2021 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，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．
特に当該年度においては，昨年度までの研究結果を発展させ，微細繊維を内部に含有させた締結用の弾性カラー（以下，締結カラーと記載）の併用効果や，締結部のボルト孔付近での再溶融の効果，および締結後の再度の応力分配の考え方を利用して，その接合部分の強度と疲労耐久性を向上させるための技術開発を行った．また添加する微細ガラス繊維の添加率を変更した場合の改善効果の増減を調査すると共に，特に疲労寿命の改善効果を左右する内部の損傷進展機構の解明に注力した．
その結果，本件のボルト締結接手の疲労信頼性は，CFRTPの強化繊維自体の破断や，継手部付近にあるCFRTP表面の摩擦力による摩滅等ではなく，ボルト締結用の円孔部の周縁部にある強化繊維の局所的な座屈の発生の有無に支配される事を明らかにした．具体的には，締結カラーを併用しない場合には，初期の締結トルクを適切に与えた場合でも，特に繰り返し疲労荷重下ではその締結力が低下し，ボルトのネジ山の先端からの長手方向の圧縮力を受ける円孔縁面付近で強化繊維の局所的な座屈が生じ，それが起点となって継手の信頼性を著しく低下させるが，締結カラーを併用するとこの局所座屈の発生が抑制されると共に，さらにその締結カラーに微細繊維を添加した場合には，一旦，微細な局所座屈が発生してもそれを起点とする開口き裂の変位を適切に力学架橋し，損傷の増大化を遅延できる事がわかった，この効果により，継手としての疲労耐久寿命を向上できる事がわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
申請時の計画では，まず研究の１年目においては，その前年度までに実施していた基盤研究（C）15K06471の研究結果を発展させ，平板ボルト締結継手に面内せん断力が負荷した場合の，切断された強化繊維への適切な荷重の流れを得るための新しい締結技術を考案し検証する事を計画し，汎用的なM6サイズのボルトを用いた締結の際に小突起を有するいわゆるバイトプレート（bite plate）を併用する手法を検証し，繰り返し疲労寿命に大きな改善効果が得られる事を定量的に明らかにした．
次に研究の２年目においては，ボルト穴面へのPP製の締結用弾性カラーに微細ガラス繊維を添加する手法を確立し，その効果を調査した．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%程度の強度改善率や，最大10倍程度の疲労寿命の向上効果が得られる事を明らかにした．さらに締結部周辺での粘弾性挙動に伴う応力緩和現象に伴い，円孔縁での耐久性の確保の寄与度が相対的に増加する事も明らかにした．
そこで研究の３年目においては２年目の検討結果を増補し，添加する細ガラス繊維の添加率を変更した場合の改善効果の増減を調査すると共に，特に疲労寿命の改善効果を左右する内部の損傷進展機構の解明に注力した．その結果，本件のボルト締結接手の信頼性は，CFRTPの強化繊維自体の破断や，継手部付近にあるCFRTP表面の摩擦力による摩滅等ではなく，ボルト締結用の円孔部の周縁部にある強化繊維の局所的な座屈の発生の有無に支配される事を明らかした．
しかし申請時の計画では，この3年目には締結部周辺でのCFRTPの厚み方向の粘弾性の作用を考慮した信頼性確保の規準作りを行う事を計画していたが，その一部のみしか実行できなかった．この点については計画にある程度の遅れが生じた．これらを総合して上記の判断とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目までに検討した微細繊維を内部に含有させた締結カラーの併用効果や，締結部のボルト孔付近での再溶融の効果，および締結後の再度の応力分配の考え方を利用する技術開発をさらに広く実用条件に近い対象まで発展させ，開発した手法の信頼性や発展性の検証を行う．具体的には対象とする負荷条件の範囲を拡張し，一般の実用条件に近い曲げなどの負荷条件を含めるとともに，比較的大きな安全率が想定された実際の負荷レベルに近い条件にまで負荷条件の対象条件を拡張する．また3年目に信頼性確保のための起点である事を明らかにした円孔縁部での強化繊維の局所座屈の発生を防止できるような補間構造を実現する材料開発を行うと共に，ひとたびの過負荷により損傷が生じた際には，その後に円孔縁での複数の強化繊維間の力学的な連結を必然的に生み出すような改質の考え方を導入する．これらにより外部からは見えない形で耐久信頼性を確保するような既存技術とは差別化のできる締結構造を立案する．同時に平板間の締結構造だけを検討するだけではなく，直立構造体からの平板の締結や，任意の角度を有した方向への締結なども想定し，検討する締結条件の種類をより広げる事で研究の応用範囲を広げる．またいわゆるスカイバ構造などの併用効果も検討し，改変の程度と改善の効果の比の最大化も目指す．さらにCFRTPの厚み方向の粘弾性の作用を考慮した信頼性確保の規準作りに着手する．これらにより最終年度には，より特徴的な研究成果を得るとともに，実際に利用される技術開発の結果を社会に向けて提示する．
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し，本学所属の大学院生および学部生が連携しながら材料製作と実験作業を行う．これにより探究項目や実験内容の分析を並行的に分担し，研究代表者は研究全体の進行を統括しながら目標を達成できるよう研究を推進する．
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