母材樹脂のメゾ構造を考慮したCFRPの変形・破壊マルチスケールモデリング

考虑基材树脂细观结构的 CFRP 变形和断裂的多尺度建模

基本信息

批准号：
21K14415
负责人：
川越吉晃
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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

量子化学計算，分子動力学法，有限要素法を連携し，CFRPの成型時のそり変形を予測するマルチスケールモデリング手法を構築した．本手法ではGRRM（global reaction route mapping）によって熱硬化性樹脂の反応特性（活性化エネルギーと生成熱）を取得し，それを用いて内製pythonコードと汎用分子動力学シミューターLAMMPSを組み合わせた反応分子動力学シミュレーションを実施し，硬化樹脂モデルを作成した．得られた硬化樹脂モデルに対して，1軸引張シミュレーションによって樹脂剛性，昇温・冷却シミュレーションによって線膨張係数を取得し，反応前後の樹脂体積から硬化収縮率を取得する．これら樹脂物性と既知の繊維物性を用いて内製コードによる周期セル有限要素法を行い，複合材としての均質化された剛性，線膨張係数，硬化収縮ひずみを計算する．最後に得られた均質化複合材物性を積層板をモデル化したマクロ有限要素法に適用し，CFRP積層板のそり変形を予測した．比較検証のために，航空機グレードのCFRPプリプレグを用いた成形実験を行った．本研究ではクロスプライ・非対称積層を想定しており，成形実験では試験片サイズに応じた変形形状の遷移が見られ，小さい試験片では鞍型に，大きい試験片では円筒型に変形した．マルチスケールモデリングによって予測されたそり変形量および変形形状は検証実験とよく一致しており，マルチスケールモデリングの妥当性が確認された．このような原子・分子スケールから積層板スケールまでを連結した変形解析は類を見ない研究であり，多分野（高分子化学，構造力学，製造分野等）にまたがったCFRPの成形時変形問題を包括的に議論・理解できる手法である．

通过将量子化学计算、分子动力学方法和有限元方法联系起来，我们开发了一种多尺度建模方法来预测 CFRP 成型过程中的翘曲。在该方法中，我们使用GRRM（全局反应路线图）获取热固性树脂的反应特性（活化能和形成热），并使用它来创建结合了内部Python代码和通用目的的反应分子。分子动力学模拟器 LAMMPS 进行了动态模拟并创建了固化树脂模型。对于获得的固化树脂模型，通过单轴拉伸模拟获得树脂刚度，通过加热/冷却模拟获得线性膨胀系数，并根据反应前后的树脂体积获得固化收缩率。利用这些树脂物理特性和已知的纤维物理特性，我们使用内部代码执行周期单元有限元法来计算复合材料的均匀刚度、线性膨胀系数和固化收缩应变。最后，将获得的均质复合材料性能应用于对层合板进行建模的宏观有限元方法，并预测CFRP层合板的翘曲变形。为了进行对比验证，我们使用航空级CFRP预浸料进行了成型实验。在本研究中，假设采用交叉层/非对称层压，并且在成型实验中，观察到变形形状根据样本尺寸的转变，小样本变形为马鞍形，大样本变形为圆柱形。多尺度建模预测的翘曲量和变形形状与验证实验吻合良好，证实了多尺度建模的有效性。这种从原子/分子尺度连接到层合尺度的变形分析是一项前所未有的研究，它有助于解决CFRP成型过程中的变形问题，涉及多个领域（高分子化学、结构力学、制造领域、等）。这是一种允许全面讨论和理解的方法。