疲労試験

疲労試験は、試験片または構造物に周期的な荷重をかけることによって行われる特殊な形式の機械試験です。これらの試験は、疲労寿命と亀裂成長のデータを生成するため、重要な場所を特定するため、または疲労の影響を受けやすい構造物の安全性を実証するために使用されます。疲労試験は、試験片から自動車や航空機などのフルサイズの試験対象物まで、さまざまなコンポーネントに使用されます。

試験片の疲労試験は、通常、大きな可変振幅の周期的荷重を加えることができるサーボ油圧試験機を使用して行われます。 ^[2]定振幅試験は、より単純な振動機械でも適用できます。試験片の疲労寿命は、試験片が破損するまでのサイクル数です。このデータは、応力寿命曲線またはひずみ寿命曲線を作成するために使用できます。試験片の亀裂成長速度も、試験中または試験後に破断検査を使用して測定できます。試験片の試験は、亀裂成長速度に影響を与える可能性のある温度、湿度、環境を制御できる 環境チャンバー内で行うこともできます。

実物大の試験品はサイズが大きく、形状が独特なため、一連の油圧アクチュエータまたは電動アクチュエータを通じて荷重を加える特別な試験装置が作られています。アクチュエータは、構造物が受ける大きな荷重を再現することを目的としています。航空機の場合、この荷重には、操縦、突風、バフェット、および地上-空-地上 (GAG) 荷重が含まれます。構造物の安全な寿命が実証されるか、修理が必要な故障が発生するまで、代表的なサンプルまたは荷重ブロックが繰り返し適用されます。ロードセル、ひずみゲージ、変位ゲージなどの計測機器が構造物に設置され、正しい荷重が適用されていることを確認します。穴や継手などの重要な応力集中の周囲の構造物を定期的に検査して、検出可能な亀裂が見つかった時間を確認し、発生した亀裂が試験品の他の領域に影響を与えないことを確認します。すべての荷重を加えることはできないため、不均衡な構造荷重は通常、アンダーキャリッジなどの重要でない構造物を通じて試験フロアに反応します。

耐空性基準では、大型航空機の安全寿命を決定するために、認証前に疲労試験を実施することが一般的に義務付けられています。^[3]小型航空機は計算によって安全性を実証できますが、通常は、不確実性が追加されるため、より大きな分散係数または安全係数が使用されます。

疲労試験は、疲労亀裂の成長速度などの材料データを取得するために使用され、このデータは亀裂成長方程式とともに使用して疲労寿命を予測できます。これらの試験では通常、サイクルあたりの亀裂成長速度を応力拡大係数範囲に対して決定します。ここで、最小応力拡大係数はの最小荷重に対応し、 ではゼロとみなされ、 は応力比 です。標準化された試験は、再現性を保証し、応力拡大係数を簡単に決定できるようにするために開発されていますが、クーポンが十分に大きく、ほぼ弾性である限り、他の形状を使用することもできます。^[4]${\displaystyle da/dN}$${\displaystyle \Delta K=K_{\max}-K_{\min}}$${\displaystyle K_{\min}}$${\displaystyle R>0}$${\displaystyle R\leq 0}$${\displaystyle R}$${\displaystyle R=K_{\min}/K_{\max}}$

さまざまなクーポンを使用できますが、一般的なクーポンは次のとおりです。

• コンパクト張力試験片（CT）。コンパクト試験片は、亀裂成長を測定するために使用される試験片としては、最も少ない材料を使用します。^[4]コンパクト張力試験片は通常、試験片の穴よりもわずかに小さいピンを使用して荷重を適用します。ただし、この方法ではゼロに近い荷重を正確に適用できないため、負の荷重を適用する必要がある場合は、この試験片は推奨されません。^[4]
• センタークラック張力パネル (CCT)。センタークラック張力または中間張力試験片は、グリップに取り付けるための 2 つの穴がある平らなシートまたはバーから作られています。
• シングルエッジノッチテンションクーポン（SENT）。^[5]シングルエッジクーポンは、コンパクトテンションクーポンの延長バージョンです。

