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熱力学的エントロピーの生成を損傷の指標としたCFRPの耐久性評価

Research Project

Project/Area Number 18J21099
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Aerospace engineering
Research InstitutionTokyo University of Science
Research Fellow 佐藤 光桜  東京理科大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
KeywordsCFRP / 長期耐久性 / 有限要素解析 / 耐熱樹脂 / 連続体損傷力学 / 粘弾性
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,①耐熱CFRPの炭素繊維-母材樹脂間の界面の力学特性取得,②母材樹脂の力学特性取得,③これらを加味したCFRPの有限要素数値シミュレーションの実施,④ ③の検証試験実施という4つのステップを通して耐熱CFRPの耐久性評価に直結する正確な寿命予測を行うことを目的とした.
本年度は主に,“④ ③の検証試験実施”と上記ステップの総括として,数値シミュレーションによる耐熱CFRPの寿命予測が主な研究課題であった.特に,②で提案したエントロピー損傷を考慮した樹脂構成式のCFRPに対する適用可能性を検討することに注力した.一方向CFRPの有限要素解析モデルへ提案した理論モデルを導入した後,一定ひずみ保持後の引張破壊解析を実施し,この条件におけるCFRPの残存強度を予測した.これにより,従来では再現不可であった応力緩和状態での強度低下を予測することに成功した.ひずみの増分のみで損傷が蓄積する従来の損傷モデルを用いる場合,一定ひずみで保持する状態では損傷は進展しない.しかし実際には,高分子材料は時間依存の損傷の蓄積により,一定ひずみで保持した場合でも劣化し,その保持時間とともに残存強度が低下する.本スキームは,積層複合材料で発生する時間依存の横方向亀裂を議論するために必須である.さらに,数値解析と同様の条件にて実施する一方向CFRPの三点曲げ試験にて数値解析結果の妥当性を検証した.数値解析では,静的引張解析と,引張解析の途中で一定ひずみにて保持し,その後引張解析を再開した場合の2種類を実施した.一定ひずみで保持した場合の強度は,樹脂部分が劣化し,静的強度よりも低下した.さらに,耐熱CFRPに対して曲げ破断試験を実施したところ,数値解析結果と同様の傾向を示し,数値解析は残存強度を定性的に予測したことを示した.本成果は国内学会2件として報告した.

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Temperature dependence of interfacial strength of carbon-fiber-reinforced temperature-resistant polymer composites2018

    • Author(s)
      Sato Mio, Koyanagi Jun, Lu Xin, Kubota Yuki, Ishida Yuichi, Tay T.E.
    • Journal Title

      Composite Structures

      Volume: 202 Pages: 283-289

    • DOI

      10.1016/j.compstruct.2018.01.079

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] エントロピー損傷を考慮した非線形粘弾粘塑性構成式による一方向CFRPの寿命予測シミュレーション2020

    • Author(s)
      佐藤光桜,長谷川航大,小柳潤,樋口諒,石田雄一
    • Organizer
      第62回 構造強度に関する講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] エントロピー損傷則を導入した非線形粘弾性構成式を用いた一方向耐熱CFRPの残存強度予測2020

    • Author(s)
      佐藤光桜,長谷川航大,小柳潤,樋口諒,石田雄一
    • Organizer
      第45回 複合材料シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] エントロピー損傷則を導入した非線形粘弾性構成式による一方向CFRPの横方向引張破壊挙動予測2020

    • Author(s)
      佐藤 光桜,細島 麻央,小柳 潤,樋口 諒,石田 雄一
    • Organizer
      第11回日本複合材料会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] エントロピー損傷を考慮した非線形粘弾粘塑性構成則を導入した耐熱CFRPの横方向引張破壊解析2019

    • Author(s)
      佐藤 光桜,細島 麻央,小柳 潤,石田 雄一
    • Organizer
      第61回構造強度に関する講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Lifetime Prediction of Viscoelastic Material Considering Entropy Damage and Non-linear Viscoelastic/plastic Constitutive Equation2019

    • Author(s)
      Mio Sato, Jonathon Tanks, Jun Koyanagi
    • Organizer
      5th International Conference on Mechanics of Composites
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Simulation of CFRP Transverse Failure Considering Non-Linear Viscoelastic/Plastic Constitutive Equation With Entropy Damage2019

    • Author(s)
      Mio Sato, Mao Hososhima, Saori Murata, Jun Koyanagi, Yuichi Ishida, Yasuo Kogo
    • Organizer
      22nd International Conference on Composite Materials
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of Strain Rates and Temperatures on Off Axis Failure Mode for Heat Resistant Polymer Matrix Composites2018

    • Author(s)
      Mio Sato, Sakie Shirai, Jun Koyanagi, Yuichi Ishida
    • Organizer
      11th Asian-Australasian Conference on Composite Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ポリイミド基複合材料の曲げ強度における温度・ひずみ速度依存性評価2018

    • Author(s)
      佐藤光桜,白井咲衣,小柳潤,石田雄一
    • Organizer
      日本実験力学会 2018年度年次講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Failure Mode Transition in Transverse Tensile of UD-CFRP Under Various Temperatures and Strain rates2018

    • Author(s)
      Mio Sato, Sakie Shirai, Jun Koyanagi, Yuichi Ishida
    • Organizer
      ASC 33rd Annual Technical Conference 18th US-Japan Conference on Composite Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Modeling for Time and Temperature Dependence on Flexural Strength of Polyimide CFRP2018

    • Author(s)
      Sakie Shirai, Mio Sato, Jun Koyanagi, Yuichi Ishida
    • Organizer
      13th International Symposium on Advanced Science and Technology in Experimental Mechanics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Creep and Fatigue in Polymer Matrix Composites2019

    • Author(s)
      Jun Koyanagi, Mio Sato
    • Total Pages
      573
    • Publisher
      Woodhead Publishing in Composites Science and Engineering
    • ISBN
      9780081026014
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2021-12-27  

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