C (12)
E1 2(1 +γ1 2)
表2-5に解析に使用した材料定数， 荷重の種類， および板の寸法の一覧を示す. 荷重 は切欠平板の引張りおよび面内曲げで， 板の寸法は先に示した材料の場合と同じである.
図2-20に切欠底付近の相対弾性応力分布を示す. これは試験片の長軸が主軸1. すな わち材料の縦弾性係数が最も高い方向に一致する場合である. ( a)は引張りの場合で，
(b)は面内曲げの場合である. 図に示すように， 切欠深さαが切欠半径ρ以上の範囲 で， 切欠底の最大弾性応力Omaxと切欠半径ρが同じであれば， 切欠底付近の相対弾性 応力分布は切欠深さと無関係にほぼ同じとみることができる. 最小断面幅が6および3 8 の場合も同様の結果が得られ， a / pがl以上の範囲で， 相対応力分布は切欠底の最大弾 性応力σmaxと切欠半径pが同じであれば， 切欠底の最小断面幅とも無関係にほぼ同じ である. さらにα/ρがl以上の範囲では， 引張りおよび面内曲げにおける相対弾性応力 分布は互いによく一致している.
図2 -21に切欠底付近の相対弾性応力分布(32)を示す. これは試験片の長軸が主軸l 軸方向から450 傾いた方向， すなわち縦弾性定数が最も低し、方向に一致する場合である.
図に示すように， a / pがl以上の範囲では切欠底の最大弾性応力Omaxと切欠半径ρが 同じであれば， 切欠底付近の相対弾性応力分布は切欠深さと無関係にほぼ同じとみること ができる. 図には最小断面幅が18の場合を示しているが， 最小断面隔が6および36 の場合も同様の結果が得られ， α/ρがl以上の範囲では， 相対応力分布は切欠底の最小 断面幅ともほぼ無関係である. さらに， a / pがl以上の範囲では， 引張りおよび面内曲 げにおける相対弾性応力分布は互いによく一致している.
図2 -20および2-21より明らかなように， 試験片の長軸が主軸lと一致する場合と，
主軸l軸方向から45。 傾いた方向に一致する場合は切欠底付近の相対弾性応力分布は異 ずよる.
- 43
-P=1， 2b=18
a a pl D』
FU FU
・4 300
6QU・-204 一一一一一一
内ζ円ζ
EレUPUロ
X伺gh〕
1.0
o. 5
× ; b\b
o. 5
。。
U/P (
a
)引狼りが作用する場合角u au DI D
pu pu つdnu nu・4
6QU・門〆』nU』斗一一一一一一
nζnd
EUG
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X司Eh)
nu
× \0 b E
\
b
O. 5
。。 O. 5
U/P (b)面内曲げが作用する場合
直交異方性切欠平板の切欠底付近の相対応力分布(8 = 0。
図2 -20
1.
0
rミh'-Jl伊サ jt::)
/α/p=o. 1 O. 2 O. 3×
、、む\ / ///0.
6� ε b
\
ba a
p p pu pu っ.vnunu
FじUPU 円ζ円ζ 一一一一一一 204 -・QU -バ斗ハhU
0
0 O. 5U/P ( a)引張りが作用する場合
nu
au 会U Di Dt pu pu
っ.ununu -An『
氏uno-ハ〆』nUAU『一一一一一一円ζ内ζEUG
×2 b \ b
O. 5
5
。
。 O. 5 1.0
U/P (b)面内曲げが作用する場合
図2 -21 直交異方性切欠平板の切欠底付近の相対応力分布(8 = 450 )
45
これらの解析結果は異方性が顕著な材料であっても， 切欠深さが切欠半径以上の範囲で，
切欠底付近の応力場が切欠底の最大弾性応力と切欠半径で決まり， 切欠深さ， 板幅および 荷重の種類(ヲ|張りと面内曲げ)と無関係であることを示している. したがって切欠きを もっ異方性が顕著なFRP板に対しても先に提案した破壊基準および損傷基準が成り立つ ことが予測される.
