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2012 年度 実施状況報告書

フォノニック結晶の性質を利用した新しい超音波非破壊評価への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 24656275
研究機関東京工業大学

研究代表者

廣瀬 壮一  東京工業大学, 情報理工学研究科, 教授 (00156712)

研究分担者 斎藤 隆泰  群馬大学, 工学研究科, 講師 (00535114)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
キーワード超音波伝搬シミュレーション / 境界要素法 / CQ-FM-BEM / ACA-BEM / プリズムモデル / 面外波動
研究概要

本研究は、近年、材料科学の分野等で注目を集めているフォノニック結晶の性質を利用して新しい超音波非破壊評価法を提案するものである。平成24年度における実施計画は、境界要素法をベースとした超音波伝搬シミュレーション手法を開発し、簡単なモデルに対して解析を実行することで計算精度の確認等を行うことである。また、開発したシミュレーション手法を用いてプリズムモデルに対する予備解析を実施し、平成25 年度に行うシミュレーションのための解析モデルの検討を行うことである。
1.大規模波動解析のための超音波シミュレーション手法を開発した。ベースとなる手法は、時間領域および周波数領域両者の境界要素法である。周波数領域の解析には、先に研究代表者・分担者らで開発した多重散乱解析のためのFM-BEM解析コードを拡張するとともに、ACA-BEMという新しい手法も開発した。一方、時間領域の解析では、安定で大規模な解析が可能な演算子積分法をベースとし、それに高速多重極法を組み合わせたCQ-FM-BEMを開発した。
2.単一の結晶を介在物として見立てた場合の超音波散乱問題を解くことにより、超音波シミュレーション手法の計算精度を確認した。その結果、 開発した手法は十分な精度を持っていることが分かった。
3.フォノニック結晶の分野で注目されているプリズムモデルに対する面外波動の大規模散乱解析を行った。その結果、周波数によって散乱波の進む方向や散乱変位場の大きさが大きく異なっていることがわかり、適切な解析モデルを設定すれば超音波の伝搬方向や強度を制御できる可能性があることが示された。

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

当初の計画通り、新しい超音波シミュレーション手法の開発に成功し、予備解析も実施しており、計画はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

平成24年度に開発した手法を用いて超音波シミュレーションを実行し、フォノニック結晶の性質を活かした新しい超音波非破壊評価法を提案する。
1. 前年度行った結晶配置検討結果を基に、如何なるフォノニック結晶構造でどの程度超音波を集束させることができるかを超音波シミュレーションにより検討する。特に、実際の応用を検討するために、集束位置、結晶構造と屈折関係、集束点での超音波強度について詳細に検討する。
2. 次に、フォノニック結晶構造中に複数の超音波を入射させた場合の超音波の集束性を検討する。超音波の強さを向上させるには、超音波を発生させる探触子の開口幅を大きくすることが必要であるが、大きな素子を用いることは高価となるため、小さい素子を並べることが必要になる。ここでは、電子走査によるアレイ技術と異なり、フォノニック結晶の最適設計によって複数素子からの超音波の集束性を検討するものである。
3. フォノニック結晶の性質を利用して超音波を負の屈折方向にステアリングさせる方法等について検討する。負の屈折現象を応用すれば超音波ビームの振れ角を大きくでき、探傷範囲を拡大できる可能性がある。

次年度の研究費の使用計画

フォノニック結晶構造の様々な条件を変えて数値シミュレーションを実施する必要があるため、ワークステーションの購入代と数値シミュレーションのデータ整理のための人件費への支出を計画している。また、積極的に研究成果を公表するために、国内外への会議出席のための旅費及び参加費への支出を予定している。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2012 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] 構造物の診断と超音波非破壊評価2012

    • 著者名/発表者名
      斎藤隆泰
    • 雑誌名

      北関東産官学研究会技術情報誌HiKaLO

      巻: No.44 ページ: 8

  • [雑誌論文] 2次元異方性弾性波動問題に対する演算子積分時間領域境界要素法2012

    • 著者名/発表者名
      古川陽,田中遊雲,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 雑誌名

      土木学会論文集A2(応用力学)

      巻: Vol.68 ページ: 269~278

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ACA境界要素法を用いた時間調和SH波の多重散乱解析2012

