2019 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation on the deformation and strength characteristics of helicoidally laminated CFRPs towards the achievement of ductility and toughness
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18H01515
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松本 高志 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40301121)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 構造工学・地震工学 / 土木材料 / 複合材料・物性 / 高靭性 / 生体模倣 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，らせん積層を有し粘り強い生体の外殻構造に着想を得て，人工物であるCFRP（炭素繊維強化ポリマー）積層複合材料と部材の脆性挙動の改善と粘り強い特性の獲得が可能かどうかを検討することを目的とする．CFRPは高強度で軽量であり，構造材料として望ましい特性を備えているが，材料および部材としての挙動が脆性的であり，線形挙動の後に突然の局所的な破壊を生じて，耐荷能力を急激に失う．現在多く用いられている直交積層や擬似等方積層等のCFRPが示す脆性的な挙動を改善し粘り強い特性を獲得できるならば構造材料として大きく可能性が広がる．本研究では，これまでの予備検討を踏まえて，CFRP積層複合材料のらせん積層構成について詳細なバリエーションを検討し，材料と部材の損傷・破壊機構を確認・考察し，CFRP構造部材の変形・耐荷性能の向上を行う．
平成31（令和元）年度においては，以下の成果を得た．
CFRPの積層構成をらせん積層とした正方形板を作製し，円周支持の板を中央点集中荷重と中央部分布荷重の条件下で，直交積層の板と荷重－変位挙動と破壊挙動を比較した（合計4ケース）．荷重－変位曲線において，らせん積層の面載荷では大きな荷重降下後にも増減を繰り返しながら最大荷重に迫るレベルまで荷重増加が見られた．他3ケースでは最大荷重後に大きな荷重降下とその後の荷重減少がみられた．X線CT断層画像などによる破壊形態の観察では，直交積層の破壊はより局所的であり，一方でらせん積層の破壊は供試体全体に広がり，層間剥離はねじれるように発生することが確認された．
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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
平成31（令和元）年度は，長方形板の梁曲げにおいてらせん積層構成による繊維の目切れが供試体側面に生じてしまうため，特に引張縁から生じて複数の層間を伝搬する剥離破壊に対する目切れの影響を無視できない．この目切れの影響を排除するために，正方形板の供試体を円周状に支持して中央点集中荷重もしくは中央部分布荷重とする板曲げの条件下で，破壊形態，荷重－変位挙動，特性値を確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度の研究実施については以下を計画している．
小規模供試体の要素実験において，供試体短軸方向については負荷が少ないことより繊維量を減らせる可能性を踏まえて，0度から180度まで配向角度を変化させる積層構成（全方向）に対して，0度から±45度以内で配向角度を変化させる積層構成（部分方向）を検討する．さらに，板厚方向においても負荷が少ない中立軸面を考慮して，下面から上面まで配向角度を変化させる積層構成（全厚）と下面および上面からの表層部分でのみ変化させる積層構成（部分厚）についても検討する．
以上において，破壊形態と，荷重－変位挙動，特性値を観察する．観察においてはこれまでに開発された面的に変位を計測できる画像解析を用いる．画像解析は，面的に異方性の変位場をも捉えることができる．これによりらせん積層複合材料の複雑な変位挙動を確認する．
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