特開 2017-190983 疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-190983(P2017-190983A)

(43)【公開日】2017年10月19日

(54)【発明の名称】疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 99/00 20110101AFI20170922BHJP

   G01M 7/02 20060101ALI20170922BHJP

【ＦＩ】

   G01M99/00 Z

   G01M7/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-79700(P2016-79700)

(22)【出願日】2016年4月12日

(71)【出願人】

【識別番号】504145364

【氏名又は名称】国立大学法人群馬大学

(71)【出願人】

【識別番号】505398952

【氏名又は名称】中日本高速道路株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000233826

【氏名又は名称】能美防災株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100117776

【弁理士】

【氏名又は名称】武井 義一

(74)【代理人】

【識別番号】100188329

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 義行

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(74)【代理人】

【識別番号】100090011

【弁理士】

【氏名又は名称】茂泉 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100194939

【弁理士】

【氏名又は名称】別所 公博

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 篤

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩司

(72)【発明者】

【氏名】山岸 貴俊

(72)【発明者】

【氏名】中野 主久

(72)【発明者】

【氏名】北川 慎治

(72)【発明者】

【氏名】篠田 正紀

(72)【発明者】

【氏名】中村 貴之

【テーマコード（参考）】

2G024

【Ｆターム（参考）】

2G024AD34

2G024BA12

2G024BA21

2G024BA22

2G024BA27

2G024CA13

2G024CA26

2G024CA27

2G024DA12

2G024FA04

2G024FA06

(57)【要約】

【課題】加速度情報に基づく演算処理により、構造物の疲労損傷評価を定量的かつ高精度に行う。
【解決手段】コントローラ（２０）は、３軸加速度センサから出力される加速度情報の取得する入力処理部（２１）と、加速度情報から加速度ベクトルの時系列データを生成し、さらに、加速度ベクトルの時系列データから１次固有振動に関連する加速度変化量の時系列データを生成する加速度変化量算出部（２２）と、加速度変化量の時系列データから応力変化量の時系列データを生成する応力算出部（２３）と、応力変化量の時系列データから応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成するヒストグラム算出部（２４）と、応力振幅の発生頻度ヒストグラムから蓄積疲労度を算出する疲労度算出部とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造物に設置された１個以上の３軸加速度センサから出力される前記構造物の加速度情報に基づいて、前記構造物の疲労損傷状態を定量的に評価するコントローラを備えた疲労損傷評価装置であって、
前記コントローラは、
前記構造物の特定部位に設置された前記３軸加速度センサから出力される前記加速度情報を取得する入力処理部と、
前記加速度情報から、前記構造物に対する応力方向の加速度ベクトルの時系列データを生成し、さらに、前記加速度ベクトルの時系列データから１次あるいはより高次の固有振動に関連する加速度変化量の時系列データを生成する加速度変化量算出部と、
あらかじめ規定された変換ルールに基づいて、前記加速度変化量の時系列データから応力変化量の時系列データを生成する応力算出部と、
前記応力変化量の時系列データから応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成するヒストグラム算出部と、
応力振幅ごとに発生回数と破断繰り返し数の対応関係をあらかじめ規定した応力−蓄積疲労テーブルを用いて、前記応力振幅の発生頻度ヒストグラムから蓄積疲労度を算出する疲労度算出部と
を備える疲労損傷評価装置。

【請求項2】

前記コントローラは、前記蓄積疲労度の単位時間当たりの増加量から、疲労寿命に至るまでの予測時間を算出する寿命算出部をさらに備える
請求項１に記載の疲労損傷評価装置。

【請求項3】

前記加速度変化量算出部は、前記構造物の面内方向および面外方向の２方向成分における１次およびより高次の固有振動数を考慮し、面外１次固有振動加速度変化量、面内１次固有振動加速度変化量、より高次の面外固有振動加速度変化量、およびより高次の面内固有振動加速度変化量に関する複数種のデータとして前記加速度変化量の時系列データを生成し、
前記応力算出部は、前記複数種のデータとして生成された前記加速度変化量の時系列データに対応して複数種の応力変化量の時系列データを生成し、前記複数種の応力変化量の時系列データの加算結果として１つの応力変化量の時系列データを生成して出力する
請求項１または２に記載の疲労損傷評価装置。

