(57)【要約】【課題】湾曲部を有する複合材について、種々の混合モードにおける層間強度を容易に評価する。【解決手段】層間に所定の大きさの欠陥が導入された湾曲部と湾曲部を挟んで２つの平面部１２ａ，１２ｂとを有する複合材１０に、一方の平面部１２ａにおける湾曲部の外側の湾曲面と同一面内にある面１４ａが固定され、他方の平面部１２ｂに対して所定角度で荷重が負荷される場合について、ＦＥＭ解析により算出された破壊力学パラメータから、所定角度でのモードＩとモードＩＩ、及び、モードＩとモードＩＩＩとの混合比率がそれぞれ算出される混合比率算出工程と、上記複合材１０に所定角度で荷重を負荷して層間強度を測定する強度測定工程と、所定の混合モードにおける複合材１０の層間強度を取得する強度取得工程とを備える複合材１０の層間強度の評価方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間に所定の大きさの欠陥が導入された湾曲部と該湾曲部を挟んで２つの平面部とを有する複合材に、
一方の前記平面部における前記湾曲部の外側の湾曲面と同一面内にある面が固定されるとともに、他方の前記平面部に対して所定の角度で荷重が負荷される場合について、前記欠陥でのモードＩ、モードＩＩ及びモードＩＩＩの破壊力学パラメータが、ＦＥＭ解析を用いてそれぞれ算出され、
該算出された破壊力学パラメータから、前記所定の角度での前記モードＩと前記モードＩＩとの混合比率、及び、前記モードＩと前記モードＩＩＩとの混合比率が算出される混合比率算出工程と、
前記ＦＥＭ解析に適用された前記欠陥と同一の大きさを有する欠陥が導入された前記複合材の一方の平面部における前記湾曲部の外側の湾曲面と同一面内にある面が固定され、
該固定された複合材の他方の平面部に所定の角度で荷重を負荷して、層間強度を測定する強度測定工程と、
対応する角度における前記層間強度の値と、前記モードＩと前記モードＩＩとの混合比率、及び、前記モードＩと前記モードＩＩＩとの混合比率とを関連付けて、所定の混合モードにおける前記複合材の層間強度を取得する強度取得工程とを備える複合材の層間強度の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材の層間剥離強度の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材として、例えば炭素繊維などの繊維で強化された樹脂シートを積層させて作製される樹脂基複合材がある。樹脂基複合材は、軽量で高強度であるため、航空機、自動車、船舶等の構造部材として広く用いられている。
樹脂基複合材では、層間強度が面内強度の１／１０程度と小さい。また、樹脂基複合材の製造工程において、シート状のプリプレグを重ねる際にシート間に異物が挟みこまれることがある。異物が存在している箇所ではシート同士が接着されず、異物が存在している箇所を起点として、層間剥離が発生して層間強度が低下する。そのため、異物混入を想定した複合材の層間強度評価が重要となっている。
【０００３】
ＪＩＳ  Ｋ  ７０８６（非特許文献１）には、層間に欠陥が導入された平板の炭素繊維強化プラスチックについて、モードＩ（開口型）及びモードＩＩ（面内せん断型）それぞれの変形モードを付与したときの破壊靭性値を測定する方法が規定されている。
【０００４】
また、例えばＬ字型に湾曲された湾曲部を有する繊維強化プラスチック部材について、湾曲部に導入された欠陥にモードＩの変形を付与する試験（腰曲げ試験）、及び、モードＩＩの変形を付与する試験（水平方向への引張試験）を実施して、各々のモードでの破壊靭性値を測定することが、一般的に行われている。
【０００５】
一方、ＡＳＴＭ  Ｄ６６７１（非特許文献２）には、平板の繊維強化プラスチック基材に対し、モードＩとモードＩＩの混合モードを付与し、破壊靭性値を測定する方法が規定されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本工業規格  ＪＩＳ  Ｋ  ７０８６  「炭素繊維強化プラスチックの層間破壊靭性試験方法」
【非特許文献２】米国材料試験協会規格  ＡＳＴＭ  Ｄ６６７１  “Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献２の試験方法は、荷重条件設定及び冶具設定が複雑であるため、試験を簡便に実施できない。
また、湾曲部を有する部材について、モードＩＩＩ（面外せん断型）での破壊靭性を測定する方法、及び、混合モードでの破壊靭性を測定する方法は確立されていない。
【０００８】
