令和３年(第２１回)海上技術安全研究所研究発表会

変形時の特性を考慮した新しいFRPの強度評価・設計技術

構造安全評価系
松尾 剛
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

Contents
1.繊維強化複合材料（FRP）に求められること
2.フィラメント・ワインディング（FW）製タンクの強度評価法
I. 湾曲構造の強度試験・評価法の提案
II. 結果と考察

3.層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション
I. 材料モデルの提案
II. 結果と考察

4.まとめ

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所2新しい材料研究に求められること
３つの要素と・・・

高機能“快適性・利便性”

全体をみる
システム設計例「すいそ ふろんてぃあ」

信頼性“安全性・耐久性”液化水素タンク

どれか一つが良くても，他が満足されないと実用化できない
低コスト・ “もの”の仕組みを広い視野で見る必要がある
低エネルギー“環境適合性”
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3材料特性評価と信頼性設計の基準創り信頼性設計開発ビルディングブロック
Structural
Certification Trend
航空機がCFRPを翼や胴体に適用するために、このプロセスを完成させるのにもやはり数十年かかった
Ex)Boeing 787

メーカー
フルモデル
強度テスト

A社

B社

C社

試験法・設計基準
材料の力学メカニズムに基づいた，新しい評
価法・新しい設計手法の深化と汎用化

Component
設計&検証
Sub-component

構造要素設計&検証
品質検証
試験法抽出・検討

P社

Q社

R社 材料メーカー

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Contents
1.繊維強化複合材料（FRP）に求められること
2.フィラメント・ワインディング（FW）製タンクの強度評価法
I. 湾曲構造の強度試験・評価法の提案
II. 結果と考察

3.層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション
I. 材料モデルの提案
II. 結果と考察

4.まとめ

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FW製タンクの強度評価法- 二重殻タンクの安全機能 軽量
作業性UP

耐久性・耐食性【異常検知構造】

長期運用によるコストダウン

安全対策
漏洩検知機能二重殻構造••

米国では二重構造が義務付けられている（1998年以降）
我が国でも漏洩防止対策の必要性が高まってきているが二重殻タンクの普及率は20%程度（平成28年度）
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FW製タンクの強度評価法- FF二重殻タンクの特長 一重殻タンク

SF二重殻タンク

外面防食塗覆装外殻：FRP板

外殻：FRP板

タンク構成

サンドイッチ
一体構造

検知層：3D織物

検知層

スチール板のみ

内殻：スチール板

約6.5 トン

約6.5 トン

約3.3 トン

腐食する

腐食する

腐食無し

本体

安い

高め

高め

埋設工事

高い
コンクリートピット

安め
直埋設可能

安め
直埋設可能

定期検査

必要

内殻：不要
外殻：必要

常時モニタリングにより不要

重量ex. 内径2400mm, 長さ12000mm

耐食性
サビや腐食

価格

漏洩防止

FF二重殻タンク

内殻：FRP板

センサ

検知機能

なし

検知管センサ

内殻破損時のみ検知可能
検知液

内殻・外殻のどちらが破損しても検知可能

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FW製タンクの強度評価法- FF二重殻タンクの構造・製造 FF二重殻タンクの開発例※積層構成概略
外殻
検知層

内殻

内殻

検知層
耐食層

外殻

検知層の立体イメージ

表層
（塗装）

ガラス繊維マット
フィラメント
ワインディング（FW）

チョップドストランド（スプレーアップ）

内殻側から下から順に積み上げ
連続的に一体成形

三次元織物構造（検知層）が内殻と外殻の距離を一定に保ち支えるため、十分な検知空間を確保できる

軽いだけでなく、二重殻構造の利点を最大活用した機能を持つ
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FW製タンクの強度評価法- 評価基準の問題点構造設計基準
クリア

消防安全基準
クリア

材料設計

特性評価

工程開発

外殻

外殻生産性
検証

検知層

and/or

内殻

内殻生産“平板”で検証
強度全数検査出荷“製品”で検証
信頼性UP？？

基準値“平板”単体“円筒”サンドイッチ

切り出して引張試験で評価してみると・・・
設計強度に満たない

全く同じ素材・構成で同じ試験
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FW製タンクの強度評価法- 湾曲構造の強度試験法の提案 軸方向

周方向

上側グリップ

周向方

向方
軸軸方向

• 厚板に対応したグリップフェイス• 試験片とフェイスの間に紙やすり

内殻

内殻

外殻
外殻周方向

• 上下グリップを同時に締める• JIS規格に準じて引張試験を実施• 中心両面にひずみゲージ
下側グリップ国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

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FW製タンクの強度評価法- 湾曲構造の強度試験法の提案 実験結果：破壊と見掛けの応力ひずみ関係

