JP7112950B2 - 複合材の設計方法および複合材 - Google Patents

Description

本発明は、複合材の設計方法および複合材に関する。

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

国際公開第２０１２／１０５６９１号

上記特許文献１に記載された航空機に適用される複合材では、例えばアクセスホールといった応力集中が生じやすい箇所の周囲において、複合材料層の間に追加層を積層し、板厚を増加させた補強部を形成することで、強度を向上させることが一般的である。しかしながら、補強部について所望の強度を得るための積層構成、すなわち追加層の積層数および強化繊維の配向方向の構成については、なお改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材の設計方法であって、前記複合材に荷重を付加して、前記補強部が、プルアウトモードと前記プルアウトモード以外のモードとを含む破壊モードのいずれで破壊されるかを特定する試験ステップと、特定された前記破壊モードに応じて前記追加層の積層数および前記強化繊維の配向方向を変更した前記複合材を形成する積層構成変更ステップと、を備え、前記破壊モードが前記プルアウトモードとなるまで、前記試験ステップと前記積層構成変更ステップとを繰り返し実行して、前記補強部における前記複合材料層の積層構成を最適化することを特徴とする。

この構成により、試験ステップで特定される補強部の破壊モードが、最も強度が高いプルアウトモードになるまで、追加層の積層数および強化繊維の配向方向を変更して、補強部の積層構成を最適化することができる。したがって、本発明によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。

また、前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が増加する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することが好ましい。

この構成により、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、前記破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが層間剥離モードである場合、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が減少する傾向に、前記積層数および前記配向方向を変更することが好ましい。

この構成により、層間剥離モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が荷重方向と一致する前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が前記荷重方向である前記追加層を、少なくとも１つ積層することが好ましい。

この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層を積層するため、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、脆性破壊の発生を抑制して補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

また、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層を積層することが好ましい。

この構成により、脆性破壊の発生を良好に抑制し、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、複数の前記複合材料層は、荷重方向を０°としたとき、前記配向方向が０°、＋４５°、－４５°、９０°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、前記積層構成変更ステップは、前記破壊モードが脆性破壊モードである場合、前記配向方向が９０°以外の前記複合材料層に隣接させて、前記配向方向が９０°以外の前記追加層を積層することが好ましい。

この構成により、配向方向が９０°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が０°、４５°、－４５°の追加層を積層することで、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、強化繊維を含む複合材料層が複数積層されて形成された通常部と、貫通孔の周囲に設けられ、前記通常部から延びる前記複合材料層の間に前記複合材料層の追加層を積層して形成された補強部とを有する複合材であって、前記補強部は、前記強化繊維の配向方向が主として作用する荷重方向と一致する前記複合材料層に隣接して、前記配向方向が前記荷重方向と一致する前記追加層が、少なくとも１つ積層されていることを特徴とする。

この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層を積層するため、荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。したがって、本発明によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。

また、前記補強部は、すべての前記複合材料層の間に、隣接する前記複合材料層と前記配向方向が一致する前記追加層が積層されていることが好ましい。

この構成により、脆性破壊の発生を良好に抑制し、補強部の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、複数の前記複合材料層は、前記荷重方向を０°としたとき、前記配向方向が０°、＋４５°、－４５°、９０°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、前記補強部は、前記配向方向が９０°以外の前記複合材料層に隣接して、前記配向方向が９０°以外の前記追加層が積層されていることが好ましい。

この構成により、配向方向が９０°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が０°、４５°、－４５°の追加層を積層することで、補強部の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層の積層数の増加を抑制しつつ、補強部の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

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

以下に、本発明にかかる複合材の設計方法および複合材の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態にかかる複合材の一例を示す平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図１および図２に示す複合材１００は、例えば主翼や機体の外板といった航空機の種々の部分に適用される繊維強化複合材である。なお、複合材１００は、航空機以外の設備に適用されるものであってもよい。複合材１００は、図２に示すように、複数の複合材料層１０を積層して形成されている。各複合材料層１０は、所定の配向方向に沿って延びる強化繊維（例えば炭素繊維等）に、マトリックス樹脂を含浸させたものである。なお、本実施形態において、複合材１００は、図２に示すように、中心線Ｌを基準に図中上下対称構造に形成されている。

