3 章 で は ， 汎 用 有 限 要 素 法 プ ロ グ ラ ム ANSYS を 用 い て Type-3 容 器 と ，Type-4 容 器 の 応 力 解 析 を 行 い ，100MPa 作 用 時 の 繊 維 応 力 と 応 力 分 布 を 明 ら か に す る こ と で ， 以 下 の 結 論 が 得 ら れ た ．
(1) Type-4 容 器 は ， ラ イ ナ ー の 強 度 が 低 く 破 裂 圧 力 を 分 担 で き な い た め ，Type-3 容 器 と 比 較 し CFRP 層 を 増 厚 す る 必 要 が あ る ． し か し な が ら ，CFRP 層 の 積 層 構 成 を 変 更 す る こ と で ， 破 裂 圧 力 100MPa を 満 足 で き る 見 通 し を 得 た ．
(2) Type-4 容 器 で 最 大 繊 維 応 力 発 生 部 を 容 器 円 筒 胴 部 と す る た め に は ， フ ー プ 層 や 高 角 度 ヘ リ カ ル 層 に て ， 容 器 境 界 部 の 強 度 を 向 上 さ せ る 必 要 が あ る こ と が 確 認 さ れ た ．
(3) 高 角 度 ヘ リ カ ル 層 を 積 層 す る こ と で ， 設 計 破 裂 圧 力 100MPa を 作 用 さ せ た 際 の CFRP の フ ー プ 層 の 繊 維 応 力 が 最 も 小 さ く な る こ と が 確 認 で き た ．
(4) 容 器 D 及 び 容 器 E は ， 破 裂 試 験 に お け る 破 裂 圧 力 と 起 点 の 基 準 の 両 方 を 満 足 で き る 見 通 し を 得 た ．
55
55
表3.1 FEM解析を行うモデルの種類
Model No Liner
(Thickness ) CFRP
(Thickness) GFRP
(Thickness) Total number of
elements Total number of nodal points Vessel-A
（Type-3） AL
1.5 mm Hoop + Helical
4.00 mm Hoop + Helical
0.78 mm 144106 71628
Vessel-B
（Basic model） HDPE
2.0 mm Hoop + Helical
4.00 mm Hoop + Helical
0.78 mm 109982 112643
Vessel-C
（Modified model_1） HDPE
2.0 mm Hoop + Helical
4.41 mm Hoop + Helical
0.78 mm 87667 100768
Vessel-D
（Modified model_2） HDPE
2.0 mm Hoop + Helical
4.41 mm Hoop + Helical
0.78 mm 113207 115373
Vessel-E
（Modified model_3） HDPE
2.0 mm Hoop + Helical +High angle helical
4.36 mm Hoop + Helical
0.90 mm 86014 130804
Border
98
Cylindrical part
350 Head dome
503
Bottom dome
55 Border
図3.1 Type-4容器のメッシュ図
Unit：mm
56
56 図3.2容器A（Type-3容器）の解析モデル
474
25 10
表3.2容器A（Type-3容器）の積層構成 Liner AL1 layer2 layer3 layer1 layer2 layer 2.0 mm1.85 mm1.85 mm0.3 mm0.56 mm0.22 mm -90°±18.8°90°±14.2°90°
CFRPGFRP Thickness Fiber angle
138.36 Φ
Unit：mm
57
57 図3.3容器B（Type-4容器Basic model）の解析モデル
20
503 364 86.5
35 表3.3容器B（Type-4容器Basic model）の積層構成 Liner HDPE1 layer2 layer3 layer1 layer2 layer 1.5 mm1.85 mm1.85 mm0.3 mm0.56 mm0.22 mm -90°±18.8°90°±14.2°90°
CFRPGFRP Thickness Fiber angle
138.36 Φ
Unit：mm
58
58 図3.4容器C（Type-4容器Modified model_1）の解析モデル
20 Φ
503 355 91.5
35 Φ Liner HDPE1 layer2 layer3 layer1 layer2 layer 1.51.37 mm2.36 mm0.68 mm0.56 mm0.22 mm -±18.4°90°±18.4°±14.2°90°
CFRPGFRP Thickness Fiber angle
表3.4容器C（Type-4容器Modified model_1）の積層構成
139.18 Φ
Unit：mm
59
59 図3.5容器D（Type-4容器Modified model_2）の解析モデル
20 Φ
503 372 82.5
35 Φ Liner HDPE1 layer2 layer3 layer1 layer2 layer 1.51.37 mm2.36 mm0.68 mm0.56 mm0.22 mm -±18.4°90°±18.4°±14.2°90°
CFRPGFRP Thickness Fiber angle
表3.5容器D（Type-4容器Modified model_2）の積層構成
