Quantification of the interaction between electrical anisotropy and lightning arc in CFRP to elucidate the lightning damage mechanism

本研究では，複数の物理現象が短時間で重畳して起こるために，その詳細なメカニズムが未だ解明されていないCFRPの雷撃損傷に対し，実験的手法と解析的手法を組み合わせる事でそのメカニズムを解明し，高精度な雷撃損傷予測を可能とすることを目指す．特に，直接計測が難しい雷撃電流印加時に発生するアークルートの発達挙動と，同時に発生する衝撃波による機械的荷重，およびCFRPの有する高い電気的異方性がそれらに与える影響を解明し，数値解析に境界条件として与えることが課題となる．この問題に対し，本年度はCFRP供試体に対する模擬雷撃試験を実施し，高速度カメラによる雷電流のアークルートの観察を行うことで，アークルートの発達挙動の定量化手法を構築した．レーザー光源とバンドパスフィルタ，UVフィルタ等の組み合わせにより，プラズマ化したアークと高熱によって発生する樹脂の高温ガスの発光の影響を分離し，アークルートを鮮明に観察可能とする条件を確立した．同手法を用いることで，導電性の高いCFRP表面層の繊維方向と，繊維直交方向とでアークルートの発達挙動が異なることを明らかにした．また，数値解析的なアプローチとしてMHD（電磁流体）解析に着手した．本年度は簡便のため，実際の試験条件より雷電流の波形立ち上がり速度の遅い条件による，既存研究で報告例のある突針タングステン電極とAL合金平板間で生じるアーク放電現象を対象とした．市販のマルチフィジックス解析ソフトウェアであるCOMSOLを用い，現象を再現した数値解析を実施可能であることを確認した．

本研究では，複数の物理現象が短時間で重畳して起こるために，その詳細なメカニズムが未だ解明されていないCFRPの雷撃損傷に対し，実験的手法と解析的手法を組み合わせる事でそのメカニズムを解明し，高精度な雷撃損傷予測を可能とすることを目指す．特に，直接計測が難しい雷撃電流印加時に発生するアークルートの発達挙動と，同時に発生する衝撃波による機械的荷重，およびCFRPの有する高い電気的異方性がそれらに与える影響を解明し，数値解析に境界条件として与えることが課題となる．この問題に対し，本年度はCFRP供試体に対する模擬雷撃試験を実施し，高速度カメラによる雷電流のアークルートの観察を行うことで，アークルートの発達挙動の定量化手法を構築した．レーザー光源とバンドパスフィルタ，UVフィルタ等の組み合わせにより，プラズマ化したアークと高熱によって発生する樹脂の高温ガスの発光の影響を分離し，アークルートを鮮明に観察可能とする条件を確立した．同手法を用いることで，導電性の高いCFRP表面層の繊維方向と，繊維直交方向とでアークルートの発達挙動が異なることを明らかにした．また，数値解析的なアプローチとしてMHD（電磁流体）解析に着手した．本年度は簡便のため，実際の試験条件より雷電流の波形立ち上がり速度の遅い条件による，既存研究で報告例のある突針タングステン電極とAL合金平板間で生じるアーク放電現象を対象とした．市販のマルチフィジックス解析ソフトウェアであるCOMSOLを用い，現象を再現した数値解析を実施可能であることを確認した．