損傷許容度解析による適切な航空機部品の選択

航空機の安全性について考えるとき、多くの人は酸素マスクや救助用具、あるいは最先端の設計革新を思い浮かべます。しかし、安全性は、あらゆるナットやボルトから最先端のエンジンに至るまで、搭載されているあらゆる部品の信頼性にかかっています。

航空機部品にはそれぞれ耐用年数があります。損傷許容度解析（DTA）は、これらの様々な部品の耐用年数を左右する重要な要素です。DTAは、ひび割れ、穴、その他の欠陥が必然的に発生する場合など、応力下での様々な構造の挙動を評価します。

従来の考え方では、部品は故障すべきではない、あるいは定期的に、あるいは「ひび割れ」が見え始めたらすぐに交換すべきだとされていましたが、DTAは異なるアプローチを採用しています。DTAでは、保守・修理チームは部品の劣化は避けられないと想定します。そして 飛行機が飛ぶことができるいくつかの 目に見える損傷は、一定の閾値内で検出され監視されている限り（スカイブラリー）。

このより繊細なアプローチは、調達の意思決定方法を変えます。コストと可用性に加え、チームは疲労および破壊力学の基準を考慮する必要があります。航空機の老朽化、稼働率の向上、そして複合材料の使用増加に伴い、DTAは規制当局の承認と運用継続のための調達決定において重要な役割を果たします。

航空における損傷許容度分析の理解

損傷許容度（DT）は、時間の経過とともに航空機部品に亀裂、欠陥、腐食が発生することを想定した設計およびメンテナンスの考え方です（スカイブラリー）。

この哲学は 1970 年代に登場し、それ以前の数十年間に主流だった「フェイルセーフ」や「セーフライフ」のアプローチに取って代わりました。

どちらのアプローチにも欠陥がありました。フェイルセーフは隠れた疲労の進行を考慮していませんでしたが、セーフライフは様々な条件下での部品の劣化の変動性を過小評価していました。DTAは、検査と監視を安全性の方程式に組み込むことで、これらの欠陥を補いました。

規制当局はすぐにこの移行を公式化した。米国連邦航空局はDTA要件を成文化した。勧告回覧 25.571-1Aこの規格では、航空機が疲労、腐食、偶発的な損傷に耐えられる能力を実証し、問題が発見され修復されるまでその能力を維持する方法を概説しています。

この勧告は、現代の航空機認証の基礎であり、欠陥が生じることを前提として構造が設計され、維持されることを保証します。

今日、損傷許容解析は業界全体の安全対策となっています。DTAは、部品とアセンブリが周期的な応力、振動、過酷な環境といった現実世界の条件に耐えることを義務付けており、これにより事業者とサプライヤーは短期的な解決策ではなく、ライフサイクル全体の安全性に重点を置くことができます。

FAAと国際規制の枠組み

連邦航空局 (FAA) は、疲労と損傷許容度を最も技術的に要求の厳しい分野の 1 つとしています。

当局によれば、材料と構造がミッションサイクル、特に疲労と亀裂の成長を促進する繰り返しまたは変動する応力にどのように反応するかを評価する必要がある（FAAこの作業では、冶金学、破壊力学、非破壊検査 (NDI)、確率モデル化を統合して、すべての認定航空機の設計および検査基準を設定します。

勧告回覧 25.571-1Aこれは依然として米国の製造業者および運航業者にとって主要なガイドラインとなっています。損傷許容度に関する要件は、胴体外板、翼、エンジンマウント、着陸装置など、未検出の亀裂が深刻な結果をもたらす可能性のある部品にまで及びます。

国際的には、規制当局は FAA のアプローチに標準を合わせながら、国別または地域の監督に合わせて要件を調整しています。

欧州航空安全機関（EASA）はFAAの指令を反映していますが、多様な機材を運航する複数の国営航空会社間の調和を重視する傾向があります。英国民間航空局（CAA）は、追加の耐空性仕様に基づき、老朽航空機の疲労およびDTA評価を義務付けています。（機体設計）。

世界的な一貫性の推進は、規制当局と、部品の疲労が検知されなかった数多くの安全事故によって推進されてきた。1988年のアロハ航空243便の事故（FAA）、世界中の規制当局は、実物大の疲労試験および損傷許容度検査の要件を厳格化しました。

