2018 Fiscal Year Annual Research Report
熱力学的エントロピーの生成を損傷の指標としたCFRPの耐久性評価
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18J21099
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
佐藤 光桜 東京理科大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | CFRP / 長期耐久性 / 有限要素解析 / 耐熱樹脂 / 連続体損傷力学 / 粘弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，様々な負荷・温度環境を経験した場合の耐熱CFRPの高温耐久性を議論するため，一方向耐熱CFRPの横方向引張破壊に関する耐久性評価を研究の目的としている．CFRPの高温耐久性を議論するためには，CFRPの構成要素である繊維と母材樹脂の温度・時間依存力学特性の他に，繊維/樹脂間の界面の力学特性も把握が必要となる．本研究では界面および樹脂の力学特性を取得した上で，マイクロスケールの数値解析を実施して耐熱CFRPの破壊特性を予測し，実験にてその妥当性を検証するという手法をとる．
2018年度では，繊維，樹脂，界面から成るマイクロスケールの有限要素二次元モデルを作成し，様々なひずみ速度・温度における一方向CFRPの横方向引張破壊挙動の数値的予測をした．ここで，界面力学特性はマイクロドロップレット法にて取得した結果を用い，樹脂は弾塑性体，繊維は弾性体と仮定して数値解析を実施した．解析結果より，一方向CFRPの破壊様式は，低温・高ひずみ速度では界面はく離支配モード，高温・低ひずみ速度では母材樹脂損傷支配モードであることを示した．また，解析で得られた横方向引張破壊強度の比較検証のため，一方向耐熱CFRPの三点曲げ試験を実施した．三点曲げ試験の初期損傷部では横方向引張破壊が生じるため，これを比較対象とすることができる．実験の結果，温度・ひずみ速度に依存して曲げ強度は変化し，特に高温・低ひずみ速度領域の強度傾向は解析結果と一致した．上述の研究成果は国際学会2件および国内学会1件として報告した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初は，界面および樹脂の力学特性を取得した上で，マイクロスケールの数値解析モデルを作成し，解析モデル内に取得した材料特性を組み込む予定であった．しかし，樹脂の力学特性取得に関しては，応力緩和試験，クリープ試験などの長時間を要する実験に加え，母材樹脂構成則を開発する必要があるため，これを解析モデルへ実装することは予定より時間を要すると判断し，数値解析モデルの枠組み作成に取り掛かった．作成した有限要素解析モデルの界面特性には，マイクロドロップレット法とその有限要素解析により決定した値を用いた．ここで，界面力学特性の同定に関する成果は国際誌にて発表した．また母材樹脂特性は，広範囲のひずみ速度領域の破壊様式を予測するために時間温度換算則を適用している．これらの点が先行研究より優れた点であり，様々なひずみ速度・温度環境下におけるCFRPの破壊様式をより正確に捉えることができた．また，三点曲げ試験の結果と解析結果を比較することで，破断強度およびその挙動の妥当性を検証することができた．
樹脂の力学特性取得に関しては，母材樹脂供試体に対して，様々なひずみ速度での引張試験，クリープリカバリー試験，応力緩和試験を様々な温度環境下にて実施中である．これらの試験で得られた結果を利用し，様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を現在開発中である．また，提案モデルを汎用有限要素解析ソフトに組み込むために，これに関するノウハウを有するシンガポール国立大学の研究室へ留学し，その知見を得た．計画の一部変更により，当初予定していた母材樹脂の構成則開発には至らなかったが，本年度で得られた結果に基づき，次年度に達成予定である．
以上のことから，本研究課題はおおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度では，母材樹脂の粘弾粘塑性特性と損傷特性を取得するために，樹脂供試体に対してさまざまなひずみ速度での引張試験，クリープリカバリー試験，応力緩和試験，DMA（動的粘弾性）試験をさらに実施予定である．これらの特性を用いて，様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な母材樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を確立する．上述した実験結果との比較を繰り返すことで，提案モデルの妥当性を検証予定である．また，母材樹脂構成則の決定に伴い，エントロピー増大に基づく損傷則も随時確立していく．損傷則の決定に関しては，母材樹脂単体が様々な負荷を受ける際の損傷と破断において，樹脂単体に対して実施した実験結果と提案モデルを比較することで決定する．提案する構成則に関する成果を，国際会議1件にて発表を予定している．
さらに，上記の提案数理モデル（母材樹脂単体のエントロピー損傷を考慮した非線形粘弾粘塑性構成則）を汎用有限要素解析ソフトに組み込む．提案モデルを母材樹脂部分に導入した，耐熱CFRPの有限要素モデルにて，横方向引張破壊挙動の検証を実施予定である．その後，様々な温度・試験条件下，さらには様々な試験条件を組み合わせた試験（クリープ後引張試験条件など）にて数値解析を実施し，あらゆる温度・負荷履歴を考慮した一方向CFRPの残存強度を予測する．また，一方向耐熱CFRP供試体に対して，数値解析の負荷条件に準ずる検証試験を行い，一方向耐熱CFRPの高温耐久性を正確に評価する予定である．
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