2019 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 | 超音波非破壊評価 / 逆解析 / トポロジー感度 / 数値解析 / AE / 繊維強化プラスチック / 弾性定数の推定 / 非線形超音波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では主に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,B)FRPに対する新たな非接触弾性定数推定法の開発,C)FRPに対する非線形超音波法の定量化,D)FRPに対する新たな欠陥形状再構成手法の開発,E)FRPに対するAE法の開発に取組んでいる．A)については，京都大学のプログラム高度化支援事業の助成も頂き，二次元問題に対する高速化を達成した．また，三次元問題への拡張についても取り組んだ．異方性の強い一方向CFRP中の欠陥に対する三次元弾性波動散乱解析を行い，一定の成果を得た．一方，B)については，45度方向のqP波の位相速度を求めるために，波面を多項式で近似的に表現し，幾何的に求める方法を検討し，一定の成果を得ている．また，これまで行ってきた時間領域での弾性定数推定法を，周波数領域でも行うことで，精度良くCFRPの弾性定数を推定できた．C)に対しては，異方性の影響を考慮した高調波の受信シミュレーションを精度良く実行できている．一方，D)については，2次元空洞等に対する逆散乱解析を終了している．現在，3次元における一般の異方性材料に対する逆散乱解析の定式化を行い，簡単な数値解析例を示すまでに至っている．またE)においては，時間反転法を用いて，AE発生源を推定する方法について検討を行っている．擬似AE源から発生したAEを複数の素子で受信した場合，数値シミュレーションで破壊によるAE発生を再現した場合を考え，両者の結果で得られたAE受信波形を，時間反転させることで，AE源を推定することを行っている．この研究はD)とも関連している．複数の素子で得られた波形群を時間反転させて得られる波動の収束点がAE源（欠陥位置）となるが，クロススペクトル法や，近年，機械設計の分野で注目を集めているトポロジー最適化の指標となるトポロジー感度を用いて収束点を定量的に評価した．
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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
本研究ではFRPに対する非破壊評価の高度化を目指し，その主要テーマをA)-E)の5つに定めている．A)については，差分法や有限要素法，境界要素法等，幅広い数値解析手法でFRPの異方性を考慮した弾性波動解析手法を開発してきた．残された課題は，境界要素法や粒子法を用いた場合の3次元解析であるが，概ね予定通り開発が進んでいる．高速化結果は，国際会議で発表している．B)については，開発した新しい異方性弾性定数推定法に関する研究を，国際学術雑誌に投稿し，採択されている．この推定法は，時間領域，周波数領域の両者で可能であり，周波数領域での推定は，当初の計画には含まれていなかった．そのため，当初の計画以上に順調に進展したと考える．C)に関しては，現在，高調波シミュレーションに関して一定の成果が出たので，論文の投稿中である．しかし，計測実験で高調波を精度良く検出することができていない．そのため，実験と数値解析両面での検証が今後の課題となる．一方，D)に関しては，Born近似を用いた3次元逆散乱解析の数値実験まで辿り着いているため，順調に研究は進展している．その成果の一部は，国際学術雑誌に投稿中である．またE)についてであるが，計測実験および数値解析による受信波形の取得は出来ている．時間反転法は，計算機上で実行する方法である．得られた両者の波形を用いて，問題なく解析を実行できている．その成果は，複数の学術雑誌に投稿し，採択されている．さらに，A)-E)に関する研究成果は，数多くの国内会議，国際会議で発表を行って来た．その成果は，各種，招待講演等でも示している．新型コロナウィルスの影響で，研究室での計測実験が出来ない状況が続いている．そのため，一部の実験は，数値シミュレーションで再現する方策を採っている．同様に，学会発表の相当数が中止に追い込まれているため，国際学術雑誌への投稿に重点を置く．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は概ね順調に進展しているが，今後の課題も数多い．A)については，3次元問題の計算負荷が大きい．そのため，引き続き遠方場近似を積極的に導入する等，計算負荷を低減するための方法の開発が不可欠である．また，時間領域解析の数値不安定な点を改善する必要もある．B)については，レーザー超音波機器の受信感度を向上させる必要がある．C)については，L字型CFRPや，一般の異方性を考慮した場合のCFRPの解析を考えた場合，3次元への拡張が必要であろう．一方，D)については，Born近似を用いた3次元逆散乱解析がやや数値不安定であるため，この点を改善する必要がある．また，D),E)に関連して，開発中の時間反転法では，欠陥検出の指標にトポロジー感度を用いている．その場合，欠陥の位置推定はできても，欠陥形状の再構成はできない．そのため，今後はトポロジー最適化により，欠陥形状をも再構成する方法を検討する予定である．AE発生のシミュレーションも破壊力学とリンクしてできればと考えている．炭素を対象としたFRPは，積層だけでなく，最近は成形後の形態もL字型等の複雑なものが数多く登場している．本研究でも，L字型CFRPを昨年度対象としたが，一般の異方性は，3次元で表されることを考えれば，三次元問題の研究は重点的に行うべきと考える．また，A)-E)いずれのテーマも，非破壊検査員が最終的に欠陥の有無等を目で見て判断することになる．ここ数年で，社会のICT化が大きく進んでいることを考えれば，本研究の成果を機械学習とリンクすることが必要であろう．機械学習を用いれば，検査員の非破壊検査の工程の一部を機械に任せることが可能となり，将来の検査員不足を改善する手段となり得る．そのため，将来的に機械学習を非破壊検査の研究に適用することを視野に入れながら，研究を進めて行く予定である．結果は引き続き，積極的に社会に発信する．
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