ダメージ許容度哲学の進化

損傷許容度への移行は、航空設計における安全性の最も重要な進歩の一つです。第二次世界大戦後、安全寿命原則が主流でした。部品には試験データに基づいて単純に固定寿命が割り当てられ、想定される故障が発生する前に廃棄されていました。しかし、航空機が大型化・複雑化するにつれて、運用条件の変動性により、このアプローチは不十分になりました。

転機は、民間ジェット機の老朽化と疲労関連の事故が、安全寿命とフェイルセーフの仮定の限界を浮き彫りにした時に訪れました。故障は予測よりも早く発生する可能性があり、1988年のアロハ航空の事故のように、冗長性によって問題が複数の負荷経路に広がるまで隠れてしまうこともありました。

損傷許容は実用的な哲学として登場した。すなわち、ひび割れが存在すると仮定し、それに耐える構造を設計し、破損前にひび割れの成長を捕捉するための検査プログラムを作成するという考え方である。このアプローチには、破壊力学解析や確率的寿命予測といった、実際の運転条件下でのひび割れの発生と成長を定量化できる新たな手法が必要であった（ScienceDirect）。

1970年代以降、この考え方は非破壊検査技術、デジタルモデリング、複合材料の進歩とともに進化を続けてきました。今日、損傷許容度とは、ひび割れへの対応だけでなく、ひび割れを予測することです。予測分析とヘルスモニタリングシステムにより、航空会社とサプライヤーは部品の健全性をリアルタイムで追跡できるようになり、損傷許容度は事後対応型ではなく、予防型戦略へと変化しています。

損傷許容度解析の主要原則

損傷許容解析 (DTA) は、航空機メーカーと部品サプライヤーの両方を導くいくつかの基本原則に基づいて構築されています。

破壊力学

離陸、巡航、着陸、与圧サイクル中の繰り返し応力による周期的な負荷が損傷を加速させると仮定している（FAA）。

これに対処するため、エンジニアは破壊力学を用いて、変化する荷重下での亀裂の伝播をモデル化します。通常、応力集中係数で表される亀裂進展速度データは、亀裂が臨界長さに達するまでにどれだけの期間安定状態を維持できるかを予測することを可能にします。

検査可能性要件

2つ目の原則は検査可能性の要件です。構造物は、ひび割れが危険な大きさに達する前に、非破壊検査（NDI）法を用いて検出できるように設計されなければなりません。

これにより、検査間隔が実際の亀裂成長率と一致するようになり、検出と潜在的な故障の間に緩衝材が作成されます。

冗長性とフェイルセーフ

DTAは、可能な限り冗長性とフェイルセーフを組み込んでいますが、過度な依存は避けるべきです。従来のフェイルセーフ構造は複数の荷重経路に依存していましたが、現代のDTAでは、バックアップ要素が検査と修理に必要な時間、荷重に耐えられるかどうかを定量化する必要があります。

確率的評価

最後に、確率論的評価の重要性がますます高まっています。材料、製造、使用方法における現実世界の変動性を考慮すると、確定的なマージンではなく、故障確率を計算するモデルが求められます。

これにより、規制当局と事業者は安全性と経済的現実のバランスをとることができ、検査プログラムが効果的かつ実行可能であることを保証します（ScienceDirect）。

材料科学と試験の役割

損傷許容度は、航空機製造に使用される材料の理解に大きく依存します。アルミニウム合金、チタン、高強度鋼などの金属は構造用途で主流であり、それぞれ異なる疲労挙動および亀裂進展挙動を示します。複合材料の場合、その破壊メカニズムは従来の亀裂進展ではなく、層間剥離や繊維破断を伴うことが多いため、さらに複雑になります。

材料試験プログラムは、DTAに必要なベースラインデータを提供します。FAAのガイダンスによると、長期的な損傷メカニズムを把握するためには、航空機の想定耐用年数の少なくとも2倍の期間にわたって、実物大の構造疲労試験を実施する必要があります（FAAアドバイザリーサーキュラー25.571-1A）。

これらの試験は、疲労および破壊靭性値のS-N（応力対サイクル）曲線を生成し、亀裂成長モデルに直接入力します（シーメンス）。

試験方法論の進歩により、ツールキットは拡張されました。実験室規模のクーポン試験は、デジタルツインと有限要素解析（FEA）モデルによって補完され、数千の荷重シナリオを再現できるようになりました（米国農務省、ダッソー・システムズ）。

