(57)【要約】【課題】割れの位置が分からなくても、割れを起点とする層間剥離の進展を評価することができる積層板の層間剥離評価装置を提供する。【解決手段】積層板のＦＥＭ解析モデルを生成するモデル生成手段と、ＦＥＭ解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を実行することにより、所定の荷重条件時の各要素の挙動を求める挙動解析手段と、挙動解析結果から各要素において割れが発生するか否かを判定する割れ判定手段と、割れ判定手段によって割れが発生すると判定された場合に、挙動解析結果から割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定する剥離進展判定手段と、剥離進展判定手段によって層間剥離が進展すると判定された場合に、モデル生成手段によりＦＥＭ解析モデルに発生した割れの状態を定義して、挙動解析手段によって、荷重条件時の各要素の挙動を求め、剥離進展判定手段によって層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行う剥離進展評価手段とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層板のＦＥＭ解析モデルを生成するモデル生成手段と、
前記ＦＥＭ解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を実行することにより、所定の荷重条件時の各要素の挙動を求める挙動解析手段と、
前記挙動解析結果から前記各要素において割れが発生するか否かを判定する割れ判定手段と、
前記割れ判定手段によって割れが発生すると判定された場合に、前記挙動解析結果から前記割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定する剥離進展判定手段と、
前記剥離進展判定手段によって層間剥離が進展すると判定された場合に、前記モデル生成手段により前記ＦＥＭ解析モデルに前記発生した割れの状態を定義して、前記挙動解析手段によって、前記荷重条件時の各要素の挙動を求め、前記剥離進展判定手段によって層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行う剥離進展評価手段と
を備えたことを特徴とする積層板の層間剥離評価装置。
【請求項２】
前記割れ判定手段によって割れの発生しないと判定された場合と、前記剥離進展判定手段によって層間剥離が進展しないと判定された場合に、前記荷重条件の荷重値を増加させて、前記荷重値が予め決められた最大荷重値に達するまで、前記挙動解析手段、前記割れ判定手段、剥離進展判定手段及び剥離進展評価手段の処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の積層板の層間剥離評価装置。
【請求項３】
積層板のＦＥＭ解析モデルを生成するモデル生成ステップと、
前記ＦＥＭ解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を実行することにより、所定の荷重条件時の各要素の挙動を求める挙動解析ステップと、
前記挙動解析結果から前記各要素において割れが発生するか否かを判定する割れ判定ステップと、
前記割れ判定ステップによって割れが発生すると判定された場合に、前記挙動解析結果から前記割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定する剥離進展判定ステップと、
前記剥離進展判定ステップによって層間剥離が進展すると判定された場合に、前記モデル生成ステップにより前記ＦＥＭ解析モデルに前記発生した割れの状態を定義して、前記挙動解析ステップによって、前記荷重条件時の各要素の挙動を求め、前記剥離進展判定ステップによって層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行う剥離進展評価ステップと
を有することを特徴とする積層板の層間剥離評価方法。
【請求項４】
前記割れ判定ステップによって割れの発生しないと判定された場合と、前記剥離進展判定ステップによって層間剥離が進展しないと判定された場合に、前記荷重条件の荷重値を増加させて、前記荷重値が予め決められた最大荷重値に達するまで、前記挙動解析ステップ、前記割れ判定ステップ、剥離進展判定ステップ及び剥離進展評価ステップの処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項３に記載の積層板の層間剥離評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの長繊維強化複合材料による積層板の層間剥離評価装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、比強度・比剛性が高く、耐腐食性などにも優れた特性を示す材料であり、様々な構造物へ適用されている。構造物にはフランジコーナー部などの形状不連続部を有するものもあり、このような構造は混合応力場となると考えられるため、混合モード条件下での破壊評価が必要となる。特に、積層構造として用いる複合材料では、層ごとに配向角が異なるため層間応力が生じ、層間剥離を生じやすい。層間剥離の発生は曲げ剛性の低下など、重大な問題を引き起こすことも少なくない。
【０００３】
