明治大学理工学部 機械工学科 材料力学研究室

Strength of Materials Laboratory

材料力学研究室の紹介です.動画のリンクは以下です.
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現在研究中の研究内容の紹介  

リチウムイオン電池電極の劣化・損傷検出

 産業機器の寿命を管理することは設備の安全性や経済的に重要な問題である。従来の機器を管理する手法は、一定期間使用した後に検査を行う時間型管理であったが、機器の寿命は使用する環境によって変化が生じることから時間による単純な管理は最適ではない。そこで機器の状態を常時監視し、異常を検知した時に検査を行う状態監視型管理が求められている。そこで,簡便に状態監視が可能な検査手法の一つとしてアコースティックエミッション法(Acoustic Emission 以下:AEと表記)が注目されている。しかし、AE計測で一般的に使用されているセンサは、グリースなどを接触媒体として用いて検査対象物に接触させるため、回転体のような稼働中の機器への適用は難しい。

 そこで本研究では,空中伝搬超音波センサを用いたAE計測システムの構築を目的とする。空中センサは材料内部から空気中に漏洩した超音波を計測するため、計測対象に接触させる必要がない。また、比較的安価であることから様々な機器の状態監視に使用が可能である。

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く,メモリー効果(継ぎ足して充電を行った時に充電容量が低下する現象)も無いことから,小型電子機器で広く用いられており,電気自動車等への大型装置への応用研究も多く報告されている.しかし,リチウム電池の問題点として,繰り返し充放電に伴う充電容量の低下や電池の変形等がある.これらの現象をモニタリングし,電池の劣化を早期に検出する技術が求められているが,劣化検出に関する研究の多くが充放電に伴う電位や電流値を検出する手法であり,内部で発生した現象をリアルタイムで特定することは難しい.そこで本研究ではAE(アコースティックエミッション)法DIC(デジタル画像相関法)を用いて,内部で発生している現象を推定する手法の構築を目的とする. 

超音波探傷(UT)やアコースティックエミッション(AE)を用いた非破壊検査手法において,波形形状の解析は重要な要素のひとつとなります.しかし,構造物を伝搬する超音波は反射波や回折波の影響で複雑となり,解析は困難である.また,検出するセンサの周波数応答によって波形が歪むため,実験とシミュレーションの直接的な比較が難しい.そこで本研究では弾性波シミュレーションソフトウェアの開発を行い,実験とシミュレーションを対応させることで,複雑構造物を伝搬するAEの解析を行うことを目的とする. 

FDTD法によるAE伝搬シミュレーション

非破壊検査技術を用いた食感の定量評価手法の開発

 食べ物の食感は人によって個体差がある.そこで官能試験によって多くの人が感じている食感を一般的なその食品の食感としているが,これらを数値化することは難しい.そこで本研究ではAE法を用いて食品の圧縮試験を行い,その食品が破壊(圧壊)する際に発生するAE信号の特性から食感を定量評価することを目的とする.

 水素は次世代のクリーンエネルギーとして期待されているが,貯蔵する容器の安全性や損傷のメカニズムは十分解明されていない.特に水素ステーションでは高圧の水素を大容量で保管するため,貯蔵容器の安全性は非常に重要となる.
 そこで本研究では非破壊検査手法の一つであるアコースティックエミッション(
AE)法を用いて水素貯蔵用の圧力容器の健全性診断を行う手法の開発を目的とする.

 

ベローズ管は工場やインフラ設備で使用されているが,損傷が目視で検出しにくい問題がある.そこで,AE法やガイド波探傷などの超音波を用いる手法による検査方法の開発が期待されているが,ベローズを伝搬する弾性波がどのようなモードで伝搬するかについては明らかになっていない.そこで本研究では,ベローズを伝搬する弾性波の特性評価を目的として研究を行っている.

 材料の面内変位を非接触で計測する手法としてデジタル画像相関(DIC)法がある.DIC法は変形前後の対象物の画像を撮影し,変形量を計測する手法である.本研究では,DIC法の非破壊検査への応用として,車両やドローンなどの装置を用いて,移動中の物体から撮影した映像を用いて様々な構造物の劣化・損傷モニタリングを行う手法の開発を目指し,実環境下で発生する様々な問題点の改善を行う.

 

構築した弾性波伝搬シミュレーション

  現在,安価に高高度の観測を行いために通常よりも高い高度で長時間飛翔可能な気球の開発が進められている.その中の一つに,気球表面をネットで覆うことで強度を向上させるスーパープレッシャー気球(SP気球)がある.本研究では,SP気球表面を覆うネットやフィルム材料の力学的特性を評価し,気球を長時間飛翔させるために十分な各種強度を有しているかどうかを評価することを目的としている.

JAXAとの共同研究  
関連リンク (
JAXAWebサイト 大気球)
http://www.isas.jaxa.jp/j/enterp/ball/develop.shtml

DIC法を用いた3点曲げ試験中のはりの変形測定

日本のインフラ設備の多くは30年以上使用しているものが多く,高経年化の問題が発生している.特に鋼製インフラ設備は腐食の問題生じる.そこで,これらを安価に検査して,状態を評価する手法が求められている.
 本研究では,アコースティックエミッション(
AE)法を用いてインフラ設備を高精度かつ安価にモニタリングできる手法の開発を目的とする.

次世代航空宇宙材料の機械的特性評価,健全性診断手法の開発

 航空宇宙産業では,現在の産業用機器で使用されている材料と異なる新しい材料が多く使用されている.また,機器自体の数が少ないため,実機でのトラブルのデータが少ない.そのため,通常の産業機器と異なる損傷や劣化が発生する可能性がある.そこで本研究では,航空宇宙機器用材料の損傷や劣化を評価,診断する手法の開発を目的とする.本研究テーマでは,航空宇宙材料は一般的に極限環境下で運用されるため,これらの環境における材料特性が重要となることから,極限環境下での材料評価が可能な装置の開発を行う.

JAXAとの共同研究