複合材のクラッシング破壊解析ツールの構築と衝撃吸収メカニズムの解明

本研究では、粒子法の一つであるSPHに層間はく離モデル、繊維破断/座屈と層内き裂の損傷力学モデルを組み込むことでクラッシング破壊解析ツールを構築して衝撃エネルギー吸収メカニズムを調査し、CFRP製衝撃吸収材の設計指針の提案を目指している。2022年度は、CFRP積層板の層間はく離モデルをSPH法に適用した。提案した層間はく離モデルは、損傷発生基準に応力基準を、損傷進展でエネルギー基準を用いるFEMの解析手法として提案された結合力モデルを援用した。結合力モデルは、層間変位に応じて結合力を下げる。通常のSPHでは、粒子の重心位置で粒子の変位を計算するため、相対変位に粒子の変形を含み、層間の相対変位を直接計算できない。そこで、本研究では繊維配向が異なる層界面で隣接する粒子のペアを三次元積層板理論によって均質化し、層間粒子を構成した。この層間粒子を用いて相対変位を計算し、結合力を下げることで層間はく離の予測モデルを構築した。その後、損傷モデルを組み込んだSPH法の解析を用いてどの程度の精度でCFRPの有孔引張の損傷分布を予測できるかを検討するため、2023年度に実施予定であった繊維破断、繊維微視座屈、および層内き裂のモデルを開発したSPH法のコードへ組み込むまで一気に進め、CFRP積層板の有孔引張解析を行い、実験結果との比較を行った。荷重－変位曲線において、初期剛性、および引張強度は実験とよく再現できることを確認した。積層板の各層の層内き裂および層間はく離の分布は、やや実験結果を過大評価しているものの定性的に実験結果を予測可能であった。各損傷の過大評価の原因については、通常のSPH法で問題となる粒子が疎な領域(端面、円孔、はく離領域)での計算精度の悪化、角運動量保存則が保存されないことが原因であると考えている。これらの改善のために定式化されたCSPH法を導入することで改善を試みる。

本研究では、粒子法の一つであるSPHに層間はく離モデル、繊維破断/座屈と層内き裂の損傷力学モデルを組み込むことでクラッシング破壊解析ツールを構築して衝撃エネルギー吸収メカニズムを調査し、CFRP製衝撃吸収材の設計指針の提案を目指している。2022年度は、CFRP積層板の層間はく離モデルをSPH法に適用した。提案した層間はく離モデルは、損傷発生基準に応力基準を、損傷進展でエネルギー基準を用いるFEMの解析手法として提案された結合力モデルを援用した。結合力モデルは、層間変位に応じて結合力を下げる。通常のSPHでは、粒子の重心位置で粒子の変位を計算するため、相対変位に粒子の変形を含み、層間の相対変位を直接計算できない。そこで、本研究では繊維配向が異なる層界面で隣接する粒子のペアを三次元積層板理論によって均質化し、層間粒子を構成した。この層間粒子を用いて相対変位を計算し、結合力を下げることで層間はく離の予測モデルを構築した。その後、損傷モデルを組み込んだSPH法の解析を用いてどの程度の精度でCFRPの有孔引張の損傷分布を予測できるかを検討するため、2023年度に実施予定であった繊維破断、繊維微視座屈、および層内き裂のモデルを開発したSPH法のコードへ組み込むまで一気に進め、CFRP積層板の有孔引張解析を行い、実験結果との比較を行った。荷重－変位曲線において、初期剛性、および引張強度は実験とよく再現できることを確認した。積層板の各層の層内き裂および層間はく離の分布は、やや実験結果を過大評価しているものの定性的に実験結果を予測可能であった。各損傷の過大評価の原因については、通常のSPH法で問題となる粒子が疎な領域(端面、円孔、はく離領域)での計算精度の悪化、角運動量保存則が保存されないことが原因であると考えている。これらの改善のために定式化されたCSPH法を導入することで改善を試みる。