抄録/ポイント：
抄録/ポイント
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航空宇宙産業における軽量構造で多用されている優れた比強度と比剛性を有するCFRP積層板は,層間はく離,マトリクス割れおよび繊維破断が連成した複雑な損傷が発生する可能性がある.特に衝撃損傷を有する積層構造の圧縮強度はCAI (Compression After Impact) 強度と呼ばれ,積層材料を用いた航空機構造の重要な強度評定の一つになっている.現状の航空機構造設計において,多数回実施される強度試験を,数値シミュレーションに置き換えるバーチャルテスティング手法が実現すれば,設計工程が短縮され,コスト削減に資することができると考えられる.CFRP積層板におけるマトリクス割れ,層間はく離をモデル化するために,Halletらは,積層板の層間およびマトリクス割れの生じる可能性のある箇所にあらかじめ結合力モデル (CZM) を考慮したインターフェース要素を設定した有限要素法 (FEM) により,CFRP積層試験片の損傷進展解析を行い,実験結果と概ね整合する結果を得ている.これらの研究においては,収束計算が不要な動的陽解法が用いられている.一方,Ridhaらは,連続体損傷モデルを静的陰解法で解く際の収束性の問題を改善するために,接線剛性が負にならないようなZig-zag型軟化則を提案している.また,Higuchiら,島崎らは拡張有限要素法 (XFEM) でマトリクス割れをモデル化し,結合力モデルとしてZig-zag CZMを導入し面内荷重を受けるCFRP積層板の損傷進展解析を陰解法で実施し,妥当な結果を得ている.従来の研究においては,面内荷重を受ける試験を解析対象としていたので,有限変形理論を考慮する必要がなかった.本稿は,CAI強度試験を数値シミュレーションに置き換える解析手法を確立するための研究の一環として,QSI試験解析を実施する.QSI試験解析においては,材料の損傷による材料非線形性に加えて,積層板の大たわみによる幾何学的非線形性,押し込み圧子と積層板表面との接触による境界非線形性を考慮する必要となる.本解析では,薄板の面外荷重問題であり,微小ひずみ大たわみを扱うために有限変形理論が不可欠となる.このような解析においても,Zig-zag CZMを用いた静的陰解法の妥当性を検証した.解析結果を,通常のCZMを用いた動的陽解法による結果や実験結果と比較して妥当性を検討した.Zig-zag CZMによる陰解法をCZMによる陽解法と比較するために,内製FEMコードNLFEA3Dを使用した.一方,内製コードの解析結果は,実務で用いられる汎用コードによる結果と,どの程度近いのかを参照として示すために,Abaqus/Explicitを用いた.これらの解析結果は,実験により得られる第1強度低下点までの荷重と押し込み量の関係と第1強度低下点直後の損傷の大きさを概ね再現しました.陰解法によるQSI試験解析では,計算時間およびエネルギーバランスに影響するマススケーリングや現象加速などのパラメーター調整が不要なことは陰解法の利点として確認された.一方,Zig-zag CZMでも新たなパラメーターとして c が追加されているが, c に対して感度が小さい.今後は,数値解析の精度を向上させるために,CZMの改良を検討するともに,衝撃損傷を有する構造の圧縮試験解析や補強材などの複雑な構造を対象とした検証解析の実施する.また, XFEMを用いて,多数のマトリクス割れをモデル化し,解析モデルの高精度化および効率化を図る.(著者抄録)
