研究者総覧

丸山 泰蔵 (マルヤマ タイゾウ)

  • 大学院理工学研究科 生産環境工学専攻 講師
Last Updated :2020/09/16

研究者情報

学位

  • 博士(工学)(2016年03月 東京工業大学)
  • 修士(工学)(2013年03月 東京工業大学)

論文上での記載著者名

  • 丸山 泰蔵
  • Taizo Maruyama
  • Maruyama, Taizo
  • T. Maruyama
  • Maruyama, T.

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J-Global ID

研究キーワード

  • 応用力学   非破壊検査   弾性波動   計算力学   

研究分野

  • 社会基盤(土木・建築・防災) / 構造工学、地震工学

研究活動情報

論文

  • Terumi Touhei, Taizo Maruyama
    International Journal of Solids and Structures 169 187 - 204 2019年09月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌) 
    © 2019 Elsevier Ltd A method for reconstructing the locations of point-like scatterers in an elastic half-space is developed in this article. Point-like scatterers are characterized by fluctuations of the Lamé parameters and the mass densities from the background structure of the wavefield. A representation of the wavefield is realized with the monopole and dipole Green's functions. The main contribution of the present work is to clarify the far-field properties of the Green's functions for both the monopole and dipole sources, which yields the pseudo-projection approach to the wave problem. Indicator functions that reconstruct the locations of point-like scatterers are defined by the far-field operator derived from the pseudo-projections and the near-field observation. Numerical computations were carried out to verify the accuracy of the pseudo-projection method. The sensitivities of the accuracy of the reconstruction results for the proposed method to random noise, the grid resolution at the free surface, and the analyzed frequency were also examined.
  • Taizo Maruyama, Terumi Touhei
    Journal of the Acoustical Society of America 143 6 3545 - 3556 2018年06月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌) 
    © 2018 Acoustical Society of America. The present article describes the steady-state numerical modeling of anti-plane shear wave scattering by a crack with frictional boundary conditions. The system is composed of an unbounded elastic solid that includes a closed crack under static compressive stress. A time-harmonic anti-plane shear wave is incident, and dynamic friction between the crack faces is induced as a nonlinear phenomenon. The anti-plane wave scattering can be described in a retarded potential integral equation by taking the nonlinearity into account. The present article introduces the steady-state expression as an asymptotic vibration of crack faces after a sufficient elapsed time. In order to solve the equations describing nonlinear steady-state vibration, a harmonic balance method is integrated into a boundary element method. Fourier coefficients of crack opening displacement distributed on the crack face are treated as unknown variables. The system of nonlinear equations is solved by means of a numerical continuation method. The present numerical results show almost complete agreement with those obtained by the conventional time-domain analysis after a sufficient elapsed time. Furthermore, the robustness and effectiveness of the proposed method are demonstrated numerically.
  • 丸山 泰蔵, 東平 光生
    土木学会論文集A2(応用力学) 74 2 I_179 - I_189 2018年 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • Taizo Maruyama, Takahiro Saitoh, Sohichi Hirose
    International Journal of Solids and Structures 126-127 74 - 89 2017年11月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌) 
    © 2017 Elsevier Ltd Recently, the ultrasonic testing (UT) based on the contact acoustic nonlinearity (CAN) has attracted notice as a new technique for detection of closed cracks which cannot be detected by using the linear UT (LUT). In the nonlinear UT (NLUT), detection and size measurement of flaws are conducted via the frequency spectrum analysis of nonlinear ultrasonic waves which consist of higher- and sub-harmonic waves. Although the mechanism of higher-harmonic generation due to CAN has been understood mostly from theoretical and experimental points of view, that of sub-harmonic generation has not been revealed yet. In addition, there are few numerical and theoretical studies on the phenomenon of sub-harmonic generation due to the CAN. In this paper, the boundary integral equation for two-dimensional (2-D) elastic wave scattering by cracks is formulated and numerically solved to investigate the behavior of the sub-harmonic waves. The clapping motion and dynamic friction on crack faces are modeled by considering contact boundary conditions, and their interaction with the characteristic of frequency response in the corresponding linear system is investigated. In this study, time-domain numerical simulations are implemented for both an interior crack in an unbounded elastic solid and a surface breaking crack in an elastic half-space. Some frequency response analyses for a linear system corresponding to the time-domain nonlinear simulations are also performed by using the frequency-domain boundary element method. From obtained numerical results, the causes of sub-harmonic generation are discussed.
  • 丸山 泰蔵, 東平 光生
    計算数理工学論文集 17 65 - 70 2017年 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • T. Maruyama, T. Saitoh, T. Q. Bui, S. Hirose
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 303 231 - 259 2016年05月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌) 
    © 2016 Elsevier B.V. Existing boundary element methods (BEMs) have been proven to be efficient numerical techniques particularly in modeling wave propagation problems but still remain limitations in solving large-scale problems. The main disadvantages may be caused by several problems, including high cost and large amount of computer memory for the computation. A time-domain BEM in which a collocation method is used for the time discretization also shows numerical instability for small CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) number. In this work, we propose a new three-dimensional (3-D) approach for solving transient elastic wave propagation problems of large-scale spherical and spheroidal cavities by the convolution quadrature BEM accelerated by fast multipole method (FMM) using an implicit Runge-Kutta scheme (in abbreviation, we name it as IRK-based CQ-FMBEM). Two special techniques pertaining to the FMM including the scaling of modified spherical Bessel functions and the truncation method are used to enhance the efficiency and stability of our proposed method. This approach is found to be particularly suitable for 3-D large-scale problems as its high accuracy, stability of time-marching process, and computational efficiency. These properties are subsequently illustrated through numerical examples dealing with large-scale wave problems of 3-D single spherical and spheroidal cavities and multiple equally and irregularly spherical cavities. The accuracy of the present formulation is verified by comparing the obtained results with available reference solutions in the literature. Some numerical aspects of time increments, sizes and topological shapes of cavities, and their influences on the deformations and the waveforms are investigated. Also, detailed investigation of the computational efficiency of our proposed method, such as CPU time, required memory, etc. is presented. All the implementation tasks are carried out using the Tokyo Tech. supercomputer which is called TSUBAME 2.5 [42].
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    土木学会論文集A2(応用力学) 72 2 I_217 - I_226 2016年 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    計算数理工学論文集 15 67 - 72 日本計算数理工学会 2015年12月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    土木学会論文集A2(応用力学) 71 2 I_299 - I_310 2015年 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 斎藤 隆泰, 金井 翔平, 丸山 泰蔵
    計算数理工学論文集 14 31 - 36 日本計算数理工学会 2014年12月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    計算数理工学論文集 14 55 - 60 日本計算数理工学会 2014年12月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    土木学会論文集A2(応用力学) 70 2 I_235 - I_246 公益社団法人 土木学会 2014年 [査読有り]
     
