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炭素繊維強化複合材料の構造設計のための強度・寿命評価システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 04555029
研究種目

試験研究(B)

配分区分補助金
研究分野 材料力学
研究機関名古屋大学

研究代表者

村上 澄男  名古屋大学, 工学部, 教授 (10023053)

研究分担者 津島 栄樹  東燃(株), CFプロジェクト, チームリーダー
河井 昌道  筑波大学, 構造工学系, 助教授 (90169673)
座古 勝  大阪大学, 工学部, 教授 (40170831)
田中 英一  名古屋大学, 工学部, 助教授 (00111831)
金川 靖  名古屋大学, 工学部, 助教授 (90023481)
研究期間 (年度) 1992 – 1994
研究課題ステータス 完了 (1994年度)
配分額 *注記
18,500千円 (直接経費: 18,500千円)
1994年度: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
1993年度: 3,700千円 (直接経費: 3,700千円)
1992年度: 12,000千円 (直接経費: 12,000千円)
キーワード炭素繊維強化複合材料 / 疲労寿命 / 疲労損傷過程 / 非弾性変形挙動 / 損傷力学的解析 / 多軸繰返し負荷 / 寿命評価 / AE計測 / 疲労損過程 / 非弾性変形 / 多軸疲労破壊基準 / マトリックスき裂 / 層間はく離 / 負荷応力履歴
研究概要

平成4年度から6年度にわたり、炭素繊維強化複合材料の静的ならびに繰返し負荷の下で非弾性変形挙動を明らかにした。特に繰返し負荷における疲労挙動を材料内部で発生するマトリックスき裂および層間はく離に注目して疲労損傷を定量的に評価すると共に、AE信号の周波数分析によって非破壊的に疲労損傷の発生・発展をモニターすることにより、強度・寿命評価システムが開発できることを示した。得られた結論は以下の通りである。
1)主に[±45°]_4薄肉円管試験片を用いて、種々の応力振幅、応力比の繰返し負荷の下での応力-ひずみ関係を明らかにし、繰返し初期における母材の加工硬化過程および末期(N/Nf>0.8)における圧縮応力による巨視的座屈を確認した。この巨視的座屈は層間はく離面積の拡大に起因する圧縮剛性の低下によることが明らかとなった。
2)繰返し負荷による疲労過程で生じる炭素繊維強化複合材料内の微小空隙、特にマトリックスき裂、積層間はく離を光学顕微鏡等により観察し、き裂密度等の観察結果を定量的に評価した。剛性、靱性の低下およびひずみエネルギー損失は材料の力学特性の変化と内部構造の変化(損傷)を反映するが、特に縦弾性係数は損傷状態の推定に用いることができる。
3)これまで提案されていた流れ則に基づいた連続体損傷モデルを修正・拡張し、CFRP薄肉円管試験片を用いて実測した応力-ひずみ関係に適用した。これにより内部損傷の発生・発展を考慮した非弾性構成式により実測結果をよく表現することが明らかとなった。
4)繰返し負荷中に発生するAE信号のパワースペクトルを調べることによって非破壊的にマトリックスき裂、層間はく離あるいは繊維破断等の損傷の発生・発展がモニターでき、これまで明らかにした損傷機構に基づいて残存寿命をより正確に予測することができた。
5)長繊維強化複合材料の損傷機構は非常に複雑であるが、損傷力学の枠組みの中で巨視的な観点から損傷を考慮した非弾性変形挙動の定式化を行った。これらを記述する構成式の材料パラメータは非常に少なく、これらをより普遍的な構成式に拡張することが可能である。

報告書

(4件)
  • 1994 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1993 実績報告書
  • 1992 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (25件)

  • [文献書誌] 石田 孝明 他3名: "炭素繊維強化複合材料円管[±45°]_4の引張り-圧縮疲労損傷と非弾性変形に対する応力比の影響" 機械学会論文集. 60. 105-112 (1994)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Kanagawa et. al.: "Observation of Internal Damage and Inelastic Deformation of Graphite/Epoxy Tubes[±45°]_4 under Cyclic Axial Loading" Science and Engineering of Composite Materials. 3. 111-121 (1994)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 座古 勝 他2名: "損傷異方性を考慮した複合材料用有限要素法の開発" 材料. 43. 265-270 (1994)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 座古 勝 他2名: "複合材料の三次元熱応力解析" 材料. 43. 402-407 (1994)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 金川 靖 他4名: "損傷を考慮したCFRPの非弾性変形挙動の解析" 複合材料学会誌. 21. 27-33 (1995)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Murakami et.al.: "Observation of Internal Damage and Inelastic Deformation of Graphite/Epoxy Laminate Tubes under Cyclic Tension-Compression" Proc. IUTAM Symposium. (in press).

