複合材料の破壊過程における多数の損傷間の力学的相互作用(多体問題)の近似解法

複合材料の変形・破壊過程では,繊維やマトリックスの破断,界面剥離などの損傷が空間的にばらついて生じ,お互いに相互作用しながら,次に起こる損傷の種類と空間位置を決める。相互作用は新しい損傷が生じる毎に刻々と変化し,損傷の形成集積過程を律し,材料特性を決定する。このような破壊過程を律する多数の損傷間の相互作用(多体問題)を厳密に解くことは数学的に不可能である。本研究では,この問題を近似的に解くことを試みた。まず実験では,SiCで強化したTiAl金属間化合物およびSiC繊維で強化したSiCの2つの複合材料をモデル材として用い,応力負荷装置を組み込んだSEMで繊維・マトリックス破壊,界面剥離をはじめとする損傷の発生,進展,集積および損傷間の相互作用観察を行なった。その結果,破壊過程で刻々とその数を増し空間分布も刻々変わる損傷の集積過程を実験的に把握できた。これらの結果をフィードバックしてシェアラグアナリシス法,有限要素法,およびモンテカルロシミュレーション法を組み合わせた損傷集積過程近似記述法を開発した。開発した手法を用いて複合材料の破壊過程のシミュレーションを行なって,損傷が材料内各所で生じ,お互いに影響を及ぼし合いながら,負荷歪の増加と共にその数を増し,材料全体の破壊へとつながっていく過程と,その結果あらわれる材料全体としての応力-歪曲線,強度,破壊形態などをほぼ適切に表現できることを確認した。

複合材料の変形・破壊過程では,繊維やマトリックスの破断,界面剥離などの損傷が空間的にばらついて生じ,お互いに相互作用しながら,次に起こる損傷の種類と空間位置を決める。相互作用は新しい損傷が生じる毎に刻々と変化し,損傷の形成集積過程を律し,材料特性を決定する。このような破壊過程を律する多数の損傷間の相互作用(多体問題)を厳密に解くことは数学的に不可能である。本研究では,この問題を近似的に解くことを試みた。まず実験では,SiCで強化したTiAl金属間化合物およびSiC繊維で強化したSiCの2つの複合材料をモデル材として用い,応力負荷装置を組み込んだSEMで繊維・マトリックス破壊,界面剥離をはじめとする損傷の発生,進展,集積および損傷間の相互作用観察を行なった。その結果,破壊過程で刻々とその数を増し空間分布も刻々変わる損傷の集積過程を実験的に把握できた。これらの結果をフィードバックしてシェアラグアナリシス法,有限要素法,およびモンテカルロシミュレーション法を組み合わせた損傷集積過程近似記述法を開発した。開発した手法を用いて複合材料の破壊過程のシミュレーションを行なって,損傷が材料内各所で生じ,お互いに影響を及ぼし合いながら,負荷歪の増加と共にその数を増し,材料全体の破壊へとつながっていく過程と,その結果あらわれる材料全体としての応力-歪曲線,強度,破壊形態などをほぼ適切に表現できることを確認した。