(57)【要約】【課題】シミュレーション精度を向上させることのできる複合材の層間剥離進展シミュレーション装置及び複合材の層間剥離進展シミュレーション方法の提供。【解決手段】ＦＥＭにより複合材のＦＥＭ解析モデルの層間剥離先端のエネルギー解放率を算出し、該算出結果と予め記憶している上記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、上記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション装置１であって、上記破壊靱性値として、上記層間剥離の開始時の破壊靱性値ＧＩＣと、破壊靱性値ＧＩＣと異なる上記層間剥離の進展途中の破壊靱性値ＧＩＲと、を予め記憶している記憶部１３を有する、という構成を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法により複合材の解析モデルの層間剥離先端のエネルギー解放率を算出し、該算出結果と予め記憶している前記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、前記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション装置であって、
前記破壊靱性値として、前記層間剥離の開始時の第１の破壊靱性値と、前記第１の破壊靱性値と異なる前記層間剥離の進展途中の第２の破壊靱性値と、を予め記憶している記憶部を有する、ことを特徴とする複合材の層間剥離進展シミュレーション装置。
【請求項２】
前記記憶部は、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する前記破壊靱性値を予め記憶している、ことを特徴とする請求項１に記載の複合材の層間剥離進展シミュレーション装置。
【請求項３】
前記破壊靱性値として、試験により予め取得した複数の複合材サンプルの破壊靱性値の平均値を使用する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の複合材の層間剥離進展シミュレーション装置。
【請求項４】
前記記憶部は、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する前記破壊靱性値を予め記憶しており、
前記複合材サンプルの数は、前記複合材の繊維配向角毎に、該繊維配向角に応じた数に設定されている、ことを特徴とする請求項３に記載の複合材の層間剥離進展シミュレーション装置。
【請求項５】
有限要素法により複合材の解析モデルの層間剥離先端のエネルギー解放率を算出し、該算出結果と予め記憶している前記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、前記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション方法であって、
前記破壊靱性値として、前記層間剥離の開始時の第１の破壊靱性値と、前記第１の破壊靱性値と異なる前記層間剥離の進展途中の第２の破壊靱性値と、を予め記憶する工程を有する、ことを特徴とする複合材の層間剥離進展シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材の層間剥離進展シミュレーション装置及び複合材の層間剥離進展シミュレーション方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複合材の強度特性の一つとして破壊靱性値がある。破壊靱性値の取得のための試験法はＪＩＳ  Ｋ  ７０８６に定められているが、この試験法では、試験を確実にすることと強度評価を容易にできることから、複合材の積層構成には一方向強化繊維のみを用い、剥離が進展を開始するときの破壊靱性値ＧＩＣのみを取得するのが一般である。従来は、複合材の強度の優劣を判断するためにこの規格を主に使用している。
【０００３】
非特許文献１には、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の層間剥離発生・進展の予想を対象としたシミュレーションにおいて、有限要素法（Finite Element Method、以下でＦＥＭと称する）による複合材の所定の解析モデルを用いた解析手法が開示されている。この解析手法では、層間剥離の進展についてエネルギー解放率を評価する破壊力学的な手法として仮想クラック閉口法（Virtual Crack Closure Technique、以下でＶＣＣＴと称する）を採用している。
【０００４】
ＶＣＣＴでは、一回の解析から得られるクラック先端の変位量と節点力からエネルギー解放率を求められるため、計算コストが比較的少ない。従来の層間剥離進展シミュレーションでは、所定の荷重付加時のクラック先端のエネルギー解放率を算出し、当該算出結果と上記試験により予め取得し記憶している層間剥離の開始時の破壊靱性値ＧＩＣとを比較して、該算出結果が破壊靱性値ＧＩＣより大きい場合に、解析モデルのクラックを要素単位で逐次進展させる、といった手法を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】末益博志、青木雄一郎，「複合材料のマイクロメカニクス・損傷解析の最新動向−ＶＩ．―層間はく離進展問題とcohesive要素を用いた解析―」，日本複合材料学会誌，２００６年，第３２巻，第１号，ｐ．３−１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複合材の破壊靱性値は、実際には剥離が進展するに従って変化する。このため、上記従来手法では、シミュレーション結果が実際の試験結果と乖離した結果となり、その精度に問題があった。したがって、現状では、シミュレーションの他に実証試験を行い、複合材の強度を保証するケースが大半となっている。
