JP2018063119A - Method for evaluating destruction strength of fiber-reinforced composite material - Google Patents

Method for evaluating destruction strength of fiber-reinforced composite material Download PDF

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Yukihiro Sato
幸宏 佐藤
野中 吉紀
Yoshinori Nonaka
吉紀 野中
聖紘 柏木
Masahiro Kashiwagi
聖紘 柏木
一浩 三浦
Kazuhiro Miura
一浩 三浦
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating FRP composite materials adequately for destruction strength by a numerical analysis alone, taking account of strength reduction due to the shape irregularity of fiber (especially, the swell of fiber) in FRP layers.SOLUTION: The method includes a model production step of producing a plurality of different swell models, each of the models representing a composite material having a different swell state, an analysis step of conducting a stress analysis on each of the plurality of swell models with variable load levels exerted on the plurality of swell models, and an evaluation step of evaluating each of the plurality of swell models for destruction strength. The evaluation step includes a destruction determination step of conducting a destruction determination by applying to the result of the stress analysis for the plurality of swell models a plurality of destruction rules, respectively, corresponding to a plurality of different destruction modes, and a tolerance determination step of determining swell state tolerance based on which of the plurality of swell models are determined to be nondestructive by the destruction determination.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、繊維強化型プラスティックを素材とするFRP層を積層して成る複合材の破壊強度を評価する方法と関係する。   The present disclosure relates to a method for evaluating the fracture strength of a composite material formed by laminating FRP layers made of fiber-reinforced plastic.

繊維強化型プラスティック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)を素材とするFRP層を積層させて成るFRP複合材は、FRP層内で繊維が配向された方向と同一方向の荷重に対して最も高い強度を示す。しかしながら、FRP複合材は繊維の配向方向以外に対しては強度が低く、特に、積層面に垂直な面外方向に沿った荷重に弱いため、面外方向に積層されたFRP層間において層間剥離が生じやすい。以下の特許文献および非特許文献は、上記のような積層構造を有するFRP複合材が面外方向に沿った層間剥離により破壊されるケースを想定し、FRP複合材の破壊強度を評価する方法について開示している。   An FRP composite made by laminating an FRP layer made of fiber reinforced plastic (FRP: Fiber Reinforced Plastics) exhibits the highest strength against a load in the same direction as the direction in which the fibers are oriented in the FRP layer. . However, since the FRP composite material has low strength in directions other than the fiber orientation direction, and is particularly vulnerable to loads along the out-of-plane direction perpendicular to the lamination surface, delamination occurs between the FRP layers laminated in the out-of-plane direction. Prone to occur. The following patent document and non-patent document assume a case where the FRP composite material having the laminated structure as described above is destroyed by delamination along the out-of-plane direction, and a method for evaluating the fracture strength of the FRP composite material. Disclosure.

特許文献1記載の破壊強度評価方法では、まず、FRP層間において層間剥離方向に作用する荷重と層間剥離によって生じるエネルギー解放率との間の関係をFEMモデル上での数値解析により算出しておく。続いて、実物のFRP複合材を用いた破壊靭性値試験により測定した破壊靭性値と等しいエネルギー解放率に対応する荷重を上記関係から求め、破壊強度として算出する。また、特許文献2記載の破壊強度評価方法では、実物のFRP複合材の面内における複数個所において様々な検査温度の下で弾性率を測定する測定試験を行い、面内における弾性率の分布傾向と弾性率の温度変化を解析することで破壊強度を評価する。   In the fracture strength evaluation method described in Patent Document 1, first, the relationship between the load acting in the delamination direction between the FRP layers and the energy release rate caused by delamination is calculated by numerical analysis on the FEM model. Subsequently, a load corresponding to the energy release rate equal to the fracture toughness value measured by the fracture toughness value test using the actual FRP composite material is obtained from the above relationship, and calculated as the fracture strength. In addition, in the fracture strength evaluation method described in Patent Document 2, a measurement test is performed in which elastic modulus is measured at various locations in the plane of the actual FRP composite material under various inspection temperatures, and the distribution tendency of the elastic modulus in the plane. The fracture strength is evaluated by analyzing the temperature change of the elastic modulus.

また、特許文献1および非特許文献1は、上述した破壊強度の評価に関連して、層間剥離が進展するのに必要な破壊エネルギーに対応するエネルギー解放率を算出する手法を開示している。具体的には、FRP複合材の層間剥離部分をモデル化したFEMモデルの上でVCCT(Virtual Crack Closure Technique)に基づく数値解析を実行する手法を開示している。   Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a method for calculating an energy release rate corresponding to the fracture energy necessary for delamination to proceed in connection with the above-described evaluation of fracture strength. Specifically, a technique is disclosed in which numerical analysis based on VCCT (Virtual Clip Closure Technique) is performed on an FEM model in which a delamination portion of an FRP composite material is modeled.

特開2013−011504号公報JP 2013-011504 A 国際公開2011/129235号公報International publication 2011/129235 gazette

Anthony Thirkettle他著、「円筒形状の大口径部材における欠陥に起因した層間剥離をモデル化する手法に関する研究」、宇宙探査機の構造、部材および機構の試験に関する欧州会議2005(ESA SP−581 2005年5月)Anthony Tirkettle et al., "Study on methods for modeling delamination caused by defects in cylindrical large-diameter members", European Conference 2005 on spacecraft structure, member and mechanism testing (ESA SP-581 2005) May)

ところで、FRPを素材とする複合材は、高い異方性を持つため、FRP層内で配向された繊維に形状不整が生じていると、結果として荷重方向が繊維方向からズレてしまうので、繊維方向の荷重に対する複合材の強度は大きく低下する。上記のような繊維の形状不整の一形態として、例えば、FRP複合材の製造時における欠陥としてFRP層内で一部の繊維にうねりが生じることで、うねった繊維が設計時における繊維配向からズレる場合が考えられる。その結果、このような製造欠陥を有するFRP複合材では、層間剥離方向に沿った荷重のみならず、面内方向の引っ張り荷重に対しても強度が低下すると考えられる。   By the way, since the composite material made of FRP has high anisotropy, if the fiber oriented in the FRP layer is irregular in shape, the load direction is shifted from the fiber direction as a result. The strength of the composite with respect to the direction load is greatly reduced. As one form of the irregular shape of the fiber as described above, for example, undulation occurs in some fibers in the FRP layer as a defect at the time of manufacturing the FRP composite material, so that the undulated fiber deviates from the fiber orientation at the time of design. There are cases. As a result, it is considered that the strength of the FRP composite material having such manufacturing defects is reduced not only with respect to the load along the delamination direction but also with respect to the tensile load in the in-plane direction.

しかしながら、特許文献1および非特許文献1では、上記のような製造欠陥を有するFRP複合材において繊維の形状不整に起因する強度低下を考慮してFRP複合材の破壊強度を精度良く評価するための工夫が開示されていない。その結果、FRP複合材の製造時にFRP層内で一部の繊維にうねりが生じ得る場合、繊維のうねりがどの程度までなら必要な破壊強度を確保できるかを規定する許容範囲を決定することができず、FRP複合材の製造時における品質管理が困難となる。   However, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in order to accurately evaluate the fracture strength of the FRP composite material in consideration of the strength decrease due to the fiber shape irregularity in the FRP composite material having the manufacturing defects as described above. Ingenuity is not disclosed. As a result, when the swell of some fibers can occur in the FRP layer at the time of manufacturing the FRP composite material, it is possible to determine an allowable range that defines how much the swell of the fiber can secure the required breaking strength. This is not possible, and quality control at the time of manufacturing the FRP composite material becomes difficult.

さらに、特許文献1および非特許文献1記載のVCCTによるエネルギー解放率の算出手法は、以下のような未解決課題を有する。具体的には、上述した繊維の形状不整に起因する強度低下は、面内方向の引っ張り荷重に対する強度も弱める。にもかかわらず、上述したエネルギー解放率は、層間剥離が層間の境界面に沿って進展するのに必要な破壊エネルギーにしか対応していないため、破壊強度の評価に際しては、層間剥離に対応する破壊モードしか考慮されてない。その結果、特許文献1および非特許文献1記載の手法では、FRP複合材の破壊を引き起こし得る他の様々な破壊モードを考慮してFRP複合材の破壊強度を評価することが困難である。   Furthermore, the calculation method of the energy release rate by VCCT of patent document 1 and nonpatent literature 1 has the following unsolved subjects. Specifically, the strength reduction caused by the irregular shape of the fiber described above also weakens the strength against a tensile load in the in-plane direction. Nevertheless, the energy release rate described above corresponds only to the destructive energy required for delamination to propagate along the interface between the layers, and therefore corresponds to delamination when evaluating the fracture strength. Only destruction mode is considered. As a result, with the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, it is difficult to evaluate the fracture strength of the FRP composite material in consideration of various other failure modes that can cause the FRP composite material to break.

また、特許文献2では、破壊強度を評価する際に、上述した繊維の形状不整に起因する強度低下を考慮しているが、実物のFRP複合材の複数個所において弾性率の測定試験を行わなくてはならず、破壊強度を数値解析のみにより評価することが困難である。その結果、FRP複合材の実サンプルや試験片に対する各種試験を行うために期間やコストを要する。その上、FRP複合材の実サンプルや試験片に対する何らかの試験を行う必要があるとすると、FRP複合材に見られる繊維の形状不整の種々のパターンのうち、試験の対象となっていないパターンについては、破壊強度の低下を評価することが困難である。なお、特許文献2記載の発明において、上述した繊維の形状不整に起因する強度低下を数値解析により評価するために、特許文献1および非特許文献1記載のVCCTを採用することが困難であるのは上述したとおりである。   Further, in Patent Document 2, when the fracture strength is evaluated, the above-described decrease in strength due to the irregular shape of the fiber is taken into consideration, but the measurement test of the elastic modulus is not performed at a plurality of locations of the actual FRP composite material. In other words, it is difficult to evaluate the fracture strength only by numerical analysis. As a result, it takes time and cost to perform various tests on actual samples and test pieces of the FRP composite material. In addition, if it is necessary to perform some test on the actual sample or test piece of the FRP composite material, among the various patterns of irregular shape of the fiber found in the FRP composite material, the pattern that is not the object of the test It is difficult to evaluate the decrease in fracture strength. In the invention described in Patent Document 2, it is difficult to employ the VCCT described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 in order to evaluate the strength reduction caused by the irregular shape of the fiber described above by numerical analysis. Is as described above.

以上のような問題点に鑑み、本発明に係る幾つかの実施形態は、実物のFRP複合材や試験片に対する各種試験を行う必要が無い数値解析のみにより、FRP層内の繊維の形状不整(特に、繊維のうねり)に起因する強度低下を考慮して、FRP複合材の破壊強度を適切に評価する方法を得ることを目的とする。   In view of the above-described problems, some embodiments according to the present invention have irregular shapes of fibers in the FRP layer only by numerical analysis that does not require performing various tests on the actual FRP composite material or test piece ( In particular, it is an object of the present invention to obtain a method for appropriately evaluating the fracture strength of an FRP composite in consideration of strength reduction due to fiber undulation.

(1)本発明の幾つかの実施形態に係る方法は、繊維強化型プラスティックで形成された複数のFRP層を面外方向に積層させて形成され、前記FRP層内を面内方向に延びる繊維の一部がうねりを有する複合材の破壊強度評価方法であって、
それぞれ異なるうねり状態を有する前記複合材を表現する複数の異なるうねりモデルを作成するモデル作成ステップと、
前記複数のうねりモデルに作用させる荷重の大きさを変えながら前記複数のうねりモデル上で応力解析をそれぞれ行う解析ステップと、
前記複数のうねりモデルについて破壊強度をそれぞれ評価する評価ステップと、を備え、
前記評価ステップは、
前記複数のうねりモデルについての前記応力解析の結果に、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を適用することにより破壊判定を行う破壊判定ステップと、
前記複数のうねりモデルの中のいずれが前記破壊判定により非破壊と判定されたかに基づいて、前記うねり状態の許容範囲を決定する許容範囲決定ステップと、を含むことを特徴とする。
(1) A method according to some embodiments of the present invention is a fiber formed by laminating a plurality of FRP layers formed of fiber reinforced plastics in an out-of-plane direction, and extending in the FRP layer in the in-plane direction. Is a method for evaluating the fracture strength of a composite material in which a part of the
A model creation step for creating a plurality of different undulation models representing the composite material each having a different undulation state;
An analysis step of performing stress analysis on each of the plurality of undulation models while changing the magnitude of a load acting on the plurality of undulation models;
An evaluation step for evaluating the breaking strength for each of the plurality of undulation models,
The evaluation step includes
A fracture determination step for performing a fracture determination by applying a plurality of fracture rules respectively corresponding to a plurality of different fracture modes, as a result of the stress analysis for the plurality of undulation models;
And an allowable range determining step of determining an allowable range of the swell state based on which of the plurality of undulation models is determined to be non-destructive by the destruction determination.

上記(1)の破壊強度評価方法では、複合材の実サンプルや試験片に対する各種試験を行わずに、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を複数のうねりモデルについての応力解析結果に適用することにより破壊強度を評価している。従って、上記(1)の破壊強度評価方法によれば、層間剥離に対応する破壊モードのみならず、FRP複合材の破壊を引き起こし得る他の様々な破壊モードを考慮してFRP複合材の破壊強度を数値解析のみによって評価することが可能である。   In the fracture strength evaluation method of (1) above, the stress analysis results for a plurality of undulation models with a plurality of fracture laws respectively corresponding to a plurality of different fracture modes without performing various tests on the actual sample or specimen of the composite material. Is used to evaluate fracture strength. Therefore, according to the fracture strength evaluation method of (1) above, the fracture strength of the FRP composite material in consideration of not only the fracture mode corresponding to delamination but also various other fracture modes that can cause the fracture of the FRP composite material. Can be evaluated only by numerical analysis.

また、上記(1)の破壊強度評価方法では、複数の破壊則に基づいて複数のうねりモデルについて破壊判定を行った後に、複数のうねりモデルの中のいずれが上記破壊判定により非破壊と判定されたかに基づいてうねり状態の許容範囲を決定している。従って、上記(1)の破壊強度評価方法によれば、FRP複合材の製造時にFRP層内で一部の繊維にうねりが生じ得る場合、繊維のうねりがどの程度までなら必要な破壊強度を確保できるかを規定する許容範囲を決定することができる。その結果、FRP複合材の製造時において品質管理がFRP層内で一部の繊維に生じたうねりの程度が上記のように決定した許容範囲内か否かに基づいて、FRP複合材の製造時における品質管理を行うことが容易となる。   Further, in the fracture strength evaluation method of (1) above, after performing a fracture determination on a plurality of undulation models based on a plurality of fracture rules, any of the plurality of undulation models is determined to be non-destructive by the above fracture determination. The allowable range of the swell state is determined based on the height. Therefore, according to the fracture strength evaluation method of (1) above, when the swell of some fibers can occur in the FRP layer during the production of the FRP composite material, the required rupture strength is ensured to what extent the swell of the fibers is. An acceptable range that defines what can be done can be determined. As a result, when manufacturing the FRP composite material, the quality control is based on whether the degree of undulation occurring in some fibers in the FRP layer is within the allowable range determined as described above. It becomes easy to perform quality control.

(2)例示的な一実施形態に従うならば、上記(1)の方法において、前記モデル作成ステップでは、前記うねり状態は、前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況を表現するうねりパターンおよび個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータにより記述され、
前記うねりパターンの候補および前記うねりパターンの候補と整合する前記うねりパラメータの候補を使用して前記複数のうねりモデルが作成されることを特徴とする。
(2) According to an exemplary embodiment, in the method of (1), in the model creation step, the waviness state is a distribution state of the waviness of the fibers distributed over the out-of-plane direction of the composite material. Described by a waviness pattern that represents the waviness pattern that represents the waviness pattern and the waviness shape and dimensions of the individual fibers,
The plurality of undulation models are created using the undulation pattern candidates and the undulation parameter candidates that match the undulation pattern candidates.

