マルチスケール解析による複合材料製航空機構造の長期耐久性評価に関する研究

多尺度分析复合材料飞机结构长期耐久性评价研究

基本信息

批准号：
17J02004
负责人：
熊谷裕太
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究で対象とする炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、金属材料と比較して高い比強度・比剛性を有するため、金属材料と同等の強度を軽量な構造で実現することができる。しかしながら、CFRPが金属材料にはない特徴的な階層構造を有するため、構造健全性の評価は容易ではない。そこで本研究では、CFRPの母材樹脂の分子構造、繊維直径オーダの微視的材料構造および構造部材オーダでの巨視的変形場を考慮したマルチスケール解析による構造健全性評価手法の構築を目指した研究を行った。2019年度は、構造健全性の評価尺度のうち構造材料の強度と部材成形時の形状精度に焦点を当て、(1) CFRP積層板のマトリクスクラック発生予測のための2スケール解析手法の検証、(2) CFRP製構造部材製造時に生じる残留変形予測へ向けた3スケール解析手法の構築と妥当性評価、を行った。(1)では、2018年度までに構築した繊維直径と積層板のスケールでの有限要素解析からなる2スケール解析コードの検証のため、積層板の引張負荷下でのき裂の発生を実験的に評価し、実験と数値解析の比較により解析コードを検証した。その結果、本研究の2スケール解析コードは積層板90°層の自由端層間付近で発生する初期き裂と自由端厚さにわたって連結した自由端き裂を精度よく予測できることが示された。(2)では、2018年度に構築した分子動力学法による母材樹脂の硬化プロセス中の特性予測手法を繊維直径と積層板のスケールでの有限要素解析と組み合わせた3スケール解析コードを構築し、CFRP製構造部材の成形時残留変形の予測と実験との比較による妥当性評価を行った。その結果、構築した解析コードは積層板の成形時残留変形を定性的に予測可能であり、特に設計初期の母材樹脂選択において有用なツールとなり得ることが示された。2019年度の当該研究の成果は、国際誌1報として報告した。

本研究中针对的碳纤维增强塑料（CFRP）比金属材料具有更高的特异性强度和刚性，因此可以达到与具有轻质结构的金属材料相同的强度。但是，由于CFRP具有金属材料没有的特征性层次结构，因此评估结构完整性并不容易。因此，在这项研究中，我们进行了研究，旨在使用多尺度分析来构建结构完整性评估方法，这些分析考虑了CFRP碱基材料树脂的分子结构，纤维直径顺序上的微观材料结构以及在结构成员的顺序上的宏观变形场。在2019财年中，我们重点关注结构材料的强度和形状准确性，在结构完整性量表中，以及（1）验证了一种两尺度分析方法，用于预测CFRP层压板中矩阵裂纹的发生，以及（2）构建并验证了用于预测持续型构造Cfrp的三尺度分析方法，并验证了构建和验证的分析方法。在（1）中，为了验证由纤维直径和在2018财政年度建立的纤维直径和层压尺度组成的两尺度分析代码，实验评估了拉伸负载下的裂纹发生，并通过比较实验和数值分析来验证分析法。结果表明，本研究的两尺度分析代码可以准确预测层压板90°层的自由端层附近发生的初始裂纹，并在自由端厚度上连接的自由端裂纹。在（2）中，我们构建了一个3级分析代码，该代码在基础材料树脂的固化过程中使用2018年在2018年构建的分子动力学方法结合了特征预测方法，并在纤维直径和层压板的规模上构建了有限的元素分析，并通过在与其进行成型和比较实验的过程中评估了CFRP结构成员的剩余变形的有效性。结果表明，构造的分析代码可以定性地预测成型过程中层压板的残余变形，并且可以是一个有用的工具，尤其是在早期设计基础材料树脂选择中。 2019年的研究结果在第一篇国际杂志上报道了。