【研究領域課題番号】20K05113 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

３Dプリンタ / 複合材料 / 粒子法 / 複合材 / シミュレーション

【研究成果の概要】

令和二年度において，当初予定であった事項を修正して，短繊維を含んだ複合材フィラメントの３Dプリントの二次元印刷プロセスがMoving Particle Semi-implicit (MPS)法でシミュレーションできるようになり，実験と比較して９０％以上の形状類似性が得られた。
令和三年度では，これを三次元に拡張することを目的として研究を遂行した。三次元へのMPS法シミュレーション手法の拡張そのものは容易であった。アルゴリズム的には既に３次元用にされていたものを二次元で実施していただけである。しかし，３次元シミュレーションを実施するに当たり，シミュレーションモデルの構築が重大な問題となった，これは，ノズル形状やフィラメント形状などの円形の複雑形状を，六方格子の格子点上に正確に配置しないと，MPS法では，ごくわずかな粒子間距離の変動が圧力変動になり，その不規則な点で過剰な圧力変動が発生して粒子が飛び出す現象が発生してしまうためである．三次元のノズルやフィラメントであるが故に修正に一年を有した．特にノズル形状の修正は非常に手間のかかる作業であった．三次元解析は時間がかかるため，修正の有効性を判断する作業も数週間を要するものであった．
修正後に解析を実施したところ，アルゴリズムそのものはそのまま適用が可能である事を確認した。MPS法の解析には二週間の程度が必要であった．さらに，実験値と比較した結果，断面形状は９０％以上の類似性を有しており，３次元解析手法も有効であることを確認した。今後は溶融シミュレーションをインプリメントしていく予定である．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】複合材料・表界面工学

【研究領域課題番号】17F17707 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 力学特性 / シミュレーション / composite material

【研究成果の概要】

炭素繊維強化プラスチックス（CFRP）は既に航空機等で実用化され、特にその優れた軽量特性が知られているが、その世界需要は年間10万トン程度であり、世界で年間1億台生産されている量産車を軽量化して温暖化対策に寄与したり電気自動車化を加速させるには量産性（年産10万トン→数千万トン）・低コスト性（10000円/kg→1000円/kg）・リサイクル性・複雑形状成形性など解決すべき課題が多い。
研究室では長年このテーマに取り組んできて、不連続炭素繊維テープ強化熱可塑性樹脂（CTT）を一つの解決策として提案している。Peng QU博士はCTTの特性の一つであるテープ長が弾性率と強度に及ぼす影響をPD理論により説明する取り組みを行った。具体的には、研究室保有の原料と製造装置を用いてテープ長やテープ厚の異なる種々のCTTを作成して破壊試験を行い、当初の目的である弾性率・強度のテープ長依存性を明らかにするとともに、その破壊プロセスをPD理論で説明した。
2017年4月に来日して着実に成果をあげ、その結果を国内と国外の学会で発表し、成果の一部は既に当該分野の著名雑誌（Composite Structures, Impact factor 4.101）に掲載され、続報も執筆中であり、2年間の滞在での成果としては優れたものと評価できる。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2017-10-13 - 2019-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】16H02424 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

構造・材料 / 複合材料 / 雷撃 / 導電性高分子 / ポリアニリン / カーボンナノチューブ / シミュレーション / 航空宇宙工学 / 数値シミュレーション / 航空機 / 損傷 / 電気伝導度 / 損傷解析 / 機械材料・材料力学 / 高分子

【研究成果の概要】

航空機の複合材構造において、雷撃時の構造安全性を担保することは必須である。そこで本研究では、力学特性、耐熱性、成形性等を維持しつつ、導電性を制御可能な航空機構造用CFRPの創出と雷撃損傷挙動の解明を目的とした。その結果、ポリアニリン（PANI）系導電性樹脂および配向カーボンナノチューブ（CNT）を適用することでCFRPの導電性制御を実現できることを実証した。また、導電性を制御したCFRPに対して模擬雷撃試験による電撃損傷挙動の実験的評価を行うとともに、電気伝導・熱伝導・力学挙動を連成した数値解析を実施することによって、CFRPの導電性と電撃損傷との関係を実験的・解析的に解明した。

