損傷許容設計 — CAE用語解説

そう。従来の「安全寿命設計（Safe Life）」はき裂が発生するまでの時間を計算して、その前に交換・廃棄する考え方だ。損傷許容設計（Damage Tolerance Design）は「き裂はあっても一定サイズ以下なら壊れない」という考え方で、き裂が検査で検出できる最大サイズから壊滅的な破損（Critical Crack Size）になるまでの寿命を計算する。航空機構造のFAR25.571（米国連邦航空規則）が損傷許容評価を義務付けていて、現在の民間機は全てこの思想で設計されている。

Paris則（Paris-Erdogan）が基本だ。da/dN = C * (delta_K)^m という式で、a はき裂長さ、N は繰り返し数、delta_K は応力拡大係数の範囲、C と m は材料定数だ。FEMで各き裂サイズのKを計算して、Paris則を積分することでき裂が許容最大サイズに達するまでの繰り返し数（寿命）を求める。2024a（初期き裂サイズ）から a_c（臨界サイズ）まで積分するから、検査でどのくらいのサイズのき裂まで検出できるかが設計の起点になる。

典型的なフローは——①FEM構造解析で応力分布を求める、②最大応力箇所や製造欠陥が想定される箇所にき裂をモデル化（XFEMやCECM）、③各き裂サイズでのK（応力拡大係数）をFEMで計算、④Paris則積分で寿命を求める、⑤破壊靭性KICとき裂サイズから臨界き裂サイズを計算、⑥「初期き裂→臨界き裂」の寿命が検査間隔の倍以上あるか確認——という手順だ。AnsysのFracture Toolや専用のFATWAT/NASGROコードを組み合わせることが多い。

損傷許容評価の結論から逆算する。き裂が初期欠陥サイズ（NDEで検出可能な最小サイズ）から臨界サイズに達するまでの計算寿命に「安全係数2」をかけた値以下の間隔で検査することが多い。例えば計算寿命10000飛行サイクルなら5000サイクルごとに検査する。実際には複数の荷重シナリオとき裂発生位置で計算して、最も短い寿命に基づいて検査間隔を決める。ボーイング737の主翼下面パネルなら数千飛行サイクルごとに超音波探傷（UTFLAW）で全面検査するというメンテナンスプログラムがある。

深く関係している。1988年のアロハ航空事故はB737が飛行中に上部胴体が吹き飛んだ事故で、多重サイトき裂（MSD: Multiple Site Damage）が根本原因だった。長年の運用で多数の小さなき裂がリベット穴から発生して互いに連結し、設計の損傷許容評価が想定していなかった形で急速に破断した。この事故を教訓に、FAA AD（Airworthiness Directive）で高サイクル疲労（HCF）の損傷許容評価方法とMSD評価が強化された。設計思想だけでなく実運用データとの統合が損傷許容設計の真価だよ。