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1. WO2020116017 - DESIGN METHOD FOR COMPOSITE MATERIAL AND COMPOSITE MATERIAL

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明 細 書

発明の名称 複合材の設計方法および複合材

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023  

図面の簡単な説明

0024  

発明を実施するための形態

0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068  

符号の説明

0069  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

明 細 書

発明の名称 : 複合材の設計方法および複合材

技術分野

[0001]
 本発明は、複合材の設計方法および複合材に関する。

背景技術

[0002]
 従来、強化繊維を含む複合材料層を複数積層して形成される複合材に関する技術が知られている。例えば、特許文献1には、航空機の主翼に適用される複合材構造体が開示されている。この複合材構造体では、主翼に設けられるアクセスホールの周辺領域における引張剛性、圧縮剛性を、他領域における引張剛性、圧縮剛性よりも小さくすることで、引張荷重、圧縮荷重を他領域で主として負担させて、アクセスホールの周辺領域の補強を少なくしている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 国際公開第2012/105691号

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 上記特許文献1に記載された航空機に適用される複合材では、例えばアクセスホールといった応力集中が生じやすい箇所の周囲において、複合材料層の間に追加層を積層し、板厚を増加させた補強部を形成することで、強度を向上させることが一般的である。しかしながら、補強部について所望の強度を得るための積層構成、すなわち追加層の積層数および強化繊維の配向方向の構成については、なお改善の余地がある。
[0005]
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006]
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材の設計方法であって、前記複合材に荷重を付加して、前記補強部が、プルアウトモードと前記プルアウトモード以外のモードとを含む破壊モードのいずれで破壊されるかを特定する試験ステップと、特定された前記破壊モードに応じて前記追加層の積層数および前記強化繊維の配向方向を変更した前記複合材を形成する積層構成変更ステップと、を備え、前記破壊モードが前記プルアウトモードとなるまで、前記試験ステップと前記積層構成変更ステップとを繰り返し実行して、前記補強部における前記複合材料層の積層構成を最適化することを特徴とする。
[0007]
 この構成により、試験ステップで特定される補強部の破壊モードが、最も強度が高いプルアウトモードになるまで、追加層の積層数および強化繊維の配向方向を変更して、補強部の積層構成を最適化することができる。したがって、本発明によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。
[0008]
 また、前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が増加する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することが好ましい。
[0009]
 この構成により、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0010]
 また、前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが層間剥離モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が減少する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することが好ましい。
[0011]
 この構成により、層間剥離モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0012]
 また、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が荷重方向と一致する前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が前記荷重方向である前記追加層を、少なくとも1つ積層することが好ましい。
[0013]
 この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層を積層するため、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、脆性破壊の発生を抑制して補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0014]
 また、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層を積層することが好ましい。
[0015]
 この構成により、脆性破壊の発生を良好に抑制し、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0016]
 また、複数の前記複合材料層は、荷重方向を0°としたとき、前記配向方向が0°、+45°、-45°、90°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が90°以外の前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が90°以外の前記追加層を積層することが好ましい。
[0017]
 この構成により、配向方向が90°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が0°、45°、-45°の追加層を積層することで、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0018]
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材であって、前記補強部は、前記強化繊維の配向方向が主として作用する荷重方向と一致する前記複合材料層に隣接して、前記配向方向が前記荷重方向と一致する前記追加層が、少なくとも1つ積層されていることを特徴とする。
[0019]
 この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層を積層するため、荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。したがって、本発明によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。
[0020]
 また、前記補強部は、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が積層されていることが好ましい。
[0021]
 この構成により、脆性破壊の発生を良好に抑制し、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0022]
 また、複数の前記複合材料層は、前記荷重方向を0°としたとき、前記配向方向が0°、+45°、-45°、90°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、前記補強部は、前記配向方向が90°以外の前記複合材料層に隣接して、前記配向方向が90°以外の前記追加層が積層されていることが好ましい。
[0023]
 この構成により、配向方向が90°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が0°、45°、-45°の追加層を積層することで、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0024]
[図1] 図1は、実施形態にかかる複合材の一例を示す平面図である。
[図2] 図2は、図1のA-A線に沿った断面図である。
[図3] 図3は、実施形態にかかる複合材の他の構成例を示す断面図である。
[図4] 図4は、実施形態にかかる複合材の各複合材料層が有する強化繊維の配向方向を示す説明図である。
[図5] 図5は、補強部の他の積層構成の例を示す説明図である。
[図6] 図6は、補強部の他の積層構成の例を示す説明図である。
[図7] 図7は、複合材の積層構成の他の例を示す説明図である。
[図8] 図8は、複合材の積層構成の他の例を示す説明図である。
[図9] 図9は、実施形態にかかる複合材の設計方法の一例を示すフローチャートである。
[図10] 図10は、実施形態にかかる複合材の他の構成を示す平面図である。

