Damage evaluation by impulsive response in structure filled with liquid

液体で満たされた構造物の衝撃応答計測による損傷診断

Wan, T.; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 二川 正敏  ; 前川 克廣*

Wan, T.; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Maekawa, Katsuhiro*

MW級のパルス核破砕中性子源の水銀ターゲット容器では、陽子線入射による熱衝撃により水銀中に圧力波が発生する。この圧力波によってターゲット容器に衝撃的な振動が励起されると共に、内壁には固液界面で生じるキャビテーションによる損傷が形成される。本研究では、狭隘な水銀(厚さ2mm)を隔てた2重壁構造を有する水銀ターゲット容器について、内壁のキャビテーション損傷あるいは疲労破壊を振動の計測により外側から非破壊的に診断する手法について検討した。内壁の損傷とターゲット容器の振動との相関について、1, 5, 10, 20, 40mmの貫通穴によって損傷を模擬した数値解析により系統的に調べた。損傷の差異による容器の振動応答の変化を定量的に評価するために、振動応答波形に対して、ウェーブレット変換と統計処理を用いた波形解析手法を考案した。さらに、2重壁構造を模擬した水銀を充填した容器に対する圧力波負荷試験での振動速度をレーザーにより計測し、本手法の適用性を検証した。その結果、振動波形は、損傷を模擬した穴の直径に依存して変化すること、直径10mm以上であれば、明確な振動の差として損傷を検出できることを明らかにした。

A double-walled liquid mercury target vessel, which consists of outer and inner walls, is being globally developed for MW-class spallation neutron sources. When proton beams bombard a mercury target, pressure waves are generated due to the rapid thermal heat deposition. These pressure waves trigger impulsive vibrations in the mercury vessel, and cause cavitation damage to the inner wall of the vessel. In this study, the dependency of the vibration behavior of the mercury vessel on the damage is systematically investigated through numerical simulations and experiments, for inner wall damage characterized by hole diameters of 1, 5, 10, 20, and 40 mm. A method referred to as wavelet differential analysis is developed, and a parameter referred to as average intensity is derived for a quantitative damage evaluation. Both the numerical simulation and experimental results show that the average intensity is damage-sensitive and depends on the damage feature size. The critical damage hole diameter is estimated to be 10 mm during damage evaluation.