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構造物の損傷の診断システムおよび方法

国内特許コード P120008273
掲載日 2012年11月19日
出願番号 特願2006-321706
公開番号 特開2008-134182
登録番号 特許第4992084号
出願日 平成18年11月29日(2006.11.29)
公開日 平成20年6月12日(2008.6.12)
登録日 平成24年5月18日(2012.5.18)
発明者
  • 増田 新
出願人
  • 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明の名称 構造物の損傷の診断システムおよび方法
発明の概要

【課題】構造体内部の変位、歪みなどをより容易に監視可能にする。
【解決手段】構造物の損傷の診断のため、構造体の監視対象箇所を挟む2点に複数の振動応答検出センサを設定し、参照点に参照応答検出センサを設置する。これらのセンサから入力した振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)の相対モードシェイプと参照モードシェイプおよびn次モードの固有振動数を求め、それらから導出される評価値を算出し、現在の評価値の値と健全状態の評価値の値を基に損傷指標を評価する。
【選択図】図2

従来技術、競合技術の概要


構造物の健全性を監視し診断する技術は構造ヘルスモニタリング技術と呼ばれており、近年各分野で重要性が急激に高まっている。特に、耐用年数が近づきつつある社会基盤構造物の劣化による事故リスクや、地震による家屋の倒壊リスクを事前に評価可能な健全性監視システムの開発が急務になっている。損傷は局所的に発生するものであり、しかもできるだけ早期の発見が望ましいため、場所を特定でき、できるだけ小さなレベルの損傷に感度の高い方法が求められる。



従来の1つの監視方式では、構造物の剛性低下による固有振動数の変化が監視される。固有振動数を評価するには任意の動的物理量を1点から数点で計測するだけよく、この方式はきわめてシンプルであるという長所がある。しかし、構造全体の特性が変化するような大きな損傷でないと検出できないうえに損傷箇所の特定が難しい。



一方、構造物の部材中の亀裂などを個別に発見するための技術として、超音波などを用いる非破壊検査技術がある。定期的なオーバーホール検査など、供用を一時停止しての徹底的な検査が実施できる場合にはきわめて有効であり、航空機やプラントなどの検査に利用されている。しかし、専用の検査機器を必要とするうえに、一度に検査できる範囲がcmオーダーと非常に狭い。構造物の常時監視に用いるためには、これらをきわめて密に常時設置しておく必要があり、コストがかかりすぎて現実的でない。



構造物の健全性を監視する現実的なシステムを構築するためには、損傷感度および空間解像度と計測コストをバランスさせる必要がある。このために、比較的安価なセンサを少数利用して対象構造物のクリティカルな部位(たとえばボルト継手や溶接継手など)ごとに健全性の評価を行う手法が提案されている。たとえば、特許文献1(特開2001-099760号公報)では、圧電インピーダンス法が利用されている。圧電インピーダンス法では、構造物表面に貼付した圧電素子のインピーダンスの変化によって圧電素子近傍の構造特性の変化を検出する。また、特許文献2(特開2000-131197号公報)では、2点に貼付した圧電素子間の伝達アドミッタンスを計測する手法が提案されている。



また、圧電インピーダンス法に比べて損傷感度は劣るが少数の振動センサで局所的な損傷を検出可能な手法として、動的応答から構造物のフレキシビリティを算出する手法が提案され、現実的な損傷感度と計測コストを有する損傷評価法として有効性が指摘されている。発明者らはこれまでに、構造物の局所フレキシビリティに基づく損傷検出手法を提案してきた(非特許文献1)。局所フレキシビリティは、構造物上の2点に符号が逆の一対の単位荷重を作用させたときの2点間の相対変形量として定義され、局所化された健全性の指標として有効である。さらに非特許文献2では、はりなどの構造物の曲げ変形に対する局所フレキシビリティが角速度計測によって評価できることに注目し、角速度計測に基づく局所回転フレキシビリティの評価手法を提案している。