発明を実施するための形態

[0025]
 以下に、本発明にかかる複合材の設計方法および複合材の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
[0026]
 図1は、実施形態にかかる複合材の一例を示す平面図であり、図2は、図1のA-A線に沿った断面図である。図1および図2に示す複合材100は、例えば主翼や機体の外板といった航空機の種々の部分に適用される繊維強化複合材である。なお、複合材100は、航空機以外の設備に適用されるものであってもよい。複合材100は、図2に示すように、複数の複合材料層10を積層して形成されている。各複合材料層10は、所定の配向方向に沿って延びる強化繊維(例えば炭素繊維等)に、マトリックス樹脂を含浸させたものである。なお、本実施形態において、複合材100は、図2に示すように、中心線Lを基準に図中上下対称構造に形成されている。
[0027]
 複合材100は、貫通孔100aを備えている。貫通孔100aは、図1および図2に示すように、複合材100を貫通する孔部であり、例えばアクセスホール等として用いられる。また、複合材100は、通常部101と、補強部102とを備えている。通常部101は、図2に示すように、複数の複合材料層10が積層して形成された部分である。ここでは、通常部101を構成する複合材料層10を「ベース層20」と称する。本実施形態において、通常部101は、図2に示すように、外層側から内層側(中心線L側)にかけて、4つのベース層21、22、23、24がこの順番に積層されている。
[0028]
 一方、補強部102は、貫通孔100aの周囲領域において、通常部101よりも板厚を増加させた部分として設けられている。補強部102は、図2に示すように、通常部101から延びるベース層20に隣接させて、複合材料層10を追加した追加層30を有している。すなわち、各ベース層20の間に、追加層30が積層されている。それにより、補強部102は、通常部101よりも板厚が増加する。本実施形態において、ベース層20と追加層30とは、同じ厚さであるものとする。なお、図2に示すように、各追加層30の端部とベース層20との間には、マトリックス樹脂のみが存在する領域40が存在する。
[0029]
 本実施形態において、追加層30は、図2に示すように、外層側から内層側(中心線L側)にかけて、追加層31、32、33、34の順に積層されている。すなわち、補強部102は、外層側から内層側(中心線L側)にかけて、ベース層21、追加層31、ベース層22、追加層32、ベース層23、追加層33、ベース層24、追加層34の順に積層されて形成される。このように、通常部101よりも板厚を増加させた補強部102を設けることで、応力集中が生じやすい貫通孔100aの周囲領域の強度を向上させることができる。
[0030]
 図2に示す例において、複合材100は、中心線Lを基準に図中上下対称構造に形成されているが、複合材100の形状は、これに限られない。図3は、実施形態にかかる複合材の他の構成例を示す断面図である。図3に示す例では、複合材100は、図2に示す複合材100と各複合材料層10が同じ積層構成となっている。ただし、図3に示す例では、複合材100は、図中下側のベース層21が平滑に延在する。そして、補強部102は、図3に示すように、図中下側のベース層21に対して図中上側に向けて板厚が増加するように、追加層31、32、33、34が積層されている。これにより、複合材100が翼や機体の外板といった航空機の外面を構成する部材に適用される場合に、図3中の下側に位置する平滑なベース層21を用いて、航空機の外面(空力面)を平滑にすることができる。
[0031]
 また、本実施形態において、各複合材料層10は、一般的な複合材に用いられる複合材料層よりも薄層化されている。各複合材料層10は、例えば0.03mm以上0.1mm以下の範囲の厚さである。このように、各複合材料層10を薄層化することで、複合材100に荷重が作用したときに、強化繊維の配向方向が異なる隣接層によって、クラック先端の開口変形抑制効果が得られる。その結果、初期損傷(亀裂)を抑制することができるため、複合材100の強度が向上する。ただし、初期損傷の抑制を図ることで、貫通孔100aの周囲領域において、損傷の発生による応力再分配現象が生じない、すなわち応力集中が緩和されない場合がある。その結果、例えば、図2および図3において白抜き矢印で示すように複合材100に荷重方向Gの引張荷重が作用したとき、貫通孔100aの周囲領域において脆性破壊が生じやすくなり、所望の耐荷重性能を得られない可能性がある。
[0032]
 本実施形態の複合材100は、貫通孔100aの周囲領域において脆性破壊が生じることを抑制し、所望の耐荷重性能を得ることを目的に、各複合材料層10の積層構成が設計されている。以下、所望の耐荷重性能を得るための複合材100の積層構成について、図2から図4を参照しながら説明する。図4は、実施形態にかかる複合材の各複合材料層が有する強化繊維の配向方向を示す説明図である。
[0033]
