結合力要素法に基づく接着継手強度の推定と混合モード下における接着継手の破壊じh性評価

摘要

炭素繊維複合材料やアルミ合金などの比重の小さい素材を適材適所に配置するマルチマテリアル設計が航空機や自動車分野に広がり，それに伴って接着接合に関心が高まっている。接着接合は部品を一体化させ荷重を伝達する重要な役割を担う。このため機械構造の設計において，個々の部品と一体化構造の安全性をそれぞれ保障することが重要になる。実際に接着継手を設計するには，実部品やそれを簡略化した試験片で強度実験を行い，継手形状や接着面積などが決定される。機械部品の安全性を確保するため，設計変更と実証試験の試行錯誤が続き，開発を困難にしている。これらの課題を解決する設計支援ツールとして近年では有限要素法などによる構造解析が普及し設計業務に貢献している。構造解析により接着強度を簡易的かつ精度良く予測しその結果を設計に反映させることが期待されている。接着継手の破壊形態は，接着剤の特性や接合表面の状態により，接着層の破壊（凝集破壊）と被着体と接着剤の界面破壊で大別できる。接着継手は継手に生じる応力が端部近傍で高くなり応力特異性が存在する。接着剤と被着体で機械的特性が著しく異なり，応力勾配が急激に変化する領域において破壊メカニズムを明らかにすることは困難で，シミュレーションでこれらを細部まで正確に解くことは現実的ではない。これに対し，継手端部で生じた微視的損傷が累積し，き裂に成長して接着層内部に進展すると仮定し接着強度を予測する取組みが行われている。このような破壊力学的なアプローチが接着継手の強度予測で普及し，様々な接着継手の破壊現象の解明に貢献している。本稿では，接着継手の強度推定手法として利用が拡大している結合力要素法（Cohesive element method)を用いたシミュレーションについて概説し適用事例を述べる。また，結合力要素を用いた解析に対し精度向上に有効な，混合モード下における破壊じh性試験の原理と適用事例を述べる。