| 研究課題/領域番号 |
20K04184
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
上田 政人 日本大学, 理工学部, 准教授 (80434116)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 炭素繊維強化プラスチック / 圧縮強度 / キンクバンド / キンクバンド破壊 / 繊維うねり / デジタルツイン / X線CT |
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| 研究開始時の研究の概要 |
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は金属よりも軽量かつ高剛性・高強度な材料であるが，その圧縮強度は引張強度と比較して低いため，曲げを受ける部材では圧縮側から先行して破壊が生じやすい．CFRPの圧縮強度は炭素繊維の配列状況に依存すると考えられるが，その詳細な配列状況は不明である．本研究ではX線断層撮影装置を用いてCFRPの断層画像を取得し，各繊維の揺らぎを再現するCFRPの3次元モデルを構築して，その数値シミュレーションを行う．炭素繊維のミクロンオーダーの揺らぎを考慮に入れて，CFRPの圧縮強度の発現メカニズムを評価することによって，圧縮強度を向上させるための方法を究明することを目的とする．
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| 研究成果の概要 |
一方向炭素繊維強化プラスチック（CFRP）において繊維方向圧縮強度が低い原因は，その内部に生じるマイクロスケールの繊維揺らぎに起因している．しかし，この繊維揺らぎのどの箇所から繊維方向圧縮破壊（キンクバンド破壊）が生じるのかは明らかになっていなかった．本研究では，計測可能な繊維初期不整角のばらつきを考慮に入れた解析モデルを構築することによって，初期不整角の大きな繊維群から順次圧縮荷重の分担力が低下し，初期不整角が0.5度程度の繊維群が圧縮荷重を支持できなくなることで，最終破壊を生じることを明らかにした．また，繊維初期不整角のばらつきが圧縮強度に与える影響を定量的に示した．
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の繊維方向圧縮強度は繊維方向引張強度の50～60%程度であり．曲げを受ける構造部材として使用する場合には圧縮側の補強が必要となる．従って，圧縮強度が向上すれば，CFRP構造の更なる軽量化を実現することができる．本研究では，マイクロスケールの繊維揺らぎを考慮に入れた一方向CFRPの圧縮強度予測方法を確立することによって，圧縮強度を決定している繊維揺らぎを特定した．また，繊維初期不整角のばらつきが圧縮強度に与える影響を評価した．以上により，一方向CFRPの繊維揺らぎを抑制した場合の圧縮強度の向上率を定量的に評価することができるようになった．
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