高速飛翔体の衝突におけるCFRPの3D-DIC解析/HPV-X2

炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic：CFRP)は，複合材料の中でも特に比強度・比剛性に優れています。そのため，軽量化による燃費向上を目的に，航空機や一部の輸送機で使 用されています。しかし，優れた力学特性を示すのはCFRP積層板の繊維方向に限った場合であり，繊維と直行方向や層間の強度は低いことが知られていま す。輸送機での使用を考えると，雹や飛び石などによる積層板の面外から(層間)の衝撃負荷が加わることがあります。そのため，高速飛翔体の衝突試験は，非 常に重要な試験となっています。ここで，衝突試験後のCFRP積層板に外傷が確認できなくても，層間の強度が低いために内部で損傷していることがありま す。そのため，CFRPの衝撃特性を評価するためには，衝撃時にCFRP積層板がどのように変形して，どのような内部損傷を発生させたのかを確認する必要 があります。
試験体のひずみ分布を測定するにはDIC解析が有効であり，3次元的なひずみ分布を測定するためには2方向からの同期撮影が必要になります。今回は，高速 飛翔体の衝突によるCFRPの変形を2台の高速度ビデオカメラを使用して，3D-DIC解析により評価した例をご紹介します。

※DIC解析
物体表面のランダムパターンを物体変形前後で比較し，パターンの移動量を調べる手法。今回ランダムパターンは白スプレーを用いて作製。

Fig.1 撮影の様子

Fig.2 真空チャンバ内

Table 1 撮影装置

 

高速度ビデオカメラ	HPV-X2　2台
レンズ	200 mm望遠レンズ　2個
照明	ストロボ　2台
DIC解析ソフト	VIC 3D

Table 2　撮影条件

 

撮影速度	50万コマ/sec
露光時間	500 ns
衝突速度	330 m/sec，450 m/sec
衝突体	Φ4 mm 鋼球
試験片	CFRP縫合材 t 3.2 mm

■測定システム

Fig.1に試験の様子を，Fig.2に真空チャンバ内の様子を示します。鋼球発射装置により発射された鋼球は，真空チャンバ内に設置されたCFRP試験片に衝突します。真空チャンバ正面の左右にはそれぞれ観察窓が設けられており，観察窓を通して鋼球衝突時の様子を2台の高速度ビデオカメラHPV-X2にて撮影しました。得られた撮影画像は，DIC解析ソフトVIC 3D(Correlated Solutions社 )を用いて3D-DIC解析を行いました。使用した撮影装置をTable 1に示します。

■測定結果

鋼球の衝突速度は，330 m/secと450m /secに設定して，撮影を行いました。Fig.3に衝突速度330 m/secにおける撮影動画，Fig.5に3D-DIC解析結果(鋼球打ち込み方向の変位)を示します。鋼球はCFRP試験片を貫通せず，Fig.5の 1～5にかけて衝突点を中心に変形範囲が広がり，鋼球打ち込み方向の変形量が増加していく様子が確認できます。その後，画像10にかけて変形範囲と変形量 の両方が減少している様子が確認できます。Fig.4に衝突速度450 m/secにおける3撮影動画，Fig.6にD-DIC解析結果(鋼球打ち込み方向の変位)を示します。衝突速度450 m/secでは，鋼球はCFRP試験片を貫通し，Fig.5と同様に衝突点付近の変形量が増加していく様子が確認できます。しかし，変形範囲は衝突点付近 に限られ，貫通しない場合と比較して小さいことがわかります。

Fig.5 撮影結果 (衝突速度330 m/sec，画像間の時間間隔は20 µm)

 

Fig.6 撮影結果 (衝突速度450 m/sec，画像間の時間間隔は10 µm)

データ提供：名古屋大学田邊研究室

■まとめ

今回，2台の高速度ビデオカメラHPV-X2を用いて，CFRP板に鋼球を衝突させたときの変形量を3D-DIC解析を実施して測定しました。その結果，鋼球が貫通した場合と比較して，貫通しない場合は変形範囲が広く，広く損傷している可能性があることがわかりました。3D-DIC解析を行うには，2方向からの同期撮影画像が必要ですが，HPV-X2では容易に同期撮影することができ，CFRPの衝突試験の評価に役立てていただくことができます。