2-4 結言
異方性が顕著なFRP切欠平板に対して， 線形切欠力学の概念に基づく破壊基準および 損傷基準を提示し， これらの基準の妥当性を理論的に検証するために， 切欠きをもっ直交 異方性板の切欠底付近の応力解析を有限要素法を用いて， (1)両側に切欠きをもっ板の 引張り1 (2)両側に切欠きをもっ板の面内曲げおよび(3 )中央に円孔をもっ板の引張 りについて行った. 得られた結果を以下に示す.
( 1 )異方性が顕著な直交異方性材料の場合， いずれの方向に引張りが作用しても切欠深 さが切欠半径以上の範囲で、切欠底付近の応力場はそれぞれの方向で， 切欠底の最大 弾性応力と切欠半径で決まり， 切欠深さや板幅と無関係である.
( 2 )異方性が顕著な直交異方性材料の場合， いずれの方向に面内曲げが作用しでも切欠 深さが切欠半径以上の範囲で切欠底付近の応力場はそれぞれの方向で， 切欠底の最 大弾性応力と切欠半径で決まり， 切欠深さと無関係である.
( 3 )異方性が顕著な直交異万性材料の場合， 中央に円孔をもっ板に引張りが作用すると き， 円孔径と板幅の比が0.25以下の範囲で円孔縁の応力場は円孔縁の最大弾性応 力と円孔の半径で決まる.
(4)異方性が顕著な直交異方性材料の場合で・あっても， それぞれの方向に引張りまたは 面内曲げが作用する切欠平板の切欠底付近および円孔をもっ板の円孔縁付近の応力 分布は上記(1)) (2)， (3)の条件のもとでほぼ一本の曲線で表される.
( 5 )以上の解析結果は異方性が顕著な材料で・あってな 切欠底付近の力学的状態、の厳し さは切欠底の最大弾性応力と切欠半径で決まり， 切欠深志板幅および荷重の種類
(ヲ!張りと面内曲げ〉と無関係であることを示している. すなわち， 異方性が顕著
な材料に対してもここで提案した破壊基準および損傷基準が成り立つことが予測さ れた
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第3章 イ共試材料および実験方法
3-1 緒言
現在FRPは多くの分野で使用され， その用途も多岐にわたっている(1 )・ (2) 使用さ
れるFRPも強化材， マトリックス樹脂およびその強化機構を組み合わせることによって 種々のFRPがある.
本研究の目的は， 異方性が顕著なFRP切欠平板に対して第2章で提案した破壊基準お よび損傷基準を適用し， その有効性を明らかにすることである. このため供試材料として は既にJISで規定され広く使用されているものおよびその材料とは力学的な異方性が顕 著に異なるものの2種類のFRP板を使用した. 強化材は現在使用量の大部分を占め， 今 後も汎用FRPとして大量に使用されると考えられるガラス繊維を用いた. マトリックス 樹脂には寸法安定性， 耐熱性に優れた熱硬化性樹脂と最近注目を集めているリサイクルが 可能で成形性に優れた熱可塑性樹脂の2種類を使用した. 強化機構は2章でFEMの解析 に用いた2種類に対応させて， 一方向に強化したものとガラス布で強化したものを用いた.
これら二種の材料は， マトリックスおよびガラス繊維の構造と配列が 互いに異なり， この ため力学的な挙動および異方性の程度は互いに顕著に異なる.
これらのFRPを用いて静荷重試験および疲労試験を行った. 静荷重試験は， 2章で切 欠底(または円孔縁〉付近の応力解析を行った項目に対応して， 両側に切欠きをもっ板の 引張試験および面内曲げ試験， 中央に 円孔をもっ板の引張試験を行った. 疲労試験は両側 に切欠きをもっ板の平面曲げ疲労試験および片振り引張疲労試験を行った.
本章では， 供試材料， 試験装置および実験方法について記述する.
