(57)【要約】【課題】繊維配向角が異なるようにＦＲＰ層を積層して構成された複合材料の層間はく離強度評価方法を提供する。【解決手段】ＦＲＰ層を順次積層して構成された複合材料の、ＦＲＰ層間のはく離強度を評価するに際し、各ＦＲＰ層の繊維配向角に基づいた複合材料の解析モデルを作成すると共に、その解析モデルを用いて応力解析を実施して、複合材料のＦＲＰ層間で、はく離が進展する位置を特定すると共に、その位置に規定サイズの初期欠陥を導入し、その解析モデルを用いて仮想き裂閉口法による解析を実施して、荷重とエネルギー解放率との関係を求め、他方、応力解析で得られた、層間はく離するＦＲＰ層間の繊維配向角を有する二重片持ちはり試験片を作製すると共に、その試験片の破壊靱性値を測定し、測定した前記破壊靱性値に基づき、求めた前記荷重とエネルギー解放率との関係を参照して、複合材料の層間はく離強度を評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ層を順次積層すると共に、そのＦＲＰ層の繊維配向角が異なるように積層して構成された複合材料の、ＦＲＰ層間のはく離強度を評価するに際し、
各ＦＲＰ層の繊維配向角に基づいた複合材料の解析モデルを作成すると共に、その解析モデルを用いて応力解析を実施して、複合材料のＦＲＰ層間で、はく離が進展する位置を特定すると共に、その位置に規定サイズの初期欠陥を導入し、その解析モデルを用いて仮想き裂閉口法による解析を実施して、前記解析モデルに付与した荷重と、前記特定した位置での層間はく離のエネルギー解放率との関係を求め、
他方、応力解析で得られた、層間はく離するＦＲＰ層間の繊維配向角に対応した繊維配向角を有する試験片からなる二重片持ちはり試験片を作製すると共に、その試験片の層間はく離が進展するときのエネルギー解放率である破壊靱性値を測定し、
測定した前記破壊靱性値に基づき、求めた前記荷重とエネルギー解放率との関係を参照して、前記複合材料の層間はく離強度を評価することを特徴とする複合材料の層間はく離強度評価方法。
【請求項２】
前記解析モデルとして、３次元モデルを使用する請求項１記載の複合材料の層間はく離強度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維配向角の異なる複数層のＦＲＰを積層して構成した複合材料の層間はく離強度を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造物の軽量化のために、軽量のプラスチック材料をガラス繊維や炭素繊維といった高強度の繊維で強化したＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic；繊維強化プラスチック）が注目されている。ＦＲＰは、プラスチック内部に所定方向に配向した繊維を有するものであり、繊維の配向方向への引張に対して高い比強度を有する。ＦＲＰは、一枚分の繊維層にプラスチック材料を浸潤させたプリプレグを、数層〜数十層積層してオートクレーブで焼成して製造される。なお本発明でＦＲＰ層とは、同一の繊維配向角を有するプリプレグあるいはＦＲＰを積層したものをいう。
【０００３】
このように、ＦＲＰを用いた複合材料は複数層のＦＲＰ層を積層した構成であるために、積層面内（繊維の配向方向）では高い強度を示すものの、積層面外への方向に対する強度が低い。このことから、ＦＲＰからなる複合材料においては、ＦＲＰ層の層間で層間はく離が進展して破壊に至るケースが多く、ＦＲＰ層間での強度特性を十分に評価しておく必要がある（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００４】
複合材料の層間の強度特性の一つとして、層間破壊靱性値がある。ＦＲＰの層間破壊靱性値取得のための試験法はＪＩＳ  Ｋ  ７０８６に定められているが、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、その積層構成は一方向強化材（層間での繊維配向角が同一であるもの）に限られている。従来は、材料の優劣を判断するためにこの規格を主に使用してきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】張惟敦，他３名，「ＣＦ／ＥＰＯＸＹ積層板のモードＩ層間破壊挙動に及ぼす繊維配向角の影響」，材料，１９９２年，第４１巻，第４６７号，ｐ．１２９２−１２９８
