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，随着时间的推移，飞机需要进一步延长使用寿命，并且使用复合材料贴片的疲劳裂纹的粘合性修复是为机身体内存在的大量疲劳裂纹的有效修复技术。由于许多研究项目（包括海外）的结果是，问题本身因剥离而减少了增强作用，并且从确保维修区的安全性的角度指出了对粘合剂维修结构的健康监测的重要性。但是，很难将传感器功能添加到诸如老化飞机之类的现有结构中，并且从这个角度进行了很少的研究。因此，在这项研究中，我们尝试开发一个智能补丁，该贴片具有传感器函数添加到补丁本身中。首先，准备一个正常的补丁作为制作智能贴片的阶段，并检查了疲劳负荷下的贴片的修复效果以及检查其中的损坏。该斑块由碳纤维增强复合材料（CFRP）制成，基本材料由铝合金制成，粘合剂是环氧树脂。发现提前的基本材料中存在裂缝，并且当施加重复的载荷时，基本材料和贴片剥落，导致裂纹在基本材料之间发展。接下来，为了定量评估上面描述的两种损伤模式，将FBG传感器（一种薄，高精度光纤传感器）嵌入粘合剂层中。材料测试证实，传感器很小，不会影响损伤的进展。来自FBG传感器的信号以反射光谱的形式测量，并证实频谱的形状会根据剥离的进展而逐渐变化。此外，当基本材料的裂纹发展时，从脱皮时观察到不同的光谱变化。从上述结果中可以发现，可以将两种损伤模式与FBG传感器的反射光谱变化分开并进行定量评估。已经证明，具有预安装的FBG传感器的CFRP贴片可以充当具有损坏检测功能的复合智能贴片。

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