(57)【要約】【課題】板厚変化部における応力の集中を緩和しつつ、板厚変化部の変化量を増大させて、板厚変化部の重量を軽減することができる複合材の設計方法等を提供する。【解決手段】複数の強化繊維基材１ａを積層して形成される複合材１を設計する設計方法であって、複合材１は、板厚変化部１３を有し、板厚変化部１３は、ドロップオフ部２３ａが形成される切断基材２３を含み、板厚変化部１３において、複数の強化繊維基材１ａの１層をベース基材２１とし、ベース基材２１と対向する強化繊維基材１ａをカバー基材２２とし、ベース基材２１とカバー基材２２との間に位置する強化繊維基材１ａを切断基材２３として設定する基材設定工程Ｓ１と、これらの基材２１、２２、２３を応力解析して評価値を算出する評価値算出工程Ｓ２と、評価値に基づいて、板厚変化部１３における切断基材２３を設定する切断基材配置工程Ｓ３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材を設計する複合材の設計方法であって、
前記複合材は、前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、
前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成される前記繊維強化基材を含み、
前記厚さ変化部において、前記積層方向に重なる複数の前記強化繊維基材のうち、１層となる前記強化繊維基材をベース基材とし、前記積層方向において前記ベース基材と対向する前記強化繊維基材をカバー基材とし、前記ベース基材と前記カバー基材との間に位置する前記ドロップオフ部を有する前記強化繊維基材を切断基材として設定する基材設定工程と、
前記基材設定工程において設定された前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材に基づく応力解析を実行して、前記切断基材に対する応力に関する評価値を算出する評価値算出工程と、
前記評価値算出工程において算出された前記評価値に基づいて、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を、前記切断基材として設定する切断基材配置工程と、を備えることを特徴とする複合材の設計方法。
【請求項２】
前記基材設定工程では、積層される複数の前記強化繊維基材に対して、前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材からなる積層構造を複数設定し、
前記評価値算出工程では、設定された複数の前記積層構造について、それぞれの前記積層構造の前記切断基材に対する応力集中の度合いを含む変数に基づいて前記評価値を算出し、
前記切断基材配置工程では、複数の前記評価値に基づいて、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を前記切断基材として設定することを特徴とする請求項１に記載の複合材の設計方法。
【請求項３】
前記基材設定工程では、積層される複数の前記強化繊維基材に対して、前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材からなる積層構造を複数設定し、
前記評価値算出工程では、設定された複数の前記積層構造について、それぞれの前記積層構造の前記切断基材に対するせん断応力の大きさを、前記評価値として算出し、
前記切断基材配置工程では、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を前記切断基材として設定し、前記切断基材が設定されることで前記積層構造が変更され、変更後の複数の前記積層構造の評価値を合算した合算値を算出すると共に、前記切断基材として設定される所定の前記強化繊維基材を異ならせながら、変更後の複数の前記積層構造の前記合算値を複数算出し、複数の前記合算値の中で、予め設定されたしきい値よりも小さくなる前記合算値に対応する所定の前記強化繊維基材を、前記切断基材として選択し、且つ、選択された前記切断基材における前記評価値が、薄肉側に比して厚肉側で大きな値となるものを、前記切断基材として選択することを特徴とする請求項１に記載の複合材の設計方法。
【請求項４】
前記切断基材配置工程では、複数の前記評価値の中で、同じ前記評価値がある場合、前回に設定した前記切断基材の前記ドロップオフ部の位置と、同じ前記評価値に対応する前記積層構造の前記切断基材の前記ドロップオフ部のそれぞれの位置との距離を比較し、前記距離が離れている方の前記切断基材を選択して設定することを特徴とする請求項２または３に記載の複合材の設計方法。
【請求項５】
複数の強化繊維基材を積層して形成された複合材を評価する複合材の評価方法であって、
前記複合材は、前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、
前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成される前記繊維強化基材を含み、
前記厚さ変化部において、前記積層方向に重なる複数の前記強化繊維基材のうち、１層となる前記強化繊維基材をベース基材とし、前記積層方向において前記ベース基材と対向する前記強化繊維基材をカバー基材とし、前記ベース基材と前記カバー基材との間に位置する前記ドロップオフ部を有する前記強化繊維基材を切断基材として設定する基材設定工程と、