【請求項4】

前記３軸加速度センサは、複数で構成され、
前記入力処理部は、複数の３軸加速度センサから取得したそれぞれの加速度情報の差分値を算出し、加速度情報として出力する
請求項１から３のいずれか１項に記載の疲労損傷評価装置。

【請求項5】

前記入力処理部は、前記加速度情報を時間方向に２階積分することで変位情報を生成し、
前記加速度変化量算出部、前記応力算出部、前記ヒストグラム算出部、および前記疲労度算出部は、前記加速度情報の代わりに前記変位情報を用いて一連の疲労損傷評価処理を実行する
請求項１から４のいずれか１項に記載の疲労損傷評価装置。

【請求項6】

前記構造物は、道路構造物あるいは道路付帯設備である
請求項１から４のいずれか１項に記載の疲労損傷評価装置。

【請求項7】

構造物に設置された１個以上の３軸加速度センサから出力される前記構造物の加速度情報に基づいて、前記構造物の疲労損傷状態を定量的に評価する疲労損傷評価方法であって、
前記構造物の特定部位に設置された前記３軸加速度センサから出力される前記加速度情報を取得する入力処理ステップと、
前記加速度情報から、前記構造物に対する応力方向の加速度ベクトルの時系列データを生成し、さらに、前記加速度ベクトルの時系列データから１次あるいはより高次の固有振動に関連する加速度変化量の時系列データを生成する加速度変化量算出ステップと、
あらかじめ規定された変換ルールに基づいて、前記加速度変化量の時系列データから応力変化量の時系列データを生成する応力算出ステップと、
前記応力変化量の時系列データから応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成するヒストグラム算出ステップと、
応力振幅ごとに発生回数と破断繰り返し数の対応関係をあらかじめ規定した応力−蓄積疲労テーブルを用いて、前記応力振幅の発生頻度ヒストグラムから蓄積疲労度を算出する疲労度算出ステップと
を有する疲労損傷評価方法。

【請求項8】

前記蓄積疲労度の単位時間当たりの増加量から、疲労寿命に至るまでの予測時間を算出する寿命算出ステップをさらに有する
請求項７に記載の疲労損傷評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加速度センサを用いて、構造物の疲労度を定量的に評価する疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

加速度センサを用いて構造物の疲労度を定量的に評価する従来技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

【0003】

特許文献１は、構造物の振動を検出するセンサとして、加速度センサを用いている。そして、比較回路手段は、加速度センサから得た振幅波形信号について、複数の設定レベルをそれぞれ超える毎に各設定レベルにおいて出力信号を発生する。

【0004】

さらに、カウンター手段は、比較回路手段の各設定レベルの出力端に接続され、各設定レベルにおける出力信号をカウントし、そのカウント数が所定の設定数を越えたときに、表示出力信号を発生する。そして、表示手段は、表示出力信号に基づいて、所定の表示をする。

【0005】

このような構成を備えることで、構造物の疲労を常時計測し、構造物の傾斜や倒れを未然に防止する簡便な装置を実現している。

【0006】

また、特許文献２は、構造物の所定の測定部位に取付けられ、疲労損傷評価を行う疲労損傷評価装置を開示している。具体的には、加速度計により、測定部位の加速度データを１日分計測する。そして、データ処理部により、加速度計の計測した変位データに基づいて、卓越振動数および日最大加速度範囲を検出する。

【0007】

さらに、データ処理部は、卓越振動数および日最大加速度範囲に基づいて、応力範囲の頻度分布を推定し、推定した応力範囲の頻度分布に基づいて、構造物の疲労損傷評価を行っている。この結果、支柱などの構造物の疲労損傷評価を容易に実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００３−００４５２０号公報

【特許文献2】特開２００７−１６３３８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１、２によれば、加速度センサを使用して、構造物の疲労を予測することができる。しかしながら、道路構造物あるいは道路付帯設備に関する構造物の疲労損傷評価を行うに当たっては、設置環境によらず、より高精度に疲労損傷評価を実現することが強く望まれている。