139.18 Φ
Unit：mm
60
60 図3.6容器E（Type-4容器Modified model_3）の解析モデル
139.32 Φ 20 Φ
503
70.5 400
35 Φ 表3.6容器E（Type-4容器Modified model_3）の積層構成 Liner HDPE1 layer2 layer3 layer4 layer5 layer1 layer2 layer 1.50.30 mm1.20 mm0.33 mm1.55 mm0.98 mm0.65 mm0.25 mm -90°±65°±18.4°90°±18.4°±14.2°90°Thickness Fiber angle
CFRPGFRP Unit：mm
61
61
図3.7 高密度ポリエチレン（HDPE）の応力-ひずみ線図
表3.7 HDPEの材料物性値
Longitudinal elastic modulus E 0.59 GPa
Poisson's Ratio ν 0.46
σ0 7.30 MPa
R0 22.8 MPa
R∞ 9.5 MPa
b 50.0
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5
Stress（MPa）
Strain（%）
62
62 Stress(MPa)
Strain (%)
表3.8 AL合金の物性値
Longitudinal elastic modulus E 68.9 GPa
Shear elastic modulus G 25.9 GPa
Poisson's ratio ν 0.33
Yield strength 290 GPa
Plasticity coefficient 520 GPa
表3.9 真鍮の物性値
Longitudinal elastic modulus E 103.0 GPa Shear elastic modulus G 38.1 GPa
図3.8 アルミニウム合金の応力-ひずみ線図
Elastic region Plastic region
63
63
表3.10 炭素繊維，ガラス繊維，エポキシ樹脂の材料物性値
Carbon Fiber
Longitudinal elastic modulus ELf 240. GPa
Transverse elstic modulus ETf 13.8 GPa
Sheare elastic modulus GLTf 8.96 GPa
Shear elastic modulus GTZf 4.82 GPa
Poisson's ratio νLTf 0.20
Poisson's ratio νTZf 0.43
Glass Fiber
Longitudinal elastic modulus ELf 86.0 GPa
Transverse elastic modulus ETf 86.0 GPa
Shear elastic modulus GLTf 35.0 GPa
Shear elastic modulus GTZf 35.0 GPa
Poisson's ratio νLTf 0.23
Poisson's ratio νTZf 0.23
Epoxy Resin
Longitudinal elastic modulus Em 3.55 GPa
Poisson's ratio
ν
m 0.34Shear modulus Gm 1.32 GPa
64
64
表3.11 CFRPとGFRPの物性値 CFRP層
(Helical)
CFRP層
(Hoop，High angle Helical) GFRP層
Longitudinal 162. GPa 179. GPa 48.9 GPa
Transverse 8.16 GPa 9.00 GPa 10.0 GPa
Transverse 8.16 GPa 9.00 GPa 10.0 GPa
Shear 3.95 GPa 4.55 GPa 4.08 GPa
Shear 2.84 GPa 3.13 GPa 3.57 GPa
Shear 3.95 GPa 4.55 GPa 4.08 GPa
Poisson's ratio 0.24 0.23 0.27
Poisson's ratio 0.44 0.44 0.40
Poisson's ratio 0.24 0.23 0.27
Volume fraction 𝑉𝑉𝑓𝑓 0.67 0.74 0.55
LC
E
TC
EC
EZ LTC
GC
GTZ ZLC
G C
vLT TZC
v
ZLC
v
65
図3.9 容器の拘束条件 X，Y，Z方向に完全固定
66
図3.10 Z軸回りに任意の角度αで回転させた座標系
X
Y Y 1 ＝ T
X 1 ＝ L Z 1 ＝ Z
α
α
α
67
図3.11 容器A（Type-3）のCFRP層の応力分布 Cylindrical part
Head dome Bottom dome
68
図3.12 容器B （Basic model） のCFRP層の応力分布 Cylindrical part
Head dome Bottom dome
69
図3.13 容器C（Modified model_1）のCFRP層の応力分布 Cylindrical part
Head dome Bottom dome
70
図3.14 容器D（Modified model_2）のCFRP層の応力分布 Cylindrical part
Head dome Bottom dome
71
図3.15 容器E（Modified model_3）のCFRP層の応力分布 Maximum CFRP stress part
Cylindrical part
Head dome Bottom dome
72