JP4179095B2 - Interlaminar stress calculation method in laminated materials - Google Patents
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Description
本発明は複合材を含む積層材料内に曲げ応力を付与した際の層間応力を数値解析によって求める方法に関する。 The present invention relates to a method for obtaining an interlayer stress by numerical analysis when a bending stress is applied to a laminated material including a composite material.
機械製品や建築物の構造材の応力解析手法として有限要素法(FEM=finite-element method)を用いた数値解析が広く用いられている。FEMは、対象物を比較的簡単な特性を有する有限の要素に分割してモデル化し、系全体の性能、挙動等を解析するものである(例えば、特許文献1参照)。 Numerical analysis using a finite-element method (FEM) is widely used as a stress analysis method for mechanical products and building structural materials. FEM divides an object into finite elements having relatively simple characteristics and models them, and analyzes the performance, behavior, and the like of the entire system (see, for example, Patent Document 1).
近年、ガラス繊維や炭素繊維などを充填して形成したFRP(fiber reinforced plastics)等の複合材を含む積層材料が航空機、船舶、自動車等の構造材として用いられるようになってきた。特許文献1記載の技術は、積層材料を同等の特性を有する均一な材質で置き換えるモデル化を行うことにより、こうした積層材料において、FEMの要素数を減少させて、演算を高速化させるものである。
このような複合材、積層材料は、積層面の面方向に沿った応力に対しては強いが、積層方向に応力がかかると、比較的低い応力でも部材がはがれ、破断しやすいという特性がある。このはがれの発生の可能性を検証するためには、積層方向の応力を求める必要がある。 Such composite materials and laminate materials are resistant to stress along the plane direction of the laminate surface, but when stress is applied in the laminate direction, the material is peeled off even at a relatively low stress, and has a characteristic of being easily broken. . In order to verify the possibility of this peeling, it is necessary to determine the stress in the stacking direction.
このような応力は、前述したようなモデル化における計算では求めることができないため、従来は、対象物を積層方向にも分割したソリッド(立体)モデルを作成して解析を行うしかなかった。このようなソリッドモデルを用いた計算では、要素の数が積層方向への分割数倍に増大するため、演算量が増大し、計算機資源も大量に消費するため、工数も増大してしまう。 Since such stress cannot be obtained by the calculation in the modeling as described above, conventionally, there has been no choice but to create and analyze a solid (solid) model in which the object is also divided in the stacking direction. In the calculation using such a solid model, the number of elements increases by a factor of the number of divisions in the stacking direction, which increases the amount of computation and consumes a large amount of computer resources, thus increasing the number of man-hours.
そこで本発明は、単純なモデルで、少ない演算量・計算機資源で解析が可能な積層材料内の層間応力演算方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an interlaminar stress calculation method in a laminated material that can be analyzed with a simple model and a small amount of calculation and computer resources.
上記課題を解決するため本発明にかかる積層材料内の層間応力演算方法は、この積層材料を多数の平板要素によりモデル化したシェルモデルを作成し、このシェルモデルを有限要素法により数値解析することで、各平板要素における両表面の面方向に沿った応力分布を計算し、各平板要素に対して平面上における2つの主応力方向での曲率半径を求め、求めた曲率半径と対応する方向の両表面における応力値から該方向の応力に対応する層間応力を算出し、2方向の層間応力の和を該平板要素中の最大層間応力の解とするものである。 In order to solve the above problems, an interlayer stress calculation method in a laminated material according to the present invention is to create a shell model in which the laminated material is modeled by a number of flat plate elements, and numerically analyze the shell model by a finite element method. Then, the stress distribution along the surface direction of both surfaces of each flat plate element is calculated, the curvature radii in the two principal stress directions on the plane are obtained for each flat plate element, and the direction of the direction corresponding to the calculated curvature radius is calculated. The interlayer stress corresponding to the stress in the direction is calculated from the stress values on both surfaces, and the sum of the interlayer stress in the two directions is taken as the solution of the maximum interlayer stress in the flat plate element.
ここで、モデル化された平板要素のそれぞれは実際には曲板の一部である。本発明は、主応力がこの曲板の表面、つまり曲面に沿って分布していると仮定することで、応力の釣り合い関係から積層方向の応力を求める。 Here, each modeled flat element is actually a part of a curved plate. In the present invention, assuming that the main stress is distributed along the surface of the curved plate, that is, the curved surface, the stress in the stacking direction is obtained from the stress balance relationship.
