| Project/Area Number |
23K19085
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2023-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 炭素繊維強化プラスチック / 熱可塑性樹脂 / 残留応力 / 長期変形 / 異方性粘弾性 / 吸湿効果 / 幾何学的非線形 / マルチスケール解析 / 成形時残留変形 / 吸湿 / 残留変形 / クリープ変形 / 粘弾性 / 熱可塑性複合材料 |
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| Outline of Research at the Start |
熱可塑性複合材料は再成形可能でサステナブルな素材である反面、熱硬化性複合材料に比べて粘弾性特性が顕在化し、長期的な寸法変化が発生する。したがって、航空機の構造部材として長期的な強度を保証するには、成形時に発生する残留応力を把握し、それを駆動力とした長期変形（クリープ変形）を予測する必要がある。そこで本研究では、成形条件と使用環境に起因する熱可塑性複合材料の残留変形と長期変形の発生機構を解明し、変形量を予測する粘弾性マルチスケール解析を開発する。
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| Outline of Final Research Achievements |
This study investigated the mechanisms of process-induced deformation (PID) and long-term deformation (LTD) in composite laminates and developed a viscoelastic multiscale analysis for accurate prediction of these deformations. For the target material systems, PID was more pronounced in thermoplastic composites (T700G/LM-PAEK), whereas LTD was more significant in thermosetting composites (T700G/2510). Experimental and numerical results revealed that the large PID in thermoplastic composites resulted from a high coefficient of thermal expansion above the glass transition temperature, while the LTD in thermosetting composites was primarily attributed to moisture-induced degradation of stiffness. The proposed analysis, which integrates the estimation of anisotropic viscoelastic properties at the fiber/resin scale with deformation analysis at the laminate scale, accurately reproduced the experimental deformation behavior.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
本研究では、複合材料の成形時残留変形および長期変形の発生機構に関する重要な知見を得たとともに、その知見に基づいた変形予測のための解析基盤を確立した。本研究で構築した粘弾性マルチスケール解析は、樹脂や一方向材の粘弾性特性および熱機械特性を取得するだけで、残留変形や長期変形を定量的に予測可能である。将来的に各スケールにおいて成形手法（自動積層、3Dプリンタ等）や材料の構成（繊維うねり、樹脂リッチ部、ボイド等）を反映させることで、煩雑な実験を介せずに選定した樹脂に最良な成形方法の知見を提供できる点で、本研究成果は工学的に高い意義を有する。
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