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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20400/
• 关键词: 炭素繊維強化複合材料; 疲労負荷; 微視的損傷進展; 有限要素解析; 残留強度評価; 炭素繊維複合材料; 疲労損傷進展; 微視的損傷; 疲労寿命

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．

In this paper, the purpose of this study is to evaluate the soundness of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) under long-term application. The Weishi app damage of CFRP is considered. The cumulative damage of micro-visual damage caused by fatigue load is analyzed numerically, and the macro-visual damage in CFRP laminates is evaluated quantitatively. Weishi app damage accumulated in layers, residual stiffness, residual strength and fatigue life of CFRP laminates. This year, CFRP is the best choice for the construction of fatigue damage analysis methods. The finite element analysis is carried out to consider the interface structure of the polymer/resin. This finite element model is based on the consideration of the property of the dimensional configuration. Fatigue damage detection is performed by introducing fatigue damage detection parameters into the resin unit in CFRP and the bonding force field at the fiber/resin interface. The method of calculation is to reduce the fatigue analysis and establish the fatigue analysis method. This article introduces the introduction of the system, calculates the calculation of the time, reduces the time, and greatly inspects the damage progress from the crack formation to the prediction with great accuracy. In addition, the homogenization method is used to quantitatively evaluate the damage of CFRP laminates. This method can be used to predict the residual stiffness of CFRP under fatigue load. At the present stage, the damage initiation and development of Weishi app under fatigue load and the crack formation process of macrovision are predicted and confirmed. In the future, the prediction of fatigue crack progress in the layer will be carried out, and the comparison of damage detection will be carried out.

项目成果

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

• 发表时间: 2023
• 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

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

• 发表时间: 2023
• 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

• 发表时间: 2023
• 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