層間剥離 — CAE用語解説

複合材料の積層板で層と層の間の接着面（樹脂母材）がはく離する現象だ。炭素繊維は強いが層間方向の樹脂は弱くて、層間せん断応力や層間引張応力が材料の破壊靭性GICを超えると剥離が始まる。FEMでの解析手法はおもに2つ——①コヒーシブゾーンモデル（CZM: Cohesive Zone Model）：剥離が進む界面を特殊なコヒーシブ要素（トラクション-分離則）でモデル化する。②バーチャルクラック閉合積分（VCCT: Virtual Crack Closure Technique）：エネルギー解放率GをFEM結果から計算して破壊靭性と比較する。

コヒーシブ要素は厚さゼロの特殊要素で、トラクション（面力）と開口変位の関係（T-S則）で破壊を表現する。典型的にはT = (初期剛性)*delta（開口前）→ T_max（最大トラクション）→ GIC消費まで軟化→0（完全剥離）というバイリニアの形だ。T_maxと面積GICの2パラメータで特性が決まる——これらはDCB試験（Mode I）やENF試験（Mode II）から取得する。Abaqusのコヒーシブ要素（COH2D4、COH3D8）やPAM-CRASH/LS-DYNAのインターフェース要素がこれを実装している。

CFRPを使う構造では常にリスクがある。①航空機の翼スキン——バードストライクや衝撃で内部の層間剥離が目視では見えない形で発生する（Barely Visible Impact Damage: BVID）。②自動車のCFRPルーフパネル——成形時の残留応力や使用中の熱サイクルで剥離が進む。③風力発電ブレード——疲労荷重で根元の剥離が寿命の制限因子になる。航空では「剥離が発生しても残存強度が規定値以上」という損傷許容設計をFEM剥離解析で検証する義務がある。

VCCTは「き裂の先端が既に存在する」場合のエネルギー解放率評価に向いている——既存のき裂長さからGを計算して破壊進行判定をする。CZMは「どこから剥離が始まるかわからない」場合に向いている——インターフェース全体にコヒーシブ要素を配置して自然に剥離が始まる。実務では「き裂経路が既知なら VCCT（計算が安定・速い）、き裂発生位置も含めて解析するならCZM」という選択が多い。CFRPの有限要素解析では層間にコヒーシブ要素を薄く挟むモデリングが今の標準的なアプローチだよ。