【非特許文献２】G. Wimmer et al., "Computational and experimental investigation of delamination in L-shaped laminated composite components", Engineering Fracture Mechanics, 2009, vol.76, issue 18, p.2810-2820
【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ＦＲＰは繊維の配向方向以外に対しては強度が低いため、一般的にＦＲＰからなる複合材料は、多方向の引張に対する強度を持たせるために、繊維配向角の異なる複数層のＦＲＰ層を積層して構成される。
【０００７】
つまり、複合材料では用途に応じて層間で様々な繊維配向角を持つため、一方向強化材だけの破壊靱性値では強度評価ができない。現状、複合材料の強度は実証試験により保証されており、従来技術では実用的且つ合理的な設計とは結びついていない。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、繊維配向角が異なるようにＦＲＰ層を積層して構成された複合材料の層間はく離強度評価方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために創案された本発明は、ＦＲＰ層を順次積層すると共に、そのＦＲＰ層の繊維配向角が異なるように積層して構成された複合材料の、ＦＲＰ層間のはく離強度を評価するに際し、各ＦＲＰ層の繊維配向角に基づいた複合材料の解析モデルを作成すると共に、その解析モデルを用いて応力解析を実施して、複合材料のＦＲＰ層間で、はく離が進展する位置を特定すると共に、その位置に規定サイズの初期欠陥を導入し、その解析モデルを用いて仮想き裂閉口法による解析を実施して、前記解析モデルに付与した荷重と、前記特定した位置での層間はく離のエネルギー解放率との関係を求め、他方、応力解析で得られた、層間はく離するＦＲＰ層間の繊維配向角に対応した繊維配向角を有する試験片からなる二重片持ちはり試験片を作製すると共に、その試験片の層間はく離が進展するときのエネルギー解放率である破壊靱性値を測定し、測定した前記破壊靱性値に基づき、求めた前記荷重とエネルギー解放率との関係を参照して、前記複合材料の層間はく離強度を評価する複合材料の層間はく離強度評価方法である。
【００１０】
前記解析モデルとして、３次元モデルを使用しても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、繊維配向角が異なるようにＦＲＰ層を積層して構成された複合材料の層間はく離強度評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の複合材料の層間はく離強度評価方法を説明する流れ図である。
【図２】複合材料の角部を模したＬ字型の要素試験片を示す斜視図である。
【図３】層間はく離の進展を伴う荷重−変位曲線の模式図である。
【図４】仮想き裂閉口法を説明する図であり、（ａ）は層間はく離進展前、（ｂ）は一要素分の層間はく離進展後の解析モデルを表す図である。
【図５】（ａ）は二重片持ちはり試験片を示す模式図、（ｂ）は一方向強化材の積層構成、（ｃ）はクロスプライの積層構成、（ｄ）はアングルプライの積層構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）本発明に係る評価方法による二重片持ちはり試験片の破壊靱性値の評価精度を表すグラフ図であり、（ｂ）は本発明に係る評価方法によるＬ字型要素試験片の層間はく離強度の評価精度を表すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、複合材料の層間はく離について説明する。