【研究の社会的意義】

近年、CFRPは比強度・比剛性に優れた構造材料として航空宇宙分野、輸送機器、一般産業分野への適用が拡大している。本研究では、ポリアニリン系導電性樹脂や配向カーボンナノチューブの適用という新しい観点からの技術によりCFRPに対して「導電性制御」という機能の付与を実現したもので学術的な意義は高い。また、耐雷性向上や電磁シールド性・損傷センシング機能の付与など、CFRPの多機能化への応用が可能となったことから社会的な意義も大きい。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】09750116 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / メゾ構造 / 深絞り / シュミレーション / 均質化法 / 幾何学的非線形 / 発泡体 / 編物複合材料 / シミュレーション

【研究成果の概要】

メゾ構造を「さらにミクロな基本構造を含む複合構造」と定義し,編物複合材料の繊維束に注目したメゾ構造モデルを作成した.切欠付き平板およびリブ付きパネルの階層モデリング手法に基づく応力解析を行い,提案するメゾ的見地に立ったシミュレーション技法の妥当性を検証した.メゾ構造中に生じる応力の評価において,高い解析精度が得られることが確かめられた.ここで用いた有限要素重ね合わせ法をさらに発展させ,周期的不均質性を有する問題のみならず,局所的不均質性がある問題への拡張を行った.
次に,深絞り成形プロセスの高速シミュレーション技法について,編物複合材料を自作し,深絞り成形の実験を行い,メゾ構造の変形状態の観察を行った.シミュレーションで想定したメゾ構造の大変形が実際に生じていることが確認できた.一方では,熱可塑性樹脂の一つであるポリプロピレンを用いていることから,素材の特性の温度依存性や,深絞りのパンチとの接触による温度変化(冷却)による影響などが無視できないことがわかった.
上記の実験より,大変形後も局所的には周期的メゾ構造が観察されたことから,均質化法の大変形問題の適用についても研究を行った.メゾ構造における大変形に起因する非線形性とマクロ特性との相関をより厳密に記述するために,均質化法を大変形問題に適用するための理論構築を行った.特にメゾ構造の変形更新を厳密に記述することができた.これにより,メゾ-マクロ連成の非線形シミュレーションにおけるメゾ解析の簡易化と計算コスト(特に必要になるメモリ)の削減を実現することができ,複雑なメゾ構造のシミュレーションを可能にした.
以上の研究成果は,学術講演査における発表を行い,論文を執筆し投稿中である.

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】06555291 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 微視的損傷 / 微小細線 / 層間変形 / 層間剥離 / き裂 / 超音波顕微鏡 / フォトリソグラフィ / シミュレーション

【研究成果の概要】

本研究では,耐熱高分子をマトリックスとする繊維強化複合材料の,最も基本的な積層構成である0°/90°層からなるクロスプライ(直交)積層板を用い,(1)90°層内の初期マトリックスクラック発生,(2)マルティプルマトリックスクラック発生,(3)マトリックスクラック端部からの層間剥離発生,の各段階におけるミクロの変形・破壊プロセスを.負荷装置を付加した光学顕微鏡(OM),走査型電子顕微鏡(SEM)および走査型超音波顕微鏡(SAM)を用いる負荷中のその場観察により定量的に明らかにし,マイクロメカニクスの理論解析の実験的検証を行うことを目的とした.本年度は特に疲労負荷下での評価を中心に行った.
1.実験材料としては,標準材としての180℃硬化従来型エポキシ樹脂(TGDDM/DDS系),およびそれを高靭化したものをマトリックスとするカーボン繊維強化複合材料とした.積層構成としては,基本的なクロスプライ[0/90n/0](n=4,8,12)を用いた.また,層間剥離発生を抑制する目的で,層間に樹脂層を導入した積層板を製作し,損傷プロセスに与える効果を明らかにした.
2.室温における負荷中OM,SEMまたはSAM内のその場観察装置を用いて,(1)90°層内の初期マトリックスクラック発生,(2)マルティプルマトリックスクラック派生,(3)マトリックスクラック端部からの層間剥離発生,の各段階におけるミクロな変形・破壊プロセスを各負荷段階でその場観察した.
3.微小細線を試験片端面に印刷し,SEMその場観察により層間の微視的変形・損傷を定量的に明らかにした.
4.繰り返し疲労負荷下における損傷プロセスをレプリカ法により観察し,単調準静的負荷下での挙動との相違を明らかにし、その定式化に成功した.

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】10,300千円 (直接経費: 10,300千円)