ここで、所定の方向の応力に対応する層間応力(引張応力)σmaxは、曲率中心側の面を表面として、表面、裏面の応力値をそれぞれσ表、σ裏、求めた曲率半径をR、板厚をtで表すと、
σmax=t/8/R×(σ表−σ裏)
により算出される。
Here, the interlayer stress (tensile stress) σmax corresponding to the stress in a predetermined direction is the surface of the curvature center side as the surface, the stress values on the front and back surfaces are σ table , σ back , and the calculated radius of curvature is R, When the plate thickness is represented by t,
σmax = t / 8 / R × (σ table− σ back )
Is calculated by
厚さが不均一な場合(面内応力によって厚さが不均一になる場合を含む)、この所定方向の応力に対応する厚み方向の応力σzは、曲率中心側の面を表面として、表面のそれぞれの応力方向における応力値をσM表、σm表、裏面のそれぞれの応力方向における応力値をσM裏、σm裏、表面のそれぞれの応力方向における曲率半径をRM表、Rm表、裏面のそれぞれの応力方向における曲率半径をRM裏、Rm裏、板厚をtで表すと、
σz=t/8×(σM表/RM表−σM裏/RM裏+σm表/Rm表−σm裏/Rm裏)
により算出される。
When the thickness is non-uniform (including the case where the thickness is non-uniform due to in-plane stress), the stress σz in the thickness direction corresponding to the stress in the predetermined direction is the surface of the curvature center side as the surface. The stress value in each stress direction is the σ M table , the σ m table , the stress value in the respective stress direction on the back surface is the σ M back , the σ m back surface, and the curvature radius in the respective stress direction is the RM table , R m. When the curvature radii in the stress directions of the front and back surfaces are expressed as RM back , R m back , and plate thickness as t,
σz = t / 8 × (σ M Table / R M Table - [sigma] M Back / R M back + sigma m Table / R m Table - [sigma] m Back / R m back)
Is calculated by
積層材料が、平面の一方向にのみ応力を伝播させる板を応力伝播方向を異ならせて積層させた異方性積層板である場合、主応力の方向を隣接する要素間で比較することにより、各応力に起因する層間剪断応力の微分値を求め、これに層あたりの厚さを乗じて層間剪断応力を求めることが好ましい。あるいは、主応力を隣接する要素間で比較することにより、主応力の各応力に起因する層間剪断応力の微分値を求め、これに層あたりの厚さを乗じて層間剪断応力を求めてもよい。また、主応力と各層におけるフック則から面内応力を求め、その計算結果と各層における力の釣り合いから層間剪断応力を求めてもよい。 When the laminated material is an anisotropic laminated plate obtained by laminating a plate that propagates stress only in one direction of the plane with different stress propagation directions, by comparing the direction of the principal stress between adjacent elements, It is preferable to obtain a differential value of the interlaminar shear stress resulting from each stress and multiply this by the thickness per layer to obtain the interlaminar shear stress. Alternatively, by comparing the principal stress between adjacent elements, a differential value of the interlaminar shear stress caused by each stress of the principal stress may be obtained, and this may be multiplied by the thickness per layer to obtain the interlaminar shear stress. . Further, the in-plane stress may be obtained from the main stress and the hook law in each layer, and the interlaminar shear stress may be obtained from the balance between the calculation result and the force in each layer.
このような積層材料が平板の一方向にのみ応力を伝播させる板(繊維方向が揃えられたFRP等)を応力伝播方向を異ならせて重ね合わせた異方性積層板においては、応力伝播方向が応力方向に一致する層(例えば、FRPの場合には、繊維方向が応力方向に一致する層)がその応力成分の伝播を負担することになる。この結果、層ごとに応力が付与される方向が異なってくるため、剪断応力が発生する。本発明は、この剪断応力の発生をモデル化することで、剪断応力の概略値を求める。 In an anisotropic laminated board in which such a laminated material is laminated with different stress propagation directions such as a plate (such as FRP having a uniform fiber direction) that propagates stress only in one direction of the flat plate, the stress propagation direction is The layer matching the stress direction (for example, in the case of FRP, the layer whose fiber direction matches the stress direction) bears the propagation of the stress component. As a result, since the direction in which the stress is applied is different for each layer, a shear stress is generated. The present invention obtains an approximate value of the shear stress by modeling the generation of the shear stress.
本発明によれば、複合材料を平板要素としてモデル化するシェルモデルを用いることで、厚み方向(積層方向)に要素を分割していないため、ソリッドモデルに比べて要素数が数分の1以下に削減でき、モデル化が容易となり、演算量・計算機資源が少なくてすむ。 According to the present invention, since the elements are not divided in the thickness direction (stacking direction) by using the shell model that models the composite material as a flat plate element, the number of elements is less than a fraction of that of the solid model. Can be easily reduced, making modeling easier, and reducing the amount of computation and computer resources.
