2020 Fiscal Year Annual Research Report
Formulation of design criteria and improvement of durability of carbon fiber reinforced composite joint subjected to in-plane and out of plane loading.
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19H02448
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
大窪 和也 同志社大学, 理工学部, 教授 (60319465)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小武内 清貴 同志社大学, 理工学部, 准教授 (30614367)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化複合材料 / 接合 / 面内および面外荷重 / 耐久性 / 微細繊維 / じん性 / 応力緩和現象 / 設計規準 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請時の研究計画調書に従い当該年度にはその前年度までの研究結果を発展させ，CFRTP（炭素繊維強化熱可塑プラスチックス）を用いた際の広範囲な種別の接合構造を想定し，その全般を含むような接合構造の強度設計手法と設計規準を社会に提唱すると共に，長期使用に対する疲労耐久性を高めるための新技術を社会に提供し当該の学術・産業分野に貢献する事を目的として研究を行った．
特に当該年度には，より実用的な種別の接合構造の開発への展開を目的とし，前年度に明らかにした微細ガラス繊維を締結時に併用する技術を発展させ，汎用的なM6サイズのボルトおよびナットを用いた実用時に比較的平易に導入できると予想できるボルト穴面へのPP製の弾性カラーに微細ガラス繊維を添加する手法の力学的効果を提示した．前年度に詳細に検討した締結技術への微細繊維の利用手法の知見をより実用可能な部材に展開した事を当該年度の研究上の意義とした．また耐久使用に伴い締結部周辺で必然的に生じる粘弾性クリープに伴う応力緩和現象の重要性を明らかにし，研究実施計画に若干の小修正を加えながら研究資源の一部をこの現象の把握のための評価実験に振り向け，ボルトによる締結距離を維持したまま任意の温度条件のもとでボルト締結力の時効的変化を汎用のひずみゲージを用いて測定できる小サイズの装置も自作した．このように，耐久使用時の一連の現象の評価，研究技術を確立した事も研究の意義とした．これらの結果，締結されたCFRTPの長期使用に対する疲労耐久性を高めるための新技術を社会に提供し当該の学術・産業分野に貢献する知見および実験データを提示できた．
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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
申請時の研究計画調書に従い，本研究では平板を用いた２次元的に単純な継手構造だけではなく，CFRTP（炭素繊維強化熱可塑プラスチックス）を用いた実用的に広範囲な種別の接合構造を想定し，その全般を含むような接合構造の強度設計手法と設計規準を社会に提唱すると共に，長期使用に対する疲労耐久性を高めるための新技術を社会に提供し当該の学術・産業分野に貢献する事を目的として研究を行っている．研究期間2年目の当該年度においてはまず，初年度において行った汎用的なM6サイズのボルトを用いた締結の際に，マイクロミリメータサイズの微細ガラス繊維を内包するPP製フィルムとbite plate（ダイス状の突起を表面に有する金属板）を併用する締結方法の考え方を発展させ，比較的シンプルな構造を持ち，将来の実用時に比較的平易に導入できると予想できるボルト穴面へのPP製の弾性カラーに微細ガラス繊維を添加する手法の効果を実験的に調査した．その結果，適切な微細ガラス繊維の添加率および添加方法を採用すると，最大約20%程度の強度改善率が得られる事がわかった．さらに実用条件に負荷条件である繰り返し疲労負荷の条件では疲労寿命は10倍以上増加し，またある疲労損傷後の残留強度（いわゆる残存強度）の維持率も改善できる事を明らかにした．さらに研究における諸データの蓄積や諸現象の観察を通じて，締結部周辺での粘弾性クリープに伴う応力緩和現象がボルトを用いたCFRTP材の締結の信頼性を確保する上で無視できない現象である事を把握した．具体的にはボルトによるCFRTP板の厚み方向の締結力は時間と共に下に凸の指数関数状に低下し，常用される車輌等で起こりうる温度条件の100℃程度の温度条件でも最大約20%の低下が生じる事がわかった．この低下により限界時には相対的に円孔縁での耐久性の確保の寄与度が増加する事も明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的および研究目標を実現するために，1年目および2年目にて試行的に検討した弾性カラーの利用や締結部での再溶融，および強化繊維の再配向，などの新しい締結方法の力学的効果の検証を行う負荷条件の対象を，より実用条件に近い繰り返し疲労負荷にまで広げ，特に締結した付近からの疲労損傷の致命的な進展を停留させるような構造条件を提案かつ検証する．具体的には最適な配置や微細繊維の配向，および締結方向の締結力を利用した幅方向への圧密力を生み出すような機構の採用を検討し，効果を検証する．また剛性の変化や残存寿命の違いなどを材料モデル化した指標を導入し，将来のユーザ利用時の期待にも応えられる知見を用意する．
また昨年度（2年目）の研究における諸データの蓄積や諸現象の観察を通じて，締結部周辺での粘弾性クリープに伴う応力緩和現象が締結の信頼性を確保する上で無視できない現象である事を把握した事を考え，この応力緩和現象に伴う耐久性の評価と改善確保を本年度（3年目）研究のサブテーマとして展開し，研究の中に加える．こちらの検討のためにも具体的な評価試験機を作成し，百数十℃程度の加熱による加速試験を行いながら特殊な異形形状を持つ座金やの採用や，締結工程を複数段階化する案の効果も迅速に検討する．さらに一般にはほとんど行われていない継手部へのねじりや曲げなどの面外負荷に対する信頼耐久性の改善手法を検討し，信頼性の改善技術の一般性を広げると共に，他の研究との差別化をはかる．このためにも新しい評価試験機を開発し，継手部の面外負荷挙動のデータを取得する．
なお本年度にも研究目的の遂行のために研究協力者および研究グループを構成する本学所属の大学院生および学部生は連携して素材の製作および実験作業を行い，探究項目や実験内容を並行的に分担する．研究代表者は全体の進行を統括しながら確実に目標が達成できるよう研究統括を行う．
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