電気抵抗変化法による
複雑なサンドイッチ構造の損傷モニタリング
機械物理工学専攻 轟・水谷研究室 13M10283 西尾 勇佑
： 曲げに強い軽量構造
研究背景
はく離き裂
き裂先端拡大図
スキン材
GFRPコア材
（ワイヤーフレーム表示）
織物CFRP
コア材
スキン材
スキン材
はく離き裂
コア材
一方向CFRP
界面
繊維破断
サンドイッチ構造の破壊メカニズム
繊維方向
一方向CFRP
織物GFRP
織物CFRPと
GFRPコア材の間で
はく離発生
織物CFRP
織物CFRPにより層間強度が向上
はく離き裂
として進展
損傷検知手法
織物CFRP材の
繊維破断
電気抵抗 R
 炭素繊維自体をセンサとして利用
 損傷，変形に起因する電気抵抗変化
非破壊検査
高コスト
目視検査
超音波探傷，X線探傷
電極
損傷（層間はく離）
CFRP
電流
荷重形態
圧縮荷重
繰返し負荷
損傷形態
90度層
層間はく離
樹脂割れ
90度層
ヘルスモニタリング
構造スマート化
自己診断
簡便
1 L
R
 A
既往研究
0度層
0度層
σ: 電気伝導率 (S/m)
L: 電極間距離 (m)
A: 導電面積 (m2)
構造
厚板構造
複雑構造に対する適用例なし
電気抵抗 R → R+ΔR
サンドイッチ構造の損傷に伴う
電気抵抗変化メカニズムを実験・解析により調査
低コスト
3点曲げによる電気抵抗変化メカニズムの調査
サンドイッチ構造の模擬試験片により
荷重負荷時の電気抵抗変化を実験的に取得
上面図
初期き裂
zy
x
10
電圧測定電極
16
試験片およびセットアップ 15
333
39.5
初期き裂
x
z
CFRP
支点
電流注入電極
き裂長さ
a0=30
圧子
弾性変形領域の電気抵抗減少を解析的に検証
2次元解析モデル（サンドイッチ構造試験片と同寸法）
単位: mm
GFRP
電極
2L=100
R0 = 120mΩ
0.4
(1) ひずみ変化
(弾性変形範囲)
0.4
0.3
0.2
0.3
0.1
(3) き裂進展に伴う
ひずみの解放
0.2
0.1
0
-0.1
荷重
(2) き裂先端における
繊維へのダメージ
-0.2
ΔR/R0
0
-0.3
0
4
8
12
荷重点変位 (mm)
今後の予定
Todoroki & Mizutani Lab.
16
ΔR/R0 (%)
0.5
荷重 (kN)
0.5
単位: mm
Uy= -1
GFRPコア (t=2)
織物CFRP (t=0.3)
y
x
テフロン
シート
Ux=0, Uy=0
電気抵抗変化測定結果
0.6
30
細メッシュ
エリア
弾性変形領域で
電気抵抗減少
き裂部分：
ターゲット要素 （GFRPコア）
コンタクト要素 （織物CFRP）
Uy=0
解析結果（x方向応力分布）
中立面
GFRPコア
織物CFRP
一方向CFRP
き裂先端
y
FEM解析により
メカニズムを検証
一方向CFRP (t=0.3)
z
織物CFRP層で
z方向に圧縮
x= 39.5
x
MPa
-6
-4
-2
0
2
4
電気抵抗測定箇所
電極間距離の減少
電気抵抗減少
6
実験結果と一致
 3次元FEM解析による試験片幅方向のひずみ分布の計算
Dept. of Mechanical Sciences and Engineering, Tokyo Institute of Technology