また、実構造物では、用途に応じて様々な繊維配向角を持ち、且つ、剥離進展中に破壊靱性値も変化するため、従来の一方向強化繊維における剥離進展開始時の破壊靱性値ＧＩＣだけでもって、層間剥離の進展を評価することは困難となっている。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シミュレーション精度を向上させることのできる複合材の層間剥離進展シミュレーション装置及び複合材の層間剥離進展シミュレーション方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、有限要素法により複合材の解析モデルの層間剥離先端のエネルギー解放率を算出し、該算出結果と予め記憶している上記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、上記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション装置であって、上記破壊靱性値として、上記層間剥離の開始時の第１の破壊靱性値と、上記第１の破壊靱性値と異なる上記層間剥離の進展途中の第２の破壊靱性値と、を予め記憶している記憶部を有する、という構成を採用する。
【０００９】
また、本発明においては、上記記憶部は、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する上記破壊靱性値を予め記憶している、という構成を採用する。
【００１０】
また、本発明においては、上記破壊靱性値として、試験により予め取得した複数の複合材サンプルの破壊靱性値の平均値を使用する、という構成を採用する。
【００１１】
また、本発明においては、上記記憶部は、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する上記破壊靱性値を予め記憶しており、上記複合材サンプルの数は、上記複合材の繊維配向角毎に、該繊維配向角に応じた数に設定されている、という構成を採用する。
【００１２】
また、本発明においては、有限要素法により複合材の解析モデルの層間剥離先端のエネルギー解放率を算出し、該算出結果と予め記憶している上記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、上記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション方法であって、上記破壊靱性値として、上記層間剥離の開始時の第１の破壊靱性値と、上記第１の破壊靱性値と異なる上記層間剥離の進展途中の第２の破壊靱性値と、を予め記憶する工程を有する、という手法を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、破壊靱性値として、層間剥離の開始時の破壊靱性値ＧＩＣ（第１の破壊靱性値）と、層間剥離の進展途中の破壊靱性値ＧＩＲ（第２の破壊靱性値）とを予め記憶しているため、層間剥離の開始時だけでなく、層間剥離進展過程においても解析的に精度好くシミュレートすることが可能となる。
また、本発明によれば、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する破壊靱性値を予め記憶しているため、実構造物のように層間の繊維配向角が変化するときであっても、その実構造物に応じたシミュレートが可能となる。
したがって、本発明では、シミュレーション精度を向上させることのできる複合材の層間剥離進展シミュレーション装置及び複合材の層間剥離進展シミュレーション方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態における複合材の層間剥離進展シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における複合材の繊維配向構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態におけるＦＥＭ解析モデルを示す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるＶＣＣＴを説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態における複合材の層間剥離進展シミュレーション方法を示すフロー図である。
【図６】本発明の実施形態におけるＤＣＢ試験による破壊靱性値の取得例を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［0//0］）を示す荷重‐変位線図である。
【図８】本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［0//90］）を示す荷重‐変位線図である。
【図９】本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［45//-45］）を示す荷重‐変位線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ）を解析対象として双片持ちはり（Double Cantilever Beam、以下ＤＣＢ）試験を模擬したシミュレーションを実施する、複合材の層間剥離進展シミュレーション装置及び複合材の層間剥離進展シミュレーション方法を例示する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態における複合材の層間剥離進展シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。
符号１は、コンピュータ装置で構成される層間剥離進展シミュレーション装置である。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。
【００１７】
符号１１は、作業者が入力部２を操作して、対象構造物のＦＥＭ解析モデル（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ＦＥＭ解析を実施する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。
【００１８】
