| 研究課題/領域番号 |
18K13921
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
樋口 諒 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00815946)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 炭素繊維強化プラスチック / 計算機援用設計 / 均質化法 / 拡張有限要素法 / 異形炭素繊維 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、様々な微視構造（繊維の断面形状、直径、配置のばらつき）を有する炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の巨視的な弾性・破壊特性を包括的に調査可能な数値解析手法開発に取り組んでいる。具体的には、拡張有限要素法(XFEM)、均質化法、モンテカルロ法を組み合わせた独自の微視構造解析ツールを開発している。提案ツールの特徴はXFEMを導入することで微視構造をメッシュと独立にモデル化可能となり、従来手法では実現困難であった、膨大な微視構造候補に対する網羅的な数値解析的調査が可能となる点である。
令和元年度（平成31年度）においては、昨年度開発した弾性特性評価手法の破壊特性評価への拡張を試みた．具体的には、繊維直交方向引張負荷下での強度評価のため、樹脂の弾性変形下での脆性破壊モデルを構築し、XFEM均質化解析ツールへと実装した。円形・通常径繊維のCFRPでの精度検証の結果、十分な予測精度を有することが確認され、非円形繊維の場合には強度の低下が生じることも確認された。さらに、層厚が変化した円形・通常径繊維のCFRPに関する強度予測のため、板厚全体をモデル化した解析モデルを構築した。予測結果のき裂発生ひずみおよびき裂進展挙動は実験結果と非常に良い一致をみている。本手法は今後様々な繊維径での強度評価へも拡張可能である。
該当研究の成果は国際誌2報、国内誌1報に掲載済である他、今年度の国内学会3件、国際学会5件にて発表済みである。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
申請時の計画では、令和2年度（平成32年度）に非円形繊維の弾性・破壊特性評価を実施し、令和3年度に（平成33年度）に様々な繊維径での弾性・破壊特性評価を実施する予定であった。「当初の計画以上に進展している」と判断する根拠について以下に述べる。
令和元年度（平成30年度）においては、繊維直交方向引張強度の評価のため、樹脂の弾性変形下での脆性破壊モデルを開発ツールへと実装した。円形・通常径繊維のCFRPでの検証により、十分な予測精度を有することが確認されている。さらに、様々な層厚の円形・通常径のCFRPに関して強度予測精度の検証を行った。ここでは板厚全体をモデル化することで層厚の変化により強度特性が異なることを確認しており、同じ手法は繊維径が変化する場合の強度評価へも応用できる。つまり、今年度の実施成果は一部ではあるが令和3年度の実施内容までを含んでいる。
以上より、現段階での研究進捗状況としては、計画段階よりも前倒して進んでいると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和元年度（平成31年度）までに弾性特性の評価手法、破壊特性の評価手法の一部（繊維直交方向引張強度評価のみ）を確立したため、今後はせん断負荷下・圧縮負荷下での破壊特性評価への拡張に取り組む。具体的には、樹脂の塑性・損傷モデルの改良に取り組む。妥当性検証として、通常の繊維形状・繊維径のCFRPを対象とし、せん断・圧縮負荷下での実験結果と比較する。加えて、非円形繊維および異なる繊維径での精度検証に関しても、引張・せん断・圧縮負荷下で更なる検証を実施する。
さらに、十分な予測精度が確認された場合、開発手法を用いて様々な繊維形状・繊維径での巨視的な破壊特性評価に取り組み、破壊特性の繊維形状・繊維径依存性を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が生じた理由として、コロナウイルスにより3月に予定していた実験、出張、学会が中止または延期となったことが挙げられる。このため、次年度、騒動が収束次第、延期している実験、学会への出張旅費へ充てる予定である。
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