数値解析による四軸織物強化コンポジット材料の引張挙動 Tensile Behavior of Tetra-axial Woven Fabrics Composites by Numerical Method 光石一太、甲加晃一、川野道則、常定健、永山則之 Kazuta MITSUISHI，Kouichi KOUKA，Michinori KAWANO，Takeshi TSUNESADA And Noriyuki NAGAYAMA キーワード：四軸織物／コンポジット材料／引張挙動／ＣＡＥ Key Words：Tetra-axial woven fabrics／Composite materials／Tensile Behavior／CAE １．はじめに塩化ビニルフィルム（東ソー株式会社）を用いた。産業資材繊維を核とした岡山県の繊維産業は、岡山や倉敷の県南地域を中心に産業集積地を形成２．２織物強化コンポジット材料の数値解析して、地場繊維産業の振興に貢献してきた。しか数値解析による織物強化コンポジット材料の引しながら、ここ十年来では、中国、韓国、東南ア張変形挙動について検討した。Computer Aided ジア地域の開発力や競争力の高揚の中で、県内基 Engineering（CAE）を実施するに当たり、評価幹企業における県内生産の減少や生産拠点の空洞対象であるコンポジット材料に適用する基礎的理化が随所で見受けられる。そこで、アジア他地域論や測定した材料物性について検討を加えた。弾との差別化、高付加価値化、ユーザー側からの要性率の理論に関しては、異方性弾性体のモデルを求に対応するため、産業資材繊維分野における新応用し、バイアス方向の試験片に対して、引張荷規な製品開発が急務となっている。重―変位曲線の評価を実施した。このような状況の中で、産業資材繊維用の新規素材として「四軸織物」が登場してきた。本織物は、タテ糸、ヨコ糸、および左右のナナメ糸で構成されているのが特徴的である（図１）。タテ糸のみである引揃糸、タテ糸とヨコ糸のみで構成されている平織物（以下、二軸織物）と比較して、四軸織物では、形態安定性、バイアス方向の強度改善、耐引裂性、耐クリープ性、耐衝撃性向上、曲面形成能等に革新性がある。ここでは、数値解析を用いて四軸織物強化コンポジット材料（シート状）の引張変形挙動について評価した概要について述べる。２．実験方法２．１材料本実験に使用したナイロン織物は、二軸織物（平織物、旭化成株式会社ナイロン 66 マルチフィラメント糸、線密度 140mg／ｍ、密度：タテ糸 24.1 本／インチ×ヨコ糸 24.1 本／インチ、重量 278ｇ、および四軸織物（素材は、二軸織物と同／ｍ２）一、密度：タテ糸 10 本／インチ、ヨコ糸 10 本× 右ナナメ糸 14.0 本／インチ、×左ナナメ糸 14.0 。樹脂には、ポリ本／インチ、重量 286ｇ／ｍ２）図１四軸織物の外観３．結果および考察３．１有限要素法による構造解析一般化された Hook 則は、次式で記述される。 εｉ＝Ｓｉｊσｊ（ｉ,ｊ＝１,２,３・・・６） εｉはひずみ成分、σｊは応力成分、Ｓij はコンプライアンス成分を表す。次に、本解析に使用した座標系に対して平面応力場を仮定すると、コンプライアンス成分Ｓij は、次式のように９個で決定される。方向では等方性を仮定して、織物を積層する構造－ εｉ＝Ｓｉｊσｊ（ｉ,ｊ＝１,２,６）なお、ｉ，ｊ＝１はＸ軸（タテ方向）、i，ｊ＝２はＹ軸（ヨコ方向）、ｉ，j＝６はＸ－Ｙ面のせん断を表す。タテ方向と採取方向のなす角度をθ とすると採取方向の各コンプライアンス成分は以下となる。の３層構造により計算を実施した。図２には、本実験に用いた有限要素メッシュモデル（３次元アイソパラメトリック）の形状を示した。上辺の長さ 100mm、中央部の最短長さ 30mm、上辺の中点と下辺の中点の長さ 75mm である。解析ソフトは、Marc（Marc Analysis Research Co.）－Ｓ11＝Ｓ11COS4θ＋（２Ｓ12＋Ｓ66）COS2θ SIN2θ＋Ｓ22SIN4θ －Ｓ12＝（Ｓ11＋Ｓ22－Ｓ66）COS2θSIN2θ＋Ｓ12（SIN4θ＋COS4θ）－モデルを設定した。ここでは、樹脂／織物／樹脂 4 2 22＝Ｓ22COS θ＋（２Ｓ12＋Ｓ66）COS θ Ｓ SIN2θ＋Ｓ11SIN4θ －Ｓ66＝（Ｓ11＋Ｓ22－Ｓ12）SIN4２θ＋ COS4２θ／Ｓ66 ここで、Ｓ11：タテ方向の引張弾性率の逆数、Ｓ22：ヨコ方向の引張弾性率の逆数となる。なお、バイアス方向の引張弾性率は、θ＝π／4 の時のＳ11 またはＳ22 で代用可能である。織物強化コンポジット材料において、荷重―変位曲線を予測するには上記コンプライアンス成分を求めた後、有限要素法解析を実施することにより、変位の計算が可能となる。その後、有限要素法により得られた荷重から荷重―変位曲線を求めを用い、要素数 1200、節点数 1764 とした。３．２数値解析の一例ナイロンマルチフィラメントで構成された二軸織物および四軸織物の基布（厚さ 0.2mm）とポリ塩化ビニル(厚さ 0.4mm）を用いた織物強化コンポジット材料(厚さ 1mm)の事例を示す。織物強化コンポジット材料から、図２に示した試験片を切り出し、引張試験を実施して荷重―変位曲線を作成した。図３には、二軸織物および四軸織物強化コンポジット材料のバイアス方向における初期の引張変形挙動を示した。ここでは、伸び率７％までの引張挙動であるが、四軸織物の伸び率に対する荷重勾配が二軸織物に比べて約70％増加している点が認められ、バイアス方向における四軸織物の強度改善が期待できる。有限要素法による計算値を図中の太線で示したが、変形初期での実測値と計算値との良好な一致が認められ、今回設定した構成式の有効性が検証できた。ることができる。有限要素法解析に際しては、以下の手順に従い計算を実行した。① 部材の形状を決定する。こ 400 こでは、シートを対象とした。② 試験片モデルを設定した後、メッシュモデルを定めて要素分割 300 を行い、節点の三次元座標を求める。③ 面内方四軸織物荷重（N) 向では、平面応力場を仮定した直交異方性、厚さ 200 100 二軸織物四軸織物 0 0 2 4 6 二軸織物 8 伸び率（％) 図２有限要素メッシュモデルの形状図３　織物強化コンポジット材料におけるバイアス方向の荷重ー伸び率曲線　（細線：実測値、太線：有限要素法による計算値）