複合材１００は、貫通孔１００ａを備えている。貫通孔１００ａは、図１および図２に示すように、複合材１００を貫通する孔部であり、例えばアクセスホール等として用いられる。また、複合材１００は、通常部１０１と、補強部１０２とを備えている。通常部１０１は、図２に示すように、複数の複合材料層１０が積層して形成された部分である。ここでは、通常部１０１を構成する複合材料層１０を「ベース層２０」と称する。本実施形態において、通常部１０１は、図２に示すように、外層側から内層側（中心線Ｌ側）にかけて、４つのベース層２１、２２、２３、２４がこの順番に積層されている。

一方、補強部１０２は、貫通孔１００ａの周囲領域において、通常部１０１よりも板厚を増加させた部分として設けられている。補強部１０２は、図２に示すように、通常部１０１から延びるベース層２０に隣接させて、複合材料層１０を追加した追加層３０を有している。すなわち、各ベース層２０の間に、追加層３０が積層されている。それにより、補強部１０２は、通常部１０１よりも板厚が増加する。本実施形態において、ベース層２０と追加層３０とは、同じ厚さであるものとする。なお、図２に示すように、各追加層３０の端部とベース層２０との間には、マトリックス樹脂のみが存在する領域４０が存在する。

本実施形態において、追加層３０は、図２に示すように、外層側から内層側（中心線Ｌ側）にかけて、追加層３１、３２、３３、３４の順に積層されている。すなわち、補強部１０２は、外層側から内層側（中心線Ｌ側）にかけて、ベース層２１、追加層３１、ベース層２２、追加層３２、ベース層２３、追加層３３、ベース層２４、追加層３４の順に積層されて形成される。このように、通常部１０１よりも板厚を増加させた補強部１０２を設けることで、応力集中が生じやすい貫通孔１００ａの周囲領域の強度を向上させることができる。

図２に示す例において、複合材１００は、中心線Ｌを基準に図中上下対称構造に形成されているが、複合材１００の形状は、これに限られない。図３は、実施形態にかかる複合材の他の構成例を示す断面図である。図３に示す例では、複合材１００は、図２に示す複合材１００と各複合材料層１０が同じ積層構成となっている。ただし、図３に示す例では、複合材１００は、図中下側のベース層２１が平滑に延在する。そして、補強部１０２は、図３に示すように、図中下側のベース層２１に対して図中上側に向けて板厚が増加するように、追加層３１、３２、３３、３４が積層されている。これにより、複合材１００が翼や機体の外板といった航空機の外面を構成する部材に適用される場合に、図３中の下側に位置する平滑なベース層２１を用いて、航空機の外面（空力面）を平滑にすることができる。

また、本実施形態において、各複合材料層１０は、一般的な複合材に用いられる複合材料層よりも薄層化されている。各複合材料層１０は、例えば０.０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲の厚さである。このように、各複合材料層１０を薄層化することで、複合材１００に荷重が作用したときに、強化繊維の配向方向が異なる隣接層によって、クラック先端の開口変形抑制効果が得られる。その結果、初期損傷（亀裂）を抑制することができるため、複合材１００の強度が向上する。ただし、初期損傷の抑制を図ることで、貫通孔１００ａの周囲領域において、損傷の発生による応力再分配現象が生じない、すなわち応力集中が緩和されない場合がある。その結果、例えば、図２および図３において白抜き矢印で示すように複合材１００に荷重方向Ｇの引張荷重が作用したとき、貫通孔１００ａの周囲領域において脆性破壊が生じやすくなり、所望の耐荷重性能を得られない可能性がある。

本実施形態の複合材１００は、貫通孔１００ａの周囲領域において脆性破壊が生じることを抑制し、所望の耐荷重性能を得ることを目的に、各複合材料層１０の積層構成が設計されている。以下、所望の耐荷重性能を得るための複合材１００の積層構成について、図２から図４を参照しながら説明する。図４は、実施形態にかかる複合材の各複合材料層が有する強化繊維の配向方向を示す説明図である。

複合材１００には、例えば航空機に適用された状態において、図２および図３に白抜き矢印で示す荷重方向Ｇの荷重が主として作用するものとする。本実施形態において、荷重方向Ｇは、引張荷重である。ここでは、荷重方向Ｇに沿った方向を０°と定義する。本実施形態において、複合材１００は、強化繊維の配向方向が０°、＋４５°、－４５°、９０°である複合材料層１０（ベース層２０および追加層３０）を積層した、疑似等方積層により積層されている。なお、＋４５°、－４５°とは、強化繊維の配向方向が０°に対して４５°の角度を成す方向に延びることを意味し、９０°とは、強化繊維の配向方向が０°に対して直交する方向に延びることを意味する。

