本文へスキップ

群馬大学理工学研究院 環境創生部門 構造・コンクリート分野 構造研究室

TEL. 0277-30-1610

〒376-8515 群馬県桐生市天神町1-5-1, 7号館4階413号室

研究内容RESEARCH CONTENT

研究方針

本研究室では,配属学生には,大学でしか学べない物理,数学等の基礎知識を徹底的にまず磨いてもらいます。「基礎学力なくして応用力なし」です。研究には様々な知識が必要とされることは言うまでもありません。 基礎を磨き,「大学でしかできないような研究」を行い,大学院生にはできる限り発表の機会を与え,社会人になる前に, 人前でプレゼンする能力や,研究室での学生生活を通して協調性や責任ある行動を取れるような人材育成を目指しています。


構造物の維持管理その1-非線形超音波法に関する研究-

非線形超音波1 非線形超音波2

 超音波非破壊評価法では,通常,欠陥と媒質中の音響インピーダンス差の違いを利用して,欠陥からの反射散乱波を受信し,得られた受信データから欠陥の有無等を検討します. しかしながら,欠陥が閉じたき裂等であった場合,超音波の大部分がき裂を透過するために,欠陥の有無を判定するための有用な受信波形を得ることができない場合があります.
 そのような閉じたき裂を検出するための方法として,近年非線形超音波法が提案され,注目を集めていますが,非線形超音波法で用いられる高調波や,特に分調波はその発生機構が 明らかになっていません.そこで,本研究では,数値解析と力学の知識を生かして高調波や分調波の発生機構を明らかにするための研究を行っています.


構造物の維持管理その2-異方性材料中の超音波非破壊評価法に関する研究-

EFIT

 近年,異方性材料を,土木構造物や機械構造物に使用する機会が増えています. しかしながら,そのような異方性材料中では,超音波は,音響異方性を示すため,等方性材料のようにわかりやすく伝搬しません. そのため,超音波(弾性波)が異方性材料中でどのように伝搬するかを理解しておく必要があります. 例えば,上の写真ではグラファイトエポキシ中のqP波(擬似P波), qS1波(擬似横波)等が試験体上中央からどのように伝搬するかを EFIT(Elastodynamic Finite Integration Technique)を用いて可視化した図です. この場合,いずれの波動も同心円状に伝搬せずに,右上で求めた群速度曲線に従って,波動が伝搬している様子がわかります. そのため,異方性材料中の欠陥を超音波で検査する場合は,波動伝搬特性を考慮して欠陥形状再構成しなければ,欠陥再構成結果に誤差を生じかねません.


構造物の維持管理その3-高速・高精度欠陥形状再構成手法の開発

異方性開口合成

 現状の超音波非破壊評価法は,現場の技術者の熟練度に大きく依存する,いわば定性的な検査方法です. 構造物内部にき裂が存在するか否か等の判定は,現場の技術者の熟練度に大きく依存されます. そのため,現場の技術者の熟練度にできるだけ依存しない定量的な超音波非破壊評価法の開発が望まれています. 本研究では,上の写真のような開口合成法や,逆散乱解析法等の逆解析手法を用いて,構造物内部の欠陥形状を再構成する方法について研究しています. また,可視化結果をできるだけ高速に描くために,近年注目されているGPUの利用なども検討しています.

異方性逆散乱

 近年, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)と呼ばれる炭素繊維強化プラスチックの構造材料としての利用が進んでいます. しかしながら, CFRPは強い音響異方性を示すことから,超音波の伝搬や散乱現象は特に複雑となることが知られています. そのため, CFRP中の欠陥を通常の超音波非破壊評価法で探傷した場合,音響異方性の影響で,探傷精度が著しく低下する可能性があります. そこで,本研究では, CFRP中の欠陥に対する欠陥形状再構成手法を開発し,異方性材料に対する超音波非破壊評価法の適用を目指しています.


構造物の維持管理その4-電磁超音波法・空気超音波法を用いた非接触非破壊検査法-

電磁超音波法 空気音波法

 高温高圧下における検査や,表面が粗い場合の検査等,何らかの理由で超音波を送信する機器を検査対象に接触させられない場合は,検査を非接触で行うことが望まれます. そのための方法の1つとして,上段に示すような,電磁超音波法と呼ばれる方法が提案されてきました. 電磁超音波法はコイルに電流を流し,発生するローレンツ力を用いて,検査対象内に弾性波を発生させ,その弾性波を用いて構造物内部の欠陥の有無等を判定する方法です. 一方,下段の写真は空気超音波法と呼ばれるものです. 超音波機器の発達により,近年では必ずしも試験体に探触子を接触させることなく,空気中から超音波を送受信することが可能となってきました. ここでは,境界要素法やEFITを駆使して,材料内部に発生する弾性波動場を可視化しています(上段は愛媛大学の中畑先生との共同研究です.).


