統計的に類似した代表体積要素を用いた不連続繊維複合材料の数値材料試験

Numerical material testing for discontinuous fiber composites using statistically similar representative volume elements.

• Takashi Sasagawa
• Masato Tanaka
• Ryuji Omote
• Daniel Balzani

抄録

統計的に類似した代表体積要素(SSRVE)を用いた計算的均質化に基づいて不連続繊維複合材料(DFC)の機械的特性を予測するための計算手法を提案する。SSRVEは、統計的手法に基づいて実構造の複雑さを低減することで得られる。具体的には、対象とする微細構造のパワースペクトル密度とSSRVEのパワースペクトル密度の差で定義された目的関数を最小化することで構築される。本論文では、目的関数を整数設計変数で再構成した拡張構築手法を提案する。提案手法は、実材料であるガラス繊維強化ナイロン6の表現に適用した。その結果、SSRVEを用いた数値材料試験により計算された機械的性質が実験結果と一致することがわかった。このことから、提案手法を用いることで、複合材料の非線形力学特性を実験結果と特別な校正を行わなくても適切に予測できることがわかった。

A computational method is proposed in order to predict mechanical properties of discontinuous fiber composites (DFCs) based on computational homogenization with statistically similar representative volume elements (SSRVEs). The SSRVEs are obtained by reducing the complexity of real microstructures based on statistical measures. Specifically, they are constructed by minimizing an objective function defined in terms of differences between the power spectral density of target microstructures and that of the SSRVEs. In this paper, an extended construction method is proposed based on the reformulation of the objective function by integer design variables. The proposed method is applied to the representation of a real material, namely glass fiber reinforced nylon 6. The results show that the mechanical properties computed by numerical material tests using the SSRVEs agree with experimental results. Therefore, it is found that the nonlinear mechanical properties of the DFC can be suitably predicted by the proposed method without any special calibration to experiments performed on the composites.