確率的シミュレーションにより、エンジニアは材料特性のばらつきや腐食や温度変動などの環境要因が疲労寿命にどのように影響するかを調べることができます。

老朽化した航空機は、重要な現場データも提供します。退役した部品は、予測モデルの検証や検査方法の改良のために、法医学的検査を受けることがよくあります（DiVAポータル実際の使用状況と実験室での予測との間のフィードバック ループにより、損傷許容基準を確立する際の精度が向上します。

複合材料は軽量化に貢献する一方で、特有の課題ももたらします。複合材料の損傷は目視では検出が難しく、超音波フェーズドアレイやサーモグラフィーなどの高度な非破壊検査（NDI）手法が必要となります（ダーシー＆ロイ・プレス次世代の航空機では複合構造がさらに採用されるようになり、DTA フレームワークの重要性がますます高まります。

検査方法と技術

従来の検査技術には、表面のひび割れの目視検査、浸透探傷検査（微細な欠陥の特定）、鉄鋼材料の磁性粒子検査などがあります。

産業界は高度な非破壊検査（NDI）技術への注目を強めています。これには、表面下の欠陥をマッピングできる超音波フェーズドアレイシステム、表面および表面近傍の亀裂を検出する渦電流法、複合構造の層間剥離を特定するサーモグラフィー技術などが含まれます（アイオワ州立大学、スカイブラリー）。

デジタル化は検査をさらに変革しています。整備チームは現在、ポータブルスキャナーを導入し、航空機のデジタルツインに直接データを送信することで、リアルタイムの亀裂進展シミュレーションを可能にしています。これらのツールは確率モデルと組み合わせることで、一般的な航空機群の平均値ではなく、実際の使用状況に基づいてカスタマイズされた検査間隔を提供します。

最近の研究では、構造ヘルスモニタリング（SHM）システムの役割も強調されています。このシステムでは、センサーがひずみ、温度、音響放出を継続的に監視し、従来の検査よりもはるかに早く異常を検知します。SHMはまだ義務付けられた検査の完全な代替手段ではありませんが、特に次世代航空機の設計においては、ますます強力な補完手段となりつつあります（ScienceDirect）。

規制要件と基準

損傷許容度分析は、米国、欧州 (EASA)、英国 (民間航空局または CAA) の航空規制に深く組み込まれています。

国際民間航空機関（ICAO）も、異なる基準が多国籍航空機に非効率性をもたらす可能性があることを認識して、管轄区域間の調整を奨励している（国際民間航空機関（ICAO））。

新たな規制上の課題の一つとして、積層造形と新しい複合材料が挙げられます。これらの材料は周期的な荷重下で異なる挙動を示すため、規制当局は損傷許容原則が堅牢性を維持できるよう、認証枠組みの見直しを進めています。これには、新規材料の確率論的評価を義務付けることや、非破壊検査によってそれらの固有の破損モードを検出できることを保証することが含まれます（FAA）。

これらの新しいフレームワークは、材料科学における革新の余地を残しながら、一貫した安全基準を確立します。

実際の損傷許容度のケーススタディ

実際のケーススタディでは、損傷許容度分析が航空安全にどのように直接影響するかが示されています。

最もよく引用される事例の一つは、1988年に発生したアロハ航空243便の事故です。機体外板に疲労亀裂が見つからず、爆発的な減圧が発生しました。機体は無事に着陸しましたが、乗客1名が死亡し、数十名が負傷しました。調査の結果、不十分な検査手順により亀裂が未然に防がれたと結論付けられ、規制当局は疲労試験および検査プログラムの要件を強化しました（機体設計）。

もう一つの重要な事例は、2021年にデンバー近郊で発生したボーイング777-200のエンジン故障です。疲労によりファンブレード1枚が破損し、エンジンが火災を起こして破片が住宅地に落下しました。

2021年のボーイング機の事故では負傷者は出なかったものの、調査の結果、定期検査では早期の亀裂発生を特定できなかったことが明らかになりました。この事故は、信頼性の高い非破壊検査の重要性を浮き彫りにし、検査間隔の見直しにつながりました（スカイブラリー）。

