2017 Fiscal Year Research-status Report
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16K06168
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| Research Institution | Tokuyama College of Technology |
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Principal Investigator |
鈴木 厚行 徳山工業高等専門学校, 機械電気工学科, 准教授 (40450142)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超音波振動 / 衝撃吸収 / 高張力鋼鈑 / CFRP / Blaha効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
車両などが衝撃を受けた瞬間に構成する素材に超音波振動を加えることで、変形抵抗を低下させ、衝撃吸収度を向上させる方法を考案した。前年度までの研究では、直径40 mmの小型化した超音波振動子を用いて、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）や高張力鋼鈑に超音波を印加し、衝撃力の低減効果などを確かめた。しかし、駆動電圧を増加させると、一度衝撃力は低下するものの、更に駆動電圧を増加させると衝撃力が増加してしまう傾向が見られた。
平成29年度は衝撃印加用重錘の自動落下装置を製作し、実験条件を複数変えて駆動電圧－衝撃力特性を測定した結果、ばらつきはあるが、駆動電圧の増加に伴って衝撃力が減少することを確かめた。CFRPに超音波を印加した場合、衝撃印加用重錘が衝突した瞬間の衝撃力が最大で95％低減した。また、超音波を印加してから衝撃印加用重錘を落下させるまでに時間を変化させたときの衝撃力を測定した。この実験も大きなばらつきはあったものの、超音波の印加時間が長いほど、衝撃力が低減する傾向が見られた。本装置を実用化するには超音波の効果が表れやすい最適条件で駆動する必要がある。平成29年度に実施した研究も、最適条件を探ることにつながると考える。
平成29年度はさらに、自動車のボンネットを保持する機構を想定した構造体を製作し、人体の頭部を模したダミーである歩行者保護試験用頭部インパクター（JASTI製 ISO-A-CS）を衝突させる試験を行い、頭部損傷値HIC（Head Injury Criterion）がどの程度低減するか確認した。超音波を印加した方が僅かにHICの値が小さくなったが、明確な違いは見られなかった。試作した装置の剛性が低いなど問題点も見つかり、平成30年以降、改良する予定である。
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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
前年度までに得られた実験結果を元に、直径 40 mmの小型化した超音波振動子を用いて、駆動電圧－衝撃力特性や超音波印加時間－衝撃力特性などを測定した。ばらつきはあるものの、駆動電圧や超音波印加時間の増加に伴って衝撃力が減少することを確かめた。測定装置の自動計測化も更に進め、衝撃印加用重錘の自動落下装置を製作した。当初の予定ではコの字型構造体を用いて衝撃特性等を測定する予定であったが、使用可能な設備では正確に高張力鋼鈑をコの字型に曲げることが難しく、データのばらつきが大きいことが予想されたため、一時中断した。今後、精度よくコの字型構造体を製作できるようになれば実験を再開したい。
計画していた自動車のボンネットを保持する機構を想定した構造体は実際に製作し、超音波振動子を2本設置して実験を行った。実験の再現性を高めるため、変形させる高張力鋼鈑は板状のままとした。歩行者保護試験用頭部インパクターを落下させて頭部損傷値HICを測定した。レーザードップラ振動計やインピーダンスアナライザを用い、超音波振動子の振動分布やアドミタンスループの測定は予定通り行った。中断した項目もあるが、総合的に見ると概ね順調に研究が進んだと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
自動車のボンネットを保持する機構を想定した構造体の剛性を高めるなど改良し、歩行者保護試験用頭部インパクター（JASTI製 ISO-A-CS）を衝突させる試験を行い、頭部損傷値HICが超音波の印加によって低減することを確かめる。高速度カメラで変形挙動および衝突物の跳ね返り量を撮影し、超音波の有無による違いを明確にする。もし、超音波振動の効果が小さい場合は、超音波振動子の接続方法を見直すなど改良を試みる。例えば振動子と変形させる素材の両方にラップ加工を施して実際の接触面積を増やし、接着剤を使用してボルトで締結してみる。
これまでの研究では、超音波振動を加えることによって各種の素材を軽い力で曲げることができ、かつ衝撃力が低減することを示してきたが、どの程度衝撃を吸収できるかはまだ解明されていない。今後は衝撃エネルギーの吸収量を計測し、超音波振動による衝撃吸収特性を明らかにしたい。吸収されるエネルギーは各素材に作用する衝撃力を変位で積分して求める。衝撃力は衝撃用ロードセル（東陽テクニカ200C20および200C50）を用いて測定し、変位はリニアエンコーダ（RENISHAW RL32BAT005等）を用いて測定する。それぞれの値はパソコンに取り込み、自動計測する。
また小さな超音波振動子でも効果が現れる素材を探し、どの程度の小型化が可能か検討する。熱可塑性樹脂を第１候補とし、まずは、剛性・硬度・耐衝撃性・曲げ疲労性など機械的特性のバランスに優れるABS樹脂で実験する。
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