(57)【要約】【課題】接着層を明確に定義できない継手の剥離強度評価が可能なダブルラップ接合体の接合強度評価方法を提供する。【解決手段】複合材１０を含む三枚の板状部材を重ね合わせて側面拘束したダブルラップ接合体１００の接合強度評価方法であって、拘束長Ｌの異なる複数の試験体を用いた引張試験によりダブルラップ接合体１００の許容せん断応力を求める工程と、有限要素解析法によりダブルラップ接合体１００のせん断応力を求める工程と、許容せん断応力とせん断応力とを比較評価する工程と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材からなる板状部材を含む三枚の板状部材を重ね合わせて側面拘束したダブルラップ接合体の接合強度評価方法であって、
側面拘束長の異なる複数の試験体を用いた引張試験により前記ダブルラップ接合体の許容せん断応力を求める工程と、
有限要素解析法により前記ダブルラップ接合体のせん断応力を求める工程と、
前記許容せん断応力と前記せん断応力とを比較評価する工程と、
を有することを特徴とするダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項２】
前記許容せん断応力は、前記複数の試験体における塑性化せん断応力と限界せん断応力から規定されることを特徴とする請求項１に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項３】
前記せん断応力は、前記ダブルラップ接合体の平均せん断応力であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項４】
前記平均せん断応力は、前記ダブルラップ接合体の幅方向の端部及び中央部におけるせん断応力から求められることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項５】
前記せん断応力は、弾塑性解析により求められることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項６】
前記弾塑性解析においてＨｉｌｌの降伏関数を用いたことを特徴とする請求項５に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項７】
前記せん断応力が前記許容せん断応力よりも小さいか否かを比較評価することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【請求項８】
前記繊維強化複合材は、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載のダブルラップ接合体の接合強度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空宇宙分野から船舶造船分野にかけて広く応用されるダブルラップ接合体の接合強度評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボルトやリベット等の締結具を用いて複数の部材を締結する締結構造は航空宇宙分野に限らず、一般構造分野（特に船舶造船分野）においても広く用いられている。締結構造として認識される継手は、軸方向における引張り荷重とせん断力を受け持つことによりその締結機能を果たすものである。
【０００３】
近年、上記した分野においては、機体或いは船体などの構造軽量化及びペイロードの低減を図るために繊維強化複合材を適用する例が増加している。また、比強度、比剛性に優れた繊維強化複合材の適用は今や不可欠とされ、繊維強化複合材同士の接合、繊維強化複合材と金属との接合も増加している。
継手構造にはダブルラップ方式／シングルラップ方式があり、例えば図７に示すように、鋼材からなる板状部材８２の両側に繊維強化複合材からなる板状部材８１が接着層８３を介して接合されている。
【０００４】
しかしながら、接着界面における接着層８３の剥離など、構造物破壊の原因として最も多く挙げられる部分が継手であることから、構造物全体の安全性や信頼性の向上のためにも継手の強度評価が極めて重要となっている。
ダブルラップ接着継手／シングルラップ接着継手の接合強度評価法としては、Ｈart-Smithのチャート（図８参照）を用いる手法（非特許文献１，２参照）が広く支持されている。これらの論文では、継手の接着層に対する塑性の影響を考慮しており、界面破壊を物理的に説明している。すなわち、接着界面にはたらく平均せん断応力と側面拘束長（接着長）との関係は図８に示すように表現できるとしていて、接着長ｌが０に近いとき及び無限に長くなるときは、下記の式のようにある値に漸近するとしている。
【０００５】
【数４】
2008281429.tif 000003
【０００６】