 複合材100には、例えば航空機に適用された状態において、図2および図3に白抜き矢印で示す荷重方向Gの荷重が主として作用するものとする。本実施形態において、荷重方向Gは、引張荷重である。ここでは、荷重方向Gに沿った方向を0°と定義する。本実施形態において、複合材100は、強化繊維の配向方向が0°、+45°、-45°、90°である複合材料層10(ベース層20および追加層30)を積層した、疑似等方積層により積層されている。なお、+45°、-45°とは、強化繊維の配向方向が0°に対して45°の角度を成す方向に延びることを意味し、90°とは、強化繊維の配向方向が0°に対して直交する方向に延びることを意味する。
[0034]
 通常部101は、図4に示すように、45°、90°、-45°、0°の積層構成を、中心線Lを基準として反転して繰り返す、[45/90/-45/0] の積層構成で形成されている。すなわち、通常部101は、ベース層21の強化繊維の配向方向が45°、ベース層22の強化繊維の配向方向が90°、ベース層23の強化繊維の配向方向が-45°、ベース層24の強化繊維の配向方向が0°とされている。
[0035]
 一方、補強部102は、図4に示すように、45°、45°、90°、90°、-45°、-45°、0°、0°の積層構成を、中心線Lを基準として反転して繰り返す、[45 /90 /-45 /0 の積層構成で形成されている。すなわち、ベース層21と、ベース層21に隣接して積層される追加層31の強化繊維の配向方向が45°である。また、ベース層22と、ベース層22に隣接して積層される追加層32の強化繊維の配向方向が90°である。また、ベース層23と、ベース層23に隣接して積層される追加層33の強化繊維の配向方向が-45°である。また、ベース層24と、ベース層24に隣接して積層される追加層34の強化繊維の配向方向が0°である。したがって、補強部102は、各ベース層20に隣接して積層される追加層30が、当該隣接するベース層20と、強化繊維の配向方向が同じものとされている。なお、ここでの「隣接する」とは、追加層30の一方側において隣接することを意味している。
[0036]
 この構成により、すべてのベース層20の間に、当該ベース層20と強化繊維の配向方向が同じ追加層30を積層するため、貫通孔100aの周囲領域での初期損傷を最も許容させることができる。初期損傷の発生により即座に貫通孔100aの周囲領域で脆性破壊による破断に至ることはなく、初期損傷により貫通孔100aの周囲領域の剛性が低下し、応力集中が緩和される。その結果、貫通孔100aの周囲領域で脆性破壊が発生することを抑制する(破局的な全体崩壊を遅らせる)ことができ、補強部102の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0037]
 また、補強部102の積層構成は、図2から図4に示すものに限られない。図5および図6は、補強部の他の積層構成の例を示す説明図である。図5に示す例では、補強部102は、45°、90°、-45°、0°、0°の積層構成を、中心線Lを基準として反転して繰り返す、[45/90/-45/0 の積層構成で形成されている。つまり、強化繊維の配向方向が0°であるベース層24に隣接させて、強化繊維の配向方向が0°である追加層34のみを追加で積層した構成である。
[0038]
 この構成により、少なくとも、強化繊維の配向方向が荷重方向Gと一致するベース層24に隣接させて、強化繊維の配向方向が荷重方向Gと一致する追加層34を積層することで、補強部102の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、上述したように、貫通孔100aの周囲領域での初期損傷を許容させて、応力集中を緩和させ、脆性破壊の発生を抑制することができる。したがって、追加層30の積層数の増加を抑制しつつ(補強部102の板厚増加を抑制しつつ)、補強部102の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0039]
 また、図6に示す例では、補強部102は、45°、45°、90°、-45°、-45°、0°、0°の積層構成を、中心線Lを基準として反転して繰り返す、[45 /90/-45 /0 の積層構成で形成されている。つまり、強化繊維の配向方向が90°以外であるベース層21、23、24に隣接させて、強化繊維の配向方向が90°以外である追加層31、33、34を追加で積層した構成である。より詳細には、45°のベース層21に隣接させて45°である追加層31を積層し、-45°のベース層23に隣接させて-45°である追加層33を積層し、0°のベース層24に隣接させて0°の追加層34を積層した構成である。すなわち、強化繊維の配向配向が90°以外のベース層20に隣接させて、配向方向が90°以外の追加層30を積層する。
[0040]
