| 研究課題/領域番号 |
25289007
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
倉敷 哲生 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 招へい准教授 (30294028)
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| 研究分担者 |
中西 康雅 三重大学, 教育学部, 准教授 (00378283)
宮坂 史和 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80304012)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | マルチスケール解析 / 複合材料 / 有限要素法 / 粒子法 / 樹脂流動 / 減衰特性 / 信頼性評価 |
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| 研究実績の概要 |
エネルギー問題の深刻化を受け，燃料電池自動車および水素ステーションが着目されている．従来の鋼製容器による輸送方式に替わり，高強度，軽量性に優れる炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用いた水素蓄圧複合容器が望まれるが，複雑な繊維束の交錯形状に起因し十分な強度が発現できない点が指摘されている．そこで，水素蓄圧複合容器の設計・評価手法の開発を目的に，粒子法に基づく成形時のミクロ構造の樹脂流動解析手法の構築と，マルチスケール解析技術による炭素繊維のメゾ構造の強度特性評価・減衰特性評価を実施した．
粒子法によるミクロ構造の樹脂流動解析手法の構築に関して，樹脂と繊維の相互干渉を表現可能なモデルの構築を進めている．樹脂中に分散した短繊維が，周囲の樹脂の流れに対してどの様な挙動を示すのか，シミュレーションによる予測を行った．その結果，短繊維の存在が周囲の樹脂の圧力分布に影響を与え，さらにその圧力分布の変化によって短繊維自身も様々な挙動を示すことが予想された．今後は本年度の結果の妥当性を検証するために実験結果との比較を行う．
また，開繊織物複合材料の振動減衰シミュレーションを実現するため，材料の振動減衰シミュレーションへのマルチスケール解析技術の適用可能性について検討した．昨年度開発したマルチスケール振動解析プログラムを一方向繊維強化複合材料に適用し，振動試験結果と比較することでその有効性を検証した．その結果，固有振動数，モード減衰比ともに数値シミュレーションにおいて十分な精度を有していることを確認できた．次に，平織CFRP材にも適用し，一般的な有限要素解析モデルとの比較を行い，その精度について検討した．
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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
粒子法による樹脂流動解析手法について，最終的には，三次元的な繊維配置が樹脂流動に与える影響を予測可能なモデルの構築を目指している．現状は流体（樹脂）と障害物（繊維）の相互作用を考慮に入れた段階である．今年度は前年度から引き続き上記相互作用の検証を行っている状態であり、繊維の存在が樹脂流動に少なからず影響を及ぼす事を確認した．次の段階として，実際の成形過程を模擬するために，樹脂の粘性の温度依存性を考慮に入れたモデルへの発展を検討する．さらに，簡易小規模実験を行い，開発したモデルの妥当性を検証する環境を整える必要がある．
また，一方向繊維強化複合材としてのミクロ構造の不確定性を考慮した強度評価手法の構築を行った．ミクロ破壊を効率良く評価すべく，傾斜周期境界条件を用いて繊維垂直方向強度を評価し得るミクロ構造モデルを構築し，繊維間隔や負荷方向との角度が強度に及ぼす影響を評価した．さらに，メゾ構造モデリング手法について，メゾ構造の繊維束と樹脂を別々にモデル化し，同一スケールで重ね合わせて同時に解くマルチスケール解析手法を開発し，精度検証を行った．
また，マルチスケール解析の概念を振動減衰モデルに適用し，定式化するとともに解析プログラムを構築することができた．そして一方向繊維強化複合材料を対象に，解析プログラムの精度検証を行い，その有効性を明らかにすることができた．さらに，織物複合材料の繊維強化構造を簡便にモデル化することも可能となり，プリプロセス段階のモデリング作業を軽減可能とすることができた．
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| 今後の研究の推進方策 |
粒子法による樹脂流動解析については，今後もこのまま粒子法によるモデルの改良を重ねていく．一方で構築した計算モデルの妥当性を検証する必要がある．モデル検証においては、モデル中の検証ポイントの切り分けを行い，個々のポイントを検証可能な実験を行う必要がある．まずは，樹脂そのものの挙動シミュレーションが妥当なものであるのかを検証するため，早急に樹脂物性の温度依存性を考慮に入れたモデルの開発を進める．その上で，単純な実験結果との比較検討を行い，開発モデルの基礎的な保証を確認する．その後に樹脂中の繊維の挙動，逆に繊維間の樹脂の流動に関する定量的な実験検証が必要になるが，かなりミクロなレベルでの計測が必要な事，樹脂流動そのものを観察する必要があるため，実験環境の構築には注意が必要である．
マルチスケール解析プログラムを開発し，織物複合材料を対象に振動試験結果との比較により精度検証を行う．また，マルチスケール法により織物複合材料の振動減衰メカニズムを検討する．具体的には，繊維強化形態や材料異方性との関係から消散ひずみエネルギ分布をもとにして調査する．
また，これまでの評価手法に基づき，ミクロ構造の不確定性を考慮した強度評価手法の展開を図る．特に，ミクロ破壊の評価指標となる破壊包絡線の評価を効率良く行う．メゾ構造モデリング手法については，メゾ構造の繊維束と樹脂を別々にモデル化し，同一スケールで重ね合わせて同時に解く独自のマルチスケール解析手法を展開する．さらに，上記の手法を基に，繊維の巻き角度，積層構成，口金の形状等の設計パラメータを変えた場合の複合容器のマクロ構造モデルを作成し，力学的特性評価を実施する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初の研究計画の予定通り研究は進んでいる．これらの成果について広く国内外で学会発表を行うとともに，関連研究者との意見交換を進め，アドバイスを頂きながら研究を推進していくことを計画している．当該年度での学会発表の申し込みに間に合わなかったため，次年度の研究費として使用し，学会発表を行う．
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| 次年度使用額の使用計画 |
主たる使用計画の内容は旅費（国際会議参加費）である．ICCM-20（第20回国際複合材料国際会議）やTexComp 2015 symposiumなどにおいて学会発表を行う予定である．
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