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宇宙航空研究開発機構

構造安全性向上技術

近年は航空機の環境性能向上のため、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)などの複合材料を大幅に適用する航空機が増加しています。しかしそれらの機体構造に対する「非破壊検査技術」や「耐衝撃性評価技術」「新材料・新工作技術に伴う結合構造の強度予測」に関する知見の蓄積や技術開発は未だに不足している状況にあります。
これまでもJAXAは、保有の設備を活用して基礎的知見を獲得してきましたが、さらなる機体構造の安全性向上のため、「非破壊検査技術」「耐衝撃性評価技術」「新材料・新工作技術に伴う結合構造の強度予測」を確立すべく研究を行っています。さらに、これらの技術を実現することにより、より効率的で安全性の高い新しい機体構造コンセプトの創出や機体整備プログラムの変革を目指します。

非破壊評価技術

航空機は、構造の欠陥や損傷の有無を調べるため、非破壊検査(NDI)が義務付けられています。現状では、主に機体外表面からのNDIをおこない、外からアクセス困難な部位については、構造外板にある点検孔を通して行うか、重整備時に構造を分解しNDIを行うため、時間と労力を要しており、機体運行中に発生する偶発損傷などに対しては有効な手法とは言えません。また、点検孔については、孔周辺部に強化層を付加して増厚することにより強度確保をしているので、構造重量が増加してしまいます。さらに、点検孔はファスナーなどにより機械的に取り付けられているため、それ自体が構造脆弱部となり、構造効率や安全性を低下させてしまっています。
したがって、より安全性の高い機体構造や効率的な整備プログラムの創出につながるような、新しいNDI技術の開発に挑戦する必要があります。 そこでJAXAは、インフラ分野や原子力プラントなどで実績のある遠隔操作可能な自走式小型NDIロボットを開発します。試験片から実大構造までの実証試験を実施し、検査方式の選定や性能評価を行います。

耐衝撃性評価技術

旅客機の胴体に新規材料や新規構造を採用する場合、ボーイング787型機がCFRP製の胴体を採用した場合と同様に、耐衝撃性に対しアルミ金属製構造と同等以上の性能を有することを証明する必要があることが容易に想定されます。
耐衝撃性能を考慮した構造設計を可能にすることで、航空機の安全性能を向上することはもちろんのこと、効率的な設計技術を得ることは旅客機設計の有効な手段となるはずです。
JAXAは、金属製構造の衝撃解析技術、着水衝撃解析技術、複合材料の高速歪データベース作成、異物衝突試験や解析などの技術の蓄積があり、それらを有効に利用するとともに、耐衝撃構造に求められる要件の追及による構造指標の提案及び設計時に必要とされる解析設計手法(精度良い簡便な部材解析モデル及び精度良い簡便なリベット接合モデル)の向上を図ります。

新材料・新工作技術に伴う結合構造の強度予測

航空機構造の製造コスト削減の観点から、金属構造に対する既存のリベットなどによる機械結合に変わる接合技術の開発が進められており、スキンーストリンガー構造などには一部の接合技術の導入が行われています。しかし、組織的・力学的に不均質な接合部の強度評価技術は必ずしも確立していないため、強度要求がより厳しい部位への接合構造のおける技術課題となっています。

そこでJAXAは、接合部表面の変形や応力場などの分布を非接触で計測する技術と数値解析技術を組み合わせることにより、溶接接合部の不均質な力学特性を同定する技術を研究開発しています。また、これまでJAXAで開発してきたき裂先端の局所応力場の詳細弾塑性有限要素解析を用いたき裂進展予測技術の改良を行うとともに、接合部周りの広範囲の不均質力学特性の影響をき裂進展予測技術に取り入れることによって、将来の構造設計を見据えた、より適用範囲の広い手法の開発を目指します。

FEM(有限要素法解析)モデル

き裂進展速度の比較

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