2017 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification of Nonlinear Ultrasonic Propagation Behavior Due to Fiber-Matrix Interface in Composite Material
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16K17979
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松田 直樹 京都大学, 工学研究科, 助教 (90756818)
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2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 繊維強化複合材料 / 超音波 / 非破壊評価 / 高調波発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
複合材料における繊維－樹脂界面の微視的なはく離を検出することにより早期段階での非破壊評価の実現が期待できる．しかし，線形的なパラメータを評価する従来の非破壊評価法では，こうした微視的な損傷の検出は困難であった．そこで本研究では，繊維－樹脂界面のはく離が非線形超音波伝搬挙動に与える影響を明らかにすることで解決を目指した．本課題では以下の２点について検討を行った．
１．炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を対象として，その微視的・巨視的な損傷と超音波伝搬に伴う非線形性の変化との関係について検討を行った．まず，短冊状の直交積層CFRP板の試験片に対して引張負荷中に超音波を入射し，高調波発生挙動を評価した．その結果，材料の非線形性を表す非線形パラメータβの変化の傾向は，試験片に与えた引張損傷の傾向と一致していることが示された．これに加えて，高調波発生挙動と材料中の損傷の関係を詳細に検討した．試験中に発生した横き裂をレプリカ法を用いて写し取り，その横き裂密度と高調波発生挙動の変化の関係を評価した．その結果横き裂密度の増加に伴って非線形パラメータβが減少することが示された．非線形パラメータβの変化はミクロな損傷の発生を反映していると考えられる．
２．上記の検討と並行して，複合材料中の繊維－母材界面の非線形性に起因する高調波発生挙動を数値的に検討した．本解析では繊維に対して直交方向に縦波および横波が入射される条件を想定した．多数の繊維による多重散乱および界面における非線形性を考慮するため，固有関数展開に基づいた定式化を行った．本定式化に基づいた数値解析の結果，円柱－母材界面の結合状態の指標である接触面剛性によって二次高調波の散乱波の指向特性が大きく異なることなど，従来知られていなかった非破壊評価に有用と考えられる現象が確認されている．
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