図９（ａ），（ｂ）に示すように、接着長の異なる解析モデルＥ，Ｆ，Ｇのうち、接着長の最も短い解析モデルＥは、接着界面全体が塑性して降伏することによって破壊し、接着長の最も長い解析モデルＧは、接着界面にかかるせん断歪エネルギーが限界を超えることによって破壊している。これは、接着長が短いときには接着界面全体の塑性化によって界面破壊が決定され、接着長が長いときには接着界面にはたらくせん断歪エネルギーによって界面破壊が決定されることを示している。
【非特許文献１】L,J.Hart-Smith; Adhesive-Bonded Double-Lap Joints; NASA CR-112235; 1973
【非特許文献２】L,J.Hart-Smith; Adhesive-Bonded Single-Lap Joints; NASA CR-112234; 1973
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した接合強度評価法は、半硬化のプリプレグを用いた成型法ではよく利用され、接着剤の物性や厚さ等に基づいて評価を行うものである。
近年においては、コスト性に優れたＶａＲＴＭ成型法（真空圧樹脂含浸成型法）等が出現している。この成型法は、接着剤を用いずに樹脂の接着効果を期待した複合材一体成型法であって、複合材の繊維を積層したものと鋼材とに樹脂を含浸するため、材料費や設備費が削減されるという点で利点がある。しかしながら、接合強度評価を行う際、接着剤の物性や厚み等から評価する上記Ｈart-Smithの手法は適用することができない。ＶａＲＴＭ成型法によって形成された継手の応力分布に関するものは、Tsai-Oplingerにより理論解として与えられているが、接着剤の代わりとなる樹脂の塑性効果が考慮できないため、弾性範囲での挙動にしか言及しておらず、強度評価にまでは至っていない。つまり、接着層を明確にできないものは従来の強度評価法を用いることができないため、新たな評価法を構築することが求められている。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、接着層を明確に定義できないダブルラップ接合体に対する適切な剥離強度評価が可能なダブルラップ接合体の接合強度評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るダブルラップ接合体の接合強度評価方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、繊維強化複合材からなる板状部材を含む三枚の板状部材を重ね合わせて側面拘束したダブルラップ接合体の接合強度評価方法であって、側面拘束長の異なる複数の試験体を用いた引張試験によりダブルラップ接合体の許容せん断応力（τｃ）を求める工程と、有限要素解析法によりダブルラップ接合体のせん断応力（τ）を求める工程と、許容せん断応力（τｃ）とせん断応力（τ）とを比較評価する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１０】
また、許容せん断応力（τｃ）は、複数の試験体における塑性化せん断応力(τｃ１)と限界せん断応力（τｃ２）から規定されることを特徴とする。
【００１１】
また、せん断応力（τ）は、ダブルラップ接合体の平均せん断応力（τavg）であることを特徴とする。
【００１２】
また、平均せん断応力（τavg）は、ダブルラップ接合体の幅方向の端部及び中央部におけるせん断応力から求められることを特徴とする。
【００１３】
また、せん断応力（τ）は、弾塑性解析により求められることを特徴とする。
【００１４】
また、弾塑性解析においてＨｉｌｌの降伏関数を用いたことを特徴とする。
【００１５】
また、せん断応力（τ）が許容せん断応力（τｃ）よりも小さいか否かを比較評価することを特徴とする。
【００１６】
また、繊維強化複合材は、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰのいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明では、引張試験にて求めた許容せん断応力と、有限要素解析法によって求めたせん断応力とを比較することによって、ダブルラップ接合体の強度評価を行うことが可能となる。
許容せん断応力は、側面拘束長の異なる複数の試験体の引張試験を実施することで得られる２つの式から簡単に決定することができる。
また、せん断応力は、有限要素解析を実施して、界面に発生するせん断応力を側面拘束長さ方向に平均化することによって算出することができる。
本発明では、界面にはたらくせん断応力を、有限要素解析を用いて数値的に得ることができる。このとき、Ｈｉｌｌの降伏関数を用いて界面にはたらくせん断応力が塑性化せん断応力を超えないように設定し、界面における塑性化を考慮する。
これにより、接着層が明確でないせん断応力場の接着継手に対して適切な強度評価を行うことができる。よって、十分な強度を有するダブルラップ接合体が得られ、構造物全体の安全性や信頼性の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１９】
図１は、本発明におけるダブルラップ接合体の接合強度評価方法に係る解析モデルの構成を模式的に示す断面図である。
