形状計測とホログラフィ干渉計測による 膜・シェルの構造特性と非破壊検査への応用
研究課題番号
平成
〜
年度科学研究費補助金 基盤研究
研究成果報告書
平成
年
月
研究代表者 松田 浩
長崎大学工学部構造工学科
形状計測とホログラフィ干渉計測による 膜・シェルの構造特性と非破壊検査への応用
研究課題番号
平成
〜
年度科学研究費補助金 基盤研究
研究成果報告書
平成
年
月
研究代表者 松田 浩
長崎大学工学部構造工学科
平成〜年度科学研究費補助金基盤研究（
研究成果報告書
はじめに
本書は平成年度から平成年度の年間にわたって文部省科学研究費補助金基盤研究 課題 番号の補助を受けて実施した研究成果報告書である．形状計測とホログラフィ干渉計測及 びその関連技術であるスペックル干渉計測を用いた計測法について述べるとともに，それらの計測法を用 いて，鋼，コンクリート，などの種々の材料で構成される膜・シェルをはじめとする種々の構造部材 の構造特性や破壊メカニズムの解明、およびこれらの技術の非破壊検査への適用性について得られた結果 をまとめたものである．
研究代表者は，ここ数年来，膜・シェル構造の形状計測のために，レーザ光と安価なカメラを用 いた可搬・非接触次元計測装置を試作開発するとともに，計測により得られる膨大な次元座標情報を 汎用非線形コード，，大学より提供に取り込み，大規模 ソリッド・シェル要素解析を実施してきた．さらに，解析結果の信頼性と精度を検討するために，曲 かりかつねじれた曲面板の振動実験を行ない，共振周波数とホログラフィ干渉計測装置を用いた時間平均 法による振動モードと比較検討してきた．ホログラフィ干渉計測は，
大面積数物体の欠陥接着切れ，き裂，不均一の直接的・全体的な可視化が可能
被検査面に特別の処理を必要とせず，また被検査物体への作用がない
空間的高解像力，高感度，パルスレーザによる現場計測，自動化が可能
などの利点を有し，線透視法，サーモグラフィ，超音波等の非破壊検査以上になるとも言われている．
しかしながら，現在の時間平均法では，乾板に写真を撮る必要があり面倒で時間がかかる．実時間で画 像データを取得する方法として，ホログラフィ関連技術であるスペックル干渉計測がある．受光器に高解 像度カメラを使用するものである．ホログラフィに比べて機能的には劣るが，使用性状が極めて柔 軟で，煩雑でなく，実時間計測が可能であるという特長を有する．
非破壊検査は，超音波や線を利用してこれまでも盛んに行われているが，構造材料に欠陥が有るか無 いかを調査するだけで，材料の破壊が何時起るかを予測できるわけではない．劣化の予測を行うためには，
材料が劣化へと至るまでの状態をリアルタイムに観察する必要がある．この目的のための非破壊試験とし て，ホログラフィ干渉法やその関連技術であるスペックル干渉法が考えられる．特に，スペックル干渉法 は可視光線下での計測が可能で現場計測への適用が期待できる．
スペックルとは，レーザ光を材料に照射し，散乱された光をある面で観察した時に得られる斑点状のノ イズパターン干渉模様であり，物体が変形するとこのスペックルパターンも変化する．スペックル干渉 計測により引張試験を観察すると，一定速度で引張っているにもかかわらず，局所的な干渉縞の脈動が観 察されることがわかっている．これは従来観察されていない新しい現象で，材料の劣化過程を予測するた めの手がかりとなる可能性を秘めている．材料片の物理的な変化とスペックルパターンの変化とを結び付 けることによって，さらに計算力学とを組み合わせることによって材料の劣化過程や疲労現象の解明が期 待できるものと考えている．
! 研究課題
形状計測とホログラフィ干渉計測による膜・シェルの構造特性と非破壊検査への応用
研究課題番号
! 研究組織
研究代表者 松田 浩 長崎大学教授 工学部構造工学科 研究分担者 川口 健一 東京大学助教授 生産技術研究所
〃 後藤 信行 長崎大学教授 環境科学部
〃 森田 千尋 長崎大学助教授 生産科学研究科（兼任：工学部構造工学科）
〃 才本 明秀 長崎大学助教授 生産科学研究科（兼任：工学部機械システム工学科）