高速・高精度境界要素法の開発その1-演算子積分時間領域高速境界要素法-

高速多重極法

 境界要素法は、波動解析に適した数値解析手法として古くから利用されてきました. しかしながら,境界要素法で生成される解くべき最終の方程式は密行列となり,その解析時間は未知数が多い場合は長くなります. そこで,この問題を解決するために,多体問題等で研究が行われてきた大規模問題を効率よく解くための方法である高速多重極法を境界要素法に適用する研究について行っています.
 右の例は上段が無限弾性体中の介在物,下段は空洞が多数存在する場合の時間領域境界要素法の解析結果です. ここでは,時間領域の計算を安定にかつ容易にとくために,演算子積分法と呼ばれる方法を用いて計算を行っています. 特に,下段の計算では未知数が1億3千万程度の超大規模計算を時間域で求めており,従来の時間領域境界要素法では,かなり困難な解析でも,徐々に解析できるようになってきました. 一方,右の図は3次元問題に対する解析結果です. この場合も未知数は数百万程度程度ですので,通常の時間領域境界要素法では解析が困難です. そこで,高速多重極法と演算子積分法の両者を組み合わせることにより,解析を安定に,かつ効率的に行っています.
 現在は,さらに効率化するための研究や粘弾性や飽和多孔質弾性体中の波動問題へと拡張することも行っています. また,異方性弾性波動問題のように,基本解が複雑な問題に対して,いかに高速多重極法を適用するかについても検討を始めました.


CADの形状関数を用いた高精度境界要素法の開発(アイソジオメトリック境界要素法)

アイソジオメトリック解析

 演算子積分時間領域アイソジオメトリック境界要素法(CQ-IGBEM)はCADの形状関数であるNURBSを適用して 演算子積分時間領域境界要素法に応用した新たな解析手法です. これにより形状を厳密に保持したまま解析できるので,計算精度の大幅な向上が期待されます.またこの解析では 従来のメッシュ生成等の作業を省略できるので,設計から解析までの 作業がスムーズになり,全体のおよそ60%の作業時間が削減されます.


大深度近鉄道深度や騒音問題に関する研究

大深度

 国土の有効利用の観点から,大深度利用法が制定されました. これにより,地下40メートル以深においても,鉄道等の公共構造物を建設することが可能となりました. しかしながら,課題も多く,建築物の基礎杭を伝わる波動の影響はどうか,地震に対する安全性等はどうか等,力学面で検討すべき事項も残されています. また,大深度地下利用法は,制定されてさほど年月が経っていないこと,土木構造物は一度建設するとやりなおしは難しいことから, 本研究では,数値シミュレーション手法を駆使して,発生する振動レベルの予測などを行ったり,対策法を検討するといった研究を行っています.


有限要素法を用いた弾性波動解析に関する研究(イメージベースモデリング)

イメージベースFEM

 有限要素法は,境界要素法に比べて非均質材料を対象とした解析に向いています. 3次元解析のような比較的大規模な計算も境界要素法に比べて実行しやすい場合があります. このような性質を考慮し,非均質で閉じた領域を対象とした波動解析に有限要素法を用いる研究を行っています. 3次元有限要素メッシュは,X線CTにより撮影された複数の断面画像を積層することで作成しています. X線CT画像の1画素を,有限要素法の1要素(ボクセル)に対応させ,入力データを作成し,コンクリート中の骨材や空隙による超音波の散乱問題を解析した例が上の図です.


境界要素法を用いた異方性材料中のき裂進展解析に関する研究

き裂進展解析

 境界要素法は,き裂進展問題を対象とした解析に向いており,き裂先端における応力特異性の処理に強く, き裂が進展するたびにメッシュの再分割を行なう必要も無いため,有限要素法に比べて計算がスムーズになります. 以上のような特徴を利用し,境界要素法を用いたき裂進展解析に関する研究を行なっています. 一方,近年では土木構造物の補修・補強などにCFRPなどの異方性材料の利用が広まっており, 異方性材料を対象としたき裂問題が重要な課題となっています. そこで,異方性材料中のき裂群に対する準静的進展解析手法を開発し, 土木構造物に対する構造健全性評価への適用やアクティブNDEの実施を目指しています.


粒子法を用いた流体シミュレーションに関する研究

粒子法

 近年,粒子法と呼ばれる新しい数値解析手法が提案され,大変形問題や,衝突,破壊,流体解析等の分野で適用が進んでいます. 本研究室においても,構造物に作用する流体力評価に関する研究や,境界要素法等の他の数値解析手法とのハイブリッド計算手法の構築を目的に, 粒子法の研究に取り組むことをはじめました. 上の図は,流体の計算でベンチマーク問題として良く利用されるダムブレイク問題と,作成したプログラムによる越流解析結果を可視化したものです. 今後は,本手法を応用した様々な研究を行っていく予定です.


粒子法を用いた津波シミュレーションに関する研究

津波

 近年、津波による橋梁上部構造の流出が問題になっており、南海トラフ巨大地震などの大規模地震への対策が進められています。それらを考えるためには、上部構造に作用する津波の流体力を適切に評価する必要があります。実際の橋梁を用いて津波実験を行うのは現実的に困難なため、数値解析を行うことは非常に有効であります。また、津波のような界面の大変形を伴う解析には粒子法が適しています。上の図は粒子法を用いて、上部構造の流出の解析を行った結果です。動画は、日本列島周辺からの津波発生から、遡上、上部構造流出までの一連のシミュレーションになっています。


バナースペース

群馬大学

〒376-8515
群馬県桐生市天神町1-5-1, 7号館4階413号室

TEL 0277-30-1610
FAX 0277-30-1610