上記(2)の方法では、複数のうねりモデルがそれぞれ有するうねり状態は、うねりパターンとうねりパラメータによって記述され、うねりパラメータは、個々の繊維のうねりの形状および寸法を表す。これに対して、うねりパターンは複合材内の面外方向にわたって分布する(個々のFRP層内に積層された複数の繊維層に跨って分布する)うねりの分布状況を表現している。また、上記(2)の方法では、応力解析と破壊判定に用いられるうねりパラメータの候補は、個々のうねりモデルのうねり状態を記述するうねりパターンの候補と整合したパラメータ候補である。   In the method (2), the undulation state of each of the plurality of undulation models is described by the undulation pattern and the undulation parameter, and the undulation parameter represents the undulation shape and size of each individual fiber. On the other hand, the undulation pattern expresses the distribution state of the undulation distributed over the out-of-plane direction in the composite material (distributed across a plurality of fiber layers laminated in individual FRP layers). In the method (2), the undulation parameter candidates used for the stress analysis and the fracture determination are parameter candidates consistent with the undulation pattern candidates describing the undulation state of each undulation model.

従って、上記(2)の方法によれば、うねりパターンとうねりパラメータとでうねり状態を表現することで、より実態に即した解析が可能になる。具体的には、上記(2)の方法によれば、個々のFRP層内に積層された複数の繊維層に跨って分布するうねりの分布と矛盾するようなうねりパラメータを用いて応力解析と破壊判定が実行されてしまうことを防止することができる。さらに、上記(2)の方法において、例えば、個々のFRP層内に積層された複数の繊維層に跨って分布するうねりの分布としてうねりパターンが記述するうねり分布を個々のうねりの個別的状態に分解する等すれば、非常に多数の繊維についてのうねりパラメータの候補を効率的に生成することが可能となる。   Therefore, according to the above method (2), by expressing the waviness state with the waviness pattern and the waviness parameter, it becomes possible to perform analysis in accordance with the actual situation. Specifically, according to the above method (2), stress analysis and fracture are performed using undulation parameters that contradict the distribution of undulation distributed over a plurality of fiber layers laminated in each FRP layer. It is possible to prevent the determination from being executed. Furthermore, in the method (2) described above, for example, the undulation distribution described by the undulation pattern as the undulation distribution distributed over the plurality of fiber layers laminated in the individual FRP layers is changed into the individual state of the individual undulations. By decomposing, for example, it is possible to efficiently generate undulation parameter candidates for a very large number of fibers.

(3)本発明の幾つかの実施形態に係る方法は、繊維強化型プラスティックで形成された複数のFRP層を面外方向に積層させて形成され、前記FRP層内を面内方向に延びる繊維の一部がうねりを有する複合材の破壊強度評価方法であって、
前記複合材の内部状態を計測して得られる計測結果を取得する計測ステップと、
前記計測結果に基づいて、うねり状態を有する前記複合材を表現する少なくとも一つのうねりモデルを作成するモデル作成ステップと、
前記少なくとも一つのうねりモデルに所定の荷重条件に基づく荷重を作用させて前記うねりモデル上で応力解析を行う解析ステップと、
前記少なくとも一つのうねりモデルについて破壊強度を評価する評価ステップと、を備え、
前記評価ステップは、
前記少なくとも一つのうねりモデルについての前記応力解析の結果に、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を適用することにより破壊判定を行う破壊判定ステップ、を含むことを特徴とする。
(3) A method according to some embodiments of the present invention is a fiber formed by laminating a plurality of FRP layers formed of fiber-reinforced plastics in an out-of-plane direction and extending in the FRP layer in the in-plane direction. Is a method for evaluating the fracture strength of a composite material in which a part of the
A measurement step for obtaining a measurement result obtained by measuring the internal state of the composite material;
Based on the measurement result, a model creation step of creating at least one undulation model representing the composite material having a undulation state;
An analysis step of performing stress analysis on the undulation model by applying a load based on a predetermined load condition to the at least one undulation model;
An evaluation step for evaluating the breaking strength of the at least one undulation model,
The evaluation step includes
And a failure determination step of performing a failure determination by applying a plurality of failure rules respectively corresponding to a plurality of different failure modes to the result of the stress analysis for the at least one swell model.

上記(3)の破壊強度評価方法では、複合材の実サンプルについて数値解析により破壊強度を評価するために、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を少なくとも一つのうねりモデルについての応力解析結果に適用している。従って、上記(3)の方法によれば、複合材の実サンプルについて数値解析により破壊強度を評価するために、層間剥離に対応する破壊モードのみならず、FRP複合材の破壊を引き起こし得る他の様々な破壊モードを考慮して破壊強度を評価することが可能である。   In the fracture strength evaluation method of (3) above, in order to evaluate the fracture strength of a real sample of a composite material by numerical analysis, a plurality of fracture laws respectively corresponding to a plurality of different fracture modes are applied to at least one undulation model stress. Applied to analysis results. Therefore, according to the method of (3) above, in order to evaluate the fracture strength of the actual sample of the composite material by numerical analysis, not only the failure mode corresponding to delamination but also other failure that can cause the FRP composite material to be destroyed. It is possible to evaluate the fracture strength in consideration of various fracture modes.

(4)例示的な一実施形態では、上記(3)の方法において、前記モデル作成ステップでは、
前記うねり状態は、前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況を表現するうねりパターンおよび個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータにより記述され、
前記うねりパターンの候補および前記うねりパターンの候補に整合する前記うねりパラメータの候補を使用して前記少なくとも一つのうねりモデルが作成されることを特徴とする。
(4) In an exemplary embodiment, in the method of (3) above, in the model creation step,
The waviness state is described by a waviness pattern that represents the distribution of the waviness of the fibers distributed over the out-of-plane direction of the composite material and waviness parameters that represent the shape and dimensions of the individual waviness of the fibers,
The at least one undulation model is created using the undulation pattern candidates and the undulation parameter candidates that match the undulation pattern candidates.

上記(4)の方法では、複数のうねりモデルがそれぞれ有するうねり状態は、うねりパターンとうねりパラメータによって記述され、うねりパターンが表すうねりの分布状況からうねり推定ステップで推定されるうねりパラメータは、個々の繊維のうねりの形状および寸法を表す。これに対して、分布検出ステップで検出されるうねりパターンは、複合材内の面外方向にわたって分布する(複数の繊維層に跨って分布する)うねりの分布状況を表現している。   In the above method (4), the undulation state of each of the plurality of undulation models is described by the undulation pattern and the undulation parameter, and the undulation parameter estimated in the undulation estimation step from the undulation distribution state represented by the undulation pattern Represents the shape and dimensions of the swell of the fiber. On the other hand, the undulation pattern detected in the distribution detection step expresses the distribution state of undulation distributed over the out-of-plane direction in the composite material (distributed across a plurality of fiber layers).

従って、上記(4)の方法によれば、うねりパターンとうねりパラメータとでうねり状態を表現することで、より実態に即した解析が可能になる。また、上記(4)の方法によれば、複合材の実サンプルについて数値解析により破壊強度を評価する際に、以下のようにして複数のうねりモデルに対する応力解析と破壊判定を実行することができる。すなわち、個々の繊維のうねりによる強度低下を考慮するのみならず、面外方向において隣接する複数の繊維のうねり同士の間における相対的な関係が強度低下に与える影響をも考慮して応力解析と破壊判定を実行することができる。例えば、面外方向において隣接する複数の繊維にうねりが生じた位置が面内方向において揃っているケースの方が面内方向において互いにズレているケースと比べて繊維のうねりが複合材の強度低下に与える影響が大きいと考えられる。   Therefore, according to the above method (4), it is possible to perform analysis in accordance with the actual situation by expressing the undulation state by the undulation pattern and the undulation parameter. Further, according to the method (4), when evaluating the fracture strength by numerical analysis for an actual sample of a composite material, stress analysis and fracture determination for a plurality of undulation models can be performed as follows. . That is, not only considering the strength reduction due to the undulation of individual fibers, but also considering the influence of the relative relationship between the undulations of adjacent fibers in the out-of-plane direction on the strength reduction. Destruction determination can be performed. For example, the swell of the fiber is reduced in the strength of the composite material in the case where the undulations of the plurality of adjacent fibers in the out-of-plane direction are aligned in the in-plane direction as compared to the case where the positions are shifted from each other in the in-plane direction It is thought that the impact on

(5)例示的な一実施形態では、上記(4)の方法において、前記モデル作成ステップは、
前記計測結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出する分布検出ステップと、
前記分布検出ステップにより検出された前記うねりパターンの候補が表す前記繊維のうねりの分布状況を個々の前記繊維のうねりの形状および寸法に展開することにより、個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータの候補を推定するうねり推定ステップと、
を含むことを特徴とする。
(5) In an exemplary embodiment, in the method of (4), the model creation step includes:
A distribution detection step for detecting which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution state of the undulation of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material from the measurement result;
By developing the distribution state of the undulation of the fiber represented by the candidate for the undulation pattern detected by the distribution detection step into the shape and size of the undulation of the individual fiber, the shape and size of the undulation of the individual fiber are obtained. An undulation estimation step for estimating candidate undulation parameters to be represented;
It is characterized by including.

また、上記(5)の方法では、分布検出ステップにより検出されたうねりパターンが表す繊維のうねりの分布状況を個々の繊維のうねりの形状および寸法に展開することにより、個々の繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータを推定している。従って、上記(5)の方法では、実際に計測された複合材サンプルの内部状態がどのようなうねりパターンに該当するかを検出できれば、当該うねりパターンが表すうねり分布を個々の繊維のうねりに展開することで、個々の繊維についてのうねりパラメータを効率的に推定することができる。   Further, in the method (5), the distribution state of the undulation of the fiber represented by the undulation pattern detected in the distribution detection step is developed into the shape and size of the undulation of the individual fiber, whereby the shape of the undulation of the individual fiber is obtained. And the waviness parameter representing the dimension is estimated. Therefore, in the method of (5) above, if it is possible to detect what kind of undulation pattern the internal state of the actually measured composite material sample corresponds to, the undulation distribution represented by the undulation pattern is expanded to the undulation of individual fibers. By doing so, the waviness parameter for each fiber can be efficiently estimated.

(6)例示的な一実施形態では、上記(5)の方法において、前記計測ステップは、前記複合材の端部断面を撮影装置により撮影して得られる断面観察画像を画像認識する画像認識ステップを含み、
前記分布検出ステップは、前記画像認識の結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況が前記うねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出するステップを含むことを特徴とする。
(6) In an exemplary embodiment, in the method of (5), the measurement step includes an image recognition step of recognizing a cross-sectional observation image obtained by photographing an end cross section of the composite material with a photographing device. Including
The distribution detecting step includes a step of detecting, from the result of the image recognition, which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution state of the undulation of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material. It is characterized by that.

上記(6)の方法では、複合材の端部断面を撮影装置により撮影して得られる断面観察画像の画像認識を行い、画像認識の結果から複合材サンプルの面外方向にわたって分布する繊維のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出している。すなわち、上記(6)の方法では、複合材の端部断面を撮影した画像の画像認識結果から複合材サンプルの内部状態がどのようなうねりパターン候補に該当するかを検出している。従って、上記(6)の方法によれば、複合材サンプルを切断したり試験片を切り出したりする必要なしに、複合材サンプル内部の実際のうねり分布に該当するうねりパターン候補を特定することができる。   In the method of (6) above, image recognition of a cross-sectional observation image obtained by photographing the end cross section of the composite material with an imaging device is performed, and the undulation of fibers distributed over the out-of-plane direction of the composite material sample from the image recognition result It is detected which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution status of. That is, in the above method (6), the swell pattern candidate corresponding to the internal state of the composite material sample is detected from the image recognition result of the image obtained by photographing the end section of the composite material. Therefore, according to the method of (6) above, it is possible to specify the undulation pattern candidate corresponding to the actual undulation distribution inside the composite material sample without having to cut the composite material sample or cut out the test piece. .

(7)例示的な一実施形態では、上記(5)または(6)の方法において、前記複合材の端部断面を観察することで特定される前記うねりの発生位置に作用する荷重を想定し、前記想定の結果に基づいて前記応力解析における荷重条件を設定するステップをさらに備えることを特徴とする。   (7) In an exemplary embodiment, in the method of (5) or (6) described above, a load acting on the swell occurrence position specified by observing an end cross section of the composite material is assumed. The method further comprises the step of setting a load condition in the stress analysis based on the assumed result.

上記(7)の方法では、複合材の端部断面を観察することでうねりの発生位置を特定し、この位置に作用する荷重に着目して応力解析における荷重条件を設定することが可能となる。従って、上記(7)の方法では、応力解析における荷重条件が必要以上に複雑化しないように、複合材内部の繊維のうねりによる複合材の強度低下を評価するのに重要な荷重力のうち、特定されたうねり発生位置に作用する荷重力のみに基づいて荷重条件を簡略化することができる。   In the method (7), it is possible to identify the position where the undulation occurs by observing the end cross section of the composite material, and set the load condition in the stress analysis by paying attention to the load acting on this position. . Therefore, in the above method (7), in order to prevent the load condition in the stress analysis from becoming more complicated than necessary, among the load forces important for evaluating the decrease in the strength of the composite material due to the undulation of the fibers inside the composite material, The load condition can be simplified based only on the load force acting on the specified swell occurrence position.

(8)例示的な一実施形態では、上記(5)の方法において、前記計測ステップは、前記複合材に対して非破壊検査を実施する検査実施ステップを含み、
前記分布検出ステップは、前記非破壊検査の結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出するステップを備えることを特徴とする。
(8) In an exemplary embodiment, in the method of (5), the measuring step includes an inspection performing step of performing a nondestructive inspection on the composite material,
The distribution detecting step includes a step of detecting, from a result of the non-destructive inspection, which of a plurality of candidates of a waviness pattern corresponds to a distribution state of the waviness of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material. It is characterized by that.

上記(8)の方法では、複合材に対して非破壊検査を実施し、当該非破壊検査の結果から複合材サンプルの面外方向にわたって分布する繊維のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出している。すなわち、上記(8)の方法では、複合材内部を非破壊検査により実測した結果から複合材サンプルの内部状態がどのようなうねりパターン候補に該当するかを検出している。従って、上記(8)の方法によれば、複合材サンプルを切断したり試験片を切り出したりする必要なしに、複合材サンプル内部の実際のうねり分布に該当するうねりパターン候補を特定することができる。   In the method (8), a non-destructive inspection is performed on the composite material, and the distribution state of the fiber undulation distributed over the out-of-plane direction of the composite material sample is a plurality of candidates for the undulation pattern. Which of the following is detected. That is, in the method (8), the swell pattern candidate corresponding to the internal state of the composite material sample is detected from the result of actual measurement of the inside of the composite material by nondestructive inspection. Therefore, according to the method of (8) above, it is possible to specify the undulation pattern candidate corresponding to the actual undulation distribution inside the composite material sample without having to cut the composite material sample or cut out the test piece. .

また、上記(6)のように複合材サンプルの端部断面の撮影画像を画像認識することで2次元的な内部状態を計測する場合と比べ、上記(8)の方法によれば、以下の追加的な技術的利点が得られる。すなわち、上記(8)の方法にける非破壊検査では、複合材サンプルの内部状態を3次元的な状態分布として調べることができるので、複合材内部のうねり状態を平面的ではなく立体的な観点から上記(6)の方法よりも一層高精度に推定することができる。   Compared with the case of measuring the two-dimensional internal state by recognizing the captured image of the end section of the composite material sample as in (6) above, according to the method of (8) above, Additional technical advantages are obtained. That is, in the non-destructive inspection in the method (8), the internal state of the composite material sample can be examined as a three-dimensional state distribution. Therefore, it can be estimated with higher accuracy than the method (6).

(9)例示的な一実施形態では、上記(8)の方法において、前記検査実施ステップでは、超音波探傷装置を用いた超音波探傷法またはX線スキャナ装置を用いたX線CT法に従って前記非破壊検査を実施することを特徴とする。   (9) In an exemplary embodiment, in the method of (8) above, in the inspection execution step, the ultrasonic inspection method using an ultrasonic flaw detector or the X-ray CT method using an X-ray scanner device is used. Non-destructive inspection is performed.

上記(9)の方法では、複合材サンプルの内部状態がどのようなうねりパターン候補に該当するかを検出するための特別の装置を用意せずに、超音波探傷装置やX線スキャナ装置のような既存の計測装置を用いて該当するうねりパターン候補を検出することが可能である。また、上記(9)の方法では、超音波探傷装置やX線スキャナ装置が実測した超音波信号やX線信号を周知な信号解析法に従って3次元的に解析することにより、複合材内部のうねり状態を平面的ではなく立体的な観点からより高精度かつより簡易に推定することができる。   In the method (9), a special device for detecting what kind of waviness pattern candidate the internal state of the composite material sample corresponds to is not used, like an ultrasonic flaw detector or an X-ray scanner device. It is possible to detect a corresponding undulation pattern candidate using an existing measuring device. In the method (9), the undulation inside the composite material is obtained by three-dimensionally analyzing the ultrasonic signal and the X-ray signal actually measured by the ultrasonic flaw detector and the X-ray scanner device according to a known signal analysis method. It is possible to estimate the state more accurately and more easily from a three-dimensional viewpoint rather than two-dimensional.