    本研究では, 演算子積分時間領域境界要素法(CQ-BEM)を用いた非線形超音波法の3次元数値シミュレーション手法の開発, 及びその手法を用いた数値シミュレーションを行う. 非線形超音波法とは, 線形超音波法では特に検出が困難である閉口き裂に対して, 有効な検査手法となることが期待されている手法である. しかしながら, 高調波, 及び分調波からなる非線形超音波は, き裂面での繰り返し打撃やせん断応力の変化によって発生するといったいくつかの説が提唱されているものの, その発生メカニズムは明確には解明されていない. そこで, これまでに行われてきた手法と比較して, より現実に即した3次元問題に対する数値シミュレーション手法を開発し, 解析を実行する. また, 遠方散乱波のフーリエスペクトル解析によって非線形超音波発生の特性を調べる.
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    土木学会論文集A2(応用力学) 69 2 I_175 - I_185 公益社団法人 土木学会 2013年 [査読有り]
     
    This paper presents an implicit Runge-Kutta (IRK) based convolution quadrature time-domain fast multipole boundary element method (CQ-FMBEM). Application of a convolution quadrature method (CQM) to a time-domain boundary element method (BEM), which is called CQ-BEM, can improve numerical stability of time-stepping procedure. In recent researches, the IRK based CQ-BEM showed better performance than the conventional linear multistep based one regarding accuracy. However, the IRK based CQ-BEM requires more computational time and memory. Therefore, in this paper, the fast multipole method (FMM) is applied to the IRK based CQ-BEM for 3-D scalar wave propagation problems. The formulation of the IRK based CQ-BEM and the application of the FMM are described. The accuracy and computational efficiency of the proposal method are compared with the linear multistep based CQ-FMBEM by solving some numerical examples.
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一
    計算数理工学論文集 12 91 - 96 日本計算数理工学会 2012年12月 [査読有り]
     研究論文(学術雑誌)
  • 斎藤 隆泰, 丸山 泰蔵, 廣瀬 壮一
    土木学会論文集A2(応用力学) 67 2 I_145 - I_152 公益社団法人 土木学会 2011年 [査読有り]
     