〃 中村 聖三 長崎大学助教授 工学部社会開発工学科
〃 森山 雅雄 長崎大学助教授 工学部情報システム工学科
〃 崎山 毅 長崎大学教授 工学部構造工学科
〃 阪上 直美 長崎大学助手 工学部構造工学科
〃 黄 美 長崎大学助手 工学部構造工学科
〃 古賀 掲維 長崎大学講師 長崎大学大学教育機能開発センター 研究協力者 山下 務 長崎大学技術職員 工学部構造工学科
〃 仲村 政彦 "テクノサイエンス 九州テクノセンタ
〃 山本 晃 "テクノサイエンス 九州テクノセンタ
〃 岩佐 貴史 文部科学省宇宙科学研究所博士課程
現：東京工業大学大学院理工学研究科研究員）
〃 胡 夏夏 淅江工業大学教授 機電工程学院
〃 日比野 誠 九州工業大学助教授 工学部建設社会工学科
〃 合田 寛基 九州工業大学助手 工学部建設社会工学科
〃 松尾 一四 九州工業大学大学院工学研究科博士課程
〃 安東 祐樹 ショーボンド建設 補修工学研究所
〃 岡本 卓爾 計測リサーチコンサルタント 社長
〃 吉田 教明 長崎大学教授 歯学部歯科矯正学講座
! 交付決定額（配分額）
直接経費 間接経費 合 計 平成年度 ##千円 千円 ##千円 平成年度 千円 千円 千円 平成年度 千円 千円 千円
合計 千円 千円 千円
! 研究発表
! 学会誌等（新しいものからさかのぼって記載）
森田千尋，松田浩，崎山毅，下川一基，白濱敏行，黄美：片持ち積層板の自由振動特性に関 する研究，構造工学論文集，$%&!，''!(，!
松田浩，下郡康二，山下務，岩佐貴史，川口健一、ほか名：矩形張力膜のリンクル現象 の光学的全視野ひずみ・変位計測，構造工学論文集，$%&!，''!)#(*，!
松田浩，牧野高平，山下務，中島朋史：コンクリート打継部の表面粗度の計測・定量化と曲 げ・せん断付着特性に関する研究，構造工学論文集，$%&!，''!(，!
松田浩，崎村陽介，安東祐樹，鶴田健，林山豊，森田千尋，崎山毅：板または鋼板で 補強されたはりの鉄筋の付着領域を考慮した非線形解析，応用力学論文集土木 学会，$%&!#，''!(
松田浩，安東祐樹，杉原泰亮，山下務，神原天鳴，崎山毅，森田千尋：電子スペックルパ ターン干渉法によるアルミニウム合金板の破壊挙動の全視野ひずみ計測，応用力学論文集
（土木学会），$%&!#，''!(
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# 出水享，松田浩，田口保男，上阪康雄：三次元非線形によるディビエータ部におけ る外ケーブルの接触解析，コンクリート工学年次論文集，$%&!，%!，''!#(#
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* 松田浩，神原天鳴，下郡康二，崎山毅，阪上直美：スペックル干渉法による鋼部材の非接 触全視野ひずみ計測，鋼構造年次論文報告集，$%&!，''!*(，社日本鋼構造協会，
楠原絵美，上阪康雄，高徳裕平，松田浩，出水享，阪上直美：外ケーブルおよび偏向部に着 目した鋼コンクリート複合橋の三次元解析，土木学会，第回複合構造の活用に関す るシンポジウム講演論文集，''!()，
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松田浩，神原天鳴，才本明秀，阪上直美，山下務，崎山毅：スペックル干渉による非接触全 視野ひずみ計測法，応用力学論文集，$%&!，''!)())，土木学会，
松田浩，本山祐三，森田千尋，古賀掲維：スペックルパターン干渉法を用いたコンクリート 構造物の非接触非破壊検査法，先端技術研究成果報告書，%!，''!(，長崎先端技術 開発協議会，
古賀掲維，松田浩，林山豊，佐川貴光：鋼板・ＣＦシートで補強されたＲＣ梁の非線形挙 動解析，コンクリート工学年次論文集，%!，''!*(，日本コンクリート工学協会，
松田浩，出水享，田口保男，古賀掲維，上阪康雄：ケーブル偏向部のフレッチング現象 解明のための解析，コンクリート技術シリーズ，「構造物の現状の問題点とその対 策」に関するシンポジウム論文集，''!(，土木学会，