 この構成により、配向方向が90°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が0°、45°、-45°の追加層30を積層することで、補強部102の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、上述したように、貫通孔100aの周囲領域での初期損傷を許容させて、応力集中を緩和させ、脆性破壊の発生を抑制することができる。したがって、追加層30の積層数の増加を抑制しつつ(補強部102の板厚増加を抑制しつつ)、補強部102の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0041]
 以上説明したように、実施形態にかかる複合材100によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。
[0042]
 なお、通常部101において、強化繊維の配向方向が0°であるベース層20が複数ある場合、強化繊維の配向方向が0°であるベース層20のすべてに隣接させて、強化繊維の配向方向が0°である追加層30を積層する必要はない。図7および図8は、複合材の積層構成の他の例を示す説明図である。図7および図8では、中心線Lに対する片側のみを記載している。図7に示す例のように、通常部101が[45/90/-45 /0 /45/0] の積層構成である場合において、補強部102は、一部の0°のベース層20に隣接させて、0°の追加層30のみを積層した[45/90/-45 /0 /45/0 の積層構成で形成されてもよい。また、同様に、図8に示す例のように、通常部101が[45/90/-45 /0 /45/0] の積層構成である場合において、補強部102は、一部の0°のベース層20に隣接させて0°の追加層30を積層し、かつ、45°、-45°のベース層20に隣接させて45°、-45°の追加層30を積層した[45 /90/-45 /0 /45 /0 の積層構成で形成されてもよい。
[0043]
 また、本実施形態では、複合材100を、0°、+45°、-45°、90°の複合材料層10(ベース層20および追加層30)を積層した、疑似等方積層により積層するものとした。ただし、複合材100は、少なくとも、荷重方向Gに沿った配向方向(実施形態では0°)のベース層20を一つ含むものでさえあれば、疑似等方積層以外のいかなる積層により形成されてもよい。そして、補強部102は、荷重方向Gに沿った配向方向のベース層20に隣接させて、荷重方向Gに沿った配向方向の追加層30が、少なくとも一つ設けられるものであればよい。
[0044]
 次に、実施形態にかかる複合材の設計方法について説明する。図9は、実施形態にかかる複合材の設計方法の一例を示すフローチャートである。ここでは、複合材100の通常部101が図4の積層構成である例を考える。設計者は、まず、ステップS1として、初期設計で複合材100を形成する。初期設計では、例えば、追加層30の積層構成を任意に設定することができる。なお、初期設計では、追加層30を積層せず、補強部102を形成しない(補強部102と通常部101との板厚を同じとする)ものとしてもよい。
[0045]
 次に、設計者は、ステップS2として、形成した複合材100に引張試験を行う(試験ステップ)。引張試験は、図2および図3に示すように、複合材100に荷重方向Gの引張荷重を作用させ、貫通孔100aの周囲領域において、いかなる破壊モードで破壊されるかを特定する。複合材の耐荷重性能として、荷重が作用した場合にいかなる破壊モードで破壊されるかを評価する手法がある。破壊モードとしては、脆性(Brittle)破壊モード、層間剥離(Delamination)モード、プルアウト(Pull-out)モードがある。脆性破壊モードは、各複合材料層10が面内亀裂の進展により脆性破壊するモードである。層間剥離モードは、隣接する複合材料層10同士が剥離するモードである。プルアウトモードは、脆性破壊モードと層間剥離モードとの中間の破壊モードであり、面内亀裂の進展と層間剥離との相互作用によって、複合材100を構成する各層が複合材100から引き抜けたように、破断部が不均一なジグザグ状となる。プルアウトモードでの破壊が最も耐荷重性能が良好である。
[0046]
 次に、設計者は、ステップS3として、引張試験で特定された破壊モードがいかなる種類であったかを判定する。そして、設計者は、引張試験で特定された破壊モードに応じて、追加層30の積層数および強化繊維の配向方向を変更した複合材を形成する積層構成変更ステップ(ステップS4、S5)またはステップS6のいずれかに進む。
[0047]
 設計者は、まず、ステップS3において、破壊モードが脆性破壊モードであると判定した場合、ステップS4として、隣接するベース層20と強化繊維の配向方向が一致する追加層30が増加する傾向に、追加層30の積層数および配向方向を変更して、新たに複合材100を形成する(積層構成変更ステップ)。
[0048]
