2017 Fiscal Year Annual Research Report
マルチスケール解析による複合材料製航空機構造の長期耐久性評価に関する研究
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17J02004
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
熊谷 裕太 東北大学, 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 | マルチスケールモデリング / 繊維強化複合材料 / 高分子材料 / 連続体損傷力学 / マイクロメカニクス / 有限要素法 / 損傷解析 / 機械的特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で対象とする炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、金属材料と比較して高い比強度・比剛性を有するため、金属材料と同等の強度を保ちながら軽量な構造を実現できる。しかしながら、CFRPが特徴的な階層構造を有するため、構造健全性の評価は容易ではない。そこで本研究では、CFRPの持つマイクロメートルオーダの微視的内部構造と構造部材オーダでの巨視的変形場を同時に考慮して強度を予測する、マルチスケール解析手法の開発を進めている。
2017年度は、(1)重合メッシュ法によるマルチスケール解析手法の構築と自由表面効果の影響評価、(2)母材樹脂の特性評価と樹脂解析コードの構築、を行った。(1)では、板材の自由表面等の不連続部で生じる変形場を材料の微視構造解析においても適切に考慮してき裂の発生を予測する、重合メッシュ法によるマルチスケール解析手法を構築した。構築した手法を一方向強化CFRP積層板の引張試験に適用し、き裂の発生・進展による荷重低下挙動を予測することで、自由表面付近の応力場により発生するき裂の最終強度への影響は小さく、材料内部でのき裂の発生・進展の予測が重要であることを示した。本研究の成果は、国際誌1報および国内学会での発表2件として報告した。(2)では、CFRPの強度や非線形特性への影響の大きな母材樹脂のマルチスケール解析におけるモデル化を検討するため、エポキシ樹脂単体の非線形特性・強度の評価を実施した。そして実験より得られた非線形特性・強度を再現するため、金属材料や高分子材料向けに提案されている材料モデルを解析コードに実装し、実験と解析の比較により材料定数を同定した。さらに、上記の樹脂解析コードをマルチスケール解析に実装することで、一方向強化CFRP積層板の非線形特性を再現できることを確認した。本研究の成果は、2018年度に国際学会1件で発表を予定している。
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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
申請時の計画では、(1)重合メッシュ法によるマルチスケール解析手法の構築および実験との比較による検証、(2)金属・高分子材料の材料モデルのマルチスケール解析への実装およびCFRP積層板の実験結果との比較による強度予測因子の評価、を実施するとしていた。当初の計画を一部変更したものの、おおむね順調に進展しているといえる。
(1)では、当初の計画通り重合メッシュ法によるマルチスケール解析手法を構築し、一方向強化CFRP積層板の引張試験との比較により精度を検証した。その結果、構築した手法により繊維軸方向と負荷方向のなす角に依存した破断ひずみの傾向が再現できることを確認した。さらに、構築した手法により特異な変形場を示す自由表面付近を詳細に解析することで、一方向強化積層板においては、自由表面付近の応力場により生じるき裂の強度への影響は小さく、内部でのき裂の発生と進展の予測が重要であることを示した。上記の検討は次年度以降に実施を予定していた事項であり、(1)については当初の計画以上に進展しているといえる。
(2)では計画を一部変更し、CFRPの非線形特性や強度へ影響を及ぼす母材樹脂に関する検討を計画よりも詳細に実施した。本研究で対象とするエポキシ樹脂単体での材料試験を実施し、特徴的な非線形応答や強度等を取得した。そして、実験結果とエポキシの変形・破壊に関する力学的な考察に基づき材料モデルを複数選定し、有限要素解析コードを構築した。さらに構築したコードをマルチスケール解析へ実装することで、一方向強化CFRP積層板の非線形応答が再現できることを確認した。計画の一部変更により当初予定していた強度予測因子の検討には至らなかったものの、本検討に基づき次年度に実施できるため、(2)についてはおおむね順調に進展しているといえる。
以上より、全体としておおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請時の計画では、2018年度は、(1) マルチスケール解析手法の高度化、(2) CFRPのき裂の発生・進展を予測可能な構成則、破壊基準の構築および検証、を予定していた。(1)については、当初の計画通り、より複雑な問題へ本研究で構築したマルチスケール解析手法を適用するため、解析コードを改良し、計算規模と効率の向上を行う。さらに、2017年度の重合メッシュ法によるマルチスケール解析での検討により自由表面付近でのき裂の強度への影響が小さいことが示されたため、当初の2018年度の予定に加えて、CFRP積層板内部でのき裂の発生および進展をより詳細に議論するための、マルチスケール解析による積層板のき裂発生・進展予測手法の高度化を試みる予定である。(2)については、2017年度の金属・高分子材料の材料モデルについての検討の計画変更にあわせて計画を変更し、当初2017年度の後半に実施を予定していたマルチスケール解析と実験の比較によるCFRPの強度予測因子の検討を実施する。そして、上記の検討結果に基づき、マルチスケール解析によるCFRPの非線形特性や強度予測のための材料モデルを構築し、実用的なCFRP積層板の構成や負荷条件での実験結果とマルチスケール解析の比較によりモデルの有効性を検証する予定である。
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