用于测定损伤进展度的方法和用于测定损伤进展度的系统与流程

本发明涉及用于在不破坏结构的情况下容易地测定发生在高压气体容器等的结构体上的损伤进展度的一种方法和一种系统。

背景技术：

在涉及用作燃料电池汽车和家用燃料电池热电联供系统的燃料的氢的技术已经投入实际使用的同时，在高压气体设备中确保氢的制造、储存和供应的安全已经成为一个迫切的问题。特别令人关注的是，当氢气站所需的蓄压器(现有的蓄压器由钢、铝碳纤维增强塑料等制成)经历使用期间的减压与填充期间的增压的反复循环时，会出现金属疲劳、氢脆及类似损伤，这会影响它们的安全性。

用于测定这些结构内部出现的损伤(缺陷)的方法是采用渗透性测定液的渗透检测法和声发射法。另外，为了处理影响高压气体容器等的这种问题，已经提出了若干安全测定方法(专利文献1-4)。

例如，在专利文献1中，已经提出了一种使用升高载荷试验中获得的若干系数来确定材料的疲劳裂纹存在时间的方法。另外，在专利文献2中，已经提出了一种使用预定环境条件下的计算公式来预测铁素体钢构件在高压氢气环境下的疲劳破坏临界应力的疲劳设计方法。此外，在专利文献3中，已经提出了一种通过将探针插入气体容器内并且使用该探针扫描气体容器的内表面来确定气体容器的安全测定的方法。更进一步，在专利文献4中，已经提出了一种基于形成在容器的结构表面上的含有发光粒子的发光膜所发射的光的、与应变能密度的变化幅度成比例的发光强度来检测容器内部存在的损伤(缺陷)的方法。

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开第2012-184992号

专利文献2：国际公开第wo2009/014104号

专利文献3：日本专利申请公开第2007-163178号

专利文献4：日本专利申请公开第2009-92644号

技术实现要素：

本发明要解决的问题

然而，在渗透检测法中，需要在容器的内表面上施加测定液。因此，测定是费时的并且只能测出容器的内表面上的开放性损伤。此外，在声发射方法中，通过使用声发射(伴随材料中裂纹的发生或发展而产生的弹性波(振动、声波))来测出损伤。通过这种方式，涉及到复杂或极微小形状的损伤检测是困难的。

其次，针对专利文献1的方法，实际上不测定疲劳裂纹的存在时间，而是仅仅通过使用升高载荷试验中获得的系数进行计算来预测。因此，难以用作安全测定方法。

同样地，针对专利文献2的方法，不实际测定疲劳，而是使用公式来进行材料上的疲劳设计。因此，也难以用作安全测定方法。

此外，针对专利文献3的方法，需要将探针插入气体容器内来执行测定。因此，在执行测定时将必然会使打开气体容器的需求延迟。

再者，针对专利文献4的方法，尽管就其在不破坏容器结构的情况下提供了检测容器内部结构的缺陷的简单方式而言其是优异的方法，但是在基于发光膜的发光强度来确定缺陷的大小或尺寸时，存在不同程度的测定精度。换言之，由于该方法中所使用的发光粒子的发光强度易受外部环境的影响，因此难以获得相同的条件来进行测定，因此产生不同程度的测定精度会成为问题。

鉴于上述情况，本发明试图提出一种在不破坏高压气体容器等的结构的情况下测定其结构上的损伤进展度的简单方法以及一种用于此目的的测定系统。

用于解决问题的手段

经过不懈的努力之后，本发明的发明人发现了一种在不破坏结构的情况下解决测定该结构内部出现的损伤的进展度的问题的简单方法以及一种用于此目的的测定系统。

用于解决上述问题的本发明的第一方面涉及一种用于基于从被测对象的一个表面向另一个表面施加压力时该另一个表面的状态来测定被测对象的内部或一个表面上的损伤进展度的方法，其中，当从一个表面向另一个表面施加的压力被增压或减压时，通过检测由所述另一个表面上的损伤所形成的两个变形部之间的距离来测定损伤进展度。

这里，通过发明人对解决上述问题的尝试，发明人发现，在向被测对象施加压力时，该被测对象的另一个表面上出现损伤，其中在其他部分形成两个部分(变形部)，同时随着损伤的发展两个变形部之间的距离变得更短。因此，本发明的发明人对两个变形部之间的距离变化的检测使他发现可以测定损伤进展度。