本発明は、湾曲部を有する複合材について、種々の混合モードにおける層間剥離強度を容易に評価する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、層間に所定の大きさの欠陥が導入された湾曲部と該湾曲部を挟んで２つの平面部とを有する複合材に、一方の前記平面部における前記湾曲部の外側の湾曲面と同一面内にある面が固定されるとともに、他方の前記平面部に対して所定の角度で荷重が負荷される場合について、前記欠陥でのモードＩ、モードＩＩ及びモードＩＩＩの破壊力学パラメータが、ＦＥＭ解析を用いてそれぞれ算出され、該算出された破壊力学パラメータから、前記所定の角度での前記モードＩと前記モードＩＩとの混合比率、及び、前記モードＩと前記モードＩＩＩとの混合比率が算出される混合比率算出工程と、前記ＦＥＭ解析に適用された前記欠陥と同一の大きさを有する欠陥が導入された前記複合材の一方の平面部における前記湾曲部の外側の湾曲面と同一面内にある面が固定され、該固定された複合材の他方の平面部に所定の角度で荷重を負荷して、層間強度を測定する強度測定工程と、対応する角度における前記層間強度の値と、前記モードＩと前記モードＩＩとの混合比率、及び、前記モードＩと前記モードＩＩＩとの混合比率とを関連付けて、所定の混合モードにおける前記複合材の層間強度を取得する強度取得工程とを備える複合材の層間強度の評価方法を提供する。
【００１０】
本発明によれば、湾曲部を有する複合材に負荷する荷重の角度を変えることにより、モードＩとモードＩＩとの混合モード、及び、モードＩとモードＩＩＩとの混合モードについて、種々の混合比率における複合材の層間剥離強度を、従来よりも簡便な方法により評価することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、任意の大きさの欠陥が導入された湾曲部を有する複合材について、種々の混合モードでの層間剥離強度を容易に評価することができる。
本発明によりえられた種々の混合モードでの層間剥離強度から、航空機などの構造部材の破壊靭性値の許容範囲を設定でき、許容される欠陥寸法を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】評価対象となる複合材の一例を示す概略図である。
【図２】欠陥の各変形モードを表す概略図である。
【図３】本発明の複合材の層間剥離強度を評価する方法を説明する概略図である。
【図４】破壊力学パラメータの荷重負荷角度依存性を表すグラフの一例である。
【図５】破壊力学パラメータから求められた混合比率ＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）の荷重負荷角度依存性を示すグラフである。
【図６】板厚方向の初期剥離位置とＦＥＭ解析により求められた破壊力学パラメータとの相関を表すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の複合材の層間剥離強度の評価方法の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、評価対象となる複合材の一例を示す概略図である。複合材１０は、例えば繊維強化樹脂シートを複数積層させて構成される樹脂基複合材とされる。図１に示す複合材１０は、Ｌ字型の湾曲部１１を有する。湾曲部１１の形状は、図１では平板を９０°に折り曲げたＬ字型（すなわち、湾曲部の内角が９０°）とされるが、これに限定されず、湾曲部１１の内角が鈍角または鋭角であっても良い。
複合材１０の湾曲部１１を挟んで両側は、平面部１２とされる。
【００１４】
複合材１０は、炭素繊維やガラス繊維などの繊維をエポキシ樹脂などで固定した繊維強化樹脂を主とする樹脂シート（プリプレグ）を複数枚積層されて構成されている。湾曲部１１には、所定の大きさの欠陥１３が導入されている。
【００１５】
本実施形態の複合材の層間剥離強度の評価方法を、以下に説明する。
（１）混合比率算出工程
図１に示される評価対象となる複合材及び欠陥の寸法が決定される。複合材１０は矩形とされ、湾曲される辺の長さがＬとされ、湾曲部１１に平行な辺の長さがＷとされる。
欠陥１３は、湾曲部１１内部に配置される。板厚方向において欠陥１３が配置される位置は、最も応力の高い場所とすることが好ましい。欠陥１３は矩形とされ、辺Ｌに平行な辺の長さがａとされ、幅Ｗに平行な辺の長さがｂとされる。欠陥１３は、複合材１０の辺Ｗに対して中央に配置され、辺Ｌから見た断面において湾曲部１１の中央部に配置される。また、欠陥１３の板厚方向の位置は、内側の湾曲面からの距離ｔｉとされる。
【００１６】
欠陥の変形モードは、図２に示すように、亀裂がｙ方向に開口する型がモードＩ、亀裂がｘ方向にずれる型がモードＩＩ、亀裂がｚ方向にずれる型がモードＩＩＩとされる。