前記基材設定工程において設定された前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材に基づく応力解析を実行して、前記切断基材に対する応力に関する評価値を算出する評価値算出工程と、を備えることを特徴とする複合材の評価方法。
【請求項６】
複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材であって、
前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、
前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成された前記強化繊維基材である複数の切断基材を含み、複数の前記切断基材を含む複数の前記強化繊維基材を積層して形成され、
複数の前記切断基材の前記ドロップオフ部は、前記厚さ変化部の厚肉側から薄肉側に向かう方向において、厚肉側の前記ドロップオフ部と、厚肉側の前記ドロップオフ部に隣接する薄肉側の前記ドロップオフ部とが、積層方向において、１層以上となる前記強化繊維基材を介した位置関係となっており、
前記位置関係は、複数の前記ドロップオフ部の全てにおいて成り立っていることを特徴とする複合材。
【請求項７】
前記強化繊維基材は、繊維方向を一方向に揃えたプライ基材であり、
前記積層方向に直交する面内において、基準となる基準方向と、前記プライ基材の前記繊維方向とが為す角度を配向角度としており、
前記積層方向の中央を通る線である中心線を挟んで、一方側にある積層された複数の前記強化繊維基材からなる一方側積層構造と、
前記中心線を挟んで、他方側にある積層された残りの複数の前記強化繊維基材からなる他方側積層構造と、を有し、
前記一方側積層構造と前記他方側積層構造とは、前記強化繊維基材の前記配向角度が、前記中心線を中心に対称となる対称積層となっており、
複数の前記切断基材の前記ドロップオフ部は、前記厚さ変化部の厚肉側から薄肉側に向かう方向において、前記一方側積層構造と前記他方側積層構造とに交互に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の複合材。
【請求項８】
前記厚さ変化部の薄肉側に設けられる薄肉部と、
前記厚さ変化部の厚肉側に設けられる厚肉部と、を有し、
前記薄肉部の厚さが前記厚肉部まで至る部位がベースラインとなっており、
前記切断基材は、前記ベースラインに含まれることを特徴とする請求項６または７に記載の複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材の設計方法、複合材の評価方法及び複合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材の設計方法として、異なる配向性を有する積層プライの配向角度を最適化する複合パネルの設計方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１１−５０６７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、複数の強化繊維基材を積層して形成される、例えば、板状の複合材は、積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化するテーパー形状の板厚変化部（厚さ変化部）を有している。板厚変化部は、積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成される繊維強化基材を含んでいる。一般的に、板厚変化部を形成する場合、繊維強化基材のドロップオフ部が、薄肉側から厚肉側に向かって、積層方向の下層から上層に位置するように、ドロップオフ部が形成される繊維強化基材を、階段状（ピラミッド状）に積層する。
【０００５】
ここで、板厚変化部は、応力が集中し易いものとなっている。ドロップオフ部が形成される繊維強化基材を階段状に積層する場合、板厚変化部に加わる応力が集中することを緩和すべく、板厚変化部の変化量を緩やかなものとしている。つまり、板厚変化部のテーパー形状のテーパー比（積層方向における高さ：厚肉から薄肉へ向かう方向における長さ）が緩やかなものとなるように、積層方向における高さに対して、厚肉から薄肉へ向かう方向における長さを長くする。
【０００６】
しかしながら、板厚変化部の変化量を緩やかなものにすると、板厚変化部の変化量を急なものとした場合に比べて、余分に厚肉部分が形成されてしまうことから、複合材の重量が増大してしまう。一方で、板厚変化部の変化量が急な（増大する）ものとなるように、ドロップオフ部が形成される繊維強化基材を、階段状に積層すると、強度の低下を招き、板厚変化部への応力による影響が増大してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、厚さ変化部における強度を向上させつつ、厚さ変化部の変化量を増大させて、厚さ変化部の重量を軽減することができる複合材の設計方法、複合材の評価方法及び複合材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の複合材の設計方法は、複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材を設計する複合材の設計方法であって、前記複合材は、前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成される前記繊維強化基材を含み、前記厚さ変化部において、前記積層方向に重なる複数の前記強化繊維基材のうち、１層となる前記強化繊維基材をベース基材とし、前記積層方向において前記ベース基材と対向する前記強化繊維基材をカバー基材とし、前記ベース基材と前記カバー基材との間に位置する前記ドロップオフ部を有する前記強化繊維基材を切断基材として設定する基材設定工程と、前記基材設定工程において設定された前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材に基づく応力解析を実行して、前記切断基材に対する応力に関する評価値を算出する評価値算出工程と、前記評価値算出工程において算出された前記評価値に基づいて、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を、前記切断基材として設定する切断基材配置工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、ベース基材、切断基材及びカバー基材を応力解析して、切断基材に対する評価値を算出することができ、また、この評価値に基づいて、所定の強化繊維基材を、切断基材として設定することができる。このため、例えば、応力が集中し難い強化繊維基材を切断基材として設定したり、せん断応力の大きさが小さい強化繊維基材を切断基材として設定したりすることで、厚さ変化部における強度を向上させることができる。このとき、強度を向上させた分だけ、厚さ変化部の変化量を増大させる、すなわち、厚さ変化部の厚さを薄くすることができるため、複合材の重量軽減を図ることができる。
【００１０】
また、前前記基材設定工程では、積層される複数の前記強化繊維基材に対して、前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材からなる積層構造を複数設定し、前記評価値算出工程では、設定された複数の前記積層構造について、それぞれの前記積層構造の前記切断基材に対する応力集中の度合いを含む変数に基づいて前記評価値を算出し、前記切断基材配置工程では、複数の前記評価値に基づいて、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を前記切断基材として設定することが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、厚さ変化部において、複数の切断基材がある場合、複数の強化繊維基材の中において、複数の評価値に基づいて、複数の切断基材を設定することができる。このため、厚さ変化部における応力集中の緩和を図ることができる。
【００１２】
また、前記基材設定工程では、積層される複数の前記強化繊維基材に対して、前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材からなる積層構造を複数設定し、前記評価値算出工程では、設定された複数の前記積層構造について、それぞれの前記積層構造の前記切断基材に対するせん断応力の大きさを、前記評価値として算出し、前記切断基材配置工程では、前記厚さ変化部における所定の前記強化繊維基材を前記切断基材として設定し、前記切断基材が設定されることで前記積層構造が変更され、変更後の複数の前記積層構造の評価値を合算した合算値を算出すると共に、前記切断基材として設定される所定の前記強化繊維基材を異ならせながら、変更後の複数の前記積層構造の前記合算値を複数算出し、複数の前記合算値の中で、予め設定されたしきい値よりも小さくなる前記合算値に対応する所定の前記強化繊維基材を、前記切断基材として選択し、且つ、選択された前記切断基材における前記評価値が、薄肉側に比して厚肉側で大きな値となるものを、前記切断基材として選択することが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、厚さ変化部において、複数の切断基材がある場合、せん断応力の全体的な評価値を小さくできる複数の切断基材を選択することができる。また、選択された切断基材の中で、評価値が大きいものを、厚肉側に配置することができる。このため、厚さ変化部のせん断強度の向上を図ることができる。
【００１４】
また、前記切断基材配置工程では、複数の前記評価値の中で、同じ前記評価値がある場合、前回に設定した前記切断基材の前記ドロップオフ部の位置と、同じ前記評価値に対応する前記積層構造の前記切断基材の前記ドロップオフ部のそれぞれの位置との距離を比較し、前記距離が離れている方の前記切断基材を選択して設定することが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、前回に設定した切断基材のドロップオフ部の位置と、今回設定される切断基材のドロップオフ部の位置とを離すことができるため、応力が集中し易いドロップオフ部同士の位置を離すことで、ドロップオフ部の強度を向上させることができる。
【００１６】
本発明の複合材の評価方法は、複数の強化繊維基材を積層して形成された複合材を評価する複合材の評価方法であって、前記複合材は、前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成される前記繊維強化基材を含み、前記厚さ変化部において、前記積層方向に重なる複数の前記強化繊維基材のうち、１層となる前記強化繊維基材をベース基材とし、前記積層方向において前記ベース基材と対向する前記強化繊維基材をカバー基材とし、前記ベース基材と前記カバー基材との間に位置する前記ドロップオフ部を有する前記強化繊維基材を切断基材として設定する基材設定工程と、前記基材設定工程において設定された前記ベース基材、前記切断基材及び前記カバー基材に基づく応力解析を実行して、前記切断基材に対する応力に関する評価値を算出する評価値算出工程と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、ベース基材、切断基材及びカバー基材を応力解析して、切断基材に対する評価値を算出することができる。このため、既存の複合材に対する応力の影響を評価することができる。