根据本发明的第一方面，由于可以检测两个变形部之间的距离，因此可以测定损伤进展度。

本发明的第二方面涉及一种用于根据第一方面测定损伤进展度的方法，其中，损伤进展度基于两个变形部之间的距离的变化来测定。

根据本发明的第二方面，由于可以测出两个变形部之间的变化，因此可以基于两个变形部的变化量来测定损伤进展度。

本发明的第三方面涉及一种用于根据第一方面或第二方面测定损伤进展度的方法，其中，当从一个表面向另一个表面施加的压力被增压或减压时，形成在该另一个表面上的、含有发光粒子的发光膜接收应变能并且发出发光强度与应变能密度变化的幅度对应的光，并且基于发光膜发射的光的发光强度分布来测出两个变形部之间的距离。

根据本发明的第三方面，由于可以根据发光膜发射的光的发光强度分布来测出两个变形部之间的距离，因此可以容易地测定损伤进展度。

本发明的第四方面涉及一种用于根据第一方面或第二方面测定损伤进展度的方法，其中，形成指示另一个表面的状态的莫尔条纹，并且基于从一个表面向该另一个表面施加的压力被增压或减压之前的莫尔条纹的形状与增压或减压之后的莫尔条纹的形状之间的差异来测出两个变形部之间的距离。

根据本发明的第四方面，由于可以根据形成的莫尔条纹来测出两个变形部之间的距离，因此可以容易地测定损伤进展度。

本发明的第五方面提供一种用于基于在从被测对象的一个表面向另一个表面施加压力时该另一个表面的状态来测定被测对象的内部或一个表面上的损伤进展度的系统，其中该系统包括：压力装置，其用于使从被测对象的一个表面向另一个表面施加的压力增压或减压；以及变形部检测装置，其用于检测由从一个表面向另一个表面施加的压力被增压或减压时产生在该另一个表面上的损伤所形成的两个变形部。

根据本发明的第五方面，由于可以测出两个变形部之间的距离，因此可以测定损伤进展度。

本发明的第六方面提供一种用于根据第五方面测定损伤进展度的系统，其中，变形部检测装置包括：形成在另一个表面上的、含有发光粒子的发光膜，其接收应变能并且发出发光强度与应变能密度变化的幅度对应的光；以及光检测装置，其用于根据发光膜发射的发光强度来检测两个变形部。

根据本发明的第六方面，由于可以通过发光膜发射的光的发光强度来测出两个变形部之间的距离，因此可以容易地测定损伤进展度。

本发明的第七方面提供一种用于根据第五方面测定损伤进展度的系统，其中，变形部检测装置包括：用于形成指示另一个表面的状态的莫尔条纹的莫尔条纹形成装置；以及用于根据莫尔条纹来检测两个变形部的莫尔条纹检测装置。

根据本发明的第七方面，由于可以根据形成的莫尔条纹来测出两个变形部之间的距离，因此可以容易地测定损伤进展度。

附图说明

图1为示出向被测对象施加压力时形成的变形部的例子的示意图。

图2为根据本发明的第一实施方式的用于测定损伤进展度的系统的示意图。

图3为对实施例1的钢制蓄压器进行液压循环时获得的光学图像。

图4为基于对实施例1的钢制蓄压器的数值分析示出外表面上的变形量的分布图。

图5为基于对实施例1的钢制蓄压器的数值分析示出裂纹进展度与最大应变点间距离的关系的视图。

图6为根据本发明的第二实施方式的用于测定损伤进展度的系统的示意图。

具体实施方式

与本发明有关的用于测定损伤进展度的方法属于用于测定被测对象的内部或一个表面上出现的损伤进展度的方法，其通过测出被测对象的另一个表面上形成的两个变形部之间的距离变化来测定。

这里，本发明中的术语“被测对象”是指从一个表面向另一个表面施加压力的结构，其不限于任何特定的形状，该结构的内部可以填充有气体或液体，该结构也可以是平面形状，例如是任意容器的盖。被测对象也可以由金属、非金属(包括陶瓷)以及聚合物(例如，天然树脂、合成树脂)等制成。

另外，术语“损伤”是指被测对象中可能在其制造时就出现的或在其使用期间出现的任何划痕、缺陷、裂纹、裂缝等。

此外，术语“变形部”是指在通过被测对象的一个表面施加在其另一个表面上的压力被增压或减压时形成在被测对象的另一个表面上的、与该另一个表面上形成的其他变形部分相比变形更大的变形部分。