【0010】

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、加速度センサから得られる加速度情報に基づいて演算処理を施すことで、構造物の疲労損傷評価を定量的かつ高精度に行うことのできる疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る疲労損傷評価装置は、構造物に設置された１個以上の３軸加速度センサから出力される構造物の加速度情報に基づいて、構造物の疲労損傷状態を定量的に評価するコントローラを備えた疲労損傷評価装置であって、コントローラは、構造物の特定部位に設置された３軸加速度センサから出力される加速度情報を取得する入力処理部と、加速度情報から、構造物に対する応力方向の加速度ベクトルの時系列データを生成し、さらに、加速度ベクトルの時系列データから１次あるいはより高次の固有振動に関連する加速度変化量の時系列データを生成する加速度変化量算出部と、あらかじめ規定された変換ルールに基づいて、加速度変化量の時系列データから応力変化量の時系列データを生成する応力算出部と、応力変化量の時系列データから応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成するヒストグラム算出部と、応力振幅ごとに発生回数と破断繰り返し数の対応関係をあらかじめ規定した応力−蓄積疲労テーブルを用いて、応力振幅の発生頻度ヒストグラムから蓄積疲労度を算出する疲労度算出部とを備えるものである。

【0012】

また、本発明に係る疲労損傷評価方法は、構造物に設置された１個以上の３軸加速度センサから出力される構造物の加速度情報に基づいて、構造物の疲労損傷状態を定量的に評価する疲労損傷評価方法であって、応力が集中して蓄積疲労破壊に関連する加速度情報を適切に検出できる構造物の特定部位に設置された３軸加速度センサから出力される加速度情報を取得する入力処理ステップと、加速度情報から、構造物に対する応力方向の加速度ベクトルの時系列データを生成し、さらに、加速度ベクトルの時系列データから１次あるいはより高次の固有振動に関連する加速度変化量の時系列データを生成する加速度変化量算出ステップと、あらかじめ規定された変換ルールに基づいて、加速度変化量の時系列データから応力変化量の時系列データを生成する応力算出ステップと、応力変化量の時系列データから応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成するヒストグラム算出ステップと、応力振幅ごとに発生回数と破断繰り返し数の対応関係をあらかじめ規定した応力−蓄積疲労テーブルを用いて、応力振幅の発生頻度ヒストグラムから蓄積疲労度を算出する疲労度算出ステップとを有するものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、評価対象である構造物の１次あるいはより高次の固有振動数に着目し、加速度センサから得られた加速度情報に基づいて、応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムから蓄積疲労度を算出できる構成を備えている。この結果、加速度センサから得られる加速度情報に基づいて演算処理を施すことで、構造物の疲労損傷評価を定量的かつ高精度に行うことのできる疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態１における疲労損傷評価装置の評価対象の構造物の一例である情報板の設置状態を示す全体構成図である。

【図2】本発明の実施の形態１における疲労損傷評価装置の構成図である。

【図3】本発明の実施の形態１におけるコントローラにより実行される疲労損傷評価処理の一連の流れを示すフローチャートである。

【図4】本発明の実施の形態１におけるコントローラにより実行される軸変換処理の説明図である。

【図5】本発明の実施の形態１におけるＦＩＲフィルタの具体的な回路構成を示した図である。

【図6】本発明の実施の形態１におけるＦＩＲフィルタを用いて構成されたＢＰＦによる周波数特性を示した図である。

【図7】本発明の実施の形態１におけるコントローラにより算出される加速度ベクトルに関する説明図である。

【図8】本発明の実施の形態１における加速度変化量から応力振幅への変換処理を行うための回路構成図である。

【図9】本発明の実施の形態１における加速度変化量から応力振幅への変換処理を行うために、変化量と応力の対応関係を示した変換テーブルに相当する図である。

【図10】本発明の実施の形態１おけるコントローラにより実行される応力振幅の算出処理に関する説明図である。

【図11】本発明の実施の形態１における応力振幅σと繰り返し数ＮＳの関係を示す図である。

【図12】本発明の実施の形態１におけるコントローラにより実行される疲労寿命予測の算出処理に関する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の疲労損傷評価装置および疲労損傷評価方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
なお、本発明において疲労損傷評価の対象となる構造物としては、橋などの道路構造物、あるいはジェットファン、情報板、表示板などの道路付帯設備が含まれ、以下の説明では、情報板を代表例として説明する。

