繊維強化プラスチックの損傷力学的評価とヘルスモニタリング技術開発

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電気抵抗変化によるヘルスモニタリング炭素繊維強化複合材料においては繊維が導電性を有するため、その破断は電気抵抗変化の形でモニタリングすることが可能である。そこで、数値解析および損傷力学モデルを併用することで、引張荷重下の損傷のモニタリングを試みた。特に材料内部の繊維の状況を等価電気回路に置き換えた数値解析手法は世界でも類を見ないものである。実験結果は予測結果と良く一致しており、有効なヘルスモニタリング手法であることが示された。損傷力学モデリング複合材内部に発生するき裂が引き起こす剛性の低下を、損傷力学モデルによって評価した。このとき、従来では損傷テンソルの導出が曖昧であり、得られた結果を現象と結びつけることが出来なかった。そこで、き裂近傍の変位場を解析的に解くことによって、損傷テンソルの導出を行った。数多くの先行研究における実験結果と比較検討を行ったところ、様々な積層構成を有する積層板に適用が可能であることがわかり、妥当な結果を得ることが出来た。また、この定式化を利用した有限要素法による数値破壊シミュレーションを確立した。ラム波を用いたヘルスモニタリング近年、注目を集めているラム波を用いたヘルスモニタリングを先に述べた損傷力学を利用することで行った。複合材中を伝播する波の速度は損傷量が増えるにつれ低下し、解析結果は実験結果と良く一致した。また、この技術をもとに、機械的ひずみの増大に伴う剛性の上昇を加味した新しいヘルスモニタリング手法を確立した。