層間に柔軟インサートを挿入したCFRP 積層材振動特性の実測とFEM 数値解析

摘要

炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)とは樹脂を母材とし，繊維間に母材を含浸させて成形される繊維強化型の複合材料の１つである．母材には主に熱硬化性のエポキシ樹脂が用いられる．これを積層したものをCFRP 積層材と呼ぶ．CFRP 積層材は鉄鋼やアルミ合金といった一般的に用いられる金属材料に比べ，比強度，比剛性に優れており，極めて軽量であるという特徴がある．このことから，航空・宇宙，自動車やスポーツ用品などの分野において，安全性や燃費の向上が可能であるということで注目されており，今後，その需要は拡大していくと考えられる．しかし，CFRP は振動減衰能がそれほど高くなく，かつ高剛性のため，共振時の高応力によりCFRP 積層構造物が破損する危険性がある．また，人工衛星など宇宙分野で用いられるCFRP 積層構造物は，空気による振動減衰を見込めないため，材料による振動減衰能を向上させることが必要である．このような背景からCFRP 積層材の制振効果を高める手段としてその層間に柔軟な制振材を挟み込む方法が考えられてきた．柔軟な制振材(ダンピングシート)を層間に挿入することで，振動減衰能の向上だけでなく，共振や衝撃などによる損傷発生や機械的特性の低下を軽減することができると考えられる．これまでにも制振材を有するFRP 積層材の振動減衰特性に関する研究が進められており，例えば，藤本らは4 層アングルプライCFRP と制振材料から構成される制振構造材の伸縮振動下での減衰特性を明らかにした．一方，末益らはアングルプライ積層材の縦振動時の減衰特性を理論的に評価し，減衰効果の改善と板の細長比，材料特性，積層方法などとの関係を明らかにした．しかし，制振CFRP 積層材の配向角による制振材の制振効果の変化についてはまだ詳しくは調べられていない．また，CFRP および制振CFRP の弾性特性を有限要素法(Finite Element Method, FEM)数値解析を用いた最適化解析を用いて実測結果にフィッティングさせて同定する手法についてもこれまで詳しく検討されてこなかった．