【0016】

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における疲労損傷評価装置の評価対象の構造物の一例である情報板の設置状態を示す全体構成図である。情報板１０は、支柱１１に取り付けられており、支柱１１の根元のリブに応力が集中し、支柱１１への繰り返し応力が発生することで、リブが疲労し、やがて破壊に至る。

【0017】

図１において、応力の集中するリブは、支柱１１を地面へ設置する基部１２と、情報板１０を支柱１１へ設置する横梁部１３に存在する。また、支柱１１が、地面ではなく橋梁部１４に設置される場合は、橋梁からの張り出し部１５の根元にも応力の集中が発生する。

【0018】

情報板１０が地面に設置される場合には、３つの加速度センサ１〜３が、図１中に示したそれぞれの位置に取り付けられる。また、情報板１０が橋梁部１４に設置される場合には、４つの加速度センサ１〜４が、図１中に示したそれぞれの位置に取り付けられる。なお、図１中、加速度センサ１は、情報板１０内の天井面に取り付けられているが、これに限らず、例えば、情報板１０の底面に取り付けられてもよい。

【0019】

情報板１０の応力集中部の蓄積疲労に強く関係するのは、情報板１０の固有振動数付近の揺れである。特に、情報板１０の疲労損傷を評価する場合には、１次、２次など低次の固有振動数が大きく関わっている。

【0020】

情報板１０の固有振動数は、面内方向（情報板がお辞儀をする方向に相当）と面外方向（情報板が旗振りをする方向に相当）の２つの成分が個別に存在する。そこで、本実施の形態１では、算出された加速度情報について、１次および２次の固有振動数の面内、面外の合計４つの周波数範囲を考慮し、情報板１０の疲労損傷評価を行うこととする。

【0021】

図２は、本発明の実施の形態１における疲労損傷評価装置の構成図である。本実施の形態１における疲労損傷評価装置は、コントローラ２０、およびＮ個（Ｎは、２以上の整数）の加速度センサ３０（１）〜３０（Ｎ）を備えて構成されている。

【0022】

なお、先の図１に示した情報板１０を評価対象とした本実施の形態１における疲労損傷評価装置では、３個または４個の加速度センサ３０を設けることとなる。また、Ｎ個のセンサのそれぞれの機能は、全て共通である。そこで、以下の説明では、それぞれのセンサを区別する必要がない場合には、（１）〜（Ｎ）の添字を用いずに、単に加速度センサ３０と記載する。

【0023】

Ｎ個の加速度センサ３０のそれぞれは、センサ部３１と、加速度情報出力部３２を有しており、情報板１０の疲労損傷評価を行う場合には、先の図１に示したそれぞれの位置に設置されることとなる。本発明の疲労損傷評価装置によって、長期にわたって情報板１０の応力集中部の蓄積疲労の監視が行われることとなる。

【0024】

ここで、センサ部３１は、例えば、ＭＥＭＳ構造を持った３軸加速度センサである。

【0025】

また、加速度情報出力部３２は、センサの設置箇所における３軸の加速度に関する信号を、所定のサンプリングレート（例えば、１００Ｈｚのサンプリングレート）でデジタル信号に変換し、加速度情報としてコントローラ２０へ送信する。

【0026】

また、コントローラ２０は、Ｎ個のセンサ３０のそれぞれから取得した加速度情報に基づいて、情報板１０の応力集中部の蓄積疲労を定量的に評価する。そして、このような定量的評価を実行するために、コントローラ２０は、入力処理部２１、加速度変化量算出部２２、応力算出部２３、ヒストグラム算出部２４、および寿命算出部２５を備えて構成されている。

