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

基本信息

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

项目摘要

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）具有较高的特异性刚度，高特异性强度和低热膨胀系数，使其更适合广泛的田地，主要是在航空航天场中，需要较轻的重量和高稳定性。但是，当使用CFRP模拟具有复杂形状的成员时，由于成员形状和材料的各向异性而发生残余变形，从而导致形状稳定性和强度的降低。通过预测和抑制这些变形，可以更有效，安全地使用CFRP。先前的研究已经验证了成型后测量结果的残余变形机制，但尚未确定在成型过程中测量内部状态的方法，因此，残留变形机制中存在许多不清楚的部分。这项研究旨在通过使用光纤传感器测量成型过程中的应变，以获取有关复杂形状CFRP残余变形机理的新知识。在2018财年和2018财年中，我们建立了一种将光纤传感器嵌入板厚度的对角线方向的方法，并在厚度不同的L形构件上进行了内部应变测量。结果，结果表明，板厚度越大，硬化和收缩过程中法兰部分的剪切变形越大，导致成型后角度变化越小。此外，对更复杂的成员进行了内部应变测量和形状测量，例如U形构件和具有不同板厚度的层状结构，并且发现与它们相关的应变状态和与之相关的残余变形取决于成员形状。除上述实验外，还进行了基于蒂莫申科理论和有限元分析的分析，以验证实验结果的有效性并获得有关机制的知识。