CFRP — CAE用語解説
CFRP
CFRPって「炭素繊維のプラスチック」ってことですよね？ 最近スポーツカーや自転車でよく聞きますが、鉄と比べてどのくらいすごいんですか？
定義
軽くて強いのは分かりましたが、CAEで解析するとき、普通の金属と同じようにヤング率を入力すればいいんですか？
そこが一筋縄ではいかない部分だ。CFRPは炭素繊維を方向ごとに積み重ねた積層板で、各層は繊維方向に非常に硬く（ヤング率130GPa超）、垂直方向は樹脂支配でずっと柔らかい（8GPa程度）。鉄ならE=210GPaの一値で済むが、CFRPは積層構成（例えば [0/±45/90]ₛ）に応じてABD行列という剛性を表す3×3ブロック3枚組を使って表現する。
CAEにおける位置づけ
積層の順番によっても特性が変わるんですか？ 設計の自由度が高い分、解析も複雑になりそうですね。
そうなんだ。例えば [0/90/0/90]ₛ という対称積層と [0/0/90/90]ₛ では総厚は同じでも曲げ剛性が大きく異なる。もう一つの難点が破壊モードの複雑さで、金属の「延性破壊一択」と違い、繊維破断・樹脂クラック・そして一番厄介な「層間剥離（デラミネーション）」が組み合わさる。
層間剥離って外から見えないのに強度が落ちるって聞きます。CAEでそれを予測できるんですか？
コヒーシブゾーン法（CZM）を使って剥離の発生・進展をFEMでシミュレートできる。層と層の界面にコヒーシブ要素を挿入して、界面の引張・せん断応力が破壊エネルギーを超えたら剥離が進む、という形でモデル化する。航空機の主翼スパーやフレームの設計では、落下衝撃後の内部損傷評価にCZMが標準的に使われている。
関連用語
CFRPと比較される材料や関連する解析手法を教えてください。
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