積層構造体の強度評価方法
【課題】曲率を有する積層構造体において、簡単に且つ精度よく層間強度を評価することができる積層構造体の強度評価方法を提供する。
【解決手段】曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、前記積層構造体から前記曲率を含む供試体１２を切り出し、前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点１２ａ、１２ｂにて前記供試体を支持し、該供試体１２の前記２つの支持点１２ａ、１２ｂ間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重（矢印Ａ、Ｂ）を加えて前記供試体１２の層間応力を測定する。
【解決手段】曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、前記積層構造体から前記曲率を含む供試体１２を切り出し、前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点１２ａ、１２ｂにて前記供試体を支持し、該供試体１２の前記２つの支持点１２ａ、１２ｂ間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重（矢印Ａ、Ｂ）を加えて前記供試体１２の層間応力を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状や球殻形状等の曲率を有する積層構造体の強度評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、積層構造体は、複数の薄板部材が積層されてこれらの間が接着部材で接着された構成を有するが、薄板部材間に異物や空気が混入したり、薄板部材間に接着部材溜りや接着部材抜けが存在すると、層間の密着度が低下して構造体の強度を低下させてしまう。そこで、積層構造体の強度評価に際して、構造体全体の引張応力や曲げ応力等の強度測定に加えて、層間引張応力や層間せん断応力等の層間応力の測定が行われている。
【０００３】
例えば特許文献１（米国特許第６，３１４，８１９号公報）には、樹脂材料の接着強度測定方法が開示されている。この方法は、層間に異なる２つの荷重を作用させることにより層間せん断応力を測定する構成としている。
また、特許文献２（特許第２７３３１３４号公報）には積層体のせん断接着強度の測定方法が開示されている。この方法は、積層体を回転ロールに巻き付けて曲げ変形を与えてせん断応力を発生させ、せん断接着強度を測定する構成としている。
【０００４】
一方、従来から積層構造体として曲率を有する構造体が広く用いられている。例えば、円筒形状や球殻形状の積層構造体は、フィラメントワインディング（ＦＷ）成形法により形成される。ＦＷ成形法は、樹脂を含浸させた複合材テープを、回転するマンドレルに対して張力を掛けながら巻き付け、樹脂硬化後に脱型する成形法である。
【０００５】
しかし、ＦＷ成形法では、複合材テープの張力と型材の回転速度によっては、テープのうねりや上下テープ間の隙間等が生じる可能性がある。隙間については、上記したように層間の樹脂溜り、樹脂抜け、あるいはボイド等の発生原因となる。これらは製造欠陥であり、製品強度低下の要因となる。また、隙間に関しては、製造欠陥とまではならなくても、層間の密着度を低下させる要因となり、特に層間強度に影響を与えることが考えられる。
そこで、ＦＷ成形品においても層間強度を評価することが行われていた。この強度評価に際しては、平板状の供試体を作製し、この供試体の層間応力を測定することによりＦＷ成形品の層間応力を推定していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，３１４，８１９号公報
【特許文献２】特許第２７３３１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、平板状の積層構造体と、ＦＷ成形品のような曲率を有する積層構造体とでは、層間方向の密着性が異なることによる強度の差が生じるものと考えられる。特に、曲率を有する積層構造体は、平板状の積層構造体に比べて荷重が加わったときの層間強度への影響が大きいが、層間破壊が発生すると面内剛性が低下するため、面内強度に対する影響も考慮しなければならない。
また、曲率を有する積層構造体においては、平板状の供試体を作製して、例えば特許文献１や特許文献２等の方法を用いて層間強度を測定し、この測定結果に対して許容値を設定して実構造部材の強度評価結果としているが、許容値の設定が困難であり、評価精度に不安が残る。
【０００８】
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、曲率を有する積層構造体において、簡単に且つ精度よく層間強度を評価することができる積層構造体の強度評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る積層構造体の強度評価方法は、曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、前記積層構造体から前記曲率を含む供試体を切り出し、前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて前記供試体を支持し、該供試体の前記２つの支持点間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて前記供試体の層間応力を測定することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【００１１】
また、前記積層構造体が一定の曲率を有しており、前記供試体の前記２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持され、該支持部材により前記２つの支持点間に、両支持点を通る直線上に作用する引張荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力又は層間せん断応力を測定することが好ましい。
【００１２】
