Q＆A 2020.09.10 島津製作所 村上 講演
高精度CAE解析を実現するための材料評価事例・技術紹介
Q : X線CTデータからモデル作成の部分の詳細が知りたかったです。
A : CTスキャンで奥行方向に複数枚撮影したデータに対して，画像処理によって材料界面を抽出して，stl形式の3次元モデルに変換するためのソフトウェアが存在します。今回のプレゼンテーションでは，そのツールとしてSimplewareを使った例を紹介させていただきました。これらの画像処理は手動で実施することはほとんど不可能ですので，何らかの画像処理ツールを併用することがほとんど必須です。
Q : CTで実物をモデル化した方が実測とほぼ同様の歪-応力のデータを取得できたとのご報告でしたが，具体的にCAEにあらかじめ搭載されているモデルと何が違ったのでしょうか。
また，最後にCFRPハットフレーム材の結果をご報告いただきましたが，各面に10チャンネルひずみゲージを貼り付けたことで得られた知見が何か教えていただけませんか。
A : CAEにあらかじめ搭載されているモデルと実測モデルとの違いは，繊維・樹脂の体積比(含有率)です。搭載モデルと比較して実測モデルの方が繊維体積が大きく，解析結果もこれを反映して剛性(弾性率)が高いという解析結果(数値は実測と同様の値)が出ておりました。 CFRPハットフレーム材に用いたランダム配向型熱可塑性CFRPは破壊エネルギー吸収性に優れた材料です。圧縮圧盤の接触近傍付近から逐次破壊を生じており，その影響で異なる部位に設置されたひずみゲージの出力値に差異が生じています。複雑構造体のCAE解析結果の妥当性を確認するには，このような局所部位のひずみ値について，実測と解析値の比較を実施する事が有効であると考えています。
Q : 既存のAGS-XにDICシステムを取り付けられるでしょうか? また，当方は基板メーカーですが，基板材料に対してDICで測定する利点はあるでしょうか?
A : 基本的に可能です。ご評価希望内容をお聞きした上で適切なソリューションをご提案させていただきます。基板材料につきましては熱処理前後の基板材料中の残留ひずみ等を計測される場合，積層材料につきましては層間せん断特性を評価される場合にご活用いただけると考えています。
Q : 引張試験においてCAEモデル1は弾性率があきらかに低かったです。これは複合材料における炭素繊維の含有率が実際の物よりも低かったということですか？一般的にCAEモデルを検討する場合，炭素繊維含有率から理想的なプリプレグを想定して作るため，今回のモデル2と比べモデル1の方が高くなると思います。
A : コメントをいただきました通り，炭素繊維の含有率が低かったことが原因でございました。
Q : ハット型の試験片をひずみゲージでの測定としていましたが，DICで行っていない理由があればお教えください。
A : 3次元DIC計測システム等を用いれば同様の測定が可能です。今回ご紹介した事例につきましては，3次元DIC計測システムと比較して試験系の構築難易度が低く，ひずみ解析条件の検討やデータ処理に時間を要さないという利点から，弊社製品標準オプション品として販売させていただいている多チャンネル機能のご紹介をさせていただきました。
Q : DIC解析についてもう少し詳しく知りたかったです．
A : ご意見ありがとうございます。今後，検討をさせていただきたく思います。
Q : webinarの質問でもさせていただきましたが，織物の引張試験で解析モデル1とモデル2で結果に差がありましたが，原因はどのようなことが考えられますか？事前の設計ではモデル2を用いると思いますが，こちらは実験とも差が大きく，設計に余裕を持たせる必要があると感じました。
A : CAEにあらかじめ搭載されているモデルと実測モデルとの違いは，繊維・樹脂の体積比(含有率)です。搭載モデルと比較して実測モデルの方が繊維体積が大きく，解析結果もこれを反映して剛性(弾性率)が高いという解析結果(数値は実測と同様の値)が出ておりました。
Q : 曲げ強度，曲げ弾性率を測定する方法を紹介してほしい。また実績があれば，その内容を紹介してほしい。
