学位論文要旨



No 123425
著者(漢字) 嚴,
著者(英字)
著者(カナ) オム,スヒョン
標題(和) 光ファイバセンサを用いたVaRTM成形複合材料構造のヘルスモニタリング : 埋込型FBGセンサによる多点測定技術の応用
標題(洋) Fiber-Optic Process/Health Monitoring for Composite Structures Manufactured by VaRTM : An Application of Embedded FBG Sensors with Multiplexing Techniques
報告番号 123425
報告番号 甲23425
学位授与日 2008.03.24
学位種別 課程博士
学位種類 博士(工学)
学位記番号 博工第6741号
研究科 工学系研究科
専攻 環境海洋工学専攻
論文審査委員 主査: 東京大学 教授 影山,和郎
 東京大学 教授 鈴木,英之
 東京大学 准教授 村山,英晶
 東京大学 准教授 岡部,洋二
 東京大学 講師 鵜沢,潔
内容要旨 要旨を表示する

Recently, liquid composite molding (LCM) processes have been accepted to manufacture fiber reinforced composite structures. VaRTM is one of LCM processes and employed widely as the fabrication method for large composite structures, such as a wind turbine blade and a ship hull, to achieve good quality and save costs. VaRTM has simpler equipments than traditional resin transfer molding (RTM). While RTM needs fully enclosing two-side rigid mold, VaRTM uses one-side mold with relatively lower stiffness because high temperature and pressure are not required for curing process.

In VaRTM process, vacuum acts as driving forces to draw resin into the preform, compact the preform and remove air from resin and mold cavity. A mold is sealed by a vacuum bag film and tacky sealant tapes. Resin is infused to the preform through a spiral tube from the inlet port by vacuum pressure and distributed into the whole preform smoothly by a porous resin flow distribution media. An extracted resin is flowed out to vacuum port through another spiral tube. A peel ply is inserted on the preform in order to peel off a porous resin flow distribution media and the vacuum film after curing.

In VaRTM, resin flow should be well controlled to prevent manufacturing defects. For example, a dry spot is a region where resin isn't filled sufficiently and it may be occurred during resin filling process. Their formation depends on the resin flow condition which is affected by viscosity of resin, permeability of the preform, pressure, temperature, staking pattern and infusion strategy. The prediction and prevention of the dry spot are the problems to be solved because it can degrade mechanical properties of the product and they can be carried out based on the real-time information on resin flow. In addition, shrinkage of resin matrix causes residual stress, buckling and delamination in composite structures, and reduces dimensional stability of the final product. Therefore, it is essential to monitor the manufacturing process in VaRTM for the quality assurance of the product.

Several researches have been reported about resin flow monitoring and/or cure monitoring during VaRTM process or other LCM processes with optical fiber sensors, electrical sensors or an ultrasonic technique in recent years. Resin flow and cure condition can be monitored by the change of the transmission spectrum or the optical power output due to the refractive index changes of surrounding resin. Direct current resistance measurement using the SMARTweave system has been employed to monitor resin position and cure state as the sensing gap between two crossing conductive filaments is filled with resin. By using ultrasonic transmission, the resin propagation can be detected. However the sensing systems in these researches were used for only process monitoring. It is more effective and reasonable to apply the same sensing system to both process monitoring and in-service inspection.

In order to obtain desired quality of the product and to access the integrity of composite structures fabricated by VaRTM effectively, the resin flow condition, the shrinkage of resin and the strain variation have to be detected and located over whole product. Accordingly, the distributed sensing technique is required to map the temperature and strain profile. In this study, optical fiber sensor was employed because it can be embedded easily into composites with its flexibility and thin diameter, and can apply to carbon fiber reinforced plastics (CFRP) because of withstand voltage characteristic and anti-electromagnetic induction. Fiber Bragg grating (FBG) which responds to temperature and strain was employed as optical fiber sensor.

Especially, at the particular part, for example, the stress concentration part and the low permeable part, the distributed sensing method with the high spatial resolution is required to acquire detail information. Therefore, the long gauge FBGs which are 10 times longer than an ordinary FBG whose length is about 10 mm were employed for distributed sensing. In order to measure distributions of temperature or strain along FBG with a high spatial resolution, optical frequency domain reflectometry (OFDR) was chosen for the measurement system. Its spatial resolution is less than 1 mm.