本構成においては、供試体の２つの支持点間に曲率が存在するため、２つの支持点間に引張荷重を加えることにより層間応力を発生させることができる。したがって、２つの支持点間に引張荷重をかけるのみで簡単に層間引張応力又は層間せん断を測定することが可能となる。さらにこのとき、引張荷重をかけると、曲がっている供試体が延びて支持点が回転するが、本構成では２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持されているため、支持点が回転しても両支持点を通る直線上に引張荷重を加えることができる。
なお、本構成において、一定の曲率を有する積層構造体は、例えば円筒形状や球殻形状等の構造体である。
【００１３】
さらに、前記供試体の曲率中心に対する前記２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることが好ましい。
このように両支持点間の角度範囲を設定することにより、２つの支持点間に効果的に層間応力を発生させることができる。ここで、２つの支持点間の角度範囲が９０°未満の場合、層間応力よりも供試体自体の引張応力が支配的となり、層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。一方、２つの支持点間の角度範囲が１８０°超過の場合、層間応力以外に曲げ応力等の他の応力が複雑に発生してしまい、やはり層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。
【００１４】
また、前記積層構造体が一定の曲率を有しており、水平方向に離間して配置される２つの支持部材上に前記供試体が上に凸の状態で載置され、前記２つの支持部材で支持される前記２つの支持点の間に、２つの作用点から垂直下方に曲げ荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力を測定することが好ましい。
本構成は、４点曲げ法を援用したものであり、上に凸の状態で供試体を２つの支持部材上に載置し、供試体の支持点間に２つの作用点により垂直下方の荷重を加えている。このように、支持部材上の２つの支持点間に曲げ荷重を加えることにより層間応力を発生させることができ、簡単に層間引張応力を測定することが可能となる。
なお、一定の曲率を有する積層構造体は、例えば円筒形状や球殻形状等の構造体である。
【００１５】
また、前記積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることが好ましい。
これにより、平板状の供試体を作製して強度評価していた従来の方法に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
【００１６】
さらにまた、前記供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている前記積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されることが好ましい。
このように、積層構造体の積層時に層間に人工欠陥を挿入しておき、この人工欠陥を含む供試体に対して強度評価を行うことによって、積層構造体製造時に発生する可能性の高い欠陥混入による強度低下に対しても積層構造体の健全性を評価することが可能となるとともに、構造体における許容欠陥の評価・確認を行うことも可能となる。
なお、人工欠陥としては、例えばテフロンフィルム（テフロン：登録商標）が用いられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上記載のように本発明によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における測定対象の一例を示す図であり、（Ａ）は円筒形状の積層構造体を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態における測定対象の他の一例を示す図であり、（Ａ）は球殻形状の積層構造体を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態における層間応力を説明する図であり、（Ａ）は層間引張応力を示す図で、（Ｂ）は層間せん断応力を示す図である。
【図５】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。
【図６】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向に対する層間せん断応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向に対する層間せん断応力を示すグラフである。
【図７】強度評価試験における供試体の各寸法を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る強度評価方法の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における層間引張応力を説明する図である。
【図１１】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本発明の実施形態における測定対象は、曲率を有する積層構造体である。積層構造体としては、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等が用いられる。測定対象は、曲率が一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
【００２０】
本発明の実施形態に係る積層構造体の強度評価方法においては、まず最初に、積層構造体から曲率を含む供試体を切り出す。
図１は本発明の実施形態における測定対象の一例を示す図であり、（Ａ）は円筒形状の積層構造体１０を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体１１、１２を示す斜視図である。図１（Ａ）に示すような円筒状の積層構造体１０からその一部を環状に切り出し、図１（Ｂ）に示すように環状の供試体１１としてもよいし、環状の積層構造体をさらに円弧状に切り出し、円弧状の供試体１２としてもよい。
また、図２は本発明の実施形態における測定対象の他の一例を示す図であり、（Ａ）は球殻形状の積層構造体２０を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体２１を示す斜視図である。図２（Ａ）に示すような球殻状の積層構造体２０から一部を切り出し、図２（Ｂ）に示すように円弧状の供試体２１としてもよい。
