衝撃荷重下における3次元織物複合材料の力学解析と微視構造最適化

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縫合CFRP積層板の損傷進展をシミュレーションする有限要素解析モデルを確立した。本モデルでは、積層板の各層をMindlin板要素でモデル化し、各層を結合力要素で結びつけた。また、縫合糸をはり要素として組み込むことにより、縫合が層問はく離を架橋する効果をモデル化した。本研究では、平滑引張、円孔引張、面外低速衝撃の各荷重について、本モデルを用いた数値解析と、非破壊検査を用いた損傷観察を行った。実験と、数値解析から、平滑引張荷重下においては、縫合は面内き裂にはほとんど影響を与えない一方、自由端から発生する層間はく離を抑制することが明らかになった。また、円孔引張荷重下では、円孔から発生する層間はく離が縫合糸を回り込んで進展することが明らかになった。数値解析からこの原因は、層間はく離が縫合糸位置に到達した際、はく離を架橋している縫合糸のみが大きなき裂閉口力を発生するためであることを明らかにした。このため、円孔引張荷重下においては、縫合を円孔の近傍に施すことが重要であることを明らかにした。また、特に低速面外衝撃損傷については、縫合糸が面外衝撃損傷の面積を抑制するばかりでなく、損傷の板厚方向の分布が変化することを明らかにした。数値解析から、板厚方向分布の変化の原因は、縫合糸が板厚方向の裏面のめくれ上がり変形を強く抑制するためであることが明らかになった。さらに、縫合糸の剛性、縫合の密度を変化させ、面外衝撃損傷を調べることにより、損傷の抑制効果を高めるためには、縫合糸の剛性、縫合の密度が上げればよいことを明らかにした。また、縫合密度と縫合糸の剛性が矛盾する場合には、縫合密度を優先すべきであることを明らかにした。