スマート構造コンセプトによる圧電材料を利用した構造ヘルスモニタリング法の構築

本研究では,圧電材料を構造物に埋め込み,力学的特性を電気的特性に変換して計測することで,定量的かつ高信頼性のヘルスモニタリングを実現することを目指すものである.すなわち,構造物自体を圧電センサー化し,自己診断を実現することを企図するものであり,自律適応的なスマート構造コンセプトの具現化であると考えられる,そこで,圧電材料利用のスマート構造によるヘルスモニタリングの実現に向けて,圧電スマート構造物内の波動特性を明らかにし,可聴域の波動を利用することを目指して研究を進めた.具体的には,杜会基盤施設の構造寸法における損傷検出を念頭に,基礎的な一次元間題について振動数領域の波動伝播力学的特性と電気的特性の定量的関係を確立した.特に,前聴振動数領域の力学的特性・波動伝播特性は,損傷形態の影響や応力条件,対象構造物の形態・境界条件の複雑な影響を強く受け,また,構造部材の力学的特性と電気的特性の関連は強い非線形的関係であるため,実験検討に基づいて理論モデル化を進める方法で基礎的研究を進めた.具体的な実験対象構造物としでは,基本的構造部材である棒材と板材を採用し,圧電材料膜を接着して電気インピーダンス計測を行い,力学的特性と電気的特性の関連を明らかにした.圧電材料は,圧電効果によって構造部材内の波動を電気信号に変換して計測するセンサーとして用いること可能なのみならず,逆圧電効果によって構造物内に波動を発生させるアクチェータとして波動源の役割も果たすことも可能である.そこで,電気インピーダンス計測によって,単一の圧電素子をアクチェータ・センサー両用に用いることでこの特性を生かし,簡単な機構で安定した計測結果を得ることに成功した.さらに,計測結果に基づいて,棒材の応力ならびに損傷検出の逆解析理論を構築した.

本研究では,圧電材料を構造物に埋め込み,力学的特性を電気的特性に変換して計測することで,定量的かつ高信頼性のヘルスモニタリングを実現することを目指すものである.すなわち,構造物自体を圧電センサー化し,自己診断を実現することを企図するものであり,自律適応的なスマート構造コンセプトの具現化であると考えられる,そこで,圧電材料利用のスマート構造によるヘルスモニタリングの実現に向けて,圧電スマート構造物内の波動特性を明らかにし,可聴域の波動を利用することを目指して研究を進めた.具体的には,杜会基盤施設の構造寸法における損傷検出を念頭に,基礎的な一次元間題について振動数領域の波動伝播力学的特性と電気的特性の定量的関係を確立した.特に,前聴振動数領域の力学的特性・波動伝播特性は,損傷形態の影響や応力条件,対象構造物の形態・境界条件の複雑な影響を強く受け,また,構造部材の力学的特性と電気的特性の関連は強い非線形的関係であるため,実験検討に基づいて理論モデル化を進める方法で基礎的研究を進めた.具体的な実験対象構造物としでは,基本的構造部材である棒材と板材を採用し,圧電材料膜を接着して電気インピーダンス計測を行い,力学的特性と電気的特性の関連を明らかにした.圧電材料は,圧電効果によって構造部材内の波動を電気信号に変換して計測するセンサーとして用いること可能なのみならず,逆圧電効果によって構造物内に波動を発生させるアクチェータとして波動源の役割も果たすことも可能である.そこで,電気インピーダンス計測によって,単一の圧電素子をアクチェータ・センサー両用に用いることでこの特性を生かし,簡単な機構で安定した計測結果を得ることに成功した.さらに,計測結果に基づいて,棒材の応力ならびに損傷検出の逆解析理論を構築した.