CFRPの微視的損傷メカニズムを考慮した疲労損傷解析手法の構築と疲労寿命予測

考虑CFRP微观损伤机理的疲劳损伤分析方法构建及疲劳寿命预测

基本信息

批准号：
22K20400
负责人：
青木涼馬
金额：
$ 1.75万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，炭素繊維複合材料（CFRP）の長期運用時の健全性評価に向けて，CFRPの微視的損傷を考慮した疲労損傷モデルの構築及び解析手法の開発を目的としている．疲労負荷によって生じる微視的損傷の累積メカニズムを数値解析的に明らかにし，CFRP積層板の層内の巨視的なき裂が形成されるまでの微視的損傷を定量的に評価することを目指す．層内に累積する微視的損傷がCFRP積層板の疲労後残留剛性・残留強度と疲労寿命に与える影響を評価する．今年度は，CFRPのミクロスケール疲労損傷解析手法の構築に取り組んだ．まず，有限要素解析において，繊維・樹脂に加えて繊維/樹脂界面構造を考慮したモデルを作成した．本有限要素モデルでは，繊維配置のランダム性を考慮した．疲労損傷モデルとして，CFRP内の樹脂単体に損傷力学モデルに基づく疲労モデルを導入し，繊維/樹脂界面には結合力領域モデルによる疲労モデルを導入した．また，サイクルジャンプ法と呼ばれる計算コストを低減する疲労解析アルゴリズムを導入し，疲労解析手法を確立した．本アルゴリズムの導入により，計算コストを低減しつつ，巨視的なき裂形成に至るまでの損傷進展が十分な精度で予測できることを確認している．さらに，均質化手法によりCFRP積層板の１層での損傷量を定量的に評価する手法を確立した．本手法により，疲労負荷下におけるCFRP1層での損傷と疲労後の残留剛性を数値的に予測することが可能となり，残留強度評価に繋がることができた．現段階では，数値解析上で，疲労負荷下における微視的損傷の発生・進展と巨視的き裂形成過程が予測可能なことを確認している．今後は，層内の疲労き裂進展挙動の予測について，実験による損傷観察との比較をすることで妥当性検証を行う予定である．

这项研究旨在开发一种疲劳损伤模型和分析方法，该模型考虑了CFRP的微观损害，以准备长期运行期间碳纤维复合材料（CFRP）的健康评估。我们旨在从数值上阐明疲劳载荷引起的微观损伤的累积机制，并定量评估微观损伤，直到CFRP层压板层内形成宏观裂纹为止。我们评估了层内部显微镜损伤对疲劳后CFRP层压的残留刚度，强度和疲劳寿命的影响。今年，我们致力于为CFRP的微观疲劳损伤分析方法构建。首先，在有限元分析中，创建了一个模型，该模型还考虑了纤维/树脂界面结构以外的纤维/树脂。该有限元模型考虑了光纤排列的随机性。作为疲劳损伤模型，仅在CFRP中引入了基于损伤力学模型的疲劳模型，并将基于粘合力区域模型的疲劳模型引入了纤维/树脂界面。此外，已经引入了称为“周期跳跃方法”的疲劳分析算法，以降低计算成本，并建立了疲劳分析方法。通过引入该算法，我们已经证实，可以以足够的精度预测导致宏观裂纹形成的损伤进展，同时降低计算成本。此外，已经建立了一种使用均质化技术定量评估一层CFRP层压板损伤量的方法。该方法允许在疲劳负荷下在CFRP1层中疲劳后数值预测损伤和残留刚度，从而评估剩余强度。在此阶段，数值分析证实，可以预测微观损伤在疲劳载荷下的发生和进展，并且可以预测宏观裂纹形成过程。将来，我们计划通过将其与实验损伤观测值进行比较来验证层内疲劳裂纹生长行为的有效性。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Prediction of filled-hole tensile strength of CFRP laminates with various ply thicknesses

不同层厚的 CFRP 层压板的填充孔拉伸强度预测

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Ryoma Aoki;Ryo Higuchi;Tomohiro Yokozeki;Kazuyuki Aoki;Shigekazu Uchiyama;Toshio Ogasawara
通讯作者：
Toshio Ogasawara

Progressive damage and residual strength of open-hole thin-ply CFRP laminates under tensile fatigue loading

DOI：
10.1016/j.compstruct.2023.116973
发表时间：
2023-03
期刊：
Composite Structures
影响因子：
6.3
作者：
通讯作者：

CFRP積層板の板厚・積層比率が有孔引張強度・破壊特性に与える影響

CFRP层合板板厚和层压比对穿孔拉伸强度和断裂性能的影响

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Evans II Neal J.;Yang Yao-Lun;Green Joel D.;Zhao Bo;Di Francesco James;Lee Jeong-Eun;Jorgensen Jes K.;Choi Minho;Myers Philip C.;Mardones Diego;青木涼馬，樋口諒，横関智弘，青木一行，内山重和，小笠原俊夫
通讯作者：
青木涼馬，樋口諒，横関智弘，青木一行，内山重和，小笠原俊夫

FW製CFRP積層試験片の三点曲げ疲労損傷後の引張物性評価

FW CFRP层合板试件三点弯曲疲劳损伤后拉伸性能评价

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
渡邉健，青木涼馬，横関智弘;漆山雄太
通讯作者：
漆山雄太

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通讯作者：
音田昂志，大矢柚香，小鹿　一，大森　健，五十嵐康弘，伊藤幸成，中川　優