2016 Fiscal Year Annual Research Report
Compressive failure mechanism of a unidirectional carbon fiber reinforced plastic by means of X-ray computed tomography and the numerical simulation of longitudinal compression
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26820014
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
上田 政人 日本大学, 理工学部, 准教授 (80434116)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化プラスチック / CFRP / 圧縮強度 / X線CT / キンクバンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
X線CT装置を用いた一方向炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の内部観察により，それぞれの炭素繊維が有するうねりを再現した一方向CFRPの3次元有限要素法モデルを構築して，その圧縮シミュレーションを実施した．
まず，X線CT撮影による断層画像のRGB値とその位置情報とを取り出し，RGB値を輝度値に変換した後，ニ値化処理により炭素繊維とエポキシ樹脂とを判別した．次に，デジタル画像相関法（DIC法）を用いて繊維方向に沿う各繊維の移動量を求めた．この作業を長手方向に沿って繰り返し実施することにより，長手方向の各断面において繊維位置を特定して一方向CFRPの3次元モデルを構築した．X線CT装置によりCFRPの内部画像を取得する場合，炭素繊維とエポキシ樹脂との密度差が小さいことから，X線CT画像は不鮮明となりやすく，炭素繊維部と母材樹脂部とを明確に区別しにくい．また，繊維周辺やCFRPの表面近傍においてはアーティファクトも生じ，より不鮮明となる．X線CT装置の性能向上によりこの影響は将来的に軽減されていくものと思われるが，現状ではこの方法による繊維本数の同定誤差は1～2 %程度となることが明らかとなった．
この一方向CFRPの3次元有限要素法モデルを用いて，圧縮荷重を負荷する数値シミュレーションを実施した．この結果、炭素繊維のランダムなうねりによって，圧縮負荷に伴い一方向CFRPの内部では局所的に曲げ及びねじり変形が生じることを明らかにした．この局所的な曲げ及びねじり変形がキンクバンドの発生の駆動力となっている可能性があると考えられる．更に，本手法によって，成形法に依存して生じる繊維うねりによるヤング率の低減を定量的に評価することも可能であることが明らかとなった．
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