母材樹脂のメゾ構造を考慮したCFRPの変形・破壊マルチスケールモデリング

量子化学計算，分子動力学法，有限要素法を連携し，CFRPの成型時のそり変形を予測するマルチスケールモデリング手法を構築した．本手法ではGRRM（global reaction route mapping）によって熱硬化性樹脂の反応特性（活性化エネルギーと生成熱）を取得し，それを用いて内製pythonコードと汎用分子動力学シミューターLAMMPSを組み合わせた反応分子動力学シミュレーションを実施し，硬化樹脂モデルを作成した．得られた硬化樹脂モデルに対して，1軸引張シミュレーションによって樹脂剛性，昇温・冷却シミュレーションによって線膨張係数を取得し，反応前後の樹脂体積から硬化収縮率を取得する．これら樹脂物性と既知の繊維物性を用いて内製コードによる周期セル有限要素法を行い，複合材としての均質化された剛性，線膨張係数，硬化収縮ひずみを計算する．最後に得られた均質化複合材物性を積層板をモデル化したマクロ有限要素法に適用し，CFRP積層板のそり変形を予測した．比較検証のために，航空機グレードのCFRPプリプレグを用いた成形実験を行った．本研究ではクロスプライ・非対称積層を想定しており，成形実験では試験片サイズに応じた変形形状の遷移が見られ，小さい試験片では鞍型に，大きい試験片では円筒型に変形した．マルチスケールモデリングによって予測されたそり変形量および変形形状は検証実験とよく一致しており，マルチスケールモデリングの妥当性が確認された．このような原子・分子スケールから積層板スケールまでを連結した変形解析は類を見ない研究であり，多分野（高分子化学，構造力学，製造分野等）にまたがったCFRPの成形時変形問題を包括的に議論・理解できる手法である．

量子化学計算，分子動力学法，有限要素法を連携し，CFRPの成型時のそり変形を予測するマルチスケールモデリング手法を構築した．本手法ではGRRM（global reaction route mapping）によって熱硬化性樹脂の反応特性（活性化エネルギーと生成熱）を取得し，それを用いて内製pythonコードと汎用分子動力学シミューターLAMMPSを組み合わせた反応分子動力学シミュレーションを実施し，硬化樹脂モデルを作成した．得られた硬化樹脂モデルに対して，1軸引張シミュレーションによって樹脂剛性，昇温・冷却シミュレーションによって線膨張係数を取得し，反応前後の樹脂体積から硬化収縮率を取得する．これら樹脂物性と既知の繊維物性を用いて内製コードによる周期セル有限要素法を行い，複合材としての均質化された剛性，線膨張係数，硬化収縮ひずみを計算する．最後に得られた均質化複合材物性を積層板をモデル化したマクロ有限要素法に適用し，CFRP積層板のそり変形を予測した．比較検証のために，航空機グレードのCFRPプリプレグを用いた成形実験を行った．本研究ではクロスプライ・非対称積層を想定しており，成形実験では試験片サイズに応じた変形形状の遷移が見られ，小さい試験片では鞍型に，大きい試験片では円筒型に変形した．マルチスケールモデリングによって予測されたそり変形量および変形形状は検証実験とよく一致しており，マルチスケールモデリングの妥当性が確認された．このような原子・分子スケールから積層板スケールまでを連結した変形解析は類を見ない研究であり，多分野（高分子化学，構造力学，製造分野等）にまたがったCFRPの成形時変形問題を包括的に議論・理解できる手法である．