2014 Fiscal Year Annual Research Report
大規模波動解析手法の開発及びコンクリート材料に対する非破壊検査への応用
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14J10235
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
丸山 泰蔵 東京工業大学, 情報理工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2016-03-31
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| Keywords | 非破壊検査 / 数値シミュレーション / 境界要素法 / 非線形超音波 / 高調波 / 分調波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２６年度は，閉口き裂に対する検出手法である非線形超音波法に対する基礎的な理論的アプローチとして，高調波，分調波の発生特性を３次元数値シミュレーションによって調べる予定であった．なお，前年度に対称とする材料は均質材料であった．
そのため，当初の予定通り，これまでに開発を行ってきた高速な3次元時間領域ＢＥＭ（境界要素法）をベースとした単一の均質材料，及び二層材料に適用可能な非線形超音波シミュレーション手法を開発し，いくつかの数値シミュレーションを実行した．また，分調波励起シミュレーションに関しては，３次元数値シミュレーションの結果から，き裂を含む系が強い固有振動特性を持つ場合，この強い固有振動特性とき裂面の接触との相互作用によって発生するという予想を立てた．それから，き裂が特定の幾何学形状，もしくは配置を有する場合に強い固有振動特性を持つため，そのような場合に対して数値シミュレーションを実行するように方針を変更した．しかしながら，この予想を実証するためには，大量（数万～数十万）の数値シミュレーションを実行する必要があるため，まず，２次元数値シミュレーションを実行した．
以上の数値シミュレーションより，３次元の円盤型き裂，及び鉄－アルミニウム界面における円盤型層間剥離に対して，圧縮応力が作用している場合の高調波発生特性を明らかにした．また，き裂を含む系が強い固有振動特性を持つこと，及びき裂面の接触の相互作用が原因となって，特定の入射波の中心周波数，及びき裂の開口幅において，分調波発生現象が確認できた．さらに，き裂を含む系の周波数応答解析を行うことによって，固有振動特性の評価も行い，分調波の発生要因を一部明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成２６年度は，予定通り，単一の均質材料，及び二層材料に対する３次元高調波シミュレーションを実行し，応力状況とその発生特性の関係を考察した．一方，分調波の発生シミュレーションは当初の予想よりも発生現象を確認すること自体が困難であったため，一旦，２次元における数値シミュレーションを実行した．その結果から，分調波の発生はき裂を含む系自体の固有振動特性と大きな関係性を持つことを明らかにした．き裂をモデル化した数値シミュレーションによる分調波発生現象の再現はこれまでに例がなく，大きな業績といえる．また，当初予想していなかった発生要因を明らかにすることができた．
しかしながら，分調波励起シミュレーションは，明確に発生したかどうかを判定するために長い解析時間を必要とする．そのため，今後，分調波発生シミュレーションを３次元において実行するために必要な時間方向に高速な解法の開発に着手し，完成させた．この時間方向の高速化は当初の予定には含まれておらず，本研究を遂行する上で得られた副産物であり，計算量のオーダーを大きく改善するものである．また，本研究に用いている解析手法である時間領域ＢＥＭに対して一般的に利用することが可能である．
以上のように，分調波発生現象の再現に関しては，若干の研究遂行手順の変更は余儀なくされたものの，発生要因をある程度，明らかにすることができた．さらに，当初の研究計画には含まれていない数値解法の高速化にも成功したため，予定以上の進展があったと考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
２次元分調波励起シミュレーションによって得られた知見から，分調波シミュレーションには固有振動解析を高精度に実行できる解析手法の開発が必須であることがわかった．そのため，開発した時空間の両方向に高速な３次元解析手法を，様々な形状，配置の閉口き裂に対して高精度な数値シミュレーションを実行できるように改良し，分調波励起シミュレーションを行う．また，分調波発生現象が実験において確認されている表面き裂に対しても適用可能な手法に拡張し，数値シミュレーションを実行する予定である．これらの結果は，２次元，３次元の数値シミュレーションにおいてどのような違いがあるか比較，検討を行い，分調波発生要因をより明確にしていく予定である．
一方，平成２７年度の予定に含まれるＢＥＭ－ＦＥＭ結合解法を用いた非均質材料へのアプローチは，現在２次元において進行中であり，今後，３次元に拡張する予定である．また，平成２６年度に開発を行った時間方向に高速な手法を適用することでさらなる高速化を施し，比較的大規模な問題へとアプローチする予定である．
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