通常部１０１は、図４に示すように、４５°、９０°、‐４５°、０°の積層構成を、中心線Ｌを基準として反転して繰り返す、［４５／９０／－４５／０］_ｓの積層構成で形成されている。すなわち、通常部１０１は、ベース層２１の強化繊維の配向方向が４５°、ベース層２２の強化繊維の配向方向が９０°、ベース層２３の強化繊維の配向方向が‐４５°、ベース層２４の強化繊維の配向方向が０°とされている。

一方、補強部１０２は、図４に示すように、４５°、４５°、９０°、９０°、－４５°、－４５°、０°、０°の積層構成を、中心線Ｌを基準として反転して繰り返す、［４５_２／９０_２／－４５_２／０_２］_ｓの積層構成で形成されている。すなわち、ベース層２１と、ベース層２１に隣接して積層される追加層３１の強化繊維の配向方向が４５°である。また、ベース層２２と、ベース層２２に隣接して積層される追加層３２の強化繊維の配向方向が９０°である。また、ベース層２３と、ベース層２３に隣接して積層される追加層３３の強化繊維の配向方向が－４５°である。また、ベース層２４と、ベース層２４に隣接して積層される追加層３４の強化繊維の配向方向が０°である。したがって、補強部１０２は、各ベース層２０に隣接して積層される追加層３０が、当該隣接するベース層２０と、強化繊維の配向方向が同じものとされている。なお、ここでの「隣接する」とは、追加層３０の一方側において隣接することを意味している。

この構成により、すべてのベース層２０の間に、当該ベース層２０と強化繊維の配向方向が同じ追加層３０を積層するため、貫通孔１００ａの周囲領域での初期損傷を最も許容させることができる。初期損傷の発生により即座に貫通孔１００ａの周囲領域で脆性破壊による破断に至ることはなく、初期損傷により貫通孔１００ａの周囲領域の剛性が低下し、応力集中が緩和される。その結果、貫通孔１００ａの周囲領域で脆性破壊が発生することを抑制する（破局的な全体崩壊を遅らせる）ことができ、補強部１０２の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、補強部１０２の積層構成は、図２から図４に示すものに限られない。図５および図６は、補強部の他の積層構成の例を示す説明図である。図５に示す例では、補強部１０２は、４５°、９０°、－４５°、０°、０°の積層構成を、中心線Ｌを基準として反転して繰り返す、［４５／９０／－４５／０_２］_ｓの積層構成で形成されている。つまり、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２４に隣接させて、強化繊維の配向方向が０°である追加層３４のみを追加で積層した構成である。

この構成により、少なくとも、強化繊維の配向方向が荷重方向Ｇと一致するベース層２４に隣接させて、強化繊維の配向方向が荷重方向Ｇと一致する追加層３４を積層することで、補強部１０２の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、上述したように、貫通孔１００ａの周囲領域での初期損傷を許容させて、応力集中を緩和させ、脆性破壊の発生を抑制することができる。したがって、追加層３０の積層数の増加を抑制しつつ（補強部１０２の板厚増加を抑制しつつ）、補強部１０２の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

また、図６に示す例では、補強部１０２は、４５°、４５°、９０°、－４５°、－４５°、０°、０°の積層構成を、中心線Ｌを基準として反転して繰り返す、［４５_２／９０／－４５_２／０_２］_ｓの積層構成で形成されている。つまり、強化繊維の配向方向が９０°以外であるベース層２１、２３、２４に隣接させて、強化繊維の配向方向が９０°以外である追加層３１、３３、３４を追加で積層した構成である。より詳細には、４５°のベース層２１に隣接させて４５°である追加層３１を積層し、－４５°のベース層２３に隣接させて－４５°である追加層３３を積層し、０°のベース層２４に隣接させて０°の追加層３４を積層した構成である。すなわち、強化繊維の配向配向が９０°以外のベース層２０に隣接させて、配向方向が９０°以外の追加層３０を積層する。