【００２１】
次いで、曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて、支持部材により供試体を支持する。そして、供試体の２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて供試体の層間応力を測定する。ここで、層間応力とは、層間引張応力又は層間せん断応力を含む。
具体的には、供試体の２つの支持点間に曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて、層間応力により層間剥離が生じたときの荷重を測定する。そして、この荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。荷重と応力との関係は、例えば特許文献１等に開示される理論式によって求めてもよいし、シミュレーションによって求めてもよい。
【００２２】
本実施形態によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【００２３】
また、本実施形態において、供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されるようにしてもよい。
このように、積層構造体の積層時に層間に人工欠陥を挿入しておき、この人工欠陥を含む供試体に対して強度評価を行うことによって、積層構造体製造時に発生する可能性の高い欠陥混入による強度低下に対しても積層構造体の健全性を評価することが可能となるとともに、構造体における許容欠陥の評価・確認を行うことも可能となる。なお、人工欠陥としては、例えばテフロンフィルム（テフロン：登録商標）が用いられる。
以下に、本実施形態の具体的な態様について説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
本第１実施形態の測定対象は、一定の曲率を有する積層構造体であり、図１又は図２に示す供試体が好適に用いられる。ここでは一例として、図１（Ｂ）に示す円弧状の供試体１２を用いて説明する。この供試体１２は、曲率中心に対する２つの支持点間の角度が１８０°となっている。
【００２５】
第１実施形態に係る強度評価方法においては、積層構造体１０から切り出した供試体１２の両端部に支持点１２ａ、１２ｂを設定し、この支持点１２ａ、１２ｂを支持部材５、５でそれぞれ支持する。支持部材４、５は、それぞれ回動自在に構成されている。このとき、支持部材４、５は、供試体１２の支持点１２ａ、１２ｂ、及びこれら支持点間の中央部１２ｃの３点を通る面に垂直な回動軸４ａ、５ａを中心として回動することが好ましい。支持部材４、５による支持方法は特に限定されないが、支持点１２ａ、１２ｂを接着させて支持してもよいし、支持点１２ａ、１２ｂを把持してもよい。
【００２６】
供試体１２を支持部材４、５で支持した状態で、支持部材４、５により２つの支持点１２ａ、１２ｂ間に、両支持点を通る直線Ｌ上に作用する引張荷重を加える。具体的には、支持部材４、５により支持点１２ａと支持点１２ｂとを矢印Ａ、Ｂ方向にそれぞれ引っ張ってもよいし、いずれか一方の支持点１２ａ又は１２ｂを保持したまま、他方の支持点１２ｂ又は１２ａを矢印Ｂ方向又は矢印Ａ方向に引っ張ってもよい。
【００２７】
引張荷重を加えたとき、供試体１２には層間引張応力及び層間せん断応力が発生する。図４に示すように、層間引張応力は、主に両支持点１２ａ、１２ｂ間の中央部に発生し、図中矢印のように層間を引き離す方向に応力が生じる。図５に示すように、層間せん断応力は、主に両支持点１２ａ、１２ｂの近傍に発生し、図中矢印のように層間をずらす方向に応力が生じる。いずれか一方の応力が供試体の層間強度を上回ったときに、層間剥離が生じる。層間剥離が生じた位置又は状態に基づいて、層間引張応力であるか又は層間せん断応力であるかを判断するとともに、そのときの荷重を測定する。
【００２８】
そして、測定した荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。このとき、層間応力の種類（層間引張応力又は層間せん断応力）に応じて荷重と応力との関係を選定し、層間応力を求めるようにする。
【００２９】
ここで、図５及び図６に強度評価試験結果を示す。図５は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。図６は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向に対する層間せん断応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向に対する層間せん断応力を示すグラフである。なお、図７は強度評価試験における供試体の各寸法を説明する図である。ここでは、供試体１２の外周面の曲率半径をｒ０、内周面の曲率半径をｒｉ、板厚内の任意の点における曲率半径をｒ、板厚をｔとしている。
【００３０】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間引張応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向においても中央部が最も高くなる。また、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間せん断応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向において端部が最も高くなる。したがって、層間応力の種類を層間剥離位置から特定する際には、供試体１２の中央部に層間剥離が生じた場合には層間引張応力と判断し、供試体１２の端部に層間剥離が生じた場合には層間せん断応力と判断することが好ましい。
【００３１】
本第１実施形態においては、供試体の２つの支持点間に曲率が存在するため、２つの支持点間に引張荷重を加えることにより層間応力を発生させることができる。したがって、２つの支持点間に引張荷重をかけるのみで簡単に層間引張応力又は層間せん断を測定することが可能となる。さらにこのとき、引張荷重をかけると曲がっている供試体が延びて支持点が回転するが、本第１実施形態では２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持されているため、支持点が回転しても両支持点を通る直線上に引張荷重を加えることができる。
【００３２】