【００２０】
図１に示すように、ダブルラップ接合体１００は、繊維強化複合材からなる一対の板状部材（以下、複合材１０）と、鋼材からなる板状部材（以下、鋼材１１）とを互いの長手方向に位置を異ならせて重ね合わせ、互いの側面を拘束したダブルラップ構造となっている。各複合材１０，１０及び鋼材１１は、後述するＶａＲＴＭ成型法によって一体形成されたものである。
繊維強化複合材としては、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ（カーボン繊維）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維）等が挙げられ、鋼材としてはＳＵＳ（ステンレス鋼）等が挙げられる。
【００２１】
次に、本実施形態のダブルラップ接合体の接合強度評価法について述べる。
図２は本実施形態のダブルラップ接合体の接合強度評価法を示すフローチャートである。
図２に示すように、ダブルラップ接合体１００の接合強度評価法は、まず、側面拘束長さの異なる複数の解析モデル（試験体）を用いた引張試験により、材料界面１２（図１参照）における許容せん断応力τｃを求める（ステップＳ１）。次に、ＦＥＭ（有限要素解析法）により材料界面１２におけるせん断応力τを求める（ステップ２）。そして、ステップＳ１及びステップ２において求めた許容せん断応力τｃとせん断応力τとを比較し、強度評価を行う（ステップＳ３）。
【００２２】
以下に、本実施形態のダブルラップ接合体の接合強度評価法について詳述する。説明は、図２のフローチャートに沿って行い、適宜図３〜図６を参照する。
【００２３】
［引張試験］
ステップＳ１において、複数の試験体の引張試験を以下の手順で実施し、材料界面にはたらく許容せん断応力τｃを求める。図３は試験体の構成を模式的に示す斜視図である。図４は  引張試験による破壊強度の分布を示す図である。
【００２４】
（１）まず、一対の複合材１０によって鋼材１１を挟み込んだダブルラップ構造（図３参照）の試験体Ａ，Ｂ，Ｃを用意する。試験体Ａ，Ｂ，Ｃは、複合材１０および鋼材１１からなる繊維を積層した後に樹脂を含浸させるＶａＲＴＭ成型法によって成型されたものである。本実施形態においては、側面拘束長さ（以下、拘束長Ｌ）が異なる３種類の試験体Ａ，Ｂ，Ｃを種類毎に複数用意する。図３に示すように、各試験体Ａ，Ｂ，Ｃの拘束長Ｌを、試験体Ａ（拘束長Ｌ＝２５ｍｍ）、試験体Ｂ（拘束長Ｌ＝５０ｍｍ）、試験体Ｃ（拘束長Ｌ＝１００ｍｍ）に設定し、それぞれの複合材１０の厚さｔ１を４．５ｍｍ、鋼材１１の厚さｔ２を６ｍｍ、幅Ｗを３０ｍｍに設定する。
【００２５】
樹脂としては、樹脂含浸形成法にて用いられる公知の材料（例えばエポキシ等）が挙げられる。また、鋼材１１両側の複合材１０，１０には同一の材料を用いる。複合材１０，１０を異なる材料で形成した場合、材料界面に曲げの影響が生じてしまうことになり、この場合、せん断応力τだけでなく曲げ応力σについても考慮しなければならなくなるため、本実施形態では同一の材料からなる複合材１０，１０を用いたダブルラップ構造とする。
【００２６】
（２）実際に各試験体Ａ，Ｂ，Ｃに一軸方向の荷重を作用させて、複合材１０と鋼材１１との材料界面における損傷状況を静的引張試験により検証した。一軸方向の荷重とは、複合材１０と鋼材１１との間で相反する方向に作用する引張荷重Ｆである。この引張荷重Ｆを時間とともに線形に増加させた。
【００２７】
図４に、引張試験による破壊強度を試験体Ａ，Ｂ，Ｃごとにプロットしたものを示す。この図において、ｘ軸を拘束長Ｌとし、ｙ軸を破壊強度Ｐｃｒとする。
試験体Ａ（拘束長Ｌ＝２５ｍｍ）は、材料界面全体が降伏して塑性が生じ、他の試験体Ｂ，Ｃに比べて早期に破壊した。このときの破壊点（ΔＰｃｒ１，ΔＬ１）と原点（０，０）とを結ぶ直線の傾きΔＰｃｒ／Δｌによって、材料界面全体が塑性化するときの塑性化せん断応力τｃ１が求められる。つまり、塑性化せん断応力τｃ１は、下記の式（２）によって示される。
【００２８】
【数１】
2008281429.tif 000004
τｃ１：塑性化せん断応力
Ｐｃｒ：破壊強度
Ｌ：拘束長
【００２９】
試験体Ｂ（拘束長Ｌ＝５０ｍｍ）及び試験体Ｃ（拘束長Ｌ＝１００ｍｍ）の場合は、材料界面におけるせん断ひずみエネルギーが限界を超えることによって破壊した。試験体Ｂと試験体Ｃとの破壊強度Ｐｃｒ、及び塑性化せん断応力τｃ１によって、少なくとも破壊を防止し得る破壊防止力Ｐｕが決定する。拘束面積をＡとすると、界面ひずみエネルギーが限界となるときの限界せん断応力τｃ２は下記の式（２）によって示される。
【００３０】
【数２】
2008281429.tif 000005
τｃ２：限界せん断応力
Ｐｕ：破壊防止力
Ａ：拘束面積
【００３１】
このように、閾値となる許容せん断応力τｃを、上記した式（１），（２）により決定する。このような引張試験により、上述したHart-Smithと同様の理論展開を用いて、
