Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

複合材料 / 積層板 / 層間剥離 / 圧縮座屈 / 熱荷重

繊維強化複合材料積層板では,一般に板厚方向には繊維が配向されていないため,層間の剥離が生じ易い.耐熱材料を兼ねる積層板構造の場合,この層間剥離の存在は積層板内の板厚方向の熱伝導を妨げ,局所的な熱集中による予想外の熱変形や強度低下を招く恐れがある.本研究はこの点を念頭に置き,層間剥離を有する積層板の熱変形挙動を調べることを目的とした.
最初に,熱荷重による積層板の挙動を材料の等方性を仮定して理論的に解析し,さらに積層板を異方性材料に拡張することでより現実的な解析に近づけた.解析では,圧縮座屈時の座屈波形を用いて,圧縮荷重と熱荷重が同時に加わった際の座屈後の変形の解析解を求め,さらにこの結果を用いて剥離進展時のエネルギー解放率を計算した.その結果,熱荷重が加わった状態での圧縮座屈後の変形は,熱荷重無しの場合に比べて,極めて大きな変形となり,耐熱構造では熱荷重を考慮することが重要であることがわかった.また,エネルギー解放率は,熱荷重と力学的荷重の組み合わせ方によって,複雑な傾向を示すことも明らかになった.
また,解析による予測を確かめるため,実験にも取り組んだ.剥離を模擬したアルミ合金製の接着板を実験に供し,その熱変形挙動を計測することを試みた.実際の運用条件を考慮し,熱荷重とともに力学的荷重も同時に加える機構を作って組み合わせ作用下での挙動について実験した.この装置では点熱源を用いたため,一様な熱荷重を負荷することが極めて困難で,再現性のあるデータは得られなかった.今後は,熱源を改良した装置によって信頼性の高いデータの取得を目指す予定である.

複合材料 / 積層板 / 準3次元問題 / 層間はく離 / 曲面板 / ホログラフィ

航空宇宙分野で利用される複合材料の積層構造において、荷重を受ける曲面部は接手や補強材など多く存在する。特に、厳しい熱環境に曝される宇宙往還機への局所的利用が予想される炭素繊維強化炭素(C/C)複合材料では、主構造への取付部においてこうした構造要素は不可欠であり、その強度特性の把握は超耐熱構造システム実現のための重要な技術課題である。本研究では、この様な視点に立ってまず積層曲面板の解析に適した有限要素法の開発を行うと共に、実験における破損の観察手法の確立を目指した。
有限要素解析においては、曲面板を扱う場合に変形が幅方向に捩りやせん断を伴うことが多いことを考慮して、従来の準3次元有限要素法を一般化した問題に対して有限要素法の定式化を行い、解析プログラムを作成した。これによって本来3次元領域でモデル化を必要とする場合でも2次元領域のモデル化で代用できるようになり、計算時間等の節約が可能になった。また、曲面板のより簡便な近似解析法も検討した。実験手法の確立においては、積層板内の損傷を積層板の変形から予測することを目的として、レーザホログラフィ干渉法を使った引張および曲げ変形測定の基礎研究を行った。高分子系複合材料積層平板による予備実験では、曲面板の主要な破壊様式である層間剥離について、剥離領域が比較的大きい場合にはその剥離域を特定できることがわかった。この場合の変形は、数値解析による予測と定性的には良い一致を見た。

【研究分担者】
久保智朗	東京大学	工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)