In the case of the fabrication of the large scale composite structure, the quasi-distributed sensing method is required to monitor the entire resin flow front. Wavelength division multiplexing (WDM) method was employed for the quasi-distributed sensing. The ordinary FBG sensors were interrogated with WDM technique.

The aim of this research is to verify the applicability of using the distributed sensing system based on long gauge FBGs based on OFDR and short gauge FBGs based on WDM technique for detecting resin flow condition, shrinkage of resin during VaRTM process and conducting in-service inspection of the product manufactured by VaRTM. The preform with embedded FBGs sensors were subjected to VaRTM process, and resin flow condition and shrinkage of resin were detected by the long gauge FBGs. To evaluate the capability of in-service inspection with the laminate made by VaRTM, the three point bending test and the tensile test were conducted.

Finally, the confirmed monitoring method was applied to the real composite structure, wind turbine blade successfully. In the wind turbine blade manufacturing process, the resin flow front, the resin cure conditions were monitored by using the monitoring methods mentioned above. In order to investigate the structural health monitoring for the wind turbine blade, the static blade and dynamic blade tests were implemented.

The feasibility study for process and structural health monitoring for VaRTM by using one kind of optical fiber sensing system was implemented. The long gauge FBG was employed as optical fiber sensor, and OFDR system was adopted for the distributed sensing system. Resin flow front was detected as measuring resin temperature within the gauge length of FBG sensor. Cure monitoring was carried out by detecting the shrinkage of resin. Thee point bending test, tensile test and tensile test with notched specimen were performed to conduct the structure health monitoring. The measured strain distributions show good agreement with theoretical values.

The ability of FBG sensors with interrogating systems based on WDM technique and OFDR for resin flow front monitoring during VARTM process was investigated. The resin flow front monitoring with the strain change was investigated based on the results from chapter 4. Under the vacuum pressure, the embedded FBG sensor measured the compressive strain. When the resin closed FBG sensor, the strain was more developed. Then the FBG sensor was merged by the resin and detected the strain release. Resin flow front monitoring based on the quasi-distributed sensing and the distributed sensing was investigated successfully.

The model for strain development, which is media for resin flow front monitoring, was suggested. The experiment and the microstructure analysis were carried out to confirm the modeling. Also, it was clarified experimentally that the strain change was caused by the movement of the yarn of fabric when the resin was close to the FBG sensors. The experimental results reflected well the suggested conceptual model.

Process/health monitoring for the wind turbine blade manufactured by VaRTM was implemented with the monitoring method and sensing system which were investigated in chapter 4 ~ chapter 6. The wind turbine blade whose length is 1 m was designed and manufactured. The 8 FBG sensors array on a single optical fiber and the long gauge FBG sensor were employed for the quasi-distributed and distributed sensing respectively. The applicability of the monitoring method to the real composite structure, which is proposed in this study, was proved successfully.

Finally, it is hope that the novel process/health monitoring method presented in this thesis can contribute to upgrading the quality and reliability of the composite structures manufactured by VaRTM.

審査要旨 要旨を表示する

最近、VaRTM(Vacuum assisted resin transfer molding)は生産費の節減や成形の簡単さなどの特長のため、宇宙・航空分野にも適用されている。しかし、VaRTMでは、プリフォーム中に樹脂を注入させる際、メディア(resin flow medium)とプリフォームにおける樹脂の流動速度差による樹脂の未含浸や樹脂の流れ方によるドライスポットが生じることがある。また、熱硬化樹脂は硬化過程に生じる収縮による残留応力は、複合材料構造物の剥離や寸法安定性の低下の原因になることがある。そのため、VaRTMによって成形された複合材料構造の品質向上のためさまざまな工夫がされている。その中で一つの方策が最近注目されている光ファイバセンサを用いたプロセスモニタリングやヘルスモニタリングである。これまで、光ファイバセンサを用いた樹脂流動と硬化モニタリングに関する研究がいくつか報告されているが、同じセンサを用いて成形後の構造ヘルスモニタリングを行うことで運用時の信頼性を向上させようとする試みはあまりなされていない。本研究では分布型および準分布型光ファイバセンサシステムとファイバブラックグレーティングを用いて、すなわち樹脂流動と硬化過程をモニタリングする新しい手法を提案するとともに、同じセンサでヘルスモニタリングも行うことを目指している。以下、本論文の構成と内容を示す。