さらに、異方性積層板においても、積層されている材質それぞれに応じて要素を分割することなく、層間に発生する剪断応力の概略値を把握することが可能となる。この概略値によって、また、破断やはがれが発生する危険個所を予測することも可能となる。 Further, even in the anisotropic laminated plate, it is possible to grasp the approximate value of the shear stress generated between the layers without dividing the element according to each laminated material. With this approximate value, it is also possible to predict a dangerous location where breakage or peeling occurs.
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the drawings as much as possible, and duplicate descriptions are omitted.
図1は、本発明に係る層間応力演算方法を含む数値解析の手法を示すブロック図である。この数値解析は、積層体からなる板を曲げた場合の層間応力をFEMを利用して解析する。この数値解析は、各種のコンピュータ上で行われるが、以下に示される各手段は、それぞれ単体のプログラムから構成されていてもよいし、複数のプログラムからなるプログラム群からなるソフトウェアとして構成されていてもよい。さらに、各手段は、異なるコンピュータ上で作動してもよいし、各手段が異なるコンピュータ上で作動する複数のソフトウェアにより構成されていてもよい。ここでいうプログラムには、それ自体が入出力機能を有するプログラムのほか、特定のプログラム上で作動するいわゆるマクロ、スクリプト等を含む。 FIG. 1 is a block diagram showing a numerical analysis technique including an interlayer stress calculation method according to the present invention. In this numerical analysis, the interlaminar stress when a laminated plate is bent is analyzed using FEM. This numerical analysis is performed on various computers, but each means shown below may be configured as a single program or as software including a program group including a plurality of programs. Also good. Furthermore, each unit may operate on a different computer, or each unit may be configured by a plurality of software programs that operate on different computers. In this case, the program includes not only a program having an input / output function itself but also a so-called macro, script, etc. that operates on a specific program.
まず、FEM用モデル生成手段20では、対象手段の形状を表すバルクデータ(対象となる板をシェルモデルにより表す。)と、板に付与される荷重や板の拘束条件データを生成する。バルクデータは、各節点のデータを直接入力することで生成してもよいが、CADデータ等の形状データを基に、分割数を設定することにより、節点データを生成するようにしてもよい。あるいは、GUI(Graphical User Interface)を用いて形状、分割数等を設定して入力データを生成するようにしてもよい。
First, the FEM
FEM解析手段30では、生成されたバルクデータと荷重・拘束条件を基にして既知のFEM解析手法に基づいて、各要素について面方向に働く面内応力を計算する。得られた面内応力データは、FEM用モデル生成手段20で生成されたバルクデータとともに、層間応力解析手段40へと送られる。層間応力解析手段40は、バルクデータを用いて本発明に係るモデル形状の分析方法を行う形状分析手段41と、面内応力について分析を行う応力分析手段42と、モデル形状と面内応力から本発明に係る層間応力演算方法により層間応力を求める応力算出手段43からなる。 The FEM analysis means 30 calculates the in-plane stress acting in the plane direction for each element based on the known bulk data and load / constraint conditions based on the known FEM analysis technique. The obtained in-plane stress data is sent to the interlayer stress analysis means 40 together with the bulk data generated by the FEM model generation means 20. The interlaminar stress analysis means 40 includes a shape analysis means 41 for performing a model shape analysis method according to the present invention using bulk data, a stress analysis means 42 for analyzing in-plane stress, and a model shape and in-plane stress. It comprises stress calculation means 43 for obtaining interlayer stress by the interlayer stress calculation method according to the invention.
以下、この層間応力演算手段で実行される層間応力演算方法の実施例のいくつかを具体的に説明する。 Hereinafter, some examples of the interlayer stress calculation method executed by the interlayer stress calculation means will be described in detail.