图1示出了形成在被测对象的表面上的变形部的例子。如图1所示，变形部包括相对于被测对象的表面s对称地设置的两个部分r1、r2，其中虚线l为对称轴。这里，当轴方向随着从被测对象的内表面向外表面方向施加压力而成为水平方向时，所述附图中所示的变形部分r1、r2形成在该柱状的被测对象的外表面上。

在变形部r1和r2的每一个中都形成有通过预定的变形量在形式上分割开的两个区域r1和r2，其中，区域r2比区域r1相对变形更大。变形部r1、r2内的最大变形部分(点)是p1、p2。此外，所述预定的变形量由进行测定的人根据测定目的自行决定。

接下来，只要进行测定的人能够测定两个变形部之间的距离，对于术语“两个变形部之间的距离”就没有特定的限制。例如，如图1所示，变形部r1、r2内的最大变形部分p1、p2之间的距离d1可以被认为是“两个变形部之间的距离”。此外，可以给变形部r1、r2分配任意的基准值，并且超过所述基准值的、区域之间(例如，r1与r2之间)的最短距离(d2或d3)可以被认为是“两个变形部之间的距离”。

这里，变形部的形状不限于图1所描述的变形部的例子。两个变形部可以基于线对称和点对称而在形状上对称，但是也可以具有完全不同的形状和尺寸。

接下来，将说明用于测出两个变形部之间的距离的方法。首先，测出被测对象的预定表面中另一个表面的状态(表面状态1)。此后，测出特定条件下(例如，最大压力/最小压力、升压速度/降压速度等)被测对象的另一预定表面处另一个表面的状态(表面状态2)。然后，通过图像分析或视觉观察来比较表面状态1和表面状态2，可以测出形成在被测对象的上述另一个表面上的两个变形部。结果是，可以测定两个变形部之间的距离。另外在此时，例如使用图像处理技术，可以自动地测出两个变形部，并且可以算出该变形部之间的距离。

此外，预先绘制表示损伤与两个变形部之间的距离的关系的、基于模拟计算或实际测定的校准曲线(标准曲线)等。然后，通过将实际测出的两个变形部之间的距离与该校准曲线相比较，可以估计损伤进展度。

另外，一旦测定了在上述检测条件下的两个变形部之间的距离，就再次在一定条件下(使用时间、使用次数等)使用同一个对象，可以再次测定在相同检测条件下同一个对象的两个变形部之间的距离。

然后，通过将使用之前的被测对象的两个变形部之间的距离与使用该对象之后的相比较，可以测出两个变形部之间的距离的变化量。如上所述，由于损伤进展度与两个变形部之间的距离之间存在一定的关系，因此可以根据距离的变化量来估计裂纹的进展度。

下面将结合附图来说明与用于测定损伤进展度的方法和用于测定损伤进展度的系统有关的、本发明的优选实施方式的详细描述。应注意，本发明不限于下述实施方式。

(第一实施方式)

在下文中将说明第一实施方式，其与含有发光粒子的发光膜在被测对象外表面上的形成有关，并且与基于从该发光膜发射的光的发光强度分布对两个变形部之间的距离进行的检测有关。

图2示出了与用于测定损伤进展度的系统有关的实施方式的示意图。如该图所示，本实施方式中用于测定损伤进展度的系统1包括被测对象2，该被测对象2包括具有外表面3的柱状的容器，在该外表面3上形成有含有发光粒子的发光膜10a、10b、10c。发光膜10a、10b、10c紧密接触或粘附于被测对象2的外表面3的变形部，并且与被测对象2的外表面3的所述变形部一起变形。此外，发光膜10a、10b、10c接收被测对象2的外表面3上产生的应变能、发出发光强度与应变能密度大小的变化对应的光。

接下来，通过光学相机20a、20b、20c检测从各个发光膜10a、10b、10c发射的光，光学相机20a、20b、20c各自作为光检测装置相对于各个发光膜10a、10b、10c的中心部分的表面在垂直方向上设置在上侧。这里，，只要要使用的光学相机20a、20b、20c能够检测从发光膜10a、10b、10c发射的光，对于其类型就没有特定限制，并且甚至市售的数码相机也可以用作光检测装置。应注意，根据本实施方式，发光膜10a、10b、10c和光学相机20a、20b、20c构成变形部检测装置。

与发光膜10a、10b、10c各自对应的光学相机20a、20b、20c被设置成使得光学相机20a、20b、20c与发光膜10a、10b、10c之间的距离d彼此相等，从而确保测出的光发光强度不具有可能因所述距离d的差异而产生的变化。另外，这些光学相机20a、20b、20c也可以固定到被测对象2上或固定到被测对象2之外的装置上。

