光ファイバセンサ出力からの逆解析による複合材料積層板中の損傷発生位置の同定

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14750718
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡部 洋二 東京大学, 大学院・工学系研究科, 講師 (90313006)
• キーワード: 光ファイバセンサ / 複合材料 / 微視的損傷 / FBGセンサ / 逆解析 / 損傷位置同定 / 熱残留応力 / 複屈折

研究概要

外径52μmの細径FBG(Fiber Bragg Grating)センサを炭素繊維強化プラスチック(CFRP)複合材料中に埋め込み、そのセンサからの反射光パワースペクトルの形状変化を調べることで、CFRP積層板内部に発生した微視的なクラックおよび層間剥離を検出可能になった。しかし、さらに位相スペクトルも測定して複素反射光スペクトルを求め、そこから逆解析で損傷発生位置を同定する試みについては、積層板中の非朝対称熱残留ひずみの影響が問題になることが昨年度明らかとなった。
そこで今年度は、反射光スペクトルの計算プログラムに、非軸対称ひずみによって生じる複屈折効果を組み込んだ。これにより、CFRP積層板中に埋め込んだFBGセンサからの反射光スペクトルの、損傷発生による形状変化を、より正確にシミュレーションできるようになった。さらに、その理論計算による反射光スペクトルを、実験で測定した反射光スペクトルに一致させていくことで、クラック発生初期段階におけるクラック位置を同定可能となった。
また、新しい損傷位置同定の手法として、チャープFBGを用いた方法を確立した。チャープFBGセンサとは、グレーティング内部で格子間隔が連続的に変化しているFBGで、一般的なFBGセンサとは異なり、このチャープFBGセンサからの反射光スペクトルは広帯域であり、そのスペクトル内の各波長がグレーディング内の各位置に対応している。よって、そのスペクトルに乱れが生じると、その波長から直接、グレーティング中の損傷位置を同定することが可能となる。この手法を用いて、CFRP積層板中に発生したクラックおよび層間剥離の位置を同定可能にした。

研究成果

• [文献書誌] Y.Okabe, R.Tsuji, N.Takeda: "Application of Chirped Fiber Bragg Grating Sensors for Identification of Crack Locations in Composites"Composites : Part A. 35・1. 59-65 (2004)
• [文献書誌] T.Mizutani, Y.Okabe, N.Takeda: "Quantitative Evaluation of Transverse Cracks in Carbon Fiber Reinforced Plastic Quasi-Isotropic Laminates with Embedded Small-Diameter Fiber Bragg Grating Sensors"Smart Materials and Structures. 12・6. 898-903 (2003)
• [文献書誌] I.Taketa, M.Amano, Y.Okabe, N.Takeda: "Damage Detection and Suppression System of CFRP Laminates with FBG Sensor and SMA Actuator"Transactions of the Materials Research Society of Japan. 28・3. 675-678 (2003)
• [文献書誌] S.Takeda, Y.Okabe, T.Yamamoto, N.Takeda: "Detection of Edge Delamination in CFRP Laminates under Cyclic Loading Using Small-Diameter FBG Sensors"Composites Science and Technology. 63・13. 1885-1894 (2003)