    • 著者名/発表者名
      伊海田明宏,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 雑誌名

      計算数理工学論文集

      巻: Vol.12 ページ: 85~90

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 異方性媒質中のき裂による2次元散乱解析に対する演算子積分時間領域Galerkin境界要素法2012

    • 著者名/発表者名
      古川陽,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 雑誌名

      計算数理工学論文集

      巻: Vol.12 ページ: 49~54

    • 査読あり
  • [学会発表] Convolution quadrature boundary element method for 3D elastodynamic analysis of general anisotropic elastic solids

    • 著者名/発表者名
      A. Furukawa, Y. Tanaka, T. Saitoh, S. Hirose and Ch. Zhang
    • 学会等名
      23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
    • 発表場所
      北京,中国
  • [学会発表] 演算子積分時間領域境界要素法を用いた2次元異方性弾性体中のき裂による散乱解析

    • 著者名/発表者名
      古川陽,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 学会等名
      日本応用数理学会2012年度年会
    • 発表場所
      稚内全日空ホテル(北海道)
  • [学会発表] 2次元異方性弾性波動問題に対する演算子積分時間領域境界要素法の開発

    • 著者名/発表者名
      斎藤隆泰,古川陽,田中遊雲,廣瀬壮一
    • 学会等名
      平成24年度土木学会全国大会
    • 発表場所
      名古屋大学(愛知県)
  • [学会発表] Parallelization of convolution quadrature based boundary element method for general anisotropy

    • 著者名/発表者名
      T. Saitoh, A. Furukawa and S. Hirose
    • 学会等名
      6th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering
    • 発表場所
      ウィーン, オーストリア
  • [学会発表] Convolution quadrature boundary element method for two-dimensional wave scattering analysis by a crack

    • 著者名/発表者名
      A. Furukawa, T. Saitoh and S. Hirose
    • 学会等名
      International workshop on information & computation in civil & environmental engineering
    • 発表場所
      ホテル千本松(愛媛)
  • [学会発表] Fast multipole boundary element method and adaptive cross approximation simulation of ultrasonic NDE

    • 著者名/発表者名
      T. Saitoh, T. Maruyama, A. Ikaida and S. Hirose
    • 学会等名
      International Workshop on Information & Computation in Civil & Environmental Engineering
    • 発表場所
      ホテル千本松(愛媛)
  • [学会発表] Galerkin法を適用した演算子積分時間領域境界要素法による2次元異方性弾性体中のき裂による波動散乱解析

    • 著者名/発表者名
      古川陽,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 学会等名
      第25回機械学会計算力学講演会
    • 発表場所
      神戸ポートアイランド南地区(兵庫県)
  • [学会発表] Simulations of nonlinear ultrasonic NDT using a convolution quadrature time-domain boundary element method

    • 著者名/発表者名
      T. Saitoh and S. Hirose
    • 学会等名
      Tokyo Tech-KU joint seminar on infrastructure development
    • 発表場所
      バンコク,タイ
  • [学会発表] Two-dimensional elastic wave scattering analysis by a crack for general anisotropy using convolution quadrature boundary element method

    • 著者名/発表者名
      A. Furukawa, T. Saitoh and S. Hirose
    • 学会等名
      4th International Conference on Computational Methods
    • 発表場所
      ゴールドコースト,オーストラリア
  • [学会発表] 弾性波動解析と超音波非破壊評価

    • 著者名/発表者名
      斎藤隆泰
    • 学会等名
      現象解析特別セミナー第3回
    • 発表場所
      群馬大学(群馬県)
    • 招待講演
  • [学会発表] 演算子積分時間領域ACA境界要素法を用いた2次元多重散乱解析

    • 著者名/発表者名
      伊海田明宏,斎藤隆泰,廣瀬壮一
    • 学会等名
      第62回理論応用力学講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都)
  • [学会発表] GPUを用いた境界要素法の高速化

    • 著者名/発表者名
      増村佳大,斎藤隆泰
    • 学会等名
      第40回土木学会関東支部技術研究発表会
    • 発表場所
      宇都宮大学(栃木県)

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公開日: 2014-07-24  

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