[論文レビュー] The effect of tow gaps on compression after impact strength of robotically laminated structures

Andrew Rhead, Tim Dodwell+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2013

Mechanical Behavior of Composites参考文献 16被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、ロボットで積層された複合材料構造における tow ギャップが衝撃後圧縮（CAI）性能に与える影響を調査する。衝撃試験、非破壊評価、無限ストリップモデルを用いて、非衝撃面に近い tow ギャップがデラミネーション領域を小さくし、サブラミネートの座屈とデラミネーションの成長を抑制することにより、自動繊維配置（AFP）で製造された航空宇宙用複合材料の損傷耐性を向上させることを示している。

ABSTRACT

When (robotic) Automated Fibre Placement (AFP) is used to manufacture aerospace components with complex three dimensional geometries, gaps between fibre tows can occur. This paper is the first to explore the interaction under compressive load of these tow gaps with impact damage. Two coupons with different distributions of tow-gaps were impacted. Results indicated that the area of delamination is smaller for an impact directly over a tow gap where the tow gap is situated close to the non-impact face. Subsequent Compression After Impact (CAI) testing demonstrated that both the formation of sublaminate buckles and subsequent growth of delaminations is inhibited by the presence of a tow gap near the non-impact face. Non-destructive testing techniques and a computationally efficient infinite Strip model are used to analyse the damage resistance and damage tolerance of the coupons. A new validation of the Strip model is also presented.

研究の動機と目的

• ロボットで製造された複合材料構造における tow ギャップの損傷抵抗性および耐損傷性への影響を分析すること。
• tow ギャップの配置が圧縮荷重下でのデラミネーションの進行とサブラミネートの座屈に与える影響を評価すること。
• tow ギャップを有する積層複合材料における損傷進展を予測するための無限ストリップモデルの妥当性を検証すること。
• 非破壊試験手法がギャップに影響を受けるラミネートにおける衝撃誘発損傷の特徴を特定する有効性を評価すること。

提案手法

• ロボットによる自動繊維配置（AFP）を用いて、異なる tow ギャップ分布を有する2つのコラムを製作した。
• 衝撃試験により損傷を誘発し、その後圧縮後衝撃（CAI）試験を実施して残留強度を評価した。
• 非破壊試験手法を用いてデラミネーション領域と損傷形状を評価した。
• 無限ストリップモデルを用いて損傷進展をシミュレート・予測し、新たな検証手法を提示した。
• 実験結果とモデル予測を比較して、精度および適用可能性を評価した。
• 非衝撃面からの tow ギャップ配置の統計的・幾何学的分析を実施し、配置と損傷応答の相関関係を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非衝撃面に近い tow ギャップが存在する場合、衝撃荷重後のデラミネーション領域にどのような影響を及ぼすか？
• RQ2 圧縮荷重下で tow ギャップがサブラミネートの座屈とデラミネーションの成長をどれほど抑制するか？
• RQ3 無限ストリップモデルは、tow ギャップを有するラミネートにおける損傷進行を正確に予測できるか？
• RQ4 tow ギャップの空間的分布が、AFPで処理された複合材料構造全体の損傷耐性にどのように影響するか？
• RQ5 衝撃を受けたコラムにおける tow ギャップ位置と残留圧縮強度の関係は何か？

主な発見

• 非衝撃面に近い tow ギャップが存在する場合、衝撃が直接その上に作用した場合、デラミネーション領域が顕著に小さくなった。
• 非衝撃面に近い tow ギャップの存在が、圧縮荷重下でのサブラミネートの座屈形成を抑制した。
• 非衝撃面に近い tow ギャップは、圧縮荷重下におけるデラミネーションの成長速度を低減した。
• 無限ストリップモデルは損傷進展の予測能力に優れており、新たな検証手法によりその信頼性が確認された。
• 非破壊試験は損傷の広がりと分布を効果的に捉えており、品質評価におけるこれらの手法の有用性を裏付けた。
• 本研究は、tow ギャップを戦略的に配置することで、AFPで製造された航空宇宙部品の損傷耐性を向上させられることを確認した。