 ステップS4での積層構成の変更には、種々の手法を用いることができる。例えば、図2から図4に示すように、すべてのベース層20(ベース層21、22、23、24)の間に、隣接するベース層20と強化繊維の配向方向が一致する追加層30(追加層31、32、33、34)を積層してもよい。また、図5に示すように、強化繊維の配向方向が0°であるベース層24に隣接させて、強化繊維の配向方向が0°である追加層34を積層してもよい。また、図6に示すように、複合材100が疑似等方積層により形成されている場合において、強化繊維の配向方向が90°以外のベース層21、23、24に隣接させて、強化繊維の配向方向が90°以外の追加層31、33、34を積層してもよい。なお、上述したように、通常部101において、強化繊維の配向方向が0°であるベース層20が複数ある場合、強化繊維の配向方向が0°であるベース層20のすべてに隣接させて、強化繊維の配向方向が0°である追加層30を積層する必要はない(図7および図8の例参照)。
[0049]
 一方、設計者は、ステップS3において、破壊モードが層間破壊モードと判定した場合、ステップS5として、隣接するベース層20と強化繊維の配向方向が一致する追加層30が減少する傾向に、追加層30の積層数および配向方向を変更して、新たに複合材100を形成する(積層構成変更ステップ)。
[0050]
 ステップS5での積層構成の変更には、種々の手法を用いることができる。例えば図4に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が0°であるベース層24に隣接した追加層34を取り除いてもよい。また、例えば図4に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が0°以外であるベース層21、22、23に隣接した追加層31、32、33のいずれかを取り除いてもよい。また、例えば図4に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が90°以外のベース層21、23、24に隣接した追加層31、33、34のいずれかを取り除いてもよい。また、図4に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が90°のベース層22に隣接した追加層32を取り除いてもよい。
[0051]
 設計者は、ステップS5、S6で積層構成を変更した複合材100を形成すると、ステップS2に戻り、再び引張試験を実行し、破壊モードに応じて(ステップS3)、ステップS4、S5のいずれかに進む。すなわち、ステップS2からステップS5の処理を繰り返し実行する。そして、ステップS3において、破壊モードがプルアウトモードと判定された場合には、ステップS6として、プルアウトモードで破壊した複合材100の構成が最適解であると判定し、本処理を終了する。
[0052]
 以上説明したように、実施形態にかかる複合材の設計方法は、複合材100に荷重を付加して、補強部102が、プルアウトモードとプルアウトモード以外のモードとを含む破壊モードのいずれで破壊されるかを特定する試験ステップ(ステップS2)と、特定された破壊モードに応じて追加層30の積層数および強化繊維の配向方向を変更した複合材を形成する積層構成変更ステップ(ステップS4、S5)と、を備え、破壊モードがプルアウトモードとなるまで、試験ステップと積層構成変更ステップとを繰り返し実行して、補強部における複合材料層の積層構成を最適化する。
[0053]
 この構成により、試験ステップで特定される補強部102の破壊モードが、最も強度が高いプルアウトモードになるまで、追加層30の積層数および強化繊維の配向方向を変更して、補強部102の積層構成を最適化することができる。したがって、実施形態にかかる複合材の設計方法によれば、通常部101から延びる複合材料層10の間に複合材料層10の追加層30を積層して形成された補強部102を有する複合材について、補強部102の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。また、このように、補強部102の積層構成の最適化を図ることで、追加層30の積層数の削減を図ることができ、複合材100の軽量化をも図ることが可能となる。
[0054]
 また、破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接するベース層20と配向方向が一致する追加層30が増加する傾向に、積層数および配向方向を変更する(ステップS4)。
[0055]
 この構成により、強化繊維の配向方向が一致し、隣接するベース層20および追加層30が増加するため、貫通孔100aの周囲領域における初期損傷を許容する方向、つまり、貫通孔100aの周囲領域での応力緩和が得られる方向に、積層構成を変更することが可能となる。その結果、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部102の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0056]
 また、破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、積層構成変更ステップは、破壊モードが層間剥離モードである場合、隣接する複合材料層10と配向方向が一致する追加層30が減少する傾向に、積層数および配向方向を変更する(ステップS5)。
[0057]
