の周波数

F.C.O.G の結果は、圧力 30MPa から破断に至るま解析方法を適用した。ASME 規格に制定されていで F.C.O.G は約 90kHz に集中し、F.C.O.G の低下はる FR と F.C.O.G の低下はよい一致を示した。健全確認されなかった。その他の位置では、ZONE05

性評価手法としては F.C.O.G が 60kHz まで低下すに近くなるごとに低周波数成分が増加しているこると ASME 規格に基づく合格ラインを下回ることとが確認でき、ZONE05 に設置したセンサでは低が確認できた。

い圧力の時から F.C.O.G は低いままであった。損加えて、F.C.O.G は破断圧力 135MPa に対して、傷のない箇所（ZONE01）から発生される AE 信号

圧力 30MPa から変化するため、供試体破断に対し

図7

各 ZONE における重心周波数解析結果
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41

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IIC REVIEW/2019/04. No.61

（3） 川﨑拓、滝沢真実、中島富男、中村英之、岡て 20％近傍の圧力から破断までの変化を監視す

崎順二、中川幸次郎：水圧疲労試験による高ることが可能である。
一方で、短冊形の引張試験とは異なり、広範囲

圧水素用 CFRP 蓄圧器への AE 試験適用性検を監視するため、損傷に起因した AE 信号と、健討、IIC REVIEW、No.52、2014/10、pp.23-28

全部から発生する AE 信号が複合されて検知され（4） Hiraku Kawasaki and Mami Takizawa：Study of theることが確認された。今後は実機適用を踏まえ、

Damage Evaluation method for the CFRP Material

本手法は必要なセンサ数と各センサの監視範囲をUsing F.C.O.G part 2, Proc. in Acoustic Emission

明確にすることで十分な有効性がある。

XVⅡ, 2014, pp.111-116（5） 上野谷敏之、水谷義弘：Monitoring and Evaluation

参考文献of Damages and Fractures in Composite Materials、（1） F. Lissek, A. Haeger, V. Knoblauch, S. Hloch, F.

Journal of the Society of Materials Science, Japan、Pude and M. Kaufeld：Acoustic emission forVol.55、No.3、2006、pp.341-347

interlaminar toughness testing of CFRP: Evaluation（6） ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V,of the crack g rowth due to burst analysis,

Article 11：Acoustic Emission Examination ofComposites, part B, 2018, pp.55-62

Fiber Reinforced Plastic Vessel, American Society（2） D. Baccar and D. Soffker, Proc.：Identification andfor Mechanical Engineers, Latest edition

classif ication of failure modes in laminated（7） Mami Takizawa and Hiraku Kawasaki：Study of thecomposites by using a multivariate statistical

Damage Evaluation method for the CFRP Material

analysis of wavelet coeff icients, MechanicalUsing F.C.O.G part 1, Proc. in Acoustic Emission

Systems and Signal Processing, Vol.96, 2017,

XVⅡ, 2014, pp.105-110

pp.77-87

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検査事業部技術部

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大森 真実

拓TEL. 045-791-3522
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生産技術センター 生産基盤技術部
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大森 征一
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