積層板などのコーナー部に生じる層間剥離は、図５に示すように、自由端から生じるもの、割れ（クラック）を起点とするもの、面外応力によるものが挙げられる。従来から、割れを起点とする層間剥離を評価する場合、積層板内部に生じる層間剥離を評価するために、剥離発生位置の評価を含まずに、実験で観察された剥離位置に初期欠陥があると仮定して、欠陥からの剥離の進展を評価する手法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Ｒ．Ｈ．Ｍａｒｔｉｎ，Ｗ．Ｃ．Ｊａｃｋｓｏｎ；“Ｄａｍａｇｅ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｃｒｏｓｓ−Ｐｌｉｅｄ  Ｃｕｒｖｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｌａｍｉｎａｔｅｓ”；ＮＡＳＡ  ＴＭ−１０４０８９  ＵＳＡＡＶＳＣＯＭ  ＴＲ−９１−Ｂ−００９；１９９１，７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に示す評価手法では、あらかじめ層間剥離の起点となる欠陥（割れ等）の位置を仮定する必要があるため、実験等に基づく欠陥の仮定ができないような場合においては、層間剥離進展を評価することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、割れの位置が分からなくても、割れを起点とする層間剥離の進展を評価することができる積層板の層間剥離評価装置及び層間剥離評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、積層板のＦＥＭ解析モデルを生成するモデル生成手段と、前記ＦＥＭ解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を実行することにより、所定の荷重条件時の各要素の挙動を求める挙動解析手段と、前記挙動解析結果から前記各要素において割れが発生するか否かを判定する割れ判定手段と、前記割れ判定手段によって割れが発生すると判定された場合に、前記挙動解析結果から前記割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定する剥離進展判定手段と、前記剥離進展判定手段によって層間剥離が進展すると判定された場合に、前記モデル生成手段により前記ＦＥＭ解析モデルに前記発生した割れの状態を定義して、前記挙動解析手段によって、前記荷重条件時の各要素の挙動を求め、前記剥離進展判定手段によって層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行う剥離進展評価手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、前記割れ判定手段によって割れの発生しないと判定された場合と、前記剥離進展判定手段によって層間剥離が進展しないと判定された場合に、前記荷重条件の荷重値を増加させて、前記荷重値が予め決められた最大荷重値に達するまで、前記挙動解析手段、前記割れ判定手段、剥離進展判定手段及び剥離進展評価手段の処理を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、積層板のＦＥＭ解析モデルを生成するモデル生成ステップと、前記ＦＥＭ解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を実行することにより、所定の荷重条件時の各要素の挙動を求める挙動解析ステップと、前記挙動解析結果から前記各要素において割れが発生するか否かを判定する割れ判定ステップと、前記割れ判定ステップによって割れが発生すると判定された場合に、前記挙動解析結果から前記割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定する剥離進展判定ステップと、前記剥離進展判定ステップによって層間剥離が進展すると判定された場合に、前記モデル生成ステップにより前記ＦＥＭ解析モデルに前記発生した割れの状態を定義して、前記挙動解析ステップによって、前記荷重条件時の各要素の挙動を求め、前記剥離進展判定ステップによって層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行う剥離進展評価ステップとを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明は、前記割れ判定ステップによって割れの発生しないと判定された場合と、前記剥離進展判定ステップによって層間剥離が進展しないと判定された場合に、前記荷重条件の荷重値を増加させて、前記荷重値が予め決められた最大荷重値に達するまで、前記挙動解析ステップ、前記割れ判定ステップ、剥離進展判定ステップ及び剥離進展評価ステップの処理を繰り返し行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＦＥＭ解析モデルを用いた挙動解析結果から各要素において割れが発生するか否かを判定し、割れが発生すると判定された場合に、さらに各要素の挙動解析結果から割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定し、層間剥離が進展すると判定された場合に、ＦＥＭ解析モデルに割れの状態を定義して、再度荷重条件時の各要素の挙動を求めて層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行うようにしたため、長繊維強化複合材料などによる積層板における割れの位置が事前に分からなくても、割れを起点とする層間剥離の進展を評価することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態による層間剥離評価装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、コンピュータ装置で構成する層間剥離評価装置である。