2021 Fiscal Year Research-status Report
粘弾性・粘塑性解析に基づく炭素繊維強化熱可塑性樹脂の強度解析
| Project/Area Number |
21K03753
|
|---|
| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
坂上 賢一 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40383509)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 複合材料 / 熱可塑性樹脂 / 粘弾性 / 粘塑性 / 圧縮性塑性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，炭素繊維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）の力学挙動・破壊挙動を熱可塑性樹脂の本質的な特性である粘弾性・粘塑性に基づいてシミュレーション可能な数値解析法を確立することである．
本年度の研究では，熱可塑性樹脂の粘弾性・粘塑性力学特性評価の実施，有限要素解析に必要な粘弾性・粘塑性サブルーチンの開発を実施した．粘弾性・粘塑性力学特性の評価では，デジタル画像相関法による非接触全視野計測法を恒温槽内で実施する引張試験に適用し，ポリアミド6（PA6）およびポリブチレンテレフタレート（PBT）の粘弾性・粘塑性特性を同定した．さらには，圧縮性塑性挙動に着目し，PA6では計測した温度範囲でほぼ同じ塑性ポアソン比をもつ圧縮性塑性挙動を示すこと，PBTでは塑性ポアソン比が温度に依存する圧縮性塑性挙動を示すことを明らかにした．
有限要素解析に必要な粘弾性・粘塑性サブルーチンの開発では，粘弾性要素にはSchapery非線形粘弾性構成式，粘塑性要素には引張降伏応力と圧縮降伏応力が異なる塑性非対称性と圧縮性塑性挙動が再現可能な拡張Drucker-Prager降伏条件に基づく非関連流れ則を用いて粘弾性・粘塑性挙動を表現し，そのサブルーチンを開発した．このサブルーチンを用いた有限要素解析は前述のPA6・PBTの引張試験挙動を再現できることを示した．特に，PA6は顕著な非線形粘弾性挙動を示すことから，本質的に非線形粘弾性体として取り扱う必要があることが示唆された．また，繰返し負荷条件におけるPA6の力学挙動の再現が可能であることを確認し，開発した粘弾性・粘塑性サブルーチンの有効性を示した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，1年目と2年目に(1)有限要素解析に用いるPA6の粘弾性・粘塑性特性の評価，2年目と3年目に(2)PA6の力学特性を用いたCF/PA6のユニットセル有限要素解析（マイクロスケール解析），(3)CF/PA6一方向強材の異方性粘弾性・粘塑性特性解析（マクロスケール解析）を実施する計画である．
上記(1)に関して，材料試験を通じた粘弾性・粘塑性特性の評価，およびサブルーチンの開発による粘弾性・粘塑性有限要素解析が実施できることを示しており，当初の予定通り計画通り研究が進展しているといえる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り，炭素繊維強化熱可塑性樹脂（CFRTP）のユニットセル有限要素解析（マイクロスケール解析），一方向強材の異方性粘弾性・粘塑性特性解析（マクロスケール解析）を実施する．
マイクロスケール解析では，繊維数本を含む3次元ユニットセルモデルを用いた有限要素解析によりCFRTPの異方性粘弾性・粘塑性特性を推定する．マトリクスの力学特性にはこれまでに力学特性を評価した熱可塑性樹脂の粘弾性・粘塑性特性を入力し，ユニットセル解析により，一方向強化CFRTPの力学挙動を予測する．その後，0°，45°，90°方向の引張試験を模擬したCFRTPの引張挙動のシミュレーションを行う．これらのシミュレーションの結果と既往の研究における試験結果に基づいて，マクロスケール解析に向けた異方性粘弾性・粘塑性サブルーチンを開発する．その後，マイクロスケール解析に基づいて，異方性粘弾性・粘塑性サブルーチンを用いたマクロスケール解析を実施する．
|
| Causes of Carryover |
予算残額が少ないため，翌年度分と合算した方が予算を無駄なく使用できると判断したため．
翌年度に使用を予定している材料の購入費用，ソフトウェアライセンス使用料，学会発表等の旅費などの用途で使用する．
|