図2は、本実施例において解析を行う積層材を示す概略図である。図2(a)、図2(b)に示される積層材1は、いずれも部材10〜12の多層からなる積層構造をなしており、図中の上側に突出して湾曲している曲板である。以下、曲板の曲率中心に近い側の面を表面、遠い側の面を裏面と称する(図中下側の面が表面、上側の面が裏面となる)。この積層材1に図2(a)に示されるように曲板を延ばす(平板に戻す)方向、つまり、曲率が小さくなる方向に応力を付与した場合、あるいは反対に図2(b)に示されるように曲板をさらに曲げる、つまり曲率がさらに大きくなる方向に応力を付与した場合を考える。曲板を延ばす場合には、表面には引っ張り応力、裏面には圧縮応力が発生し、それによって層間に引っ張り応力が付与される。曲板をさらに曲げる場合には、表面に圧縮応力、裏面には引っ張り応力が発生し、それによって層間には圧縮応力(図では破線で示す。)が発生する。このような積層材1では、層同士が接着剤等により接合されているが、通常、このような接着剤は層に沿った方向の応力には強いが、積層方向の力には弱く、この引っ張り応力によって接着剤が破断し、層の剥離が発生する。また、積層材1に代えてFRP等を用いた場合、プラスチック中に混入されたグラスファイバーや炭素繊維等の繊維方向に沿った方向の応力は強化されているが、繊維方向に垂直な方向の応力に対しては強化されない。特に板状の部材の場合は、板の平面方向に繊維方向が配置されるため、上述の引っ張り応力に対しては弱くなる。
FIG. 2 is a schematic view showing a laminated material to be analyzed in this example. The laminated
本実施形態では、このような積層材、複合材中の層間に発生する引っ張り応力を数値解析により求める。この数値解析のフローチャートを図3に示す。まずステップS1では、この積層材1を図4に示されるシェルモデルによってモデル化する。シェルモデルとは、対象物を有限個の平面(シェル要素)で分割してモデル化するものである。各シェル要素は、例えば、4つの節点(ノード)により囲まれた厚みのない四辺形であり、板厚・材質等は各シェル要素のパラメータとして表される。このとき、積層材1は、厚み方向では均質な部材と仮定してモデル化する。
In the present embodiment, the tensile stress generated between the layers in the laminated material and the composite material is obtained by numerical analysis. A flowchart of this numerical analysis is shown in FIG. First, in step S1, the
ステップS2では、このシェルモデルで有限要素法(FEM)による応力解析を行う。具体的には、各シェル要素の両表面(表面、裏面)の平面に沿った方向の応力の差(以下、差応力と呼ぶ。)を求める。差応力は2つの方向の応力成分、第1の主応力と第2の主応力を持つ(図4参照)。 In step S2, stress analysis by the finite element method (FEM) is performed with this shell model. Specifically, a difference in stress (hereinafter referred to as differential stress) in a direction along the planes of both surfaces (front surface and back surface) of each shell element is obtained. The differential stress has stress components in two directions, a first principal stress and a second principal stress (see FIG. 4).
次に、各シェル要素ごとに層間応力を求める。まず、ステップS3では、シェル要素番号に初期値を設定する。続く、ステップS4では、対象シェル要素における第1の主応力方向に沿ったシェル要素の曲率半径を求める。図4に示すシェル要素Aiを例に説明すると、当該シェルモデルをシェル要素Aiにおける第1の主応力方向に沿って切った断面は図4に示されるようになる。この方向でAiに隣接するシェル要素をそれぞれAj、Akとし、各シェル要素のこの断面方向に沿った線分をLi、Lj、Lkとし、それらの中心をOi、Oj、Okで表す。このとき、Oiを通るLiの垂線をTiとし、同様にOj、Okを通るLj、Lkの垂線をそれぞれTj、Tkとする。そしてTiとTjの交点をCj、TiとTkの交点をCkとすると、曲率半径Rは、Cj−Oi間の距離とCk−Oi間の距離の平均値として表せる。ステップS5では、同様の手法により、対象シェル要素における第2の主応力方向に沿ったシェル要素の曲率半径を求める。 Next, interlayer stress is obtained for each shell element. First, in step S3, an initial value is set for the shell element number. In subsequent step S4, the radius of curvature of the shell element along the first principal stress direction in the target shell element is obtained. Referring to the shell element Ai shown in FIG. 4 as an example, a cross section of the shell model cut along the first principal stress direction in the shell element Ai is as shown in FIG. The shell elements adjacent to Ai in this direction are denoted by Aj and Ak, the line segments along the cross-sectional direction of each shell element are denoted by Li, Lj and Lk, and the centers thereof are denoted by Oi, Oj and Ok. At this time, the vertical line of Li passing through Oi is Ti, and the vertical lines of Lj and Lk passing through Oj and Ok are similarly Tj and Tk, respectively. If the intersection of Ti and Tj is Cj, and the intersection of Ti and Tk is Ck, the radius of curvature R can be expressed as the average value of the distance between Cj-Oi and the distance between Ck-Oi. In step S5, the radius of curvature of the shell element along the second principal stress direction in the target shell element is obtained by the same method.