    This paper presents a convolution quadrature time-domain boundary element method for fluid-elastic half space. Application of convolution quadrature method (CQM) to time-domain boundary element method (BEM), which is called CQ-BEM, can help improve numerical stability of time-stepping procedure. However, the conventional CQ-BEM for fluid-elastic half space has two disadvantages. First, it requires much memory to evaluate retarded potentials of time-stepping procedures. Second, it is difficult to couple both boundary integral equations for fluid and elastic half space with time-domain boundary conditions on fluid-elastic interface directly. The formulation presented herewith improves these disadvantages by transforming boundary values in time-domain into Fourier-domain. As numerical examples, air-coupled ultrasonic simulation is shown to validate the presented method.

MISC

  • Taizo Maruyama, Terumi Touhei Proceedings of Meetings on Acoustics 29 (1) 2016年11月 [査読有り]
     
    © 2017 Acoustical Society of America. In nonlinear ultrasonic testing (NLUT) based on contact acoustic nonlinearity (CAN), higher- and subharmonic waves are measured and analyzed for detection of cracks. Theoretical explanation of the harmonic generation is desirable for accurate NLUT. In particular, the steady-state motion of crack faces is supposed to significantly affect behavior of higher- and sub-harmonic wave generation. However, the detail of wave scattering by cracks with CAN has not been clarified yet. Therefore, in order to investigate the detail of steady-state vibration accompanied with contact of crack faces, the authors coupled the boundary element method (BEM) and harmonic balance method. In the proposed method, a concept of the steady-state and nonlinear vibration of crack faces is introduced as asymptotic behavior of vibration that can be recognized after sufficiently elapsed time. The scattering model is for the antiplane shear wave field that causes the crack face friction. Several numerical calculations were performed to examine and verify the accuracy of the proposed formulation. The present results showed almost complete agreement with those obtained by the conventional time-domain BEM. It was also found that the nonlinear effects for the present model were mainly due to the third-order higher-harmonic waves.
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一 計算工学講演会論文集 Proceedings of the Conference on Computational Engineering and Science 20 6p 2015年06月
  • 市川 諒, 斎藤 隆泰, 丸山 泰蔵, 廣瀬 壮一 計算力学講演会講演論文集 2015 (0) _216 -1_-_216-2_ 2015年
  • 廣瀬 壮一, 橘 肇, 中本 啓介, 島田 義則, コチャエフ オレグ, 山口 雄也, 丸山 泰蔵 年次大会 2014 (0) _J0420204 --_J0420204- 2014年 
    In Japan, concrete slabs of highway bridges, especially ones constructed before 1970, have suffered fatigue damage due to repeated traffic loads. "Steel plate bonding method" has been widely used for over 30 years to strengthen damaged concrete slabs. In recent years, however, the repaired structures have also been damaged due to the debonding of adhesive resin between a steel plate and concrete. In this study, a laser based ultrasonic method is developed for remote inspection of bonded steel plates. Some results are obtained in a laboratory measurement of specimens, and are discussed in comparison with impact hammer method and numerical results. It is shown that the laser based method has a promising possibility of effective nondestructive evaluation for steel plate bonding of highway bridges.
  • Sohichi Hirose, Seitaro Nishimoto, Taizo Maruyama, Yasuaki Nagata AIP Conference Proceedings 1581 33 36 -41 2014年 [査読有り]
     
    A time domain synthetic aperture focusing technique (SAFT) for flaw imaging of immersed structures with curved surfaces is improved in conjunction with approximate wave solutions, which were obtained in an explicit form by Schmerr (1998). In the improved SAFT, the approximate solutions are used to normalize A-scan waveforms and then the normalized waveforms are superimposed to obtain images with high contrast for a flaw in a structure in curved surfaces. As examples, the proposed SAFT is applied to experimental data for a side drilled hole (SDH) in an immersed round bar. © 2014 AIP Publishing LLC.
  • Taizo Maruyama, Takahiro Saitoh, Sohichi Hirose AIP Conference Proceedings 1581 33 550 -555 2014年 [査読有り]
     
