| Project/Area Number |
23K05345
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 40020:Wood science-related
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
青野 雄太 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (70264075)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阪上 宏樹 岩手大学, 農学部, 准教授 (40604822)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 小形風車用ブレード / 前進翼 / 後退翼 / スギ / 四点曲げ疲労試験 / 疲労損傷 / レプリカ法 / スギ製ブレード / CNC / 風車翼 / 連続観察 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、繰返し荷重によってスギの組織構造にどのように疲労損傷が発生するか、そのメカニズムを知ることを目的とする。より具体的には、スギおよびその組織を模したセル構造模型を対象として疲労試験中の連続的な損傷観察を基に、疲労損傷発生のメカニズムについて考察する。得られた知見は風車翼の設計へ応用することを目指し、高サイクルである破断繰返し数が百万回から1千万回オーダーを対象とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
実稼働時に風車ブレードに生じるひずみを測定するため、ブレード表面に貼り付けたひずみゲージをスリップリングを介して動ひずみ計に接続した。発電用風車の起動トルクは小さい方が良いがスリップリングには小さいとは言えない摩擦があったため、既設の性能試験装置を使用することができなかった。そこで、送風機の流れの中で、サーボモーターに取付けた風車を回転数制御で回し、風車の回転トルクを測定する方式の性能試験装置を製作した。風車ブレードは昨年度製作したものを改良し、各翼断面の取付角を翼素理論で最適化した形状とすることにしたが、市販スギ板材では厚さが最大30mmで制限があるため、今年度は3Dプリンタで製作し、PLA製中空ブレードとした。前進翼、後退翼、直線翼にねじりおよび曲げひずみを測定するためひずみゲージを貼付し、新たに製作した性能試験装置で性能試験を行った。前進翼と後退翼では逆方向のせん断ひずみが生じており、これらは周速比とともに増大した。このせん断ひずみがパワー係数に影響を及ぼしている可能性がある。
また、スギ材の四点曲げ疲労試験を行った。試験片寸法は長さ140mm、試験部長さ70mm、断面寸法は幅10mm、高さ14mmとした。荷重負荷部分の局所的変形を避けるためアルミ製治具を取付け、三角波で応力振幅一定、繰返し速度5Hzの条件で疲労試験を行った。応力レベル0.8でも1千万回以上の強度があることが分かった。疲労試験ではレプリカ法によるスギ試験片表面の連続観察を行っている。試験片表面はエメリー紙を#3000まで使用して研磨した。レプリカ素材はシリコーン造型剤を用いた。1千万回以上破損していない試験片のスギの組織に明らかな疲労損傷は観察されていない。しかし、試験前に平滑だった表面は、滑らかに凹凸が生じている様子が観察された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
9月より疲労試験を実施できるようになった。金属材料では既知の疲労き裂や仮道管組織の変形を、疲労損傷として想定して観察しているが、0.8といった高い応力レベルでも、全く見られない。鉄鋼材料で観察される停留き裂の荷重繰返し数である1千万回を超える繰返し数でも疲労試験を継続しているため時間がかかっている。レプリカ法により観察している表面の疲労損傷は組織自体の変形や破壊は発見できていないが、表面の高さ方向の変形が生じている様子であるので、定量化できる観察方法を探したい。一方、疲労試験とは別に、風車性能試験装置を製作し完成した。これを用いて実稼働時のブレードに生じるひずみを測定できるようになった。スギ製ブレードの製作については、今後より精度の高いCNC加工機の使用を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
スギの疲労損傷のメカニズムを解明するため、昨年度の開始した疲労試験を応力レベルを変化させて実施し、レプリカ法を用いた観察を継続して行う。また、木質材料は粘弾性を有するので、繰返し荷重が作用するときに応力波形とひずみ波形に位相差が生じる。疲労損傷はこの位相差の影響を受ける可能性があるため、繰返し速度を昨年度の5Hzより小さい2Hzでの試験も実施したい。仮道管や細胞壁の変形を観察するため、マイクロフォーカスX線CTやSEMによる観察も検討する。実稼働時の風車ブレードのひずみ測定も継続して行い、風車翼の疲労寿命設計について考察する。また、風車性能試験について共同で研究を進めている谷野研究室の研究結果から、パワー係数に及ぼす迎角の影響が大きいことがわかってきた。ブレードの変形がパワー係数に及ぼす影響について引き続き調べていく。スギ製風車ブレードの製作については、学内にある精度の高いCNC加工機を使用して製作する予定である。
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