機械・生体系部門 / 安全安心な都市とモビリティー

超音波を用いた複合材構造の健全性診断システム

目次

ガイド波のモード変換に基づく剥離検出

ラム波の到達時間遅れによる衝撃損傷の検知

AE計測を用いた健全性診断技術

微細き裂検出のための非線形超音波法

レーザー超音波による非破壊検査

高温環境にも適用可能なモニタリング技術の構築

メタルデポジッション

 

研究紹介動画


超音波ガイド波は、構造材料内を長距離にわたり伝播できるため、構造ヘルスモニタリングに有望です。超音波ガイド波には、複数の伝播モードがあり、それらの速度は構造物の板厚や超音波の周波数に応じて変化します。本研究室では、複合材料構造内の剥離部において、ガイド波のモード変換が生じて伝播速度が変化することに注目し、剥離が検知可能なことを示しました。また、スキン・ストリンガー周期構造内を伝播するモードを明らかにする研究も行っています。

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

複合材料中の剥離損傷における広帯域ラム波のモード変換挙動の観察

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

目次へ戻る


炭素繊維強化プラスチック積層板に衝撃荷重が加わると内部に損傷が発生します。それを外観から見つけることは困難ですが、ラム波(平板を伝播する超音波)を用いることで簡便に検出することができます。検出原理は、ラム波が損傷領域を伝播する際に速度が低下するという現象に基づいています。本研究室で行った数値シミュレーションでは、衝撃損傷部を剛性が低下した領域としてモデル化し、実験結果を再現しています。また、周波数帯域の広い超音波(チャープ波)を入力して、ラム波が損傷部を通ってセンサに到達するまでの時間を効率良く計測する手法を確立し、損傷の大きさとラム波の到達時間遅れの定量的関係を明らかにしています。

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

目次へ戻る


材料中に損傷が発生すると、アコースティック・エミッション(AE)波が励起されます。そこで、損傷形態とAE波形の特徴との関係を調べました。さらに、機械学習によってAE計測データから損傷形態を判断することを試みました。また、CFRP製水素燃料タンクの損傷モニタリングへの応用研究も行っています。

(画像をクリックするとpdfファイルがダウンロードできます。)

 

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルがダウンロードできます。)

目次へ戻る


超音波の非線形成分に注目することで、超音波の波長よりも小さな微細き裂を検出できます。超音波が微細き裂を伝播する際に、き裂の開閉に伴い、周波数が2倍の高調波が発生します。この高調波成分(非線形成分)を計測することで、き裂の進展を評価できます。

 

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

目次へ戻る


構造物にレーザーを照射すると、レーザーの吸収・発熱による熱膨張が起因となり、超音波が発生します。このレーザー超音波法は、構造物と非接触で超音波を励起できることや、曲面部材にも適用可能なことから、新たな非破壊検査技術として注目されています。本研究室では、特にレーザー超音波の可視化技術を、CFRP航空機部材の検査に適用する研究に取り組んでいます。また、レーザー超音波の発生や伝播挙動の数値シミュレーションを実施し、非破壊検査に最適なレーザー照射条件を検討しています。

(画像をクリックするとpdfファイルがダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルがダウンロードできます。)

目次へ戻る


光ファイバをウェーブガイドとして利用すれば、1000℃の高温においても光ファイバ超音波センサでAE波を正確に計測することが可能になります。さらに、レーザー照射による超音波励起と組み合わせることで、高温環境下での超音波の送受信が実現できます。現在、再生FBGセンサ(光ファイバに書き込まれたグレーティングは高温で一度喪失しますが、アニーリング処理で再生します。)とレーザー励起超音波による新たな検査・モニタリングシステムの構築に取り組んでいます。本研究の成果は、今後、高温構造物の常時モニタリングに応用されることが期待されます。

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルがダウンロードできます。)

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

目次へ戻る


当研究室は、先進ものづくりシステム連携研究センター(CMI)にも所属しており、3Dプリンターによる金属積層造形の研究を行っています。大型かつ複雑な形状の航空機CFRP部材を成型するための治具をニアネットシェイプで作製することで、工期短縮とコスト削減を図ります。

(画像をクリックするとpdfファイルをダウンロードできます。)

目次へ戻る

 


(動画1)レーザー超音波可視化によるCFRPの非破壊検査

CFRP擬似等方積層板(8-ply, 20 cm × 20 cm)に人工欠陥を導入し、レーザー超音波可視化検査装置LUVI(つくばテクノロジー社)で非破壊検査を行っています。CFRP積層板上に配置した圧電センサから超音波が拡がっていき、人工欠陥(1 cm×1 cm)のところで、伝播挙動が変化する様子が見られます。

(動画2)ファイバーブラッググレーティングの再生現象

ファイバーブラッググレーティングを炉の中で高温環境に晒しながら、その反射光スペクトルを計測しています。グレーティングは高温環境下で一度喪失(反射スペクトルの消失)しますが、約900℃を維持するとグレーティングが再生する(反射率が戻る)様子が観測されます。

(動画3)スキン・ストリンガー構造におけるガイド波の伝播シミュレーション

超音波伝播解析用ソフトウェアComWAVE(伊藤忠テクノソリューションズ)を用いて、CFRP製スキン・ストリンガー構造を伝播するガイド波のシミュレーションを行っています。MFCアクチュエーターにより発生したガイド波が、衝撃損傷部(赤色部分)を通過する際に、速度が若干遅くなる現象が見られます。