2020 Fiscal Year Research-status Report
Numerical study on the composite microstructure for the improvement of fracture properties
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18K13921
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
樋口 諒 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (00815946)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化プラスチック / 計算機援用設計 / 均質化法 / 拡張有限要素法 / 異形炭素繊維 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、様々な微視構造（繊維の断面形状、直径、配置のばらつき）を有する炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の巨視的な弾性・破壊特性を包括的に調査可能な数値解析手法開発に取り組んでいる。具体的には、拡張有限要素法(XFEM)、均質化法、モンテカルロ法を組み合わせた独自の微視構造解析ツールを開発している。提案ツールの特徴はXFEMを導入することで微視構造をメッシュと独立にモデル化可能となり、従来手法では実現困難であった、膨大な微視構造候補に対する網羅的な数値解析的調査が可能となる点である。
令和2年度（平成32年度）においては、昨年度までに開発した弾塑性・強度特性評価手法について、様々な負荷条件への適用を試みた。具体的には、樹脂の弾塑性・損傷挙動の構成則モデルを構築し、繊維直交方向引張・圧縮・せん断負荷下での強度・破断ひずみ評価を行った。円形・通常径繊維のCFRPでの精度検証の結果、全ての負荷条件下で十分な予測精度を有することが確認された。今年度はこれまでに開発した樹脂構成則モデルを非円形繊維へと拡張し、あらゆる負荷条件下での強度特性の微視構造依存性を詳しく調査する。更に、令和2年度からの取り組みとして、申請時には予定していなかった長期寿命評価、振動特性評価、およびリサイクル可能な熱可塑性樹脂の評価についても、提案手法の拡張を目指し、樹脂の構成則モデル開発を進めている。これらの項目についても今年度は詳細な精度検証を実施予定である。
該当研究の成果は国際誌3報、国内誌1報に掲載済である他、今年度の国内学会2件、国際学会1件にて発表予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時の計画では、令和2年度（平成32年度）に非円形繊維の弾性・破壊特性評価を実施し、令和3年度に（平成33年度）に様々な繊維径での弾性・破壊特性評価を実施する予定であった。「当初の計画以上に進展」していると判断する根拠について以下に述べる。
令和2年度（平成32年度）においては、様々な負荷条件でのCFRPの弾塑性・強度特性を評価するため、樹脂の弾塑性・損傷挙動の構成則モデルを構築した。円形・通常径繊維のCFRPでの検証により、繊維直交方向引張・圧縮・せん断負荷下での強度・破断ひずみを十分な精度で予測可能であることが確認されている。さらに、本モデルを用いて様々な層厚の円形・通常径のCFRPに関して十分な強度予測精度を有することも確認している。ここでは隣接層までモデル化することで層厚の変化により強度特性が異なることを確認しており、同じ手法は繊維径が変化する場合の強度評価へも応用できる。つまり、今年度の実施成果は令和3年度の実施内容の一部を含んでいる。
以上より、現段階での研究進捗状況としては、計画段階よりも前倒して進んでいると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度（平成32年度）までに弾性特性の評価手法、強度特性の評価手法（繊維直行方向引張・圧縮・せん断強度評価）を確立し、円形繊維での妥当性検証までを完了している。今後は開発手法を非円形繊維および異なる繊維径のCFRPの弾塑性・強度特性評価へ適用し、各種特性の微視構造依存性を詳細に調査する。また、申請時には予定していなかった長期寿命評価、振動特性評価、およびリサイクル可能な熱可塑性樹脂の評価についても、提案手法の拡張を検討する予定である。
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| Causes of Carryover |
令和2年度はコロナウイルスの災禍により、一部予定していた試験が延期になってしまったこと、出席予定だった国際学会が中止となり、それに伴う旅費が不要になったことなどが次年度使用額が生じた理由として挙げられる。令和3年度は延期していた試験の実施、ツール開発のための計算機能力の拡張などに予算を使用する予定である。
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