ステップS6では、求めた曲率半径とシェル要素Aiの両表面の第1の主応力値からこの第1の主応力に起因する層間応力を求める。図6に示されるように第1の主応力方向をY軸方向に、平板の中心Oiから曲率中心へと向かう方向をX軸に、Oiを原点Oに取る。 In step S6, an interlayer stress resulting from the first principal stress is obtained from the obtained curvature radius and the first principal stress values of both surfaces of the shell element Ai. As shown in FIG. 6, the first principal stress direction is taken as the Y-axis direction, the direction from the flat plate center Oi to the center of curvature is taken as the X-axis, and Oi is taken as the origin O.
原点Oでの応力テンソルは、 The stress tensor at the origin O is
このような応力解析においては、通常、剥離に至るか否かを判定するために、最大の層間応力を求めることができれば足りる。しかし、ソリッドモデルを用いる場合には、層方向に十分な分割数を取らないと正しい層間応力分布を計算することができない。一方、この実施例1における層間応力演算方法では、単純なモデル(シェルモデル)で、層方向における応力分布を求めることなく、最大層間応力を近似的に求めることができるので、少ない演算量、計算機資源での解析が可能である。 In such a stress analysis, it is usually sufficient to obtain the maximum interlayer stress in order to determine whether or not peeling occurs. However, when the solid model is used, a correct interlayer stress distribution cannot be calculated unless a sufficient number of divisions is taken in the layer direction. On the other hand, in the interlayer stress calculation method according to the first embodiment, a simple model (shell model) can be used to approximately obtain the maximum interlayer stress without obtaining the stress distribution in the layer direction. Analysis with resources is possible.
この実施例は、応力集中部における層間引っ張りを計算するものである。図8に圧縮応力集中部位の断面イメージを示す。積層板5(部材50〜55からなる)に圧縮力Fを付与することで、ポアソン比によって応力集中部が膨れ、くるみ割りと同じ原理によって板厚方向の引っ張り応力σが発生する。
In this embodiment, the interlayer tension at the stress concentration portion is calculated. FIG. 8 shows a cross-sectional image of the compressive stress concentration site. By applying a compressive force F to the laminated plate 5 (consisting of the
図9のフローチャートを参照して、実施例2の解析手法を説明する。まず、FEM解析の出力データから各要素、節点上の変形後の板厚t'を演算する(ステップS11)。変形後の板厚は、元の板厚をt、ポアソン比をν、弾性率をEとすると、 With reference to the flowchart of FIG. 9, the analysis method of Example 2 is demonstrated. First, the thickness t ′ after deformation on each element and node is calculated from the output data of the FEM analysis (step S11). The plate thickness after deformation is as follows, where the original plate thickness is t, the Poisson's ratio is ν, and the elastic modulus is E.
次に、節点データから面に垂直な方向のベクトルPを求める(ステップS12)。そして、各節点の表面の曲率を計算する(ステップS13)。これは、各節点座標をこのベクトルP方向に変形後の板厚t'の半分だけずらした位置が表面であるとして、節点における曲率を求めることで得られる。同様に、各節点の裏面の曲率を計算する(ステップS14)。これは、各節点座標をこのベクトルPとは逆方向に変形後の板厚t'の半分だけずらした位置が裏面であるとして、節点における曲率を求めることで得られる。求めた節点の曲率を用いてその平均をとることにより、要素の曲率(表面の曲率RM表と裏面の曲率RM裏)を求める(ステップS15)。 Next, a vector P in the direction perpendicular to the surface is obtained from the node data (step S12). Then, the curvature of the surface of each node is calculated (step S13). This can be obtained by obtaining the curvature at the node assuming that the surface is the position where each node coordinate is shifted in the vector P direction by half the plate thickness t ′ after deformation. Similarly, the curvature of the back surface of each node is calculated (step S14). This can be obtained by calculating the curvature at the node, assuming that the position where each node coordinate is shifted by half the plate thickness t ′ after deformation in the direction opposite to the vector P is the back surface. By taking the average by using the curvature of the obtained node, determining the curvature of the element (curvature R M table and the back surface of curvature R M back surface) (step S15).
最後に、求めた曲率と、FEMで計算した主応力を用いて層間応力値を計算する(ステップS16)。具体的には、次式により層間の引っ張り応力値が計算される。 Finally, an interlayer stress value is calculated using the calculated curvature and the principal stress calculated by FEM (step S16). Specifically, the tensile stress value between layers is calculated by the following equation.
