2016 Fiscal Year Annual Research Report
非接触レーザー加振システムによる機械／生体システムの動特性評価および異常診断
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16H04286
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
梶原 逸朗 北海道大学, 工学研究院, 教授 (60224416)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大橋 俊朗 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30270812)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | レーザー誘起プラズマ / 非接触レーザー加振 / 振動計測 / 音響計測 / インパルス応答 / 周波数応答 / 損傷検知 / 構造ヘルスモニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
構造物に生じた損傷が原因となる事故を防ぐために，定期的に安全性を評価することは非常に重要である．本研究は，レーザー誘起プラズマによる非接触レーザー加振技術を用いた，損傷検知システムの構築を行うことを目的として実施した．レーザーによる加振は理想的なインパルス入力であり，再現性も非常に高いことから，損傷検知システムに適している．本研究では，パイプ構造の損傷穴やアルミニウム平板のき裂に対して，損傷検知を実現するシステムを構築した．
まず，レーザーブレイクダウンによって生成される音響加振力をパイプ構造物の内部にて作用させ，マイクロホンを用いてパイプ内部の音響特性を，音圧の時間変動やパワースペクトルを用いて評価した．その際，加振点の位置が計測結果に与える影響についても調べた．その後，品質工学の考えに基づいたRT(Recognition-Taguchi)法を用いた損傷検知を行った．そして，パイプ内部の音圧の時間変動に対して，連続ウェーブレット変換を適用し，損傷穴による反射波を抽出することで損傷位置の特定を行った．さらに，音響カメラを用いたビームフォーミングによる音響同定手法を用いて，損傷穴からの音を検知し，位置特定を行った．
アルミニウム平板の損傷検知では，まず，レーザーアブレーションによる加振によって平板を振動させ，振動の時刻歴応答を計測した．そして，き裂によって反射されるその振動を，連続ウェーブレット変換によって抽出し，き裂の位置を特定した．
以上の結果から，レーザー誘起プラズマによる構造・音響加振は，損傷検知に適用可能であることが確認され，対象物に触れない簡易な損傷検知システムの構築に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度における研究計画・方法の概要は，「非接触レーザー加振・振動計測技術の評価および体系化」および「ヘルスモニタリング技術の高度化とFEMによる評価」である．
前者に関し，レーザーアブレーションおよびレーザーブレイクダウンを利用した加振による振動実験を実施し，生成される加振力の特性を評価し，両者の得失を明らかにするとともに，適切な実験条件を分析することを計画していたが，予定どおり加振力および実験条件に関する詳細な分析および評価が実施された．
後者に関し，レーザー加振による高周波数帯域の振動計測法を確立し，振動特性をモニタリングすることにより，その動特性の変動から機械システムの故障・異常を診断する技術を構築することを計画していたが，研究実績の概要に記載したとおり，パイプ構造の損傷穴やアルミニウム平板のき裂に対して，損傷検知を実現するシステムを構築することに成功した．
以上の結果から，本研究はおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
LIB音響加振・計測によるパイプ構造物の損傷検知に関し，RT法をベースとする手法を拡張し，損傷位置の特定を可能にする．これを実現するため，損傷による周波数応答の変化を詳細に分析するとともに，その特徴を体系的に整理し，損傷位置を同定するアルゴリズムを開発する．そして，ウェーブレット変換を用いた損傷検知および位置同定において，直線状およびL字型のパイプを用いた実験に加え，実環境での適用を見据え，さまざまな条件での実験・評価を行い，システムの高度化を目指す．
アルミニウム平板のLA構造加振・計測に基づくウェーブレット損傷検知システムに関し，これまで特定の加振条件および計測条件で実験を実施したが，より汎用的なシステムにすべく，2次元における波動の伝播をより詳細に分析し，諸条件に関する体系化を行う．これに基づき，損傷検知の精度および感度を向上させる．
上記の検討に加え，非接触レーザー加振・振動試験法を拡張し，回転体／移動体の実稼働時振動計測を行う実験システムを構築する．そして，回転体の振動計測に関し，実験によって得られた結果を，弾性論による解析およびFEM解析で得られた結果と比較・評価することにより，本振動試験法の有効性を検証する．これを実現するため，回転体の角度計測および移動体の位置計測の情報に基づき，レーザーの照射タイミングおよび照射方向を制御するシステムの開発を目指す．本システムをベースとし，タービンブレードなど，回転体の振動計測およびヘルスモニタリングを行うシステムを構築する．
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| Remarks |
北海道大学 大学院工学研究院 スマートメカニズム研究室において実施された研究内容および得られた研究成について紹介している．
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