2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of carbon fiber reinforced thermoplastic with arbitrary shaped fibers
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17K06219
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
本田 真也 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90548190)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱可塑性複合材 / プレス成形 / 深絞り成形 / 曲線状繊維 / トポロジー最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度までに，以下の技術を開発した．（1）ファイバー縫付機（TFP；Tailored Fiber Placement）により，炭素繊維束（CFトウ）を熱可塑性シート基材に直接縫い付け，加熱プレスにより基材部をCFトウ内に含浸することで，TFP技術を用いた強化熱可塑性積層複合材の簡易的な作製技術．（2）作製した熱可塑性複合材の熱間深絞り後の形状に有用に働くように，予め熱可塑性積層板にTFP装置により部分的に強化繊維を配置し，局所的に強化された三次元部材を成形する技術．
本年度は，まず，チャネル型のストリンガーを模したコの字断面を持つ熱可塑性炭素繊維複合材部材を深絞り成形により作製し，4点曲げ試験により荷重変位曲線を取得した．この結果，作製した部材の4点曲げ試験を有限要素法（FEM； Finite Element Method）を使用した数値解析により再現可能であることを確認した．そのため，数値解析を用いた効果的な三次元部材の設計方法の開発を目指し，効率的な部分強化形状を探索するために，位相設計が可能なトポロジー最適化を適用した．4点曲げ試験シミュレーションを行った有限要素モデルに最大体積を元の形状の20 %以上となるように制約条件を課したトポロジー最適化を行い，4点曲げを再現した境界条件に対し最適な形状を求めた．最適形状を元のモデルの背面に積層し，再度4点曲げ試験シミュレーションを行った結果，元の形状よりも大幅に剛性が向上することがわかった．また，一般的な強化形状を持つモデル比較したところ，最適化を行った形状の方が高い剛性を示し，本最適化手法の有用性を確認した．
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