2019 Fiscal Year Research-status Report
繊維強化複合材料の損傷を考慮した非線形力学モデル構築のための実験的評価手法の確立
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18K03848
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
荻原 慎二 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (70266906)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 繊維強化プラスチック / 非弾性力学挙動 / 積層構造 / 損傷 / 有限変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
連続繊維強化積層型複合材料は，一方向に連続繊維にて強化された層を多方向に積層したものである．繊維強度を十分に利用する構造設計を行う場合は，繊維の破断ひずみは小さいことから，通常微小変形の範囲で線形弾性材料として設計される．このことから，有限変形を考慮した粘塑性解析はほとんどなされていない．本研究では，異方性・損傷の影響を考慮した適切な材料モデルの選定とパラメータ同定法の検討を目的としている．すなわち，繊維強化複合材料の有限変形下における損傷を考慮した非弾性力学挙動の高精度モデル化を可能とすることを最終目標としている．そのために，種々の積層構造の応力―ひずみ関係の実験的評価，材料内部の損傷挙動の定量化，力学挙動の速度依存性に関する評価を行い，適切な材料モデルの選定とパラメータ同定法の検討を行う．これにより，用途に応じた，より材料の特性を活かした積層構造設計が可能となることが期待される．
令和元年度は，前年度得られた実験データを基にそのモデル化の試みを行った，すなわち，アングルプライ積層板の中でも，まずは繊維角度45°の場合に着目しその非線形挙動（①ひずみ速度依存性，②ひずみ漸増応力緩和試験，③ひずみ漸増負荷－除荷試験の粘塑性挙動モデル化の基礎の検討を行った．これにより，まずこの材料はその塑性挙動にひずみ速度の影響を受けることから，粘塑性モデルによるモデル化が必要であることがわかった．そのことから，過応力モデルを使用することとした．さらに実験結果を詳細に検討して，過応力モデルにおける平衡応力にヒステリシスを有するモデルが必要であることがわかった．以上により，基本的な一次元モデル化を行い，次年度の更なる詳細解析の基礎とした．
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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
令和元年度は，前年度得られた実験データを基にそのモデル化の試みを行った，すなわち，アングルプライ積層板の中でも，まずは繊維角度45°の場合に着目しその非線形挙動（①ひずみ速度依存性，②ひずみ漸増応力緩和試験，③ひずみ漸増負荷－除荷試験の粘塑性挙動モデル化の基礎の検討を行った．これにより，まずこの材料はその塑性挙動にひずみ速度の影響を受けることから，粘塑性モデルによるモデル化が必要であることがわかった．そのことから，過応力モデルを使用することとした．さらに実験結果を詳細に検討して，過応力モデルにおける平衡応力にヒステリシスを有するモデルが必要であることがわかった．以上により，基本的な一次元モデル化を行い，実験により得られた挙動を概ね説明できることをしました．これにより，次年度の更なる詳細解析の基礎とすることができた．以上のことから，今年度の進捗状況はおおむね順調と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は前年度に引き続き，アングルプライ積層板の非線形力学挙動のモデル高精度化，実験結果を基にしたモデル化を行うが，本研究で構築した非線形力学モデルを積層理論またはFEM（有限要素法解析）に組み込み，任意の積層板についての解析を可能とすることを目指す．すなわち，積層数や層厚の異なる積層板について高精度の予測を与えるかの確認，また， 45°以外の角度のアングルプライ積層板についての予測精度について検討し，モデルの高精度化を図る．また，モデル化のために必要な試験の指針を取りまとめる．アングルプライ積層板をベースにした場合，必要な積層角度の数，積層数，層厚の目安，試験法の種類（単調引張試験，ひずみ漸増応力緩和試験，ひずみ漸増負荷－除荷試験）と試験片数，損傷定量化のための試験の種類とデータ量について検討する．材料非線形性を活かした積層複合材料構造の提示を行う．さらに，衝撃エネルギー吸収部材を想定した積層構造の設計を試み，新規複合材料構造の提案につなげる．
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| Causes of Carryover |
令和元年度は材料費が想定よりも少額となったため，物品費が少なく次年度使用が生じた．これは，各実験が想定より時間を要したことによる．ただし，精度のよい実験が行えたためデータの不足はしていない．その分，次年度は工夫を凝らして実験条件を増やして行うこととした．それにより，人件費・謝金の使用も想定される．
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