当該理論よりも簡易的に閾値となる許容せん断応力τｃを求めることができる。
【００３２】
このように、鋼材１１を一対の複合材１０，１０によって挟持するダブルラップ接合体１００において、拘束長Ｌの異なる試験体Ａ，Ｂ，Ｃの各材料界面における許容せん断応力τｃの影響について調べた。界面破壊の要因は拘束長Ｌによって異なり、材料界面の塑性化、あるいは材料界面におけるせん断ひずみエネルギーとの２つに大別される。
【００３３】
上記実施形態においては、拘束長Ｌの異なる３つの試験体Ａ，Ｂ，Ｃを用いて引張試験を行ったが、これに限ったものではなく、各試験体の材料界面における降伏応力及び破壊防止力が異なるものであれば、拘束長Ｌを異ならせた２つの試験体であっても解析を行うことができる。つまり、弾塑性の分岐点を明確にすることで、２種の閾値（塑性化せん断応力τｃ１及び限界せん断応力τｃ２）が上記式（１），（２）により求められることになる。
【００３４】
［ＦＥＭ解析］
ステップＳ２において、上記試験体Ａ，Ｂ，Ｃの各材料界面におけるせん断応力τを求める。本実施形態では、材料界面におけるせん断応力τをＦＥＭ（有限要素法）を用いて行う。ここで、解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’を試験体Ａ，Ｂ，ＣのＦＥＭ解析モデルとする。解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’の各材料界面におけるせん断応力τは、材料界面の長手方向における平均せん断応力τavgである。この平均せん断応力τavgをＦＥＭ解析によって求める。解析コードには、例えばＡＢＡＱＵＳ（登録商標）やＡＮＳＹＳ（登録商標）を使用する。
【００３５】
（弾性解析）
まず、ＦＥＭを用いて弾性解析を行い、ＦＥＭを用いた解析手法が妥当かどうかを確認する。
図５に、解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’の各材料界面にはたらくせん断応力τの分布を示す。
縦軸がせん断応力（τ/τavg）を示し、横軸が無次元化された軸方向位置（ｘ/Ｌ）を示している。
【００３６】
図５によれば、各解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’とも、特に拘束部３５の幅方向中央側（無次元化した拘束長さｘ／Ｌ＝０．５の位置）でせん断応力のピーク（最大せん断応力τmax）が生じることが分かる。同図に、接着層を考慮しない理論解（Tsai-Oplinger）による材料界面のせん断応力分布も同時に示す。同図によれば、ＦＥＭによる弾性解析の結果が、理論解であるTsai-Oplingerの結果と概ね合っていることが確認できる。これにより、ＦＥＭを用いた手法が妥当であることが証明された。
【００３７】
（弾塑性解析）
図６に、本実施形態の弾塑性解析による、解析モデルの材料界面にはたらくせん断応力τの分布を示す。縦軸が無次元化せん断応力（τ/（Ｆ／２Ａ））を示し、横軸が無次元化された軸方向位置（ｘ/Ｌ）を示している。図６は、上記した弾性解析によるせん断応力の分布を同時に記載し、弾性解析と弾塑性解析との比較を示す。なお、図６には、解析モデルＣ’のせん断応力分布のみを一例として示し、他の解析モデルＡ，Ｂのせん断応力分布については省略してある。
【００３８】
本実施形態においては、ＦＥＭを用いて弾塑性解析を行い（以下、弾塑性ＦＥＭ解析）、解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’の各材料界面にはたらくせん断応力τを求める。但し、弾塑性ＦＥＭ解析を実施する際に、異方性降伏関数であるＨｉｌｌの降伏関数を利用し、材料界面に隣接する要素のせん断応力値が、上記した塑性化せん断応力τｃ１以上にならないような弾塑性解析を行う。
【００３９】
解析手法としては、各解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’を所定の分割数でメッシュ分割し、材料界面における局所的なせん断応力τ（複合材１０側の節点応力）を長手方向に平均化することによって平均せん断応力τavgを算出する。ここでは、材料界面の幅方向における端線及び中央線の双方における平均せん断応力τavgについて考慮する。
【００４０】
解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’はせん断応力τの上限のみを制限する。つまり、異方性の塑性の影響を考慮して、拘束部３５の拘束長さ方向（軸方向長さ）における応力と、拘束部３５の幅方向長さにおける応力については制限しない。本実施形態では、せん断応力τの上限として、上記引張試験において求めた塑性化せん断応力τｃ１を基準値として設定する。すなわち、材料界面が降伏するときの応力よりも小さくなるように弾塑性解析を行うようにする。
【００４１】
このように、ＶａＲＴＭ成型法によって形成されたダブルラップ接合体１００において、その材料界面にかかるせん断応力τ（発生せん断応力τと呼ぶこともある）の分布を、ＦＥＭを用いた数値解析的な手法によって求めることができた。