【特許文献1】特開2001-099760号公報

【特許文献2】特開2000-131197号公報

【特許文献3】特開11-281311号公報

【特許文献4】特開2000-283800号公報

【非特許文献1】増田新、森田紳也、曽根彰、時間周波数解析によるはり状構造物の損傷モニタリング、第8回「運動と振動の制御」シンポジウム講演論文集、pp.641-644、2003

【非特許文献2】A. Masuda, A. Sone and S. Morita, Continuous damage monitoring of civil structures using vibratory gyroscopes, Proceedings of SPIE, Vol. 5391, pp. 40-49, 2004

産業上の利用分野


本発明は、構造物の健全性を監視し診断する技術に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
構造体の監視対象箇所を挟む2点x,xに設置した複数の振動応答検出センサおよび位置x,xとは異なる参照点xに設置した参照応答検出センサと、
前記振動応答検出センサおよび参照応答検出センサから振動計測データを取得し、入力振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点x,xの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨ(x,x)、参照点xにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφnr(xk)およびn次モードの固有振動数ωを求め、下記の式
【数式1】


で定義されるdを算出し、下記の式
【数式2】


(ここで添え字presentは現在のdの評価値を、添え字baselineは評価の基準となる健全状態におけるdの評価値を表す)で定義される損傷指標DIを評価することを含むデータ処理の少なくとも一部を実行するデータ処理装置と
からなる構造物の損傷の診断システム。

【請求項2】
前記参照点xが位置x,xの一方と同じ位置であり、前記複数の振動応答検出センサの1つが前記参照応答検出センサとして兼用されることを特徴とする請求項1に記載された診断システム。

【請求項3】
前記振動応答検出センサが、角度、角速度または角加速度を検出するセンサであることを特徴とする請求項1または2に記載された診断システム。

【請求項4】
前記振動応答検出センサが、変位、速度または加速度を検出するセンサであることを特徴とする請求項1または2に記載された診断システム。

【請求項5】
前記参照応答検出センサが、変位、速度または加速度を検出するセンサであることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載された診断システム。

【請求項6】
前記参照応答検出センサが、角度、角速度、角加速度または歪みを検出するセンサであることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載された診断システム。

【請求項7】
さらに、複数の監視対象箇所ごとに設けられる前記データ処理装置からデータ処理結果を受け取るホストコンピュータを備えることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載された診断システム。

【請求項8】
前記データ処理装置が、前記データ処理の一部を実行するデータ処理装置であり、前記ホスト装置は前記データ処理装置から受け取ったデータ処理結果を基に、前記データ処理の残りの部分を実行することを特徴とする請求項7に記載された診断システム。

【請求項9】
前記データ処理装置と前記ホストコンピュータの間でデータが無線で送信されることを特徴とする請求項7または8に記載された診断システム。

【請求項10】
前記データ処理装置は、2点x,xにおける振動応答データの相対量(差)と参照応答データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比により前記dを求め、前記dの変化を非損傷時の基準ベクトルd(x、x)|baselineからの変動分のノルムで評価することを特徴とする請求項1~9のいずれかに記載された診断システム。

【請求項11】
構造体の監視対象箇所を挟む2点x,xに設置した複数の振動応答検出センサおよび位置x,xとは異なる参照点xに設置した参照応答検出センサとから振動計測データを取得し、
入力振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点x,xの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨ(x,x)、参照点xにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφnr(xk)およびn次モードの固有振動数ωを求め、
下記の式
【数式3】



で定義されるdを算出し、
下記の式
【数式4】


(ここで添え字presentは現在のdの評価値を、添え字baselineは評価の基準となる健全状態におけるdの評価値を表す)で定義される損傷指標DIを評価する
構造物の損傷の診断方法。

【請求項12】
前記dを2点x,xにおける振動応答データの相対量(差)と参照応答データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比により求め、
前記dの変化を非損傷時の基準ベクトルd(x,x)|baselineからの変動分のノルムで評価することを特徴とする請求項11に記載された診断方法。
産業区分
  • 試験、検査
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006321706thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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