(10)例示的な一実施形態では、上記(2)および(4)〜(9)の方法において、前記うねりモデルは、各々の前記FRP層をモデル化するソリッド要素および前記面外方向に積層された複数の前記FRP層間の境界面をモデル化する粘着要素を組み合わせた上で、前記うねりパターンと前記うねりパラメータを反映させることで作成され、
前記応力解析は、前記作成された前記うねりモデルの上で有限要素法に従って実行されることを特徴とする。
(10) In an exemplary embodiment, in the methods of (2) and (4) to (9), the waviness model is stacked in a solid element that models each of the FRP layers and in the out-of-plane direction. After combining the adhesive elements that model the interface between the plurality of FRP layers, the undulation pattern and the undulation parameter are reflected.
The stress analysis is performed according to a finite element method on the created waviness model.

上述したように、FRP複合材は繊維の配向方向以外に対しては強度が低く、特に、積層面外への方向に沿った荷重に弱いため、面外方向に積層されたFRP層間において層間剥離が生じやすい。そこで、上記(10)の方法では、有限要素法に従って応力解析を行う対象であるうねりモデルを以下のように作成している。すなわち、各々のFRP層をソリッド要素でモデル化し、FRP層間の境界面を粘着要素でモデル化し、ソリッド要素と粘着要素を組み合わせたモデルにうねりパターンとうねりパラメータを反映させている。その結果、上記(10)の方法によれば、FRP層を積層して成る複合材の上述した性質を巧くモデル化することができる。   As described above, the FRP composite material is low in strength in directions other than the fiber orientation direction. In particular, since the FRP composite material is weak against a load along the direction to the out-of-plane direction, delamination occurs between the FRP layers laminated in the out-of-plane direction. Is likely to occur. Therefore, in the method (10), a swell model, which is a target for performing stress analysis according to the finite element method, is created as follows. That is, each FRP layer is modeled by a solid element, a boundary surface between FRP layers is modeled by an adhesive element, and a swell pattern and a swell parameter are reflected in a model in which the solid element and the adhesive element are combined. As a result, according to the above method (10), it is possible to skillfully model the above-described properties of the composite material formed by laminating the FRP layers.

(11)例示的な一実施形態では、上記(2)および(4)〜(10)の方法において、前記うねりパラメータは、前記うねりの形状を表すための形状関数を識別する形状関数パラメータを含むと共に、前記形状関数が定めるうねり形状における一つ以上の寸法を記述するために、
前記うねりが生じた区間の長さを識別する区間長パラメータ、
前記うねりが生じた区間において、前記FRP層内の設計時の繊維配置から前記繊維が最も離間した位置における離間幅を識別する高さパラメータ、
前記うねりが生じた区間において、前記繊維の方向と設計時の繊維配向角との間の角度オフセットを識別するための角度パラメータ、
複数の前記FRP層が積層された面外方向における前記繊維のうねりの位置を識別するための積層方向位置パラメータ、のいずれか一つ以上を含むことを特徴とする。
(11) In an exemplary embodiment, in the methods of (2) and (4) to (10), the undulation parameter includes a shape function parameter that identifies a shape function for representing the shape of the undulation. And to describe one or more dimensions in the undulation shape defined by the shape function,
An interval length parameter that identifies the length of the interval in which the swell occurred;
In the section where the undulation occurs, a height parameter for identifying a separation width at a position where the fibers are most separated from a fiber arrangement at the time of design in the FRP layer,
An angular parameter for identifying an angular offset between the direction of the fiber and the fiber orientation angle at the time of design in the section where the undulation has occurred;
It includes any one or more of lamination direction position parameters for identifying the position of the swell of the fibers in the out-of-plane direction where the plurality of FRP layers are laminated.

上記(11)の方法では、上述した形状関数パラメータによってうねりの形状を表すための形状関数を規定し、当該形状関数が定めるうねり形状における一つ以上の寸法を上述した区間長パラメータ、高さパラメータ、角度パラメータ、積層方向位置パラメータなどで規定している。従って、例えば、うねりの形状を表すための形状関数を正弦波関数とするならば、区間長パラメータと高さパラメータによって正弦波関数が表すSineカーブの波長と振幅が規定されるので、個々の繊維のうねりの形状と寸法を一意に特定することができる。また、例えば、うねりの形状を表すための形状関数を台形関数とするならば、角度パラメータと区間長パラメータと高さパラメータによって台形関数が表す台形波形が規定されるので、個々の繊維のうねりの形状と寸法を一意に特定することができる。以上より、上記(11)の方法によれば、個々の繊維のうねりの形状と寸法を数学的に単純化されたモデルのみを使用して一意に特定することができる。   In the method (11), a shape function for representing the shape of the undulation is defined by the shape function parameter described above, and one or more dimensions in the undulation shape defined by the shape function are defined as the section length parameter and the height parameter described above. , Angle parameters, stacking direction position parameters, etc. Therefore, for example, if the shape function for representing the shape of the swell is a sine wave function, the wavelength and amplitude of the Sine curve represented by the sine wave function are defined by the section length parameter and the height parameter. The shape and dimensions of the swell can be uniquely specified. Further, for example, if the shape function for representing the shape of the swell is a trapezoidal function, the trapezoidal waveform represented by the trapezoidal function is defined by the angle parameter, the section length parameter, and the height parameter. Shapes and dimensions can be uniquely identified. As described above, according to the above method (11), the shape and size of the undulation of each fiber can be uniquely specified using only a mathematically simplified model.

また、うねりパラメータが積層方向位置パラメータを含むことにより、以下の技術的利点が得られる。すなわち、FRP層を積層して成る複合材の厚み方向における表層付近では、個々の繊維のうねりが複合材の強度低下に及ぼす影響が大きくなる。これに比べて、複合材の厚み方向において表層よりも深い内部に位置する繊維のうねりが複合材の強度低下に及ぼす影響は相対的に小さい。従って、個々の繊維のうねりが複合材の厚み方向においてどの深さ位置にあるかを積層方向位置パラメータで表現することにより、個々の繊維のうねりが複合材の強度低下に及ぼす影響の大小をうねりモデル内部においてモデル化することができる。   Further, the following technical advantages can be obtained when the waviness parameter includes the stacking direction position parameter. That is, in the vicinity of the surface layer in the thickness direction of the composite material formed by laminating the FRP layers, the influence of the undulation of individual fibers on the decrease in strength of the composite material becomes large. Compared with this, the influence of the undulation of the fibers located deeper than the surface layer in the thickness direction of the composite material on the strength reduction of the composite material is relatively small. Therefore, by expressing the position of the undulation of individual fibers in the thickness direction of the composite with the position parameter in the lamination direction, the influence of the undulation of individual fibers on the decrease in strength of the composite is undulated. It can be modeled inside the model.

(12)例示的な一実施形態では、上記(2)および(4)〜(11)の方法において、前記うねりパターンの複数の候補は、複数の前記FRP層が積層された面外方向に沿って前記FRP層内の繊維の層が開口することで、前記FRP層内に繊維が含まれない樹脂溜りが形成されるうねり分布に対応する第1パターンを含むことを特徴とする。   (12) In an exemplary embodiment, in the methods (2) and (4) to (11), the plurality of candidates for the undulation pattern are along an out-of-plane direction in which the plurality of FRP layers are stacked. The fiber layer in the FRP layer is opened to include a first pattern corresponding to a swell distribution in which a resin reservoir containing no fiber is formed in the FRP layer.

複合材を構成するFRP層を製造する際には、FRP層内の繊維と樹脂の体積比が均等とはならず、FRP層内に部分的に樹脂の体積比が非常に高い樹脂溜りができ、この樹脂溜りによってFRP層の破壊強度が顕著に低下することがある。そこで、上記(12)の方法では、うねりパターンの複数の候補の一つとして、FRP層の積層方向に沿ってFRP層内の繊維の層が開口することで、FRP層内に繊維が含まれない樹脂溜りが形成されるうねり分布を表す第1パターンを規定している。その結果、上記(12)の方法によれば、FRP層内の繊維と樹脂の体積比が均等とはならず、FRP層内に部分的に樹脂の体積比が非常に高い樹脂溜りができたことによる破壊強度の低下を考慮して複合材の破壊強度を評価することが可能となる。   When the FRP layer constituting the composite material is manufactured, the volume ratio of the fiber and the resin in the FRP layer is not uniform, and a resin pool in which the volume ratio of the resin is partially very high in the FRP layer can be obtained. The resin strength may significantly reduce the fracture strength of the FRP layer. Therefore, in the method (12), as one of a plurality of candidates for the undulation pattern, the fiber layer in the FRP layer is opened along the stacking direction of the FRP layer, so that the fiber is included in the FRP layer. A first pattern representing a waviness distribution in which no resin puddle is formed is defined. As a result, according to the method of (12) above, the volume ratio of the fiber and the resin in the FRP layer was not uniform, and a resin pool with a very high resin volume ratio was partially formed in the FRP layer. It is possible to evaluate the fracture strength of the composite material in consideration of the decrease in fracture strength due to the above.

(13)例示的な一実施形態では、上記(12)の方法において、前記第1パターンについて定義された前記うねりパラメータは、
前記FRP層内に形成された前記樹脂溜りの寸法を識別するための樹脂溜り寸法パラメータをさらに含むことを特徴とする。
(13) In an exemplary embodiment, in the method of (12), the swell parameter defined for the first pattern is:
A resin pool size parameter for identifying a size of the resin pool formed in the FRP layer is further included.

上記(13)の方法では、FRP層内の繊維と樹脂の体積比が不均一となることでFRP層内に形成された樹脂溜りの寸法を樹脂溜り寸法パラメータとして規定している。その結果、上記(12)の方法によれば、樹脂溜りができたことによる強度低下を考慮して複合材の破壊強度を評価する際に、樹脂溜りの寸法に応じた強度低下の大きさをうねりモデル内において適切にモデル化することができる。   In the method (13), the volume ratio between the fibers and the resin in the FRP layer becomes non-uniform so that the size of the resin pool formed in the FRP layer is defined as the resin pool dimension parameter. As a result, according to the above method (12), when evaluating the fracture strength of the composite material in consideration of the strength decrease due to the resin pool, the magnitude of the strength decrease according to the size of the resin pool is set. Appropriate modeling within the swell model is possible.

(14)例示的な一実施形態では、上記(2)および(4)〜(13)の方法において、前記うねりパターンの複数の候補は、各々の前記FRP層内において前記面外方向に生じた繊維のうねりが複数の前記FRP層にわたって上下同じ向きに重なり合い、各々の前記FRP層内の繊維にうねりが生じた面内方向位置が複数の前記FRP層にわたって揃っている第2パターンを含むことを特徴とする。   (14) In an exemplary embodiment, in the methods of (2) and (4) to (13), a plurality of candidates for the waviness pattern are generated in the out-of-plane direction in each of the FRP layers. And including a second pattern in which undulations of fibers overlap in the same direction vertically across the plurality of FRP layers, and in-plane direction positions where undulations occur in the fibers in each of the FRP layers are aligned over the plurality of FRP layers. Features.

上記(14)の方法では、うねりパターンの候補の一例として、各々のFRP層内において面外方向に生じた繊維のうねりが複数のFRP層にわたって上下同じ向きに重なり合い、各々のFRP層内の繊維にうねりが生じた面内方向位置が複数のFRP層にわたって揃っている場合を定義している。その結果、上記(14)の方法によれば、そのようなうねりパターンの候補に対応するうねりの分布状況をうねりモデル内で適切にモデル化することができる。   In the method of (14), as an example of the undulation pattern, the undulations of the fibers generated in the out-of-plane direction in each FRP layer overlap in the same direction vertically across the plurality of FRP layers, and the fibers in each FRP layer A case is defined where the in-plane direction positions where waviness occurs are aligned over a plurality of FRP layers. As a result, according to the above method (14), the distribution state of undulation corresponding to such undulation pattern candidates can be appropriately modeled in the undulation model.

以上より、本発明に係る幾つかの実施形態によれば、実物のFRP複合材や試験片に対する各種試験を行う必要が無い数値解析のみにより、FRP層内の繊維の形状不整(特に、繊維のうねり)に起因する強度低下を考慮して、FRP複合材の破壊強度を適切に評価する方法を得ることができる。   As described above, according to some embodiments of the present invention, the shape of the fiber in the FRP layer (particularly, the fiber shape) can be determined only by numerical analysis without performing various tests on the actual FRP composite material or test piece. In consideration of strength reduction due to undulation, a method for appropriately evaluating the fracture strength of the FRP composite material can be obtained.

本発明の幾つかの実施形態に係る破壊強度評価装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fracture strength evaluation apparatus which concerns on some embodiment of this invention. 本発明の幾つかの実施形態に係る破壊強度評価装置による評価対象となる複合材の構造を例示する図である。It is a figure which illustrates the structure of the composite material used as the evaluation object by the fracture strength evaluation apparatus which concerns on some embodiment of this invention. うねり状態を記述するうねりパターンの幾つかの例を示す図である。It is a figure which shows some examples of the waviness pattern which describes a waviness state. うねり状態を記述するうねりパラメータの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waviness parameter which describes a waviness state. 複数のうねりモデルに対する破壊判定結果からうねりパラメータの許容範囲を算出する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the tolerance | permissible_range of a waviness parameter is calculated from the destruction determination result with respect to a some waviness model. 本発明の幾つかの実施形態に従って実行される破壊評価方法の処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing flow of the destruction evaluation method performed according to some embodiment of this invention. さらに別の実施形態に係る破壊強度評価装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fracture strength evaluation apparatus which concerns on another embodiment. 複合材の端面画像を撮影装置により撮影する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the end surface image of a composite material is image | photographed with an imaging device. 撮影装置により撮影した複合材の端面画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the end surface image of the composite material image | photographed with the imaging device. さらに別の実施形態に従って実行される破壊評価方法の処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing flow of the destruction evaluation method performed according to another embodiment. さらに別の実施形態に係る破壊強度評価装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fracture strength evaluation apparatus which concerns on another embodiment. さらに別の実施形態に従って実行される破壊評価方法の処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing flow of the destruction evaluation method performed according to another embodiment. 複合材に対して超音波探傷装置またはX線スキャナ装置により非破壊検査を実施する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a nondestructive inspection is implemented with respect to a composite material with an ultrasonic flaw detector or an X-ray scanner apparatus.

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state. On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.

以下、FRP層を積層して成る複合材の破壊強度を本発明の幾つかの実施形態に従って評価するための装置100について図1乃至図5を参照しながら説明する。図1は、幾つかの実施形態に従い、FRP層内の繊維の一部にうねりが生じることによりFRP複合材の強度が低下した場合でもFRP複合材の破壊強度を高精度に評価することが可能な破壊強度評価方法を実施可能な装置100の構成を示す。図1に示す破壊強度評価装置100は、本発明の幾つかの実施形態に係る破壊強度評価方法をソフトウェア・プログラムとして実装し、当該ソフトウェア・プログラムをコンピュータ上に読み込んで実現される。   Hereinafter, an apparatus 100 for evaluating the fracture strength of a composite material formed by laminating FRP layers according to some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 shows that according to some embodiments, even when the strength of the FRP composite material is reduced due to the undulation of some of the fibers in the FRP layer, the fracture strength of the FRP composite material can be evaluated with high accuracy. The structure of the apparatus 100 which can implement the various fracture strength evaluation methods is shown. A fracture strength evaluation apparatus 100 shown in FIG. 1 is implemented by mounting a fracture strength evaluation method according to some embodiments of the present invention as a software program and reading the software program on a computer.