引張荷重を有効断面積で割った応力

掴み力

グリップによる曲げモーメント
圧縮ひずみ

引張ひずみ

Tensile loading stress, st [MPa]引張荷重15010050

外殻st内殻ei00eo0-50

Inner shellsb

Outer Shell-100-1.0-0.5

0.00.51.01.52.0

Strain by strain gauge, ei & eo [%]内殻が先に破損

st ：引張軸断面の平均引張応力（これだけでは過小評価）
sb ：グリップ掴み時の表層引張応力（最大曲げ応力）
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FW製タンクの強度評価法- 湾曲構造の強度評価法の提案（ケース１） 強度の算出：「引張」と「曲げ」が働く場合の計算方法

内殻
外殻断面の応力分布st

内殻- sfsb

𝜎𝑓 = 𝜎𝑡 + 𝜎𝑏sf
外殻

ケース1：内殻の内側表層のみが評価強度𝝈𝒇 に到達して破損
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FW製タンクの強度評価法- 湾曲構造の強度評価法の提案（ケース２） 強度の算出：「引張」と「曲げ」が働く場合の計算方法
sf

sf

sf

sf

引張力

曲げモーメント𝑁 = 𝜎𝑓 ∙ 𝑏 ∙ 𝑡 − 2𝜂
- sf

- sf

引張応力

𝑀 = 𝜎𝑓 ∙ 𝑏 ∙ 𝜂 ∙ 𝑡 − 𝜂
曲げ応力𝜎𝑡 = 𝑁/𝑏𝑡

sf

𝜎𝑏 = 6𝑀/𝑏𝑡 2𝜎𝑏 3𝜎𝑡= ∙ 1−𝜎𝑓 2𝜎𝑓2𝜎𝑏 /𝜎𝑓- sf

ケース2：全断面が評価強度𝝈𝒇 に到達して破損

引張+曲げの組み合わせ応力下での崩壊曲線

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𝜎𝑡 /𝜎𝑓14

FW製タンクの強度評価法- 新強度評価法の妥当性検証 1. 材料設計時の平板純強度を𝜎𝑓 として両ケースの破壊曲線を描画
2. 内径の異なる3種類（2400，2100，1600mm）の湾曲試
験片の破壊時の引張・曲げ応力関係をプロット

3𝜎𝑓2𝜎𝑏 3 𝜎𝑡+ ∙𝜎𝑓 2 𝜎𝑓23=2𝜎𝑓𝜎𝑡 𝜎𝑏+=1𝜎𝑓 𝜎𝑓𝜎𝑓
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FW製タンクの強度評価法- 新強度評価法の実用性 実験結果から引張強度を導出・3パターンで比較
・ 既存評価法：引張荷重のみ考慮

𝜎𝑓 = 𝜎𝑡過小評価
危険側
安全側・ ケース１：表層のみ最大応力のみ純強度

𝜎𝑓 = 𝜎𝑡 + 𝜎𝑏・ ケース２：全断面均一応力𝜎𝑏 + 𝜎𝑏 2 + 9 ∙ 𝜎𝑡 2𝜎𝑓 =3最適な安全側評価

材料設計強度D2400

D2100

D1600

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FW製タンクの強度評価法- 結論 ❖タンク湾曲構造の引張試験において，初期グリップ時の曲げ応力を求めて，「引張」と「曲げ」が働く組み合わせ応力状態を考慮して，ケース１および２の強度評価方法を提案した．
❖両ケースはそれぞれ強度の上限・下限を示す可能性を示し，内径の異なる試験片の結果はそれらの範囲内に収まることが確認された．
❖全断面均一応力を考慮すれば，内径の違いに依らず，純引張強度を実験的に導出できる可能性を示した．安全側の評価であることから，設計に活用できると考えられる．

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Contents
1.繊維強化複合材料（FRP）に求められること
2.フィラメント・ワインディング（FW）製タンクの強度評価法
I. 湾曲構造の強度試験・評価法の提案
II. 結果と考察

3.層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション
I. 材料モデルの提案
II. 結果と考察

4.まとめ

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18層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 背景：高生産FRP 炭素繊維樹脂含浸技術
界面接着技術

酸変性ポリプロピレン

素材から部材までの製造プロセス
チョップ＆ランダム配向中間基材（仮プレス成形板）

連続繊維
プリプレグテープ
加圧・冷却

脱型

IR heater
加熱Pre-heating

型占有時間１分

ハット型
フレーム部材

FRPのデメリットであった低生産性を克服
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19層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 高生産FRPの特長 • スチールの材料置換を想定• 外形寸法は変えず• 密度が約1/6とすると，重量半減のためには断面積は3倍にできるリブ形状の付与