另一方面，在被测对象2的内表面4的中心部分上形成裂纹(损伤)c，并且可以使用诸如泵的压力装置(图中没有示出)对从内表面4向外表面3施加的压力进行增压或减压。此后，在反复增压与减压之后，由于金属疲劳等原因，裂纹c进一步朝向外表面发展。应注意的是，对于用于使得在被测对象2的内表面上施加的压力发生变化的压力装置没有特定限制。例如，可以使用能够在物理上对被测对象2从其内表面4向其外表面3施加压力的任何仪器或装置。

这里，只要发光膜10a、10b、10c能够均匀地分散发光粒子并且能够与被测对象2的外表面3上的变形一起变形，对于它们就没有特定限制。例如，作为发光膜10a、10b、10c，树脂(例如环氧树脂或聚氨酯树脂)与用于控制它们的交联和固化反应的固化剂和溶剂均匀地混合，并且发光粒子与用于均匀地分散发光粒子的分散剂和辅助剂均匀地混合，所得到的液体混合物可用于涂覆和固化被测对象2的外表面3。

只要发光膜10a、10b、10c中含有的发光粒子能够接收应变能并且发出发光强度与应变能密度变化的幅度对应的光，对于它们就没有特定限制。

用于发光粒子的基材的例子有具有填充式鳞石英结构、三维网状结构、长石结构、受晶格缺陷控制的晶体结构、武兹(wurtz)结构、尖晶石结构、刚玉结构或β-氧化铝结构的氧化物、硫化物、磷酸盐、硅酸盐、碳化物或氮化物，其中以sc、y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu的稀土离子以及ti、zr、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、nb、mo、ta和w的过渡金属离子作为发光中心。

在这些发光粒子中，例如，在锶和含铝复合氧化物作为基材时，理想的是使用xsro·yal2o3·zmo或xsro·yal2o3·zsio2的发光粒子(其中m是二价金属，尽管m没有限制，但是优选mg、ca、ba，并且x、y、z为1以上的整数)。然而，优选使用srmgal10o17:eu、(srxba1-x)al2o4:eu(0＜x＜1)、baal2sio8:eu的发光粒子。那么，在这种实施方式中，发光粒子具有α-sral2o4结构，并且eu作为发光中心是最理想的。

另外，为了提高对应变的发光灵敏度，理想的是在发光粒子的制造期间加入产生晶格缺陷的物质，并且ho是特别优选的。通过加入这种产生晶格缺陷的物质，可以提高对大应变能的发光灵敏度。应注意，发光粒子优选的平均粒径(通过激光衍射法测定)可为20μm以下，更优选为10μm以下。

尽管未在图中示出，但是根据本实施方式的用于测定损伤进展度的系统1提供一种信息处理单元，该信息处理单元用于存储来自光学相机20a、20b和20c的数据并且使用该数据进行图像处理，使得变形部和两个变形部之间的距离被自动算出。上述处理可以通过信息处理单元(例如个人电脑等)来进行。

这种信息处理单元的可利用性使两个变形部之间的距离的测量更便利。结果是，可以容易地测定形成在在被测对象2的内表面4上的裂纹c的进展度。

此外，在这种实施方式中，尽管发光膜10a、10b、10c仅形成在被测对象2的外表面3的一部分上，但是对发光膜的尺寸没有限制，例如，发光膜可以形成在被测对象2的整个外表面3上。

(实施例1)

具体通过下述方式构造用于根据第一实施方式测定损伤进展度的系统。被测对象为由cr-mo钢(jis标准：scm435)制成的钢制蓄压器，其长度为300mm、外径为270mm、内径为210mm(并且厚度为30mm)。平均粒径为1μm的sral2o4:eu与环氧树脂以50：50的重量比混合，向其中加入固化剂(由dic公司制造的epiclonb-570-h)进行硬化，以在钢制蓄压器的外表面上形成厚度为大约60μm的发光膜。另外，在轴向方向上平行于该钢制蓄压器的内表面形成长72mm、宽0.5mm且深24mm的裂纹。