この実施例は、各層の異方性によって発生する剪断応力を計算するものである。CFRP等の部材(異方性部材)は、それぞれの層が基本的に繊維方向に沿う応力成分のみを伝播させるため、荷重をかけた場合に各層の変形方向が異なってくるため、層間に力が発生することが考えられる。例えば、図10に示されるようなブーメラン形状の板6を引っ張った場合を考える。ここで、引っ張り方向を0°とすると、板6の中央にある内側の角付近では、付加される引っ張り応力が板の形状に沿って流れるため、90°方向の誘導応力σ90が発生する。これと引っ張り応力σ0の流れとは互いにつながるはずである。
In this embodiment, the shear stress generated by the anisotropy of each layer is calculated. Since members such as CFRP (anisotropic members) basically propagate only the stress component along the fiber direction, the deformation direction of each layer differs when a load is applied. May occur. For example, consider a case where a boomerang-shaped
しかし、板6をこのような異方性部材を積層させて構成した場合、図11に示されるように90°方向の応力は繊維方向がこの90°方向に沿って走る層63のみが受け持ち、0°方向の応力は繊維方向がこの0°方向に沿って走る層60のみが受け持つ。この結果、層60と63との間に剪断応力τが発生する。
However, when the
簡単化のため、図12に示されるように、繊維方向が0度、−45度、+45度、90度の方向に沿って走っている各層をこの順で積層した疑似等方積層板の場合を考える。図13に計算処理のフローチャートを示す。まず、各層におけるフック則とキルヒホッフの仮定を基にしてh層の面内応力σij hを計算する(ステップS21)。 For simplification, as shown in FIG. 12, in the case of a quasi-isotropic laminate in which the layers running along the directions of 0 °, −45 °, + 45 °, and 90 ° are laminated in this order, as shown in FIG. think of. FIG. 13 shows a flowchart of the calculation process. First, the in-plane stress σ ij h of the h layer is calculated based on the hook rule and Kirchhoff's assumption in each layer (step S21).
具体的には、各層の面内歪みが面内歪みの平均値と同一であり(キルヒホッフの仮定)、平均値は、各層を平均した平均応力のフック則にしたがうとすると、式(15)が成り立つ。 Specifically, the in-plane strain of each layer is the same as the average value of the in-plane strain (Kirchhoff's assumption), and if the average value follows the hook law of the average stress averaged over each layer, Equation (15) is It holds.
次に、各層における力の釣り合いの方程式から剪断応力τjz hを求める(ステップS22)。この釣り合いの方程式は式(19)で表せる。 Next, the shear stress τ jz h is obtained from the equation of force balance in each layer (step S22). This balance equation can be expressed by equation (19).
この実施例4と後述する実施例5は、実施例3の計算を簡素化したものである。層間応力を解析する目的の一つが層間剥離の危険個所を把握することにある。この場合には、層間応力の最大値に該当する概略値が得られれば足りる。実施例4と実施例5は、この概略値を計算する手法である。 In the fourth embodiment and the fifth embodiment described later, the calculation of the third embodiment is simplified. One of the purposes of analyzing the interlaminar stress is to grasp the risk of delamination. In this case, it is only necessary to obtain an approximate value corresponding to the maximum value of the interlayer stress. Example 4 and Example 5 are methods for calculating this approximate value.
層間剪断応力は、主として繊維が主応力に平行な二つの層間で発生する。そこで、これらの層にのみ着目することとし、以下を仮定する。(1)積層は疑似等方的で、主応力がどの方向を向いても、ほぼそれに繊維が平行となる2つの層が存在する。(2)各層の厚みは全て同じとする。(3)各層の繊維に直角方向の弾性率は繊維方向の弾性率に比べて十分に小さいものとする。 Interlaminar shear stress occurs mainly between two layers where the fibers are parallel to the principal stress. Therefore, let us focus only on these layers and assume the following. (1) The lamination is quasi-isotropic, and there are two layers in which the fibers are almost parallel to the main stress in any direction. (2) All layers have the same thickness. (3) The elastic modulus in the direction perpendicular to the fibers of each layer is sufficiently smaller than the elastic modulus in the fiber direction.