A : ご意見ありがとうございます。今後，検討をさせていただきたく思います。
Q : CFRPに接着した格子シールや歪みゲージの接着剤はどのようなものでしょうか。また，その接着剤の妥当性（試験中にずれなどがないか，破壊挙動を妨げないかなど）は検証されましたでしょうか。
引張試験CAEでのモデル1とモデル2は繊維のうねりの再現性が異なるだけでしょうか。
A : ＞格子シールの件
弊社標準販売製品に関する内容となっておりまして公開をさせていただく事ができません。
＞歪ゲージ
株式会社共和電業様から販売されている接着剤CC-33A，表面処理剤S-9Bを使用しています。今回のご紹介事例で用いていたCFRPはマトリクス樹脂にナイロンを使用しており，接着不良を想定していなかったために接着剤の妥当性は検討しておりません。ただ，難接着素材の試験におきましては，接着剤の妥当性を評価するために，歪みゲージの出力値，弊社で販売させていただいている接触式伸び計，非接触式伸び計等の複数の計測装置の数値比較することで，同等の値が得られている事を確認し，接着剤の選定を実施した過去実績等もございます。
＞引張試験CAEでのモデル1とモデル2は繊維のうねりの再現性が異なるだけでしょうか。
うねりの再現性に加え，繊維・樹脂の体積比(含有率)が異なっておりました。
Q : (1)射出成型したFRTPのCAE解析の精度向上に関しては，どのように材料物性を評価すれば良いのでしょうか。 (2)歪計測システムは，平面TPだけでなく，3次元形状の製品に対しても精度良く適用可能でしょうか。
A : (1)に対する回答
解析に使用されているアプリケーションツールや，解析モデルによって適用できる材料物性値は状況が異なると考えております。ただ，方向性といたしましては，変形に大きく寄与している変形モード(引張，圧縮，面内せん断，面外せん断，面外引張)を破壊後の試験片等から推測し，ここからご希望のCAE解析内容に適した物性値をご検討いただくのが良いと考えます。射出成型品につきましては，短繊維を使用されているのであれば樹脂と繊維の界面接着強度等がCAE解析の再現性向上に大きく影響してくるかもしれません。また，射出成形時にウェルド，ボイド等が発生する事が想定される材料を取り扱っておられるようでしたら，これを想定・状況を組み込んだCAE解析モデルを作成いただく必要がある可能性もございます。
(2)に対する回答
現状，この度ご紹介した事例に使用していた歪計測システムにつきましては2次元(平面)計測にしか対応しておりません。
Q : 今回のCAEモデルとしては，XCTからのモデルと，ANSYSの標準モデルでの比較で，
実際の試験結果 ＞ XCTモデルCAE結果 ＞ ANSYSモデルCAE結果
となっていましたが，積層設計（繊維配向）を把握している場合に，そこそこ忠実なCAEモデルを作った場合には，より実際の試験結果に近づくのでしょうか？ それとも，繊維を直線化してしまっては，全く異なる結果になるのでしょうか？ 何か事例ありましたら，ご教示お願いいたします。
A : ＞積層設計（繊維配向）を把握している場合に，そこそこ忠実なCAEモデルを作った場合には，より実際の試験結果に近づくのでしょうか？
今回の事例につきましては，忠実なCAE解析モデルを作成した場合は実際の試験結果にさらに近づくと考えております。
＞それとも，繊維を直線化してしまっては，全く異なる結果になるのでしょうか？
今回の事例は試験片面外方向に炭素繊維のうねりがある事を想定した解析モデルを適用しています。炭素繊維を直線化する場合などは都度，最適なモデルを活用しなければならないという認識がございますが，弊社の方では実績がございません。コメントをいただいた内容につきましては，今後，弊社で新たなソリューションを開発する際の参考，課題とさせていただきたく思います。
Q : 現在，オートグラフのビデオ伸び計を使用しております。 ご紹介にありました歪み分布可視化シールですが，それを購入するだけで，測定できますでしょうか。別途，ソフト購入必要でしょうか。 また，平面以外の測定は可能でしょうか。
