先進複合材料を用いた航空機構造の強度信頼性評価のための数値解析手法の開発

先进复合材料飞机结构强度可靠性评估数值分析方法开发

• 批准号: 15J01426
• 负责人: 樋口 諒
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J01426/
• 关键词: 炭素繊維強化複合材料; 計算機援用仮想試験; 非線形有限要素法; マルチスケール解析; 拡張有限要素法; 初期損傷予測解析; 円孔材強度; 面外衝撃損傷; 円孔板引張解析; 面外負荷損傷解析

本研究では、航空機における型式証明のコスト低減を目的とした、複合材料航空機部材の計算機援用仮想試験へ向け、高精度かつ汎用性の高い数値解析手法開発に取り組んだ。特に、複合材料航空機構造の設計上の不確定要素となる、面外負荷時の内部損傷、微視構造に依存する初期損傷発生といった問題に着目し、下記のテーマに取り組んだ。(i)巨視的解析と微視的解析を組み合わせたスケール横断型の解析手法の構築(ii)巨視的解析への拡張有限要素法(XFEM)の導入これらを組み合わせることで、スケール横断型かつメッシュフリーにき裂予測が可能な新しい数値解析手法を実現した。昨年度までにスケール横断型解析手法の枠組みの構築、巨視的解析に適用するXFEMプログラム開発が終了したため、最終年度は開発ツールの検証に取り組んだ。具体的には、面内負荷試験、面外負荷試験を対象とした検証解析をあらゆる材料種で実施し、提案手法の従来手法に対する優位性を検証した。まずは面内負荷状態での解析精度検証として、炭素繊維強化複合材料の実用強度評価によく用いられる円孔材引張・圧縮試験、さらに面外負荷状態での検証として面外押し込み試験を航空機用途CFRPに対して実施し、各負荷条件での損傷進展過程を詳細に観察した。また、それぞれについて提案手法を用いた損傷進展解析、強度予測解析を実施した。両解析において、微視解析により得られた知見に基づいて改良した破壊モデルを導入した。解析結果はいずれの負荷条件においても実験結果と非常によく一致しており、提案手法の有用性が示された。パラメータの調整などを要することなく、様々な負荷条件で高精度な損傷・強度評価が可能であるという本成果により、将来的な「計算機援用仮想試験」の実現へ向け、一定の目途が立ったと考えられる。今年度、該当研究の研究成果は、国際誌３編、国際学会２件、国内学会２件にて発表済みである。

在这项研究中，我们致力于开发一种高精度和通用的数值分析方法，用于复合材料飞机部件的计算机辅助虚拟测试，旨在降低飞机型号认证的成本。特别是，我们重点关注了复合材料飞机结构设计中的不确定因素，例如平面外加载过程中的内部损伤和取决于微观结构的初始损伤发生等问题，并解决了以下主题。 (i) 构建宏观分析与微观分析相结合的跨尺度分析方法 (ii) 将扩展有限元法 (XFEM) 引入宏观分析 通过将这些相结合，可以实现一种新的数值分析方法允许自由裂纹预测。到去年，我们已经完成了跨尺度分析方法框架的搭建和宏观分析XFEM程序的开发，所以最后一年我们致力于开发工具的验证。具体而言，对各类材料进行了面内载荷试验和面外载荷试验的验证分析，验证了该方法相对于传统方法的优越性。首先，为了验证面内加载条件下的分析精度，我们进行了圆孔拉伸/压缩试验，该试验常用于评估碳纤维增强复合材料的实际强度，然后进行面外压痕验证飞机用碳纤维复合材料飞机外载荷条件的试验，详细观察了每种载荷条件下的损伤进展过程。我们还使用所提出的方法对每个模型进行了损伤进展分析和强度预测分析。在这两项分析中，基于微观分析获得的知识引入了改进的断裂模型。分析结果与所有负载条件下的实验结果非常吻合，证明了该方法的有效性。这一结果可以在各种负载条件下进行高精度的损伤/强度评估，而无需调整参数，我们相信未来“计算机辅助虚拟测试”的实现已经取得了一定程度的进展。 。今年，该研究的研究成果已在3个国际期刊、2个国际会议、2个国内会议上发表。

项目成果

National University of Singapore(Singapore)

新加坡国立大学（新加坡）

XFEMを用いた複合材料積層板の損傷進展解析

使用 XFEM 复合材料层压板的损伤进展分析

• 发表时间: 2016
• 作者: 樋口諒;岡部朋永;長嶋利夫
• 通讯作者: 長嶋利夫

XFEM/CZM Analysis for Progressive Damage and Failure in Fiber Reinforced Composite Laminates

纤维增强复合材料层压板渐进损伤和失效的 XFEM/CZM 分析

• 发表时间: 2016
• 作者: R. Higuchi;T. Okabe;K. Yoshioka;T. Nagashima
• 通讯作者: T. Nagashima

高速衝撃を受けるCFRP積層板の破壊に関する数値シミュレーション

CFRP层合板高速冲击断裂数值模拟

• 发表时间: 2015
• 作者: R. Higuchi;T. Okabe;K. Sakamoto;K. Yoshioka;A. Yoshimura;樋口諒，岡部朋永，吉村彰紀，吉岡健一
• 通讯作者: 樋口諒，岡部朋永，吉村彰紀，吉岡健一

ダブルファイバーフラグメンテーション試験を用いた一方向CF/エポキシ複合材料の繊維破断部近傍における応力集中係数の検討

双纤维断裂试验研究单向CF/环氧树脂复合材料纤维断裂附近的应力集中系数

• 发表时间: 2016
• 期刊: 日本複合材料学会誌
• 作者: 渡邉潤;田中文彦;樋口諒;松谷浩明;奥田治己;岡部朋永
• 通讯作者: 岡部朋永