| 研究課題/領域番号 |
25820341
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| 研究種目 |
若手研究(B)
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
鈴木 良郎 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (40631221)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 非破壊検査 / 繊維強化複合材料 / 非定常熱伝導解析 / 耐雷保護用シールド |
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| 研究概要 |
本研究目的は，最新鋭の繊維強化複合材製の旅客機を短時間で検査する技術を確立し，実用化に結び付けることである．本技術が実現されれば機体を毎フライト後に検査できるようになるため，安全性を向上できる上，機体のさらなる軽量化にも繋がる．平成25年度以前に，損傷発生時の構造の電気抵抗の変化を計測することで，航空機のような大型構造から損傷発生が疑われる個所を瞬時に特定する「簡易検査技術」を確立していた．しかし，具体的な損傷の種類，寸法，位置を同定する「詳細検査」は未達成であった．そこで平成25年度は詳細検査を実現するため，研究実施計画に記載したように，複合材料を抵抗加熱しながら抵抗変化を計測し，健全部と損傷部における構造深部への伝熱の差異を分析することで，層間はく離という損傷の大きさ，深さを推定する手法の実現可能性を検証した．本手法では，はく離により構造が部分的に切断され，はく離面の直交方向の伝熱量が変化することを利用する．
まず，複合材料の表面を周期的に加熱した際の熱応答（構造内の温度変化）を計算する理論式を導出し，層間はく離部と無損傷部の温度変化を推測した．これにより，熱応答式の減衰項と振動項の挙動が明らかになり，層間はく離による温度変化が構造内のどの位置において顕著に現れるかを予測できた．損傷に起因する温度変化量が大きいほど，検知することが容易になる．温度変化を最大化するのに最も適した加熱周期も熱応答式から求めることができた．
続いて，有限要素法を用いた複合材料の非定常熱伝導解析を行い，熱応答の理論式が妥当であることを示した．また損傷の寸法や位置を様々に変化させ，熱応答の変化を解析により調べた．
以上の成果により，損傷と熱応答との関係性が明らかになり，効果的かつ合理的な加熱方法および温度計測方法を講じることができるようになった．
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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
平成25年度までに研究目的の一つである「電気抵抗変化法により複合材の層間はく離の大きさ，深さ位置を推定するため，構造を抵抗加熱しながら抵抗変化を計測し，健全部と損傷部における構造深部への伝熱の差異を比較する手法」を開発した．複合材料を抵抗加熱した際の温度変化量および温度変化に起因する電気抵抗変化量と，層間はく離という損傷との関係性を明らかにすることが25年度の目的であったため，概ね当初の研究実施計画通り，順調に進んでいると自己評価した．
ただし，下記の内容については更なる改善が見込めるため，今後も継続して注力していきたい．本研究では，炭素繊維強化複合材の表面に電極を取り付け，炭素繊維を通電して抵抗発熱させることで昇温する．損傷部と無損傷部では温度上昇量に差違が生じるため，温度変化に起因する電気抵抗変化を計測することで損傷を検知する．加熱と抵抗測定の双方を同じ設備（電極，配線）で行うことができるため，他の装置を要さないという利点がある．25年度は，構造の表面のみを通電して抵抗加熱した場合の「損傷と抵抗変化の関係性」を明らかにしたが，電流を印加する電極の位置の最適化に関する検討は未着手である．したがって25年度中に達成できなかった「損傷を看過なく検出する最適な電極配置の探索」は26年度に行う予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成26年度以降は，現在までの達成度の中で述べた「損傷を看過なく検出する最適な電極配置の探索」を含め，下記のことを実施する．
・耐雷用シールドを配線として利用し複合材製航空機を検査可能とする
落雷に対する保護のため，複合材製機体は導電性の高い金属膜や金属メッシュで覆われている．一方，本研究は複合材表面に電極を取り付け，電極間に電流を印加して構造を加熱した上で，電極間の電気抵抗変化を計測する．その際，抵抗加熱用電源や抵抗測定器と各電極を繋げる配線が必要となる．このため機体を覆う膨大な量の配線が必要になるが，耐雷用の保護シールドを配線として兼用することで重量増加を大きく低減できる．兼用するには，機体全域を一様温度に昇温するためのシールドへの電流を印加条件を探索する必要がある．26年度は，有限要素解析を利用してこれを探索する．
・耐雷用シールドの機能評価
また有限要素解析上で，シールドに落雷を模擬した大電流を印加しシールドの耐雷機能を解析的に評価する．
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| 次年度の研究費の使用計画 |
本研究の実験に用いる試験片を作成するための複合材料（CFRP）の素材や，試験片作製時に必要となる成形用副資材を安価に購入できた．
また，当初購入を予定していた「GK-4110G10 大型インパルスハンマ」の購入を取りやめ，当研究室内で自作したため，必要な設備を安価に準備できた．
当初の計画通り，試験片を作成するための複合材料（CFRP）の素材を購入する．
また，前年度の残額を使用して市販の有限要素解析ソフトANSYSのライセンス（年間使用料）を購入する予定である．
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