2018 Fiscal Year Annual Research Report
高耐熱複合材料の健全性診断のための高温環境における超音波可視化技術
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18H01332
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡部 洋二 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (90313006)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 理 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (00795130)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超音波非破壊検査 / 高温環境 / 可視化 / 耐熱複合材料 / 健全性診断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、耐熱複合材料の高温環境における健全性を高い信頼性で診断するため、1000度レベルの高温状態でも、超音波ガイド波の伝播挙動を可視化できるシステムを構築する。さらに、理論解析によって複雑な損傷部がガイド波伝播挙動に及ぼす影響を明らかにする。これにより、高温環境での複合材を対象とした健全性診断手法を確立する。
本年度は、まず、高温超音波可視化システムの構築に着手した。具体的には、研究代表者らが所有する、つくばテクノロジー社製のレーザー超音波可視化検査装置に、独自に開発してきた位相シフト・ファイバー・ブラッグ・グレーティング光ファイバ超音波センサシステムを組込むことを試みた。その後、アルミ板に光ファイバを接着し、そのアルミ板を透明なガラスヒータで挟んで250度まで加熱した。そして、ガラスヒータを通過するようにレーザーを照射しながら走査し、計測を実施した。その結果、250度に加熱されたアルミ板におけるラム波の伝播挙動を可視化することに成功した。
その計測システムの構築と並行して、複合材料を伝播する超音波ラム波が、内部損傷を通過する際の振る舞いを解明するための、理論解析手法の検討を進めた。まず、任意断面形状の複合材料構造におけるラム波のモード分散性を理論的に計算するため、半解析的有限要素法を導入し、異方性材料にも適用可能にした。これにより、複合材料構造を伝播するラム波に含まれる複数モードの種類を、理論的に把握することが可能となった。一方で、市販の有限要素解析ソフトウェアを用いて、損傷を有する複合材料構造におけるラム波の伝播挙動のシミュレーションを行うため、衝撃損傷を、剛性低下に基づいてモデル化する手法を構築した。
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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
まず、高温環境での超音波伝播の可視化計測システムについては、当初の予定通り、基本的な計測システムを構築し終わり、約250度の高温状態で、板材におけるラム波の伝播挙動を可視化することに成功している。ただし、当初は、異方性の耐熱CFRPを対象として計測実証を行う予定であったが、本年度は、等方性のアルミ板での検証となった。しかしながら、本システムの300度レベルの高温での計測性能を、十分に評価することができた。
次に、ラム波伝播の理論解析については、当初の予定通り、理論計算と数値計算の両面で研究を進めることができた。理論計算においては、半解析的有限要素法を導入し拡張することで、任意の断面形状の異方性複合材料構造におけるラム波のモード分散性を把握することが可能となった。そして数値計算では、有限要素解析法において、衝撃損傷部を剛性低下によってシンプルにモデル化することで、衝撃損傷がラム波伝播挙動に及ぼす影響を評価することが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に構築することのできた高温計測用の超音波可視化システムについて、さらに高い1000度レベルの高温環境においても計測可能であることを実証する。まず、セラミックス単体の試験片を用意し、その試験片を両表面から挟み込んで直接加熱するための、ヒーターを内蔵した固定冶具を作製する。その冶具の中央部分には窓を開けておき、その窓の部分にレーザーを走査しながら照射することで、1000度レベルの高温状態の試験片に対して計測を実施する。その後、高耐熱性のセラミックス基複合材料での計測へと移行し、実際に損傷を導入した後に、1000度の高温での超音波の振る舞いを観察する。
一方で、今年度に構築した理論解析手法において、温度の影響を考慮可能にするための改良を進める。温度上昇がラム波伝播に影響を及ぼす主要因として、試験片材料の弾性特性の温度依存性が挙げられる。そのため、実際に、加熱した試験片を伝わるラム波の伝播速度と波形の変化を計測し、理論解析手法への温度依存パラメータの導入方法を検討する。これにより、温度の影響を考慮した理論解析法を確立する。さらには、異方性複合材料にレーザーを照射した際の超音波の励起挙動を、有限要素解析によって再現する手法を構築する。これにより、レーザー超音波のシミュレーションをより正確にする。そして最終的には、損傷を導入したセラミックス基複合材料における高温での超音波伝播挙動の計測結果を、数値計算によって再現するとともに、そのラム波の振る舞いを理論的に明らかにする。これにより、高温環境での非破壊検査に高い信頼性を与えることを目指す。
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