二流

Aug 19, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11226 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、「ひずみセンシング スマート スキン」（S4）を使用した次世代の光学的ひずみ測定と、確立されたデジタル画像相関（DIC）法との性能の比較について報告します。 S4 は、試料上の薄膜に埋め込まれた単層カーボン ナノチューブの発光波長のひずみによるシフトを測定します。 新しい S4 フィルムは、ナノチューブ センサーのスペクトルの均一性を改善し、高温でのアニーリングの必要性を回避し、並列 DIC 測定を可能にします。 S4 フィルムとポイントワイズ スキャニングを使用して測定された非接触ひずみマップは、表面下に損傷のあるものを含む、アクリル、コンクリート、およびアルミニウムの試験片に対する DIC からのひずみマップと直接比較されました。 ひずみの特徴は、DIC よりも S4 の方がより明確に明らかになりました。 有限要素法シミュレーションでも、DIC の結果よりも S4 とのより近い一致が示されました。 これらの発見は、特に常時観察されていない構造で蓄積されたひずみを検出する必要がある場合に、既存の技術の有望な代替または補完として S4 ひずみ測定技術の可能性を強調しています。

応力集中とは、機械的応力が周囲よりも著しく高い場所です。 構造コンポーネントの形状や材質に不規則性がある場合に発生することがあります。 脆性材料は通常、このような高応力箇所では破壊や亀裂が発生して破損します。 延性材料の場合、応力集中により局所的な塑性変形や降伏が生じる可能性があります。 さらに、低レベルではあるが高周波の荷重による疲労や破壊亀裂も応力集中領域で成長し、損傷を引き起こす可能性があります。 建物、橋、船舶、航空機の構造破壊の多くのケースは、応力 - ひずみの集中と密接に関係しています。 応力集中の影響を直接示す指標として、ひずみ測定は構造健全性モニタリング (SHM) および非破壊検査において重要な役割を果たします。 このため、さまざまな荷重条件によって引き起こされる構造ひずみや損傷を調査するために、過去数十年にわたって多くの解析研究、数値研究 1、2、3、実験研究が行われてきました。

実験的なひずみ測定方法は、接触ベースの手法と非接触手法の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。 接触ベースのひずみセンシングでは、ピエゾ抵抗センサーとファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) センサーが最も広く使用されています。 ピエゾ抵抗ひずみセンサーには、フォイルひずみゲージや、カーボン ナノチューブ (CNT)4、5、6 や金属化合物 7、8、9 などのピエゾ抵抗特性を持つ材料から製造されたその他のセンサーが含まれます。 ピエゾ抵抗材料では、導電率はひずみに応じて線形関係で変化します10。 対照的に、FBG センサーは光学式であり、電磁干渉に対する感度が低く、寸法が小さく、耐腐食性があるという利点があります 11、12、13。 ただし、ピエゾ抵抗センサーと FBG センサーの両方の場合、ひずみは個別の方向で点単位で測定されるため、全フィールドひずみマッピングが必要な場合はコストが高くなり、空間分解能が低くなります。 これらのセンサーは、ユーザーが応力集中の場所を事前に知っており、それに応じてセンサーを配置できる場合に最も役立ちます。

光学的非接触ひずみ検出技術には、2 つの主な利点があります。 1 つは、センサーと測定デバイス間の電気接続または光ファイバー接続の必要性を回避することです。 もう 1 つは、2 次元の対象領域にわたるひずみ分布を示すもので、これは損傷の検出や破壊挙動の研究に重要です。 現在、全視野光学式非接触ひずみセンシング技術は、(1) 干渉法 14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、(2) 画像ベース、または ( 3）分光学的。 干渉計技術は、光学干渉パターンに基づいて材料のマイクロメートルスケールの変位を測定します。 これらはひずみ場の変動に対して非常に敏感である可能性がありますが、実験室環境での小規模モデル構造の測定にのみ適しています。