【0027】

次に、図３〜図１１を用いて、本実施の形態１における疲労損傷評価処理について、具体的に説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるコントローラ２０により実行される疲労損傷評価処理の一連の流れを示すフローチャートである。

【0028】

まず始めに、ステップＳ３０１において、コントローラ２０は、それぞれの加速度センサ３０から加速度情報を入力する。次に、ステップＳ３０２において、コントローラ２０は、それぞれの加速度センサ３０から読み取った３軸の加速度情報に対して、軸変換を施す。

【0029】

加速度センサ３０は、外力が印加されていない状態では、常に重力加速度のベクトルを示す。そこで、この性質を利用して、加速度センサ３０の設置誤差などの姿勢に関係なく、正常時の重力加速度ベクトルが、Ｚ軸上を示すように軸補正を行うこととする。すなわち、コントローラ２０は、初期正常状態における加速度ベクトルを基準として、軸補正角を算出する。

【0030】

図４は、本発明の実施の形態１におけるコントローラ２０により実行される軸変換処理の説明図である。軸補正を行うに当たり、コントローラ２０は、初期正常状態における加速度センサ３０が示すベクトルがＺ軸と重なるように、以下の２段階の手順にてアフィン変換を行う。

【0031】

（手順１）Ｘ軸の出力値が０になるように、Ｚ軸回転による補正を行う。
コントローラ２０は、下式に基づくアフィン変換を実施することで、図４（ａ）から図４（ｂ）の状態となるように、補正角αによる軸補正を行う。

【0032】

【数1】

【0033】

（手順２）Ｙ軸の出力値が０になるように、Ｘ軸回転による補正を行う。
次に、コントローラ２０は、下式に基づくアフィン変換を実施することで、図４（ｂ）から図４（ｃ）の状態となるように、補正角βによる軸補正を行う。

【0034】

【数2】

【0035】

このように、コントローラ２０は、補正角αおよび補正角βを用いて、加速度センサ３０の出力値に対する軸補正を行うことができる。なお、取り付けられた加速度センサ３０のＺ軸が傾いていない場合には、加速度センサの座標軸と、コントローラ２０による補正後の座標軸は、一致する。

【0036】

次に、ステップＳ３０３において、コントローラ２０は、加速度センサ３０間の加速度を算出する。構造物の応力集中部に関連する加速度情報を得るには、加速度センサ３０単体では困難な場合も多い。

【0037】

例えば、橋梁などの揺れる構造物に取り付けられた情報板１０に印加される加速度情報は、橋梁部１４そのものの加速度情報を含んでおり、余分な加速度をキャンセルする必要がある。

【0038】

本実施の形態１では、情報板１０の応力集中部に関連する加速度情報を、下記のように、２つの加速度センサ間の加速度の差分として算出することで、余分な加速度をキャンセルすることができる。
（１）支柱基部１２の応力に関連する加速度を算出するには、センサ１−センサ２間の加速度情報の差分を用いる。
（２）横梁部１３の根元の応力に関連する加速度を算出するには、センサ３−センサ１間の加速度情報の差分を用いる。
（３）橋梁部張り出し部１５の根元の応力に関連する加速度を算出するには、センサ２−センサ４間の加速度情報の差分を用いる。

【0039】

上述したように、情報板１０の応力集中部の蓄積疲労に強く関係するのは、情報板１０の固有振動数付近の揺れであり、特に、情報板１０では、１次、２次など低次の固有振動数が大きく関わっている。

【0040】

さらに、情報板１０の固有振動数は、面内方向と面外方向の２つの成分が存在する。そこで、コントローラ２０は、ステップＳ３０３における加速度情報については、１次および２次の固有振動数の面内、面外の合計４つの周波数範囲を考慮する。

【0041】

さらに、ステップＳ３０４において、コントローラ２０は、バンドパスフィルタ処理を施すことで、各振動モードの共振成分を抽出する。

【0042】

なお、本実施の形態１においては、Ｚ軸方向の影響は少ないため、ＸＹ面についてのみ、データをフィルタリング処理することとして、以下の説明を続ける。

【0043】

コントローラ２０は、各軸（Ｘ，Ｙ）に対し、４種類のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）によるフィルタリングを実施する。本実施の形態１で使用するＢＰＦは、ＦＩＲ（ｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ：有限インパルス応答）フィルタで構成される。