符号１３は、ハードディスク、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を有し、複合材の層間剥離進展シミュレーションに必要なデータ及びプログラムを記憶する記憶部である。この記憶部１３は、ＶＣＣＴに基づく層間剥離進展シミュレーションプログラムと、層間剥離進展シミュレーションプログラムに使用する複合材の破壊靱性値（ＧＩＣ（第１の破壊靱性値）、ＧＩＲ（第２の破壊靱性値））のデータと、を予め記憶している。また、記憶部１３は、解析対象とする複合材の繊維配向角（［0//0］、［0//90］、［45//-45］）毎に、対応する破壊靱性値（ＧＩＣ、ＧＩＲ）のデータを予め記憶している。
【００１９】
繊維配向角度［0//0］とは、図２（ａ）に示すように、上側の繊維層９と下側の繊維層９が、積層角が共に０度（平行：一方向強化材）で積層する構造を示す。また、繊維配向角度［0//90］とは、図２（ｂ）に示すように、上側の繊維層９と下側の繊維層９が、積層角０度、９０度で積層する構造を示す。また、繊維配向角度［45//-45］とは、図２（ｃ）に示すように、上側の繊維層９と下側の繊維層９が、積層角４５度、−４５度で積層する構造を示す。
【００２０】
図３は、本発明の実施形態におけるＦＥＭ解析モデル２１を示す図である。
本実施形態では、図３に示すように、ＤＣＢ試験を模擬したＦＥＭ解析モデル２１を生成して、ＶＣＣＴによる複合材の層間剥離進展シミュレーションを実施する。ＦＥＭ解析モデル２１は、ＪＩＳ  Ｋ  ７０８６の定められたＤＣＢ試験片の構成（サイズ等）に準じて生成される。ＦＥＭ解析モデル２１は、荷重が作用する荷重点Ｆの下部に単純支持条件を課しており、荷重点Ｆ上部に強制変位を与える。この荷重による破壊のモードは、モードＩ（開口型）となる。なお、解析には幾何学的非線形を考慮する。
【００２１】
図４は、本発明の実施形態におけるＶＣＣＴを説明するための図である。
ＶＣＣＴは、層間剥離先端が節点ｐとなる場合に、層間剥離先端位置の節点力ｆｐと、層間剥離進展前後の節点変位δｐ´からエネルギー解放率（Ｊ／ｍ２）を算出するものである。本実施形態では、ＶＣＣＴツールによりＦＥＭ解析モデル２１の層間剥離先端でのモードＩエネルギー解放率ＧＩを、下式（１）のように算出する。なお、Δａは、ＦＥＭ解析モデル２１の長手方向のメッシュサイズを示す。また、Ｗは、ＦＥＭ解析モデル２１の幅の大きさ（奥行き方向の長さ）を示す。
【００２２】
【数１】
2013185913.tif 000003
【００２３】
本実施形態では、式（１）で算出したＧＩと、予め記憶している破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲ（Ｊ／ｍ２）とを比較して、下式（２）を満たしたときに層間剥離を１要素進展させる。なお、ａは、剥離進展量である。すなわち、層間剥離進展開始時（ａ＝０）では、破壊靱性値ＧＩＣを使用し、層間剥離進展途中（ａ＞０）では、破壊靱性値ＧＩＲを使用する。
【００２４】
【数２】
2013185913.tif 000004
【００２５】
次に、図５を参照しつつ、上記構成の層間剥離進展シミュレーション装置１を用いた本シミュレーション方法について説明する。
図５は、本発明の実施形態における複合材の層間剥離進展シミュレーション方法を示すフロー図である。
本実施形態のシミュレーション方法は、ＤＣＢ試験の実施（ステップＳ１）と、層間剥離進展シミュレーションの実施（ステップＳ２）とに分けられる。
【００２６】
ステップＳ１は、複合材のＤＣＢ試験を実施することで、その試験結果から破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを取得し、ステップＳ２の前に予め記憶部１３に記憶する工程である。
ステップＳ１では、先ず、ＤＣＢ試験片（複合材サンプル）を複数作製する。そして、作製したＤＣＢ試験片を試験機にかけて、層間剥離が進展を始める初期限界荷重値Ｐｃを求める。そして、この初期限界荷重値Ｐｃを用いて、修正コンプライアンス較正法により、層間剥離進展開始時の破壊靱性値ＧＩＣ及び層間剥離進展途中での破壊靱性値ＧＩＲを求める。なお、初期限界荷重値Ｐｃからの破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲの求め方は、ＪＩＳ  Ｋ  ７０８６に準じている。
【００２７】
図６は、本発明の実施形態におけるＤＣＢ試験による破壊靱性値の取得例を示すグラフである。なお、図６の縦軸は、破壊靱性値ＧＩＲを示すが、剥離進展量が０では層間剥離進展開始時の破壊靱性値ＧＩＣを示す。
図６では、繊維配向角が［0//0］の３つのＤＣＢ試験片（ＤＣＢ−Ａ−０１〜０３）の破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲと、それらの平均値とを示している。図６に示すように、破壊靱性値ＧＩＲは、層間剥離の進展に従って漸増しており、破壊靱性値ＧＩＣから特定の傾向で変化していくのが分かる。
【００２８】
このように取得した破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを、記憶部１３にデータとして記憶する。また、本実施形態では、解析対象とする複合材の繊維配向角（［0//0］、［0//90］、［45//-45］）毎にＤＣＢ試験片を複数作製して試験を実施し、取得した破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを繊維配向角毎に記憶部１３にデータとして記憶する。これにより、層間剥離進展シミュレーション装置１において、記憶部１３から、繊維配向角毎に、対応する破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを読み出して使用することが可能となる。
【００２９】
次のステップＳ２は、ステップＳ１で取得した破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを用いて複合材の層間剥離のシミュレーションを実施する工程である。
ステップＳ２では、先ず、解析対象とする複合材のＦＥＭ解析モデル２１（図３参照）を生成する。次に、解析対象とする複合材の繊維配向角に対応する破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを記憶部１３から読み出して、ＶＣＣＴ（図４参照）を実施する。
