Investigation on the deformation and strength characteristics of structural members made of bio-inspired helicoidally laminated CFRPs

仿生螺旋层压碳纤维复合材料结构件变形及强度特性研究

基本信息

批准号：
21H01411
负责人：
松本高志
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01411/
关键词：
構造工学土木材料複合材料 FRP 生体模倣

项目摘要

本研究の目的は，生体を模倣したらせん積層CFRPによる構造部材の脆性挙動の改善と粘り強い特性の獲得という視点から，部材の挙動と特性を明らかにし，損傷と破壊の形態と機構を検討することとする．これまでに小規模の試験体で，「構造部材」に対しては「部位」に相当する規模を検討した．本研究では次の段階に進み，生体模倣らせん積層CFRP構造部材を作製して，その挙動と特性を明らかにし，損傷と破壊の形態と機構を検討する．生体の外骨格に相当する部材として閉断面の箱形断面梁を製作して曲げ試験を実施する．初年度は断面外寸を数cmとした箱形断面梁をプロトタイプとして，製作技術と試験計測の課題解消と実施可能条件の特定を経て，らせん積層CFRP箱形断面梁の挙動と特性を明らかにし，損傷と破壊の形態と機構を検討した．製作技術においては，プリプレグを積層する芯材を割り型とし，真空加圧・加熱成形により試験体を自主製造する手順を確立した．既往の製作は板材であったが今回は閉断面部材であり製作と品質管理の難易度が上がるものである．初年度の検討を踏まえて，2年度目は箱形断面梁の積層構成を変えた試験体を複数製作し，試験計測および観察を通して，部材の挙動と特性を明らかにし，損傷と破壊の形態と機構を検討した．ポイントとしては，荷重－変位関係及びひずみ挙動，損傷・破壊形態，荷重集中点，座屈，断面つぶれ，に着目した．これらは，ステレオカメラ撮影による三次元デジタル画像相関法により，三次元で面的に変位を計測する方法も活用した．らせん積層CFRPによる箱形断面梁の複雑な四点曲げ変形挙動を確認した．

本研究的目的是利用模仿生物体的螺旋层压CFRP，从改善结构构件的脆性行为和获得坚韧性能的角度来阐明结构构件的行为和特征，并研究损伤和断裂的形式和机制。那到目前为止，我们已经检查了相当于“结构构件”的“部件”规模的小型测试样本。在本研究中，我们将继续下一步，制造仿生螺旋层压CFRP结构构件，阐明其行为和性能，并研究损伤和断裂的形式和机制。制作具有闭合截面的箱形截面梁作为对应于活体外骨骼的构件，并进行弯曲试验。第一年，我们以外部截面尺寸为几厘米的箱形截面梁为原型，在解决了制造技术和测试测量问题并确定了实施条件后，我们明确了行为和螺旋层压CFRP箱形截面梁的特性，我们研究了损伤和破坏的形式和机制。在制造技术方面，我们建立了以分体模具为层压预浸料的核心材料，采用真空压力和热成型的独立制造测试样品的流程。以往材料采用板材，而这次采用的是封闭截面构件，增加了生产和质量控制的难度。在第一年研究的基础上，第二年我们制作了多个具有不同层合结构的箱形截面梁的试验试件，通过试验测量和观察阐明了构件的行为和特征，并研究了损伤形式和断裂机理进行了研究。我们重点关注载荷-位移关系、应变行为、损伤/断裂形式、载荷集中点、屈曲和横截面塌陷。这些还利用了使用立体相机摄影的三维数字图像相关方法来测量三维位移的方法。我们证实了由螺旋层压碳纤维增强塑料制成的箱形截面梁的复杂四点弯曲变形行为。