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．

The purpose of this study is to evaluate the long-term soundness of carbon dimensional composites (CFRP), CFR P's microscopic damage is considered and the purpose of the construction and analysis of the damage is the same. Fatigue load, microscopic damage accumulation, numerical analysis, CFRP product The formation of large-scale cracks within the laminate layer and the formation of micro-visual damage can be quantitatively evaluated. Evaluation of residual rigidity, residual strength, and fatigue life of CFRP laminates after microscopic damage accumulated in the layers and their effects. This year, the construction of CFRP's fatigue damage analysis method was carried out.まず, finite element analysis において, 繊dimensional・Resin にplus えて繊dimensional/resin interface structure をConsideration したモデルを Created した. This limited element is a limited element, and the properties of the 1-dimensional configuration are considered. Fatigue damage, damage mechanics of the resin unit in CFRP, fatigue damageルを Import し, 繊dimensional/resin interface には bonding force field モデルによる fatigue 銴モデルを Import した.また，サイクルジャンプ法と氰れるcalculationコストをloweringする fatigue 労analytic アルゴリズムをimportし， fatigue 銴analytic technique をestablishmentした． This アルゴリズムの imports により, calculates コストを reduces the しつつ, and the giant visual なき crack shape The progression of the damage to the target is predicted with a very high accuracy, and the damage progress is predicted and confirmed.さらに, homogenization technique によりCFRP laminate 1 layer damage amount を quantitative に evaluation 価 する technique を established した. This technique is used to achieve damage to the CFRP1 layer under fatigue load and residual rigidity after fatigue. The prediction of the numerical value is possible, and the residual strength evaluation is based on the prediction. At this stage, numerical analysis has been done, and it is possible to predict the occurrence and progress of microscopic damage under fatigue load and the formation process of macroscopic cracks, and it is possible to confirm it. In the future, the progress of cracks in the layer will be predicted and predicted, and the damage will be monitored and compared, and the appropriateness will be verified and confirmed.

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