【００３０】
本実施形態では、ＶＣＣＴで用いる破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲに、ＤＣＢ試験において複数のＤＣＢ試験片から取得した破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲの平均値を使用する（図６参照）。これにより、層間剥離進展シミュレーションに、破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲの変化の傾向を適切に反映させることができる。
【００３１】
図７は、本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［0//0］）を示す荷重‐変位線図である。図７の横軸は、荷重点Ｆの強制変位量（図３参照）を示し、図７の縦軸は、そのときの荷重の大きさを示す。
図７に示すように、破壊靱性値としてＧＩＣのみを用いた従来手法（ＶＣＣＴ（ＧＩＲ＝ＧＩＣ）、破線で示す）では、ＤＣＢ試験結果（ＤＣＢ−Ａ−０１〜０３）と漸次乖離していくことが分かる。一方、破壊靱性値としてＧＩＣとＧＩＲを用いた本手法（ＶＣＣＴ、実線で示す）では、ＤＣＢ試験結果から大きく乖離することなく、精度の良い一致を示していることが分かる。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、破壊靱性値として、層間剥離の開始時の破壊靱性値ＧＩＣ（第１の破壊靱性値）と、破壊靱性値ＧＩＣと異なる層間剥離の進展途中の破壊靱性値ＧＩＲ（第２の破壊靱性値）とを予め記憶しているため、層間剥離の開始時だけでなく、層間剥離進展過程も解析的に精度好くシミュレートすることができることが分かる。
【００３３】
図８は、本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［0//90］）を示す荷重‐変位線図である。図９は、本発明の実施形態における層間剥離進展シミュレーション結果（繊維配向角［45//-45］）を示す荷重‐変位線図である。
図８に示すように、繊維配向角度が実構造に応じて［0//90］となったとしても、本手法によれば、破壊靭性値として繊維配向角［0//0］のＧＩＣのみを用いた従来手法と比較して精度好くシミュレートできることが分かる。また同様に、図９に示すように、繊維配向角度が実構造に応じて［45//-45］となったとしても、本手法によれば、破壊靭性値として繊維配向角［0//0］のＧＩＣのみを用いた従来手法と比較して精度好くシミュレートできることが分かる。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する破壊靱性値ＧＩＣ、ＧＩＲを予め記憶しているため、層間の繊維配向角が変化するときであっても、従来よりも精度が高く、実構造物に応じたシミュレートができることが分かる。
【００３５】
したがって、上述の本実施形態によれば、ＦＥＭにより複合材のＦＥＭ解析モデル２１の層間剥離先端のエネルギー解放率ＧＩを算出し、該算出結果と予め記憶している上記複合材に対応する破壊靱性値とを比較して、上記複合材の層間剥離の進展をシミュレートする複合材の層間剥離進展シミュレーション装置１であって、上記破壊靱性値として、層間剥離の開始時の破壊靱性値ＧＩＣと、破壊靱性値ＧＩＣと異なる層間剥離の進展途中の破壊靱性値ＧＩＲと、を予め記憶している記憶部１３を有する、という構成を採用することによって、シミュレーション精度を向上させることができる。このため、破壊靱性試験の結果を実験室レベルから実用レベルに適用することができ、実証試験に頼らない合理的な設計が可能となる。
【００３６】
以上、図面を参照しながら本発明の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るものではない。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。
【００３７】
例えば、記憶部１３は、解析対象とする複合材の繊維配向角毎に、対応する上記破壊靱性値を予め記憶しており、上記複合材サンプルの数は、上記複合材の繊維配向角毎に、該繊維配向角に応じた数に設定されている、という構成を採用してもよい。図９に示すように、繊維配向角が［45//-45］となった場合、試験において剥離パターンが２つ現れた影響からばらつきが大きい。このため、例えば、ばらつきの大きい繊維配向角［45//-45］のときには、破壊靱性値の変化の特定の傾向を把握するために、複合材サンプルの数を多く取得してもよい。また、図７及び図８に示すように、試験のばらつきの小さい繊維配向角［0//0］、［0//90］のときには、複合材サンプルの数を少なくすることで、ステップＳ１での作業の効率化を図ることができる。
【００３８】
また、例えば、本発明は、ＣＦＲＰ複合材料だけでなくその他の複合材料製品全般の層間剥離進展シミュレーションにも用いることができる。
【００３９】
また、例えば、図１に示すＦＥＭモデル生成部１１、ＦＥＭ解析部１２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。
【００４０】
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。
【符号の説明】
【００４１】
１…層間剥離シミュレーション装置、１３…記憶部、２１…ＦＥＭ解析モデル（解析モデル）、ＧＩＣ…破壊靱性値（第１の破壊靱性値）、ＧＩＲ…破壊靱性値（第２の破壊靱性値）
【図１】
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【図２】
2013185913.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013185913.tif 000010
【図７】
2013185913.tif 000011
【図８】
2013185913.tif 000012
【図９】
2013185913.tif 000013