また、図1に示す装置100によって破壊強度を評価する際の評価対象となる複合材の一例を図2に示す。図2を参照すると、繊維強化型複合材(FRP複合材)20は、繊維強化型プラスティック材(FRP:Fiber Reinforced Plastics)を素材として板状に形成されたFRP層22(22(a)〜22(n))を数枚〜数十枚積層してオートクレーブで焼成して製造される。FRPは、高い強度と弾性率を持つガラス繊維や炭素繊維などである強化繊維21に樹脂を含浸させて固化させたものである。つまり、複合材20は、繊維強化型プラスティックで形成された複数のFRP層22(22(a)〜22(n))を面外方向に積層させて形成される。そして、以下において後述する本発明の幾つかの実施形態においては、FRP層22(22(a)〜22(n))内を面内方向に延びる多数の繊維21の一部がうねりを有している。なお、FRP層22内において生じた繊維21のうねりの程度や状態は以下において後述するうねり状態としてモデル化される。   Moreover, an example of the composite material used as the evaluation object at the time of evaluating fracture strength with the apparatus 100 shown in FIG. 1 is shown in FIG. Referring to FIG. 2, a fiber reinforced composite material (FRP composite material) 20 is an FRP layer 22 (22 (a) to 22 (22) to 22) formed in a plate shape using a fiber reinforced plastic material (FRP). (N)) is laminated and several tens of sheets are laminated and fired in an autoclave. FRP is obtained by impregnating a resin into a reinforcing fiber 21 such as glass fiber or carbon fiber having high strength and elastic modulus and solidifying it. That is, the composite material 20 is formed by laminating a plurality of FRP layers 22 (22 (a) to 22 (n)) made of fiber reinforced plastic in the out-of-plane direction. In some embodiments of the present invention to be described later, some of the many fibers 21 extending in the in-plane direction in the FRP layer 22 (22 (a) to 22 (n)) have undulations. ing. Note that the degree and state of the swell of the fiber 21 generated in the FRP layer 22 is modeled as a swell state to be described later.

再び図1を参照すると、図2に例示するFRP複合材20の破壊強度を評価するための装置100は、以下において後述するうねり状態の複数の候補をうねり状態候補として複数生成するうねり状態候補生成部110と、FRP複合材20を表現するモデルm(m(1)〜m(N))に対して行われる応力解析において設定すべき荷重条件を設定する荷重条件設定部120を備える。また、装置100は、うねり状態候補生成部110が出力するうねり状態候補を受け取り、FRP複合材20を表現するモデルm(m(1)〜m(N))を作成するモデル作成部130と、破壊強度を評価するために必要な応力解析をモデルm(m(1)〜m(N))の上で実行する応力解析部140を備える。また、装置100は、応力解析部140が出力する応力解析結果を受け取り、当該応力解析結果に基づいてモデルm(m(1)〜m(N))によって表現されるFRP複合材20の破壊強度を評価するためのFRP複合材20の破壊強度を評価する破壊強度評価部150を備える。   Referring to FIG. 1 again, the apparatus 100 for evaluating the fracture strength of the FRP composite material 20 illustrated in FIG. 2 generates a plurality of swell state candidates, which will be described later, as swell state candidates. A load condition setting unit 120 that sets a load condition to be set in a stress analysis performed on the model m (m (1) to m (N)) expressing the unit 110 and the FRP composite material 20. In addition, the apparatus 100 receives a swell state candidate output from the swell state candidate generation unit 110 and creates a model m (m (1) to m (N)) representing the FRP composite material 20; A stress analysis unit 140 that executes stress analysis necessary for evaluating the fracture strength on the model m (m (1) to m (N)) is provided. Moreover, the apparatus 100 receives the stress analysis result output from the stress analysis unit 140, and the fracture strength of the FRP composite material 20 expressed by the model m (m (1) to m (N)) based on the stress analysis result. Is provided with a breaking strength evaluation unit 150 for evaluating the breaking strength of the FRP composite material 20 for evaluating the FRP.

以下、装置100を構成するうねり状態候補生成部110、荷重条件設定部120、モデル作成部130、応力解析部140および破壊強度評価部150の役割について述べる。まず、うねり状態候補生成部110は、複数のうねり状態候補を生成する機能部であり、複数のうねり状態候補は、FRP複合材20の内部に含まれる繊維の一部に生じる可能性のある多種多様なうねりの状態をそれぞれ記述する。その際、以下において後述するようにうねり状態候補の各々は、個々のうねりの形状や寸法およびうねりの分布状況などの形でFRP複合材20の内部に含まれる繊維のうねり状態を記述する。   Hereinafter, the roles of the swell state candidate generation unit 110, the load condition setting unit 120, the model creation unit 130, the stress analysis unit 140, and the fracture strength evaluation unit 150 constituting the apparatus 100 will be described. First, the swell state candidate generation unit 110 is a functional unit that generates a plurality of swell state candidates, and the plurality of swell state candidates may be generated in some of the fibers included in the FRP composite material 20. Describe various swell states. At that time, as will be described later, each of the swell state candidates describes the swell state of the fibers included in the FRP composite material 20 in the form of the shape and size of each swell and the state of swell distribution.

荷重条件設定部120は、FRP複合材20を表現するモデルmに対して行われる応力解析においてFRP複合材20に作用すると想定される荷重ベクトルの方向や大きさ等を荷重条件として設定する。その際、FRP複合材20に作用すると想定される荷重ベクトルの方向や大きさ等は、複数のFRP層を積層してなるFRP複合材20に設定される3次元座標を基準に設定され、この3次元座標はFRP複合材20の積層方向、各々のFRP層における繊維配向方向を基準として設定される。   The load condition setting unit 120 sets the direction and size of a load vector assumed to act on the FRP composite material 20 in the stress analysis performed on the model m representing the FRP composite material 20 as the load condition. At that time, the direction and magnitude of the load vector assumed to act on the FRP composite material 20 are set based on the three-dimensional coordinates set in the FRP composite material 20 formed by laminating a plurality of FRP layers. The three-dimensional coordinates are set based on the stacking direction of the FRP composite 20 and the fiber orientation direction in each FRP layer.

また、モデル作成部130は、それぞれ異なるうねり状態を有するFRP複合材20を表現する複数の異なるうねりモデルm(1)〜m(N)を作成する。また、応力解析部140は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)に作用させる荷重の大きさを変えながら複数のうねりモデルm(1)〜m(N)の上で応力解析をそれぞれ行う。また、破壊強度強化部150は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)について破壊強度をそれぞれ評価する。   In addition, the model creating unit 130 creates a plurality of different undulation models m (1) to m (N) that express the FRP composite material 20 having different undulation states. The stress analysis unit 140 performs stress analysis on the plurality of undulation models m (1) to m (N) while changing the magnitude of the load applied to the plurality of undulation models m (1) to m (N). Do each. Moreover, the breaking strength strengthening unit 150 evaluates the breaking strength for each of the plurality of undulation models m (1) to m (N).

さらに、破壊強度評価部150は、以下において後述する破壊判定部151およびうねり許容範囲決定部152を含んで構成される。ここで、破壊判定部151は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)についての応力解析の結果に対し、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を適用することにより破壊判定を行うように構成されている。また、うねり許容範囲決定部152は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)の中のいずれが上記破壊判定により非破壊と判定されたかに基づいて、うねり状態の許容範囲を決定するように構成されている。   Furthermore, the fracture strength evaluation unit 150 includes a fracture determination unit 151 and a swell allowable range determination unit 152 described later. Here, the fracture determination unit 151 has a plurality of fracture rules R (1) to R (R) respectively corresponding to a plurality of different fracture modes with respect to the result of the stress analysis for the plurality of undulation models m (1) to m (N). It is comprised so that destruction determination may be performed by applying (M). Further, the swell allowable range determination unit 152 determines the allowable range of the swell state based on which of the plurality of swell models m (1) to m (N) is determined to be non-destructive by the above-described destruction determination. It is configured as follows.

例示的な一実施形態では、FRP複合材20内部の繊維の一部に生じる可能性のある多種多様なうねりの状態をモデル化する「うねり状態」は、以下において後述するうねりパターンとうねりパラメータにより記述される。うねりパターンは、FRP複合材20の面外方向にわたって分布する繊維21のうねりの分布状況を表現するのに対して、うねりパラメータは、個々の繊維21のうねりの形状および寸法を表す。ここで、うねりパターンの複数の候補がそれぞれ表現するFRP複合材20内のうねりの分布状況の幾つかの具体例を図3に示す。   In one exemplary embodiment, a “waviness state” that models a wide variety of waviness conditions that may occur on some of the fibers within the FRP composite 20 is determined by the waviness pattern and waviness parameters described below. Described. The undulation pattern represents the distribution of the undulation of the fibers 21 distributed over the out-of-plane direction of the FRP composite 20, whereas the undulation parameter represents the shape and dimensions of the undulation of the individual fibers 21. Here, some specific examples of the distribution state of the undulation in the FRP composite material 20 respectively expressed by a plurality of candidates for the undulation pattern are shown in FIG.

図3(A)〜図3(E)に示す5種類のうねりパターンの候補は、以下のようなうねり分布パターンに対応する。すなわち、このうねり分布パターンにおいては、各々のFRP層22内において面外方向に生じた繊維21のうねりが複数のFRP層22にわたって上下同じ向きに重なり合っている。さらに、このうねり分布パターンにおいては、各々のFRP層22内の繊維21にうねりが生じた面内方向位置が複数のFRP層22にわたって揃っている。他方、図3(F)および図3(G)に示す2種類のうねりパターンの候補は、以下のようなうねり分布パターンに対応する。すなわち、このうねり分布パターンにおいては、複数のFRP層22が積層された面外方向に沿ってFRP層22内の繊維21の層が開口することで、FRP層22内に繊維が含まれない樹脂溜り25が形成されている。   The five types of undulation pattern candidates shown in FIGS. 3A to 3E correspond to the following undulation distribution patterns. That is, in this waviness distribution pattern, the waviness of the fibers 21 generated in the out-of-plane direction in each FRP layer 22 overlaps in the same direction up and down across the plurality of FRP layers 22. Further, in this waviness distribution pattern, the in-plane direction positions where waviness is generated in the fibers 21 in each FRP layer 22 are aligned over the plurality of FRP layers 22. On the other hand, the two types of waviness pattern candidates shown in FIGS. 3F and 3G correspond to the following waviness distribution patterns. That is, in this waviness distribution pattern, the fiber 21 in the FRP layer 22 is opened along the out-of-plane direction in which the plurality of FRP layers 22 are laminated, so that no resin is contained in the FRP layer 22. A reservoir 25 is formed.

続いて、うねりパラメータの具体例について以下のとおり説明する。幾つかの例においては、うねりパラメータは、繊維21のうねりの形状を表すための形状関数を識別する形状関数パラメータを含むと共に、当該形状関数が定めるうねり形状における一つ以上の寸法を記述するための種々の寸法パラメータを含んでいてもよい。このようにすることで、上述した形状関数パラメータによってうねりの形状を表すための形状関数を規定し、当該形状関数が定めるうねり形状における一つ以上の寸法を上述した寸法パラメータで規定することで、うねりの形状と寸法を一意に特定することが可能となる。そして、うねりパラメータを上記のように定義することで、個々の繊維のうねりの形状と寸法を数学的に単純化されたモデルのみを使用して一意に特定することが可能となる。   Next, a specific example of the swell parameter will be described as follows. In some examples, the undulation parameter includes a shape function parameter that identifies a shape function for representing the undulation shape of the fiber 21 and describes one or more dimensions in the undulation shape defined by the shape function. Various dimensional parameters may be included. By doing so, by defining the shape function for representing the shape of the undulation by the shape function parameter described above, by defining one or more dimensions in the undulation shape determined by the shape function by the above-described dimension parameter, It becomes possible to uniquely specify the shape and dimensions of the swell. By defining the undulation parameters as described above, the undulation shape and dimensions of individual fibers can be uniquely specified using only a mathematically simplified model.

例えば、うねりの形状を表すための形状関数を正弦波関数とするならば、正弦波関数が表すSineカーブの波長と振幅を寸法パラメータで規定すれば、個々の繊維のうねりの形状と寸法を一意に特定することができる。また、例えば、うねりの形状を表すための形状関数を台形関数とするならば、台形の底辺と高さに加えて台形の左右の辺の傾斜角度を寸法パラメータで規定すれば、台形関数が表す台形波形が一意に規定されるので、個々の繊維のうねりの形状と寸法を一意に特定することができる。   For example, if the shape function for representing the shape of the swell is a sine wave function, if the wavelength and amplitude of the Sine curve represented by the sine wave function are defined by dimensional parameters, the shape and size of the undulation of each fiber is uniquely determined. Can be specified. Also, for example, if the shape function for expressing the shape of the swell is a trapezoid function, the trapezoid function can be expressed by defining the tilt angle of the left and right sides of the trapezoid in addition to the base and height of the trapezoid by the dimension parameter. Since the trapezoidal waveform is uniquely defined, the shape and size of the undulation of each fiber can be uniquely specified.

この実施形態では、FRP複合材20の設計時において繊維21が面内方向に沿って配向される場合の繊維配向面を基準面とするならば、上述した寸法パラメータは、以下のようなパラメータを含んでいてもよい。例えば、うねりが生じた区間の基準面に沿った長さを識別する区間長パラメータLおよびうねりが生じた区間において、繊維21が基準面から面外方向に最も離間した位置における離間幅を識別する高さパラメータHを含んでいてもよい。また、うねりが生じた区間において、繊維21の向きがうねりにより基準面から面外方向に傾斜した場合の傾斜角度を識別するための角度パラメータθを含んでいてもよい。また、複数のFRP層22が積層された面外方向における繊維21のうねりの位置を識別するための積層方向位置パラメータを含んでいてもよい。   In this embodiment, if the fiber orientation surface in the case where the fiber 21 is oriented along the in-plane direction at the time of designing the FRP composite material 20 is used as a reference surface, the above-described dimensional parameters are the following parameters: May be included. For example, the section length parameter L for identifying the length along the reference plane of the section where the undulation has occurred and the separation width at the position where the fiber 21 is farthest away from the reference plane in the out-of-plane direction in the section where the undulation has occurred. A height parameter H may be included. Further, an angle parameter θ for identifying an inclination angle when the direction of the fiber 21 is inclined in the out-of-plane direction due to the undulation in the section where the undulation occurs may be included. Moreover, the lamination direction position parameter for identifying the position of the wave | undulation of the fiber 21 in the out-of-plane direction where the several FRP layer 22 was laminated | stacked may be included.

図4は、繊維21のうねりの形状を表すための形状関数を正弦波関数とした場合の寸法パラメータの例を示す。図4に示すように、うねりの形状を表す正弦波の波長はうねり長さLで表され、これは上述した寸法パラメータのうち、区間長パラメータLに相当する。また、うねりの形状を表す正弦波の振幅はうねり高さHで表され、これは上述した寸法パラメータのうち、高さパラメータHに相当する。また、うねりの形状を表す正弦波の特定の位相における接線が基準面との間に成す角度はうねり角度θで表され、これは上述した寸法パラメータのうち、角度パラメータθに相当する。   FIG. 4 shows an example of dimensional parameters when the shape function for expressing the swell shape of the fiber 21 is a sine wave function. As shown in FIG. 4, the wavelength of the sine wave representing the shape of the undulation is represented by the undulation length L, which corresponds to the section length parameter L among the dimensional parameters described above. Further, the amplitude of the sine wave representing the shape of the undulation is represented by the undulation height H, which corresponds to the height parameter H among the dimensional parameters described above. Further, the angle formed between the tangent line at a specific phase of the sine wave representing the shape of the swell and the reference plane is represented by the swell angle θ, which corresponds to the angle parameter θ among the above-described dimensional parameters.

また、例示的な実施形態では、うねり状態候補生成部110は、うねり状態の各候補にうねりパターンの一つの候補とうねりパラメータの一つの候補が含まれるようにうねり状態の複数の候補を生成し、モデル作成部130に出力する。その際、うねり状態候補生成部110は、同一のうねり状態候補に含まれるうねりパターンの候補とうねりパラメータの候補が互いに整合するように複数のうねり状態候補を生成する。その結果、この実施形態では、うねり状態候補生成部110からうねり状態の候補を受け取ったモデル作成部130は、うねりパターンの候補および当該うねりパターンの候補と整合するうねりパラメータの候補を使用して複数のうねりモデルm(1)〜m(N)を作成する。   In the exemplary embodiment, the swell state candidate generation unit 110 generates a plurality of swell state candidates so that each swell state candidate includes one swell pattern candidate and one swell parameter candidate. And output to the model creation unit 130. At that time, the undulation state candidate generation unit 110 generates a plurality of undulation state candidates so that the undulation pattern candidates and the undulation parameter candidates included in the same undulation state candidate match each other. As a result, in this embodiment, the model creation unit 130 that has received the swell state candidate from the swell state candidate generation unit 110 uses a plurality of swell pattern candidates and swell parameter candidates that match the swell pattern candidates. Swell models m (1) to m (N) are created.

