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2017 年度 実績報告書

損傷許容性に優れる炭素繊維複合材料構造の創成を目的とした破壊じん性発現機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 17H03144
研究機関京都大学

研究代表者

北條 正樹  京都大学, 工学研究科, 教授 (70252492)

研究分担者 西川 雅章  京都大学, 工学研究科, 准教授 (60512085)
松田 直樹  京都大学, 工学研究科, 助教 (90756818)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード炭素繊維複合材料 / 破壊じん性 / 破壊力学 / メゾ構造 / 損傷許容性
研究実績の概要

炭素繊維複合材料の一体成形構造において,板厚方向の負荷により弱部となる積層層間などの破壊特性について,巨視的なスケールにおける破壊じん性を体系的に理解するために,マルチスケールな視点から複合材料の破壊特性を検討する実験・解析手法の構築とそれを活用して構造の損傷許容性を向上するための知見を得ることを目的に研究を遂行した.特に,本年度は損傷許容性の指標として重要であるモードII破壊じん性について,破壊靱じん性試験による実験的な検討を中心に行った.得られた成果は以下の通りである.
1. CFRP一方向積層板に対して破壊じん性試験と有限要素解析,負荷中断試験を行い,層間のき裂先端の塑性域の形成が原点コンプライアンスの変化に及ぼす影響を検討した.その結果,き裂が進展していない場合にもき裂先端の樹脂の損傷によって原点コンプライアンスが変化することが明らかとなり,計算上のき裂進展量が実測のき裂進展量よりも長く評価されることが分かった.この結果は破壊じん性を適切に評価する上で重要な知見である.
2. 破壊じん性試験におけるき裂先端のせん断変位分布をデジタルマイクロスコープを用いた微視的観察画像から計測し,その結果を有限要素解析と比較することにより,き裂先端の塑性域やプロセスゾーン寸法について一定の知見を得た.この結果は繊維と樹脂という構成要素の幾何学的状況が破壊様相に寄与する複合材料積層板特有の破壊をメゾスケールで力学モデル化する上で有用な知見と言える.
3. 複合材料積層板の破壊じん性を考慮した破壊解析手法として粒子法に類似した計算方法を適用可能なperidynamics解析法について検討した.積層構成に関して任意の繊維配向に対して積層板内部の複数位置・複数形態で発生する損傷を解析することが可能となった.構造の損傷許容性と材料の破壊じん性の関連を解析する上で有用となりうる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

炭素繊維複合材料構造の損傷許容性をマルチスケールな視点から検討する上で重要な要素研究が進展しており,具体的には以下の観点で,一定の成果を得ている.
(1) 材料スケールの破壊じん性について,メゾスケールでの検討の基礎となる塑性域やプロセスゾーンの評価方法が確立したこと.
(2) 構造スケールと材料スケールの関連を解析する手法(peridynamics解析手法による,材料の破壊じん性を考慮した積層構造に発生する損傷評価)の構築について検討が進んでいること.

今後の研究の推進方策

これまでは,複合材料構造の損傷許容性の指標として重要であるモードII破壊じん性について,破壊じん性試験による実験的な検討を行い,画像解析や有限要素解析といった手法を用いてメゾスケールでの検討の基礎となる塑性域やプロセスゾーンの評価を進めてきた.この検討をさらに進めて知見を蓄積する予定である.さらに,材料の破壊じん性と積層構造の損傷許容性の関連を検討することを目的として,実用構造で重要な指標となるCompression After Impact(CAI)特性と破壊じん性の関係を調べるために,構築してきたperidynamics解析法を応用して面外負荷時の損傷発生に関するモデル化を進める予定である.また,複合材料の破壊じん性には樹脂の分子構造の違いも樹脂自体の破壊特性を通じて影響を及ぼしていることが考えられているが,それをモデル化した検討は行われていない.そこで本研究では,分子シミュレーションを用いて樹脂特性を解析する手法を検討し,分子スケールと材料スケールの連携のための基礎の構築を試みる.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] X線CTを利用したボイド形状の特徴観察とCFRP樹脂支配型強度へのボイド の影響の評価2018

    • 著者名/発表者名
      新玉重貴,橋爪良輔,古賀貢史,西川雅章,北條正樹,松田直樹
    • 雑誌名

      日本複合材料学会誌

      巻: 44 ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マイクロボンド法を用いた炭素繊維へのエポキシ樹脂の接着・硬化過程のその場観察と樹脂硬化収縮率の測定2018

    • 著者名/発表者名
      西川雅章, 後藤聡, 北條正樹, 松田直樹
    • 雑誌名

      材料

      巻: 67 ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ボイドがCFRP積層板強度に及ぼす影響の負荷方向による差異についての微視的観点からの考察2017

    • 著者名/発表者名
      新玉重貴,橋爪良輔,古賀貢史,西川雅章,北條正樹
    • 雑誌名

      日本複合材料学会誌

      巻: 43 ページ: 181-192

    • 査読あり
  • [学会発表] 微視的その場観察によるCFRPのモードII層間疲労き裂進展機構の検討2018

    • 著者名/発表者名
      足立勇, 馬見新彩, 井上太久真, 佐藤成道, 北條正樹, 松田直樹, 西川雅章, 金崎真人
    • 学会等名
      第9回日本複合材料会議(JCCM-9)
  • [学会発表] NAL-II法におけるCFRP積層板の圧縮変形挙動に関する実験的検討2018

    • 著者名/発表者名
      若山航瑶,松田直樹,加藤久弥,北條正樹,西川雅章
    • 学会等名
      第9回日本複合材料会議(JCCM-9)
  • [学会発表] 粗視化分子シミュレーションを利用した分子力学特性からの動的粘弾性特性の理解2017

    • 著者名/発表者名
      西川雅章
    • 学会等名
      日本複合材料学会 分子シミュレーション研究会 第13回 分子シミュレーション講義
    • 招待講演
  • [学会発表] NAL-II法による擬似等方積層CFRPの圧縮破壊挙動2017

    • 著者名/発表者名
      若山航瑶,松田直樹,加藤久弥,北條正樹,西川雅章
    • 学会等名
      第42回複合材料シンポジウム
  • [学会発表] CFRPのモードII層内・層間疲労き裂進展機構の検討2017

    • 著者名/発表者名
      足立勇,井上太久真,佐藤成道,北條正樹,松田直樹,西川雅章
    • 学会等名
      第42回複合材料シンポジウム
  • [学会発表] Modeling of Multiple-Type, Multiple-Site Damage in Composite Laminates Using Peridynamics Theory2017

    • 著者名/発表者名
      M. Nishikawa, N. Matsuda, M. Hojo
    • 学会等名
      American Society for Composites (ASC), 32nd Annual Technical Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] CFRPのき裂進展初期における損傷領域がモードII破壊じん性値に及ぼす影響2017

    • 著者名/発表者名
      馬見新彩,大橋一輝,井上太久真,佐藤成道,北條正樹,松田直樹,西川雅章,金崎 真人
    • 学会等名
      第55回飛行機シンポジウム
  • [学会発表] Zanchor-CFRP積層板の層間強化機構の負荷モード依存性2017

    • 著者名/発表者名
      礒野大志,杉原良哉,日下貴之,岩崎康彦,北條正樹,西川雅章,松田直樹,金崎真人
    • 学会等名
      高温強度・破壊力学合同シンポジウム - 第55回高温強度シンポジウム/第18回破壊力学シンポジウム
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      http://ams.me.kyoto-u.ac.jp

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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