この構成により、配向方向が９０°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が０°、４５°、－４５°の追加層３０を積層することで、補強部１０２の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。また、上述したように、貫通孔１００ａの周囲領域での初期損傷を許容させて、応力集中を緩和させ、脆性破壊の発生を抑制することができる。したがって、追加層３０の積層数の増加を抑制しつつ（補強部１０２の板厚増加を抑制しつつ）、補強部１０２の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

以上説明したように、実施形態にかかる複合材１００によれば、通常部から延びる複合材料層の間に複合材料層の追加層を積層して形成された補強部を有する複合材について、補強部の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。

なお、通常部１０１において、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２０が複数ある場合、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２０のすべてに隣接させて、強化繊維の配向方向が０°である追加層３０を積層する必要はない。図７および図８は、複合材の積層構成の他の例を示す説明図である。図７および図８では、中心線Ｌに対する片側のみを記載している。図７に示す例のように、通常部１０１が［４５／９０／－４５_２／０_３／４５／０］_ｓの積層構成である場合において、補強部１０２は、一部の０°のベース層２０に隣接させて、０°の追加層３０のみを積層した［４５／９０／－４５_２／０_４／４５／０_２］_ｓの積層構成で形成されてもよい。また、同様に、図８に示す例のように、通常部１０１が［４５／９０／－４５_２／０_３／４５／０］_ｓの積層構成である場合において、補強部１０２は、一部の０°のベース層２０に隣接させて０°の追加層３０を積層し、かつ、４５°、－４５°のベース層２０に隣接させて４５°、－４５°の追加層３０を積層した［４５_２／９０／－４５_４／０_４／４５_２／０_２］_ｓの積層構成で形成されてもよい。

また、本実施形態では、複合材１００を、０°、＋４５°、－４５°、９０°の複合材料層１０（ベース層２０および追加層３０）を積層した、疑似等方積層により積層するものとした。ただし、複合材１００は、少なくとも、荷重方向Ｇに沿った配向方向（実施形態では０°）のベース層２０を一つ含むものでさえあれば、疑似等方積層以外のいかなる積層により形成されてもよい。そして、補強部１０２は、荷重方向Ｇに沿った配向方向のベース層２０に隣接させて、荷重方向Ｇに沿った配向方向の追加層３０が、少なくとも一つ設けられるものであればよい。

次に、実施形態にかかる複合材の設計方法について説明する。図９は、実施形態にかかる複合材の設計方法の一例を示すフローチャートである。ここでは、複合材１００の通常部１０１が図４の積層構成である例を考える。設計者は、まず、ステップＳ１として、初期設計で複合材１００を形成する。初期設計では、例えば、追加層３０の積層構成を任意に設定することができる。なお、初期設計では、追加層３０を積層せず、補強部１０２を形成しない（補強部１０２と通常部１０１との板厚を同じとする）ものとしてもよい。

次に、設計者は、ステップＳ２として、形成した複合材１００に引張試験を行う（試験ステップ）。引張試験は、図２および図３に示すように、複合材１００に荷重方向Ｇの引張荷重を作用させ、貫通孔１００ａの周囲領域において、いかなる破壊モードで破壊されるかを特定する。複合材の耐荷重性能として、荷重が作用した場合にいかなる破壊モードで破壊されるかを評価する手法がある。破壊モードとしては、脆性（Ｂｒｉｔｔｌｅ）破壊モード、層間剥離（Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）モード、プルアウト（Ｐｕｌｌ－ｏｕｔ）モードがある。脆性破壊モードは、各複合材料層１０が面内亀裂の進展により脆性破壊するモードである。層間剥離モードは、隣接する複合材料層１０同士が剥離するモードである。プルアウトモードは、脆性破壊モードと層間剥離モードとの中間の破壊モードであり、面内亀裂の進展と層間剥離との相互作用によって、複合材１００を構成する各層が複合材１００から引き抜けたように、破断部が不均一なジグザグ状となる。プルアウトモードでの破壊が最も耐荷重性能が良好である。

次に、設計者は、ステップＳ３として、引張試験で特定された破壊モードがいかなる種類であったかを判定する。そして、設計者は、引張試験で特定された破壊モードに応じて、追加層３０の積層数および強化繊維の配向方向を変更した複合材を形成する積層構成変更ステップ（ステップＳ４、Ｓ５）またはステップＳ６のいずれかに進む。