例示的な一実施形態では、モデル作成部130は、以下のようにして複数のうねりモデルm(1)〜m(N)を作成するように構成されてもよい。まず、モデル作成部130は、各々のFRP層22をソリッド要素でモデル化し、面外方向に積層された複数のFRP層22間の境界面を粘着要素でモデル化する。最後に、モデル作成部130は、これらのソリッド要素と粘着要素を組み合わせた上で、うねりパターンとうねりパラメータを反映させることで複数のうねりモデルm(1)〜m(N)を作成する。   In an exemplary embodiment, the model creation unit 130 may be configured to create a plurality of waviness models m (1) to m (N) as follows. First, the model creation unit 130 models each FRP layer 22 with a solid element, and models a boundary surface between the plurality of FRP layers 22 stacked in the out-of-plane direction with an adhesive element. Finally, the model creation unit 130 creates a plurality of undulation models m (1) to m (N) by combining the solid elements and the adhesive elements and reflecting the undulation pattern and the undulation parameters.

このようにして作成されたうねりモデルm(1)〜m(N)が、応力解析部140に出力されると、応力解析部140は、最初に、図1に示す装置100の外部からFRP複合材20を構成する繊維21と樹脂材についての材料特性パラメータを受け取る(図1のDin)。この材料特性パラメータは、FRP複合材20を構成する繊維21と樹脂材についてのヤング率、ポアソン比、せん断弾性係数またはその他のパラメータを含む。この材料特性パラメータの値は、FRP複合材20の多数の試験用サンプルの中から繊維21にうねりが無いサンプルを抽出し、このサンプルに対して単軸引張/圧縮試験や曲げ試験などの基礎材料試験を行うことで事前に実測値として得られているものである。 When the swell models m (1) to m (N) created in this way are output to the stress analysis unit 140, the stress analysis unit 140 firstly combines the FRP composite from the outside of the apparatus 100 shown in FIG. receive material characteristic parameter for the fiber 21 and the resin material constituting the timber 20 (D in FIG. 1). The material property parameters include Young's modulus, Poisson's ratio, shear elastic modulus or other parameters for the fibers 21 and the resin material constituting the FRP composite 20. The value of the material property parameter is obtained by extracting a sample in which the fiber 21 is not wavy from a large number of test samples of the FRP composite 20, and using this sample as a basic material such as a uniaxial tensile / compression test and a bending test. It is obtained as an actual measurement value in advance by performing a test.

続いて、応力解析部140は、荷重条件設定部120によって設定された荷重条件の下で、上記の材料特性パラメータの値に基づいて、うねりモデルm(1)〜m(N)に対して有限要素法による応力解析を実行するように構成されてもよい。その際、応力解析部140は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)に作用させる荷重の大きさを設定された荷重条件に従って変えながら複数のうねりモデルm(1)〜m(N)の上で応力解析をそれぞれ行う。続いて、応力解析部140は、うねりモデルm(1)〜m(N)の上で実行した応力解析の結果を破壊強度評価部150に出力する。   Subsequently, the stress analysis unit 140 is finite with respect to the waviness models m (1) to m (N) based on the value of the material property parameter under the load condition set by the load condition setting unit 120. You may comprise so that the stress analysis by an element method may be performed. At that time, the stress analysis unit 140 changes the magnitude of the load to be applied to the plurality of undulation models m (1) to m (N) according to the set load condition, and then the plurality of undulation models m (1) to m (N ) To perform stress analysis. Subsequently, the stress analysis unit 140 outputs the result of the stress analysis performed on the undulation models m (1) to m (N) to the fracture strength evaluation unit 150.

破壊強度評価部150が上記の応力解析の結果を受け取ると、破壊判定部150は、うねりモデルm(1)〜m(N)の上で応力解析をそれぞれ実行して得られた応力解析結果C(1)〜C(N)に対して複数の破壊モードにそれぞれ対応した破壊則R(1)〜R(M)を適用する。その結果、うねりモデルm(1)〜m(N)のいずれが荷重条件設定部120によって設定された荷重条件の下で破壊に至るかが破壊則R(1)〜R(M)を基準として判定される。つまり、破壊判定部151は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)についての応力解析の結果に対し、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を適用することにより破壊判定を行う。続いて、うねり許容範囲決定部152は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)の中のいずれが上記破壊判定により非破壊と判定されたかに基づいて、うねりパラメータの許容範囲を決定する。   When the fracture strength evaluation unit 150 receives the result of the stress analysis, the fracture determination unit 150 performs the stress analysis on the undulation models m (1) to m (N), respectively, and obtains the stress analysis result C. Destruction rules R (1) to R (M) respectively corresponding to a plurality of destructive modes are applied to (1) to C (N). As a result, which of the swell models m (1) to m (N) leads to failure under the load condition set by the load condition setting unit 120 is based on the destruction rules R (1) to R (M). Determined. That is, the fracture determination unit 151 has a plurality of fracture rules R (1) to R (R) respectively corresponding to a plurality of different fracture modes with respect to the stress analysis results for the plurality of undulation models m (1) to m (N). Destruction is determined by applying M). Subsequently, the swell allowable range determination unit 152 determines the swell parameter allowable range based on which of the plurality of swell models m (1) to m (N) is determined to be non-destructive by the destructive determination. To do.

ところで、うねりモデルm(1)〜m(N)のいずれが荷重条件設定部120によって設定された荷重条件の下で破壊に至るかを判定する基準となる複数の破壊則R(1)〜R(M)の具体例には、以下のように最大応力説に基づく破壊則が含まれてもよい。まず、FRP複合材20内部において繊維21の配向方向に沿って荷重力が作用する場合の破壊モードに対応する破壊則として以下の式で表されるものが含まれてもよい。
By the way, a plurality of destruction rules R (1) to R (R) serving as a reference for determining which of the undulation models m (1) to m (N) leads to the destruction under the load condition set by the load condition setting unit 120. Specific examples of (M) may include a failure rule based on the maximum stress theory as follows. First, what is represented by the following formula may be included as a failure rule corresponding to a failure mode when a load force acts along the orientation direction of the fibers 21 inside the FRP composite 20.

上記の不等式が成り立つ場合にFRP複合材20は非破壊と判定される。上記の不等式においてσ11は、FRP複合材20内部において繊維21の配向方向に沿って荷重力が作用した場合の当該荷重力に対する応力の大きさを表し、S11Tは、繊維21の配向方向に沿って引っ張り荷重力が作用した場合におけるFRP複合材20の引っ張り方向への材料強度である。また、S11Cは、繊維21の配向方向に沿って圧縮荷重力が作用した場合におけるFRP複合材20の圧縮荷重方向への材料強度である。 If the above inequality holds, the FRP composite 20 is determined to be non-destructive. In the above inequality, σ 11 represents the magnitude of stress with respect to the load force when a load force is applied along the orientation direction of the fiber 21 inside the FRP composite 20, and S 11T is the orientation direction of the fiber 21. It is the material strength in the tensile direction of the FRP composite material 20 when a tensile load force is applied along. S 11 C is the material strength of the FRP composite material 20 in the compressive load direction when a compressive load force is applied along the orientation direction of the fibers 21.

FRP複合材20内部において繊維21の配向方向と直交する向きに荷重力が作用する場合の破壊モードに対応する破壊則として以下の式で表されるものがある。
As a failure law corresponding to a failure mode when a load force is applied in a direction orthogonal to the orientation direction of the fibers 21 inside the FRP composite material 20, there is one represented by the following equation.

上記の不等式が成り立つ場合にFRP複合材20は非破壊と判定される。上記の不等式においてσ22は、FRP複合材20内部においてFRP層22の面内方向に作用する荷重力のうち、繊維21の配向方向と直交する向きに作用する荷重力に対する応力の大きさを表し、S22Tは、この荷重力の方向に沿って引っ張り力が作用した場合におけるFRP複合材20の引っ張り方向への材料強度である。また、S22Cは、この荷重力の方向に沿って圧縮荷重力が作用した場合におけるFRP複合材20の圧縮荷重方向への材料強度である。また、S33Tは、繊維21の配向方向と直交する面外方向(FRP層22の厚み方向)に沿って引っ張り荷重力が作用した場合におけるFRP複合材20の引っ張り方向への材料強度である。また、S33Cは、この面外方向(FRP層22の厚み方向)に沿って圧縮荷重力が作用した場合におけるFRP複合材20の圧縮荷重方向への材料強度である。 If the above inequality holds, the FRP composite 20 is determined to be non-destructive. In the above inequality, σ 22 represents the magnitude of stress with respect to the load force acting in the direction perpendicular to the orientation direction of the fibers 21 among the load forces acting in the in-plane direction of the FRP layer 22 inside the FRP composite 20. , S 22T is the material strength of the FRP composite material 20 in the tensile direction when a tensile force is applied along the direction of the load force. S22C is the material strength of the FRP composite material 20 in the compressive load direction when a compressive load force is applied along the direction of the load force. S 33T is the material strength in the tensile direction of the FRP composite material 20 when a tensile load force is applied along the out-of-plane direction (the thickness direction of the FRP layer 22) perpendicular to the orientation direction of the fibers 21. S33C is the material strength of the FRP composite material 20 in the compressive load direction when a compressive load force is applied along this out-of-plane direction (the thickness direction of the FRP layer 22).

また、FRP複合材20内部においてせん断方向に沿って荷重力が作用する場合の破壊モードに対応する破壊則として以下の式で表されるものがある。
上記の不等式が成り立つ場合にFRP複合材20は非破壊と判定される。上記式において、σ12は面内方向に沿ったせん断力に対する応力を表し、σ23およびσ13は面外方向(FRP層22の厚み方向)に沿ったせん断力に対する応力を表す。また、上記式において、S12は面内方向に沿ったせん断力に対するFRP複合材20の材料強度を表し、S23およびS13は面外方向(FRP層22の厚み方向)に沿ったせん断力に対するFRP複合材20の材料強度を表す。
Moreover, there exists what is represented by the following formula | equation as a failure law corresponding to the failure mode in case the load force acts along the shear direction inside the FRP composite material 20.
If the above inequality holds, the FRP composite 20 is determined to be non-destructive. In the above equation, σ 12 represents the stress with respect to the shearing force along the in-plane direction, and σ 23 and σ 13 represent the stress with respect to the shearing force along the out-of-plane direction (the thickness direction of the FRP layer 22). In the above formula, S 12 represents the material strength of FRP composite 20 against shearing force along the plane direction, the shear force S 23 and S 13 are along the out-of-plane direction (thickness direction of the FRP layer 22) The material strength of the FRP composite material 20 with respect to

複数の破壊則R(1)〜R(M)の具体例には、2乗則に基づく破壊則が含まれてもよい。2乗則は、上下に積層されたFRP層22間で層間剥離が引き起こされる場合の3種類の破壊モードである破壊モードI、破壊モードIIおよび破壊モードIIIに対応した破壊則であり、以下の式で表される。
上記の不等式が成り立つ場合にFRP複合材20は非破壊と判定される。上記式において<>はMacaulayの括弧であり、σ、σIIおよびσIIIは、破壊モードI、破壊モードIIおよび破壊モードIIIに対応した応力を表す。また、S、SIIおよびSIIIは、破壊モードI、破壊モードIIおよび破壊モードIIIに対応したFRP複合材20の材料強度を表す。
Specific examples of the plurality of destruction rules R (1) to R (M) may include a destruction rule based on the square law. The square law is a destruction law corresponding to the failure mode I, the failure mode II, and the failure mode III, which are three types of failure modes when delamination is caused between the FRP layers 22 stacked one above the other. It is expressed by a formula.
If the above inequality holds, the FRP composite 20 is determined to be non-destructive. In the above formula, <> is a bracket of Macaulay, and σ I , σ II and σ III represent stresses corresponding to failure mode I, failure mode II and failure mode III. S I , S II and S III represent the material strength of the FRP composite material 20 corresponding to the fracture mode I, the fracture mode II and the fracture mode III.

なお、うねりモデルm(1)〜m(N)のいずれが破壊に至るかを判定する基準となる複数の破壊則R(1)〜R(M)の具体例には、上述した最大応力説に基づく破壊則や2乗則に基づく破壊則の他に、Tsai−Wu則、Hashin則、Puck則、LaRC則なども含まれ得る。   In addition, specific examples of the plurality of destruction rules R (1) to R (M) that serve as a criterion for determining which of the undulation models m (1) to m (N) leads to the destruction include the maximum stress theory described above. In addition to the destruction rule based on the square law and the destruction law based on the square law, the Tsai-Wu law, the Hashin law, the Puck law, the LaRC law, and the like may be included.

続いて、図1に示すうねり許容範囲決定部152がうねりパラメータの値の許容範囲を決定する動作の具体例について説明する。図5は、うねり許容範囲決定部152によって決定されたうねり状態の許容範囲の一例を示す。図5には、うねりパラメータのうち、うねりの高さに相当する高さパラメータLを縦軸とし、うねりの角度に相当する角度パラメータθを横軸とする2次元座標で表された2次元プロット平面が示されている。図5に示す2次元プロット平面上にプロットされた丸印とバツ印の各々は、複数のうねりモデルm(1)〜m(N)の各々に対応する。ここで、図5に示す丸印は、破壊判定部151によって破壊に至らない(非破壊)と判定されたうねりモデルに対応し、図5に示すバツ印は、破壊判定部151によって破壊に至ると判定されたうねりモデルに対応している。   Next, a specific example of the operation in which the swell allowable range determination unit 152 illustrated in FIG. 1 determines the allowable range of the swell parameter value will be described. FIG. 5 shows an example of the allowable range of the swell state determined by the swell allowable range determination unit 152. FIG. 5 shows a two-dimensional plot represented by two-dimensional coordinates, in which the height parameter L corresponding to the height of the waviness is the vertical axis and the angle parameter θ corresponding to the waviness angle is the horizontal axis. A plane is shown. Each of the circle mark and the cross mark plotted on the two-dimensional plot plane shown in FIG. 5 corresponds to each of a plurality of undulation models m (1) to m (N). Here, the circles shown in FIG. 5 correspond to the swell model determined not to be destroyed (non-destructive) by the destruction determination unit 151, and the crosses shown in FIG. It corresponds to the swell model determined to be.

以上より、図5に示す例では、丸印だけを包含する領域として図5に示す2次元プロット平面上に示された領域が、高さパラメータLと角度パラメータθから成るパラメータ対の許容範囲を表している。従って、図5に例示する実施形態によれば、FRP複合材20内部に生じ得る繊維21のうねり高さLとうねり角度θがどの程度までなら必要な破壊強度を確保できるかを規定する許容範囲をうねり高さLとうねり角度θの対で表される2次元的な範囲ε(L,θ)として決定し、図1に示す出力Doutとして外部に出力することができる。その結果、この実施形態によれば、FRP層22内で一部の繊維21に生じたうねり高さLとうねり角度θの大きさが上記のように決定した許容範囲ε(L,θ)内に収まるか否かに基づいて、FRP複合材20の製造時における品質管理を行うことが容易となる。 From the above, in the example shown in FIG. 5, the region shown on the two-dimensional plot plane shown in FIG. 5 as the region including only the circle mark has the allowable range of the parameter pair composed of the height parameter L and the angle parameter θ. Represents. Therefore, according to the embodiment illustrated in FIG. 5, an allowable range that defines the extent to which the undulation height L and the undulation angle θ of the fiber 21 that can occur inside the FRP composite material 20 can ensure the required fracture strength. Can be determined as a two-dimensional range ε (L, θ) represented by a pair of the undulation height L and the undulation angle θ, and output to the outside as the output D out shown in FIG. As a result, according to this embodiment, the undulation height L and the undulation angle θ generated in some of the fibers 21 in the FRP layer 22 are within the allowable range ε (L, θ) determined as described above. It becomes easy to perform quality control at the time of manufacturing the FRP composite material 20 based on whether or not it falls within the range.