また、本第１実施形態において、供試体の曲率中心に対する２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることが好ましい。
このように両支持点間の角度範囲を設定することにより、２つの支持点間に効果的に層間応力を発生させることができる。ここで、２つの支持点間の角度範囲が９０°未満の場合、層間応力よりも供試体自体の引張応力が支配的となり、層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。一方、２つの支持点間の角度範囲が１８０°超過の場合、層間応力以外に曲げ応力等の他の応力が複雑に発生してしまい、やはり層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。
【００３３】
図８は本発明の第１実施形態に係る強度評価方法の変形例を示す図である。
この方法においては、図１（Ｂ）の環状の供試体１１を用いている。供試体１１の内周面に支持部材４’、５’を当接し、図中矢印Ａ、Ｂ方向に引っ張ることにより引張荷重を加えている。
環状の供試体１１においては、上記方法を用いることにより、供試体１１に対して簡単に層間引張荷重を加えることが可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
本第２実施形態の測定対象は、第１実施形態と同様に、一定の曲率を有する積層構造体である。
【００３５】
第２実施形態に係る強度評価方法においては、水平方向に離間して配置される２つの支持部材６、７上に、供試体１２を上に凸の状態で載置する。ここで、供試体１２の２つの支持部材６、７で支持される部位が、供試体１２の２つの支持点１２ｃ、１２ｄとなる。このとき、供試体１２の支持点１２ｃ、１２ｄが回動自在なように、支持部材６、７に供試体１２を固定してもよい。これにより供試体１２の位置ずれを防止できる。
この２つの支持部材６、７で支持される２つの支持点１２ｃ、１２ｄの間に、２つの作用点８、９から図中矢印Ｃのように垂直下方に曲げ荷重を加える。２つの作用点８、９から与える荷重は同一である。
【００３６】
曲げ荷重を加えたとき、供試体１２には層間引張応力が発生する。図１０に示すように、層間引張応力は、主に両支持点１２ｃ、１２ｄ間の中央部に発生し、図中矢印のように層間を引き離す方向に応力が生じる。この層間引張応力が層間強度を上回ったときに、層間剥離が生じる。このときの荷重を測定し、この荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。
【００３７】
ここで、図１１に強度評価試験結果を示す。図１１は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。なお、強度評価試験における供試体の各寸法は、上記の図７に示した通りである。
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間引張応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向においては一定となる。したがって、周方向のいずれの位置においても、層間剥離が生じた場合には、層間引張応力と判断する。
【００３８】
本第２実施形態は、４点曲げ法を援用したものであり、上に凸の状態で供試体を２つの支持部材上に載置し、供試体の支持点間に２つの作用点により垂直下方の荷重を加えている。このように、支持部材上の２つの支持点間に曲げ荷重を加えることにより層間応力を発生させることができ、簡単に層間引張応力を測定することが可能となる。
【００３９】
また、上記の第１実施形態又は第２実施形態において、積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることが好ましい。
これにより、平板状の供試体を作製して強度評価していた従来の方法に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
４〜７ 支持部材
８、９ 作用点
１０ 積層構造体（円筒形状）
１１、１２ 供試体
１２ａ〜１２ｄ 支持点
２０ 積層構造体（球殻形状）
２１ 供試体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状や球殻形状等の曲率を有する積層構造体の強度評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、積層構造体は、複数の薄板部材が積層されてこれらの間が接着部材で接着された構成を有するが、薄板部材間に異物や空気が混入したり、薄板部材間に接着部材溜りや接着部材抜けが存在すると、層間の密着度が低下して構造体の強度を低下させてしまう。そこで、積層構造体の強度評価に際して、構造体全体の引張応力や曲げ応力等の強度測定に加えて、層間引張応力や層間せん断応力等の層間応力の測定が行われている。
【０００３】
例えば特許文献１（米国特許第６，３１４，８１９号公報）には、樹脂材料の接着強度測定方法が開示されている。この方法は、層間に異なる２つの荷重を作用させることにより層間せん断応力を測定する構成としている。
また、特許文献２（特許第２７３３１３４号公報）には積層体のせん断接着強度の測定方法が開示されている。この方法は、積層体を回転ロールに巻き付けて曲げ変形を与えてせん断応力を発生させ、せん断接着強度を測定する構成としている。
【０００４】
一方、従来から積層構造体として曲率を有する構造体が広く用いられている。例えば、円筒形状や球殻形状の積層構造体は、フィラメントワインディング（ＦＷ）成形法により形成される。ＦＷ成形法は、樹脂を含浸させた複合材テープを、回転するマンドレルに対して張力を掛けながら巻き付け、樹脂硬化後に脱型する成形法である。
【０００５】
しかし、ＦＷ成形法では、複合材テープの張力と型材の回転速度によっては、テープのうねりや上下テープ間の隙間等が生じる可能性がある。隙間については、上記したように層間の樹脂溜り、樹脂抜け、あるいはボイド等の発生原因となる。これらは製造欠陥であり、製品強度低下の要因となる。また、隙間に関しては、製造欠陥とまではならなくても、層間の密着度を低下させる要因となり、特に層間強度に影響を与えることが考えられる。