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Ishida et al.: ""Effects of stress ratio on the inelastic deformation and fatigue damage of Graphite/epoxy tubes[<plus-minus>45゚]_4 under Tension-Compression Loading."" JSME. Vol.60. 105-112 (1994)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Kanagawa et.al.: ""Observation of internal damage and inelastic deformation of Graphite/epoxy tubes[<plus-minus>45゚]_4 under cyclic axial loading."" Science and Engineering of Composite Materials. Vol.3. 111-121 (1994)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Zako et al.: ""Development of finite element method for composite materials considering anisotropic damage state."" J.Soc.Mat.Sci.Vol.43. 265-270 (1994)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Zako et al.: ""Three-dimensional thermal stress analysis of Composites."" J.Soc.Mat.Sci.Vol.43. 402-407 (1994)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Kanagawa et al.: ""Analysis of inelastic deformation of CFRP based on damage theory."" J.Japan Soc.Composite Materials. Vol.21. 27-33 (1995)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Murakami et al.: ""Observation of internal damage and inelastic deformation of Graphite/epoxy laminate tubes under cyclic tension-compression" Proc.IUTAM Symposium. in press.

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Ishida et al.: ""Development of internal damage in CFRP[<plus-minus>45゚]_4 laminate tubes under cyclic tension-compression loading and its quantitatine evaluation."" JSME. in press.

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Shimizu et al.: ""Stochastic simulation of impact damage process."" Proc.38th Japan Cong.on Mat.Res.in press.

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Kanagawa et al.: ""The effect of interlaminar stresses on laminate theory."" J.Composite Moteridls. (submitted).

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Kanagawa et al.: ""Analysis on internal damage in FRP laminates by continuum damage mechanics."" J.Japan Soc.Composite Materials. (submitted).

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1994 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 金川,石田,村上,田中: "Observation of Interval Damage and Inelastic Deformation of Graphitey Epoxy Tubes [±45°]4 under Cyclic Axial loocling" Soience and Engineering of Composite Materials. 3. 111-121 (1994)

    • 関連する報告書
      1994 実績報告書
  • [文献書誌] 金川,村上,小坂,白,石田: "損傷を考慮したCFRRの非弾性変形挙動の解析" 日本複合材料学会誌. 21. 27-33 (1995)

    • 関連する報告書
      1994 実績報告書
  • [文献書誌] 村上,金川,石田,川崎: "Obervation of Interval Damage and Intlastic Deformation of Graphitel Epoxy Laminate Tubues under Cyclic Tcension-Compression" Proc.IUTAM Synposium.Deumark. (in press). (1995)

    • 関連する報告書
      1994 実績報告書
  • [文献書誌] 石田,金川,村上,安田: "CFRP[±45°]4積層円管の繰返し引張-圧縮応力下における内部損傷の発達と定量的評価" 日本機械学会論文集. 3月号(掲載決定). (1995)

    • 関連する報告書
      1994 実績報告書
  • [文献書誌] 清水,村上,金川,田中,中嶋: "Stochastic Simuration of Impact Damage Process" Proc.38th Japan Coug.on Mat.Res.4月(刊行予定). (1995)

    • 関連する報告書
      1994 実績報告書
  • [文献書誌] 金川靖: "CFRP[±45゚]_4薄肉円管の引張-圧縮による疲労損傷過程" 材料. 43(487). 55-61 (1994)

    • 関連する報告書
      1993 実績報告書
  • [文献書誌] 石田孝明: "炭素繊維強化複合材料円管[±45゚]_4の引張り-圧縮疲労損傷過程と非弾性変形に対する応力比の影響" 機械学会論文集A編. 60(569). 104-112 (1994)

    • 関連する報告書
      1993 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Kanagawa: "Inelastic Deformation and Fracture of Laminated Grophitu/Epoxy tubes under Multiaxial Stress State" JSME International Journal. 36. 97-103 (1993)

    • 関連する報告書
      1993 実績報告書
  • [文献書誌] 金川 靖: "繰返し根張-圧縮応力下におけるCFRP内管[I45°]4の疲労損傷と非弾性変形に対する圧縮応力の影響" 日本機械学会論文集A編.

    • 関連する報告書
      1992 実績報告書

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公開日: 1992-04-01   更新日: 2016-04-21  

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