Strength evaluation of carbon fiber reinforced thermoplastic based on viscoelastic-viscoplastic analysis

• Project/Area Number: 21K03753
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: Sakaue Kenichi 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40383509)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 複合材料 / 熱可塑性樹脂 / 粘弾性 / 粘塑性 / 強度予測 / 寿命予測 / 逆解析 / 圧縮性塑性 / 有限要素解析

Outline of Research at the Start

本研究は，炭素繊維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）の広範な負荷条件での力学挙動・破壊挙動を熱可塑性樹脂の本質的な特性である粘弾性・粘塑性に基づいてシミュレーション可能な数値解析法を確立することを目的とする．各種材料試験を通じて熱可塑性樹脂およびCFRTPの粘弾性・粘塑性特性と破壊挙動の温度・ひずみ速度依存性を明らかにする．また，有限要素解析に必要な粘弾性・粘塑性サブルーチンを開発するとともに，CFRTPの力学挙動を再現できる解析モデルを構築し，粘弾性・粘塑性解析に基づきCFRTPの破壊挙動を予測する．

Outline of Final Research Achievements

The viscoelastic and viscoplastic behavior of polyamide 6 (PA6) and polybutylene terephthalate (PBT) are evaluated and are predicted by a mechanical model combining nonlinear viscoelasticity and plasticity or viscoplasticity. Moreover, based on the viscoelastic characteristics and the time-temperature superposition principle of thermoplastics, the temperature dependence of tensile strength and strength variation of unidirectionally reinforced thermoplastics can be predicted through the Global Load Shearing Model and its modified model.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ポリアミド6（PA6）などの熱可塑性樹脂をマトリクスとする炭素繊維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）は構造用CFRTPとして期待されている．構造用CFRTPの設計において，低温から高温までの広い温度範囲，ならびに衝撃負荷から長期クリープまでの広いひずみ速度範囲に対する強度を予測する必要がある．本研究は一方向強化熱可塑性樹脂の強度・寿命予測法を提案しており，この成果は自動車やインフラ構造物に向けたCFRTPの設計と利用拡大に貢献できる．

Research Products

• [Journal Article] GLSモデルによる一方向CF/PPの温度依存強度特性の予測 (2023)
  • Author(s): 田井稜華，沼野直樹，坂上賢，伊崎健晴
  • Journal Title: 実験力学 Volume: 23 Pages: 113-117
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of viscoelastic non-isochoric plastic behavior of PBT and PA6 (2022)
  • Author(s): Sato Yoshihiko、Masumizu Sayaka、Sakaue Kenichi、Koyanagi Jun、Ohtani Akio、Sakai Takenobu
  • Journal Title: Mechanics of Time-Dependent Materials Volume: - Issue: 3 Pages: 829-841
  • DOI: 10.1007/s11043-022-09552-1
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 塑性変形により誘起される熱可塑性樹脂の異方性力学特性 (2023)
  • Author(s): 坂上賢一，樋口捷
  • Organizer: 日本機械学会M&M2023材料力学カンファレンス
• [Presentation] GLSモデルによる一方向CF/PPのワイブル分布の予測 (2023)
  • Author(s): 田井稜華，坂上賢一
  • Organizer: 日本実験力学会2023年度年次講演会
• [Presentation] Evaluation of compressive strength of short glass fiber reinforced polybutylene terephthalat (2023)
  • Author(s): Fukuo Atsuko, Sakaue Kenichi
  • Organizer: International Conference of the Advanced Technology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference 2023
• [Presentation] 短繊維強化熱可塑性樹脂の圧縮試験 (2023)
  • Author(s): 福應敦子，坂上賢一
  • Organizer: 日本非破壊検査協会第53回応力・ひずみ測定と強度評価シンポジウム
• [Presentation] 一方向炭素繊維強化ポリプロピレンテープの温度依存力学特性の評価 (2022)
  • Author(s): 沼野直樹，田井稜華，坂上賢一，伊崎健晴
  • Organizer: 日本実験力学会2022年度年次講演会
• [Presentation] 圧縮性粘塑性を考慮した熱可塑性樹脂の非線形粘弾性粘塑性特性の評価 (2022)
  • Author(s): 佐藤慶彦，坂上賢一
  • Organizer: 日本機械学会M&M2022材料力学カンファレンス
• [Presentation] 熱可塑性樹脂の非線形粘弾性特性評価 (2021)
  • Author(s): 坂上賢一，岩田玲将
  • Organizer: 日本機械学会M&M2021材料力学カンファレンス
• [Presentation] 繰返し負荷試験によるポリアミド6の力学挙動評価 (2021)
  • Author(s): 升水沙弥香，坂上賢一，小柳潤，大谷章夫，坂井建宣
  • Organizer: 日本実験力学会2021年度年次講演会
• [Presentation] 圧縮性塑性構成式に基づく熱可塑性樹脂の力学挙動シミュレーション (2021)
  • Author(s): 佐藤慶彦，坂上賢一
  • Organizer: 日本実験力学会2021年度年次講演会