クーポン テストの監視には、次の計測機器が一般的に使用されます。

• ひずみゲージは、亀裂先端の周囲に作用する荷重や応力場を監視するために使用されます。ひずみゲージは、亀裂の経路の下またはコンパクトな張力試験片の背面に配置されます。^[6]
• 伸び計または変位計は、亀裂の入り口における亀裂先端の開口変位を測定するために使用できます。この値を使用して、亀裂の長さに応じて変化する応力集中係数を決定できます。変位計は、試験片のコンプライアンスと、負荷サイクル中に反対側の亀裂面が接触する位置を測定して亀裂閉鎖を測定するためにも使用できます。
• 適用される試験荷重は通常、ロードセルを備えた試験機で監視されます。
• 移動型光学顕微鏡は亀裂先端の位置の測定に使用できます。

本格的なテストは次のような目的で使用できます。

1. 提案された航空機メンテナンススケジュールを検証します。
2. 広範囲にわたる疲労損傷の影響を受ける可能性のある構造の安全性を実証します。
3. 疲労データを生成する
4. 亀裂の発生と成長パターンに関する予想を検証します。
5. 重要な場所を特定する
6. 航空機の設計と製造に使用されるソフトウェアを検証します。

疲労試験は、広範囲にわたる疲労損傷が問題となる可能性がある 範囲を判断するためにも使用できます。

認証には、試験品が受けた完全な負荷履歴を把握し、考慮することが必要です。以前に静的証明試験に使用された試験品を使用すると、過負荷がかかり、疲労亀裂の成長速度が遅くなるという 問題が発生します。

試験荷重は通常、ひずみゲージ、圧力ゲージ、ロードセル、LVDT など、試験対象物に設置された計測機器からの数千の入力からデータを取得するデータ収集システムを使用して記録されます。

疲労亀裂は、通常、応力集中や材料および製造上の欠陥などの高応力領域から発生します。試験品がこれらすべての特徴を代表するものであることが重要です。

ひび割れは次のような原因で発生することがあります。

• フレッティングは、通常、高サイクル数の動的負荷によって発生します。
• 干渉嵌合ファスナーの穴の開け間違いや穴のサイズが間違っている。^[7]
• 材料処理と破損した介在物などの欠陥^[8 ]
• 穴やフィレットなどの応力集中。
• 傷、衝撃による損傷。

構造物の安全な寿命が実証されるか、修理が必要な故障が発生するまで、代表的な荷重ブロックが繰り返し適用されます。シーケンスのサイズは、遅延効果を引き起こす可能性のある最大荷重が十分な頻度で適用されるように選択され、通常はテスト全体で少なくとも10回適用され、シーケンス効果はありません。^[9]

一般的に、荷重シーケンスはフィルタリングされ、適用に時間がかかりすぎる、疲労を生じさせない小さなサイクルの適用を排除します。通常、次の 2 種類のフィルタリングが使用されます。

1. デッドバンドフィルタリングは、+/-3g などの特定の範囲内に完全に収まる小さなサイクルを除去します。
2. 上昇下降フィルタリングは、1g などの特定の範囲未満の小さなサイクルを除去します。

大型構造物の試験速度は通常数Hzに制限されており、構造物の共振周波数を避ける必要がある。^[10]

