2018 Fiscal Year Research-status Report
Damage evaluation of heat-resistant composites for aircraft engines at elevated temperature using novel fiber-optic sensor-based AE detection method
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18K13920
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
于 豊銘 東京大学, 生産技術研究所, 特任研究員 (50814307)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高温環境 / 光ファイバセンサ / 再生FBG / アコースティックエミッション / ガイド波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、光ファイバセンサを用いたアコースティック・エミッション（AE）技術に基づき、高温環境下で耐熱材料における損傷進展を評価可能なIn-situ 非破壊検査（NDT）手法と、苛酷環境下で適用可能な構造物の健全性モニタリング（SHM）技術を構築することを目的としている。
上記の目的のもと、補助事業の初年度では下記の2つの研究課題を実施した。
課題１ 遠隔AE計測法による高温環境下でのラム波伝播特性の解明：航空機エンジンの部品に多く使われている薄肉構造におけるAE波はラム波として伝播する。損傷進展を評価するためのAE信号解析法の構築にとって、高温環境下における温度変化によるラム波の複雑な伝播特性（多モード性と分散性）への影響を解明することが極めて重要である。しかし、今まで高性能な高温AEセンサがなかったため、その影響を解明する研究もほとんどない。そこで、2018年度では、独自で開発した光ファイバセンサ用遠隔AE計測法を用い、レーザで励起したラム波を計測する実験に基づき、300℃までの温度変化による波の伝播特性を解明した。波形信号からラム波モードを抽出して調べた結果、温度上昇に伴う各周波数成分の伝播速度の低下を定量的に評価できた。数値解析に基づき、その変化は、温度上昇による材料の弾性特性の低下に起因することが分かった。
課題２ 高性能な耐熱光ファイバRFBG超音波センサの構築：これまでの研究で開発した、高温用光ファイバ超音波RFBGセンサの性能を向上させるため、RFBGを形成するシードグレーティングの条件を検討した。具体的には、屈折率が周期的に変化するグレーティングの中央に180度の位相シフトを導入したシードFBGに対して、アニーリング処理を行うことでRFBGを形成した。その結果、有効センサ長が極めて短くなり、より広い周波数帯域にわたって超音波を受信可能となった。
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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
光ファイバ超音波センサによる高温用NDT手法とSHM技術を構築するという目的を達成するため、申請時に次の３つの課題を実施することを計画した：[A] 遠隔AE計測法による高温環境下でのラム波伝播特性の解明；[B] 遠隔AE計測法を用いる高温環境下での材料中の内部損傷評価法の構築；[C] 高温RFBG超音波センサを用いる健全性モニタリングシステムの構築。
前述の「研究実績の概要」で報告した課題１、つまりラム波モードの伝播挙動に与える温度変化の影響の解明は、計画課題［A］に対応しており、計画課題［B］を遂行するための基礎研究と位置づけている。温度変化がラム波モードにもたらす影響を理解することで、高温AE計測によるより適切な損傷評価法を構築することができる。
一方、課題２は計画課題[C]の一部である。より高性能な耐熱性光ファイバRFBG超音波センサの構築は、有用性に優れたSHMセンシングネットワークの開発にとって重要である。
よって、現在までの研究成果は、目標達成に向けての基礎を構築できている。さらに、本研究は学会発表と投稿論文を通じて、それらの知見を積極的に社会に発信している。高温環境におけるラム波モードの伝播挙動の解明は日本機械学会M&Pで発表しており、高性能なRFBGセンサの構築は英文誌「The Journal of Nondestructive Evaluation, Diagnostics and Prognostics of Engineering Systems」に掲載された。
以上の理由で、進捗状況はおおむね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述の3つの計画課題に基づき今後の推進方策を述べる。
推進方策[A] 300~1000℃までの温度環境におけるラム波の伝播特性の解明：初年度に実施した、300℃までの高温環境下における超音波伝播挙動の解明で得られた知見を基に、本研究で想定している適用温度である1000℃までの温度範囲で、複合材料を伝わるラム波の伝播挙動を明らかにすることを試みる。
推進方策[B] 遠隔AE計測法を用いた高温環境下での材料中の内部損傷評価法の構築：温度変化のラム波伝播挙動への影響を考慮した上で、高温環境における耐熱複合材料の内部損傷の形態とAE信号中のラム波モードとの関係を明らかにする。高温下での材料試験中に計測したAE信号から損傷形態を推定できれば、様々な温度条件と荷重条件下で、どのような損傷が発生するのかを判断できる。そこにより、損傷進展挙動を把握可能にする。
ただし、内部損傷を的確に評価するためには、損傷の位置標定が必要となる。そこで、損傷形態の同定と並行して、本研究の遠隔AE計測法を用いた損傷の位置評定方法を検討する。
推進方策[C] 高性能な高温用RFBG超音波センサを用いた健全性モニタリングシステムの構築：上記の2つの課題で使用する遠隔AE計測法は、高性能でNDT手法の構築にとっては有効であるが、センサ部を常に常温環境に設置しなければならないため、SHM技術に適用することが困難である。一方で、RFBGは耐熱性に優れるため、直接高温環境に設置することができる。よって、初年度に構築した高性能な光ファイバRFBGセンサを利用し、苛酷環境下で運用する構造物に設置可能な、SHM用センシングネットワークを開発することを試みる。
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Research Products
(2 results)