【0044】

図５は、本発明の実施の形態１におけるＦＩＲフィルタの具体的な回路構成を示した図である。また、図６は、本発明の実施の形態１におけるＦＩＲフィルタを用いて構成されたＢＰＦによる周波数特性を示した図である。

【0045】

ＢＰＦは、計測対象物の固有振動数を計測した後に、設計される。より具体的には、図５の回路構成に対応して、下式を用いることにより、ＢＰＦを設計することができる。

【0046】

【数3】

【0047】

次に、ステップＳ３０５において、コントローラ２０は、応力方向への加速度ベクトルの算出処理、および加速度変化量の算出処理を行う。図７は、本発明の実施の形態１におけるコントローラ２０により算出される加速度ベクトルに関する説明図である。

【0048】

ある方向に歪みが発生している場合には、その周辺にも主方向からの角度に応じた歪みが発生している。円柱構造の場合には、主方向に対し、９０°方向で歪みは０となり、９０°以上は、歪みの符号が反転する。

【0049】

支柱１１がＦ型支柱の場合、支柱基部１２のリブとの溶接部への応力集中が想定される。そこで、コントローラ２０は、加速度センサ３０にて計測された加速度ベクトルから、固有振動ごとに任意の方向（リブ方向）への加速度データを算出する。

【0050】

具体的には、コントローラ２０は、４つの固有振動をｍ＝０〜３とした場合に、固有振動ｍごとに、加速度ベクトルの大きさＰｓ（ｍ）と向きＰｆ（ｍ）を、下式に従って算出する。

【0051】

【数4】

【0052】

さらに、コントローラ２０は、加速度ベクトルの大きさＰｓ（ｍ）と向きＰｆ（ｍ）の時系列データの遷移に基づいて、対象となるリブ方向への加速度変化量を算出する。具体的には、コントローラ２０は、リブ方向ｎへの固有振動ｍにおける加速度変化量Ｐｓ＿Ａｎｇ（ｍ、ｎ）を、下式により算出する。なお、下式におけるＡｎｇ＿Ｄ（ｎ）は、リブ方向ｎの角度を意味している。

【0053】

【数5】

【0054】

次に、ステップＳ３０６において、コントローラ２０は、加速度変化量から応力振幅への変換処理を行う。図８は、本発明の実施の形態１における加速度変化量から応力振幅への変換処理を行うための回路構成図である。コントローラ２０は、蓄積疲労評価方向別に、各固有振動における加速度変化量のデータを変換、加算し、最終的に、総合応力変化データへ変換し、時系列データとして出力する。

【0055】

図８に示すように、コントローラ２０は、加速度変化量から応力振幅への変換処理を行うための構成として、加速度−応力変換器２０１および加算器２０２を備えている。加速度−応力変換器２０１は、あらかじめ規定された変換ルールである、下式に示す１次式により、加速度−応力変換を実施する。

【0056】

【数6】

【0057】

すなわち、加速度−応力変換器２０１は、４つの加速度変化量である、面外１次固有振動加速度変化量２１１、面内１次固有振動加速度変化量２１２、面外２次固有振動加速度変化量２１３、および面内２次固有振動加速度変化量２１４のそれぞれに対して、上式を適用し、４つの応力変化量である、面外１次固有振動応力変化量２２１、面内１次固有振動応力変化量２２２、面外２次固有振動応力変化量２２３、および面内２次固有振動応力変化量２２４への変換処理を行う。

【0058】

なお、加速度−応力変換器２０１は、上式の変換ルールを用いる代わりに、変換テーブルを用いて、加速度変化量から応力振幅への変換処理を実行することもできる。図９は、本発明の実施の形態１における加速度変化量から応力振幅への変換処理を行うために、変化量と応力の対応関係を示した変換テーブルに相当する図である。

