耐雷システムを利用した電気抵抗変化法による複合材航空機構造の損傷診断

摘要

航空機構造の健全性をフライトする度に検査可能となれば，安全性を高められる上に，運用数の向上および安全率の低減により大きな経済的効果および環境負荷低減効果が得られる．炭素繊維強化複合材料（CFRP）構造の損傷検出·同定手法として研究されている電気抵抗変化法は，構造の強化材である電気良導体の炭素繊維をセンサとして利用し，損傷発生時の電気抵抗変化を利用して診断を行う．高価な装置を要さずフライト毎の検査に適用可能であると期待されている．しかし，実機適用水準の信頼性や損傷検出感度を得るためには，電気抵抗の測定間隔を小さくする必要があり，膨大な電極やその配線，および測定器が問題となっている．100 cm~2 あたり一つの測定区間を配置すると，最新鋭旅客機Boeing 787-7 の主翼および胴体には百万以上の測定点が必要となり，測定点と測定器の接続切換えも非常に困難となる．また，構造表面に設置した電極間の抵抗を測定するため，厚い構造では構造の隅々まで電流を行き渡らせることが困難となる．そのため電極設置面から遠い位置に生じた損傷の検出感度は著しく低下する．さらに，温度変化により電気抵抗は変化してしまうこと，およびハンガーや野外に停泊中の旅客機の温度制御が難しいことから，電気抵抗変化法の信頼性は高くない．そこで，上記の問題点を克服する新たな電気抵抗変化法を提案する．衝撃荷重を受けた構造の表面付近に生じるデント（面外方向の塑性変形）が，層間の繊維同士の接触面積を増加させることを利用して，これを検出する手法を提案する．また，実際に圧子押込みによりデントを発生させ，CFRP 構造の抵抗変化を実測して，デント部の抵抗率を推定した．推定したデント部の抵抗率を用いて，提案手法を856 mmの幅を持つCFRP構造に適用した場合の有効性を有限要素解析により検証した．