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仲村政彦，山本晃，高口昇，松田浩：橋梁３次元形状モデル作成と設計・製作への利用土木 構造・材料論文集九州橋梁構造工学研究会@，第)号''!#(年月
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松田浩，大石裕介，神原天鳴，仲村政彦，崎山毅：ホログラフィ干渉計測および３次元計測 による薄肉構造部材の非破壊検査に関する研究，応用力学論文集，$%&!，''!)#()，
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''%+3 ;1%%' 76+ &+0 : 1 6+ ,%&+直交異方性有孔板の自由振動 問題の一解析法，応用力学論文集，$%&!''!(，!*
松田浩，大石裕介，神原天鳴：ホログラフィ干渉計測及び三次元計測に基づく解析に 薄肉板の振動解析，日本実験力学会講演論文集，%!''!#(，!)
# 松田浩，崎山毅，林山豊，平嶋健太郎，佐野正，岳尾弘洋 鋼板およびシートで補 強されたはりの次元弾塑性解析，長崎大学工学部研究報告，第巻，第*号，
''!)(*，(#
) 松田浩，崎山毅，小嶋悟，山下幸生，佐野正 鋼コンクリートサンドイッチ床版の次元 弾塑性解析，長崎大学工学部研究報告，第巻，第*号，''!*(*)(#
* 松田浩，崎山毅，森田千尋，北原隆，楠原絵美，倉方慶夫 連続鋼合成桁の次元および
次元解析，長崎大学工学部研究報告，第巻，第*号，''!**((#
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小嶋悟，大石裕介，神原天鳴，出口万里子，松田浩：３次元計測およびホログラフィ干渉計 測による鋼構造物の非破壊検査に関する研究平成年度 土木鋼構造研究奨励事業，研究 奨励研究梗概集，鋼材倶楽部 !
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! 口頭発表
下郡康二，松田浩，山下務，杉原泰亮：電子スペックル干渉法を用いた張力膜におけるリン クル現象の全視野ひずみ計測，土木学会第*回年次学術講演会講演概要集，(，
下川一基，森田千尋，松田浩，崎山毅：積層板の自由振動特性に関する研究，土木学会第
*回年次学術講演会講演概要集，(
杉原泰亮，松田浩，山下務，下郡康二：切欠きおよび孔を有するアルミ板の破壊挙動の全視 野ひずみ計測，土木学会第*回年次学術講演会講演概要集，()
崎村陽介，鶴田健，安東祐樹，松田浩：版及び鋼板による補強はりの次元非線 形解析，土木学会第*回年次学術講演会講演概要集，$()
中島朋史，松田浩，出水享，田口保男：三次元非線形による外ケーブルの移動・
変形性状解析，土木学会第*回年次学術講演会講演概要集，$(
牧野高平，松田浩，山下務，中島朋史：コンクリート打継部の表面粗度と付着強度特性に関 する研究，土木学会第*回年次学術講演会講演概要集，$(
# 下郡康二，松田浩，山下務，内野正和：電子スペックル干渉法を用いた張力膜のリンクル解 析，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，!
) 下川一基，森田千尋，松田浩，崎山毅：積層板の自由振動特性に関する実験的・解析的研 究，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，!
* 田中聡，森田千尋，松田浩，崎山毅：佐賀県における耐候性鋼橋梁の錆状況の調査，平成
年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，!
杉原泰亮，松田浩，山下務，神原天鳴：欠陥を有する鋼部材の全視野ひずみ計測，平成 年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，!
