| 研究課題/領域番号 |
21K03760
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| 研究機関 | 近畿大学 |
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研究代表者 |
野田 淳二 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (00398992)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 繊維強化複合材料 / はく離挙動 / 十字型試験片 / 結合力要素 / グリーンコンポジット |
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| 研究実績の概要 |
近年，トポロジー構造最適化した複雑な繊維強化プラスチック（FRP）桁構造物が3Dプリンタによって成形され自転車等に実装される例や人工衛星のラティス構造体の実用等，桁構造がFRP構造物のより高比強度化に寄与している．桁構造体では多軸荷重状態は想定されないため，桁接合面のはく離挙動は未解明であった．本研究では，軽量・高強度化に優れる一方向複合材料（UD）を用いた桁構造体の健全性評価を可能とする多軸荷重状態での桁接合強度評価法を提案する．十字型UD桁試験片に曲げ負荷および面内せん断負荷を与えることにより，接合部の曲げ負荷下はく離挙動や面内2次元せん断型はく離挙動を呈する試験法を確立し，その場観察による損傷の定量化および結合力要素を用いた損傷進展シミュレーションを併用することにより，桁接合部のはく離挙動を解明することを目的とした．
2022年度は，結合力要素を桁接合部に導入した十字型UD桁有限要素法モデルを構築し，各破壊モードに対応した結合力および破壊靭性値を2021年度に得られた試験データとフィッティングすることで，観察された損傷と負荷形態，試験片寸法の関係を考察し破壊機構を調査した．曲げ負荷下での十字型UD桁接合部の破壊は，梁の幅や長さによりモードI型はく離挙動から梁の引張負荷に推移することが予測されたため，種々の梁の幅と長さ，厚さをモデル化し解析的に最適な桁幅や厚さを推定した．これらの検討から十字型UD桁試験片接合部のモードI型はく離挙動を説明可能な結合力と破壊靭性値を推定した．さらに，面内せん断型はく離挙動の解析モデルの構築では，接合部の純せん断を与えるために治具も剛体でモデル化するなどの工夫を行い，モードIIおよびIIIの複合型はく離挙動を説明可能な結合力と破壊靭性値を推定した．
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| 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
2022年度は，最大応力説とき裂形成エネルギー論の観点から有限要素法内でき裂の発生および進展挙動を模擬できる結合力要素を導入して，本研究で提案した十字型はく離試験法の妥当性を評価した．結合力要素を桁接合部に導入した十字型UD桁有限要素法モデルを構築し，モードI型はく離挙動と，モードIIおよびIIIの複合型はく離挙動に対応した結合力および破壊靭性値を2021年度に得られた試験データとフィッティングすることで，観察された損傷と負荷形態，試験片寸法の関係を考察し破壊機構を解明した．まず，両端支持はりを2枚直交させた十字型UD桁モデルを作成し，桁接合部に2重節点からなる結合力要素を導入した有限要素法モデルを構築した．ソルバーにはANSYSver.19.0を使用し，局所座標系を用いて直交異方性を導入し，1/2モデルとして自由度を低減することにより2次要素を適用可能にして大変形解析を行った．十字型試験片の桁長さの影響を調べるために，160mmと60mmのモデルを作成し，モードI型はく離とモードII型はく離の応力比率を解析的に調べることで，桁の短長化でモードII型はく離の応力比率を63.1%から37.5%まで低減できることを明らかにした．これによりモードI型はく離支配型の十字型はく離試験法を確立した．面内せん断型はく離挙動の解析結果からは，はく離した接合界面の残存繊維による摩擦の影響で大変形時に解析結果が合わない結果が現れたが，負か初期段階におけるモードIIおよびIIIの複合型はく離挙動はよく一致し，結合力要素の推定に成功した．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究はUD桁構造で耐荷する津波避難シェルターの開発に資する桁接合部の強度評価手法の確立を目的としている．2022年度までに検討してきた曲げ負荷下におけるモードI型はく離試験法および額縁試験片を用いた薄板せん断試験法を参考にした面内せん断負荷におけるモードIIおよびIIIの複合型はく離試験法では，十字型試験片を用いた検討であり，基礎的な直角に接合された接合部の強度評価を対象として来た．桁構造物は曲面や球面を構成する場合，直角以外の角度で接合されるのがほとんどであり，今後はより一般的な鋭角に接合された接合部を有する試験片を用いてモードI型はく離試験およびモードIIおよびIIIの複合型はく離試験を実施し，同様の数値解析を実施することで，本評価手法の妥当性を向上させるとともに，軽量高強度な桁構造物のCAE設計手法として本手法を確立すべく，研究を進める．本研究で提案してきた面内せん断はく離試験法は，モードIIおよびIII型の複合モードではく離が進展する．鋭角UD桁接合試験片の上部梁から見たモードII型はく離挙動は下部梁から見たモードIII型はく離挙動に対応し，その比率が初期角度により変化しながらはく離が進展する．また，変形中の桁同士の面内相対角度を見るとより鋭角に変化する方向とより鈍角に変化する方向が存在するため，はく離進展挙動は楕円型に進行することが予測される．この現象を明らかにするため，数種類の鋭角UD桁接合試験片を対象として，はく離試験と数値解析を実施する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2022年度の未使用額は43,000円程度であり，本研究を遂行するに当たり計画的に使用できた．未使用額は開発中のはく離試験用治具の加工費等に充てる．
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