 この構成により、強化繊維の配向方向が一致し、隣接するベース層20および追加層30が減少するため、貫通孔100aの周囲領域における初期損傷を許容しない方向に、積層構成を変更することが可能となる。それにより、破壊モードが層間剥離モードから脆性破壊モードに近づくことになる。その結果、層間破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部102の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0058]
 また、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、配向方向が荷重方向と一致する複合材料層10に隣接させて、配向方向が荷重方向である追加層30を、少なくとも1つ積層する。
[0059]
 この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層30を積層するため、荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層30の積層数の増加を抑制しつつ、脆性破壊の発生を抑制して補強部102の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0060]
 また、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、すべての複合材料層10の間に、隣接する複合材料層10と配向方向が一致する追加層30を積層する。
[0061]
 この構成により、すべての複合材料層10の間に追加層30を積層するため、貫通孔100aの周囲領域での初期損傷を最も許容させることができる。その結果、貫通孔100aの周囲領域において、応力集中が緩和されるため、脆性破壊の発生が抑制され、補強部102の耐荷重性能を高めることが可能となる。
[0062]
 また、複数の複合材料層10は、荷重方向を0°としたとき、配向方向が0°、+45°、-45°、90°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、配向方向が90°以外の複合材料層10に隣接させて、配向方向が90°以外の追加層30を積層する。
[0063]
 この構成により、配向方向が90°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が0°、45°、-45°の追加層30を積層することで、補強部102の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。したがって、追加層30の積層数の増加を抑制しつつ(補強部102の板厚増加を抑制しつつ)、補強部102の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。
[0064]
 なお、本実施形態では、破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接するベース層20と配向方向が一致する追加層30が増加する傾向に、補強部102の積層数および配向方向を変更するものとした。ただし、破壊モードをプルアウトモードに近づけることができれば、隣接するベース層20と異なる配向方向の追加層30を複数積層してもよい。例えば、90°のベース層20と45°のベース層20との間に、0°の追加層30を複数積層すること等が考えられる。
[0065]
 また、本実施形態では、複合材100が、1つの貫通孔100aに対応して1つの補強部102を有するものとした。ただし、補強部102は、複数の貫通孔100aに対応して設けられてもよい。図10は、実施形態にかかる複合材の他の例を示す説明図である。図示するように、複合材200は、複数の貫通孔200aと、複数の貫通孔200aの周囲領域において、通常部201よりも板厚を増加させた補強部202を有している。このような補強部202においても、上述した補強部102と同様の手法により、追加層30の積層構成を設計することができる。
[0066]
 また、本実施形態では、複合材100の各複合材料層10が例えば0.03mm以上0.1mm以下の範囲の厚さである薄層化されたものとした。ただし、複合材料層10は、0.1mm以上であってもよい。このように、各複合材料層10を薄層化しない場合であっても、貫通孔100aの周囲における応力集中の緩和(初期損傷の許容の程度)を考慮して、複合材100の積層構成を設計することで、補強部102の耐荷重性能を良好に向上させることが可能となる。
[0067]
 また、本実施形態では、複合材100が貫通孔100aと、貫通孔100aの周囲領域において形成された補強部102を有するものとした。ただし、補強部102は、貫通孔100aのみならず、応力集中が生じやすい、いかなる領域において形成されるものであってもよい。
[0068]
 また、本実施形態では、荷重方向Gを図2および図3において白抜き矢印で示す方向とした。ただし、荷重方向Gは、これに限られず、複合材100に対していずれかの方向に作用する引張荷重の方向であってもよい。