そこで、ＦＷ成形品においても層間強度を評価することが行われていた。この強度評価に際しては、平板状の供試体を作製し、この供試体の層間応力を測定することによりＦＷ成形品の層間応力を推定していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，３１４，８１９号公報
【特許文献２】特許第２７３３１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、平板状の積層構造体と、ＦＷ成形品のような曲率を有する積層構造体とでは、層間方向の密着性が異なることによる強度の差が生じるものと考えられる。特に、曲率を有する積層構造体は、平板状の積層構造体に比べて荷重が加わったときの層間強度への影響が大きいが、層間破壊が発生すると面内剛性が低下するため、面内強度に対する影響も考慮しなければならない。
また、曲率を有する積層構造体においては、平板状の供試体を作製して、例えば特許文献１や特許文献２等の方法を用いて層間強度を測定し、この測定結果に対して許容値を設定して実構造部材の強度評価結果としているが、許容値の設定が困難であり、評価精度に不安が残る。
【０００８】
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、曲率を有する積層構造体において、簡単に且つ精度よく層間強度を評価することができる積層構造体の強度評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る積層構造体の強度評価方法は、曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、前記積層構造体から前記曲率を含む供試体を切り出し、前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて前記供試体を支持し、該供試体の前記２つの支持点間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて前記供試体の層間応力を測定することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【００１１】
また、前記積層構造体が一定の曲率を有しており、前記供試体の前記２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持され、該支持部材により前記２つの支持点間に、両支持点を通る直線上に作用する引張荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力又は層間せん断応力を測定することが好ましい。
【００１２】
本構成においては、供試体の２つの支持点間に曲率が存在するため、２つの支持点間に引張荷重を加えることにより層間応力を発生させることができる。したがって、２つの支持点間に引張荷重をかけるのみで簡単に層間引張応力又は層間せん断を測定することが可能となる。さらにこのとき、引張荷重をかけると、曲がっている供試体が延びて支持点が回転するが、本構成では２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持されているため、支持点が回転しても両支持点を通る直線上に引張荷重を加えることができる。
なお、本構成において、一定の曲率を有する積層構造体は、例えば円筒形状や球殻形状等の構造体である。
【００１３】
さらに、前記供試体の曲率中心に対する前記２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることが好ましい。
このように両支持点間の角度範囲を設定することにより、２つの支持点間に効果的に層間応力を発生させることができる。ここで、２つの支持点間の角度範囲が９０°未満の場合、層間応力よりも供試体自体の引張応力が支配的となり、層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。一方、２つの支持点間の角度範囲が１８０°超過の場合、層間応力以外に曲げ応力等の他の応力が複雑に発生してしまい、やはり層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。
【００１４】
また、前記積層構造体が一定の曲率を有しており、水平方向に離間して配置される２つの支持部材上に前記供試体が上に凸の状態で載置され、前記２つの支持部材で支持される前記２つの支持点の間に、２つの作用点から垂直下方に曲げ荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力を測定することが好ましい。
本構成は、４点曲げ法を援用したものであり、上に凸の状態で供試体を２つの支持部材上に載置し、供試体の支持点間に２つの作用点により垂直下方の荷重を加えている。このように、支持部材上の２つの支持点間に曲げ荷重を加えることにより層間応力を発生させることができ、簡単に層間引張応力を測定することが可能となる。
なお、一定の曲率を有する積層構造体は、例えば円筒形状や球殻形状等の構造体である。
【００１５】
また、前記積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることが好ましい。
これにより、平板状の供試体を作製して強度評価していた従来の方法に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
【００１６】
さらにまた、前記供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている前記積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されることが好ましい。
このように、積層構造体の積層時に層間に人工欠陥を挿入しておき、この人工欠陥を含む供試体に対して強度評価を行うことによって、積層構造体製造時に発生する可能性の高い欠陥混入による強度低下に対しても積層構造体の健全性を評価することが可能となるとともに、構造体における許容欠陥の評価・確認を行うことも可能となる。