板厚コントロールが容易

断面形状自由度が高い
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連続繊維系との複合一体成形20

層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 軸圧潰挙動の材料比較-ref) 松尾 他, 面外損傷有限要素モデルを用いた熱可塑性CFRPクラッシュボックスの軸圧潰耐衝撃性に関する考察, 自動車技術会論文集, Vol.48, No.2

Drop Weight: 900kg Velocity: 50km/h

テープランダム材
による中空部材

Front view

振動溶着雪像Aluminum alloy＜Spot welding＞

Side view

Steel＜spot welding＞

衝撃吸収エネルギーは、金属材料の重量比２倍の性能国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

21層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 材料モデル提案Weightref) T.Matsuo et al. “Numerical modeling and analysis for axial compressive crushing of randomly oriented
thermoplastic composite tubes based on the out-of-plane damage mechanism”, Composite Structures, Vol.181

Input velocity

Solver(explicit): RADIOSS 13.0
Mesh
: HEPH 3D solid

Rigid plate
Hollow crash box
Welding layer

Tied contact
Main layer
Fixing plate
Base

CZM

通常のソリッド要素だけでなく、結合力要素を層間特性として実装

Assign MAT property with final failure strain❖ Main layer: law 28 mainly for in-plane❖ CZM (+ welding): law 59 mainly for out-of-plane
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22Compressive load

In-planeOverlap depth 1mm◼ 層間パラメータの決定

Shearing area

6.4mm

・層間（面外）せん断・層間（面外）垂直の特性を直接法によりそれぞれ取得

Out-of-plane
Bi-axial
strain gauge

12340×20

Out-of-plane final failure

17%

10003

Compressive load4mm

Strain gauge

面外せん断特性カーブ

30

131

Out-of-plane tensile stress [MPa]- 層間特性評価 -Out-of-plane shear stress [MPa]

層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション

5101520Out-of-plane shear strain [%]40面外垂直方向特性カーブ

×3020

Out-of-plane final failure

1.7%10000.4

0.8

1.2

1.6

2Out-of-plane tensile strain [%]国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

23層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 材料の速度依存性評価 衝撃３点曲げ試験
Striker
Specimen

Supports

Flexural strength, log sƒ [MPa]3.0x 1.3-30ºC
0ºC

2.825ºC

2.650ºC
75ºC

2.4100ºC

2.2-30ºC
50ºC

0ºC
75ºC

25ºC
100ºC

2.0-4-3-2-101
Flexural strain rate, log R [/sec]

2

高速時の強度をひずみ速度依存性を考慮して設定
Staticx 1.3 =Dynamic
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24層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 解析結果：破壊挙動 Front view

Failure process

Side view

層間剥離による損傷モードを上手く再現
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25層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 解析結果：破壊エネルギーの実験との比較 16 msec

8 msec

逐次破壊荷重と破壊エネルギーの推移

エネルギー吸収性能が実験と同等

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層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- パラメータ・スタディ 層間特性の破断ひずみによる影響

Stress

破断ひずみのみを変化して比較

Original

Failure strain :50 %Failure strain :25 %Original

25%

50%
Strain

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層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- パラメータ・スタディ -Force (original)

100

EA (original)
EA (50%)6EA (25%)

Force (50%)

50

300Force (25%)-3-50010050
Stroke [mm]150

Energy absorption [kJ]9150

Reaction force [kN]

Stress層間特性の破断ひずみによる影響

25%

50% Original
Strain

層間破断ひずみによって劇的に衝撃吸収性能が変わることが判明

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層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション- 結論 ❖ ランダム配向FRPは、金属同等以上の衝撃吸収性能を発現する可能性がある。

❖ その性能を設計できるようにするために、層間破壊特性を材料モデルに組み入れた数値解析シミュレーションを構築した❖ シミュレーションが実験結果を上手く再現でき、かつパラメータ・スタディによって、層間剥離の影響を定量的に分析できるようになり、材料・構造の設計方針を決める手助けになり得る

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Contents
1.繊維強化複合材料（FRP）に求められること
2.フィラメント・ワインディング（FW）製タンクの強度評価法
I. 湾曲構造の強度試験・評価法の提案
II. 結果と考察

3.層間損傷を考慮した衝撃吸収シミュレーション
I. 材料モデルの提案
II. 結果と考察

4.まとめ

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まとめ
❖ FRPは軽量であるだけでなく、従来材料に無い機能や性能を付与できる可能性がある
例）耐腐食性、一体成形、自由断面設計 etc❖ 低コスト化と高信頼性が両立できれば、様々な構造に適用できる見込みがあり、開発・生産コストを大きく下げる技術研究が進められている例）舶用プロペラ、水素タンク、耐衝撃構造 etc❖ 海上・海洋構造物へのFRP適用のための新たな評価法や設計法を提案し、基礎となるガイドラインを普及・拡大させて、海とFPRのデファクトスタンダードを目指す

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ご清聴ありがとうございました

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