複雑形状を有する複合材料の残留変形抑制および品質保証技術の開発

复杂形状复合材料残余变形控制与质量保证技术开发

• 批准号: 14J05837
• 负责人: 高垣 和規
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J05837/
• 关键词: 炭素繊維強化プラスチック; 複雑形状CFRP; 光ファイバセンサ; 残留変形・残留応力; 板厚方向ひずみ

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は高比剛性・高比強度、低熱膨張率であるため，軽量化・高安定性が求められる航空宇宙分野を中心に様々な分野への適応が広がっている。しかし、CFRPで複雑な形状を有する部材を成形すると、部材形状および材料の異方性に起因し残留変形が発生し、形状安定性や強度の低下に結び付く。これらの変形を予測・抑制することでより効率的で安全なCFRPの利用が可能である。従来の研究では残留変形のメカニズムについて、成形後の形状計測から検証が行われているが、成形時の内部状況を計測する手法が確立されておらず、その結果、残留変形のメカニズムには不明確な部分も多い。本研究では光ファイバセンサを利用し、成形時のひずみを計測することで、複雑形状CFRPの残留変形メカニズムに対する新たな知見を得ることを目的とした。第1、2年度では板厚斜め方向への光ファイバセンサの埋め込み手法を確立し、板厚の異なるL型部材における成形時内部ひずみ計測御行った。その結果、板厚が大きい部材ほど、硬化収縮時のフランジ部せん断変形が大きく、結果として成形後の角度変化が小さくなることを示した。また、U型部材や板厚変化を有するPly-drop-off構造などの、より複雑な部材に対し内部ひずみ計測および成形後形状計測を行い、部材形状によりひずみ状態およびそれに伴う残留変形が異なることが明らかになった。以上の実験に加え、Timoshenko梁理論に基づく解析および有限要素解析を行い、実験結果の妥当性検証およびメカニズムに対する知見を得た。

碳纤维增强塑料（CFRP）具有高比刚度、高比强度和低热膨胀系数，因此被应用于各种领域，特别是要求轻量化和高稳定性的航空航天领域。然而，当使用CFRP成型具有复杂形状的零件时，由于零件形状和材料的各向异性，会发生残余变形，导致形状稳定性和强度下降。通过预测和抑制这些变形，可以更有效、更安全地使用 CFRP。以往的研究中，通过测量成型后的形状来验证残余变形的机理，但尚未建立测量成型过程中内部条件的方法，因此，残余变形的机理尚未得到证实。有很多明确的点。本研究的目的是通过使用光纤传感器测量成型过程中的应变，获得有关复杂形状 CFRP 残余变形机制的新知识。第一年和第二年，我们建立了在板厚对角嵌入光纤传感器的方法，并测量了不同板厚的L形构件成形过程中的内应变。结果表明，构件越厚，固化收缩时凸缘部分的剪切变形越大，导致成型后角度变化越小。此外，我们还对更复杂的构件进行内应变测量和成型后形状测量，例如U形构件和板厚变化的铺层脱落结构，以发现应变状态和相关的残余变形不同取决于成员的形状。除上述实验外，我们还基于Timoshenko梁理论和有限元分析进行了分析，以验证实验结果的有效性并了解该机构。

项目成果

Development of Crack-Free Thick CFRP Pipe using Novel Residual Stress Reduction Method

采用新型残余应力降低方法开发无裂纹厚 CFRP 管

• 发表时间: 2014
• 作者: Kazunori Takagaki;Shu Minakuchi;Nobuo Takeda
• 通讯作者: Nobuo Takeda

Cure Cycle Optimization of Out-of-Autoclave Composites using Fiber-Optic-Based Strain Sensors

使用基于光纤的应变传感器优化非热压罐复合材料的固化周期

• 发表时间: 2015
• 作者: Shinsaku Hisada;Kazunori Takagaki;Shu Minakuchi;Nobuo Takeda
• 通讯作者: Nobuo Takeda

Cure Induced Residual Strain and Deformation in Complex Shaped Composites

复杂形状复合材料中固化引起的残余应变和变形

• 发表时间: 2016
• 作者: Kazunori Takagaki;Shu Minakuchi;Nobuo Takeda
• 通讯作者: Nobuo Takeda

衛星用厚肉CFRPパイプにおける残留応力の低減

减少卫星用厚壁CFRP管的残余应力

• 发表时间: 2014
• 作者: Kazunori Takagaki;Shu Minakuchi;Nobuo Takeda;高垣和規,水口周,武田展雄
• 通讯作者: 高垣和規,水口周,武田展雄

High Accuracy Cure Process Simulation of Composites Based on In-situ Measurement of Internal Strain

基于内应变原位测量的复合材料高精度固化过程模拟

• 发表时间: 2015
• 作者: Shoma Niwa;Kazunori Takagaki;Shu Minakuchi;Nobuo Takeda
• 通讯作者: Nobuo Takeda