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

　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.

近年, 非線形超音波法と呼ばれる新たな超音波非破壊検査手法が注目を集めています. 非線形超音波法とは, 大振幅超音波を, き裂等の微視欠陥に入射させることによって得られる微視欠陥からの非線形超音波を用いて欠陥を検出する方法です. 一般的に, その非線形超音波は, 入射超音波の整数倍の周波数成分を持つ高調波, 分数倍の周波数成分を持つ分調波 に区分されておりますが, それらの発生機構は未だ十分に解明されているとは言えません.本研究では, 粒子法を用いた非線形超音波シミュレーションの第一歩として, 粒子法の一種であるMPS法を用 いた高調波励起シミュレーションを試みました.

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

　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.

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CFRP平板に対するガイド波に関する研究

　　近年,平板やパイプ等の長尺材料に対してガイド波を用いた非破壊検査手法の開発に注目が集まっています. ガイド波を用いた検査では長距離伝搬が可能であることから,長尺材料の検査の効率化を図れるといった利点が あります.しかし,ガイド波は多モード性や分散性があるため,波動伝搬が複雑化し,非破壊検査を難しくすると いった欠点があります.そこで,平板に対する分散曲線を数値的に求める研究を行っております. 　特に,軽量かつ高強度なCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)においては,強い音響異方性を示すため, 波動伝搬特性はさらに複雑となります.上図は有限要素法を用いて, CFRP平板に対する分散曲線を数値的に求めた結果です.

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電磁超音波法・空気超音波法を用いた非接触非破壊検査に関する研究

　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.).

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