傾斜機能層への超音波エネルギーの閉じ込め

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傾斜機能材料(FGM)中を伝播する超音波の数理解析は多くの応用技術を支える基盤となる.熱応力緩和型の傾斜機能材料はスペースプレーンの外壁に応用が予定されている.この時,宇宙デブリ等の衝撃負荷に対するFGM材の動的強度や破損評価にはFGM内部を伝播する弾性応力波の挙動が基礎知識となる.また,作成(製造)されたFGM材の物性値(弾性係数や密度)評価に応用される超音波技術の基礎知識ともなる.従って,FGM材中を伝播する弾性波動の挙動改名は緊急の課題である.本研究では,表面がセラミックス,内部がステンレスとなる2成分形傾斜機能材料を解析対象とした.セラミックスとステンレスに挟まれたこのFGM層の上下壁では物性値(弾性係数と密度)の変化勾配が零,すなわち連続的な物性変化を想定した三角関数的変化を仮定した.衝撃負荷を想定したSH波がセラミックス側から入射する場合について,波動伝播特性を詳細に検討した.得られた結論は以下のとうりである.(1)セラミックス・ステンレス系傾斜機能材料の物性評価に利用する超音波の振動数はほぼ0.1GHz-1ghZ程度が適している.(2)FGM材とステンレスやセラミックスとの界面で物性値とそのもとその変化勾配が零であるならば,波は完全に透過し,この界面では反射波は生じない.(3)FGM層内部では音速度(伝播速度)の変化に伴って波線幅(ビーム幅)も変化し,波線の転回点ではビーム幅が零となり,こん点は得意波動場となる.(4)FGM層の表面に負荷された波動源から生じた波動エネルギーのFGM層内に閉じ込められるエネルギーは均質体の場合よりも少なく,層と平行な方向に急激に減少する.(5)FGM層に高速度側(セラミックス)から衝撃負荷が作用すると,FGM層とステンレスとの界面側が大歪みエネルギー領域となり,損傷がなまじやすくなる.