実施例4の処理の詳細を図14を参照して説明する。まず、FEM解析結果を基にして、対象要素の着目点を原点とし、着目点の主応力方向を軸方向とする座標系Mm(図15参照。)を求める(ステップS31)。次に、対象要素と周辺要素の重心位置を求め、このMm座標系に変換する(ステップS33)。そして、主応力線の曲率(∂θ/∂Mと∂θ/∂m)を求める(ステップS35)。これは、Mm座標系における主応力線の方向を隣接する要素間で比較することで得られる主応力方向の微分値に該当する。この曲率を基にして層間応力の概略値を求める(ステップS37)。 Details of the processing of the fourth embodiment will be described with reference to FIG. First, based on the FEM analysis result, a coordinate system Mm (see FIG. 15) is obtained in which the target point of the target element is the origin and the main stress direction of the target point is the axial direction (step S31). Next, the barycentric positions of the target element and the peripheral elements are obtained and converted to this Mm coordinate system (step S33). Then, the curvatures (∂θ / ∂M and ∂θ / ∂m) of the main stress line are obtained (step S35). This corresponds to a differential value of the main stress direction obtained by comparing the direction of the main stress line in the Mm coordinate system between adjacent elements. Based on this curvature, an approximate value of the interlayer stress is obtained (step S37).
概略値を求めるには、誘導される応力の流れが層間をまたいで流れるとすると、層間の応力は、誘導される応力の大きさを板厚方向に積分した値となることを利用する。つまり、以下の式が成立する。 In order to obtain an approximate value, if the flow of the induced stress flows across the layers, the stress between the layers is obtained by integrating the magnitude of the induced stress in the thickness direction. That is, the following formula is established.
本実施例は、実施例4と同じ仮定を用いるが、面内剪断応力の微分値から層間剪断応力の概略値を求める。図16を参照してその処理の内容を説明する。 This example uses the same assumptions as in Example 4, but the approximate value of the interlaminar shear stress is obtained from the differential value of the in-plane shear stress. The contents of the processing will be described with reference to FIG.
ステップS31、S33の処理は、図14に示される実施例4の処理と同一である。次に、周辺要素の応力をMm座標系に変換する(ステップS34)。そして、Mm座標系における面内剪断応力の微分値を求める(ステップS36)。これは、Mm座標系における面内剪断応力は、cosθsinθ(σM−σm)として表せる。その微分値は隣接する要素間で比較することで得られる。得られた微分値に層厚をかけてτmzとτMzを求め、そのベクトル和の大きさを求めることで剪断応力の概略値を求める(ステップS38)。この方法でも実施例4と同様に概略値を簡略化した演算で求めることができる。 The processes in steps S31 and S33 are the same as those in the fourth embodiment shown in FIG. Next, the stress of the peripheral element is converted into the Mm coordinate system (step S34). Then, a differential value of the in-plane shear stress in the Mm coordinate system is obtained (step S36). This is because the in-plane shear stress in the Mm coordinate system can be expressed as cos θ sin θ (σ M −σ m ). The differential value is obtained by comparing between adjacent elements. Τ mz and τ Mz are obtained by multiplying the obtained differential value by the layer thickness, and the approximate value of the shear stress is obtained by obtaining the magnitude of the vector sum (step S38). In this method, the approximate value can be obtained by a simplified calculation as in the fourth embodiment.
以上説明した実施例のいくつかを用いて実際の層間応力演算を行った結果について簡単に説明する。まず、曲げ板を引き延ばす方向に荷重をかけた場合の解析について示す。図17はその解析モデルであり、長さの単位はミリメートルである。付加した荷重は350kgf(約3430N)である。図18は実施例1による解析結果を示す。湾曲部の層間応力は2.1kgf/mm2(20.6MPa)であり、曲げ応力は、160kgf/mm2(1570MPa)であった。 The result of actual interlayer stress calculation using some of the embodiments described above will be briefly described. First, the analysis when a load is applied in the direction in which the bent plate is extended will be described. FIG. 17 shows the analysis model, and the unit of length is millimeter. The applied load is 350 kgf (about 3430 N). FIG. 18 shows the analysis result of Example 1. The interlayer stress of the curved portion was 2.1 kgf / mm 2 (20.6 MPa), and the bending stress was 160 kgf / mm 2 (1570 MPa).
図19〜図21は、応力集中による層間引っ張りの解析である。図19は解析モデルであり、ブーメラン形状の板に面内の荷重を付加している。荷重の大きさは141kgf(約1380N)である。図20は、層間の引っ張り発生機構を模擬した図である。応力集中部の大きさをaとすると、発生する層間応力は、以下の式により与えられる。 19 to 21 are analysis of interlayer tension due to stress concentration. FIG. 19 shows an analysis model in which an in-plane load is applied to a boomerang-shaped plate. The magnitude of the load is 141 kgf (about 1380 N). FIG. 20 is a diagram simulating a mechanism for generating a pull between layers. When the size of the stress concentration portion is a, the generated interlayer stress is given by the following equation.
