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CFRP(炭素繊維強化樹 )特性情報

FEMのソフトで構造解析をしています。
金属はいくつか取り扱ってきましたが、個人的な興味でCFRPの解析をしてみたいです。
ところが、論文等を読むとコーティングの仕方や層の数の影響が大きいことが分かります。
【質問1】
実務ではないのいで、特定の部材のデータではなく、一般的な(産業で使われるようなものの平均的な)CFRPのデータが欲しいのですが、どこかに載っていないでしょうか?
具体的には、ヤング率、ポアソン比、降伏応力がほしいです。

【質問2】
CFRPの層を重ねるのに、接着剤の種類による影響はFEMソフトの中でどのように設定すべきでしょうか?それとも、層を重ねて加工済みの状態の物理特性を1つの物体に適応するのが通常でしょうか?

宜しくお願いします。

投稿日時 - 2020-03-26 15:39:17

QNo.9727755

困ってます

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回答(3)

ANo.3

>>降伏点が記載されておらず・・・
 どこにもないとなると、そもそも製造条件で違いすぎるために公開していない可能性はありますね。特にCFRPの実用的な強度関係データとなると、それこそ企業秘密の領域になる可能性もあります。

>>材料特性、積層、以外にも金属とは違った扱いをしなければならないのではないかと不安になってきました。
 これは明確にその通りでしょうね。
 樹脂の素晴らしい所は、細かい配合や製造時のちょっとした条件付けで大きく物理特性を変化させられる所です。
 つまり樹脂は、細かい配合や製造時のちょっとした条件付けで大きく物理特性が変化してしまう、という事でもあります。
 樹脂製品の強度試験をしていた事がありますが、同一ロット内でも思わず笑ってしまうくらいバラつきますからね。設計担当の土気色の顏を今でも覚えています。
 物性の安定性にしろ何にしろ、金属とは完全な別物と考えた方がいいでしょう。

 樹脂は近年になって大きく、急激に発達しています。数千年間のお付き合いのある「銅」「鉄」といった人類の親友たちとは違って、まだまだ不明瞭な部分が大量にあります。また日々新素材が生まれ、その新素材は今までの素材たちとはまた別の特性を持っています。
 私は解析側の知見はあまりないですが、製品ベースの経験からすると『これを本当にシミュレーション解析できるものなのか?』という疑問すら感じる程です。
 逆に言うと、そうした『どんな条件でやれば多少なりと整合したシミュレーションになるのか?』というのを、業務ではなく(=納期や期限に追われず)試せるならば非常に魅力的なテーマになると思います。頑張ってください。

投稿日時 - 2020-03-28 12:17:42

お礼

コメントありがとうございます。

まず、降伏点についてですが、こちらのサイトに繊維強化プラスティックの場合存在しないとありました。同じようなグラフを実験結果から提示している論文も2つ見つけたので、これを前提にテーブルの設定をする必要があると今は考えています。
http://kuat-drive-yards.com/cae13.html


【質問】
http://www.cit.nihon-u.ac.jp/laboratorydata/kenkyu/kouennkai/reference/No.49/pdf/1-25.pdf

(1)こちらの論文のようなシミュレーションをしたいのですが、必要な材料特性、積層の設定方法についてどなたか教えていただけないでしょうか?

(2)同じような円柱の軸力方向への圧縮をアルミ、スチールでやった場合は、準静的として扱いました(実験結果と誤差はすくなく、境界条件等の設定ももんだいなさそうです)。上記は動的としてFEM解析したようですが、「材質の特性による違い」を比較する際は同じ条件でシミュレーションしないと意味がないのでしょうか?それとも、材料の特性に合わせて、陰・陽解法を変更している、というのは比較条件に影響を及ぼさないと言い切ってよいのでしょうか?
見解を伺いたいです。

何度も申し訳ありませんが、宜しくお願い致します。

投稿日時 - 2020-03-29 09:22:06

ANo.2

【質問2】
回答1の方も回答されてますが、そのアプローチでは困難ですね
まず炭素繊維織物の織り方も沢山ありますし異方性もおおきいです
FEM解析に使えるような特性モデルの提供は無いと思われますし
またモデル特性にあった製品特性を再現できるともかぎりません。
似たような素材でガラス樹脂を織り込んだプリント基板などでは
多数FEM解析が試みられていますので参考にされると良いかと。

投稿日時 - 2020-03-27 12:56:48

ANo.1

 ハッキリ言いますが、樹脂の解析は地獄ですよ・・・個人的な興味ならいいですが、下手に詳しくなって実務ベースで任される様なことは絶対に避けましょうね。単純なシミュレーションでもほぼ確実に整合しませんから。

【質問1】データについて。
 強度類のデータは取り合えず以下のようなところでどうでしょうか。
http://www.frp-ibaraki.co.jp/products/cfrp/spec
https://www.toplaseiko.com/product/cfrp_04.html
 細かい所まで見てないので足りなかったらすいません。ただこうした素材のデータ類は「〇〇〇〇(素材の名称) 物性」で検索すると色々引っ掛かりますので、足りない分はご自身で探した方が手っ取り早いかと。

