| Project/Area Number |
22K14155
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
佐藤 光桜 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (90914664)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 耐熱CFRP / 長期耐久性 / 粘弾性 / 有限要素解析 / FEM |
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| Outline of Research at the Start |
CFRP積層板の寿命予測に関する従来研究では，一定の疲労負荷下，クリープ負荷下などある限定された環境におけるmmスケールの耐久性の議論に留まっており，例えば繰り返し負荷中の周波数や応力比を試験中に変化させた場合や温度を途中で変化させた場合など，組み合わせ負荷を経験した際の耐久性が定量化されていない．本研究は，CFRP積層板が組み合わせ負荷（疲労負荷後引張，クリープ後衝撃など）を受けた際の劣化を材料中のエントロピー生成量により記述し，積層板内に生じるμmスケールのトランスバースクラック発生メカニズムを解明した上で，CFRP積層板の劣化・寿命を数値シミュレーションで定量的に予測する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，耐熱CFRP積層板が組み合わせ負荷（繰り返し負荷後に引張負荷を受けたり，クリープ負荷後に衝撃負荷を受けたりするなど）を受けた際の劣化を材料中のエントロピー生成量により記述し，積層板内に生じるマイクロメートルスケールのトランスバースクラック発生メカニズムを解明した上で，耐熱CFRP積層板の劣化・寿命を数値シミュレーションで定量的に予測することを目的としている．
2023年度では，数値解析上でマイクロメートルスケールのCFRPモデルを作成し，CFRPクロスプライ積層板の90°層が繰り返し荷重を受けたあとの残存強度について，数値解析的に予測した．90°層中のマトリクス樹脂が，繰り返し負荷を経験した際に生成されるエントロピーを逐次的に再現することができた．また，クロスプライ積層板が経験する繰り返し負荷数が異なるシミュレーションをいくつか実行し，繰り返し負荷数の依存性を考慮した残存強度を予測した．例えば繰り返し負荷数が多いほど，そのエントロピー生成量が大きくなるため，この場合は残存強度が低下することを再現した．この結果に基づき，繰り返し負荷後の残存強度と材料のエントロピー生成量の関係を定量的に紐づける理論式を提案した．この理論式を利用することで，CFRPクロスプライ積層板が繰り返し負荷を受けた際の材料劣化を数値解析的に予測できる見込みを得た．
上述の研究成果は，国際学会1件，国際論文1報として報告した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度実施予定であったマイクロメートルスケールのCFRPモデルを用いた残存強度予測シミュレーションについて予定通り実施した．しかしながら，当初の予定では常温環境下だけでなく，250℃程度の高温環境下における残存強度予測もシミュレーション予定であったが，想定より計算コストがかかることが分かり，今年度は常温環境下における数値解析に限定した．その後，高温環境下における数値計算の計算コストの課題について取り組み，解消の見込みを得たため，高温環境下の残存強度シミュレーションは次年度に達成予定である．
以上のことから，本研究課題はやや遅れて進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度では，2023年度で達成に至らなかった高温環境下での残存強度予測シミュレーションを実施し，高温環境下における残存強度と材料のエントロピー生成量の関係を定量的に評価する．また，数値解析条件に準じた材料実験を行い，実験結果と比較検証することにより，その妥当性を得る．
提案した数理モデルや実験結果についての結果を取りまとめ，国際学会および論文発表を行う予定である．
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