なお、人工欠陥としては、例えばテフロンフィルム（テフロン：登録商標）が用いられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上記載のように本発明によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における測定対象の一例を示す図であり、（Ａ）は円筒形状の積層構造体を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態における測定対象の他の一例を示す図であり、（Ａ）は球殻形状の積層構造体を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態における層間応力を説明する図であり、（Ａ）は層間引張応力を示す図で、（Ｂ）は層間せん断応力を示す図である。
【図５】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。
【図６】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向に対する層間せん断応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向に対する層間せん断応力を示すグラフである。
【図７】強度評価試験における供試体の各寸法を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る強度評価方法の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における層間引張応力を説明する図である。
【図１１】強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載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特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本発明の実施形態における測定対象は、曲率を有する積層構造体である。積層構造体としては、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等が用いられる。測定対象は、曲率が一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
【００２０】
本発明の実施形態に係る積層構造体の強度評価方法においては、まず最初に、積層構造体から曲率を含む供試体を切り出す。
図１は本発明の実施形態における測定対象の一例を示す図であり、（Ａ）は円筒形状の積層構造体１０を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体１１、１２を示す斜視図である。図１（Ａ）に示すような円筒状の積層構造体１０からその一部を環状に切り出し、図１（Ｂ）に示すように環状の供試体１１としてもよいし、環状の積層構造体をさらに円弧状に切り出し、円弧状の供試体１２としてもよい。
また、図２は本発明の実施形態における測定対象の他の一例を示す図であり、（Ａ）は球殻形状の積層構造体２０を示す斜視図で、（Ｂ）は供試体２１を示す斜視図である。図２（Ａ）に示すような球殻状の積層構造体２０から一部を切り出し、図２（Ｂ）に示すように円弧状の供試体２１としてもよい。
【００２１】
次いで、曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて、支持部材により供試体を支持する。そして、供試体の２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて供試体の層間応力を測定する。ここで、層間応力とは、層間引張応力又は層間せん断応力を含む。
具体的には、供試体の２つの支持点間に曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて、層間応力により層間剥離が生じたときの荷重を測定する。そして、この荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。荷重と応力との関係は、例えば特許文献１等に開示される理論式によって求めてもよいし、シミュレーションによって求めてもよい。
【００２２】
本実施形態によれば、強度評価対象である積層構造体から曲率を含む供試体を切り出して層間応力を直接測定する構成としているため、新たに平板状の供試体を作製して測定する場合に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
また、供試体の前記２つの支持点間に、曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加える構成としているため、層間応力以外の他の応力に影響されにくく最も効果的に層間応力を発生させることができ、確実に層間強度を評価することが可能となる。
【００２３】
また、本実施形態において、供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されるようにしてもよい。
このように、積層構造体の積層時に層間に人工欠陥を挿入しておき、この人工欠陥を含む供試体に対して強度評価を行うことによって、積層構造体製造時に発生する可能性の高い欠陥混入による強度低下に対しても積層構造体の健全性を評価することが可能となるとともに、構造体における許容欠陥の評価・確認を行うことも可能となる。なお、人工欠陥としては、例えばテフロンフィルム（テフロン：登録商標）が用いられる。
以下に、本実施形態の具体的な態様について説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図３は本発明の第１実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
本第１実施形態の測定対象は、一定の曲率を有する積層構造体であり、図１又は図２に示す供試体が好適に用いられる。ここでは一例として、図１（Ｂ）に示す円弧状の供試体１２を用いて説明する。この供試体１２は、曲率中心に対する２つの支持点間の角度が１８０°となっている。
【００２５】
第１実施形態に係る強度評価方法においては、積層構造体１０から切り出した供試体１２の両端部に支持点１２ａ、１２ｂを設定し、この支持点１２ａ、１２ｂを支持部材５、５でそれぞれ支持する。支持部材４、５は、それぞれ回動自在に構成されている。このとき、支持部材４、５は、供試体１２の支持点１２ａ、１２ｂ、及びこれら支持点間の中央部１２ｃの３点を通る面に垂直な回動軸４ａ、５ａを中心として回動することが好ましい。支持部材４、５による支持方法は特に限定されないが、支持点１２ａ、１２ｂを接着させて支持してもよいし、支持点１２ａ、１２ｂを把持してもよい。