設計者は、まず、ステップＳ３において、破壊モードが脆性破壊モードであると判定した場合、ステップＳ４として、隣接するベース層２０と強化繊維の配向方向が一致する追加層３０が増加する傾向に、追加層３０の積層数および配向方向を変更して、新たに複合材１００を形成する（積層構成変更ステップ）。

ステップＳ４での積層構成の変更には、種々の手法を用いることができる。例えば、図２から図４に示すように、すべてのベース層２０（ベース層２１、２２、２３、２４）の間に、隣接するベース層２０と強化繊維の配向方向が一致する追加層３０（追加層３１、３２、３３、３４）を積層してもよい。また、図５に示すように、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２４に隣接させて、強化繊維の配向方向が０°である追加層３４を積層してもよい。また、図６に示すように、複合材１００が疑似等方積層により形成されている場合において、強化繊維の配向方向が９０°以外のベース層２１、２３、２４に隣接させて、強化繊維の配向方向が９０°以外の追加層３１、３３、３４を積層してもよい。なお、上述したように、通常部１０１において、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２０が複数ある場合、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２０のすべてに隣接させて、強化繊維の配向方向が０°である追加層３０を積層する必要はない（図７および図８の例参照）。

一方、設計者は、ステップＳ３において、破壊モードが層間破壊モードと判定した場合、ステップＳ５として、隣接するベース層２０と強化繊維の配向方向が一致する追加層３０が減少する傾向に、追加層３０の積層数および配向方向を変更して、新たに複合材１００を形成する（積層構成変更ステップ）。

ステップＳ５での積層構成の変更には、種々の手法を用いることができる。例えば図４に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が０°であるベース層２４に隣接した追加層３４を取り除いてもよい。また、例えば図４に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が０°以外であるベース層２１、２２、２３に隣接した追加層３１、３２、３３のいずれかを取り除いてもよい。また、例えば図４に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が９０°以外のベース層２１、２３、２４に隣接した追加層３１、３３、３４のいずれかを取り除いてもよい。また、図４に示す積層構成において、強化繊維の配向方向が９０°のベース層２２に隣接した追加層３２を取り除いてもよい。

設計者は、ステップＳ５、Ｓ６で積層構成を変更した複合材１００を形成すると、ステップＳ２に戻り、再び引張試験を実行し、破壊モードに応じて（ステップＳ３）、ステップＳ４、Ｓ５のいずれかに進む。すなわち、ステップＳ２からステップＳ５の処理を繰り返し実行する。そして、ステップＳ３において、破壊モードがプルアウトモードと判定された場合には、ステップＳ６として、プルアウトモードで破壊した複合材１００の構成が最適解であると判定し、本処理を終了する。

以上説明したように、実施形態にかかる複合材の設計方法は、複合材１００に荷重を付加して、補強部１０２が、プルアウトモードとプルアウトモード以外のモードとを含む破壊モードのいずれで破壊されるかを特定する試験ステップ（ステップＳ２）と、特定された破壊モードに応じて追加層３０の積層数および強化繊維の配向方向を変更した複合材を形成する積層構成変更ステップ（ステップＳ４、Ｓ５）と、を備え、破壊モードがプルアウトモードとなるまで、試験ステップと積層構成変更ステップとを繰り返し実行して、補強部における複合材料層の積層構成を最適化する。

この構成により、試験ステップで特定される補強部１０２の破壊モードが、最も強度が高いプルアウトモードになるまで、追加層３０の積層数および強化繊維の配向方向を変更して、補強部１０２の積層構成を最適化することができる。したがって、実施形態にかかる複合材の設計方法によれば、通常部１０１から延びる複合材料層１０の間に複合材料層１０の追加層３０を積層して形成された補強部１０２を有する複合材について、補強部１０２の耐荷重性能をより向上させることが可能となる。また、このように、補強部１０２の積層構成の最適化を図ることで、追加層３０の積層数の削減を図ることができ、複合材１００の軽量化をも図ることが可能となる。

また、破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接するベース層２０と配向方向が一致する追加層３０が増加する傾向に、積層数および配向方向を変更する（ステップＳ４）。

この構成により、強化繊維の配向方向が一致し、隣接するベース層２０および追加層３０が増加するため、貫通孔１００ａの周囲領域における初期損傷を許容する方向、つまり、貫通孔１００ａの周囲領域での応力緩和が得られる方向に、積層構成を変更することが可能となる。その結果、脆性破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部１０２の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、破壊モードは、脆性破壊モードと、層間剥離モードとを含み、積層構成変更ステップは、破壊モードが層間剥離モードである場合、隣接する複合材料層１０と配向方向が一致する追加層３０が減少する傾向に、積層数および配向方向を変更する（ステップＳ５）。

