2016 Fiscal Year Research-status Report
光ファイバひずみ計測の普及に向けた計測の高精度化についての研究
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16K01286
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
成瀬 央 三重大学, 工学研究科, 教授 (60402690)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三島 直生 三重大学, 工学研究科, 准教授 (30335145)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光ファイバ / ブリルアンゲインスペクトル / ひずみ / 変位 / 計測 / 円環 / モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
安全安心な生活環境のためには、事故や災害が社会問題になっているインフラ設備などの構造物に対する変状や損傷のモニタリング技術の開発が急務である。光ファイバは一般的には、情報社会を支える通信用媒体として知られているが、それに加えて、長距離・分布計測が可能なひずみセンサとして構造モニタリングへの応用が期待されている。モニタリング対象に一体化して設置された光ファイバのひずみを計測することで、対象のひずみを間接的に得ることができる。この光ファイバひずみ計測は、光ファイバ内で発生するブリルアン散乱光のスペクトル（以下BGSと略す）がひずみに比例して周波数シフトする現象に基づいている。通常BGSは山型の形状を持つことから、BGSが最大になるときの光周波数が求められ、それが対応するひずみに変換される。この計測では、光ファイバ上のひずみ計測点を中心として空間的にある長さの観測区間内、また観測時刻を中心として時間的にある長さの観測時間内のBGSが観測される。
地震の際などのように構造物に空間的にも時間的にも不均一なひずみが生じている場合を想定し、これまでの個別に検討してきたそれぞれのひずみ下のBGSの形状解析を統合することによって両不均一ひずみ下のBGSモデルを構築し、その妥当性を実験で確認した。
断面の変形は、ひずみとともに構造物の変状を表す重要な指標である。円環の内外周のひずみから、円環断面各部の変位を計測する方法を開発した。この方法では真直梁に対する変位算出方法を基礎とし、構造物の断面を微小真直梁の集合とみなして各微小真直梁の向きを考慮して変位を求めている。本方法を実現するためのソフトウェアを作成した。円環直径上に作用する荷重によって生じる円環内外周のひずみと断面各部の変位を理論的に求めるとともに、本方法によりひずみから変位を求めた。両者はよく一致しており、本方法の有効性を確認できた。
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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
(1) 空間的・時間的同時不均一ひずみのひずみ計測への影響の明確化
これまで個別に研究を進めてきた、空間的・時間的不均一ひずみ下の光ファイバに生じるBGSの形状解析方法を組み合わせ、両者が同時に生じている場合のBGSの形状を与えるモデルを構築した。２種類の典型的な空間的・時間的不均一ひずみ、すなわち空間的にも時間的にも線形に変化するひずみと、空間的には線形で時間的には放物線で変化するひずみの下でBGSを実際に観測し、いずれの場合も、モデルから得られたBGSと観測されたBGSとがよく一致していることを確認した。有限要素法解析などによってモニタリング対象に生じる不均一ひずみを推定すれば、BGS形状の変形やそれによるひずみ計測誤差も予想できるとともに、変形したBGSに対する解析方法の開発も可能となる。
(2) ひずみからの構造物断面各部の変位計測方法の開発
この研究の第1ステップとして、円環の内外周に生じている円周方向ひずみから、円環断面各部の変位を得る方法を開発した。本方法では円環を微小な真直梁の集合とみなし、各微小真直梁についてその長さ方向に直交する方向の微小変位を既存の方法で求め、求められたそれぞれの微小変位を、微小真直梁の接合面の角度を考慮して水平方向と鉛直方向の変位に分解し、その累積として円環断面各部の変位を算出する。本断面変位計測アルゴリズムを実行するためのソフトウェアを開発した。円環直径上で対向作用する引張り荷重によって生じる、円環内外周の円周方向ひずみと円環各部の変位を理論的に求め、この変位と、本方法によってひずみから求められた変位とを比較し、両者がよく一致することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 空間的・時間的同時不均一ひずみのひずみ計測への影響の明確化
平成28年度は当初の予定の通り、これまで個別に研究を進めてきた空間的不均一ひずみと時間的不均一ひずみ下のBGSの形状解析を組み合わせ、空間的・時間的同時不均一ひずみ下のBGS形状をモデル化した。それに加えて、平成29年度に予定していた実験によるモデルの妥当性の確認、すなわち、空間的・時間的不均一ひずみを同時に光ファイバに形成するとともに、その光ファイバのBGSを観測する実験システムを構築し、観測されたBGSとモデルとがよく一致していることを確認した。
(2) 環状構造物の高精度ひずみ計測方法の開発
当初、平成28年度に予定していた環状構造物の高精度ひずみ計測方法の開発は、平成29年度から開始することになった。その理由は上述したように、平成29年度に予定していた空間的・時間的同時不均一ひずみのひずみ計測への影響の明確化についての研究を、平成28年度に先行して行ったためである。平成29年度は、これまでに開発した、BGS形状モデルを用いた円環構造物の円周方向ひずみ計測方法を基礎とし、それをより一般的な環状構造物に適用できるように拡張する。本方法のアルゴリズムの考案、そのアルゴリズムを具体化するソフトウェアの開発を行う。
(3) ひずみからの構造物断面各部の変位計測方法の開発
これまでの研究によって開発した、BGSモデルに基づく円環周上に生じている円周方向ひずみ計測のためのソフトウェアと、平成28年度に開発した円環の内外周のひずみから円環断面各部の変位を求めるソフトウェアとを組み合わせ、構造物のモニタリングに重要な指標であるひずみと変位の両方を計測するソフトウェアを開発する。このソフトウェアを用いて、円周上のBGS観測点の数や観測区間長などのBGS観測条件、計測対象の円環のひずみが、ひずみや変位の計測に与える影響を調べる。
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| Causes of Carryover |
物品購入時に相見積もりをとる、さらに価格の値引き交渉することで、実際の物品購入金額が、当初の見積もり額より減額することができたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度の研究における物品購入などに使用することを計画している。
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