2017 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 / 環状構造物 / モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、インフラ設備などの構造物に生じる事故や災害が大きな社会問題になっており、これらの構造物の変状や損傷のモニタリング技術の開発が急務となっている。光ファイバは高速大容量情報通信ネットワークの基盤となる通信用媒体であることに加え、従来の電気的センサでは実現できなかった長距離・分布計測が可能なひずみセンサとして、構造物のモニタリングへの応用が期待されている。光ファイバをモニタリング対象に設置することで、対象のひずみを得ることができる。この光ファイバによるひずみ計測は、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位置を中心に空間的にある長さの観測区間内、また観測時刻を中心とする時間的にある長さの観測時間内でのすべてのBGSが観測される。本計測の普及に向けて、ひずみ誤差の特性の明確化、ひずみ・変位計測アルゴリズムの研究を進めた。
平成29年度に妥当性を確認した、実構造物に一般的に生じる空間的かつ時間的な不均一なひずみ下のBGSのモデルを用いて、空間的にも時間的にも線形に変化するひずみ、空間的には線形・時間的には放物線で変化するひずみに対して計測誤差の特性を明らかにした。また、円環構造物のひずみ計測に用いてきた最適化計算方法を滑降シンプレックス法から人工蜂コロニーアルゴリズムに変更することによって、大幅な計算時間の短縮と高精度の解の探索とを実現した。さらに環状構造物断面各部の変位計測において、計測された内外周のひずみに含まれる誤差、円環各部の寸法、変位計算に用いるパラメータが変位計測に与える影響を明らかにした。
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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
(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
当初平成28年度に計画していた空間的・時間的同時不均一ひずみ下のBGSの形状のモデル化、平成29年度に計画していた空間的・時間的同時不均一ひずみ下のBGS観測システムの構築とそれを用いたBGS観測によるモデルの妥当性確認のいずれも、平成28年度に行うことができた。平成30年度はこのモデルを用いて、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・時間的には放物線で変化するひずみの計測誤差の特性を解析した。
(2) 環状構造物の高精度ひずみ計測方法の開発
これまでに開発してきた円環構造物のひずみ計測を環状構造物のひずみ計測に拡張する際、計算時間の短縮と解の精度向上が必要であることが平成28年度の研究によって明らかになった。そのためBGSからひずみを求めるための多変数関数の最適化計算を、滑降シンプレックス法から人工蜂コロニーアルゴリズムに変更し、そのソフトウェアを開発して両方法の性能を比較、評価した。その結果、同精度の解を得るのに要する時間の大幅な短縮と、より精度の高い解の探索が可能であることがわかった。また、円環直径に集中荷重が作用した場合のひずみを、理論的にまた有限要素法解析ソフトウェアを利用して求め、両者の結果が一致することを確認した。これにより、今後の研究の展開に必要となる有限要素法解析ソフトウェア利用の習熟とパラメータ設定方法の確認を行うことができた。
(3) ひずみからの構造物断面各部の変位計測方法の開発
平成29年度に開発した、円環の内外周の円周方向ひずみから円環断面各部の変位を得るソフトウェアを用いて、ひずみの計測誤差、円環の半径と厚さ（外周と内周の差）の比、変位計算に用いるパラメータが変位計測に与える影響をシミュレーションによって明らかにした。
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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
本課題については、計画していた内容を平成29年度までに実施することができたので、平成30年度以降は検討すべき新たな課題が明らかになった場合に検討する。
(2) 環状構造物の高精度ひずみ計測方法の開発
平成29年度に検討した環状構造物のひずみ計測に用いる最適化計算において、人工蜂コロニーアルゴリズムに変更するために再検討するとともに、その結果に基づいて代表的な環状構造物である楕円断面の構造物のひずみ計測を実現するソフトウェアを開発する。また、有限要素法解析ソフトウェアを用いて、典型的な荷重条件の下で円環構造物に生じる円周方向のひずみを求め、このひずみから算出されたBGSを算出する。そして、このBGSから開発したソフトウェアを用いてひずみを計測する。両ひずみを比較することによって、開発したひずみ計測方法またそれを実現するアルゴリズムの有用性を確認する。可能であれば、円や楕円などのように曲面だけからなる環状構造物に加え、曲面と直線の断面をもつ環状構造物についても検討していく予定である。
(3) ひずみからの構造物断面各部の変位計測方法の開発
有限要素法解析ソフトウェアを用いて、典型的な荷重条件下での円環構造物各部の変位と、内外周の円周方向のひずみを求める。上述の(2)の場合と同様に、まずひずみからBGSを、そして次にBGSから再びひずみを求め、さらにこれまでに開発しているソフトウェアを用いて変位を算出する。そして、有限要素法解析ソフトウェアで得られた円環各部の変位と、開発したひずみからの円環構造物各部の変位計測方法によって得られた変位とを比較することによって、開発方法の評価を行う。また、楕円断面をもつ環状構造物にも拡張するための基礎的検討を行う。
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| Causes of Carryover |
平成29年度に成果報告を予定していた国際会議を、平成30年度に開催される国際会議で報告することにしたため、平成29年度の支出が当初計画より減額となった。この減額分を、平成30年度に予定している国際会議発表に使用する。
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