【００１８】
本発明の複合材は、複数の強化繊維基材を積層して形成される複合材であって、前記積層方向における厚さが厚肉から薄肉となるように変化する厚さ変化部を有し、前記厚さ変化部は、前記積層方向に沿って切断した端部であるドロップオフ部が形成された前記強化繊維基材である複数の切断基材を含み、複数の前記切断基材を含む複数の前記強化繊維基材を積層して形成され、複数の前記切断基材の前記ドロップオフ部は、前記厚さ変化部の厚肉側から薄肉側に向かう方向において、厚肉側の前記ドロップオフ部と、厚肉側の前記ドロップオフ部に隣接する薄肉側の前記ドロップオフ部とが、積層方向において、１層以上となる前記強化繊維基材を介した位置関係となっており、前記位置関係は、複数の前記ドロップオフ部の全てにおいて成り立っていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、厚さ変化部における強度を向上させつつ、重量の軽減を図ることができる複合材を提供することができる。
【００２０】
また、前記強化繊維基材は、繊維方向を一方向に揃えたプライ基材であり、前記積層方向に直交する面内において、基準となる基準方向と、前記プライ基材の前記繊維方向とが為す角度を配向角度としており、前記積層方向の中央を通る線である中心線を挟んで、一方側にある積層された複数の前記強化繊維基材からなる一方側積層構造と、前記中心線を挟んで、他方側にある積層された残りの複数の前記強化繊維基材からなる他方側積層構造と、を有し、前記一方側積層構造と前記他方側積層構造とは、前記強化繊維基材の前記配向角度が、前記中心線を中心に対称となる対称積層となっており、複数の前記切断基材の前記ドロップオフ部は、前記厚さ変化部の厚肉側から薄肉側に向かう方向において、前記一方側積層構造と前記他方側積層構造とに交互に配置されていることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、複合材が対称積層である場合に、応力の影響を受けやすいドロップオフ部同士の距離を離すことができるため、ドロップオフ部の強度を向上させることができる。
【００２２】
また、前記厚さ変化部の薄肉側に設けられる薄肉部と、前記厚さ変化部の厚肉側に設けられる厚肉部と、を有し、前記薄肉部の厚さが前記厚肉部まで至る部位がベースラインとなっており、前記切断基材は、前記ベースラインに含まれることが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、ベースライン内に、切断基材のドロップオフ部を設けることができるため、厚さ変化部の全域に切断基材のドロップオフ部を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施形態１に係る複合材の設計方法の対象となる一例の複合材を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、実施形態１に係る複合材の積層構造を示す断面図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る複合材の設計方法のフローチャートである。
【図４】図４は、実施形態１に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。
【図５】図５は、実施形態１に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。
【図６】図６は、実施形態２に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。
【図７】図７は、実施形態２に係る複合材の設計方法の効果を示す図である。
【図８】図８は、実施形態２に係る複合材に応力を与えたときの遷移を示す図である。
【図９】図９は、実施形態２の複合材に比して悪条件となるように設計した複合材に応力を与えたときの遷移を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態３に係る複合材の評価方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
【００２６】
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る複合材の設計方法の対象となる一例の複合材を模式的に示す断面図である。図２は、実施形態１に係る複合材の積層構造を示す断面図である。図３は、実施形態１に係る複合材の設計方法のフローチャートである。図４は、実施形態１に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。図５は、実施形態１に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。
【００２７】
