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うのすけごみぶち
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1 平成 3 年 1 月 1 日日本における超高速衝突実験の現状と将来展望於神戸大学惑星科学研究センター飛翔体衝突による CFRP の 3 次元変形挙動の計測 - 材料の静的特性との関連性を求めて - 名古屋大学大学院工学研究科化学生物工学専攻工学研究科附属複合材工学研究センター 1 / 19

2 話の内容装置 ( 段式軽ガス加速装置 ) p. 衝突速度 7~18m/s 内部応力と内部歪計測 p. 3-6 エネルギー吸収能と繊維配置との関係 p. 7-8 現時点の現象論的まとめ p. 9 変形の定量的計測 p 衝突速度 18m/s / 19

3 実験装置段式軽ガス加速装置 4 m 通常 1.5 km/s 以下で利用発射管 φ7mm 火薬量 5g 以下飛翔体試料直径 4mmスチール球 (E i =1J~5J) 一辺 65mm~7mmの角柱 (W =.5~.1kg) 3 / 19

4 応力歪計測 CFPR 試料 Gauge specimen Strain gauge Stress gauge Strain gauge Stress gauge Projectile Strain Stress Strain z y x 試料 Epoxy resin adhesive 治具にセットした黒鉛材料計測概念図 4 / 19

5 応力歪 σ x Stress / GPa ε y Strain / % XU 131 m/s 中密度 16 14低強度 1 1低弾性 TU 1164 m/s 低密度 16 14高強度 1 1中弾性 YH As-received 18 m/s Elapsed time / μs 18高密度 16 14中強度 1 1高弾性応力と歪みの同時計測 YH Removed (Non) m/s 表面処理は応力と 1 歪みを大きくする様に作用する.5 繊維の特性は圧力に大きく影響低界面強度 ( 左と比較 ) 5 / 19

σ x Stress / GPa ε y Strain / % 応力歪 ( 樹脂 ).5.4.3.

Elapsed time / μs σ x Stress / GPa ε y Strain / %.5.4.3.

6 σ x Stress / GPa ε y Strain / % 応力歪 ( 樹脂 ) Vi= 16 m/s A (T=mm ) 16m/s D(T=mm ) 16m/s 5 1 Elapsed time / μs A (T=mm ) 16m/s D(T=mm ) 16m/s 5 1 Elapsed time / μs σ x Stress / GPa ε y Strain / % Vi 78 m/s A (T=6mm ) 776m/s D(T=6mm ) 798m/s 5 1 Elapsed time / μs A (T=6mm ) D(T=6mm ) 776m/s 798m/s 5 1 Elapsed time / μs 延性樹脂脆性樹脂 : 強度 74MPa 弾性率.8GPa : 強度 6MPa 弾性率 1.1GPa 高速度域では樹脂の違いによる相違が認められないしかし低速域では異なる可能性が高い試料厚の効果は? 6 / 19

7 破壊様相の裏面のその場観察 XU6 Vi = 945 m/s TU6 Vi = 97 m/s YH6 Vi = 833 m/s 表面処理あり XN5 T7S YSH5A 衝突後 4μs 前後 XU Vi = 314 m/s TU Vi = 311 m/s YH- Vi = 313 m/s YH-OO 表面処理あり衝突後 5μs 前後 YH-MH 表面処理なし Vi = 153m/s Vi = 15m/s 強化繊維や織り方によって裏面の破壊開始時の様子が異なる 7 / 19

8 Absorbed energy Eab / J エネルギー吸収能 8 Critical perforation line 6 4 IU6, SU6 Ballistic limit of XU Plugging fracture zone Impact velocity Vi / ms T7Sを前面あるいは中面 T7S を後面 TU6, OU6 T7S 未使用 mm 試料 1 Impact energy Ei / J 吸収エネルギー YU6, YH6 6mm 試料 Fluid fracture zone TU6, TU OU6, OU IU6, IU SU6 XU YU6 YH6, YH Fiber Strength (MPa) Modulus (GPa) Strain (%) Fracture energy (μj) Density (g cm -3 ) XN T7S YSH5A Absorbed energy Eab / J Impact velocity Vi / ms XU TU YH- YH-MH 1 Impact energy Ei / J 後面に引っ張り破断エネルギーの小さな繊維を配した試料のエネルギー吸収能は低い 8 / 19

