複合材料積層板の衝撃損傷後の圧縮特性劣化メカニズムと材料設計

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06650765
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 末益 博志 上智大学, 理工学部, 教授 (20134661)
• 研究分担者: 郷津 勝久 上智大学, 理工学部, 助手 (40178439) ; 間島 理 上智大学, 理工学部, 助手 (90053678)
• キーワード: Composite material / Delamination / CAI / Buckling

研究概要

昨年度にひき続き近似理論解析および実験を行いデータの蓄積をするとともに、有限要素解析を行って、座屈荷重のみならず非線形の圧縮挙動を解析した。実験では特に熱可塑樹脂(PEEK)炭素繊維強化複合材料の圧縮実験を行い、剥離部の開口現象と破壊開始現象を特に着目してデータの測定を行った。有限要素法による解析は3次元のソリッド要素を用いた非線形解析であるだけでなく層間剥離部の接触問題をも考慮しなければならないという非常に困難な数値解析であったが、座屈後の挙動だけでなく、層間剥離部に生じるエネルギー解放率をも求めることができ、層間剥離を有する複合材料積層板の破壊メカニズム解明のための非常に価値ある知見が得られたものと考える。
有限要素法により得られた座屈荷重はReileigh-Ritz法による近似解析結果と非常によく一致し、グローバルな変形挙動を考える場合には本Reileigh-Ritz近似解析法で十分精度が得られることが保証され、本近似解析の効率を考えると非常に有効な手法であることを示せたと考える。また有限要素法解析によって得られた圧縮挙動は実験で観察された複雑な非線形挙動とよく一致し、実際の破壊メカニズムを同定する上で三次元の有限要素法を用いることが有効であることが確認できた。本解析によって得られたエネルギー解放率は、層間剥離と直角方向で座屈後急激に大きくなり、(多くの実験者により報告されているが)層間剥離が圧縮荷重と直角に伝播して最終破壊を示す現象を非常によく説明する。
CAI (Compression After Impact)問題を明らかにしていくために、今後は衝撃荷重による損傷累積過程と関連させて、圧縮挙動劣化メカニズムの研究を進める必要があると考える。

研究成果

• [文献書誌] Hiroshi Suemasu: "Compressive Behavior of Rectangular Composite Laminates with Multiple Delaminations" Proceedings of Japan-U. S. Conference on Composite Materials, Kyoto. June. 239-246 (1995)
• [文献書誌] 末益,小俣,間島,林: "多重層間で剥離したクロスプライ積層板の圧縮挙動と剥離クラックの不安定問題に関する有限要素解析" 日本航空宇宙学会誌. 43. 513-519 (1995)
• [文献書誌] Hiroshi Suemasu & Osamu Majima: "Multiple Delaminations and Their Severity in Circular Axisymmetric Plates Subjected to Transverse Loading" Journal of Composite Materials. 30 (in press). (1996)
• [文献書誌] H. Suemasu, T. Kumagai, K. Gozu: "Compressive Buckling of Rectangular Composite Plates with Multiple Delaminations" Proceedings of 37th AIAA/ASME/ASCE/AHS Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. April. (1996)
• [文献書誌] H. Suemasu, M. Kawauchi, K. Gozu, K. Hayashi and T. Ishikawa: "Effects of a Free Edge Delamination on Buckling of Rectangular Composite Plates with Two Fixed Loading and one simply-upported side Edge" Advanced Composite Materials. 6 (in press). (1996)