先進複合材料を用いた航空機構造の強度信頼性評価のための数値解析手法の開発

先进复合材料飞机结构强度可靠性评估数值分析方法开发

• 批准号: 15J01426
• 负责人: 樋口 諒
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J01426/
• 关键词: 炭素繊維強化複合材料; 計算機援用仮想試験; 非線形有限要素法; マルチスケール解析; 拡張有限要素法; 初期損傷予測解析; 円孔材強度; 面外衝撃損傷; 円孔板引張解析; 面外負荷損傷解析

本研究では、航空機における型式証明のコスト低減を目的とした、複合材料航空機部材の計算機援用仮想試験へ向け、高精度かつ汎用性の高い数値解析手法開発に取り組んだ。特に、複合材料航空機構造の設計上の不確定要素となる、面外負荷時の内部損傷、微視構造に依存する初期損傷発生といった問題に着目し、下記のテーマに取り組んだ。(i)巨視的解析と微視的解析を組み合わせたスケール横断型の解析手法の構築(ii)巨視的解析への拡張有限要素法(XFEM)の導入これらを組み合わせることで、スケール横断型かつメッシュフリーにき裂予測が可能な新しい数値解析手法を実現した。昨年度までにスケール横断型解析手法の枠組みの構築、巨視的解析に適用するXFEMプログラム開発が終了したため、最終年度は開発ツールの検証に取り組んだ。具体的には、面内負荷試験、面外負荷試験を対象とした検証解析をあらゆる材料種で実施し、提案手法の従来手法に対する優位性を検証した。まずは面内負荷状態での解析精度検証として、炭素繊維強化複合材料の実用強度評価によく用いられる円孔材引張・圧縮試験、さらに面外負荷状態での検証として面外押し込み試験を航空機用途CFRPに対して実施し、各負荷条件での損傷進展過程を詳細に観察した。また、それぞれについて提案手法を用いた損傷進展解析、強度予測解析を実施した。両解析において、微視解析により得られた知見に基づいて改良した破壊モデルを導入した。解析結果はいずれの負荷条件においても実験結果と非常によく一致しており、提案手法の有用性が示された。パラメータの調整などを要することなく、様々な負荷条件で高精度な損傷・強度評価が可能であるという本成果により、将来的な「計算機援用仮想試験」の実現へ向け、一定の目途が立ったと考えられる。今年度、該当研究の研究成果は、国際誌３編、国際学会２件、国内学会２件にて発表済みである。

This study aims to reduce the cost of aircraft type certification. Computer application of composite aircraft components is an important tool for developing high-precision, versatile and high-value analytical methods. In particular, uncertainties in the design of composite aircraft structures, internal damage under out-of-plane loading, and early damage generation in Weishi app structures are discussed. (i)The analysis of macrovision and the construction of transverse analysis method for Weishi app (ii) The introduction of XFEM for macrovision analysis and the construction of new numerical analysis method. The last year's cross-section analysis method is applied to the construction of XFEM, and the final year's analysis is applied to the development of XFEM. Specific in-plane load test, out-of-plane load test, image analysis, material implementation, proposal method, and evaluation The analytical accuracy of in-plane load state is verified, and the in-service strength evaluation of carbon fiber reinforced composites is carried out in detail. The tensile and compressive tests of porous materials are carried out, and the out-of-plane load state is verified. The damage progress of CFRP for aircraft applications is observed in detail under various load conditions. The analysis of damage progress and intensity prediction are carried out in the application of the proposed method. The analysis of Weishi app is based on the improvement of micro-vision. The analytical results show that the load conditions are very consistent and the usefulness of the proposed method is demonstrated. For example, if the load condition is high, the damage intensity evaluation is possible, and the future "computer application test" is possible, the current direction and certain purpose are established. This year, the research results of this research are 3 international journals, 2 international societies and 2 domestic societies.

项目成果

National University of Singapore(Singapore)

新加坡国立大学（新加坡）

XFEMを用いた複合材料積層板の損傷進展解析

使用 XFEM 复合材料层压板的损伤进展分析

• 发表时间: 2016
• 作者: 樋口諒;岡部朋永;長嶋利夫
• 通讯作者: 長嶋利夫

ダブルファイバーフラグメンテーション試験を用いた一方向CF/エポキシ複合材料の繊維破断部近傍における応力集中係数の検討

双纤维断裂试验研究单向CF/环氧树脂复合材料纤维断裂附近的应力集中系数

• 发表时间: 2016
• 期刊: 日本複合材料学会誌
• 作者: 渡邉潤;田中文彦;樋口諒;松谷浩明;奥田治己;岡部朋永
• 通讯作者: 岡部朋永

XFEM/CZM Analysis for Progressive Damage and Failure in Fiber Reinforced Composite Laminates

纤维增强复合材料层压板渐进损伤和失效的 XFEM/CZM 分析

• 发表时间: 2016
• 作者: R. Higuchi;T. Okabe;K. Yoshioka;T. Nagashima
• 通讯作者: T. Nagashima

高速衝撃を受けるCFRP積層板の破壊に関する数値シミュレーション

CFRP层合板高速冲击断裂数值模拟

• 发表时间: 2015
• 作者: R. Higuchi;T. Okabe;K. Sakamoto;K. Yoshioka;A. Yoshimura;樋口諒，岡部朋永，吉村彰紀，吉岡健一
• 通讯作者: 樋口諒，岡部朋永，吉村彰紀，吉岡健一