十字型一方向複合材料試験片の桁接合強度評価法の確立

十字形单向复合材料试件梁节点强度评价方法的建立

基本信息

批准号：
21K03760
负责人：
野田淳二
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Kindai University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年，トポロジー構造最適化した複雑な繊維強化プラスチック（FRP）桁構造物が3Dプリンタによって成形され自転車等に実装される例や人工衛星のラティス構造体の実用等，桁構造がFRP構造物のより高比強度化に寄与している．桁構造体では多軸荷重状態は想定されないため，桁接合面のはく離挙動は未解明であった．本研究では，軽量・高強度化に優れる一方向複合材料（UD）を用いた桁構造体の健全性評価を可能とする多軸荷重状態での桁接合強度評価法を提案する．十字型UD桁試験片に曲げ負荷および面内せん断負荷を与えることにより，接合部の曲げ負荷下はく離挙動や面内2次元せん断型はく離挙動を呈する試験法を確立し，その場観察による損傷の定量化および結合力要素を用いた損傷進展シミュレーションを併用することにより，桁接合部のはく離挙動を解明することを目的とした．2022年度は，結合力要素を桁接合部に導入した十字型UD桁有限要素法モデルを構築し，各破壊モードに対応した結合力および破壊靭性値を2021年度に得られた試験データとフィッティングすることで，観察された損傷と負荷形態，試験片寸法の関係を考察し破壊機構を調査した．曲げ負荷下での十字型UD桁接合部の破壊は，梁の幅や長さによりモードI型はく離挙動から梁の引張負荷に推移することが予測されたため，種々の梁の幅と長さ，厚さをモデル化し解析的に最適な桁幅や厚さを推定した．これらの検討から十字型UD桁試験片接合部のモードI型はく離挙動を説明可能な結合力と破壊靭性値を推定した．さらに，面内せん断型はく離挙動の解析モデルの構築では，接合部の純せん断を与えるために治具も剛体でモデル化するなどの工夫を行い，モードIIおよびIIIの複合型はく離挙動を説明可能な結合力と破壊靭性値を推定した．

近年来，梁结构比FRP结构更加先进，例如利用3D打印机以优化的拓扑成型复杂的纤维增强塑料（FRP）梁结构并将其安装在自行车上，以及网格结构在自行车上的实际应用。这有助于提高人造卫星的比强度。由于梁结构中没有假设多轴载荷条件，因此梁接合面的分层行为尚未阐明。在本研究中，我们提出了一种多轴载荷下的梁节点强度评估方法，该方法能够对使用单向复合材料（UD）的梁结构进行稳健性评估，该材料轻质且高强度。通过对十字形UD梁试件施加弯曲载荷和面内剪切载荷，建立了展示节点弯曲载荷下的分层行为和面内二维剪切型分层行为的试验方法，并证实了本研究的目的是通过结合量化和使用粘合力元素进行损伤进展模拟来阐明梁接头的分层行为。 2022年，我们将建立十字形UD梁有限元法模型，将粘结力单元引入梁节点，并与2021年获得的试验数据拟合每种断裂模式对应的粘结力和断裂韧性值。因此，考虑了观察到的损伤、载荷形式和试样尺寸之间的关系，并研究了失效机理。据预测，弯曲载荷下十字形单向梁接头的失效将从模式 I 型剥离行为转变为梁的拉伸载荷，具体取决于梁的宽度和长度。我们对厚度进行了建模，并分析估计了最佳梁宽度。和厚度。从这些研究中，我们估计了可以解释十字形UD梁接头的I型分层行为的粘结强度和断裂韧性值。此外，在构建面内剪切型剥离行为的分析模型时，我们采取了将夹具建模为刚体等措施，在接头处提供纯剪切，从而可以解释模式 II 和模式 II 的组合型剥离行为。 III. 粘结强度和断裂韧性值的估计。