【００１４】
図２は、複合材料の角部を模したＬ字型の要素試験片を示す斜視図である。この要素試験片２１は、断面Ｌ字型のＦＲＰ層２２を厚さ方向に積層して構成した複合材料からなり、要素試験片２１の短辺側の端部２３には、底部方向（ＦＲＰ層の積層方向）に平行に荷重Ｐおよび変位δが付与されている。
【００１５】
図３に示すように、複合材料に作用する荷重Ｐと、荷重Ｐの作用点における変位δには線形関係があり、変位δに応じて荷重Ｐは線形に増加する。このとき、Ｌ字の角部では曲げ変形によってＦＲＰの面直方向に大きな応力が発生し、変位δと共にＦＲＰ層間の面直応力が大きくなると、やがて面直応力が最大となっている位置で層間はく離が発生し、荷重Ｐが僅かな減少を示す。本発明で層間はく離強度ＰCとは、最初に層間はく離が発生したときの荷重をいう。層間はく離が発生した後さらに複合材料を変形させると、荷重Ｐの線形増加と、層間はく離の進展に伴う荷重Ｐの減少とを交互に繰り返すような荷重−変位線を示し、複合材料は破壊に至る。
【００１６】
従来では複合材料の層間はく離強度として、同じ繊維配向角のＦＲＰを積層した一方向強化材のみを対象にして破壊靱性試験を行い、はく離の進展しやすさの指標となる破壊靱性値ＧICを取得していた。この手法は、複合材料の材料としての優劣を判断するには有効な手段であったが、複合材料は用途に応じて様々な繊維配向角のＦＲＰを有しており、繊維配向角の異なる層間での破壊を評価することができなかった。
【００１７】
そこで本発明者らが鋭意研究を遂行した結果、異なる繊維配向角を持つ場合には、その配向角での破壊靱性試験を実施し破壊靱性値ＧICを取得すると共に、ＦＥＭ（Finite Element Method；有限要素法）による数値解析を実施し、破壊力学的手法であるＶＣＣＴ（Virtual Crack Closure Technique；仮想き裂閉口法）を用いてエネルギー解放率ＧIを算出し、取得した破壊靱性値ＧICと比較することによりはく離の進展を判断することで、複合材料の層間はく離強度を評価できることを見出し、本発明に至った。
【００１８】
以下に、本発明の好適な一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る複合材料の層間はく離強度評価方法を説明する流れ図である。ここでは、図２に示した複合材料からなる要素試験片２１の層間はく離強度を評価する場合について説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態ではまずステップＳ１１において、各ＦＲＰ層の繊維配向角に基づいた解析モデルを作成すると共に、その解析モデルを応力解析して、複合材料のＦＲＰ層間で、はく離が進展する位置を特定する。
【００２１】
より具体的には、作成した解析モデルに複合材料と同様に荷重Ｐを付与し、ＦＲＰ層間で面直応力が最大となる位置をはく離が進展する位置とする。ここでは、層間はく離強度を評価する複合材料はＬ字型要素試験片であるため、面直応力が最大となる位置は、Ｌ字の角部に発生する。
【００２２】
なお、作成する解析モデルの要素サイズは、１ｍｍ程度とすれば良い。
【００２３】
次にステップＳ１２では、ステップＳ１１で特定した位置に規定サイズの初期欠陥を導入し、その解析モデルに荷重を付加して解析を行って、初期欠陥からの層間はく離のエネルギー解放率ＧIを、ＶＣＣＴを用いて算出する。
【００２４】
具体的には、図４（ａ）に示すように、まず導入した初期欠陥の先端に位置する節点ｐの、き裂を開口する方向（図４中では上下方向）に働く節点力ｆPを求めておく。その後、図４（ｂ）に示すように、初期欠陥から層間はく離が一要素分進展すると仮定して節点ｐを開口させ、開口した節点間の変位δPを求める。
【００２５】
このとき、節点力ｆPのする仕事ΔＷは［数１］に示す下式（１）により与えられる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
したがって、単位面積のはく離を閉じる仕事、すなわち層間はく離のエネルギー解放率ＧIは、層間はく離の進展長さΔａ（すなわち、解析モデルの要素サイズ）を用いて［数２］に示す下式（２）より求められる。
