2015 Fiscal Year Annual Research Report
先進複合材料を用いた航空機構造の強度信頼性評価のための数値解析手法の開発
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15J01426
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
樋口 諒 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化複合材料 / 計算機援用仮想試験 / 非線形有限要素法 / マルチスケール解析 / 拡張有限要素法 / 初期損傷予測解析 / 円孔板引張解析 / 面外負荷損傷解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、航空機における型式証明のコスト低減を目的とした、複合材料航空機部材の計算機援用仮想試験へ向け、高精度かつ汎用性の高い数値解析手法開発に取り組んでいる。特に、複合材料航空機構造の設計上の不確定要素となる、面外衝撃時の内部損傷、微視構造に依存する初期損傷発生といった問題に着目し、下記２点について取り組んでいる。
(i)巨視的解析と微視的解析を組み合わせたスケール横断型の解析手法の構築
(ii)巨視的解析への拡張有限要素法（XFEM）の導入
このように、スケール横断型かつメッシュフリーにき裂の予測が可能な新しい数値解析手法が実現できれば、高精度かつ汎用性の高い数値解析手法を確立することができる。
上記の目的のもと、初年度（平成２７年度）においては、スケール横断型解析手法の枠組みの構築、ならびに巨視的解析に適用するXFEMプログラムの開発を行った。具体的には、まず、低計算コストで微視的解析と巨視的解析を結びつけるため、巨視的解析で使用する破壊基準を微視的解析に基づいて作成した。作成した破壊基準をこれまでに提案されている破壊基準と比較したところ、多軸応力状態において差異が認められ、微視構造の影響を考慮する必要性が示された。該当研究の研究成果は国際誌１報および国内学会１件にて発表した。並行して、巨視的解析に用いるXFEMプログラムを開発した。解析精度検証のため、炭素繊維強化複合材料の実用強度評価によく用いられる円孔材引張り試験を対象として解析を行ったところ、XFEM解析では、従来のFEM解析よりも強度の予測精度向上が認められた。該当研究の研究成果は来年度国内学会１件（採択済）、国際学会３件（採択済）にて発表予定であり、国際誌への論文投稿も予定している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時の計画では、初年度(平成２７年度)は「スケール横断型解析手法の枠組みの構築、ならびに巨視的解析に適用するXFEMプログラムの開発を行う」としていたが、前者は当初の計画通り、後者は当初の計画以上に進展したと判断する。判断理由について項目ごとに以下に述べる。
まず、スケール横断型解析手法の枠組みの構築については、当初の計画通り、微視的解析によって巨視的解析で用いる破壊基準を作成し、従来の破壊基準との比較を行った。その結果、多軸応力状態において従来の破壊基準との差異が認められた。従って、破壊基準に対し、微視的解析を用いて微視構造を考慮する必要性、すなわち提案手法の有用性を示すことができた。
次に、XFEMプログラムの開発においては、当初の計画通り、プログラム開発、検証計算に取り組んだだけでなく、当初予定していなかった陰解法アルゴリズムの改良に取り組むことで、計算の収束性向上を実現し、計算コストを大幅に削減することに成功した。加えて、２年目に予定していた「XFEMプログラムの面外衝撃解析への適用」についても、既にプログラム開発に着手しており、今後は検証計算および微視解析との統合へと移行していく予定である。
このような理由から、研究全体を通じ、申請時の計画以上に研究が進捗している状況と判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請時の計画では、２年目は「XFEMプログラムの面外衝撃解析への適用、ならびに微視的解析により作成した破壊基準の巨視的解析への適用を行う」ことを予定していた。前者については既にアルゴリズム開発に着手しており、今後は検証計算として面外負荷解析を実施する予定である。また、後者について、当初は、まず通常のFEMによる巨視的解析へと破壊基準を適用し、妥当性について検証する予定であったが、当初の予定よりもXFEMプログラムの開発が進捗しているため、計画を変更し、直接、XFEMによる巨視的解析へと破壊基準を実装予定である。XFEMによる巨視的解析への破壊基準の実装は当初３年目に予定していたが、前倒して今年度実施したいと考えている。これにより、目標としていた「スケール横断型かつメッシュフリーにき裂の予測が可能な新しい数値解析手法」を今年度中に確立することができる。
また、３年目に予定していた、様々な積層構成の積層板に対する面外負荷解析の実施、および積層構成の損傷特性への影響調査についても、解析手法が確立次第、前倒して研究を開始する予定である。
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Research Products
(12 results)