符号２は、キーボードやマウスで構成する入力部である。符号３は、液晶のディスプレイ装置や印刷装置等で構成する出力部である。符号１１は、作業者が入力部２を操作して、評価対象の構造物のＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）解析モデルを生成するＦＥＭモデル生成部である。符号１２は、ＦＥＭモデル生成部１１において生成されたＦＥＭ解析モデルのデータと、入力部２から入力された初期条件データとを入力して、ＦＥＭ解析を実行するＦＥＭ解析部である。ＦＥＭモデル生成部１１及びＦＥＭ解析部１２は、公知のＦＥＭモデル生成ソフトウェアやＦＥＭ解析ソフトウェア等を用いる。
【００１２】
符号１３は、ＦＥＭ解析部１２におけるＦＥＭ解析モデルを用いた挙動解析結果から各要素において割れが発生するか否かを判定し、割れが発生すると判定された場合に、さらに各要素の挙動解析結果から割れを起点とした層間剥離の進展があるか否かを判定し、層間剥離が進展すると判定された場合に、ＦＥＭモデル生成部１１に対して層間剥離の状態を定義する情報を出力し、新たなＦＥＭ解析モデルによって、再度荷重条件時の各要素の挙動を求めて層間剥離の進展を判定する処理を繰り返し行なわせる評価部である。符号１４は、実験等によって求められた材料の特性データが予め記憶された材料データ記憶部である。符号１５は、評価結果のデータを記憶しておく評価結果データ記憶部である。
【００１３】
次に、図２を参照して、図１に示す層間剥離評価装置１の動作を説明する。まず、作業者は、入力部２を操作することによりＦＥＭモデル生成部１１と対話を行いながら、炭素繊維強化プラスチックを用いた積層板の構造物（例えば図５に示すような構造物）のＦＥＭ解析モデルを定義する。このＦＥＭ解析モデルのデータには、使用する材料を特定する情報も含まれる。ＦＥＭモデル生成部１１は、定義されたデータに基づいて、評価対象のＦＥＭ解析モデルデータを生成し、このＦＥＭ解析モデルデータを内部に保持する（ステップＳ１）。
【００１４】
次に、作業者が入力部２から評価開始を指示する操作を行い、評価時の条件データの入力を行う。作業者が入力部２から入力する条件データは、初期に与える荷重値、荷重値を増加させる場合の増加値、評価対象において想定される最大荷重値等である。続いて、評価部１３は、初期に与える荷重値から最大荷重値になるまで荷重値を増加値ずつ増加させて繰り返し解析を行うが、繰り返し処理の終了条件である「最大荷重を超えたか」否かを判定する（ステップＳ２）。この時点では、最大荷重を超えていないため、次の処理へ移行する。評価部１３は、ＦＥＭ解析部１２に対して、ステップＳ２において設定した荷重値を出力するとともに、ＦＥＭ解析処理の実行を指示する。
【００１５】
次に、ＦＥＭ解析部１２は、ＦＥＭ解析処理の実行指示を受けると、ＦＥＭモデル生成部１１内に保持されているＦＥＭ解析モデルデータを読み出すとともに、評価部１３から出力された荷重値の初期値を設定して（ステップＳ３）、ＦＥＭ解析処理を実行する。ＦＥＭ解析部１２は、ＦＥＭ解析処理の実行によって、評価対象構造物の各要素毎の応力と、後述するエネルギー解放率を求めるのに必要な値を求める（ステップＳ４）。ＦＥＭ解析部１２は、ここで求めた各要素毎の応力値及びエネルギー解放率を求めるのに必要な値を解析結果データとして評価部１３に受け渡す。ここで受け渡される解析結果データは、有限要素の要素を一意に識別することが可能な要素識別情報と、応力が働く方向の情報と、応力値とエネルギー解放率を求めるのに必要な値とが関係付けられている。
【００１６】
次に、評価部１３は、ＦＥＭ解析部１２から受け渡された解析結果データを参照して、各要素毎に層内樹脂の割れが発生したか否かを判定する（ステップＳ５）。この割れの発生判定は、（１）式を満たすか否かによって判定する。
σθ≧Ｙ  ・・・（１）
ここで、σθは、θ方向の応力である。Ｙは、θ方向の引張強度であり、材料によって予め決まる値である。
【００１７】
（１）式は、直交異方性材料の主軸方向のいずれかの応力成分が、引張、圧縮、せん断のいずれかの破壊強度を超えた場合に破壊するという条件（最大応力説）に基づく式である。この割れが発生するか否かの判定は、（１）式のように最大応力を用いるのに代えて、最大ひずみを用いた判定や応力とひずみ成分の相互作用を用いた判定を適用するようにしてもよい。すなわち、この割れが発生するか否かの判定するための判定式は、公知の破壊を規定する条件である種々の破損強度則を用いることができる。
【００１８】
評価部１３は、全ての要素について、（１）式の判定を行った結果、割れが発生しなかった場合にステップＳ２に戻り、荷重値を増加させて（ステップＳ３）、再度ＦＥＭ解析処理を実行する（ステップＳ４）。一方、割れが発生した場合、評価部１３は、割れが発生した要素の解析結果データ（要素識別情報と、応力が働く方向の情報と、応力値）と、この時点の荷重値とを評価結果データ記憶部１５に記憶する（ステップＳ６）。
【００１９】
次に、評価部１３は、割れが発生した要素について、この割れを起点とした層間剥離が進展するか否かを進展経路毎に判定する（ステップＳ７）。この層間剥離の進展判定は、（２）式を満たすか否かによって判定する。
【数１】
2010145168.tif 000003
