Development of numerical simulation scheme for optimization of molding conditions and material design of thermoplastic composites

开发用于优化热塑性复合材料成型条件和材料设计的数值模拟方案

• 批准号: 22K14489
• 负责人: 樋口 諒
• 金额: $ 3万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14489/
• 关键词: 熱可塑性複合材料; 結晶性高分子; フェーズフィールド法; 均質化法; 拡張有限要素法

本研究では、航空機等の構造部材適用を想定した結晶性熱可塑性樹脂とその炭素繊維強化樹脂（CFRP）を対象とし、成形条件が樹脂および熱可塑CFRPの微視的な組織形態（結晶化挙動）と巨視的な力学特性へ及ぼす影響を包括的に調査可能なマルチスケール・マルチフィジックス数値解析手法開発に取り組んでいる。提案手法の特徴は、熱伝導解析、フェーズフィールド（PF）解析、拡張有限要素法（XFEM）均質化解析を組み合わせることで、樹脂の微視的組織形態を介して成形条件から材料特性までを結び付ける点にある。令和四年度においては、当初予定していた熱可塑性樹脂の結晶化PFモデル開発、ならびに得られた結晶構造の均質化解析手法開発が概ね完了した。具体的には、異なる等温過程での結晶構造についてPF解析にて予測し、得られた構造の均質化弾性解析を実施することで力学特性の予測までを達成した。得られた弾性特性は試験結果と定性的に一致している。さらに、令和五年度に実施予定であった熱可塑CFRPの結晶化MPFモデル開発にも着手しており、令和五年度中の完成を目指して開発を継続中である。令和五年度は熱可塑性樹脂、熱可塑CFRPともに結晶化モデルの完成、精度検証、高精度化を進める予定である。該当研究の成果は国際誌2報に掲載済である他、国際学会4件、国内学会6件にて発表済みである。また、国際誌1報、国内誌1報への論文執筆を進めているほか、令和五年度も国内外の学会での発表を予定している。

This research focuses on crystalline thermoplastic resins and their carbon fiber reinforced resins (CFRPs) that are intended for application of structural components such as aircraft, and is working on developing a multi-scale multiphysics numerical analysis method that can comprehensively investigate the effects of molding conditions on the microscopic tissue morphology (crystallization behavior) and macroscopic mechanical properties of resins and thermoplastic CFRPs.提出的方法的特征是结合了导热率分析，相位场（PF）分析和扩展有限元（XFEM）均质化分析，该分析将从成型条件到材料特性通过树脂的微观形态联系起来。在2022财政年度，通常完成了最初计划的热塑性树脂的结晶PF模型，以及为获得的晶体结构的均化分析方法的开发。具体而言，使用PF分析预测了不同等热过程下的晶体结构，并对获得的结构进行了均质化弹性分析以预测机械性能。获得的弹性特性在质量上与测试结果一致。 Furthermore, they have begun development of a crystallized MPF model for thermoplastic CFRP, which was scheduled to be implemented in fiscal 2023, and are currently continuing their development with the aim of completing it during fiscal 2023. In fiscal 2023, we plan to complete the crystallization model for both thermoplastic resin and thermoplastic CFRP, accuracy verification, and increase accuracy.相关研究的结果已在两项国际期刊上发表，并在四次国际学术会议和六次国内学术会议上发表。此外，他还在为一本国际杂志和一本国内杂志撰写论文，并计划在2023年的学术会议上介绍它。

项目成果

Activities in aerospace innovative structural design laboratory: towards virtual testing in composite structures

航空航天创新结构设计实验室的活动：复合材料结构的虚拟测试

• 发表时间: 2023
• 作者: R. Higuchi;T. Yokozeki;T. Aoki
• 通讯作者: T. Aoki

成形時の温度条件に対する熱可塑性樹脂および熱可塑性CFRPの結晶化解析

热塑性树脂和热塑性 CFRP 在成型过程中温度条件下的结晶分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 樋口諒;加藤雅也;大島草太;大矢豊大;水口周;横関智弘;青木隆平;加藤雅也，樋口諒，大島草太，大矢豊大，水口周，横関智弘，青木隆平
• 通讯作者: 加藤雅也，樋口諒，大島草太，大矢豊大，水口周，横関智弘，青木隆平

熱可塑性複合材料の成形条件依存の力学特性予測のためのマルチスケール・マルチフィジックス解析ツール開発

开发多尺度和多物理分析工具，用于预测取决于热塑性复合材料成型条件的机械性能

• 发表时间: 2022
• 作者: 樋口諒;加藤雅也;大島草太;大矢豊大;水口周;横関智弘;青木隆平
• 通讯作者: 青木隆平

Multiscale-Multiphysics Simulation of Process-Dependent Mechanical Properties of Thermoplastic Composites

热塑性复合材料工艺相关机械性能的多尺度多物理场模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: R. Higuchi;M. Kato;Y. Oya;S. Oshima;S. Minakuchi;T. Yokozeki;T. Aoki
• 通讯作者: T. Aoki

Cooling rate-dependent mechanical properties of polyphenylene sulfide (PPS) and carbon fiber reinforced PPS (CF/PPS)

• DOI: 10.1016/j.compositesa.2022.107250
• 发表时间: 2022-10-29
• 期刊: COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING
• 影响因子: 8.7
• 作者: Oshima, Sota;Higuchi, Ryo;Aoki, Takahira
• 通讯作者: Aoki, Takahira