【００２６】
供試体１２を支持部材４、５で支持した状態で、支持部材４、５により２つの支持点１２ａ、１２ｂ間に、両支持点を通る直線Ｌ上に作用する引張荷重を加える。具体的には、支持部材４、５により支持点１２ａと支持点１２ｂとを矢印Ａ、Ｂ方向にそれぞれ引っ張ってもよいし、いずれか一方の支持点１２ａ又は１２ｂを保持したまま、他方の支持点１２ｂ又は１２ａを矢印Ｂ方向又は矢印Ａ方向に引っ張ってもよい。
【００２７】
引張荷重を加えたとき、供試体１２には層間引張応力及び層間せん断応力が発生する。図４に示すように、層間引張応力は、主に両支持点１２ａ、１２ｂ間の中央部に発生し、図中矢印のように層間を引き離す方向に応力が生じる。図５に示すように、層間せん断応力は、主に両支持点１２ａ、１２ｂの近傍に発生し、図中矢印のように層間をずらす方向に応力が生じる。いずれか一方の応力が供試体の層間強度を上回ったときに、層間剥離が生じる。層間剥離が生じた位置又は状態に基づいて、層間引張応力であるか又は層間せん断応力であるかを判断するとともに、そのときの荷重を測定する。
【００２８】
そして、測定した荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。このとき、層間応力の種類（層間引張応力又は層間せん断応力）に応じて荷重と応力との関係を選定し、層間応力を求めるようにする。
【００２９】
ここで、図５及び図６に強度評価試験結果を示す。図５は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。図６は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向に対する層間せん断応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向に対する層間せん断応力を示すグラフである。なお、図７は強度評価試験における供試体の各寸法を説明する図である。ここでは、供試体１２の外周面の曲率半径をｒ０、内周面の曲率半径をｒｉ、板厚内の任意の点における曲率半径をｒ、板厚をｔとしている。
【００３０】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間引張応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向においても中央部が最も高くなる。また、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間せん断応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向において端部が最も高くなる。したがって、層間応力の種類を層間剥離位置から特定する際には、供試体１２の中央部に層間剥離が生じた場合には層間引張応力と判断し、供試体１２の端部に層間剥離が生じた場合には層間せん断応力と判断することが好ましい。
【００３１】
本第１実施形態においては、供試体の２つの支持点間に曲率が存在するため、２つの支持点間に引張荷重を加えることにより層間応力を発生させることができる。したがって、２つの支持点間に引張荷重をかけるのみで簡単に層間引張応力又は層間せん断を測定することが可能となる。さらにこのとき、引張荷重をかけると曲がっている供試体が延びて支持点が回転するが、本第１実施形態では２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持されているため、支持点が回転しても両支持点を通る直線上に引張荷重を加えることができる。
【００３２】
また、本第１実施形態において、供試体の曲率中心に対する２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることが好ましい。
このように両支持点間の角度範囲を設定することにより、２つの支持点間に効果的に層間応力を発生させることができる。ここで、２つの支持点間の角度範囲が９０°未満の場合、層間応力よりも供試体自体の引張応力が支配的となり、層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。一方、２つの支持点間の角度範囲が１８０°超過の場合、層間応力以外に曲げ応力等の他の応力が複雑に発生してしまい、やはり層間応力に関する有効な測定結果が得られにくい。
【００３３】
図８は本発明の第１実施形態に係る強度評価方法の変形例を示す図である。
この方法においては、図１（Ｂ）の環状の供試体１１を用いている。供試体１１の内周面に支持部材４’、５’を当接し、図中矢印Ａ、Ｂ方向に引っ張ることにより引張荷重を加えている。
環状の供試体１１においては、上記方法を用いることにより、供試体１１に対して簡単に層間引張荷重を加えることが可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係る強度評価方法を説明する図である。
本第２実施形態の測定対象は、第１実施形態と同様に、一定の曲率を有する積層構造体である。
【００３５】
第２実施形態に係る強度評価方法においては、水平方向に離間して配置される２つの支持部材６、７上に、供試体１２を上に凸の状態で載置する。ここで、供試体１２の２つの支持部材６、７で支持される部位が、供試体１２の２つの支持点１２ｃ、１２ｄとなる。このとき、供試体１２の支持点１２ｃ、１２ｄが回動自在なように、支持部材６、７に供試体１２を固定してもよい。これにより供試体１２の位置ずれを防止できる。
この２つの支持部材６、７で支持される２つの支持点１２ｃ、１２ｄの間に、２つの作用点８、９から図中矢印Ｃのように垂直下方に曲げ荷重を加える。２つの作用点８、９から与える荷重は同一である。
【００３６】
曲げ荷重を加えたとき、供試体１２には層間引張応力が発生する。図１０に示すように、層間引張応力は、主に両支持点１２ｃ、１２ｄ間の中央部に発生し、図中矢印のように層間を引き離す方向に応力が生じる。この層間引張応力が層間強度を上回ったときに、層間剥離が生じる。このときの荷重を測定し、この荷重を用いて、予め求めておいた荷重と応力との関係に基づいて、層間応力を求める。
【００３７】
ここで、図１１に強度評価試験結果を示す。図１１は強度評価試験結果を示すグラフであり、（Ａ）は板厚方向における層間引張応力を示すグラフで、（Ｂ）は周方向における層間引張応力を示すグラフである。なお、強度評価試験における供試体の各寸法は、上記の図７に示した通りである。