符号の説明

[0069]
 10 複合材料層
 20、21、22、23、24 ベース層
 30、31、32、33、34 追加層
 100、200 複合材
 100a、200a 貫通孔
 101、201 通常部
 102、202 補強部
 G 荷重方向
 L 中心線

請求の範囲

[請求項1]
 強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材の設計方法であって、
 前記複合材に荷重を付加して、前記補強部が、プルアウトモードと前記プルアウトモード以外のモードとを含む破壊モードのいずれで破壊されるかを特定する試験ステップと、
 特定された前記破壊モードに応じて前記追加層の積層数および前記強化繊維の配向方向を変更した前記複合材を形成する積層構成変更ステップと、
 を備え、
 前記破壊モードが前記プルアウトモードとなるまで、前記試験ステップと前記積層構成変更ステップとを繰り返し実行して、前記補強部における前記複合材料層の積層構成を最適化することを特徴とする複合材の設計方法。
[請求項2]
 前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、
 前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が増加する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することを特徴とする請求項1に記載の複合材の設計方法。
[請求項3]
 前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、
 前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが層間剥離モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が減少する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の複合材の設計方法。
[請求項4]
 前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が荷重方向と一致する前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が前記荷重方向である前記追加層を、少なくとも1つ積層することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の複合材の設計方法。
[請求項5]
 前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層を積層することを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の複合材の設計方法。
[請求項6]
 複数の前記複合材料層は、荷重方向を0°としたとき、前記配向方向が0°、+45°、-45°、90°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、
 前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が90°以外の前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が90°以外の前記追加層を積層することを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の複合材の設計方法。
[請求項7]
 強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材であって、
 前記補強部は、主として作用する荷重方向と前記強化繊維の配向方向が一致する前記複合材料層に隣接して、前記荷重方向と前記配向方向が一致する前記追加層が、少なくとも1つ積層されていることを特徴とする複合材。
[請求項8]
 前記補強部は、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が積層されていることを特徴とする請求項7に記載の複合材。
[請求項9]
 複数の前記複合材料層は、前記荷重方向を0°としたとき、前記配向方向が0°、+45°、-45°、90°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、
 前記補強部は、前記配向方向が90°以外の前記複合材料層に隣接して、前記配向方向が90°以外の前記追加層が積層されていることを特徴とする請求項7に記載の複合材。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]