力学的非線形性を有する界面を含む積層構造物中の非線形弾性波伝搬挙動の解明

• 研究課題/領域番号: 22K03809
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: 松田 直樹 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (90756818)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 非破壊評価 / 界面特性 / 超音波 / スペクトロスコピー / 接着接合部 / 非線形特性 / ガイド波 / 接着構造

研究開始時の研究の概要

評価対象の力学的非線形性を用いる非線形超音波法は，従来用いられてきたき裂面での超音波の反射特性とは異なる原理に基づく非破壊評価手法である．特に積層構造物における界面のはく離や閉じたき裂では，界面での力学的な非線形性が強く非線形超音波法が有効である．一方で，被着体の汚染等，不完全な接着処理に起因する弱接着部などは，超音波反射特性のみならず，界面の非線形性も弱いケースがあり，従来法と非線形超音波法のいずれを用いても評価が困難であった．そこで本課題では界面に非線形性を有する積層構造物を対象とし，積層構造物を伝搬する超音波（ガイド波）における高調波発生挙動の理論的な基盤を構築することを目的とする．

研究実績の概要

2022年度に行った接着接合部における界面の力学特性の評価では，界面剛性が一定の値以上になると評価関数がほとんど変化せず，本手法の適用は本質的に難しいことが明らかになった．そこで，面内方向の共振特性を利用した評価法の提案として，本年度は金属表面の腐食現象として初期に発生する孔食の評価を試みた．本年度はまず，孔食が超音波反射特性へ与える影響について，数値シミュレーションによる検討を行った．解析には伝達マトリクス法を用いた定常解析を用いた．その結果，試験片の厚さが変化した場合は反射波の周波数スペクトルに現れるノッチの位置が変化し，反射・透過波が表面の荒れにより散乱減衰した場合はノッチの幅が変化するという結果を得た．解析の結果を受けて実験的に孔食の評価を試みた．具体的には1% NaCl aq中にてSUS316Lの試験片に対し定電位条件において電流を流して試験片を腐食させ，電荷量ごとに超音波に対する反射応答を評価した．その結果，腐食の進展に伴う反射波の周波数スペクトルの変化が確認された．一方で，反射・透過波の減衰によるモデルの解析結果と同様の結果を示したが，反射波の周波数スペクトルには，孔食の密度や腐食により失われる体積の定量化を行えるほどの変化が現れず，特に試験片の厚さ変化によるノッチの変化は解析とは異なる結果となった．これは，材料厚さの減少は主に全面腐食で発生するものに対し，孔食は局所的に発生する腐食であるため材料厚さの減少としては変化が表れなかったためと考えられる．また解析では，孔食の進行とともに穴が増え，大きくなっていくという状況を想定していたが，実際には超音波にて評価を行っていた領域の外で局所的に腐食が進んでおり，解析で想定した全面腐食でなかったことも要因と考えられる．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度の研究では界面での散乱の影響を考慮したモデルでの評価法の開発や，孔食などの別の界面現象の評価法の開発を行うなど，当初の想定とは別の内容で進捗があったと言える．一方で評価対象の非線形性にまで研究が進められておらず，この点は予定の研究進捗よりも遅れていると判断されるため，双方の状況を考慮して，やや遅れていると判断した．

今後の研究の推進方策

2022，2023年度に行ってきた界面での超音波伝搬特性の結果をもとに，今後は積層構造における位相整合条件の理論的な解析に取り組む予定である．具体的には界面が非線形な力学特性を有する積層構造物の高調波発生挙動について，積層構造を構成する単層中の伝搬挙動から理解するための理論的な解析を行う．また，一般的な対象における高調波の測定に適した条件の検討を行う予定である．