非線形波動変調に基づく構造物損傷の位置推定に関する研究

2015-03-25

2015-03-25

本研究は，非線形波動変調に基づく構造物損傷の検知と位置推定に関する研究である．非線形波動変調とは，粗面同士の接触界面が微小な相対運動を行うことによって，界面に入射する弾性波動の散乱特性が変化し，その結果，散乱波動場が変調を呈する現象である．き裂，はく離した接着面，緩んだボルト締結部などは粗面同士の接触界面を伴うため，これらの損傷を有する物体に高周波波動（プローブ波動）を入射すると同時に，低周波振動（ポンプ振動）を与えると接触面が動き，高周波波動に変調が生じる．この変調を評価することによって損傷の有無と程度を捉えようとするのが非線形波動変調法である．しかし同手法では損傷位置の推定を行うことができなかった．本論文でははり構造物を対象として，同手法を基礎とする二つの新たな損傷位置検出手法を提案した．　第1章では構造物の保守点検の現状を述べた後，非破壊検査技術と構造ヘルスモニタリングに必要な技術とそれに関連する既往研究を示した．また，接触界面の非線形性に着目した損傷位置推定の既往研究に関してまとめ，本研究の目的を示した．　第2章では，打音検査の高機能化を図ることを目的として，ポンプ振動としてインパクトハンマ加振による振動を用いた損傷位置推定手法を提案した．初めに，打音検査の概要と問題点を示し客観的指標に基づく損傷位置検出および評価手法の必要性を述べた後，非線形波動変調に基づく損傷位置推定の有用性について論じた．ティモシェンコはり理論にのっとった振動計測から構造物を伝播する波動成分を推定する波動分離法について説明した後，インパクトハンマ加振によって単一の正弦波で構成されるプローブ波動に生じる変調を復調した波動場の伝播理論を構築し，構築した理論に基づき損傷の両側に存在するセンサアレイに復調波動が到達するまでの時間差と群速度で表される損傷位置推定式を用いた損傷位置推定手法を提案した．また，はり試験片に模擬損傷を設けた実験装置を用いた実験により精度よく損傷位置推定が可能であることを示した．　第3章では，過去の非線形波動変調現象に基づく損傷検知手法では事前に調査が必要であったプローブ波動の周波数選択作業の簡略化を目的として，広帯域高周波波動をプローブ波動として用いた損傷位置推定手法を提案した．複数の共振周波数を内包する広帯域高周波波動を用いることでプローブ波動の周波数帯域の時変波動伝達関数を短時間フーリエ変換により推定する．分散関係に基づき周波数領域から波数領域の記述に変換し短時間逆フーリエ変換することで反射強度の空間―時間マップが得られる．得られた反射強度の空間―時間マップより反射強度の空間分布に生じる反射強度のピークとして損傷の位置が求められ，損傷位置における反射強度の時間変動の周波数解析をすることで損傷が面接触を有する損傷であるかを判別することができる．時変波動伝達関数を推定する際に必要な平均化手法について述べたのち，単一の模擬損傷を設けたはり試験片を用いた損傷位置推定実験の結果，固定端境界位置における反射強度の時間変動は低周波成分に同期せず，接触面を有する損傷の位置における反射強度の時間変動がポンプ振動に同期して変動することを示した．次に，複数の模擬損傷を設けたはり試験片を用いた損傷位置推定実験の結果，センサアレイに最も近い損傷位置を推定することができたが，背後に存在する損傷の位置推定は困難であることを示した．これは，本手法で推定した反射強度の空間―時間マップが一度の反射のみを考慮したものであることが原因である．　第4章では，インフラ構造物において最もよく用いられている部材接合法のひとつであるボルト継手に関して，非線形波動変調現象によって生じる反射強度の時間変動に基づき健全性を評価する手法を提案した．初めに，振動環境下においてボルト緩みが生じる問題について述べたのち，反射強度の時間変動に基づく損傷評価指標を定義し接触面を有する損傷の健全性評価手法を構築した．複数のボルトにより構成されるボルト継手を一つ設けたはり試験片を用いた締付トルク管理による健全性評価実験を行い，センサアレイに最も近い位置のボルトが過剰締付トルクと過少締付トルクの場合に損傷評価指標が上昇することを確認した．一方，提案した損傷評価指標はセンサアレイからみて遠い位置にあるボルトの締付トルク変化には鈍感であった．これは第3章で論じたと同様に，本手法が一度の反射のみを考慮したものであるためであり，ボルト継手を構成する複数のボルトの位置すべてがプローブ波動の反射点になるためセンサアレイに近い位置のボルトの反射強度のピークによって遠い位置のボルトの反射強度のピークが消されてしまったことが原因である．　第5章では本論文の各章で得られた知見をまとめ，今後の展望について述べた．

博士（工学）

京都工芸繊維大学

14303甲第741号

http://hdl.handle.net/10212/2259

ja

ETD

Thesis or Dissertation

Thesis