2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development and Validation of Strength Analysis Method Explicitly Linked to Macro, Meso and Micro Scales for Woven Composites
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17J00708
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
久保 凱 筑波大学, システム情報工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 織物複合材料 / マルチスケール解析 / 強度 / 損傷 / 非弾性 / 均質化法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、織物複合材料の設計・評価技術のさらなる高度化に資するために、織物複合材料のマクロ（積層板）／メゾ（織構造）／ミクロ構造（繊維と母材）における損傷挙動を相互に連成可能な理論・手法を構築し、その解析コードを開発することを目的としている。また実験により、開発手法の定量的な妥当性を確認する。上記の目的を達成するために、本研究において取り組むべき課題として、 (1) マクロ／メゾ／ミクロスケールを全て連成し、かつ損傷を考慮可能な強度解析手法の理論構築、(2)上記手法の解析コストの削減、(3)織構造内における繊維分布のランダム性の考慮、(4)上記手法の実験的検証、の4点が挙げられる。
そこで、平成29年度ではまず、繊維束内部のミクロ構造を考慮可能にする織物複合材料のマクロ／メゾ／ミクロ均質化弾-粘塑性解析手法を構築するとともに、今まで考慮できなかったネスティング構造を表現できるモデル形状および境界条件を新規提案した。加えて、材料試験の実施と各種パラメータの同定・検証を行った。その結果を用いて、上記解析手法の妥当性を検証することに成功した。次に、これまで取り組んできた損傷進展解析手法を、成型時の熱残留応力を考慮できる形へと発展させるとともに、その手法を基本的な織構造である平織のみならず綾織、朱子織複合材料へ適用し、積層ずれ依存性を調査した。その結果、積層ずれにより強度が大きくばらつくことを見出す等、工学的に有用な知見を得た。
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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
本研究では、織物複合材料の設計・評価技術をさらに向上すべく、その高精度な強度解析手法の開発および実証を目的としている。平成29年度においては、ミクロスケールの導入と各スケールとの連成を実現し、かつ工学的実用に値する解析コストにするために、解析領域を低減する必要があった。これらのことに関しては、上記「研究実績の概要」で述べたように、3つのスケールを連成するだけではなく、解析領域が膨大となるため従来解析では考慮されないのが一般的であったネスティングを、新規解析領域の導入により解析可能とし、これらの点については目標が達成された。一方、繊維束内の繊維分布のランダム性の考慮については、まだ十分な成果を得ることはできていないが、同じく重要なランダム性である積層ずれを有する様々な織物複合材料に対して、熱残留応力を考慮した損傷進展解析を実施できたことから、上記のように自己評価をする。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画調書に記載したように、平成30年度においては、平成29年度で実現した3つのスケールを連成した均質化法に、適切な損傷判定則を導入する。この導入に伴い、計算コストが膨大となることが予想されるから、作成した解析コードに並列計算手法の導入も検討する。具体的には、 OpenMPを用いた並列化や購入したワークステーション等をMPIによるクラスター化を段階的に実施し、解析時間の削減を図る。また、 平成29年度に引き続き、織物複合材料のメゾ・ミクロ構造の顕微鏡観察、解析モデルの作成および材料試験を実施する。これにより損傷進展解析に用いる各種パラメータを取得する。上記「現在までの進捗状況」で述べた繊維束内の繊維分布のランダム性の考慮についても継続して取り組む。
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