3-2 供試材料
3-2-1 ガラス布基材エポキシ樹脂積層板
本研究に用いた材料は， 熱硬化性樹脂積層板として]ISK 6912で規定されているガラ ス布基材エポキシ樹脂積層板( JIS記号:EL-GEM)である. このFRP板は電気・
- 51
-回国N
図3 - 1 F R P (JIS記号: EL-GEM)の断面写真
300 r � e = 90。
虫
。。 EL-GEM
I!
v75・。 200
t5atn コJ 2 150 100
-H E GaH
Uロ J J
コ 50
。
。 2 4 6 8 10
Strain ε %
図3-2 平滑試験片の引張応力一ひずみ線図
表 3 - 1 ガラス布基材エポキシ樹脂積層板の機械的性質
切り出し角度 破断点 縦弾性係数
。 応力 ひずみ (ひずみ0.4%まで)
MPa % GPa
265 1. 23 28. 3
150 210 1. 66 21. 2
300 177 4. 97 17.7
45。 182 8. 82 14. 3
6r 189 4. 84 17.2
75。 216 1. 60 22. 2
90。 292 1. 05 28. 2
円4υFhd
機械用に市販されており， 寸法安定性に優れた材料である. 材料の寸法は長さ2 m， 幅
1 m， 厚さ2 mmである. 図3 - 1に板の長手方向に垂直な断面を示す. 約8枚のガラ ス布で厚さ2 mmの板が 構成されている. ガラス布は無アルカリガラスの糸の平織りで，
その密度 (本/25 mm )は縦25， 横2 4 である. このガラス糸は約800 本のガラス繊 維から なり， 単繊維の直径は約0.01 mmである.
ガラス糸は板の長手方向と幅方向に配列されている. 板の 切り出し角度によってその引 張特性は異なり， 異方性が顕著な材料である. 各切り出し方向に切り出した平滑試験片の 引張応力一ひずみ線図を図3-2に示す. ここで ， e = 0。 は板の長手方向と一致させて 切り出した場合である. 表3- 1にそれぞれの 方向に切り出した試験片の機械的性質を示 す. ここに示すように， 機械的性質はθ= 0。 と900 ， 15。 と750 ， 300 と60。 でほ ぼ等しく， e = 450 でほぼ対称になっている. ここに示す縦弾性係数E (ひずみ0.4 % まで )は2章の表2-5に示したものである. 先に示したように， FEMに用いた材料2 の材料定数を代入して得られた各切り出し角度での縦弾性係数と実験値は よく一致 してお
り(図2 -1 9) ， この 材料は2章で計算に用いた材料2に対応すると考えられる. 試験片 は2章でFEM解析を行ったe = 0。 および450 方向に沿って切り出した.
3-2 -2 短繊維ガラス強化ポリカーボネート板
短繊維ガラス強化ポリカーボネート板 (以後GF/PCと記述する〉として， エンジニ アリング・プラスチックの 一つであるポリカーボネート (PC)をマトリックス樹脂とし，
それを短繊維ガラスで一方向に強化 した射出成形板を使用した. 図3-3に供試材料の寸 法と構造を示す. 板の寸法は長さ270 mm， 幅70 mm， 厚さ3 mmである. 板の長手 方向をe = 0。 とし， 板の 幅方向を90。 とした. 板の長手方向に垂直な断面(A 1)と幅 方向に垂直な断面(B 1)を示す. ここに示すように， ガラス繊維の大部分は板の長手方 向に並んで いるが ， 板厚の中心部分ではガラス繊維は板の 幅方向に並ぶ傾向がある. しか しその領域は板厚3 mmに対して約0.1 mm以下の範囲である. ガラス繊維はEガラス で， 直径は約O.013 mmである. ガラス繊維の体積含有率は画像解析装置を用いて2値 化処理を行い， 面積法(3 ) で測定した. 得られた板全体の平均体積含有率は30 %である.
マトリックス樹脂がポリカーボネートであることを考慮、して， 130oC， 5時間保持の熱