| 研究課題/領域番号 |
09305009
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 研究分野 |
機械材料・材料力学
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
中野 元博 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40164256)
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| 研究分担者 |
山内 良昭 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00252619)
田中 和夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70171741)
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| 研究期間 (年度) |
1997 – 1999
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| キーワード | レーザ / 衝撃波 / スペースデブリ / CFRP / スポール破壊 / 眉間はく離 / 超高速フレーミングカメラ / 有限要素解析 |
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| 研究概要 |
本研究の目的は、先進航空宇宙用材料の超高速破壊のメカニズムを明らかにし、今後の航空宇宙機器用構造材料の開発に対して、耐衝撃性向上のための指針を示すことである。
高強度パルスレーザーの照射によりAl飛翔体を6〜9km/sまで加速し、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)に衝突させる試験を行った。その際に起こるCFRPターゲットの変形及び破壊の様子を高速フレーミングカメラにより撮影することに成功した。ターゲットの飛翔体衝突裏面は100〜700m/sの速度で変形していることが観察された。飛翔体衝突面からは、CFRPが吹出している様子が観察された。
試験後、CFRPターゲットの飛翔体衝突裏面及び断面の様子を光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、レーザー顕微鏡を用いて詳細に観察した。その結果、飛翔体衝突部分の裏側では、引張開口型(モードI)破面が観察された。飛翔体衝突部分から外れた部分の裏側では、眉間せん断型(モードII)破面が観察された。また、ターゲット断面の観察では、複数の眉間剥離が発見された。
以上のことから、CFRPの超高速衝撃下における破壊は、1.スポール破壊によるモードIき裂発生、2.炭素繊維に沿った方向のせん断によるモードIIき裂進展、3.引張りによる最外層炭素繊維の破断という一連のメカニズムにより生じると推定される。レーザーの照射エネルギーが低い場合は、上述の破壊メカニズムにおいて繊維の破断にまで至らない損傷が生じることも確認された。
また、三次元衝撃解析ソフトDyna3Dを用いて、超高速衝撃試験のシミュレーションを行った。試験により得られたフレーミング像、破面・断面観察から想定される破壊メカニズムを考慮した衝撃試験を数値解析モデルで表現し、そのモデルを用いてシミュレーションを行った。その結果、スポール破壊を伴うCFRPの衝撃変形が実験結果と定性的に一致することが確認された。
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