2015 Fiscal Year Research-status Report
ボルト締結した炭素繊維強化複合材料の耐久性の改善と設計規準の確立
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15K06471
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
大窪 和也 同志社大学, 理工学部, 教授 (60319465)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 透 同志社大学, 理工学部, 教授 (20156821)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化複合材料 / ボルト締結 / ダブルラップ締結 / 締結トルク / 引張りせん断荷重 / 継ぎ手効率 / カラー / 微細ガラス繊維含有 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初年度においてまず，現在汎用的に用いられている炭素繊維強化複合材料と金属部材とをボルト締結した場合の損傷過程を詳細に把握できる研究実験環境を整備した．得られる知見の汎用性とその後の展開を考え．対象とする部材を，炭素繊維布を強化材としエポキシ樹脂を母材とするいわゆる汎用的なCFRP材と，熱可塑性のポリプロピレン（PP）の母材から成る直交異方向性のラミネート材（いわゆる [0/90]s材のCFRTP），および金属アルミ材の平板の3種類とした．これらを公称直径6mmのM6ボルトでの締結とした．また締結穴の内部に単純な樹脂性のカラーではなく，当初計画にて構想したような直径0.5μm，長さ0.2～2mmを有する微細ガラス繊維を含有させた添加したカラーを自作した．これらの基本条件のもとで炭素繊維強化複合材料の2面間を締結（いわゆるダブルラップ締結）を行った場合の，引張りせん断荷重下でのボルト締結力の違いのよる継ぎ手効率（強度）の違い，内部損傷の発生様相，および微細繊維を添加した改質カラーをボルト締結部に併用する場合の力学的効果の有無を調査した．
それらの結果，CFRPおよびCFRTP板をボルト締結した場合，締結トルクの増加に伴い，継ぎ手効率は若干向上することを確認した．またCFRTPをボルト締結する際に，微細繊維を添加した改質樹脂製のカラーを併用することにより高荷重下で生じた局所的な損傷が抑制されることで，継手効率を相対的に最大約58%以上向上できることを明らかにした．特に改質カラーの併用は，ボルトの締結トルクが小さい場合に相対的に有効である事を示し，いわゆるボルトの締め忘れやネジ緩みなどの条件下でのボルト継ぎ手の強度低下の防止策として期待できる事を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の1年目の成果の具体的な内容としては，炭素繊維強化複合材料をボルト締結する場合，ボルトの締結トルクを十分に大きくした場合には，ボルト締結の中心線から45度方向に傾斜した線上にあるボルト穴の縁面から生じる母材損傷が全体を支配するものの，ボルトの締結トルクが小さい場合，すなわちいわゆるボルトの締め忘れやネジ緩みなどの条件下ではボルト穴面への圧縮破壊が支配的となる事も明らかにした．そこで本年度の研究過程では特にこの知見の獲得から，適当なカラーを併用するアイデアを立案し，特にボルトから見た半径方向に進展する圧縮損傷やそのき裂進展を抑制するために，微細ガラス繊維を適当な割合で含有した添加したカラーを自作し，熱可塑性プラスチックを母材とする炭素繊維強化複合材料に対しては，そのカラーと炭素繊維強化複合材料の一部を適当な条件にて再溶融させ，母材部分にカラーに添加した微細繊維が一部侵入するような一体化の新手法を立案した．
この後者の際の詳細条件を模索する内容は当初計画では当該年度の次の2年目以降に行う計画であったが，研究データの結果を見て，先行的に着手する事とした．この点では研究は予想以上に進捗を得たが，当初計画では，当該年度の1年目には構造的な欠陥率をその内部パラメータを用いて予測する手法を確立する事を計画しており，この点については未貫徹な状態である．従って，着手項目の順番の変更を行った事にはなるが，概ね順調に進展していると判断した．なお当該年度の1年目までには当初予期していなかったような研究結果を得る事は無かったが，今後そのような状況が生じた場合には，特に本技術の実用範囲を広めるような疲労耐久性技術の確立の分野に注力し，これを先行する様な対策を講じる事も想定している．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究結果が示す物理現象の特徴を観察した結果，前述の通り，炭素繊維強化複合材料をボルト締結する場合にはボルトの締結力を過小にした場合（いわゆる締め忘れの状態）においてはボルト穴の縁面の圧縮破壊が，適当な条件締結を行うと最弱部である45度位置での損傷が発生するような炭素繊維強化複合材料に特有の損傷の支配状態が変化する特徴を考慮し，本技術をより実用的なものとするために，①ボルト締結の際に用いる熱可塑性樹脂製の改質カラー材の変形または一部の再溶融条件を最適化する技術の確立に注力する．具体的には，カラーには適当なテーパ角を設け，締結と共に適切にボルト穴面との反力が発生できるようにする案を試行すると共に，炭素繊維強化複合材料材の構造や特徴の違いに応じて適切な分担力の比率を設定できるようにする案を試みる．また弾性カラー部には接着剤の併用も試みる．②主となる構造部材の締結に用いる事ができる技術とするために，疲労耐久性の条件を含めた広範囲な条件での挙動と本技術の有効性を検証する．また比較的微細な疲労き裂の蓄積が生じる条件下に適応した構造条件を模索する．③構造的な欠陥率や継ぎ手効率をその内部パラメータを用いて予測する予測手法の確立についても，現年度に実行をして行く．④さらに負荷形態の種別の中に，ボルト締結部に曲げ負荷を与えるような負荷条件を加え，これに対しても，静的および疲労負荷の両条件を行う事により，より汎用性の高い基礎データを収集する．
いずれの項目に対しても，炭素繊維強化複合材料をボルト締結する場合には，強化繊維が切断された空間を持ち長手方向に生じた荷重伝達がボルト面からこの切断された強化繊維にせん断力を介して順次伝わらざるを得ない構造を持つ特徴を機械設計者が合理的に理解しながら，適切な設計仕様を決める事が出来るような耐久設計規準の構築を進める．
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