【0059】

加速度−応力変換器２０１は、図９に示したような、応力振幅と加速度振幅の変換テーブルを、面内面外各方向の固有振動数ごとに持つことで、図８に示した変換処理を実行することができる。なお、このような変換テーブルとしては、ルックアップテーブルを用いることも可能である。

【0060】

次に、加算器２０２は、加速度−応力変換器２０１による変換後の各応力変化量を、リブ方向ごとに加算し、総合応力変化データ２３１を生成する。より具体的には、加算器２０２は、方向ｎにおける総合応力変化量データＳｔ＿Ａｎｇ（ｎ）を、下式により算出する。

【0061】

【数7】

【0062】

次に、ステップＳ３０７において、コントローラ２０は、応力振幅の算出処理を行う。さらに、ステップＳ３０８において、コントローラ２０は、応力振幅の発生頻度ヒストグラムの算出処理を行う。具体的には、コントローラ２０は、方向別に、サイクルカウント法（ここではレインフロー法）を用いて、一定期間内の応力変化データにおける振幅と、その発生回数を算出し、応力振幅の発生頻度ヒストグラムを作成する。

【0063】

図１０は、本発明の実施の形態１おけるコントローラ２０により実行される応力振幅の算出処理に関する説明図である。コントローラ２０は、図１０に示すレインフロー法によって得られた応力振幅とその発生頻度を、応力振幅−発生頻度ヒストグラムとして蓄積する。

【0064】

なお、計測方法としては、常時計測と間欠計測の何れを採用してもよい。
ただし、間欠計測を実施した場合、間欠計測により計測されていない時間の応力振幅を加味した発生頻度を応力振幅−発生頻度ヒストグラムへ蓄積する必要がある。

【0065】

上述したステップＳ３０１〜ステップＳ３０８の一連処理が終了すると、ステップＳ３０９において、コントローラ２０は、蓄積疲労評価を行うための十分なデータを取得するための時間としてあらかじめ設定された一定時間が経過したか否かを判定する。そして、コントローラ２０は、一定時間が経過していない場合には、ステップＳ３０１以降の処理に戻り、一定時間が経過している場合には、ステップＳ３１０以降の処理に進む。

【0066】

ステップＳ３１０に進んだ場合には、コントローラ２０は、ヒストグラムとして求まった各リブの応力振幅頻度データから、それぞれの蓄積疲労度Ｄを算出する。図１１は、本発明の実施の形態１における応力振幅σと繰り返し数ＮＳの関係をまとめた応力−蓄積疲労テーブルを示す図である。コントローラ２０は、図１１の関係、および下式に基づいて、各リブの応力振幅頻度データから、それぞれの蓄積疲労度Ｄを算出する。

【0067】

【数8】

【0068】

なお、上式におけるＤ、ｎ_ｉ、ＮＳ_ｉは、それぞれ以下の内容を意味している。
Ｄ：蓄積疲労度
ｎ_ｉ：応力振幅σ_ｉの発生回数
ＮＳ_ｉ：応力振幅σ_ｉにおける破断繰り返し数（疲労寿命）

【0069】

そして、コントローラ２０は、算出した各リブの蓄積疲労度Ｄのうち、１つでも１を超えた場合には、疲労破壊の可能性があると判断する。

【0070】

次に、ステップＳ３１１において、コントローラ２０は、疲労寿命予測の算出処理を行う。具体的には、コントローラ２０は、１日当たりの蓄積疲労度増加量の平均値から、リブごとに、疲労寿命に至るまでの予測日数を算出する。なお、以下では、１日当たりの蓄積疲労度増加量の平均値に基づき疲労寿命に至るまでの予測日数を算出するが、本実施の形態は、これに限らず、単位時間当たり（例えば、三日毎、週毎、月毎等）の増加量に基づき疲労寿命に至るまでの予測時間（時間に限らず、当然予測日数や予測月数でもよい）を算出してもよい。

【0071】

図１２は、本発明の実施の形態１におけるコントローラ２０により実行される疲労寿命予測の算出処理に関する説明図である。まず、コントローラ２０は、１日当たりの蓄積疲労度増加量の平均値ｄＤを下式を用いて算出する。