対照的に、損傷許容度を積極的に適用することで事故を防いできました。例えば、エアバスとボーイングの最新航空機は、認証取得前に、想定耐用年数の最大2倍に相当する実機疲労試験を実施しています。これにより、検査で欠陥が発見されるまで、重要な構造物が壊滅的な損傷を受けることなく損傷に耐えられることが保証されます。

FAAのケーススタディによると、これらのテストは設計上の脆弱性を特定するのに役立ち、エンジニアが艦隊配備のずっと前に構造補強を調整できるようにしました（FAA AC 25.571-1A）。

損傷許容度解析のためのツールとソフトウェア

計算能力の進歩により、損傷許容解析を行う際に利用可能なツールキットが大幅に拡張されました。NASGROやAFGROWといった業界標準のソフトウェアは、様々な荷重スペクトル下における亀裂進展挙動のモデル化に広く利用されています。これらのプログラムは、破壊力学方程式、材料データライブラリ、確率モデルを統合し、亀裂の進展と検査間隔を予測します（機体設計）。

研究分野では、拡張有限要素法（XFEM）や凝集域モデルなどの高度なモデリング手法が統合され、複合材料やハイブリッド構造における亀裂の発生と成長をより正確に予測できるようになっています（ScienceDirect）。

予知保全の役割

予知保全は、航空会社とサプライヤーの損傷許容度へのアプローチを変革しています。従来、検査は一定の間隔で行われ、次の検査までの間には検出されない疲労が生じる余地がありました。現在、予知保全ツールはセンサー、機内監視、データ分析を組み合わせ、故障が発生する前に予測します。

例えば、構造ヘルスモニタリング（SHM）システムは、主翼、胴体パネル、エンジン部品にセンサーを組み込み、応力とひずみをリアルタイムで追跡します。異常が発生した場合、亀裂が重大なサイズに拡大するずっと前に、詳細な検査を行うよう警告することができます。これらのシステムは、推測への依存を減らし、状態に応じたメンテナンスを可能にするため、ダウンタイムとコストを最小限に抑えます（FAA疲労および損傷許容規律）。

これにより安全性が向上し、部品の使用可能期間も延長されるため、航空会社は在庫を最適化し、廃棄物を削減することができます。

付加製造と損傷許容度の課題

付加製造（AM）、つまり 3D プリンティングの台頭により、損傷許容度に関して新たな課題と機会が生まれています。

研究によると、AM は軽量設計と迅速なプロトタイピングを可能にする一方で、製造品質と表面仕上げのばらつきにより疲労損傷の感受性が高まる可能性があることがわかっています。

同時に、AMは革新的な修復戦略への扉を開きます。損傷した部品は、指向性エネルギー堆積（DED）やその他のAMプロセスを用いて再生することができ、堅牢な損傷許容度評価（DiVAポータル）。

サプライヤーにとって、AMの導入には、FAAおよびEASAの損傷許容基準への適合を保証するための厳格な検証が必要です。成功すれば、耐空性を維持しながらコスト効率が高くカスタマイズ可能なソリューションを提供することで、競争優位性を獲得できます。

損傷許容度に関するトレーニングと専門知識

損傷許容度解析 (DTA) は、ソフトウェア モデル、検査スケジュール、およびこれらの原則を適用するエンジニアと技術者の専門知識に依存します。

トレーニング プログラムには、多くの場合、次のものが含まれます。

航空機の多様化に伴い、訓練も進化する必要があります。炭素繊維複合材やハイブリッド積層板といった新素材は、従来のアルミニウム合金とは異なる検査手法を必要とします。十分な訓練を受けた従業員を確保することは、耐空性と運用効率の両方を維持するために不可欠です。

規制の動向と世界基準

損傷許容度は厳しく規制されていますが、基準は技術革新とともに進化しています。FAAは、すべての輸送機カテゴリーの航空機に対し、認証取得時に疲労および損傷許容度評価への適合を義務付けており、これには複数箇所の損傷に対する規定も含まれています（FAA疲労および損傷許容規律）。

世界的に、規制当局は共通の、あるいは類似の枠組みの構築を目指しています。EASAはFAAの要件を反映し、ICAOは各国当局に影響を与える包括的な安全ガイドラインを提供しています。航空機数が急速に増加しているアジア太平洋地域では、規制当局は安全性を損なうことなく成長を管理するため、より厳格な疲労監視プロトコルを導入しています（アジア太平洋航空協会）。