次に、図1に示す装置100がFRP複合材20の破壊強度を評価するために実行する破壊強度評価方法の処理の流れを図6のフローチャートに沿って説明する。図6のフローチャートは、ステップS501から開始し、荷重条件設定部120は、FRP複合材20の応力解析を行う際に設定する必要のある荷重条件を設定する。続いて、処理はステップS502に進み、うねり状態候補生成部110は、繊維21にうねりが生じたFRP複合材20を表現するうねりモデルm(i)に反映するべきうねりパターンの候補を生成する。続いて、処理はステップS503に進み、うねり状態候補生成部110は、繊維21にうねりが生じたFRP複合材20を表現する複数のうねりモデルm(i)に反映するべきうねりパラメータの候補を生成する。   Next, the flow of processing of the fracture strength evaluation method executed by the apparatus 100 shown in FIG. 1 to evaluate the fracture strength of the FRP composite material 20 will be described with reference to the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 6 starts from step S501, and the load condition setting unit 120 sets a load condition that needs to be set when performing a stress analysis of the FRP composite material 20. Subsequently, the process proceeds to step S502, and the swell state candidate generation unit 110 generates a swell pattern candidate to be reflected in the swell model m (i) representing the FRP composite 20 in which swells have occurred in the fibers 21. Subsequently, the process proceeds to step S503, and the swell state candidate generation unit 110 generates swell parameter candidates to be reflected in the plurality of swell models m (i) representing the FRP composite material 20 in which the swells have occurred in the fibers 21. To do.

続いて、処理はステップS504に進み、うねり状態候補生成部110からうねりパターンとうねりパラメータの候補を受け取ったモデル作成部130は、うねりパターンとうねりパラメータの候補をそれぞれ反映させた複数のうねりモデルm(i)を作成する。続いて、処理はステップS505に進み、モデル作成部130により作成されたうねりモデルm(i)を受け取った応力解析部140は、以下の動作を行う。まず、繊維21にうねりが生じていないFRP複合材20のサンプルに対する基礎材料試験を事前に行うことによって実測され(図6のステップS511)、外部から入力されたFRP複合材20に関する材料特性パラメータの値を受け取る(図6のステップS512)。続いて、荷重条件設定部120によって設定された荷重条件の下で、うねりモデルm(i)に対して有限要素法による応力解析を実行する。   Subsequently, the process proceeds to step S504, and the model creation unit 130 that has received the undulation pattern and the undulation parameter candidate from the undulation state candidate generation unit 110 includes a plurality of undulation models m each reflecting the undulation pattern and the undulation parameter candidate. Create (i). Subsequently, the process proceeds to step S505, and the stress analysis unit 140 that receives the undulation model m (i) created by the model creation unit 130 performs the following operation. First, a basic material test is performed in advance on a sample of the FRP composite material 20 in which no undulation is generated in the fiber 21 (step S511 in FIG. 6), and the material characteristic parameters regarding the FRP composite material 20 input from the outside are measured. A value is received (step S512 in FIG. 6). Subsequently, under the load condition set by the load condition setting unit 120, stress analysis by the finite element method is executed on the undulation model m (i).

続いて、処理はステップS506に進み、うねりモデルm(i)に対する応力解析の結果を応力解析部140から受け取った破壊強度評価部150は、以下の動作を行う。まず、外部から入力されたFRP複合材20に関する材料特性パラメータの値を受け取る(図6のステップS512)。続いて、複数の破壊モードに対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を設定する(図6のステップS513)。続いて、破壊強度評価部150内の破壊判定部151は、材料特性パラメータの値に基づいて、複数のうねりモデルm(i)に対する応力解析の結果C(i)に対して複数の破壊則R(1)〜R(M)を適用することによる破壊判定を実行する。その結果、うねりモデルm(i)について上述した荷重条件の下で破壊に至るか否かを表す破壊判定結果D(i)が得られる。   Subsequently, the process proceeds to step S506, and the fracture strength evaluation unit 150 that has received the result of the stress analysis for the undulation model m (i) from the stress analysis unit 140 performs the following operation. First, the value of the material characteristic parameter regarding the FRP composite material 20 input from the outside is received (step S512 in FIG. 6). Subsequently, a plurality of destruction rules R (1) to R (M) corresponding to a plurality of destruction modes are set (step S513 in FIG. 6). Subsequently, the fracture determination unit 151 in the fracture strength evaluation unit 150 has a plurality of fracture rules R for the stress analysis results C (i) for the plurality of undulation models m (i) based on the values of the material characteristic parameters. The destruction determination is performed by applying (1) to R (M). As a result, a fracture determination result D (i) indicating whether or not the swell model m (i) is broken under the load conditions described above is obtained.

続いて、処理は判断ステップS507に進み、うねりモデルm(i)についての破壊判定結果D(i)が非破壊判定(破壊に至らないとの判定)を表すならば、処理はステップS508に進み、非破壊と判定されたうねりモデルm(i)に含まれるうねりパラメータの候補を許容可能なパラメータ候補に分類する。逆に、うねりモデルm(i)についての破壊判定結果D(i)が破壊判定(破壊に至るとの判定)を表すならば、処理はステップS514に進み、非破壊と判定されたうねりモデルm(i)に含まれるうねりパラメータの候補を許容できないパラメータ候補に分類する。   Subsequently, the process proceeds to determination step S507, and if the destruction determination result D (i) for the undulation model m (i) represents a non-destructive determination (determination that no destruction occurs), the process proceeds to step S508. The undulation parameter candidates included in the undulation model m (i) determined to be non-destructive are classified as acceptable parameter candidates. On the other hand, if the destruction determination result D (i) for the undulation model m (i) represents the destruction determination (determination that the destruction will occur), the process proceeds to step S514, and the undulation model m determined to be non-destructive. The swell parameter candidates included in (i) are classified as unacceptable parameter candidates.

続いて、処理はステップS509に進み、破壊強度評価部150は、うねりパラメータの候補について許容可能なパラメータ候補と許容できないパラメータ候補との間の境界を明確に画定するために充分な個数の破壊判定結果が得られているかを判断する。得られた破壊判定結果の個数が許容可能なパラメータ候補と許容できないパラメータ候補との間の境界を明確に画定するために不充分である場合には、図6のフローチャートの処理はステップS503に戻る。図6のフローチャートの処理がステップS503に戻ると、ステップS502で生成されたうねりパターンの候補を基に新たなうねりパラメータの候補が生成され、当該新たなうねりパラメータを用いてステップS504で新たなうねりモデルm(i+1)がモデル作成部130により作成される。そして、新たなうねりモデルm(i+1)に基づいてステップS505〜ステップS509までの上述した処理が繰り返し実行される。逆に、破壊判定結果の個数が許容可能なパラメータ候補と許容できないパラメータ候補との間の境界を明確に画定するために充分である場合には、図6のフローチャートの処理はステップS510に進み、うねり許容範囲決定部152により許容可能なうねりパラメータの範囲を決定してフローチャートの実行を終える。   Subsequently, the process proceeds to step S509, and the fracture strength evaluation unit 150 determines a sufficient number of fracture determinations for clearly defining the boundary between the acceptable parameter candidates and the unacceptable parameter candidates for the swell parameter candidates. Determine if results are obtained. If the number of obtained destruction determination results is insufficient to clearly define the boundary between the acceptable parameter candidate and the unacceptable parameter candidate, the process of the flowchart of FIG. 6 returns to step S503. . When the processing of the flowchart of FIG. 6 returns to step S503, a new undulation parameter candidate is generated based on the undulation pattern candidate generated in step S502, and a new undulation is performed in step S504 using the new undulation parameter. The model m (i + 1) is created by the model creation unit 130. Then, the above-described processing from step S505 to step S509 is repeatedly executed based on the new undulation model m (i + 1). Conversely, if the number of destruction determination results is sufficient to clearly define the boundary between acceptable and unacceptable parameter candidates, the process of the flowchart of FIG. 6 proceeds to step S510, The allowable waviness parameter determining unit 152 determines the allowable waviness parameter range and finishes the execution of the flowchart.

以上のように、図1〜図6を参照しながら上述した実施形態において実行される破壊強度評価方法は、うねり状態の複数の候補をそれぞれ反映させた複数のうねりモデルm(1)〜m(N)をランダムに生成し、応力解析と破壊判定を行う。そして、当該破壊強度評価方法では、非破壊と判定されたうねりモデルに対応するうねり状態の候補からうねり状態の許容範囲を求めていた。つまり、図1〜図6を参照しながら上述した破壊強度評価方法は、FRP複合材20の試験用サンプルを試作することなく、ランダムに生成した多数のうねりモデルに対する数値解析シミュレーションによりうねり状態の許容範囲を純粋に理論的に予測するものであった。   As described above, the fracture strength evaluation method executed in the embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 6 includes a plurality of waviness models m (1) to m (1) each reflecting a plurality of waviness state candidates. N) is randomly generated, and stress analysis and fracture determination are performed. And in the said destruction strength evaluation method, the tolerance | permissible_range of the waviness state was calculated | required from the waviness state candidate corresponding to the waviness model determined to be nondestructive. That is, the fracture strength evaluation method described above with reference to FIG. 1 to FIG. 6 does not allow a test sample of the FRP composite material 20 to be manufactured, and allows the swell state to be allowed by numerical analysis simulation for a large number of randomly generated undulation models. The range was purely theoretical predictions.

これに対して、図7〜図15を用いて後述する実施形態に係る破壊強度評価方法では、実機として作成されたFRP複合材20について数値解析により破壊強度を評価するために、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を少なくとも一つのうねりモデルm(j)についての応力解析結果に適用している。従って、この破壊強度評価方法によれば、FRP複合材20の実機について数値解析により破壊強度を評価するために、層間剥離に対応する破壊モードのみならず、FRP複合材20の破壊を引き起こし得る他の様々な破壊モードを考慮して破壊強度を評価することが可能である。   In contrast, in the fracture strength evaluation method according to the embodiment described later with reference to FIGS. 7 to 15, a plurality of different fractures are performed in order to evaluate the fracture strength by numerical analysis for the FRP composite material 20 created as an actual machine. A plurality of destruction rules R (1) to R (M) corresponding to the respective modes are applied to the stress analysis result for at least one undulation model m (j). Therefore, according to this fracture strength evaluation method, in order to evaluate the fracture strength of the actual machine of the FRP composite material 20 by numerical analysis, not only the failure mode corresponding to delamination but also the failure of the FRP composite material 20 can be caused. It is possible to evaluate the fracture strength in consideration of various fracture modes.

図7は、幾つかの実施形態に従い、繊維21の一部にうねりが生じたFRP複合材20の破壊強度を高精度に評価することが可能な破壊強度評価方法を実施可能なさらに別の装置200の構成を示す。図7に示す破壊強度評価装置200は、図7〜図10を用いて後述する破壊強度評価方法をソフトウェア・プログラムとして実装し、当該ソフトウェア・プログラムをコンピュータ上に読み込んで実現される装置であってもよい。以下、図7〜図10を参照しながら破壊強度評価装置200の構成と動作について詳しく説明する。   FIG. 7 shows still another apparatus capable of performing a fracture strength evaluation method capable of highly accurately evaluating the fracture strength of the FRP composite material 20 in which waviness occurs in a part of the fibers 21 according to some embodiments. 200 configurations are shown. A fracture strength evaluation apparatus 200 shown in FIG. 7 is an apparatus that is implemented by mounting a fracture strength evaluation method described later with reference to FIGS. 7 to 10 as a software program and reading the software program on a computer. Also good. Hereinafter, the configuration and operation of the fracture strength evaluation apparatus 200 will be described in detail with reference to FIGS.

図7に示す装置200は、以下の点で図1に示した装置100と異なる構成を有する。まず、装置200は、画像認識部260を備え、画像認識部260は、装置200の外部に設けた端面画像撮影装置500と接続されている。また、図1に示す装置100におけるうねり状態候補生成部110は、図2に示す装置200では、うねり状態分析部210に置き換えられており、モデル作成部230は、うねり状態分析部210が分析によって推定したうねりパターンとうねりパラメータの候補を受け取って複数のうねりモデルmを作成するように構成されている。また、図2に示す装置200では、破壊強度評価部250は、単一のうねりモデルmについての破壊判定結果を算出するだけであり、うねり状態の許容範囲の決定は行わない。   The apparatus 200 shown in FIG. 7 has a configuration different from the apparatus 100 shown in FIG. 1 in the following points. First, the apparatus 200 includes an image recognizing unit 260, and the image recognizing unit 260 is connected to an end face image capturing apparatus 500 provided outside the apparatus 200. Further, the swell state candidate generation unit 110 in the apparatus 100 shown in FIG. 1 is replaced with the swell state analysis unit 210 in the apparatus 200 shown in FIG. 2, and the swell state analysis unit 210 performs analysis by the analysis of the swell state analysis unit 210. A plurality of undulation models m are generated by receiving estimated undulation patterns and undulation parameter candidates. Further, in the apparatus 200 shown in FIG. 2, the fracture strength evaluation unit 250 only calculates the fracture determination result for a single swell model m, and does not determine the allowable range of the swell state.

以下、図7に示す装置200を構成する各部の機能と役割について説明する。図7に示す端面画像撮影装置500と接続された画像認識部260は、FRP複合材20の内部状態を計測して得られる計測結果を取得する手段である。具体的には、画像認識部260は、FRP複合材20’の端部断面を端面画像撮影装置500により撮影して得られる断面観察画像を画像認識することによってFRP複合材20の内部状態を計測し、うねり状態分析部210に出力する計測手段として構成される。例えば、端面画像撮影装置500として、図8には、カメラまたは光学顕微鏡であってもよい2台の撮影装置501および502が示されている。図8に示すように、撮影装置501は、方向d1から見たFRP複合材20’の端部断面を撮影するように配置され、撮影装置502は、方向d2から見たFRP複合材20’の端部断面を撮影するように配置されている。また、端面画像撮影装置500により撮影されたFRP複合材20’の端部断面の画像の例を図9(A)と図9(B)に示す。   Hereinafter, functions and roles of the respective parts constituting the apparatus 200 shown in FIG. 7 will be described. The image recognition unit 260 connected to the end face image capturing device 500 illustrated in FIG. 7 is a unit that acquires a measurement result obtained by measuring the internal state of the FRP composite material 20. Specifically, the image recognition unit 260 measures the internal state of the FRP composite material 20 by recognizing a cross-sectional observation image obtained by photographing the end cross section of the FRP composite material 20 ′ with the end face image photographing device 500. And it is comprised as a measurement means to output to the undulation state analysis part 210. For example, as the end face image photographing device 500, FIG. 8 shows two photographing devices 501 and 502 which may be cameras or optical microscopes. As shown in FIG. 8, the photographing apparatus 501 is arranged to photograph an end cross section of the FRP composite material 20 ′ viewed from the direction d1, and the photographing apparatus 502 includes the FRP composite material 20 ′ viewed from the direction d2. It arrange | positions so that it may image | photograph an edge part cross section. Also, examples of the cross-sectional image of the end portion of the FRP composite material 20 ′ taken by the end face image photographing device 500 are shown in FIGS.

画像認識部260からFRP複合材20’の内部状態の計測結果を受け取ったうねり状態分析部210は、FRP複合材20’の内部がどのようなうねり状態に対応するかを分析する。この場合におけるうねり状態は、FRP複合材20’の面外方向にわたって分布する繊維21’のうねりの分布状況を表現するうねりパターンおよび個々の繊維21’のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータにより記述される。   Upon receiving the measurement result of the internal state of the FRP composite material 20 ′ from the image recognition unit 260, the undulation state analysis unit 210 analyzes what undulation state the inside of the FRP composite material 20 ′ corresponds to. The waviness state in this case is described by a waviness pattern that represents the distribution of waviness of the fibers 21 ′ distributed over the out-of-plane direction of the FRP composite material 20 ′ and waviness parameters that represent the shape and dimensions of the waviness of the individual fibers 21 ′. Is done.