9 まとめ ( 現時点での現象論的な ) 樹脂では衝突速度 8m/s 以下において歪み速度の影響が顕著になる CFRP の衝突において繊維の表面処理は応力歪みに影響を及ぼす応力波の透過反射と関係があると考えている CFRP のエネルギー吸収には前面に配した繊維が寄与している後面に高強度品を配すると高くなる試料の変形が関係? 飛翔体の運動エネルギーは貫通に密接に関係している飛翔体寸法が同じ場合貫通速度よりも十分に速い衝突速度領域では試料が吸収するエネルギーはほぼ一定であり損傷の程度も類似しているこの速度域でも準静的な特性でも整理ができる変形挙動の影響? 9 / 19

10 変形の定量的計測 Impact test Projectile V i CFRP P.J. Hazell and G. Appleby-Thomas, Composite Structures, 91, (9). 飛翔体衝突による試料の変形が関係変形の定量的計測が必要 1 / 19

11 3 次元計測原理ステレオ投影エピポーラ幾何学 X P Image 1 Image p1 p 次元計測を元に 3 次元化 Epipolar plane x1 x C1 C Epipolar line Camera center 次に示すキャリブレーション板を用いてカメラ特性カメラ配置幾何を校正 11 / 19

12 3 次元計測キャリブレーション板試料表面のスペックルパターン mm Subset ドット間隔 : 5 mm 計測面積カメラ分解能 7 mm 6 mm 31 6 pixels 1 pixel 1 pixel 角 5-pixel 毎に移動計算範囲 5 mm 5 mm 使用ソフト Correlation Systems, VIC-3D 1 / 19

使用したガス加速装置 Sample holder Chamber Projectile Velocity measurement system Sabot stopper 衝突実験 Electromagnetic valve Compressor 飛翔体 φ6-suj 3D 計測の機器配置

13 使用したガス加速装置 Sample holder Chamber Projectile Velocity measurement system Sabot stopper 衝突実験 Electromagnetic valve Compressor 飛翔体 φ6-suj 3D 計測の機器配置 High-speed cameras Specimen Launching tube Projectile 衝突速度 175 m/s 島津製作所 HPV-1, 撮影間隔 1 μsec (1,, fps) Flash light sources Observation windows 13 / 19

14 試料 A-QI [45//-45/9]s PLY A-CP [/9]4s 試料寸法 7 mm 7 mm. mm 14 / 19

15 側面観察側面計測における機器配置 Specimen Launching tube 試料 Projectile 最大変形高さ飛翔体 Flash light sources High-speed cameras 3 次元計測法の妥当性を検証 15 / 19

16 Z-axis [mm] 次元計測の妥当性検証 Z-axis [mm] Time [μsec] Result of the 3D measuremen of A-QI (175m/s) Result of the side-view measurement of A-QI (181m/s) Aboslute value of discrepancy (mm) A-CP A-QI Time (μs) 偏差 :1μm 以下 Time [μsec] Result of the 3D measuremen of A-CP (177m/s) Result of the side-view measurement of A-CP (185m/s) 16 / 19

17 A-QI [45//-45/9]s 3 次元計測 (1) A-CP [/9]4s 最外層の繊維配向最外層の繊維配向最外層では繊維の配向に沿って膨らみが生じている Z Y X 17 / 19

18 3 次元計測 () Z-axis [mm] crack generation Time [μsec] crack generation A-QI A-CP 亀裂が発生するまでの最大変形高さの推移試料各取得画像における最大変形高さ 3D picture 貫通限界速度域 [m/s] A-QI A-CP A-QI: 変形が時間的に長く続きかつ変形量も大きいこのことが貫通限界速度域が高くなった要因変形挙動が重要定量的な 3 次元計測から変形量の大きな CFRP が貫通限界速度が高いことが確認できた 18 / 19

19 御清聴ありがとうございました主な出展 International Journal of Impact Engineering, 8 (3) International Journal of Impact Engineering, 8 (3) Nuclear Instruments and Methods in Physical Research, A646 (11) 19-6 日本複合材料学会誌 ( 印刷中 ) 19 / 19

スペースプラズマ研究会-赤星.ppt

スペースプラズマ研究会-赤星.ppt 14 1 1 1 1 Pauline Faure 1 1 2 3 (1: 2: JAXA 3: IHI) IHI (C)(No.21560819) ISAS(JAXA) ISO TC20/SC14 / (Spall) 60~90% 2 (Cone) 1% (Jetting) CDV11227 Committee Draft for Comments CDV11227 Witness plate Sabot

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