峯弘樹，安東祐樹，松田浩，杉原泰亮：落橋防止構造におけるブラケットの支圧部に着目し た解析的検討，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，)()，!
牧野高平，松田浩，山下務，中島朋史：コンクリートの表面粗度と付着特性に関する研究，
平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，!
出水享，野島昭二，高橋亮，松田浩：シートによるコンクリート片の剥落防止効果 に関する三次元非線形解析，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，
*(*，!
崎村陽介，鶴田健，安東祐樹，松田浩：異種材料で補強された構造物の次元解 析，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，*(*，!
神原天鳴，松田浩，山下務，崎村陽介：曲げを受けるはりの全視野ひずみ計測と破壊 モードに関する研究，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，(，
!
中嶋朋史，松田浩，出水享，田口保男：ディビエータ部におけるケーブルの移動・変形性 状に注目した三次元接触解析，平成年度土木学会西部支部研究発表会講演概要集，
(#，!
# 楠原絵美，上阪康雄，森田千尋，松田浩：連続合成主桁橋の三次元応力解析，平成年 度土木学会西部支部研究発表会，!
) 林山豊，古賀掲維，松田浩，安東祐樹：異種材料で補強されたはりの非線形解析，
平成年度土木学会西部支部研究発表会，!
* 出水享，古賀掲維，田口保男，松田 浩 ：外ケーブル偏向部のフレッチング現象のＦＥ 解析，平成年度土木学会西部支部研究発表会，!
神原天鳴，松田浩，大石裕介，森田千尋：ホログラフィおよびスペックル干渉法による全視 野ひずみ計測，平成年度土木学会西部支部研究発表会，!
神原天鳴，松田浩，崎山毅，森田千尋，大石裕介，下郡康二：スペックル干渉法による非接 触全視野ひずみ計測，土木学会第)回年次学術講演会概要集，((;，!*
出水享，林山豊，松田浩，古賀掲維，安東祐樹，佐川康貴：鉄筋の付着領域を考慮した異 種材料補強はりの非線形解析，土木学会第)回年次学術講演会概要集，$(#
(;，!*
松田浩，崎山毅，森田千尋，荒田新吾，出水享：コンクリート打継部のせん断付着性状に関 する研究，土木学会第)回年次学術講演会概要集，$((;，!*
平嶋健太郎，松田浩，佐野正，林山豊：鋼板接着補強した梁の弾塑性挙動解析，平成
年度土木学会西部支部研究発表会，第分冊，(''!(，!
小嶋悟，松田浩，山下幸生，佐野正：鋼コンクリートサンドイッチ床版の終局挙動解析，平 成年度土木学会西部支部研究発表会，第分冊，(*''!)(*，!
林博樹，崎山毅，森田千尋，松田浩：三角形サンドイッチ板の曲げ振動解析，平成年度 土木学会西部支部研究発表会，第分冊，(''!)(*，!
# 佐藤英一，森田千尋，松田浩，崎山毅：竹の組織構造から観た複合構造の力学特性，平成
年度土木学会西部支部研究発表会，第分冊，()''!(，!
) 木下正幸，森田千尋，松田浩，崎山毅：繊維強化型複合積層板の弾塑性解析，平成年度 土木学会西部支部研究発表会，第分冊，()''!(#，!