この構成により、強化繊維の配向方向が一致し、隣接するベース層２０および追加層３０が減少するため、貫通孔１００ａの周囲領域における初期損傷を許容しない方向に、積層構成を変更することが可能となる。それにより、破壊モードが層間剥離モードから脆性破壊モードに近づくことになる。その結果、層間破壊モードの発生を抑制し、破壊モードをプルアウトモードに近づけて、補強部１０２の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、配向方向が荷重方向と一致する複合材料層１０に隣接させて、配向方向が荷重方向である追加層３０を、少なくとも１つ積層する。

この構成により、配向方向が荷重方向と一致する追加層３０を積層するため、荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。その結果、追加層３０の積層数の増加を抑制しつつ、脆性破壊の発生を抑制して補強部１０２の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

また、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、すべての複合材料層１０の間に、隣接する複合材料層１０と配向方向が一致する追加層３０を積層する。

この構成により、すべての複合材料層１０の間に追加層３０を積層するため、貫通孔１００ａの周囲領域での初期損傷を最も許容させることができる。その結果、貫通孔１００ａの周囲領域において、応力集中が緩和されるため、脆性破壊の発生が抑制され、補強部１０２の耐荷重性能を高めることが可能となる。

また、複数の複合材料層１０は、荷重方向を０°としたとき、配向方向が０°、＋４５°、－４５°、９０°であるものを積層した疑似等方積層により積層されており、積層構成変更ステップは、破壊モードが脆性破壊モードである場合、配向方向が９０°以外の複合材料層１０に隣接させて、配向方向が９０°以外の追加層３０を積層する。

この構成により、配向方向が９０°の層に比べて、荷重分担の寄与率が相対的に高い配向方向が０°、４５°、－４５°の追加層３０を積層することで、補強部１０２の荷重に対する靱性を効果的に高めることができる。したがって、追加層３０の積層数の増加を抑制しつつ（補強部１０２の板厚増加を抑制しつつ）、補強部１０２の耐荷重性能を効果的に高めることが可能となる。

なお、本実施形態では、破壊モードが脆性破壊モードである場合、隣接するベース層２０と配向方向が一致する追加層３０が増加する傾向に、補強部１０２の積層数および配向方向を変更するものとした。ただし、破壊モードをプルアウトモードに近づけることができれば、隣接するベース層２０と異なる配向方向の追加層３０を複数積層してもよい。例えば、９０°のベース層２０と４５°のベース層２０との間に、０°の追加層３０を複数積層すること等が考えられる。

また、本実施形態では、複合材１００が、１つの貫通孔１００ａに対応して１つの補強部１０２を有するものとした。ただし、補強部１０２は、複数の貫通孔１００ａに対応して設けられてもよい。図１０は、実施形態にかかる複合材の他の例を示す説明図である。図示するように、複合材２００は、複数の貫通孔２００ａと、複数の貫通孔２００ａの周囲領域において、通常部２０１よりも板厚を増加させた補強部２０２を有している。このような補強部２０２においても、上述した補強部１０２と同様の手法により、追加層３０の積層構成を設計することができる。

また、本実施形態では、複合材１００の各複合材料層１０が例えば０.０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲の厚さである薄層化されたものとした。ただし、複合材料層１０は、０．１ｍｍ以上であってもよい。このように、各複合材料層１０を薄層化しない場合であっても、貫通孔１００ａの周囲における応力集中の緩和（初期損傷の許容の程度）を考慮して、複合材１００の積層構成を設計することで、補強部１０２の耐荷重性能を良好に向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、複合材１００が貫通孔１００ａと、貫通孔１００ａの周囲領域において形成された補強部１０２を有するものとした。ただし、補強部１０２は、貫通孔１００ａのみならず、応力集中が生じやすい、いかなる領域において形成されるものであってもよい。

また、本実施形態では、荷重方向Ｇを図２および図３において白抜き矢印で示す方向とした。ただし、荷重方向Ｇは、これに限られず、複合材１００に対していずれかの方向に作用する引張荷重の方向であってもよい。

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

Claims (7)

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

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