図１の場合、欠陥において板厚方向に亀裂が開口する型がモードＩ、辺ａ上でのずれがモードＩＩ、辺ｂ上でのずれがモードＩＩＩに対応する。
【００１７】
上記欠陥が導入された複合材について、各変形モードにおける破壊力学パラメータをＦＥＭ計算で算出する。計算では、以下のように仮定する。
図３は、本実施形態の複合材の層間剥離強度を評価する方法を説明する概略図である。複合材１０は、図３に示される面が固定される。具体的に、辺Ｌが直線となる平面部の一方１２ａにおいて、湾曲部１１の外側の湾曲面と同一面内にある固定面１４ａが冶具１５に固定される。
【００１８】
固定されていない他方の平面部１２ｂに荷重が負荷される。荷重は、辺Ｌ側から見た断面面内において、平面部１２ｂに対して所定の角度で負荷される。図３に示すように、平面部１２ｂと荷重方向がなす角θは、平面部１２ｂを湾曲部の方へ圧縮する方向をマイナス（−）、平面部１２ｂを湾曲部から引っ張る方向をプラス（＋）とされる。なお、図３において、辺Ｗと平行な方向に対する荷重負荷角度は０°とされる。
【００１９】
上記Ｌ、Ｗ、ａ、ｂ、ｔｉ、複合材の板厚ｔ、湾曲部の曲率半径をパラメータとして、ＦＥＭ解析により、所定の角度θで任意の大きさの荷重が負荷された場合のモードＩ、モードＩＩ、及びモードＩＩＩの破壊力学パラメータＧＩ，ＧＩＩ，ＧＩＩＩが算出される。なお解析では、複合材の材料特性は、公知の物性を用いた。
【００２０】
図４は、破壊力学パラメータの荷重負荷角度依存性を表すグラフの一例である。同図において、縦軸は破壊力学パラメータ（任意スケール）、横軸は荷重負荷角度である。
図４には、図１にＡ点で示される欠陥の先端（荷重が負荷される側と反対の辺ｂ上の点）でのモードＩ及びモードＩＩの破壊力学パラメータＧＩ、ＧＩＩが示されている。欠陥の大きさを、ａ＝ｂ、ａ／Ｌ≪１、ｂ／Ｗ≪１（複合材に比べて欠陥が十分に小さい場合）と仮定して算出した。ＦＥＭ解析には、任意の材料特性を適用した。
図４に示すように、荷重の負荷角度θを変えることにより、破壊力学パラメータＧＩ、ＧＩＩの値が変化する。
【００２１】
ＦＥＭ解析により求められた破壊力学パラメータから、各荷重負荷角度でのモードＩ及びモードＩＩの混合比率ＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）を取得する。図５は、図４に示される破壊力学パラメータから求められた混合比率ＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）の荷重負荷角度依存性を示すグラフである。同図において、縦軸は混合比率、横軸は荷重負荷角度である。なお、破壊力学パラメータＧＩ、ＧＩＩは荷重値により変化するが、混合比率ＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）は荷重の大きさに依存しない値となる。
図５に示されるように、荷重の負荷角度が変化することにより、混合比率が変化する。荷重の負荷角度が＋４５°の時、混合比率はＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）＝０となり、変形モードはモードＩとされる。荷重の負荷角度が９０°の時、混合比率はＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）＝１となり、変形モードはモードＩＩとされる。
【００２２】
上記と同様にして、ＦＥＭ解析により種々の角度で荷重が負荷された場合のモードＩ及びモードＩＩＩの破壊力学パラメータＧＩ，ＧＩＩＩが算出される。更に、破壊力学パラメータＧＩ，ＧＩＩＩから、混合比率ＧＩＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩＩ）の荷重負荷角度依存性が取得される。
【００２３】
ＦＥＭ解析による計算において設定される欠陥の比率ａ／ｂを変化させることにより、破壊力学パラメータＧＩ，ＧＩＩ，ＧＩＩＩの値が変化する。これにより、混合比率ＧＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩ）とＧＩＩＩ／（ＧＩ＋ＧＩＩＩ）とのバランスを変えることができる。
例えば、ａ／Ｌ＝１（ａ／ｂ＝∞）の場合、辺Ｌ方向に複合材を貫通する欠陥が導入されることになる。この場合、辺ａ上の欠陥端部は、モードＩとモードＩＩＩの混合モードにより変形する。
また、ｂ／Ｗ＝１（ａ／ｂ≒０）の場合、辺Ｗ方向に複合材を貫通する欠陥が導入されることになる。この場合、荷重が負荷される側及びその反対の辺ｂ上の欠陥端部は、モードＩとモードＩＩの混合モードにより変形する。
【００２４】
（２）強度測定工程
