2017 Fiscal Year Annual Research Report
先進超音波計測と計算力学を融合させた新たなFRP非破壊診断システムの開発
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17H03294
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
斎藤 隆泰 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (00535114)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中畑 和之 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (20380256)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | FRP / 時間領域境界要素法 / 有限要素法 / 動弾性有限要素法 / 弾性定数推定法 / 超音波非破壊評価法 / レーザー超音波法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H29年度は、主にA) FRPに対する弾性波動伝搬シミュレーターの開発と高度化およびB)FRP に対する新たな非接触弾性定数推定法の開発に関する研究を行った。
A)については動弾性有限要素法(EFIT),有限要素法(FEM),境界要素法(BEM)の3つの数値解析手法の特徴を活かすため、それぞれの手法に対する異方性弾性波動シミュレーターを開発した。幾何座標系に対して、任意の異方性主軸を設定した場合でも、正しくFRP中の弾性波動伝搬解析を行えることを確認した。
次にB)については、まず、新たに導入したレーザー超音波可視化試験機を用いてFRP中の超音波伝搬を可視化することを行った。FRP中では、基本的に繊維方向に超音波速度が異なる。そのため、弾性定数も複数推定する必要があるが、可視化結果された時刻の異なる画像を複数用意し、超音波の伝搬方向と時間差から速度を求め、かつ異方性弾性波動論を駆使することで弾性定数を推定する新たな方法を提案した。提案手法の妥当性を確認するために、一方向繊維強化CFRP、疑似等方性CFRP等の異方性の性質が異なる複数のCFRP試験体を用意し、それらに対して提案手法を実施することで、それぞれのCFRPに対する異方性弾性定数を推定した。さらに、推定した弾性定数を、A)で開発を行ったFRPに対する弾性波動伝搬シミュレーターの入力として与え、超音波伝搬シミュレーションを実施し、実際のレーザー超音波可視化試験結果と比較・検討することで、推定された弾性定数の妥当性を示した。また、H30年度以降に取組む予定であった、FRP中の欠陥形状を再構成する逆散乱解析法について、2次元問題に対して開発を行った。また、H30年度以降に実施する予定であるAE計測実験や時間反転法を用いた欠陥形状再構成法に関する予備的な検討を行い、材料が等方性である場合の結果を示すことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画段階におけるH29年度に実施予定の研究内容は、先に述べたようにA)FRPに対する弾性波動伝搬シミュレーターの開発と高度化およびB)FRPに対する新たな非接触弾性定数推定法の開発である。
A)については、当初の計画通り、動弾性有限積分法、有限要素法、境界要素法3つの数値解析手法について、弾性波動伝搬シミュレーターを開発することを行った。動弾性有限積分法は、FRPの主軸と幾何座標軸が一致しない場合は、予想通り解析は不安定となったものの、いずれの手法も通常の解析では、問題なく数値解を導くことができている。また懸念された境界要素法を用いた場合の高速解法も、基礎的な検討は概ね終えており、予定通り進んでいると言える。
B)については、レーザー超音波可視化試験結果を援用した新たな弾性定数推定法を開発することができた。しかも、その方法は、単に複数枚の超音波伝搬可視化結果の時間差を取ることで、超音波伝搬速度を求める予定していた手法のみならず、フーリエ変換を応用して求める予定とは別の方法についても開発することができた。加えて、当初、懸念された高額なレーザー超音波試験機が故障するといった事項も生じなかった。そのため、B)については予定通り研究が進展している。
一方、H30年度以降の研究目標として、D)FRPに対する新たな欠陥形状再構成手法の開発を掲げていたが、H29年度中に、FRP中の空洞を再構成する方法については2次元面内波動を対象とした場合、層間剥離を再構成する方法については、2次元面外波動を対象とした場合について、既に定式化を施し、結果を示すことができた。さらに、同じくF)FRPに対するAE法の開発についても、予備的な実験を行うことができている。以上より、H29年度は、当初の計画A),B)のみならずD)やF)の課題についても取り組めたため、当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
H29年度の進捗状況は、当初の計画以上に進展している。その状況を鑑みて、H30年度は、以下の内容を実施する。
A)FRPに対する弾性波動伝搬シミュレーターの開発と高度化を引き続き実施する。特に時間領域境界要素法を用いたシミュレーターの大規模並列化を実施する高度化を行う。この高度化と並列化性能や妥当性の確認には、京都大学のスーパーコンピューターを利用する。
B)FRP に対する新たな非接触弾性定数推定法の開発についても引き続き実施する。H29年度に開発した手法を用いて、FRPの一種であるGFRPに本手法を適用できることを示す。
C)FRPに対する非線形超音波法の定量化に取組む。これまで申請者が行って来た非線形超音波法に関する研究をFRPへと拡張する。まずは、時間領域境界要素法を用いて、高調波励起シミュレーションを実施することを行う。
D)FRPに対する新たな欠陥形状再構成手法の開発を行う。通常、FRPは層間剥離が生じ易いことで知られている。したがって、欠陥形状は、面状欠陥を扱えばよいと考えられる。そこでH30年度は、H29年度に行った面外波動を用いた層間剥離の再構成手法を面内波動を用いた場合へと拡張する。また将来の3次元化を目指し、逆散乱解析の定式化に必要な異方性弾性波動問題に対する基本解の遠方場近似法についても検討を行う。
E)FRPに対するAE法の開発についても実施する。特に、FRPは薄板として扱う場合が多い。そのため、超音波伝搬を検討するにはガイド波としての検討も必要であろう。H30年度は、任意の積層CFRPに対して分散曲線を描く方法を検討し、計測実験から、分散曲線が正しく描けていることを示す。また、数値解析により、FRP板内部の欠陥を再構成する方法についても検討する。なお、ここでは、時間反転法とトポロジー感度を用いた欠陥形状再構成手法を開発することを行う。
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