より具体的には、うねり状態分析部210は、まず、画像認識部260からFRP複合材20の内部状態の計測結果を画像認識結果として受け取る。続いて、うねり状態分析部210は、画像認識結果として受け取った当該計測結果からFRP複合材20’の面外方向にわたって分布する繊維21’のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出する。例えば、端面画像撮影装置500により撮影されたFRP複合材20’の端部断面の画像が図9(B)のようであった場合、図9(B)には、繊維層が上下に開口してできた樹脂溜りが観察されるので、画像認識部260から受け取った画像認識結果は、図3(G)に示したうねりパターンに該当することが理解できる。また、うねり状態分析部210は、上記のように検出されたうねりパターンの候補が表す繊維21’のうねりの分布状況を個々の繊維21’のうねりの形状および寸法に展開することにより、個々の繊維21’のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータの候補を推定するように構成される。従って、この実施形態によれば、実際に計測された複合材の内部状態がどのようなうねりパターンに該当するかのみを検出できれば、当該うねりパターンが表すうねり分布を個々の繊維のうねりに展開することで、個々の繊維についてのうねりパラメータを効率的に推定することができる。   More specifically, the undulation state analysis unit 210 first receives the measurement result of the internal state of the FRP composite material 20 from the image recognition unit 260 as the image recognition result. Subsequently, the undulation state analysis unit 210 determines whether the undulation distribution state of the fiber 21 ′ distributed over the out-of-plane direction of the FRP composite material 20 ′ is any of a plurality of undulation patterns from the measurement result received as the image recognition result. Detect if applicable. For example, when the image of the end section of the FRP composite material 20 ′ photographed by the end face image photographing device 500 is as shown in FIG. 9B, the fiber layer is opened up and down in FIG. 9B. Thus, it can be understood that the image recognition result received from the image recognition unit 260 corresponds to the undulation pattern shown in FIG. In addition, the undulation state analysis unit 210 develops the undulation distribution state of the fibers 21 ′ represented by the undulation pattern candidates detected as described above into the undulation shape and dimensions of the individual fibers 21 ′. It is configured to estimate undulation parameter candidates representative of the undulation shape and dimensions of the fiber 21 '. Therefore, according to this embodiment, if only the undulation pattern corresponding to the actually measured internal state of the composite material can be detected, the undulation distribution represented by the undulation pattern is expanded to the undulation of individual fibers. Thus, the waviness parameter for each fiber can be estimated efficiently.

また、モデル作成部230は、FRP複合材20の内部状態を計測して得られる計測結果に基づいて、うねり状態を有するFRP複合材20を表現する少なくとも一つのうねりモデルを作成する。具体的には、モデル作成部230は、FRP複合材20の端部断面を端面画像撮影装置500により撮影して得られる断面観察画像を画像認識部260が画像認識することによってFRP複合材20の内部状態の計測結果を得る。そして、モデル作成部230は、そのようにして画像認識結果として得られたFRP複合材20の内部状態の計測結果から、うねり状態を有するFRP複合材20を表現する少なくとも一つのうねりモデルmを作成する。   In addition, the model creation unit 230 creates at least one undulation model that represents the FRP composite 20 having a swell state based on the measurement result obtained by measuring the internal state of the FRP composite 20. Specifically, the model creating unit 230 recognizes the cross-sectional observation image obtained by photographing the end cross section of the FRP composite material 20 with the end face image capturing device 500, and the image recognizing unit 260 recognizes the image of the FRP composite material 20. Get the measurement result of the internal state. Then, the model creation unit 230 creates at least one undulation model m representing the FRP composite material 20 having the undulation state from the measurement result of the internal state of the FRP composite material 20 obtained as the image recognition result as described above. To do.

モデル作成部230から少なくとも一つのうねりモデルmを受け取った応力解析部250は、少なくとも一つのうねりモデルmに所定の荷重条件に基づく荷重を作用させてうねりモデル上で応力解析を行うように構成される。また、応力解析部240から上記応力解析の結果Cを受け取った破壊強度評価部250は、少なくとも一つのうねりモデルmについて破壊強度を評価するように構成される。具体的には、破壊強度評価部250は、少なくとも一つのうねりモデルmについての上記応力解析の結果Cに、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を適用することにより破壊判定を行い、出力Doutとして外部に出力するように構成される。 The stress analysis unit 250 that has received at least one undulation model m from the model creation unit 230 is configured to perform a stress analysis on the undulation model by applying a load based on a predetermined load condition to the at least one undulation model m. The Further, the fracture strength evaluation unit 250 that has received the stress analysis result C from the stress analysis unit 240 is configured to evaluate the fracture strength of at least one swell model m. Specifically, the fracture strength evaluation unit 250 adds a plurality of fracture rules R (1) to R (M) respectively corresponding to a plurality of different fracture modes to the stress analysis result C for at least one undulation model m. Is applied to determine the destruction and output the output Dout to the outside.

次に、図7に示す装置200がFRP複合材20’の破壊強度を評価するために実行する破壊強度評価方法の処理の流れを図10のフローチャートに沿って説明する。図10のフローチャートは、ステップS701から開始し、荷重条件設定部120は、FRP複合材20’の応力解析を行う際に設定する必要のある荷重条件を設定する。例えば、荷重条件設定部120は、FRP複合材20’の端部断面を観察することで特定されるうねりの発生位置に作用する荷重を想定し、当該想定の結果に基づいて応力解析において設定すべき荷重条件を決定する。続いて、処理はステップS702に進み、画像認識部260は、FRP複合材20’の端部断面を端面画像撮影装置500により撮影して得られる断面観察画像を画像認識することによってFRP複合材20の内部状態を計測し、うねり状態分析部210に出力する。   Next, the flow of processing of the fracture strength evaluation method executed by the apparatus 200 shown in FIG. 7 for evaluating the fracture strength of the FRP composite material 20 ′ will be described with reference to the flowchart of FIG. 10. The flowchart of FIG. 10 starts from step S701, and the load condition setting unit 120 sets a load condition that needs to be set when performing a stress analysis of the FRP composite material 20 '. For example, the load condition setting unit 120 assumes a load acting on the waviness generation position specified by observing the end section of the FRP composite material 20 ′, and sets it in the stress analysis based on the assumed result. Determine the load condition. Subsequently, the process proceeds to step S <b> 702, and the image recognition unit 260 recognizes the cross-sectional observation image obtained by photographing the end cross section of the FRP composite material 20 ′ with the end face image photographing device 500, thereby recognizing the FRP composite material 20. Are measured and output to the swell state analysis unit 210.

続いて、処理はステップS703に進み、うねり状態分析部210は、画像認識部260から受け取った画像認識結果からFRP複合材20’の面外方向にわたって分布する繊維21’のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出する。続いて、うねり状態分析部210は、上記のように検出されたうねりパターンの候補が表す繊維21’のうねりの分布状況を個々の繊維21’のうねりの形状および寸法に展開することにより、個々の繊維21’のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータの候補を推定する。   Subsequently, the process proceeds to step S703, and the undulation state analysis unit 210 undulates the distribution state of the swell of the fibers 21 ′ distributed over the out-of-plane direction of the FRP composite 20 ′ from the image recognition result received from the image recognition unit 260. Which of a plurality of pattern candidates is detected is detected. Subsequently, the undulation state analysis unit 210 develops the undulation distribution state of the fibers 21 ′ represented by the undulation pattern candidates detected as described above into the undulation shapes and dimensions of the individual fibers 21 ′. The candidate of the undulation parameter representing the shape and size of the undulation of the fiber 21 'is estimated.

続いて、処理はステップS704に進み、うねり状態分析部210からうねりパターンとうねりパラメータの候補を受け取ったモデル作成部230は、うねりパターンとうねりパラメータの候補をそれぞれ反映させた複数のうねりモデルmを作成する。続いて、処理はステップS705に進み、モデル作成部230により作成されたうねりモデルm(i)を受け取った応力解析部240は、以下の動作を行う。まず、繊維21’にうねりが生じていないFRP複合材20’のサンプルに対する基礎材料試験を事前に行うことによって実測され(図10のステップS709)、外部から入力されたFRP複合材20’に関する材料特性パラメータの値を受け取る(図10のステップS710)。続いて、荷重条件設定部120によって設定された荷重条件の下で、うねりモデルmに対して有限要素法による応力解析を実行する。   Subsequently, the process proceeds to step S704, and the model creation unit 230, which has received the undulation pattern and the undulation parameter candidate from the undulation state analysis unit 210, includes a plurality of undulation models m reflecting the undulation pattern and the undulation parameter candidate. create. Subsequently, the process proceeds to step S705, and the stress analysis unit 240 that receives the undulation model m (i) created by the model creation unit 230 performs the following operation. First, a material related to the FRP composite material 20 ′ that is actually measured by performing a basic material test in advance on a sample of the FRP composite material 20 ′ in which no undulation occurs in the fiber 21 ′ (step S709 in FIG. 10). The value of the characteristic parameter is received (step S710 in FIG. 10). Subsequently, under the load condition set by the load condition setting unit 120, stress analysis by the finite element method is executed on the undulation model m.

続いて、処理はステップS706に進み、うねりモデルmに対する応力解析の結果を応力解析部240から受け取った破壊強度評価部250は、以下の動作を行う。まず、外部から入力されたFRP複合材20’に関する材料特性パラメータの値を受け取る(図6のステップS710)。続いて、複数の破壊モードに対応する複数の破壊則R(1)〜R(M)を設定する(図6のステップS711)。続いて、破壊強度評価部150内の破壊判定部151は、材料特性パラメータの値に基づいて、複数のうねりモデルmに対する応力解析の結果Cに対して複数の破壊則R(1)〜R(M)を適用することによる破壊判定を実行する。その結果、うねりモデルmについて上述した荷重条件の下で破壊に至るか否かを表す破壊判定結果Dが得られる。   Subsequently, the process proceeds to step S706, and the fracture strength evaluation unit 250 that has received the result of the stress analysis for the undulation model m from the stress analysis unit 240 performs the following operation. First, the value of the material characteristic parameter regarding the FRP composite material 20 ′ input from the outside is received (step S <b> 710 in FIG. 6). Subsequently, a plurality of destruction rules R (1) to R (M) corresponding to a plurality of destruction modes are set (step S711 in FIG. 6). Subsequently, the fracture determination unit 151 in the fracture strength evaluation unit 150 has a plurality of fracture rules R (1) to R (R) for the result C of the stress analysis for the plurality of undulation models m based on the value of the material characteristic parameter. Perform destruction determination by applying M). As a result, a fracture determination result D indicating whether or not the swell model m is broken under the load conditions described above is obtained.

続いて、処理は判断ステップS707に進み、うねりモデルmについての破壊判定結果Dが非破壊判定(破壊に至らないとの判定)を表すならば、処理はステップS708に進み、非破壊と判定されたうねりモデルmに含まれるうねりパラメータの候補を許容可能なパラメータ候補に分類する。逆に、ねりモデルmについての破壊判定結果Dが破壊判定(破壊に至るとの判定)を表すならば、処理はステップS712に進み、非破壊と判定されたうねりモデルmに含まれるうねりパラメータの候補を許容できないパラメータ候補に分類する。   Subsequently, the process proceeds to determination step S707, and if the destruction determination result D for the undulation model m represents a nondestructive determination (determination that no destruction occurs), the process proceeds to step S708 and is determined to be nondestructive. The swell parameter candidates included in the swell model m are classified into acceptable parameter candidates. On the other hand, if the destruction determination result D for the bend model m represents the destruction determination (determination that the destruction will occur), the process proceeds to step S712, and the undulation parameter m included in the undulation model m determined to be non-destructive. Classify candidates as unacceptable parameter candidates.

図11は、幾つかの実施形態に従い、繊維21”の一部にうねりが生じたFRP複合材20”の破壊強度を高精度に評価することが可能な破壊強度評価方法を実施可能なさらに別の装置300の構成を示す。図11に示す破壊強度評価装置300は、図11〜図13を用いて後述する破壊強度評価方法をソフトウェア・プログラムとして実装し、当該ソフトウェア・プログラムをコンピュータ上に読み込んで実現される装置であってもよい。以下、図11〜図13を参照しながら破壊強度評価装置300の構成と動作について詳しく説明する。   FIG. 11 shows still another embodiment in which a fracture strength evaluation method capable of highly accurately evaluating the fracture strength of the FRP composite material 20 ″ in which waviness occurs in a part of the fibers 21 ″ according to some embodiments. The structure of the apparatus 300 of FIG. A fracture strength evaluation apparatus 300 shown in FIG. 11 is an apparatus realized by mounting a fracture strength evaluation method, which will be described later with reference to FIGS. 11 to 13, as a software program, and reading the software program on a computer. Also good. Hereinafter, the configuration and operation of the fracture strength evaluation apparatus 300 will be described in detail with reference to FIGS.

図11に示す装置300は、以下の点で図7に示した装置200と異なる構成を有する。まず、図7に示した装置200は、端面画像撮影装置500と接続されている画像認識部260を備えていたのに対し、図11に示す装置300は、3次元信号解析部360を備え、3次元信号解析部360は、装置300の外部に設けた非破壊検査装置600と接続されている。   The apparatus 300 shown in FIG. 11 has a different configuration from the apparatus 200 shown in FIG. 7 in the following points. First, the apparatus 200 illustrated in FIG. 7 includes the image recognition unit 260 connected to the end face image capturing apparatus 500, whereas the apparatus 300 illustrated in FIG. 11 includes the three-dimensional signal analysis unit 360. The three-dimensional signal analysis unit 360 is connected to a nondestructive inspection apparatus 600 provided outside the apparatus 300.

図11に示す例では、非破壊検査装置600は、FRP複合材20”の内部を3次元的に走査して調べるための超音波探傷装置またはX線スキャナ装置として構成されていてもよい。すなわち、図11に示す装置300では、超音波探傷装置600を用いた超音波探傷法またはX線スキャナ装置を用いたX線CT法に従ってFRP複合材20“の内部状態を観測するための非破壊検査が実施される。また、3次元信号解析部360は、FRP複合材20”の内部を非破壊検査装置600により3次元的に走査して得られる信号データを3次元的に信号解析処理することによってFRP複合材20”の内部状態を3次元的に計測し、うねり状態分析部310に出力する計測手段として構成される。うねり状態分析部310は、上記非破壊検査によって計測された信号データを3次元的に信号解析処理した結果からFRP複合材20”の面外方向にわたって分布する繊維21”のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出するように構成される。   In the example shown in FIG. 11, the nondestructive inspection apparatus 600 may be configured as an ultrasonic flaw detection apparatus or an X-ray scanner apparatus for three-dimensionally scanning and examining the inside of the FRP composite material 20 ″. In the apparatus 300 shown in FIG. 11, a nondestructive inspection for observing the internal state of the FRP composite 20 "according to an ultrasonic flaw detection method using an ultrasonic flaw detection apparatus 600 or an X-ray CT method using an X-ray scanner apparatus. Is implemented. The three-dimensional signal analysis unit 360 performs three-dimensional signal analysis processing on signal data obtained by three-dimensionally scanning the inside of the FRP composite material 20 ″ with the nondestructive inspection apparatus 600, thereby performing the FRP composite material 20. ”Is measured as a measuring means for measuring the internal state three-dimensionally and outputting it to the undulation state analysis unit 310. The undulation state analysis unit 310 undulates the distribution state of the undulation of the fiber 21 ″ distributed over the out-of-plane direction of the FRP composite 20 ″ from the result of three-dimensional signal analysis processing of the signal data measured by the nondestructive inspection. It is configured to detect which of a plurality of pattern candidates is applicable.

以上のように、図11に示す装置300では、FRP複合材20”に対して非破壊検査を実施し、当該非破壊検査の結果から複合材サンプルの面外方向にわたって分布する繊維21”のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出している。すなわち、この方法では、FRP複合材20”の内部を非破壊検査により実測した結果から複合材の内部状態がどのようなうねりパターン候補に該当するかを検出している。従って、この方法によれば、複合材を切断したり試験片を切り出したりする必要なしに、複合材内部の実際のうねり分布に該当するうねりパターン候補を特定することができる。   As described above, in the apparatus 300 shown in FIG. 11, the non-destructive inspection is performed on the FRP composite material 20 ″, and the undulation of the fibers 21 ″ distributed over the out-of-plane direction of the composite material sample from the result of the nondestructive inspection. It is detected which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution status of. That is, in this method, the undulation pattern candidate corresponding to the internal state of the composite material is detected from the result of actual measurement of the inside of the FRP composite material 20 ″ by nondestructive inspection. For example, undulation pattern candidates corresponding to the actual undulation distribution inside the composite material can be identified without having to cut the composite material or cut out the test piece.