A : Strain-Viewは現状，AGX-Vおよびこれに付属するデータ処理ソフトTRAPEZIUMX-V上で動作するソフトウェアとなっております。現状，2次元(平面)計測にしか対応しておりません。
DIC解析につきましては，特注となりますが，弊社側で固定治具およびレンズ，ソフトウェアの追加手配をさせていただければ現在ご使用中のビデオ伸び計にて同様の評価を実施する事が可能です。
Q : 格子法を用いたひずみ測定は曲面に対して適用できないでしょうか。
A : 現状，2次元(平面)計測にしか対応しておりません。
Q : 格子法は，試験機本体かトラペジウムのオプション等として，すでに販売されているのでしょうか？（そのように聞こえたように思いましたが，確認させてください）
カメラまで含まれますか？ カメラは各自で用意 でしょうか？（こういう聞き方をしたうえですみませんが，導入予定があるわけではなく，興味の段階です）
また，取れるのは面内変形だけでしょうか？
A : 既に販売させていただいております。カメラも含めたシステムとしてご提供させていただいております。 現状，2次元(平面)計測にしか対応しておりません。
Q : 今回はハット型のCFRTPの試験(静的試験)が例として示されていましたが，実際の衝突特性等の整合性はどのように考えたら良いのでしょうか。CAEの合わせこみも含めて，今回のような静的試験で再現できるのか，別の試験が必要なのか知りたいです。
A : 衝撃破壊の再現を検討する場合は衝撃軸圧潰試験を実施し，実測とCAE解析の比較を行う必要があると考えています。ランダムCFRTPの衝撃軸圧潰事例は次回開催予定のウェビナー「複合材料の新たな設計勘所と試験評価技術の最先端 」において，CAE解析事例を国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 松尾剛 様にご講演いただく予定です。
Q : CT画像データは局所情報なので，どれほど構造全体の情報を反映できているか，またその影響やばらつき幅の情報があるとありがたいです。構造材パーツ形状まで考えると興味あります。
A : この度の評価事例につきましてはご指摘いただいた内容までは評価を実施できておりませんでした。今後実施するソリューション開発活動の参考とさせていただきたく思います。
Q : 織物の引張試験のCAE解析で，モデル1とモデル2で差がありますが，その原因は何でしょうか？
A : 炭素繊維の含有率が低かったことが原因でございました。
Q : DICと格子法の違いについては，どのように考えられますか？
A : 格子法につきましては広義の意味合いではDIC解析と同様，画像相関法に区分される計測技術です。
両者の違いは，サンプル面内に設置するマーキング形状を毎計測時に同様にできるかどうかという点にあると考えています。弊社が採用している格子法測定システムにつきましては，格子の大きさ，形状について厳密に品質管理がなされたシール状の製品を試験片面内に設置する形態をとっています。そのため，使用者やその時々の条件差に左右されず，全ての計測において同様の結果が得られるという特徴がございます。
DIC解析につきましては，試験片面内に塗布するランダムパターンの塗布条件を毎試験において同様にすることは難しく，その時々で塗布したランダムパターンの大きさ等が異なるという状況が生じてしまいます。DIC解析において最適計測を実施するための解析条件はランダムパターンの性状等に影響を受けると言われており，常に同様の計測精度を担保する事にはこの点を考慮しながら計測に臨まなければなりません。ただ，ランダムパターンは塗布する際の塗料ノズルの工夫等により，非常に微小なサイズのパターンをサンプルに塗布できるために微小領域の計測が実施できる事，パターンの大型化も実施しやすく，大型構造体の変形解析にも柔軟に対応できるという格子法になり利点もございます。
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