【００４２】
［界面強度評価］
ステップＳ３において、下記の式（３）を用いて単軸応力場（せん断応力場）における剥離強度評価を行う。そして、材料界面にはたらく発生せん断応力τが許容せん断応力τｃの範囲内となるように形状寸法を設定する。
【００４３】
【数３】
2008281429.tif 000006
【００４４】
このようにして、許容せん断応力τｃ及びせん断応力τの比較評価を行い、材料界面にかかるせん断応力τが許容せん断応力τｃ以内の範囲内となるようにする。これにより、複合材１０及び鋼材１１の接合を確実に維持する構造とすることができ、十分な強度を有するダブルラップ接合体１００を得ることができる。
【００４５】
本実施形態では、拘束長比を変動させた複数の試験体Ａ、Ｂ、Ｃについて引張試験を行い、各材料界面に対する塑性やせん断ひずみエネルギーの影響について調べ、許容せん断応力τｃを求めた。さらに、拘束長比を変動させた複数の解析モデルＡ’，Ｂ’，Ｃ’について、弾塑性ＦＥＭ解析を用いた数値解析的な応力解析を行い、材料界面におけるせん断応力τの影響を調べた。
【００４６】
材料界面における許容せん断応力τｃは、引張試験の結果から得た上記式（１），（２）により簡単に算出することができる。また、ＦＥＭを用いた弾塑性解析は、Ｈｉｌｌの降伏関数を利用して材料界面におけるせん断応力の上限を定めて行っており、ダブルラップ接合体１００を構成する樹脂の塑性効果を考慮した解析となっている。このような弾塑性解析を行うことにより、材料界面における実際のせん断応力分布を適切に表現することができる。また、ＦＥＭを用いた数値的な解析が可能であるため、実験を行うことなく材料界面におけるせん断応力を容易に求めることができる。
【００４７】
また、引張試験は少なくとも２つ以上の拘束長比について行えばよく、その検出項目も破壊したときの破壊強度を調べるだけでよいため、実験が容易であるとともに実験コストを削減することができる。
【００４８】
このような本実施形態のダブルラップ接合体１００の強度評価法によれば、ＶａＲＴＭ成型法によって形成された接合界面が明確でないダブルラップ構造であっても、上記のようにして求めた許容せん断応力τｃとせん断応力τとを比較することによって適切な強度評価を行うことができる。したがって、接着剤を用いずに一体形成されたダブルラップ接合体１００を用いた構造物全体の安全性や信頼性を向上させることができる。
【００４９】
以上、図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５０】
例えば、上記実施形態においては、鋼材１１を一対の複合材１０，１０で挟持するダブルラップ構造としたが、材料を入れ替えて、一対の鋼材で複合材を挟持するようにしてもよい。また、全てを複合材によって構成するようにしてもよい。ダブルラップ接合体の構成材料を変えた場合には、接合体を構成する材料の組み合わせに応じて、引張試験により許容せん断応力を求めるようにする。なお、引張試験は構成材料を変えた場合のみ行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態におけるダブルラップ接合体の接合強度評価方法に係る解析モデルの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるダブルラップ接合体の接合強度評価法を示すフローチャートである。
【図３】解析モデルの構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】引張試験による破壊強度の分布を示す図である。
【図５】ＦＥＭを用いた弾性解析によるせん断応力の分布を示す図である。
【図６】ＦＥＭを用いた弾塑性解析によるせん断応力の分布を示す図である。
【図７】従来のダブルラップ接合体の概略構成を模式的に示す図である。
【図８】Ｈart-Smithのチャートを示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は従来の接合体の剥離メカニズムを示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００…ダブルラップ接合体、１０…複合材（板状部材）、１１…鋼材（板状部材）、Ａ，Ｂ，Ｃ…解析モデル（試験体）
【図１】
2008281429.tif 000007
【図２】
2008281429.tif 000008
【図３】
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【図４】
2008281429.tif 000010
【図５】
2008281429.tif 000011
【図６】
2008281429.tif 000012
【図７】
2008281429.tif 000013
【図８】
2008281429.tif 000014
【図９】
2008281429.tif 000015