2019 Fiscal Year Annual Research Report
航空機用CFRPの雷撃損傷メカニズムの解明とマルチフィジックス数値解析
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19H02342
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
小笠原 俊夫 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20344244)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平野 義鎭 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (90425786)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | CFRP / 雷撃損傷 / 損傷解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
航空機用CFRPにおける雷撃損傷メカニズムの解明を目指して、①インパルス電流を直接印加したCFRPの電撃損傷現象の解明とモデル化、②模擬雷撃試験におけるCFRPへの電気的・力学的荷重の実験による同定と検証、③熱・電気・力学連成による雷撃損傷のマルチフィジックス数値解析手法の構築を本研究の目的としている。
インパルス電流を直接印加したCFRPの電撃損傷現象の解明とモデル化については、マトリクス樹脂の異なる数種類の航空機用CFRPに対して、雷撃波形と同一のインパルス電流を試験片に直接通電し、損傷挙動を評価・観察した。あわせて高速サーモカメラによる表面温度分布の計測も実施した。その結果、10kA/0.7 kVという高インパルス電流下においてもオームの法則およびジュールの法則が成立することを実証した。
模擬雷撃試験におけるCFRPへの電気的・力学的荷重の実験による同定と検証に関しては、ローレンツ力および衝撃波によるインパルス荷重の直接測定が困難であるため、試験片背面における面外変位の応答から、逆解析によって衝撃波による荷重の同定する手法ついて検討した。試験片背面における面外変位分布は、２台の高速度カメラを用いてデジタル画像相関法によって測定した。雷撃損傷が相対的に軽微であるアルミニウム合金板の実験結果を対象とし、有限要素法（FEM）により力学荷重波形の逆推定が可能であることが確認された。熱・電気・力学連成による雷撃損傷のマルチフィジックス数値解析手法の構築については、インパルス電流を直接印加したCFRPの電撃試験結果をもとに、熱・電気連成解析により試験結果を定量的に評価した。またFEM解析コードCOMSOLをプラットフォームとし、電気的荷重の素過程の物理モデルを導入した損傷進展解析の開発に着手した。
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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
インパルス電流の直接印加試験に関しては試験方法を確立するとともに良好な実験結果が取得されており、数値解析の結果とも良く対応していることが確認されている。また、模擬雷撃試験におけるCFRPへの電気的・力学的荷重の実験による同定についても、アルミニウム合金板を対象とした荷重の逆推定について検討を実施し、荷重同定手法としておおむね目処が得られた。更に、熱・電気連成のマルチフィジックス解析による損傷予測シミュレーションについても当初の計画通りの成果が得られている。以上の結果より、順調に進展しているものと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
インパルス電流を直接印加したCFRPの電撃損傷現象の解明とモデル化としては、航空機用CFRPに対するインパルス電流の直接通電試験を実施し、温度応答挙動および損傷挙動を評価・観察する。対象とするCFRPに対して、電気伝導度、熱物性値、熱分解特性、高温での層間破壊靱性などの材料物性値を取得し、種々の材料物性が電撃損傷に及ぼす影響を多角的に考察する。あわせて、樹脂の熱分解反応の影響を考慮した電気・熱連成解析を実施し、高電流インパルス電流における電気伝導モデル、発熱モデルを構築する。
模擬雷撃による力学的荷重の同定に関しても昨年度と同様に試験片背面における面外変位の応答から荷重を同定する。本年度はアルミニウム合金板に加えてCFRP積層板も対象とする。インパルス荷重ー背面変位関係の応答曲面を順解析によって計算するとともに、逆解析手法によってインパルス荷重を同定する方法論を確立する。あわせて、雷撃印加点近傍を高速度カメラによって時系列で観察することにより、沿面放電の時間経過を実験的に取得し、電流密度分布の正確な同定を行う。
熱・電気・力学連成による雷撃損傷のマルチフィジックス数値解析手法の構築については、インパルス電流を直接印加したCFRPの電撃試験結果をもとに、熱・電気連成解析により試験結果を定量的に評価する。また、インパルス荷重の影響を考慮したCFRPの損傷・層間はく離のシミュレーションにも着手する。
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