    Air-coupled ultrasound testing is known as one of attractive non-contact ultrasonic NDE methods. However, the sensitivity of the air-coupled method greatly depends on the positioning of transducers, because the difference of acoustic impedance between air and solid is very large. In order to use this method for quantitative detection and evaluation of material flaws, it is necessary to simulate ultrasonic wave propagation and scattering in a solid. For a coupling problem between two media, in which ultrasonic waves travel at greatly different velocities, it is difficult to obtain stable solutions by means of a conventional time-domain boundary element method (BEM). A convolution quadrature time-domain fast multipole BEM (CQ-FMBEM) has been developed for the simulation of ultrasonic wave propagation and scattering in a solid. In the CQ-FMBEM, a convolution quadrature method (CQM) is introduced to make BEM solutions stable by evaluating a convolution integral in a very accurate numerical manner, while a fast multipole method (FMM) is used to accelerate the computations effectively for large scale problems. In this paper, 2-D and 3-D scattering problems of ultrasonic waves due to defects near an interface between air and solid are solved in order to simulate ultrasound scattering phenomena. © 2014 AIP Publishing LLC.
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一 理論応用力学講演会 講演論文集 62 (0) 106 -106 2013年 
    近年、注目を集めている空気超音波法は、超音波非破壊検査手法の一つであり、試験体に対して非接触状態で空気中から超音波を直接入射させ、材料内部の欠陥を評価する方法である。そのため、接触媒質が不要で効率よく検査ができるという利点を持つ。今までに2次元での数値シミュレーションはいくつか行われているが、3次元数値シミュレーションはほとんど行われていない。3次元的な形状を有する試験体に対する探傷を行うこと、及び探触子が3次元的な形状を有すること等を考慮すると、3次元数値シミュレーションを行うことが必要であると思われる。そこで、本研究では、波動解析に有効な手法である演算子積分時間領域境界要素法をベースとした数値解析を実行し、空気超音波法の3次元数値シミュレーションを行う。
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一 理論応用力学講演会 講演論文集 62 (0) 172 -172 2013年 
    非定常な時間領域波動問題の解析を効率よく行うことは、非線形問題を精度良く解く上で重要となる。特に、時間領域境界要素法は波動問題のような開領域を扱わねばならない問題に対して威力を発揮する。実際、非破壊検査等のシミュレーションでは、(半)無限領域を扱うことが多く、適した手法であるといえる。本論文では、近年開発された陰的Runge-Kutta法を用いた演算子積分時間領域境界要素法を3次元弾性波動問題へ適用し、さらに境界要素法の高速化手法として代表的な高速多重極法の適用をも行う。本手法の特徴は、これまでに提案されてきた演算子積分時間領域境界要素法よりも時間に関する精度が高いこと、及び高速多重極法を適用することでさらなる計算効率の向上を見込める点にある。また、陰的Runge-Kutta法は高次においても高い安定性を持つ手法が数多く存在するため、精度次数を自由に選択できることも本手法の特徴である。
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一 非破壊検査 : journal of N.D.I 61 (3) 111 -112 2012年03月
  • 丸山 泰蔵, 斎藤 隆泰, 廣瀬 壮一 M&M材料力学カンファレンス 2012 (0) _OS0715 -1_-_OS0715-3_ 2012年 
    This paper presents a 3D numerical simulation for air-coupled ultrasonic testing. Air-coupled ultrasonic testing has some advantages because this method is one of non-contact ultrasonic NDE methods. However, the positioning of air-coupled transducers is very sensitive, because the difference of acoustic impedance between air and solid is very large. In order to use this method for evaluation of various materials, it needs to simulate wave propagation in a solid medium. A BEM (boundary element method) is an effective method for wave propagation problems. Therefore, the BEM formulation using the CQM (convolution quadrature method) is developed for air-coupled ultrasonic testing and the numerical results for 3D wave simulation are shown.