明確なトレンドの一つは、規制監督へのデジタル技術の統合です。AIを活用した予測モデルやデジタルツインは、従来の疲労試験の補完としてますます受け入れられています。この変化により、規制当局は安全性を犠牲にすることなく、保守性を低減することが可能になります。

サプライヤーにとって、検証済みの損傷許容度分析を通じてコンプライアンスを証明することは、OEM やオペレーターとの信頼関係を強化し、新しい市場への参入への道を開きます。

よくある質問

すべての航空機部品は損傷耐性を考慮して設計されていますか?

すべての航空機部品が損傷許容性を考慮して設計されているわけではありませんが、翼、胴体、外板、桁、着陸装置、エンジンマウントなどの主要な構造要素のほとんどは損傷許容性を示す必要があります。

しかし、一部の部品は、欠陥が存在しないことを想定し、一定回数の使用後には廃棄しなければならないという「セーフライフ」の理念に基づいて設計されています。例えば、着陸装置の部品やタービンディスク、ファンブレードなどの回転部品は、小さな亀裂でも急速に進展し、安全に修理できない可能性があるため、セーフライフの原則に従うことがよくあります。

疲労と損傷許容度の違いは何ですか?

疲労とは、加圧サイクル、離着陸などの繰り返し周期的な応力を受けることで材料が徐々に弱くなることを指します。時間の経過とともに、微細な亀裂が形成され、成長して破壊に至ります。疲労解析は、これらの亀裂がいつ発生するか、そして部品が亀裂が発生するまでにどれくらいの期間耐えられるかを予測することに重点を置いています。

一方、損傷許容度は、亀裂や腐食などの欠陥が構造に既に存在していることを前提としています。あらゆる欠陥を防ごうとするのではなく、検査で損傷が明らかになるまで、検出可能な損傷がある状態で航空機が安全に運航を継続できるかどうかを評価します。FAAは、損傷許容度を「損傷が検出されるまで、構造が破損や過度の変形なく、妥当な荷重に耐えられることを保証する」と定義しています（FAA）。

耐久性と損傷許容度の違いは何ですか?

耐久性とは、構造が経年劣化、摩耗、疲労にどれだけ耐えられるかを示す指標です。部品や機体が過度なメンテナンスや早期故障をすることなく、想定された耐用年数を達成できる総合的な能力を反映しています。例えば、耐久性試験では、部品が数十年にわたる使用期間を通じて、腐食、荷重、振動に耐えられることを確認することに重点を置いています。

しかし、損傷許容度は長期的な耐摩耗性ではなく、欠陥が発生した後の回復力に関するものです。つまり、耐久性がどれだけ長く持続するかを表すのに対し、損傷許容度は損傷が存在する状態でどれだけ安全に耐えられるかを表すのです。

航空機部品の選択における損傷許容度の将来

今後、デジタル化と先進的な素材により、航空業界における損傷許容度分析の適用方法が変化するでしょう。

予測分析、機械学習、デジタルツインにより、エンジニアは何千もの飛行サイクルにわたって応力と亀裂の成長をシミュレートできるようになり、純粋に保守的な仮定への依存が減りました（FAA 疲労および損傷許容度）。

同時に、積層造形は新たな課題をもたらします。3Dプリント部品は軽量化とカスタマイズを約束する一方で、微細構造のばらつきに対する厳格な損傷許容度検証が求められます。規制当局は既に、これらの部品が従来の安全基準を満たす、あるいは上回ることを保証するための枠組みを策定しています。

最終的に、損傷許容度の将来は、高度なモデリングと検査データを組み合わせ、AI を適用して人間が見逃す可能性のある傾向を特定し、サプライヤーの慣行を進化する FAA、EASA、および ICAO の要件に適合させることにかかっています。

部品サプライヤーにとって、DTA の専門知識とコンプライアンスへの投資は、市場の信頼と長期的な成功の基盤となります。

適切な航空機部品の選択にはコンプライアンスが必要そして 自信。 と ePlaneAIの高度なデータ駆動型ツール、調達を効率化し、安全性を確保し、精度が最も重要となる市場で優位に立つことができます。