実施形態１に係る複合材１の設計方法は、複合材１の厚さが変化する厚さ変化部の積層構造を最適化するための手法であり、この最適化を行うことで、厚さ変化部における強度を維持しつつ、余分な厚みの形成を抑制して、重量の軽減を図るものとなっている。先ず、複合材１の設計方法の説明に先立ち、この設計方法により形成された複合材１について説明する。
【００２８】
複合材１は、図１に示すように、航空機等の様々な箇所に用いられており、例えば、航空機の開口部に設けられる補強部（パッドアップ部ともいう）周り、航空機の部品を結合する結合部周り、翼根から翼端へ向かう部位等に適用することができる。つまり、複合材１は、厚さ変化部を有するものであれば、航空機のいかなる箇所に適用できる。また、複合材１は、航空機以外の複合構造体に適用してもよい。
【００２９】
複合材１は、複数の強化繊維基材１ａを積層して板状に形成されている。強化繊維基材１ａは、強化繊維に樹脂が含浸されたものであり、強化繊維の繊維方向を一方向に引き揃えたプライ（プライ基材）である。プライは、積層方向に直交する面内において、基準となる基準方向と、プライの繊維方向とが為す角度を配向角度としている。つまり、基準方向と繊維方向とが同じ方向である場合、配向角度は、０°となる。実施形態１の複合材１においては、配向角度が０°、±４５°、９０°となるプライが用いられている。なお、用いるプライとしては、上記の配向角度に特に限定されず、例えば、配向角度が±１５°、±６０°等となるプライを用いてもよい。
【００３０】
また、複合材１は、図２に示すように、積層方向の中央を通る線である中心線Ｉを挟んで、一方側（図２の上側）にある積層された複数の強化繊維基材１ａからなる上側積層構造（一方側積層構造）５と、中心線Ｉを挟んで、他方側（図２の下側）にある積層された残りの複数の強化繊維基材１ａからなる下側積層構造（他方側積層構造）６と、を有している。上側積層構造５と下側積層構造６とは、強化繊維基材１ａの配向角度が、中心線Ｉを中心に対称となる対称積層となっている。
【００３１】
この複合材１は、図１及び図２に示すように、厚肉部１１と、薄肉部１２と、板厚変化部（厚さ変化部）１３とを有している。
【００３２】
厚肉部１１は、積層方向における厚さが、薄肉部１２に比して厚くなる部位である。厚肉部１１は、図２に示すように、一例として、１層となる強化繊維基材１ａを１６層積層することで形成されている。薄肉部１２は、積層方向における厚さが、厚肉部１１に比して薄くなる部位である。薄肉部１２は、図２に示すように、一例として、１層となる強化繊維基材１ａを８層積層することで形成されている。なお、厚肉部１１及び薄肉部１２の積層数は、一例であり、複合材１に要求される性能に応じて適宜変化する。ここで、図２に示すように、薄肉部１２の厚さが厚肉部１１まで至る部位がベースライン１５となっている。
【００３３】
板厚変化部１３は、厚肉部１１と薄肉部１２との間に設けられ、厚肉部１１、板厚変化部１３及び薄肉部１２は、連続して一体に形成されている。板厚変化部１３は、積層方向における厚さが、厚肉部１１から薄肉部１２に向かって薄くなる部位である。板厚変化部１３は、図２に示すように、一例として、１６層となる厚肉部１１から８層となる薄肉部１２へ向かって板厚が薄くなるように、８層の強化繊維基材１ａを順に減らすことで、板厚を変化させている。
【００３４】
具体的に、板厚変化部１２において減らされる強化繊維基材１ａは、切断基材２３であり、切断基材２３は、積層方向に沿って切断した薄肉部１２側の端部であるドロップオフ部２３ａが形成されている。切断基材２３は、積層方向における両側の強化繊維基材１ａにより挟まれて設けられ、板厚変化部１２において複数（８層）配置されていることから、ドロップオフ部２３ａも板厚変化部１２において複数（８個）配置されている。なお、複合材１は、積層方向における最上面及び最下面の強化繊維基材１ａが、被覆層となっていることから、最上面及び最下面の強化繊維基材１ａを切断基材２３とすることはない。
【００３５】
ここで、８個のドロップオフ部２３ａについて、厚肉部１１から薄肉部１２に向かう方向（所定方向：図２の左側から右側に向かう方向）から順に、ドロップオフ部２３ａ１、ドロップオフ部２３ａ２、・・・、ドロップオフ部２３ａ８とする。このとき、所定方向において、厚肉側のドロップオフ部２３ａと、厚肉側のドロップオフ部２３ａに隣接する薄肉側のドロップオフ部２３ａとが、積層方向において、１層以上となる強化繊維基材１ａを介した位置関係となっている。例えば、厚肉側のドロップオフ部２３ａがドロップオフ部２３ａ１であり、薄肉側のドロップオフ部２３ａがドロップオフ部２３ａ２である場合、積層方向において、ドロップオフ部２３ａ１とドロップオフ部２３ａ２との間には、４層の強化繊維基材１ａが積層されている。この位置関係は、複数（８層）のドロップオフ部２３ａの全てにおいて、つまり、ドロップオフ部２３ａ２とドロップオフ部２３ａ３との間、ドロップオフ部２３ａ３とドロップオフ部２３ａ４との間、・・・、ドロップオフ部２３ａ７とドロップオフ部２３ａ８との間において、成り立っている。
【００３６】
そして、上記のように板厚変化部１３にドロップオフ部２３ａが配置されることで、複数のドロップオフ部２３ａは、所定方向において、上側積層構造５と下側積層構造６とに交互に配置されることになる。つまり、下側積層構造６には、ドロップオフ部２３ａ１、ドロップオフ部２３ａ３、ドロップオフ部２３ａ５、ドロップオフ部２３ａ７が配置され、上側積層構造５には、ドロップオフ部２３ａ２、ドロップオフ部２３ａ４、ドロップオフ部２３ａ６、ドロップオフ部２３ａ８が配置される。また、ドロップオフ部２３ａを有する複数の切断基材２３は、その一部の切断基材２３が、ベースライン１５内に含まれる。このため、ベースライン１５内には、ドロップオフ部２３ａが配置される。