受賞

  • 2019年06月 土木学会応用力学委員会 応用力学論文賞
     接触音響非線形性を伴うき裂による散乱問題に対する調和バランス-境界要素法の定常解の安定性について 
    受賞者: 丸山 泰蔵;東平 光生
  • 2018年09月 土木学会応用力学委員会 応用力学シンポジウム講演賞
     接触音響非線形性を伴うき裂による散乱問題に対する調和バランス-境界要素法の定常解の安定性について 
    受賞者: 丸山 泰蔵
  • 2017年07月 東京工業大学土木工学科同窓会「丘友」 吉川・山口賞
     Fast time-domain boundary element method and its application to nonlinear ultrasonic simulation 
    受賞者: 丸山 泰蔵
  • 2016年05月 土木学会応用力学委員会 応用力学論文奨励賞
     接触条件を考慮したき裂による 2次元分調波励起シミュレーション 
    受賞者: 丸山 泰蔵
  • 2015年01月 日本計算数理工学会 日本計算数理工学会講演賞
     音響波動-弾性波動連成問題に対する陰的Runge-Kutta法を用いたCQ-FMBEM 
    受賞者: 丸山 泰蔵
  • 2013年11月 土木学会 優秀講演賞
     
    受賞者: 丸山 泰蔵
  • 2013年03月 第62回理論応用力学講演会運営委員 優秀講演賞
     
    受賞者: 丸山 泰蔵

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • き裂面の接触を利用した非線形超音波法に対する定常散乱解析の高度化
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 若手研究
    研究期間 : 2019年04月 -2022年03月 
    代表者 : 丸山 泰蔵
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 研究活動スタート支援
    研究期間 : 2016年08月 -2018年03月 
    代表者 : 丸山 泰蔵
     
    構造物・機械の超音波を用いた非破壊検査手法の一つである非線形超音波法についての研究を実施した.非線形超音波法において,入射波の二分の一の周波数成分を含む受信波が得られる場合があり,その解析のための新たな数値シミュレーション手法を開発した.開発した手法を用い,き裂が部材に存在することによる共振特性の変化,及びき裂面の接触の相互作用に起因して,特定の条件下で局所的に複雑な共振現象が発生することを確認した.これは分数調波共振と呼ばれる現象であり,この現象によって入射波の二分の一の周波数成分を有する散乱波が発生し得ることがわかった.
  • 大規模波動解析手法の開発及びコンクリート材料に対する非破壊検査への応用
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    研究期間 : 2014年04月 -2016年03月 
    代表者 : 丸山 泰蔵
     
    平成27年度は,閉口き裂に対する検出手法である非線形超音波法に対する基礎的なアプローチとして,数値シミュレーションによる分調波発生現象の再現,及びその原因の考察を行う予定であった.また,境界要素法・有限要素法結合解法の開発を行い,非線形超音波法の非均質材料へのアプローチを見通しの良いものにする予定であった. 分調波シミュレーションに関しては,平成26年度中に2次元時間領域境界要素法を用いた数値シミュレーションによって材料内部のき裂に対する分調波発生現象の再現に成功したため,平成27年度はその数値シミュレーション手法を材料表面に存在するき裂に対して拡張すること,及び3次元数値シミュレーションの実行を予定していた.成果としては,先行研究の計測実験において分調波発生現象が報告されている材料表面に存在するき裂に対して数値シミュレーション手法を拡張した.その後,数値シミュレーションを実行し,表面き裂による分調波発生現象の再現に成功した.また,その数値シミュレーションから,自由表面による弾性波の反射とき裂面の接触との相互作用によって,分調波発生現象が起こっていることを示唆する結果が得られた.さらに,平成26年度に行った3次元時間領域境界要素法の高速・効率化の成果を元に,非線形超音波法の数値シミュレーション手法を3次元へと拡張し,材料内部のき裂に対して解析を行った.その結果,有限の奥行き長さを有する2次元の場合と似た形状のき裂モデルに対して,分調波の発生が確認できた.また,奥行き長さが分調波発生現象に与える影響を調べた. 非均質材料へのアプローチである境界要素法・有限要素法結合解法の開発に関しては,2次元波動問題に対してGalerkin法を用いた定式化を行い,数値シミュレーションを実行することによって,その妥当性を検証した.


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