ここで、ＧＩ、ＧＩＩは、剥離先端におけるエネルギー解放率であり、それぞれ（３）式、（４）式によって求められる値である。ＧＩｃ、ＧＩＩｃは、材料によって予め決まる値であり、材料データ記憶部１４から読み出されて計算に用いられる値である（文献「Progressive Delamination Using Interface Element」Journal of COMPOSITE MATERIALS,Vol.32,No.14/1998）。
【数２】
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ここで、Ｆは等価節点力、δは節点変位、λは剥離進展量、ｗは幅であり、ＦＥＭ解析処理によって求められる値である（文献「DELAMINATION FAILURE IN A UNIDIRECTIONAL CURVED COMPOSITE LAMINATE」NASA CONTRACTORREPORT 182018）。
【００２０】
ここで、図３を参照して、剥離先端におけるエネルギー解放率について説明する。（３）式、（４）式は、Virtual Crack Closure Techniqueを用いたエネルギー解放率の計算式であり、図３に示すように、剥離がλ進展して、剥離先端が節点Ａとなる場合に、（３）式、（４）式によって、剥離先端位置の節点力と、進展前に剥離先端であった節点の相対変位からエネルギー解放率を算出するものである。また、図４に示すように、割れ（クラック）から層間剥離が進展する可能性がある方向は、２方向の割れの方向と直交するそれぞれの２方向であるため、層間剥離の進展判定においては、この４方向（図４に示す進展経路（１）〜（４））について、層間剥離が進展するか否かを判定するものである。
【００２１】
図２に戻り、評価部１３は、層間剥離が進展するか否かを判定した結果、層間剥離が進展しなければステップＳ２に戻り、荷重値を増加させて再度ＦＥＭ解析処理を実行する。一方、層間剥離が進展する場合、評価部１３は、この時点の荷重値と、層間剥離が進展した要素の要素識別情報とを評価結果データ記憶部１５に記憶する（ステップＳ６）。
【００２２】
次に、評価部１３は、層間剥離が進展する場合、層間剥離の進展によって破壊を起こした否かを判定する（ステップＳ９）。この破壊判定は、層間剥離が予め決められた長さ以上になったか否か、または、層間剥離が端部まで到達したか否かによって判定する。この判定の結果、破壊が起こった場合、評価部１３は、評価結果データ記憶部１５に記憶されているデータを読み出して、出力部３へ出力して（ステップＳ１２）、処理を終了する。
【００２３】
一方、破壊が起こらなかった場合、評価部１３は、ＦＥＭモデル生成部１１内に保持されているＦＥＭ解析モデルデータ中の割れが発生した要素に対して、割れを定義して、ＦＥＭ解析モデルを修正する（ステップＳ１０）。そして、評価部１３は、ＦＥＭ解析部１２に対して、現時点で設定されている荷重値を変更せずに出力するとともに、ＦＥＭ解析処理の実行を指示する。
【００２４】
次に、ＦＥＭ解析部１２は、ＦＥＭ解析処理の実行指示を受けると、ＦＥＭモデル生成部１１内に保持されているＦＥＭ解析モデルデータ（割れが定義されているモデルデータ）を読み出すとともに、評価部１３から出力された荷重値を設定してＦＥＭ解析処理を実行する。ＦＥＭ解析部１２は、ＦＥＭ解析処理の実行によって、エネルギー解放率を求めるのに必要な値を求める（ステップＳ１１）。そして、評価部１３は、ステップＳ７に戻り、層間剥離の進展判定を行い、破壊（層間剥離が予め決められた長さ以上になった、または、層間剥離が端部まで到達した）が起こるまで処理を繰り返す。また、評価部１３は、割れが発生しない場合（ステップＳ５においてＮの場合）、または層間剥離が進展しない場合（ステップＳ７においてＮの場合）はステップＳ２に戻り、最大荷重値になるまで処理を繰り返し実行する。これにより、層間剥離の評価結果が出力部３に出力されることになる。
【００２５】
以上説明したように、割れの発生判定と剥離の進展判定の二つの判定処理を設け、作用した荷重に対し、割れの発生判定を行い、割れが発生すれば、その割れを起点とする剥離の進展判定を行い、剥離が進展すれば、続けて剥離進展の評価（破壊に至るか）を行うようにしたため、欠陥の位置がわからなくても、層間剥離の進展を評価できる。また、剥離が進展しなければ、作用する荷重を変化させて次の割れ発生判定を行うようにしたため、想定される最大荷重値までの荷重が作用した場合の割れの発生具合を把握することができる。
【００２６】
なお、図１に示すＦＥＭモデル生成部１１、ＦＥＭ解析部１２及び評価部１３の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより積層板の層間剥離評価処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００２７】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す層間剥離評価装置１の処理動作を示すフローチャートである。
【図３】剥離進展判定を行う処理を示す説明図である。
【図４】剥離の進展方向を示す説明図である。
【図５】層間剥離が発生する原因を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・層間剥離評価装置、１１・・・ＦＥＭモデル生成部、１２・・・ＦＥＭ解析部、１３・・・評価部、１４・・・材料データ記憶部、１５・・・評価結果データ記憶部、２・・・入力部、３・・・出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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