| 研究課題/領域番号 |
17K06237
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
杉浦 壽彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70265932)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 振動学 / 超音波 / ガイド波 / 非破壊評価 / ワイヤロープ |
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| 研究実績の概要 |
ワイヤロープの劣化や断線等を同定する非破壊検査として用いられる漏洩磁束法や目視検査は，点計測型のため，コストや検査時間に難があり，ヒューマンエラーの危険もあることから，劣化や欠陥をより効率的かつ高精度に検出し得る非破壊評価手法の確立が求められている．超音波ガイド波は，平板や配管等の長大構造物に対して長手方向に遠距離を伝播するため，ワイヤロープの全面検査手法として用いることにより，メンテナンスの高効率化と高精度化が期待できる．また，初期段階の疲労き裂や微小なき裂を検出する高精度な非破壊検査法として，非線形超音波を利用した探傷法も期待されている．近年，ガイド波法と非線形超音波法の両メリットを有した非破壊検査法として，累積的高調波と呼ばれる非線形ガイド波による検査法が注目されている．しかし，ガイド波の特徴である長距離伝播を考慮した非線形ガイド波の挙動解明に関する研究はなされていない．本研究では，ガイド波によるワイヤロープの非破壊評価手法確立のために，累積的高調波を含む非線形ガイド波に着目し，伝播モードの直交性と多重尺度法を用いた理論解析により，ガイド波が長距離を伝播する際の動力学的な挙動を明らかにすることを目的とした．
初年度の2017年度には，累積的高調波（内部共振的ガイド波）について，非線形連成の効果と減衰の効果を考慮したうえで，伝播モード直交性と多重尺度法を用いてその伝播挙動の解析を行った．その結果，ガイド波が長距離を伝播する際の複雑な動力学的挙動の一部を解明できた．一方で数値解析による検証を行い，解析結果の妥当性を示した．２年目の2018年度には，初年度に得た解析結果の検証実験を行って良好な一致を得たほか，さらに材質や厚さの異なる領域に入射した際のガイド波のモード変換に関する理論解析やその実験計測も実施し，伝播とともに振動形態や伝播速度が変化するなどの結果を得た．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ガイド波によるワイヤロープの非破壊評価手法確立を目指して，累積的高調波を含む非線形ガイド波に着目し，伝播モードの直交性と多重尺度法を用いた理論解析により，ガイド波が長距離を伝播する際の複雑な動力学的挙動の一部を解明できたほか，その検証実験を行い，さらに材質や厚さの異なる領域に入射した際のガイド波のモード変換に関する理論解析やその実験計測も実施しており，以下の通りの進捗状況のため，おおむね順調に進展していると判断する．
具体的には，初年度において，累積的高調波（内部共振的ガイド波）について，非線形連成の効果と減衰の効果を考慮したうえで，伝播モード直交性と多重尺度法を用いてその伝播挙動を解析し，ガイド波が長距離を伝播する際の複雑な動力学的挙動の一部を解明できたほか，有限要素法や半解析的有限要素法によりその検証もできた．これらの解析結果について，２年目には，検証実験を行い，良好な一致を得た．実験で用いた基本的なガイド波送受信システムの構成は，波形発生器→アンプ→送信用超音波探触子→検査対象試料→受信用超音波探触子→プリアンプ→オシロスコープ，から成る．超音波探触子については，市販の圧電型超音波探触子を使用するほか，各種ガイド波モード用の電磁超音波探触子EMAT（永久磁石とコイルによる構成）を製作して使用した．実験では，伝播に伴う内部共振による2次高調波モードの発生をEMATにより検出でき，その振幅の成長減衰の挙動が理論予測と一致することを確認できた．さらに材質や厚さの異なる領域に入射したガイド波のモード変換に関する理論解析の基礎として，EMATにより発生するガイド波の各モードの振幅評価および異なる材料に入射したガイド波の透過振幅評価の解析的手法を提案し，その結果を分析する一方で，厚さが変化する金属板での伝播実験を実施し，伝播とともに振動形態や伝播速度が変化するなどの結果を得た．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29，30年度に得られた結果を基にして， 3年目の最終年度は以下のことに主に取組む．まず，２年目に続き，非線形ガイド波に関する解析結果について，実験による検証をさらに進める．特に，圧電型の超音波探触子に比べて，電磁超音波探触子EMATの場合，永久磁石とコイルの配置構成の調整によって各種モードを選択的に励振しやすい．２年目には理論的にその点を解析で示した．そこで， 今回まずはEMATの構成の最適化を検討することにより，空間分解能を上げるためにモードの選択的励振と検出を試みて，非線形ガイド波による非破壊評価への有効性を調べる．
さらには，劣化や断線等に起因する非線形性によって，ガイド波のモード間に内部共振が起こり得て，その内部共振に基づくモード間相互作用によるモード変換に伴い，高次あるいは低次モードの励振が起こる可能性があり得る．その基礎的な検討として，材料や厚さの変化する領域を有する構造物モデルを想定して，これまでの理論解析をさらに深め，詳細な結果分析をするとともに，実験による検証をさらに進めていく．
数値解析としては，市販有限要素解析コードCOMSOLを活用するほか，有限要素解析FEMと半有限要素解析SAFEの混合数値解析コードを開発し，これらにより効率的に高精度でガイド波分散性や各モードの変位分布等を求め，材料や厚さの変化に起因するモード変換，幾何学形状等が伝播に及ぼす影響などをさらに細かく分析する．さらに，素線間やストランド間の接触をモデル化し，その影響解明のために数値解析による検証を進める．特に，この接触に起因する減衰を考慮したガイド波伝播数値解析を実施し，減衰が伝播形態や分散性に与える影響をより詳細に調べる．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
論文投稿関連費用が予定よりかなり多く発生したことにより，「その他」費用の支出が増えた．そのため，物品費購入を前年度購入分の利用継続で節約したことにより，総額的にはやや控えめの支出となり，繰越残額が生じた．次年度においては，これを合わせた額で，超音波探触子や実験試料等の物品費，国際学会参加のための旅費，謝金，その他（学会参加費等）に使用する予定である．
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