此后，使用液压泵等在该钢制蓄压器中进行0.1至45mpa的水压循环测试(每个循环持续16秒)，并且从发光膜检测光的发射。

结果在图3中示出。应注意，每个循环图在左上方示出循环的次数，同时根据右下方标出的由蓝到红的指标示出不断增大的发光强度。

图3示出了观察到的两个变形部r1’、r2’的检测。此后，可以看出，随着水压循环次数的增加，变形部r1’、r2’之间的距离变得更小。

接下来，为了明确裂纹与两个变形部r1’、r2’间距离之间的关系，针对上述用于测定损伤进展度的系统，使用ansys公司制造的ansys(商标)对钢制蓄压器的外表面上形成的变形的量进行数值分析。

结果在图4和图5中示出。在图4中，每个图表的上部分示出了裂纹相对于钢制蓄压器的厚度的比例。例如，60％裂纹表示在钢制蓄压器的厚度方向上形成与钢制蓄压器的厚度(30mm)的60％对应的、长度为18mm的裂纹的情况下的计算结果。

由这些图表可以看出，两个变形部之间的距离随裂纹的发展变得更小。

根据上述，可以通过测定钢制蓄压器的外表面上的两个变形部之间的距离来测出裂纹(损伤)进展度。

应注意，如上所述，在实施例1中，尽管通过测定两个变形部之间的距离测出了裂纹进展度，但是裂纹进展度与两个变形部间距离之间的关系可能是不清楚的。在这种情况下，可以基于测出的两个变形部之间的距离的变化量来估计裂纹发展的变化量。

(第二实施方式)

在第一实施方式中，在被测对象的外表面上形成发光膜，虽然可以根据发光膜发射的光的发光强度分布来测出两个变形部之间的距离，但是也可以在该外表面上形成指示其状态的莫尔条纹，并且可以基于从被测对象的内表面到外表面的压力被增压或减压时莫尔条纹的变化来测出两个变形部之间的距离。

图6为关于本实施方式的用于测定损伤进展度的系统1a的示意图。如图6所示，在被测对象2的上方设置网格板50，以产生莫尔干涉。在网格板50的右上方设置光源40，使得被测对象2的外表面3可以被穿过网格板50的光照射。只要光源40能够发射光，其就不受任何限制并且可以是任何类型的光，例如市售的白光。另外，在本实施方式中，网格板50和光源40构成莫尔条纹形成装置。

另外，作为莫尔条纹检测装置，光学相机20a’被设置在网格板50的正上方，用于检测被测对象2的外表面3上的莫尔条纹。只要网格板50包括能够产生莫尔干涉的板，其就不受任何限制。同样地，板的尺寸和形状没有任何限制。此外，只要光学相机20a’能够检测莫尔条纹，其就不受任何限制并且可以是任何类型的相机，例如市售的数码相机。

然后，如上所述，在这种用于测定损伤进展度的系统1a中，将泵等用作用于使从内表面4向外表面3施加的压力增压或减压的压力装置(图中没有示出)，并且通过光学相机20a’检测在外表面上形成的莫尔条纹。在已经测出的莫尔条纹中，同样出现与根据实施方式1中用于测定损伤进展度的系统1获得的检测结果类似的两个变形部。这是可以测出两个变形部之间的距离及该距离的变化的情况。因此，可以测定发生在被测对象的内部或一个表面上的损伤的进展度。

此外，虽然如上所述在本发明的该第二实施方式中构造了用于测定损伤进展度的系统1a，但是只要形成的莫尔条纹可以指示被测对象2的外表面3的状态，对莫尔条纹就没有特定限制。也可以构造包括用于检测莫尔条纹的另一种莫尔方法(莫尔等高法)的用于测定损伤进展度的系统。例如，除了本实施方式中格栅照射类型的莫尔方法之外，网格投影类型为可用于检测莫尔条纹的另一种莫尔方法。即使通过这种方式构造用于测定损伤进展度的系统，也可以得到类似的结果。

(其他实施方式)

在与本发明有关的用于测定损伤进展度的方法和用于测定损伤进展度的系统中，用于检测两个变形部之间的距离的方法和变形部检测装置的构造并不特别地限于上述方法和构造，只要可以测出被测对象的外表面的状态即可。例如，可以使用图像分析(图像分析装置)，例如使用立体匹配法的立体成像法或作为表面三角测量原理的扩展的光切法等，其中可以测出两个变形部之间的距离及该距离的变化量。

即使使用如上所述的图像分析，也可以进行被测对象的内部或一个表面上出现的损伤的进展度的测定。

附图标记说明

1，1a用于测定损伤进展度的系统

3被测对象的外表面

4被测对象的内表面

10a，10b，10c发光膜

20a，20a’，20b，20c光学相机

40光源

50网格板

c裂纹

r1，r1’，r2，r2’变形部