* 大石裕介，神原天鳴，松田浩，崎山毅：次元計測およびホログラフィ干渉計測による薄肉 構造物の非破壊検査に関する研究土木学会第#回年次学術講演会概要集，((;
!*
林山豊，松田浩，崎山毅，平嶋健太郎，佐野正，岳尾弘洋：鋼板およびシートで補強 された梁の次元弾塑性有限要素解析土木学会第#回年次学術講演会概要集，$()
(;，!*
荒田新吾，小嶋悟，松田浩，崎山毅，蒋宇静：モルタル接合面の粗度とせん断付着性状に関 する研究土木学会第#回年次学術講演会概要集，$()(;，!*
山下幸生，小嶋悟，佐野正，松田浩，崎山毅：鋼コンクリート合成サンドイッチ梁の実験 及び次元非線形解析土木学会第#回年次学術講演会概要集，$( (;，
!*
北村匡範，和田眞禎，北田俊行，山口隆司，丹羽量久，松田浩：画像処理技術を用いた既設 構造物の終局状態に至るまでの現象を可視化するシステムの開発土木学会第#回年次学術 講演会概要集，(*(;，!*
木下正幸，森田千尋，松田浩，崎山毅，黄美 離散的近似解法による積層偏平シェルの弾 塑性曲げ解析土木学会第#回年次学術講演会概要集，(#(;，!*
佐藤英一，森田千尋，松田浩，崎山毅，有尾一郎竹の異方性組織構造に観る複合構造の力 学的特性土木学会第#回年次学術講演会概要集，())(;，!*
! 研究成果
本研究で得られた成果については前記の学会論文集やシンポジウムなどで既に公表済みであるが，そ の概略は以下のようにまとめることができる．
! 次元形状計測
試作次元計測器をはじめとして，レーザー光やデジタルカメラなどの技術を用いた次元計 測技術についての研究を実施することができるようになった．
! ホログラフィ干渉計測
これまで写真乾板で行っていたものをデジタルカメラで画像を取得することができるようになっ た．この研究が次のスペックル干渉計測のきっかけとなった．
! スペックル干渉計測
ホログラフィの関連技術としてスペックルパターン干渉計測装置を導入し，以下に示すような 種々の構造部材の構造特性や劣化メカニズムの研究にとりかかることができた．現在は面内計 測であるが，面外計測への拡張を含めての開発・改良も現在進めている．
! 薄肉曲面板の次元形状計測と自由振動解析
曲面板をいくつかの次元形状計測器で計測し，そのデータを用いて解析を実施した．解 析結果は振動実験での共振周波数とホログラフィ干渉計測による振動モードと比較し，よく一 致することを確認した．簡便で精度のよい次元計測について検討することができた．
! ホログラフィ干渉計測法の欠陥検知への適用可能性追及
切欠きや孔を有する平面板を対象としてホログラフィ干渉計測による振動モードの変化に注目 し，非破壊検査への適用可能性について検討した．共振周波数に変化がみられなくても振動モー ドの変化に注目すると，欠陥検知が可能であることが確認された．
! 有孔板および切欠板の引張試験における計測
有孔板および切欠板の引張試験で計測を実施した．この計測でもホログラフィの振動モー ドと同じように，全体的なひずみ分布の変化をとらえることができるので，非破壊検査に適用 できることが確認された．可視光線下で実施できるので適用範囲が広い．
#! はりのひび割れの発生・進展の可視化
せん断スパン比の異なるはりの載荷試験を実施し，曲げひび割れから斜めひび割れ，せん 断ひび割れに移行するひび割れの発生・進展状況を計測により可視化することができた．
解析での可視化はこれまで実績があるが，実験での可視化ははじめてであると考えている．
)! 矩形張力膜のリンクル計測
矩形張力膜の引張試験を実施し，リンクル発生は計測による最小主ひずみの緩和点とし て定義できることが実験で明らかになった．また，次元計測器や面外計測可能なにより 膜のリンクル形状も計測することができるが，これについては今後の課題である．
*! 複合積層板の自由振動特性
積層板の自由振動解析とホログラフィ干渉計測との比較により，異方性材料に対しての 構造特性の検査に有効であることが確認できた．これのことは積層構造の層間はく離や剥れや 接着不良などの欠陥検知に対しても有効であることを示唆するもので，現在さらに実験を進め ている．
! レジンコンクリートの硬化過程の収縮ひずみ計測