試験対象物や計測機器の一部ではないすべてのコンポーネントは、試験装置と呼ばれます。フルスケールの疲労試験では、通常、次のコンポーネントが使用されます。

• ホイッフルツリー。構造のさまざまな部分に適切な荷重をかけるために、ホイッフルツリーと呼ばれる機構を使用して、荷重アクチュエータから試験対象物に荷重を分散します。中心点にかけられた荷重は、一連のピンジョイント接続ビームを通じて分散され、端部接続で既知の荷重が生成されます。各端部接続は通常、航空機の翼などの構造に接着されたパッドに取り付けられます。翼に見られる空力荷重と慣性荷重を再現するために、通常、数百のパッドが適用されます。ホイッフルツリーは張力リンクで構成されているため、圧縮荷重をかけることができません。そのため、翼疲労試験の上部と下部には、独立したホイッフルツリーが通常使用されます。
• 油圧、電磁、または空気圧アクチュエータは、直接またはホイッフルツリーを使用して荷重を分散することで、構造物に荷重をかけるために使用されます。ロード セルはアクチュエータと直列に配置され、荷重コントローラによってアクチュエータへの荷重を制御するために使用されます。柔軟なテスト構造物に多数のアクチュエータが使用されている場合、異なるアクチュエータ間で相互作用が発生する可能性があります。荷重コントローラは、この相互作用の結果として、構造物に誤った荷重サイクルが適用されないようにする必要があります。
• 反作用拘束。空力や内部力などの負荷の多くは、疲労試験中には存在しない内部力によって反作用します。したがって、負荷は、下部構造などの重要でないポイントや胴体の拘束を通じて構造から反作用します。
• 線形可変差動変圧器は、構造上の重要な場所の変位を測定するために使用できます。これらの変位の制限を使用して、構造が故障したときに信号を送り、テストを自動的にシャットダウンすることができます。
• 非代表的な構造。一部のテスト構造は高価であったり入手できなかったりする可能性があり、通常はテスト構造上で同等の構造に置き換えられます。アクチュエータの取り付けポイントに近い構造では、非現実的な負荷がかかり、これらの領域が非代表的になる可能性があります。

疲労試験では通常、次の計測機器が使用されます。

• ひずみゲージ
• 加速度計
• 変位計
• ロードセル
• クラックセンサー
• 構造健全性監視センサー

試験対象物に、航空機の監視にも使用されるひずみゲージを設置することが重要です。これにより、航空機の疲労寿命を追跡するために使用されるものと同じ損傷計算を試験対象物に対して実行できます。これは、航空機が疲労試験で決定された安全寿命を超えないようにするための主な方法です。

検査は疲労試験の構成要素です。検出可能な亀裂がいつ発生するかを知ることは、各コンポーネントの認定寿命を決定するために重要です。また、周囲の構造への損傷を最小限に抑え、隣接する構造の認定への影響を最小限に抑える修理を開発するためにも重要です。非破壊検査は試験中に実施され、破壊試験は試験の最後に実施され、構造が荷重容量を維持していることを確認するために行われます。

試験の解釈と認証には、疲労試験の結果を使用してアイテムの安全な寿命と操作を正当化することが含まれます。^[11]認証の目的は、サービス中の故障の確率が許容できるほど小さいことを確認することです。次の要素を考慮する必要があります。

• テストの数
• 試験構造と適用される荷重の対称性
• 修理の設置と認証
• 散乱因子
• 材料と製造プロセスのばらつき
• 環境
• 臨界

耐空性基準では通常、疲労亀裂の存在により構造が劣化した状態であっても航空機が安全であることを求めています。^[12]

• F-111の耐寒荷重試験。この試験では、臨界破壊サイズを小さくするために冷却された航空機に静的限界荷重をかける。試験に合格することは、大きな疲労亀裂が存在しないことを意味する。亀裂が存在すると、翼は壊滅的に破損した。^[8]
• 国際後続構造疲労試験プログラム（IFOSTP）は、オーストラリア、カナダ、米国の合同事業で、F/A-18ホーネットの疲労試験を目的に実施された。オーストラリアの試験では、電気力学的振動装置と空気圧エアバッグを使用して、尾翼にかかる高迎え角のバフェット荷重をシミュレートした。^{[13] [14]}
• デ・ハビランド コメットは一連の壊滅的な故障に見舞われ、疲労試験を受けたにもかかわらず、最終的には疲労が原因であると判明した。
• 疲労寿命のばらつきを調べるために、 110機のマスタング主翼セットの疲労試験が実施された。 ^[10]
• 小説『ノー・ハイウェイ』と映画『ノー・ハイウェイ・イン・ザ・スカイ』は、旅客機の胴体の架空の疲労試験を題材とした作品です。
• 疲労試験は、検出できないほど小さい疲労亀裂を成長させるためにも使用されている。^[15]

• 生存分析
• 軍用機における広範囲にわたる疲労損傷（PDF） 。 2019年6月26日閲覧。
• Boyer, HE「疲労試験」。2019年6月26日閲覧。

「ボーイング787が疲労試験を実施」。YouTube 。 2011年5月12日。 2019年7月18日閲覧。