静および衝撃負荷を受けるFRP積層材の厚さ方向のせん断特性の解明

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07650118
• Research Institution: Nihon University, College of Industrial Technology
• Principal Investigator: 邉 吾一 日本大学, 生産工学部, 教授 (90060079)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青木 義男 日本大学, 理工学部, 講師 (30184047) ; 西 恭一 日本大学, 生産工学部, 助手 (00256819) ; 村田 守 日本大学, 生産工学部, 講師 (40287595)
• Keywords: CFRP積層材 / 横せん断係数 / 横せん断破壊ひずみ / 横方向等方性 / 超音波探傷 / 電子工学式変位計 / 3次元有限要素法 / クロスエラスティシティ

Research Abstract

繊維強化プラスチック(FRP)複合材料は厚さ方向に積層されて使用される場合が最も多く、その場合の破壊の主要なモードは層と層が剥がれて壊れる層間破壊であるが、この厚さ方向の横せん断弾性係数や横せん断破壊ひずみは、実験の困難さのために、今まで求められていないのが現状である。
本研究では、CFRP積層材の静的3点曲げショートビーム試験を行い、本研究で特別に考案された電子光学式非接触変位計を用いて、従来測定されることのなかった横せん断ひずみを負荷の初期から破壊まで求め、CFRP積層材の繊維配向角と横せん断弾性係数および横せん断破壊ひずみの関係を実験的に初めて明らかにした。また、実験結果と積層理論による解析結果との比較を行い、FRP積層材の横せん断弾性係数を求める試験法の妥当性およびFRP積層材の横方向等方性の仮定の妥当性を実験的に初めて検討した。さらに、繊維配向角によってFRP積層材の破壊がせん断破壊から曲げ破壊に移行することを超音波探傷及び3次元有限要素法の解析によって明らかにしている。以下、本研究で得た具体的な成果を箇条書きで記す。
(1)従来垂直ひずみを精度良く実測するために用いられてきた電子光学式非接触変位計を、同一水平線上の2点の垂直変位を求められるように改良することによって、今まで測定されなかったCFRP積層材の厚さ方向の横せん断ひずみ求めることができた。
(2)斜向一方向材の横せん断特性に与えるクロスエラスティシティ効果の影響を実験的に明らかにし、その影響を取り除いて、繊維配向角と横せん断係数や横腺断破壊ひずみとの関係を明らかにした。
(3)一方向材の繊維配向角が変化した場合と疑似等方性積層理論による横方向せん断弾性係数の計算値は実験結果と良く一致し、これより任意の繊維配向角と積層構成を有するCFRP積層材の横方向せん断弾性係数は積層理論で求められることを示した。
(4)90°材の横せん断弾性係数の実験値は横方向等方性の仮定による引張り試験の結果から求めた値とほぼ一致し、従来から用いられていた一方向積層材の横方向等方性の仮定の妥当性を初めて実証した。
(5)繊維配向角の増加と共に0°及び15°材はせん断によって破壊し、30°材はせん断と曲げ(圧縮)で破壊し、45°材以上は曲げによって破壊することを明らかにし、これらの結果は超音波探傷結果と一致した。

Research Products

• [Publications] 邉吾一 他1名: "CFRP積層材の横(面外)方向等方性と強度特性" 日本機械学会第73期全国大会講演論文集. 95-10. 298-299 (1995)
• [Publications] 邉吾一 他1名: "CFRP積層材の静および衝撃横せん断特性" 日本機械学会第74期全国大会講演論文集. 96-15. 123-124 (1996)
• [Publications] 邉吾一 他2名: "Relations of transvers shear properties to fiber orientation angles in CFRP laminates" Proceeding of ASC 12th Technical Cenference. (発表予定). (1997)