2017 Fiscal Year Research-status Report
ハイアラーキ連続体要素を用いた階層型複合構造モデルの開発
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16K06480
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| Research Institution | Hakodate National College of Technology |
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Principal Investigator |
渡辺 力 函館工業高等専門学校, 社会基盤工学科, 教授 (90249714)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 構造解析 / 積層構造 / 厚板理論 / 複合材料 / 面外応力 / ZIG-ZAG理論 / 面外応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，複合材料，鋼，コンクリートからなる複合構造に対して，鋼部材やコンクリート部材に接着された複合材料部材の剥離挙動，床版と鋼主桁の結合部の挙動，主桁とガセットプレートの取り付け部挙動などを正確に評価できる効果的な構造解析法を開発することを目的としている。
平成29年度には，平成28年度の改良した厚板理論をさらに発展させ，効率的なZig-Zag変位理論を開発した。最近のZIG-ZAG理論に関する研究では，MurakamiによるMurakami ZIG-ZAG理論（MZT）やTesslerらのRefined ZIG-ZAG理論（RZT）を用いるのが主流となっており，どちらも未知数の総数が積層数に依存しないので効率的にZIG-ZAG変位を考慮した計算が可能となる。しかしながら，RZTの関数は，等方性平板には適用できないのに加えて，面外変位のZIG-ZAG関数が開発されていない。さらに，Murakami関数では，外側弱層の補正ができないので，積層順序によっては精度が悪くなるという問題がある。
そこで，本研究では，RZTのZIG-ZAG関数を等方性平板にも適用できるように改良するとともに，厚板解析に有効な面外変位wに対するZIG-ZAG関数を開発した。この新たなZIG-ZAG関数を用いたZIG-ZAG理論による直交積層板の曲げ解析を仮想仕事の原理により定式化し級数解を求め，ZIG-ZAG理論における効果的な一次せん断変形理論と三次せん断変形理論の変位場の採り方を調べ，面外変位wにZIG-ZAG項を付加したZIG-ZAG理論の効果を明らかにした。
平成30年度には，この改良したZIG-ZAG理論を異方性積層板の自由振動解析と座屈解析に応用することを予定している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，より正確にかつ効果的な構造解析を開発することを目的としている。複合材料要素の開発において，複合材料のモデル化は異方性積層板としての取り扱いが必要となるが，異方性積層板では板厚方向の高次成分の影響が顕著になるので，高次の厚板理論を用いなければならない。ZIG-ZAG理論において，効率的な高次の変位場（三次せん断変形理論の変位場）を検討したものは無く，効果的な変位場の選択に時間を要した。
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| Strategy for Future Research Activity |
複合材料のモデル化は異方性積層板としての取り扱いが必要となるが，異方性積層板では板厚方向の高次成分の影響が顕著になるので，高次の厚板理論を用いなければならない。さらに，航空工学分野では，異方性積層板の研究が盛んに行われているが，土木工学分野では航空工学分野に比べて比較的厚い部材が用いられることから，厚板理論の改良が極めて重要となる。このことから，平成29年度には，効果的で高精度なZIG-ZAG理論の開発を行った。
平成30年度は，この改良したZIG-ZAG理論を，異方性積層板の自由振動解析と座屈解析に適用して精度を検証する。まず，異方性積層板の自由振動解析では，精度検証のために，異方性積層板の厳密解が必要である。しかしながら，三次元弾性理論に基づく異方性積層板の厳密解の導出は極めて困難となるが，新たな数値計算法を開発して，固有振動数を求めてモード分類を行う。この厳密解を用いて，改良したZIG-ZAG理論の精度を検証する．さらに，座屈解析に対しても，座屈荷重の厳密解を求めて精度検証を行う。改良したZIG-ZAG理論を自由振動解析と座屈解析の結果を基に修正し，この理論をハイアラーキ要素に適用して，階層型複合材料モデルの開発を行うことを予定している。
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| Causes of Carryover |
平成29年度の研究成果について土木学会論文集に投稿しており，投稿料が確定していないために次年度使用額が生じた。次年度使用額は，この論文の投稿料とメモリ購入費用として使用する予定である。
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