ヘルスモニタリング機能を有する複合材スマートパッチに関する研究

具有健康监测功能的复合智能贴片研究

基本信息

批准号：
03J01437
负责人：
武田真一
金额：
$ 1.86万
依托单位：
Japan Aerospace Exploration Agency (2004-2005)The University of Tokyo (2003)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、経年航空機に対して更なる使用寿命の延長が要求されるようになり、機体内に多数存在する疲労き裂の効果的な補修技術として、複合材パッチによる疲労き裂の接着補修が考案された。海外を始めとする多くの研究が行われた結果、パッチ自身の剥がれによる補強効果の低下などが問題点として挙げられ、補修部の安全性を確保するという観点から、接着補修構造のヘルスモニタリングの重要性が指摘された。しかしながら、経年航空機という既存の構造へセンサ機能を付け加えることは困難であり、このような観点に立って行われた研究は極めて少ない。そこで本研究では、パッチ自身へセンサ機能を付与したスマートパッチの開発を試みた。最初に、スマートパッチを作製する前段階として通常パッチを作製し、疲労負荷下におけるパッチの補修効果、及びそこで発生する損傷を調べた。パッチは炭素繊維強化複合材(CFRP)、母材はアルミ合金、接着剤はエポキシ樹脂である。パッチ下の母材には予めき裂が存在し、繰り返し荷重が加わると、母材とパッチの剥がれが発生し、母材のき裂が進展することが分かった。次に、上記の二つの損傷モードを定量的に評価するため、接着層中に細径の高精度光ファイバセンサであるFBGセンサを埋め込んだ。このセンサは非常に小さく、損傷の進展に影響を与えないことを材料試験から確認した。FBGセンサの信号は反射光スペクトルの形で測定され、剥がれの進展にしたがいスペクトルの形が徐々に変化することが確認できた。さらに、母材のき裂が進展した場合、剥がれが進展した場合と異なるスペクトルの変化が見られた。以上の結果から、FBGセンサの反射光スペクトル変化から二つの損傷モードを分離して、定量的に評価できることが分かった。FBGセンサを予め導入したCFRPパッチは、損傷検知能力を有する複合材スマートパッチとして機能できることを実証した。

近年来，人们要求进一步延长老化飞机的使用寿命，使用复合材料补片进行疲劳裂纹粘合修复已成为针对飞机内部存在的许多疲劳裂纹的有效修复技术。完毕。国内外进行的多项研究结果表明，由于补片本身剥离而导致补强效果下降等问题已被提出，从确保修复区域安全的角度出发，对粘合修复结构进行健康监测已成为可能。并指出了其重要性。然而，在老化飞机的现有结构上增加传感器功能是很困难的，从这个角度进行的研究也很少。因此，在这项研究中，我们尝试开发一种智能贴片，在贴片本身中添加传感器功能。首先，制作普通补片作为制作智能补片的预备步骤，并研究补片在疲劳载荷下的修复效果以及其中发生的损伤。补片采用碳纤维增强复合材料（CFRP）制成，基材为铝合金，粘合剂为环氧树脂。结果发现，补片下方的基材中已经存在裂纹，当反复施加载荷时，基材和补片剥落，母材金属的裂纹进一步发展。接下来，为了定量评估上述两种损伤模式，我们在粘合层中嵌入了FBG传感器，这是一种小直径、高精度的光纤传感器。材料测试已证实该传感器极小，不会影响损坏的进展。以反射光谱的形式测量来自FBG传感器的信号，并确认光谱的形状随着剥离的进行而逐渐改变。此外，当母材中的裂纹发展时，观察到与剥离发展时不同的光谱变化。从上述结果中，我们发现可以从FBG传感器反射光谱的变化中分离出两种损伤模式并对其进行定量评估。我们证明了预装 FBG 传感器的 CFRP 贴片可以作为具有损伤检测能力的复合智能贴片。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Delamination monitoring of laminated composites subjected to low-velocity impact using small-diameter FBG sensors

DOI：
10.1016/j.compositesa.2004.12.005
发表时间：
2005-01-01
期刊：
COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING
影响因子：
8.7
作者：
Takeda, S;Minakuchi, S;Takeda, N
通讯作者：
Takeda, N

Structural health monitoring of composite wing structure during durability test

DOI：
10.1016/j.compstruct.2005.11.057
发表时间：
2007-06
期刊：
Composite Structures
影响因子：
6.3
作者：
S. Takeda;Y. Aoki;T. Ishikawa;N. Takeda;H. Kikukawa
通讯作者：
S. Takeda;Y. Aoki;T. Ishikawa;N. Takeda;H. Kikukawa

Monitoring of Delamination Growth in CFRP Laminates Using Chirped FBG Sensors, Smart Materials and Structures

使用啁啾光纤光栅传感器、智能材料和结构监测 CFRP 层压板的分层增长

DOI：
发表时间：
期刊：
Smart Materials and Structures (submitted to)
影响因子：
0
作者：
S.Takeda;Y.Okabe;N.Takeda;T.Ishikawa
通讯作者：
T.Ishikawa

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Norio;Morishita et al.;Suketaka Fujimoto et al.;Fumihito Mishima et al.;武田真一;藤本祐孝;三島史人;武田真一他8名;武田真一他3名;武田真一他3名
通讯作者：
武田真一他3名