計測によるフレッシュコンクリートの硬化過程における非接触全視野ひずみ計測の適用可 能性を確認することができた．コンクリートの自己収縮，乾燥収縮，温度応力・ひび割れなど の研究に適用できることが予想される．
! 落橋防止構造の連結板の接触圧分布
落橋防止構造の連結板の接触圧分布を計測と解析で比較した．解析は理想的な条 件であり，実験結果とは一致しない場合がある．実験を再現するために，境界条件などを実験 に合わせて正確に行うことができ，解析へフィードバックすることができた．
! 圧縮せん断破壊メカニズムの解明
セメントモルタルやを用いた圧縮試験を実施するとともに，破壊力学に基づく数値解 析（体積力法，粒子法）を行い，圧縮せん断破壊のメカニズムに関して考察を行った．この研 究成果は地震の断層生成メカニズムの解明にも貢献できることが予想され，今後の重点研究課 題となり得ることが予想される．
! 溶接部に存在する内部き裂が鋼材表面のひずみに及ぼす影響
スペックル干渉法による溶接部内部き裂の検出の可能性を検討するため，その初期段階として 内部にき裂が存在するモデルの有限要素解析を行い，モデルサイズや内部き裂の位置・サイズ が表面ひずみに及ぼす影響を明らかにした．今後，この結果を踏まえて実験を続行する予定で ある．
! 平和祈念像の３次元形状計測とＦＥ解析
レーザースキャナを用いて３Ｄ形状計測を行い，得られたデータを用いて３Ｄデジタル情報化 するとともに，そのデジタル座標データを用いて３ＤＦＥメッシュを作成しＦＥ解析を行うシ ステムを構築した．このシステムは歴史的構造物の３Ｄデジタルデータの保存するだけでなく，
構造物の地震応答解析も可能となるので，あらゆる構造物の耐震評価に応用することができ，今 後発展が期待される研究テーマである．
! 歯のＣＴ画像から次元ＦＥモデルの構築
歯のＣＴ画像データからＦＥメッシュデータの作成とＦＥ解析を行うシステムを構築した．こ の手法は，歯や骨などの生体材料のみならず，３Ｄ地質情報から３Ｄデジタル化も可能となる ので，それに基づく３ＤＦＥ解析も可能となり，今後の発展が期待されるテーマである．
【謝 辞】
本研究を遂行するにあたり，豊岡了先生（埼玉大学教授，大学院理工学研究科）にはスペックル干渉計 測について，非常に有益なご助言とご指導を賜りました．平成（）年月#日に土木学会のコン クリート工学委員会の前日に埼玉大学を訪問させていただきました．「夕方遅くでも構わない」というお言 葉に甘えて，初対面にもかかわらず夜)時過ぎまで，ホログラフィ干渉計測，スペックル干渉計測につい てご教示していただくとともに，実験室を案内していただきました．豊岡先生にお会いしたのを契機とし て，日本実験力学会に入会し，和歌山大学でのシンポジウムにはじめて参加しました．そこで，福岡県工 業技術センター電子機械研究所の内野正和氏がスペックル干渉計測の研究を進めておられることを知りま した．電子機械研究所がある福岡県北九州市までは車で時間程度ですので，学生と一緒に訪問させてい ただきました．それ以来，内野正和氏には，日本コンクリート工学協会九州支部の研究専門委員会「コン クリートの硬化・劣化過程の全視野ひずみ計測」に参画していただくとともに，計測法全般にについてご 助言をいただいています．
また，平成〜年度の長崎大学工学部構造工学科の研究室の卒業生及び大学院修士課程修了生，大 石祐介君（現：株エスイー），林山豊君（現：株富士ピーエス，荒田新吾君，神原天鳴君現：株 リョーセンエンジニアズ，楠原絵美君（現：長菱設計株），出水享君（現：株計測リサーチコンサル タント），崎村陽介君（現：前田建設工業株），下郡康二君（現：辻産業株），牧野高平君（現：西松建 設株），峯弘樹君（現：竹田設計工業株），田島海渡君（現：日本電炉株），村上和哉君（現：
情報システム株），山口歩君（現：扇精光株），後田恭孝君（現：株菱熱），杉原泰亮君（），中 島朋史君（），前田陽君，松山直紀君（），森昌将君（），鶴田聡君（），浜岡広君（，日 高哲郎君（，宮本恵子君，森下喬君（，山根広知君（には，実験，計測，解析，そして本報 告書の作成に際して大変お世話になりました．
ここに記して感謝の意を表します．
平成#年月
研究代表者
松田 浩長崎大学工学部教授