【００３７】
次に、図３から図５を参照して、上記の複合材１を設計する設計方法に関するフローについて説明する。実施形態１に係る複合材１の設計方法は、図示しないコンピュータを用いて、複合材１の応力解析を行い、応力解析の結果に基づいて、複合材１の積層構造に関する設計を行っている。
【００３８】
先ず、コンピュータは、オペレータの操作に基づいて、基材設定工程Ｓ１を行う。基材設定工程Ｓ１では、板厚変化部１３において、複数の強化繊維基材１ａのうち、１層の強化繊維基材１ａをベース基材２１とし、ベース基材２１と対向する強化繊維基材１ａをカバー基材２２とし、ベース基材２１とカバー基材２２との間に位置する強化繊維基材１ａを切断基材２３として設定する（ステップＳ１：基材設定工程）。ここで、ベース基材２１及びカバー基材２２は、積層方向において、切断基材２３の両側に設けられるドロップオフ部２３ａが形成されない所定方向に延在する強化繊維基材１ａとなっている。そして、切断基材２３のドロップオフ部２３ａが、積層方向の両側のベース基材２１及びカバー基材２２に覆われることで、樹脂が流入する空間となるポケット２４が形成される。
【００３９】
基材設定工程Ｓ１では、図４に示すように、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造３１を複数設定する。ここで、積層方向における最上面及び最下面の強化繊維基材１ａは被覆層となっていることから、最上面及び最下面の強化繊維基材１ａの間の強化繊維基材１ａを対象に、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２を設定する。具体的に、対象となる強化繊維基材１ａは、１４層の強化繊維基材１ａとなっており、３層の積層構造３１を積層方向に１層ずつずらして設定することで、１２組の積層構造３１が設定される。
【００４０】
次に、コンピュータは、３層の積層構造３１のそれぞれについて、応力解析を実行する（ステップＳ２：評価値算出工程）。評価値算出工程Ｓ２では、図５に示すように、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造３１に対して、所定方向（図５では、層間に沿った方向）に沿った引張応力等の応力を付与して応力解析を実行し、切断基材２３に対する応力集中の度合いに関する評価値を算出する。
【００４１】
評価値は、一例として、下記する（１）式により算出される。ここで、σは、応力であり、ｒは、図５に示す原点Ｏからの距離であり、λは、特異性指数であり、Ｋは、応力係数となっている。なお、応力σは、せん断応力またはミーゼス応力等であり、特に限定されない。また、なお、下記する（１）式は、一例であり、λまたはＫの他、他の変数を含んで立式されたものであってもよく、特に限定されない。
σ＝（Ｋ／ｒλ）      ・・・（１）
【００４２】
評価値算出工程Ｓ２では、複数の積層構造３１における複数の切断基材２３のそれぞれについて、（１）式に基づき評価された、すなわち、λおよびＫを考慮した評価値を算出する。評価値の算出結果は、図４に示すとおり、切断基材２３の対象となる強化繊維基材１ａに対して、例えば、評価値Ａ〜Ｌが算出される。なお、図４に示す評価値は、初期の算出結果となっており、後述する切断基材配置工程Ｓ３において切断基材２３が設定されると、複合材１の積層構造の一部が変化することから、変化した部分について、改めて評価値を設定する。
【００４３】
続いて、コンピュータは、オペレータの操作により、評価値に基づいて、板厚変化部１３における所定の強化繊維基材１ａを、切断基材２３として設定する（ステップＳ３：切断基材配置工程）。切断基材配置工程Ｓ３では、算出された複数の評価値に基づいて、板厚変化部１３への応力集中が緩和されるように、切断基材２３を設定する。このように設定することで、図２に示すように、ドロップオフ部２３ａ１〜２３ａ８を有する複数の切断基材２３が設定される。なお、切断基材配置工程Ｓ３では、切断基材２３を設定することにより、積層構造３１が変化する場合、同じ積層構造３１となる評価値を適用してもよいし、再度応力解析を行って評価値を算出してもよい。
【００４４】
上記のように切断基材２３を設定することで、図２に示す積層構造となる複合材１が設計される。
【００４５】
以上のように、実施形態１によれば、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基２２を応力解析して、切断基材２３に対する評価値を算出することができ、また、この評価値に基づいて、所定の強化繊維基材１ａを、切断基材２３として設定することができる。このため、応力が集中し難い強化繊維基材１ａを切断基材２３として設定することで、板厚変化部１３における応力の集中を緩和することができる。このとき、応力の集中が緩和できる分だけ、板厚変化部１３の変化量を増大させる、すなわち、板厚変化部１３の厚さを薄くすることができるため、複合材１の重量軽減を図ることができる。
【００４６】
また、実施形態１によれば、板厚変化部１３において、複数の切断基材２３がある場合、複数の強化繊維基材１ａの中において、複数の評価値に基づいて、複数の切断基材２３を設定することができる。
【００４７】
