2018 Fiscal Year Research-status Report

Prediction of failure in stress concentartion area of a complicated carbon fiber reinforced plastic part considering the microscopic structure

Research Project

Project/Area Number	17K06063
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	上田政人日本大学, 理工学部, 准教授 (80434116)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	炭素繊維強化プラスチック / 熱可塑 / ハイサイクル成形
Outline of Annual Research Achievements	ナイロン樹脂を母材とする一方向炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）のチョップドテープを用いて加熱プレス成形により短冊形状の曲げ試験片を製作して，テープ長及び試験片幅が曲げ弾性率及び曲げ強度に与える影響について検討した．テープ長が長くなるにつれて曲げ弾性率及び曲げ強度がともに増加し，テープ長が30 mm程度でほぼ一定値に収束した．従って，テープ長が30 mmであれば，本材料としての力学特性が十分に発揮されることを示した．また，曲げクリープにおける時間－温度依存性についても調査した結果，ナイロン樹脂単体の場合と比較するとチョップドテープ材ではクリープ変形が大幅に抑制され，織物のCFRTPに近い傾向を示した．更に，アレニウスの時間－温度換算則が成立することを明らかにし，高温加速試験により曲げクリープ変形の長期予測が可能であることを示した．このテープ長が30 mmのチョップドテープを用い，複雑形状部品の加熱プレス成形における成形に依存した材料特性の変化について検討を行った．チョップドテープの加熱プレス成形により小型のバスタブ形状部品を製作して，この部品から異なる曲率を有する角部を複数切り出して試験片とした．この角部試験片の曲げ試験を実施して，曲げ剛性及び曲げ強度を測定した．また，上述の短冊形状試験片から取得した材料試験の結果をもとに，有限要素解析を用いて角部試験片の曲げ試験に関する数値シミュレーションを実施した．これらの結果を比較することにより，短冊形状試験片を用いて測定したチョップドテープ材成形品の材料特性では，複雑形状部品を成形した後の材料特性を求めることができないことを示した．本成形方法による部品設計のためには，加熱プレス成形時のチョップドテープの流動などを考慮に入れた材料特性の予測が必要である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 平成30年度の研究計画として，応力集中部近傍の断層画像をX線CT装置により撮影し，応力集中部近傍の繊維配列状況と強度低下率との関連性を明らかにすることにしていた．しかしながら，X線CT装置の利用の制約により，応力集中部近傍の断層画像の取得が完了しておらず，平成31年度で実施する予定となっているモデル化のための十分なデータが得られていない．そのため，平成31年度も継続して，X線CT装置による断層画像の取得を進める．一方で，チョップドテープのテープ長を変化させて短冊形状試験片を成形することにより，テープ長が成形品の力学特性に与える影響について検討した．これよりテープ長が30 mm程度以上であれば，本材料としての力学特性が十分に発揮されることが明らかとなったため，このテープ長のチョップドテープにより成形した短冊形状試験を用いて，曲げクリープ試験を実施した．これよりチョップドテープ材による成形品の時間－温度依存性について明らかにした．また，このテープ長のチョップドテープを用いて小型のバスタブ形状部品を製作し，角部試験片を切り出して実施した曲げ試験結果と，有限要素解析による数値シミュレーション結果とを比較した結果，加熱プレス成形中に材料特性が大きく変化していることを確認した．
Strategy for Future Research Activity	平成30年度に実施予定であった応力集中部近傍の断層画像の取得について完了していないため，継続して実施する．これらの取得した断層画像より繊維1本1本をモデル化した3次元有限要素モデルを構築して，応力集中部の微視的な応力分布を数値シミュレーションにより求め，材料の不均質性を考慮した曲げ強度の予測を行う予定である．また，複雑形状部品の加熱プレス成形においてチョップドテープの再配列や繊維蛇行などにより応力集中部で強度低下が生じると，応力集中部の厚肉化が必要になるため，部品の重量が増加する．そこで，本研究成果を応用して，重量増を導かずに応力集中部での破壊を生じにくくするための適切な形状などを検討し，複雑形状のCFRTP部品の高強度化手法を検討する．
Causes of Carryover	X線CT装置の利用の制約により，応力集中部近傍の断層画像の取得が完了しておらず，使用料が次年度使用として生じた．これについては，平成31年度に実施する予定であり，その経費に充当する計画である．