図１に示される複合材１０が作製される。複合材１０の作製では、内側の湾曲面１１からの距離ｔｉに相当する層間に欠陥１３とされるフィルムが挿入されるように、プリプレグを積層させる。ここで挿入されるフィルムは、例えばホリイミドフィルム、ポリテトラフルオロエチレン、アルミニウム箔などとされる。フィルムの大きさは、（１）でのＦＥＭ解析に適用した欠陥１３と同じ大きさとされる。すなわち、一辺がａ，ｂとされるフィルムがプリプレグの間に挿入される。
積層されたプリプレグは、図１に示す形状（ＦＥＭ解析対象とした複合材と同じ形状）となるように湾曲された後、加熱されて硬化される。
【００２５】
硬化された複合材１０は、（１）と同じ面１４ａが冶具１５で固定される（図３参照）。要すれば，治具１５の仕様に応じて，複合材１０に加工を施す。
冶具１５で固定されていない方の平坦部１２ｂに対し、所定の角度で荷重が負荷される。荷重の大きさは、例えば５０ｋｇｆ〜５００ｋｇｆ程度とされる。
【００２６】
荷重の負荷角度は、ＦＥＭ解析での荷重負荷角度と同様とされる。
辺Ｗと平行な方向に対する荷重負荷角度は０°とされる。−９０°＜θ≦０°の場合は、平坦部１２ｂの内側の湾曲面と同一面内にある面（図３における１６ａ）に対して荷重が負荷される。０°≦θ＜＋９０°の場合、平坦部１２ｂの外側の湾曲面と同一面内にある面（図３における１６ｂ）を引っ張る方向に、荷重が負荷される。θ＝−９０°及び＋９０°の場合は、複合材１０の側面（図３における１６ｃ）に荷重が負荷される。
上記はあくまで一例であり、治具１５と複合材１０との組み合わせにより荷重負荷方向は変化されても良い。ただし、ＦＥＭ解析を行う際は、治具１５及び複合材１０の組み合わせを考慮した境界条件が設定される必要がある。
【００２７】
複合材に上記荷重が負荷され、剥離（欠陥）が進展を開始したときの荷重が、層間剥離強度として測定される。
【００２８】
（３）強度取得工程
（１）で求められた荷重負荷角度と混合比率との関係と、（２）で測定された各々の荷重負荷角度での層間剥離強度とを対応させる。すなわち、同じ荷重負荷角度のとき、その混合比率での混合モードにおける複合材の層間剥離強度とみなす。
【００２９】
本実施形態により得られた種々の混合比率（混合モード）での層間剥離強度から、複合材からなる構造部材の破壊靭性値の許容範囲を決定することができ、許容される欠陥寸法を設定することができる。
【００３０】
許容欠陥寸法設定方法の例を、以下に具体的に説明する。
図６は、板厚方向の初期剥離（欠陥）位置とＦＥＭ解析により求められた破壊力学パラメータとの相関を表すグラフの一例である。図６は、荷重負荷角度０°、ａ＝ｂ＝１２．７ｍｍ、ａ／Ｌ≪１、ｂ／Ｗ≪１の条件での結果である。同図において、横軸は板厚方向の剥離位置、縦軸はモードＩについて破壊限界の破壊力学パラメータＧＩＣ（破壊靭性値）に対する欠陥位置での破壊力学パラメータＧＩの割合である。なお、板厚方向の剥離位置は、複合材の板厚ｔに対する欠陥の内側の湾曲面からの距離ｔｉの割合として表した。
【００３１】
図６に示すように、湾曲部を有する複合材に任意荷重を与える場合、初期剥離の板厚方向の距離ｔｉに応じて破壊力学パラメータ値は異なる。図６では、ｔｉ／ｔ＝３０％の場合ＧＩ／ＧＩＣ≒０．８５であり、ｔｉ／ｔ＝５０％の場合ＧＩ／ＧＩＣ≒０．７０である。
例えば、構造材の設計においてＧＩ／ＧＩＣ＜０．９と設定する場合、モードＩにおける初期剥離の許容寸法は、図６の取得で用いられたａ＝ｂ＝１２．７ｍｍよりも大きくなる。また、ｔｉ／ｔ＝５０％の方がＧＩ／ＧＩＣが低いことから、ｔｉ／ｔ＝３０％よりも初期剥離の許容寸法を大きくすることができる。
【００３２】
板厚方向の初期剥離位置と各変形モードでの破壊力学パラメータとの相関を表すグラフは、種々の荷重負荷角度について取得される。こうすることで、板厚方向の初期剥離の位置及び荷重負荷角度に応じた各変形モードでの許容欠陥寸法を設定することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  複合材
１１  湾曲部
１２，１２ａ，１２ｂ  平面部
１３  欠陥
１４ａ  固定面
１５  冶具
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  荷重が負荷される面
【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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【図６】
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