また、実施形態１によれば、前回に設定した切断基材２３のドロップオフ部２３ａの位置と、今回設定される切断基材２３のドロップオフ部２３ａの位置とを離すことができる。このため、複合材１が対称積層である場合であっても、応力が集中し易いドロップオフ部２３ａ同士の位置を離すことで、ドロップオフ部２３ａへの応力集中をより緩和することができる。
【００４８】
また、実施形態１によれば、応力集中が緩和された、重量の軽減を図ることができる複合材１を提供することができる。
【００４９】
［実施形態２］
次に、図６から図９を参照して、実施形態２に係る複合材の設計方法について説明する。図６は、実施形態２に係る複合材の設計方法を説明する一例の説明図である。図７は、実施形態２に係る複合材の設計方法の効果を示す図である。図８は、実施形態２に係る複合材に応力を与えたときの遷移を示す図である。図９は、実施形態２の複合材に比して悪条件となるように設計した複合材に応力を与えたときの遷移を示す図である。実施形態２に係る複合材の設計方法は、実施形態１の複合材１の設計方法とほぼ同様の工程を含んでいることから、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施形態２に係る複合材１の設計方法は、実施形態１の評価値に代えて、せん断応力の大きさτｍａｘを評価値として用いている。具体的に、評価値τｍａｘは、応力解析によって求められるせん断応力の最大値である。
【００５０】
実施形態２の複合材の設計方法は、実施形態１とほぼ同様の工程となっており、図３に示すように、基材設定工程Ｓ１、評価値算出工程Ｓ２、切断基材配置工程Ｓ３を順に行っている。
【００５１】
基材設定工程Ｓ１では、図６に示すように、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造３１を複数設定する。なお、基材設定工程Ｓ１は、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００５２】
次に、評価値算出工程Ｓ２では、図５に示すように、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造３１に対して、所定方向（図５では、層間に沿った方向）に沿った引張応力等の応力を付与して応力解析を実行し、切断基材２３に対するせん断応力の最大値τｍａｘを、評価値τｍａｘとして算出する。
【００５３】
評価値算出工程Ｓ２では、複数の積層構造３１における複数の切断基材２３のそれぞれについて評価値τｍａｘを算出する。評価値τｍａｘの算出結果は、図６に示す数値となっている。なお、図６に示す数値は、初期の算出結果となっており、後述する切断基材配置工程Ｓ３において切断基材２３が設定されると、複合材１の積層構造の一部が変化することから、変化した部分について、改めて評価値τｍａｘを設定する。ここで、評価値τｍａｘは、数値が小さいほど、せん断応力の大きさが低いものとなっている。
【００５４】
切断基材配置工程Ｓ３では、板厚変化部１３における所定（実施形態２では、例えば、８層）の強化繊維基材１ａを切断基材２３として設定し、８層の切断基材２３の組み合わせを１セットとする。１セットの組み合わせとなる切断基材２３が設定されると積層構造３１が変更されることから、切断基材配置工程Ｓ３では、変更後の複数の積層構造３１について評価値τｍａｘを算出する。そして、切断基材配置工程Ｓ３では、複数の積層構造３１における複数の評価値τｍａｘを合算した合算値を算出することで、板厚変化部１３の全体的なせん断応力の大きさを導出する。
【００５５】
そして、切断基材配置工程Ｓ３では、切断基材２３として設定される所定の強化繊維基材１ａを異ならせながら、変更後の複数の積層構造３１の合算値を複数算出する。つまり、切断基材配置工程Ｓ３では、８層の切断基材２３の組み合わせを異ならせて、組合せの異なるセットを複数設定する。そして、切断基材配置工程Ｓ３では、各セットの複数の積層構造３１における複数の評価値τｍａｘを合算した合算値を算出する。
【００５６】
切断基材配置工程Ｓ３において、複数のセットに対応する複数の合算値が算出されると、複数の合算値の中で、予め設定されたしきい値よりも小さくなる合算値に対応する所定のセットの強化繊維基材１ａを、切断基材２３として選択する。ここで、しきい値としては、例えば、複数の合算値に基づく中央値、または複数の合算値に基づいて導出される算術平均等であり、特に限定されない。また、切断基材配置工程Ｓ３では、しきい値よりも小さくなる合算値に対応する所定のセットについて、所定のセットにおける切断基材２３の評価値τｍａｘが、薄肉側に比して厚肉側で大きな値となるものを、切断基材２３として選択する。
【００５７】
なお、８層の切断基材２３の組み合わせを異ならせたセットは、オペレータが任意の強化繊維基材１ａを切断基材２３として選択して適宜設定してもよいし、遺伝的アルゴリズムを用いた最適化処理によって強化繊維基材１ａを切断基材２３として設定してもよく、特に限定されない。
【００５８】
上記のように切断基材２３を設定することで、板厚変化部１３においてせん断応力の大きさが全体的に小さく、且つ、評価値τｍａｘが薄肉側に比して厚肉側で大きな値、換言すれば、評価値τｍａｘが厚肉側に比して薄肉側で小さな値となる複合材１が設計される。
【００５９】