【００２８】
【数２】
2013011504.tif 000004
【００２９】
なお、初期欠陥長さａに比べて要素サイズが十分に小さく要素先端部の要素サイズが互いに等しい場合、節点ｐに隣接し開口済の節点Ｐ’の変位δP'をδPの代わりに用いて、エネルギー解放率ＧIを近似的に求めることもできる。
【００３０】
また、本発明ではステップＳ１２において導入する初期欠陥の寸法を特に限定するものではなく、例えば複合材料の設計における許容欠陥寸法を用いたり、複合材料に対する非破壊試験（Ｘ線探傷試験、超音波探傷）で検出した欠陥寸法を用いたり、あるいは非破壊試験での欠陥の検出限界寸法を用いたりすることができる。この導入する初期欠陥の寸法を適宜変更することにより、本発明では複合材料の設計強度を評価したり、非破壊試験で欠陥が検出された複合材料のその後の安全強度を評価したり、非破壊検査で欠陥が検出されず健全と判断された複合材料の最大強度を評価したりすることができる。
【００３１】
なお、ステップＳ１１およびステップＳ１２の解析は、複合材料が繊維配向角０°または９０°のＦＲＰ層からなるときは、通常の２次元モデルを使用して行うことができる。この場合、解析の解析量が少ないので、比較的簡便に層間はく離強度を評価することができる。一方、複合材料が繊維配向角θ（想定されるはく離方向に対して斜めの繊維配向角）のＦＲＰ層からなる場合、例えば［θ／／−θ］の積層構成を有する複合材料においては、３次元モデルを使用して解析を行うようにする。本発明者らの調査の結果、繊維配向角θのＦＲＰを有する複合材料では、層間でのエネルギー解放率が幅方向に分布を持つことが明らかとなった。従って、このような積層構成を有する複合材料においては、３次元モデルを使用して解析を行うことにより、より精度の良い層間はく離強度の評価を行うことができる。
【００３２】
このステップＳ１２における解析を、解析モデルに付与している荷重Ｐの大きさを種々変更して繰返し、荷重Ｐと、そのときのエネルギー解放率ＧIとの関係を取得しておく。
【００３３】
続くステップＳ１３では、ステップＳ１１で得られた、はく離が進展するＦＲＰ層間の繊維配向角に対応した繊維配向角を有する試験片からなるＤＣＢ試験片（Double Cantilever Beam；二重片持ちはり試験片）を作製する。すなわち、はく離が進展すると応力解析から判断した位置を挟む２層のＦＲＰ層を用いて、ＤＣＢ試験片を作製する。
【００３４】
ＤＣＢ試験片は、図５（ａ）に示すように、試験片５１の中央面が、層間はく離が進展するＦＲＰ層５２，５３間となるように２層のＦＲＰ層５２，５３を積層すると共に、その一端側のＦＲＰ層５２，５３間に初期き裂５４を挿入して形成される。このＤＣＢ試験片５１の、初期き裂５４を挿入した側の端部５５を引き剥がす試験を行うことで、所望の繊維配向角での破壊靱性値を取得することができる。ＤＣＢ試験の詳細は、ＪＩＳ  Ｋ  ７０８６に準拠して行うと良い。
【００３５】
また、ステップＳ１３では、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、層間はく離するＦＲＰ層間の繊維配向角に対応した繊維配向角のＤＣＢ試験片を作製する。すなわち、繊維配向角が０°のＦＲＰ層と、繊維配向角が９０°のＦＲＰ層の層間ではく離が進展するとしたとき、繊維配向角０°と９０°の２層のＦＲＰを用いてＤＣＢ試験片５１ｃを作製する（図５（ｃ））。同様に、繊維配向角がθ（０°＜θ＜９０°）のＦＲＰ層と、繊維配向角−θのＦＲＰ層の層間ではく離が進展するとしたとき、繊維配向角θと−θの２層のＦＲＰを用いてＤＣＢ試験片５１ｄを作製する（図５（ｄ））。なお、繊維配向角が共に０°のＦＲＰ層間ではく離が進展するとしたときには、従来方法と同じく一方向強化材の（すなわち、［０／／０］の積層構成を有する）ＤＣＢ試験片５１ｂを作製する（図５（ｂ））。
【００３６】
ステップＳ１３にてＤＣＢ試験片を作製した後、ステップＳ１４で、作製した試験片に対し、２層を引き剥がす２重片持ちはり試験を行い、作製したＤＣＢ試験片から破壊靱性値を測定する。破壊靱性値は、実際に層間はく離が進展するときのエネルギー解放率である。