【0072】

【数9】

【0073】

なお、上式におけるｄＤ、Ｄ、ｔは、それぞれ以下の内容を意味している。
ｄＤ：１日当たりの蓄積疲労度増加量の平均値
Ｄ：最終評価時の計測開始からの累積Ｄ値であり、図１２中のＤ２に相当
ｔ：最終評価日ｔ_ｅ−計測開始日ｔ_０であり、図１２中のｔ_ｅ−ｔ_０に相当

【0074】

さらに、コントローラ２０は、各リブの方向における疲労寿命Ｌｉｆｅ、および最終評価日ｔ_ｅからの予寿命ＲＬｉｆｅを、下式により算出する。

【0075】

【数10】

【0076】

なお、上式におけるｔ_ｉｎは、下の内容を意味している。
ｔ_ｉｎ：供用開始日

【0077】

そして、コントローラ２０は、全リブのＲＬｉｆｅの最小値を、残り疲労寿命日数として算出する。

【0078】

次に、ステップＳ３１２において、コントローラ２０は、現時点が点検時期であるか否かを判定する。そして、コントローラ２０は、点検時期でない場合には、ステップＳ３０１以降の処理に戻る。

【0079】

一方、コントローラ２０は、点検時期である場合には、ステップＳ３１３の処理に進み、予測した疲労寿命に基づいて、点検・交換時期の通知を実施した後、ステップＳ３０１以降の処理に戻る。

【0080】

なお、図２におけるコントローラ２０内の各構成要素と、図３における各ステップとの対応関係をまとめると、以下のようになる。
・ステップＳ３０１の処理は、入力処理部２１により実行される。
・ステップＳ３０２〜３０５の処理は、加速度変化量算出部２２により実行される。
・ステップＳ３０６、Ｓ３０７の処理は、応力算出部２３により実行される。
・ステップＳ３０８の処理は、ヒストグラム算出部２４により実行される。
・ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の処理は、寿命算出部２５により実行される。

【0081】

また、上述したような、図３に基づく一連処理は、代表例であり、疲労損傷評価処理を実行するに当たっては、以下のような（１）〜（６）の変更、修正を考慮することができる。
（１）図３の説明では、加速度―応力変換処理の後に応力振幅の計算を行ったが、加速度振幅を計算し、加速度振幅のヒストグラムを先に取得し、後に加速度−応力への変換処理を行って応力振幅を求めてもよい。

【0082】

（２）簡易的には、加速度振幅に比例定数を掛けたものを応力相当として直接計算することで、加速度−応力変換工程を省略してもよい。
（３）バンドパスフィルタ処理は、必ずしも必要としない。また、図３の説明では、４つの固有振動数に対応させてバンドパスフィルタを用意したが、必ずしも全て備える必要はない。

【0083】

（４）応力振幅の計算には、レインフロー法を用いたが、必ずしもレインフロー法を用いる必要はなく、異なるアルゴリズムを用いたサイクルカウント法を採用しても構わない。
（５）軸変換については、必要がなければ省略してもよい。

【0084】

（６）図３の説明では、加速度センサの加速度情報を用いて、疲労損傷評価を実行したが、加速度情報を時間方向に２階積分して変位情報を算出し、加速度情報の代わりに変位情報を用いて疲労寿命を算出することも可能である。

【0085】

以上のように、実施の形態１によれば、評価対象である構造物の１次固有振動数に着目し、加速度センサから得られた加速度情報に基づいて、応力振幅の発生頻度ヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムから蓄積疲労度を算出できる構成を備えている。この結果、構造物の疲労損傷評価を定量的かつ高精度に行うことができる。

【符号の説明】

【0086】

１０ 情報板（構造物）、１１ 支柱、１２ 基部、１３ 横梁部、１４ 橋梁部、１５ 張り出し部、２０ コントローラ、２１ 入力処理部、２２ 加速度変化量算出部、２３ 応力算出部、２４ ヒストグラム算出部、２５ 寿命算出部、３０ 加速度センサ、３１ センサ部、３２ 加速度情報出力部、２０１ 加速度−応力変換器、２０２ 加算器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】