複合材料疲労の現象論

樹脂-母材複合材料は、疲労破損は、主に母材によって支配されるイベントです。

疲労損傷は、樹脂内の微小亀裂の蓄積によって開始します。これらの微小亀裂は疲労寿命の初期の段階で最も急速に蓄積され、サイクル数が増加すると蓄積速度は低下します。最終的には、微小亀裂は肉眼で確認できる亀裂を生じさせ、これにより壊滅的な破損イベントが急速に発生する場合があります。したがって、正確な疲労寿命の予測には、サイクルごとの微小亀裂の蓄積を把握する必要があります。

一方向材料

一方向複合材料の疲労損傷は通常、3 つのカテゴリ、軸外破損、軸上破損、はく離のいずれかに分類されます。軸外破損は、複合材料の引張荷重が、繊維軸[22]から数角度以上大きい場合に発生します。

1. 破損は、繊維[23-24]に対して平行な母材の亀裂、または繊維と母材界面のはく離によって特性指定されます。

2. 軸上破損は、引張疲労荷重が繊維方向に適用された場合に発生します。軸外破損と同様に、微小亀裂は最初に母材に発生しますが、形成される母材の亀裂は繊維を通じて簡単に伝播することはできません。むしろ、亀裂は繊維に留まり、繊維[25]の応力の集中点の数と大きさを増加させます。

3. 複合材料積層の場合、はく離が発生する可能性があります。はく離も母材の微小亀裂が蓄積した結果、発生する破損イベントです。したがって、母材の微小亀裂の蓄積を考慮することで、はく離による疲労破損を十分に予測できます。

   注: 疲労荷重の開始前にはく離が存在する場合は、Helius PFA 内の疲労解析機能ではなく、亀裂伝播用の組み込み FEA ツールを使用するべきです。

織物材料

織物複合材料単層の破損メカニズムは、[26-28]として識別される別個のカテゴリに分類できます。

1. 初期荷重時のけん引内の横方向亀裂。これは、けん引内の母材構成が破損中で、単層の硬さ剛性の変化を発生させている時の、「Knee 点強度」として識別されます。
2. 低い適用サイクル範囲中に、母材ポケットが微小亀裂を開始し、複合材料がわずかに軟化します。
3. より大きな適用サイクル範囲中に、荷重方向に垂直なけん引がさらに微小亀裂を開始し、単層の軟化を進展させます。
4. (3)と同時に、充填けん引と反りけん引間のはく離がけん引を分離させ、ヤング率がさらに低減します。
5. 荷重方向に平行なけん引の最終的な疲労破損が発生し、複合材料単層の剛性は失われます。