【００３７】
より具体的には、図５（ａ）に示したＤＣＢ試験片の、初期き裂を挿入した側の端部５５に荷重を加えて開口変形させ、初期き裂５４から層間はく離を進展させる。この際、端部５５に付加した荷重Ｐと、荷重点の相対開口変位δ、層間はく離の進展量ｄａを測定し、破壊靱性値ＧICを［数３］に示す下式（３）から求める。
【００３８】
【数３】
2013011504.tif 000005
【００３９】
式中、ＢはＤＣＢ試験片の幅寸法、ｄＣははく離進展時のコンプライアンスＣの増加量である。なお、コンプライアンスＣとは、単位荷重を作用させたときの荷重点の変位、すなわち剛性の逆数であり、開口変位δを荷重Ｐで除して求めることができる。
【００４０】
破壊靱性値ＧICを算出した後、ステップＳ１５に進み、破壊靱性値ＧICとエネルギー解放率ＧIとを比較して、初期欠陥から層間はく離が進展するときの荷重Ｐ、すなわち層間はく離強度ＰCを求める。
【００４１】
具体的には、ＤＣＢ試験で測定した破壊靱性値ＧICに基づき、ステップＳ１２で取得しておいた荷重Ｐとエネルギー解放率ＧIとの関係を参照し、破壊靱性値ＧICとエネルギー解放率ＧIとが同値となるときの荷重Ｐが、複合材料の層間はく離強度ＰCであると評価する。
【００４２】
図６（ａ）に、本実施の形態に係る評価方法により、ＤＣＢ試験片のエネルギー解放率を予測した結果を示す。ここでは、［０／／０］、［０／／９０］、［４５／／−４５］の積層構成を有するＤＣＢ試験片のエネルギー解放率を予測した予測値（図中、白抜きの記号）と、実験値（黒塗りの記号）との比較を行った。エネルギー解放率の予測値は、ＤＣＢ試験片から実験値を測定した際に層間はく離が進展したときの荷重を、ＤＣＢ試験片を模した解析モデルに使用し、ＶＣＣＴを用いて算出した。
【００４３】
その結果、本発明に係る評価方法は、すべての積層構成において試験のバラツキの範囲内でエネルギー解放率を評価できることが分かる。
【００４４】
また図６（ｂ）に示すように、本発明に係る評価方法により［０／／９０］の積層構成を有するＬ字型要素試験片（複合材料）の層間はく離強度を予測した予測値と実験値との比較を行った。
【００４５】
その結果、本発明に係る評価方法は、層間で異なる繊維配向角を有する複合材料においても、その層間の層間はく離強度を試験のバラツキの範囲内で評価できることが分かる。
【００４６】
以上要するに、本発明の複合材料の層間はく離強度評価方法では、異なる繊維配向角でのＤＣＢ試験を実施して破壊靱性値を取得し、他方、複合材料の積層構成を模したＦＥＭモデルを応力解析し、異なる繊維配向角のＦＲＰ層間のエネルギー解放率をＶＣＣＴを用いて算出し、破壊靱性値とエネルギー解放率とを比較して、層間はく離強度を評価するようにしている。
【００４７】
これにより、従来方法では評価できなかった、様々な繊維配向角を有する複合材料の層間はく離強度を解析により評価することができる。
【００４８】
また、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。
【００４９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
【００５０】
例えば、０°、９０°、４５°、−４５°など、代表的な繊維配向を有する種々のＦＲＰ層を用い、これら種々のＦＲＰ層から２層を種々組合わせて、異なる繊維配向角を有する種々のＤＣＢ試験片を作製し、種々の繊維配向角ごとに破壊靱性値を取得してデータベース化しておき、評価対象となった複合材料の積層構成に応じ、データベースから破壊靱性値を参照して層間はく離強度を評価するようにしても良い。
【００５１】
また、代表的な繊維配向角での種々の破壊靱性値をデータベース化しておくことにより、上記実施の形態で説明したステップＳ１３，Ｓ１４を省略することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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