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。

在本研究中，我们以结晶性热塑性树脂及其碳纤维增强树脂（CFRP）为中心，假设将其应用于飞机等结构件，并设定了成型条件，使得微观结构形态（结晶行为） ）及其对宏观力学性能的影响。所提出的方法结合了热传导分析、相场（PF）分析和扩展有限元法（XFEM）均质化分析，通过树脂的微观结构将从成型条件到材料特性的所有内容联系起来。 2020年度，原定计划的热塑性树脂结晶PF模型的开发以及所得晶体结构的均质化分析方法的开发已基本完成。具体来说，我们使用PF分析预测了不同等温过程下的晶体结构，然后对所得结构进行均质弹性分析以预测力学性能。所得的弹性性能与测试结果定性一致。此外，我们已经开始开发热塑性CFRP的结晶MPF模型，计划于2021年实施，我们正在继续开发，目标是在2021年完成。 2025年，我们计划完成热塑性树脂和热塑性CFRP的结晶模型，验证准确性并提高精度。该研究成果已发表在两本国际期刊上，并在四次国际会议和六次国内会议上作报告。此外，他正在为一份国际期刊和一份国内期刊撰写论文，并计划于2025年在国内外学术会议上发表演讲。

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

成形時の温度条件に対する熱可塑性樹脂及びCFRTPの結晶成長解析

成型过程中温度条件下热塑性树脂和 CFRTP 的晶体生长分析

• 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