【質問2】FEMについて。
 基本的には、まず単純な「層を重ねて加工済みの状態」モデルから取り掛かるべきです。その上で、検証したい実際の現象に剥離強度が影響していそうなら、改めてモデリングするのがお勧めです。
 個人的な興味レベルであっても、まずかける労力は小さくするべきです。
 なぜなら、どうせ物理現象と中々整合しないからです。最初から下手に手間をかけて要素を増やすとドツボです。

 何故繰り返しこのような事を言うかと言えば、そもそも単純なFEMでは樹脂解析は原理上不可能だからです。
 ご参考までにですが、質問1の回答として張ったページにはこのように記載されています。
「CFRP物性は全て×方向のみの性能です。Y方向は全く別の性質を持っています。」
 論文などを当たられたようなのでご存じでしょうが、CFRPの強度には異方性があります。これは繊維が引っ張り方向に強いためですが、実は繊維だけでなく、単純な樹脂材(例えばABS樹脂とか)でも大なり小なり異方性が生まれます。

 これは現状の樹脂成型の都合上、特に射出成型では鋳物と同様の「解けた樹脂の流れ方・冷え方・固まり方」という要素が発生するためです。熱変形にしろ物理特性にしろ、これらの影響で大きなバラツキを示します。
 つまり現実的に整合する解析を行うならば、そもそも解析するワーク自体も性格・綿密な流れ解析、放熱解析等による樹脂内部の層や収縮を織り込んだものでなければなりません。
 しかし現実問題としては、そもそも制作時のバラツキ自体をシミュレーション事すら困難なのが樹脂界隈の現状です。ある程度まで整合させる事は可能ですが、それも各会社のノウハウと知見があっての事ですし、そもそも他社の条件では全然使い物にならなかったりします。
 つまりそうした内部的な微細構造を模擬できない時点で、強化プラ系の解析は「『絵に書いた餅』を書いた絵」です。

 個人的興味というなら中々に奥深く、非常に面白い知的遊戯だと思います。だからこそ、まずはこじんまりと構えてみて、深堀りしたくなってから層別シミュレーションなどに手を出すようにするのを強くオススメします。

投稿日時 - 2020-03-26 21:20:30

お礼

kon555さん、

詳細にご説明いただき、本当にありがとうございます。(ベストアンサーにしたいですが、もう少し知りたいことがあるので、しばらくオープンにします。)

【材料特性】
まず、材料特性ですが、そちらのサイトはすでに見ていました。ただ、欲しい項目がありません。
私の材料力学に関する知識があまり深くないので、違うアプローチもあるのかもしれませんが、
金属で変形・変位をシミュレートする時は、以下を設定していました。
・「材料特性」でヤング率、ポアソン比を入力
・事象を定義するための「テーブルと座標系」で(塑性として扱うため)降伏点が塑性ひずみに対して一定と定義
ただ、「Proceedings of China SAE Congress 2018: Selected Papers」にて、その後、上記3項目の値は見つけました。
お手数をおかけしました。

【FEMソフトでのシミュレーション】
https://www.cybernet.co.jp/ansys/case/tips/24.html
使っているのはANSYSではありませんが、上記のサイトを参考に、(金属でシミュレーションした角材の材料特性を変更する形で)「材料特性」を「等方性弾塑性」から「直行異方性弾塑性」に変更しました。

(1)ここで問題が出ました。「直行異方性弾塑性」に選択肢を変更すると、これまで1つずつだった、ヤング率、ポアソン比を入力の入力欄が3つずつになります。これは、3層を前提にされているのか?(積層は解析の項目で変更できることが分かりましたが、そもそもデフォルトで5。今まで知らずにそれで実行していました。3層以上シミュレーションできないのはおかしい気がします。)
縦・横、のつもりで順に値を入れれば良いのか?また、以下の日大のサイトには炭素繊維の項目がありますが、方向が書いていなくて、未だに入力値の情報がありません。
http://www.me.cit.nihon-u.ac.jp/lab/ben/LectureCourse/New_1Mechanics/Material_Properties.pdf

(2) また、上記のサイトにも、「Proceedings of China SAE Congress 2018: Selected Papers」にも、は降伏点が記載されておらず... もしかしたら、企業秘なのかもしれませんが、実務でされている方がいるのであれば、どこから値が参照できるのか知りたいです。

(3)また、金属、CFRPとも完全塑性と仮定して扱っていますが、材料特性、積層、以外にも金属とは違った扱いをしなければならないのではないかと不安になってきました。

質問だらけで大変申し訳ありませんが、1項目でも見解をお持ちの方がいらっしゃいましたら、ご意見を伺いたいです。

投稿日時 - 2020-03-27 11:40:47

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