第1章は序論であり、VaRTMプロセスについて解説した後、VaRTMプロセス中に生じる問題点を挙げている。また、複合材料構造の検査方法とヘルスモニタリングについて簡単に説明を加えた。最後に本研究の目的と論文の構成について述べている。

第2章「複合材料構造の構造ヘルスモニタリング」では、複合材料構造の構造ヘルスモニタリングに関する最新の研究の動向について調査を行い、本研究の新規性と独創性を強調している。樹脂流動モニタリングに関する研究、樹脂流動と樹脂硬化を同時にできるプロセスモニタリング、また複合材料構造のヘルスモニタリングとして風車のヘルスモニタリングについて調査し、最後に新しいVaRTM成形複合材料のヘルスモニタリング方法を提案している。

第3章「光ファイバセンシングシステム」では、光ファイバの全般的な説明をした後、本研究で適用されたファイバブラックグレーティング(FBG:FiberBragg grating)センサとセンシングシステムについて概説し、準分布測定が可能である波長分割多重(WDM:Wavelength division multiplexing)と分布測定が可能である光周波数領域リプレットメトリ(OFDR:Optical frequency domain reflectometry)について原理と適用可能性について考察している。

第4章「分布型センシングシステムを用いたVaRTMのプロセス・ヘルスモニタリングの可能性に関する研究」では、長ゲージFBGセンサをプリフォーム中に埋め込んで、樹脂が含浸した部分としていない部分の温度差による変化を利用して樹脂流動をOFDRで検知する手法を提案し、実験的にその適用性を検証している。また、樹脂の注入の後、樹脂が完全に硬化するまでの経時的変化についても測定した。成形が終わった積層板に3点曲げ試験と引っ張り試験で荷重を負荷し、ひずみ分布を計測することによりヘルスモニタリングの可能性を検討した。

第5章「FBGセンサを用いたひずみ変化による樹脂流動モニタリング」では、第4章で発見したVaRTM成形中のひずみ変化による樹脂流動モニタリングの可能性を検討した。波長分割多重と光周波数領域リプレットメトリを用いて樹脂注入の際に生じる真空圧の開放によるひずみ変化を測定することで樹脂流動モニタリングの可能性を評価した。

第6章「圧縮荷重での繊維挙動」では、真空圧を掛けた時生じるひずみのメカニズムに関して簡単なモデルを提案した。このモデルの有用性を検討ために繊維と光ファイバの顕微鏡観察と繊維の圧縮試験を行った。また、第5章で見いだした特異的な現象として、樹脂がFBGセンサに近づける際に生じるひずみ変化を調べる試験を行った。

第7章「風車ブレードのプロセス・ヘルスモニタリング」では、本研究で提案して可能性検討したプロセス・ヘルスモニタリング方法を代表的なVaRTM成形複合材料構造である風車ブレードに適用した。半径1mの風車ブレードを設計してVaRTMで成形した。ブレード全体の状況を測定するために8連のFBGセンサを埋め込んで準分布測定を行った。応力集中が起こりえる部分では100mmのFBGセンサを設置して分布測定を行った。プロセスモニタリングとして樹脂流動と樹脂硬化を測った。風車ブレードのヘルスモニタリングとしては曲げ試験、回転試験および自由振動試験を行った。本研究で提案したモニタリング方法で成功的に風車ブレードプロセス・ヘルスモニタリングが可能だった。

第8章は結論であり、本研究の成果について言及している。

本論文は、VaRTM成形プロセスとそれにより製造された複合材料構造体の品質管理と健全性評価を目的に、光ファイバセンサを用いたヘルスモニタリング手法を提案したものである。さらに提案した手法を風車ブレードのプロセス・ヘルスモニタリングに適用し、その有用性を検証している。このように実証的研究を通して、複合材料構造物の品質保証と使用中構造健全性評価のための新しい手法が提案されている。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。

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