次に、図７を参照して、実施形態２の設計方法に基づいて設計された複合材１の強度比について説明する。図７は、その縦軸が複合材１の強度比となっており、その横軸に従来の複合材と、最適化された実施形態１の複合材１とが並んでいる。ここで、強度比は、従来の複合材の強度を「１」とした場合の強度比である。なお、従来の複合材１の形状と、実施形態１の複合材１の形状とは、同じ形状となっており、切断基材２３の配置が異なるものとなっている。図７に示すとおり、従来の複合材の強度比は「１」であり、実施形態２の複合材１の強度比が「１．５」程度となっている。このため、従来と実施形態２とで複合材１の形状が同じである場合には、実施形態２の設計方法を用いることで、強度比を、１．５倍程度にできることが確認された。換言すれば、従来と実施形態２とで複合材の強度比を同じとする場合には、実施形態２の複合材１の形状を、従来に比して薄肉にできることとなる。
【００６０】
次に、図８及び図９を参照して、実施形態２の複合材１に、応力を付与したときの複合材１の形状の遷移について説明する。図８は、実施形態２の複合材１であり、図９は、実施形態２の複合材に比して悪条件となるように設計した複合材である。図８及び図９では、上側から下側に向かって時間が遷移しており、同様となる２つの複合材を用いている。図８に示すように、複合材１に発生する亀裂は、せん断応力の最大値τｍａｘが大きいところからではなく、薄肉部１２側の切断基材２３近傍から生じる。これは、切断基材２３のドロップオフ部２３ａの影響よりも、板厚の影響が大きくなったためと考えられる。このため、評価値τｍａｘが厚肉側に比して薄肉側で小さな値となるように、切断基材２３を配置することが望ましい。また、図９は、評価値τｍａｘが厚肉側に比して薄肉側で大きな値となるような悪条件に基づいて、切断基材２３を配置した複合材である。複合材１に発生する亀裂は、薄肉部１２側のせん断応力の最大値τｍａｘが大きいところから生じる。そして、図９に示す複合材は、図８に比して、亀裂の進展が早く、上側積層構造５と下側積層構造６とが分裂したものとなっている。この図８及び図９により、せん断応力の最大値を示す評価値τｍａｘは、実際の亀裂の発生を適切に評価可能な値であることが確認された。
【００６１】
以上のように、実施形態２によれば、板厚変化部１３において、複数の切断基材２３がある場合、せん断応力の全体的な評価値τｍａｘを小さくできる複数の切断基材２３を選択することができる。また、選択された切断基材２３の中で、評価値τｍａｘが大きいものを厚肉側に配置することで、亀裂が発生し難い複合材１とすることができる。このため、板厚変化部１３のせん断強度の向上を図ることができる。
【００６２】
［実施形態３］
次に、図１０を参照して、実施形態３に係る複合材の評価方法について説明する。実施形態３に係る複合材１の評価方法は、既存の複合材に形成される板厚変化部１３の積層構造を評価する手法であり、この評価を行うことで、応力が集中し易い部位またはせん断応力が大きい部位を推定することができる。ここで、実施形態３に係る複合材の評価方法は、実施形態１または実施形態２の複合材１の設計方法と同様の工程を含んでいることから、実施形態３では、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び実施形態２と異なる部分について説明し、実施形態１及び実施形態２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図１０は、実施形態３に係る複合材の評価方法のフローチャートである。
【００６３】
実施形態３に係る複合材の評価方法は、実施形態１及び実施形態２と同様の基材設定工程Ｓ１１と、実施形態１と同様の評価値算出工程Ｓ１２または実施形態２と同様の評価値算出工程Ｓ１２とを行っている。すなわち、複合材の評価方法では、実施形態１または実施形態２と同様に、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造３１を複数設定し、設定した複数の積層構造３１に対して応力解析を実行し、切断基材２３に対する評価値または評価値τｍａｘを算出している。そして、これらの評価値に基づいて、応力が集中し易い部位を推定したり、評価値τｍａｘに基づいて、せん断応力が高い部位を推定したりする。
【００６４】
以上のように、実施形態３によれば、既存の複合材１に対する応力の集中の度合いまたはせん断応力の大きさを評価することができる。そして、複数の強化繊維基材１ａを積層することで形成された複合材１であっても、ベース基材２１、切断基材２３及びカバー基材２２からなる３層の積層構造体３１の応力解析により、複合材１の強度に関する評価を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  複合材
１ａ  強化繊維基材
５  上側積層構造
６  下側積層構造
１１  厚肉部
１２  薄肉部
１３  板厚変化部
１５  ベースライン
２１  ベース基材
２２  カバー基材
２３  切断基材
２３ａ（２３ａ１〜２３ａ８）  ドロップオフ部
２４  ポケット
３１  積層構造
【図１】
2019036157.tif 000003
【図２】
2019036157.tif 000004
【図３】
2019036157.tif 000005
【図４】
2019036157.tif 000006
【図５】
2019036157.tif 000007
【図６】
2019036157.tif 000008
【図７】
2019036157.tif 000009
【図８】
2019036157.tif 000010
【図９】
2019036157.tif 000011
【図１０】
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