また、図7に示す装置200のように複合材の端部断面の撮影画像を画像認識することで2次元的な内部状態を計測する場合と比べ、図11に示す装置300によれば、以下の追加的な技術的利点が得られる。すなわち、図11に示す装置300における非破壊検査では、複合材の内部状態を3次元的な状態分布として調べることができるので、複合材内部のうねり状態を平面的ではなく立体的な観点から図7に示す装置200よりも一層高精度に推定することができる。   Compared to a case where a two-dimensional internal state is measured by recognizing a captured image of an end cross section of a composite material as in the apparatus 200 illustrated in FIG. 7, the apparatus 300 illustrated in FIG. Additional technical advantages. That is, in the non-destructive inspection in the apparatus 300 shown in FIG. 11, the internal state of the composite material can be examined as a three-dimensional state distribution. 7 can be estimated with higher accuracy than the apparatus 200 shown in FIG.

次に、図11に示す装置200がFRP複合材20”の破壊強度を評価するために実行する破壊強度評価方法の処理の流れを図12のフローチャートに沿って説明する。図12のフローチャートは、図10のフローチャートと以下の点のみが異なっている。図10のフローチャートでは、ステップS702において、FRP複合材20’の端面画像を撮影して画像解析結果をうねり状態分析部210に出力する処理を行っていた。これに対し、図12のフローチャートでは、この処理に代えて、FRP複合材20”に対して図13に示すような非破壊検査を実施してFRP複合材20”の内部状態を3次元的に計測し解析した信号解析結果をうねり状態分析部210に出力する処理を行う。上記相違点を除いて、図12のフローチャートの実行手順は、図10のフローチャートの実行手順と同様であるため説明を省略する。なお、図13では、超音波探傷装置またはX線スキャナ装置として構成された非破壊検査装置600が、FRP複合材20”上の点位置d(point)から方向d(Scan)に沿ってFRP複合材20”の内部状態を3次元的に走査している様子が描かれている。   Next, the flow of processing of the breaking strength evaluation method executed by the apparatus 200 shown in FIG. 11 to evaluate the breaking strength of the FRP composite material 20 ″ will be described with reference to the flowchart of FIG. 10 differs from the flowchart of Fig. 10 only in the following points: In the flowchart of Fig. 10, in step S702, a process of capturing an end face image of the FRP composite material 20 'and outputting the image analysis result to the waviness state analysis unit 210 is performed. In contrast, in the flowchart of FIG. 12, instead of this processing, the FRP composite material 20 ″ is subjected to a nondestructive inspection as shown in FIG. A signal analysis result measured and analyzed three-dimensionally is output to the undulation state analysis unit 210. Except for the above differences, the flowchart shown in FIG. The procedure is the same as the execution procedure of the flowchart in Fig. 10. The description is omitted in Fig. 13. In Fig. 13, the nondestructive inspection device 600 configured as an ultrasonic flaw detector or an X-ray scanner device is replaced with the FRP composite material 20. A state in which the internal state of the “FRP composite material 20” is three-dimensionally scanned along the direction d (Scan) from the upper point position d (point) is depicted.

20(20’,20”) FRP複合材
21(21’,21”) 強化繊維
22(22(a)) FRP層
25 樹脂溜り
100,200,300 破壊強度評価装置
110 うねり状態候補生成部
120 荷重条件設定部
130,230 モデル作成部
140,240,340 応力解析部
150,250,350 破壊強度評価部
151 破壊判定部
152 うねり許容範囲決定部
210,310 うねり状態分析部
260 画像認識部
360 3次元信号解析部
500(501,502) 端面画像撮影装置
600 非破壊検査装置

20 (20 ′, 20 ″) FRP composite material 21 (21 ′, 21 ″) Reinforcing fiber 22 (22 (a)) FRP layer 25 Resin reservoir 100, 200, 300 Fracture strength evaluation device 110 Waviness state candidate generation unit 120 Load Condition setting unit 130, 230 Model creation unit 140, 240, 340 Stress analysis unit 150, 250, 350 Fracture strength evaluation unit 151 Fracture determination unit 152 Waviness tolerance range determination unit 210, 310 Waviness state analysis unit 260 Image recognition unit 360 Three-dimensional Signal analysis unit 500 (501, 502) End face image photographing device 600 Non-destructive inspection device

Claims (14)

繊維強化型プラスティックで形成された複数のFRP層を面外方向に積層させて形成され、前記FRP層内を面内方向に延びる繊維の一部がうねりを有する複合材の破壊強度評価方法であって、
それぞれ異なるうねり状態を有する前記複合材を表現する複数の異なるうねりモデルを作成するモデル作成ステップと、
前記複数のうねりモデルに作用させる荷重の大きさを変えながら前記複数のうねりモデル上で応力解析をそれぞれ行う解析ステップと、
前記複数のうねりモデルについて破壊強度をそれぞれ評価する評価ステップと、を備え、
前記評価ステップは、
前記複数のうねりモデルについての前記応力解析の結果に、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を適用することにより破壊判定を行う破壊判定ステップと、
前記複数のうねりモデルの中のいずれが前記破壊判定により非破壊と判定されたかに基づいて、前記うねり状態の許容範囲を決定する許容範囲決定ステップと、
を含むことを特徴とする破壊強度評価方法。
A method for evaluating the fracture strength of a composite material formed by laminating a plurality of FRP layers formed of fiber reinforced plastics in an out-of-plane direction, and a part of fibers extending in the in-plane direction in the FRP layer has undulations. And
A model creation step for creating a plurality of different undulation models representing the composite material each having a different undulation state;
An analysis step of performing stress analysis on each of the plurality of undulation models while changing the magnitude of a load acting on the plurality of undulation models;
An evaluation step for evaluating the breaking strength for each of the plurality of undulation models,
The evaluation step includes
A fracture determination step for performing a fracture determination by applying a plurality of fracture rules respectively corresponding to a plurality of different fracture modes, as a result of the stress analysis for the plurality of undulation models;
An allowable range determination step for determining an allowable range of the swell state based on which of the plurality of undulation models is determined to be non-destructive by the determination of destruction;
The fracture strength evaluation method characterized by including.
前記モデル作成ステップでは、
前記うねり状態は、前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況を表現するうねりパターンおよび個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータにより記述され、
前記うねりパターンの候補および前記うねりパターンの候補に整合する前記うねりパラメータの候補を使用して前記複数のうねりモデルが作成される
ことを特徴とする請求項1に記載の破壊強度評価方法。
In the model creation step,
The waviness state is described by a waviness pattern that represents the distribution of the waviness of the fibers distributed over the out-of-plane direction of the composite material and waviness parameters that represent the shape and dimensions of the individual waviness of the fibers,
2. The fracture strength evaluation method according to claim 1, wherein the plurality of undulation models are created using the undulation pattern candidates and the undulation parameter candidates that match the undulation pattern candidates. 3.
繊維強化型プラスティックで形成された複数のFRP層を面外方向に積層させて形成され、前記FRP層内を面内方向に延びる繊維の一部がうねりを有する複合材の破壊強度評価方法であって、
前記複合材の内部状態を計測して得られる計測結果を取得する計測ステップと、
前記計測結果に基づいて、うねり状態を有する前記複合材を表現する少なくとも一つのうねりモデルを作成するモデル作成ステップと、
前記少なくとも一つのうねりモデルに所定の荷重条件に基づく荷重を作用させて前記うねりモデル上で応力解析を行う解析ステップと、
前記少なくとも一つのうねりモデルについて破壊強度を評価する評価ステップと、を備え、
前記評価ステップは、
前記少なくとも一つのうねりモデルについての前記応力解析の結果に、複数の異なる破壊モードにそれぞれ対応する複数の破壊則を適用することにより破壊判定を行う破壊判定ステップ、
を含むことを特徴とする破壊強度評価方法。
A method for evaluating the fracture strength of a composite material formed by laminating a plurality of FRP layers formed of fiber reinforced plastics in an out-of-plane direction, and a part of fibers extending in the in-plane direction in the FRP layer has undulations. And
A measurement step for obtaining a measurement result obtained by measuring the internal state of the composite material;
Based on the measurement result, a model creation step of creating at least one undulation model representing the composite material having a undulation state;
An analysis step of performing stress analysis on the undulation model by applying a load based on a predetermined load condition to the at least one undulation model;
An evaluation step for evaluating the breaking strength of the at least one undulation model,
The evaluation step includes
A fracture determination step of performing a fracture determination by applying a plurality of fracture rules respectively corresponding to a plurality of different fracture modes to the result of the stress analysis for the at least one undulation model;
The fracture strength evaluation method characterized by including.
前記モデル作成ステップでは、
前記うねり状態は、前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況を表現するうねりパターンおよび個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータにより記述され、
前記うねりパターンの候補および前記うねりパターンの候補に整合する前記うねりパラメータの候補を使用して前記少なくとも一つのうねりモデルが作成される
ことを特徴とする請求項3に記載の破壊強度評価方法。
In the model creation step,
The waviness state is described by a waviness pattern that represents the distribution of the waviness of the fibers distributed over the out-of-plane direction of the composite material and waviness parameters that represent the shape and dimensions of the individual waviness of the fibers,
The fracture strength evaluation method according to claim 3, wherein the at least one undulation model is created using the undulation pattern candidate and the undulation parameter candidate that matches the undulation pattern candidate.
前記モデル作成ステップは、
前記計測結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況がうねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出する分布検出ステップと、
前記分布検出ステップにより検出された前記うねりパターンの候補が表す前記繊維のうねりの分布状況を個々の前記繊維のうねりの形状および寸法に展開することにより、個々の前記繊維のうねりの形状および寸法を表すうねりパラメータの候補を推定するうねり推定ステップと、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の破壊強度評価方法。
The model creation step includes:
A distribution detection step for detecting which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution state of the undulation of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material from the measurement result;
By developing the distribution state of the undulation of the fiber represented by the candidate for the undulation pattern detected by the distribution detection step into the shape and size of the undulation of the individual fiber, the shape and size of the undulation of the individual fiber are obtained. An undulation estimation step for estimating candidate undulation parameters to be represented;
The fracture strength evaluation method according to claim 4, comprising:
前記計測ステップは、前記複合材の端部断面を撮影装置により撮影して得られる断面観察画像を画像認識する画像認識ステップを含み、
前記分布検出ステップは、前記画像認識の結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況が前記うねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出するステップを含む、
ことを特徴とする請求項5記載の破壊強度評価方法。
The measurement step includes an image recognition step of recognizing a cross-sectional observation image obtained by photographing an end cross section of the composite material with a photographing device,
The distribution detecting step includes a step of detecting, from the result of the image recognition, which of the plurality of candidates for the undulation pattern corresponds to the distribution state of the undulation of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material. ,
The fracture strength evaluation method according to claim 5.
前記複合材の端部断面を観察することで特定される前記うねりの発生位置に作用する荷重を想定し、前記想定の結果に基づいて前記応力解析における前記荷重条件を設定するステップをさらに備える、
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の破壊強度評価方法。
Assuming a load acting on the waviness occurrence position specified by observing the end cross section of the composite material, further comprising the step of setting the load condition in the stress analysis based on the assumed result,
The fracture strength evaluation method according to claim 5 or 6, characterized in that:
前記計測ステップは、前記複合材に対して非破壊検査を実施する検査実施ステップを含み、
前記分布検出ステップは、前記非破壊検査の結果から前記複合材の前記面外方向にわたって分布する前記繊維のうねりの分布状況が前記うねりパターンの複数の候補のいずれに該当するかを検出するステップを備える
ことを特徴とする請求項5記載の破壊強度評価方法。
The measurement step includes an inspection execution step of performing a nondestructive inspection on the composite material,
The distribution detecting step is a step of detecting, from the result of the non-destructive inspection, which of the plurality of candidates of the waviness pattern corresponds to the distribution state of the waviness of the fiber distributed over the out-of-plane direction of the composite material. The fracture strength evaluation method according to claim 5, further comprising:
前記検査実施ステップでは、超音波探傷装置を用いた超音波探傷法またはX線スキャナ装置を用いたX線CT法に従って前記非破壊検査を実施する
ことを特徴とする請求項8記載の破壊強度評価方法。
9. The fracture strength evaluation according to claim 8, wherein, in the inspection execution step, the nondestructive inspection is performed according to an ultrasonic flaw detection method using an ultrasonic flaw detection device or an X-ray CT method using an X-ray scanner device. Method.
前記うねりモデルは、各々の前記FRP層をモデル化するソリッド要素および前記面外方向に積層された複数の前記FRP層間の境界面をモデル化する粘着要素を組み合わせた上で、前記うねりパターンと前記うねりパラメータを反映させることで作成され、
前記応力解析は、前記作成された前記うねりモデルの上で有限要素法に従って実行される
ことを特徴とする請求項2、4乃至請求項9のいずれか一項に記載の破壊強度評価方法。
The waviness model is obtained by combining solid elements that model each FRP layer and adhesive elements that model boundary surfaces between the FRP layers stacked in the out-of-plane direction. Created by reflecting the swell parameter,
10. The fracture strength evaluation method according to claim 2, wherein the stress analysis is executed in accordance with a finite element method on the created swell model. 10.
前記うねりパラメータは、前記うねりの形状を表すための形状関数を識別する形状関数パラメータを含むと共に、前記形状関数が定めるうねり形状における一つ以上の寸法を記述するために、
前記うねりが生じた区間の長さを識別する区間長パラメータ、
前記うねりが生じた区間において、前記FRP層内の設計時の繊維配置から前記繊維が最も離間した位置における離間幅を識別する高さパラメータ、
前記うねりが生じた区間において、前記繊維の方向と設計時の繊維配向角との間の角度オフセットを識別するための角度パラメータ、
複数の前記FRP層が積層された面外方向における前記繊維のうねりの位置を識別するための積層方向位置パラメータ、
のいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項2、4乃至請求項10のいずれか一項に記載の破壊強度評価方法。
The waviness parameter includes a shape function parameter that identifies a shape function for representing the shape of the waviness, and describes one or more dimensions in the waviness shape defined by the shape function,
An interval length parameter that identifies the length of the interval in which the swell occurred;
In the section where the undulation occurs, a height parameter for identifying a separation width at a position where the fibers are most separated from a fiber arrangement at the time of design in the FRP layer,
An angular parameter for identifying an angular offset between the direction of the fiber and the fiber orientation angle at the time of design in the section where the undulation has occurred;
A stacking direction position parameter for identifying the position of the undulation of the fibers in the out-of-plane direction in which a plurality of the FRP layers are stacked;
The fracture strength evaluation method according to any one of claims 2, 4 to 10, wherein any one or more of the following is included.
前記うねりパターンの複数の候補は、複数の前記FRP層が積層された面外方向に沿って前記FRP層内の繊維の層が開口することで、前記FRP層内に繊維が含まれない樹脂溜りが形成されるうねりに対応する第1パターンを含む
を含むことを特徴とする請求項2、4乃至請求項11のいずれか一項に記載の破壊強度評価方法。
The plurality of candidates for the undulation pattern is a resin reservoir in which fibers are not contained in the FRP layer by opening a fiber layer in the FRP layer along an out-of-plane direction in which the plurality of FRP layers are stacked. The fracture strength evaluation method according to any one of claims 2, 4 to 11, including a first pattern corresponding to the swell formed.
前記第1パターンについて定義された前記うねりパラメータは、
前記FRP層内に形成された前記樹脂溜りの寸法を識別するための樹脂溜り寸法パラメータをさらに含む
ことを特徴とする請求項12記載の破壊強度評価方法。
The waviness parameter defined for the first pattern is:
The fracture strength evaluation method according to claim 12, further comprising a resin pool dimension parameter for identifying a dimension of the resin pool formed in the FRP layer.
前記うねりパターンの複数の候補は、各々の前記FRP層内において前記面外方向に生じた繊維のうねりが複数の前記FRP層にわたって上下同じ向きに重なり合い、各々の前記FRP層内の繊維にうねりが生じた面内方向位置が複数の前記FRP層にわたって揃っている第2パターンを含む
ことを特徴とする請求項2、4乃至請求項13のいずれか一項に記載の破壊強度評価方法。
In the plurality of candidates for the undulation pattern, the undulations of the fibers generated in the out-of-plane direction in each of the FRP layers overlap in the same direction vertically across the plurality of FRP layers, and the undulations of the fibers in each of the FRP layers The fracture strength evaluation method according to any one of claims 2, 4 to 13, wherein the generated in-plane direction position includes a second pattern that is aligned over the plurality of FRP layers.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020116017A1 (en) * 2018-12-05 2020-06-11 三菱重工業株式会社 Design method for composite material and composite material
CN111624099A (en) * 2020-04-16 2020-09-04 重庆大学 Composite material laminated plate II type fatigue layering test device suitable for high and low temperature environment

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