Structual mechanics, Applied mechanics Non-Destructive testing laboratory, Gunma University, (Saitoh lab)

The Great East Japan Earthquake, which occurred on March 11, 2011, inflicted serious damage on civil and architectural structures in northeastern Japan. The tsunami generated by the earthquake washed away the superstructures of road bridges. The damage caused by this disaster had a strong impact on the design of road bridges. Against this background, numerical simulation is expected to become an important tool to evaluate the tsunami force acting on bridge structures. This study aims to apply explicit moving particle simulation (E-MPS), which is one of the particle methods, to the three-dimensional (3D) simulation of fractures of a bridge superstructure. A dam break problem with a floating rigid body is solved by EMPS, and the results are compared with those obtained by the corresponding experimental approach to verify the developed E-MPS code. The tsunami run-up and simulation of a bridge being washed away are implemented by the EMPS, and their realistic visualization results are demonstrated by the help of marching cube method.

　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-

　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-

　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)

　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

　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)

　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

　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

　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

　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。

---

このページの先頭へ