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、層間引張応力は、板厚方向において中央部が最も高く、周方向においては一定となる。したがって、周方向のいずれの位置においても、層間剥離が生じた場合には、層間引張応力と判断する。
【００３８】
本第２実施形態は、４点曲げ法を援用したものであり、上に凸の状態で供試体を２つの支持部材上に載置し、供試体の支持点間に２つの作用点により垂直下方の荷重を加えている。このように、支持部材上の２つの支持点間に曲げ荷重を加えることにより層間応力を発生させることができ、簡単に層間引張応力を測定することが可能となる。
【００３９】
また、上記の第１実施形態又は第２実施形態において、積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることが好ましい。
これにより、平板状の供試体を作製して強度評価していた従来の方法に比べて、簡単に且つ精度の高い強度評価を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
４〜７ 支持部材
８、９ 作用点
１０ 積層構造体（円筒形状）
１１、１２ 供試体
１２ａ〜１２ｄ 支持点
２０ 積層構造体（球殻形状）
２１ 供試体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、
前記積層構造体から前記曲率を含む供試体を切り出し、
前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて前記供試体を支持し、該供試体の前記２つの支持点間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて前記供試体の層間応力を測定することを特徴とする積層構造体の強度評価方法。
【請求項２】
前記積層構造体が一定の曲率を有しており、
前記供試体の前記２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持され、該支持部材により前記２つの支持点間に、両支持点を通る直線上に作用する引張荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力又は層間せん断応力を測定することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項３】
前記供試体の曲率中心に対する前記２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項４】
前記積層構造体が一定の曲率を有しており、
水平方向に離間して配置される２つの支持部材上に前記供試体が上に凸の状態で載置され、前記２つの支持部材で支持される前記２つの支持点の間に、２つの作用点から垂直下方に曲げ荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力を測定することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項５】
前記積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることを特徴とする１乃至４のいずれか一項の記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項６】
前記供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている前記積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項１】
曲率を有する積層構造体の層間強度を測定する積層構造体の強度評価方法であって、
前記積層構造体から前記曲率を含む供試体を切り出し、
前記曲率が存在する部位を間に挟んだ２つの支持点にて前記供試体を支持し、該供試体の前記２つの支持点間に、前記曲率が小さくなる方向に作用する荷重を加えて前記供試体の層間応力を測定することを特徴とする積層構造体の強度評価方法。
【請求項２】
前記積層構造体が一定の曲率を有しており、
前記供試体の前記２つの支持点がそれぞれ回動自在な支持部材で支持され、該支持部材により前記２つの支持点間に、両支持点を通る直線上に作用する引張荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力又は層間せん断応力を測定することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項３】
前記供試体の曲率中心に対する前記２つの支持点間の角度範囲が９０°以上１８０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項４】
前記積層構造体が一定の曲率を有しており、
水平方向に離間して配置される２つの支持部材上に前記供試体が上に凸の状態で載置され、前記２つの支持部材で支持される前記２つの支持点の間に、２つの作用点から垂直下方に曲げ荷重を加えて、前記供試体の層間引張応力を測定することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項５】
前記積層構造体は、マトリックス樹脂中に強化繊維が分散された複合材を用いてフィラメントワインディング成形により形成された円筒形状若しくは球殻形状の構造体であることを特徴とする１乃至４のいずれか一項の記載の積層構造体の強度評価方法。
【請求項６】
前記供試体は、人工欠陥が層間に挿入されている前記積層構造体から該人工欠陥を含む部位を切り出して作製されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層構造体の強度評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１３２８４０（Ｐ２０１２−１３２８４０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８６５０７（Ｐ２０１０−２８６５０７）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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