図22〜図25は、ボルト締結部に荷重をかけたときの解析である。図22は解析モデルであり、ボルト荷重は500kgf(約4900N)とし、図23に示されるように穴表面に垂直にかかるものとして計算を行った。図24が実施例4による解析結果を図25が実施例5による解析結果を示している。両者はよい一致を示し、最大値は約10kgf/mm2/mm(約98MPa/mm)である。層間剪断応力値は、積層1プライあたりの厚さを乗じることで得られ、厚さが0.1mmとすると、1kgf/mm2(約9.8MPa)となる。 22 to 25 show analyzes when a load is applied to the bolt fastening portion. FIG. 22 shows an analysis model, and the calculation was performed assuming that the bolt load is 500 kgf (about 4900 N) and the load is perpendicular to the hole surface as shown in FIG. FIG. 24 shows an analysis result according to the fourth embodiment, and FIG. 25 shows an analysis result according to the fifth embodiment. Both show good agreement, and the maximum value is about 10 kgf / mm 2 / mm (about 98 MPa / mm). The value of the interlaminar shear stress is obtained by multiplying the thickness per laminated ply. When the thickness is 0.1 mm, it becomes 1 kgf / mm 2 (about 9.8 MPa).
1、5、6…積層材(曲板)、10〜12、50〜55、60〜63…部材、20…FEM用モデル生成手段、30…解析手段、40…層間応力解析手段、41…形状分析手段、42…応力分析手段、43…応力算出手段、A…シェル要素、L…断面方向に沿った線分、O…線分の中心、T…垂線、C…垂線同士の交点。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該積層材料を多数の平板要素によりモデル化したシェルモデルを作成し、
前記シェルモデルを有限要素法により数値解析することで、各平板要素における両表面の面方向に沿った応力分布を計算し、
各平板要素に対して平面上における2つの主応力方向での曲率半径を求め、
求めた曲率半径と対応する方向の両表面における応力値から該方向の応力に対応する層間応力を算出し、
2方向の層間応力の和を該平板要素中の最大層間応力の解とする積層材料内の層間応力演算方法。 A method for calculating an interlaminar stress in a laminating material by calculating a stress generated between layers when bending stress is applied to the laminating material,
Creating a shell model in which the laminated material is modeled by a number of flat plate elements;
By numerically analyzing the shell model by the finite element method, the stress distribution along the surface direction of both surfaces in each flat plate element is calculated,
For each plate element, find the radius of curvature in the two principal stress directions on the plane,
Calculate the interlayer stress corresponding to the stress in the direction from the stress value on both surfaces in the direction corresponding to the calculated radius of curvature,
A method for calculating an interlayer stress in a laminated material, wherein a sum of interlayer stresses in two directions is a solution of a maximum interlayer stress in the flat plate element.
σmax=t/8/R×(σ表−σ裏)
により算出される請求項1記載の積層材料内の層間応力演算方法。 The interlaminar stress σmax corresponding to the stress in the direction is the surface of the curvature center side as the surface, the stress values in the direction of the front and back surfaces are σ table , σ back , the calculated curvature radius is R, and the plate thickness is t In terms of
σmax = t / 8 / R × (σ table− σ back )
The interlayer stress calculation method in the laminated material according to claim 1, which is calculated by:
σz=t/8×(σM表/RM表−σM裏/RM裏+σm表/Rm表−σm裏/Rm裏)
により算出される請求項1記載の積層材料内の層間応力演算方法。 The stress σz in the thickness direction corresponding to the stress in the direction is the stress in the stress direction of each of the σ M table , σ m table , and back surface, with the surface on the curvature center side as the surface. Values are σ M back , σ m back , surface radii of curvature in the stress direction on the RM table , R m table , and radii of curvature on the back in the stress direction on the RM back , R m back , plate thickness t In terms of
σz = t / 8 × (σ M Table / R M Table - [sigma] M Back / R M back + sigma m Table / R m Table - [sigma] m Back / R m back)
The interlayer stress calculation method in the laminated material according to claim 1, which is calculated by:
The laminated material is an anisotropic laminated plate obtained by laminating plates in which stress propagates only in one direction on a plane with different stress propagation directions, and the in-plane stress is obtained from the main stress and the hook law in each layer. 2. An interlayer stress calculation method according to claim 1, wherein the interlayer shear stress is obtained from the balance between the calculation result and the force in each layer.
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