疲労評価

弊社では、破壊確率・信頼水準を考慮した設計強度評価や、積層材の疲労寿命推定など、複合材料の疲労評価についての取組を進めています。

計算例１：積層材料の疲労寿命の予測

疲労試験データ（UD材0度、45度および90度のSN線図）から積層材の疲労寿命を予想した例を示します。

方法

1. 各層に働く応力からSN線図とマイナー則により各層の寿命を求めます。
2. 最も早く寿命に到達する層を破壊（除去）する。残った層にはこの際の繰り返し分のダメージ量を加算します。
3. 残った層で応力を再分配します。
4. 1.～3. 3を繰り返し、全層が破壊されると最終的に積層材の疲労寿命（＝繰り返し数の合計）が求まります。

以上の手法により求めた積層材の寿命（グラフ：茶）と、試験により求めた積層材の寿命（グラフ：黄）を比較するとおおよそ一致しており、再現することができました。

計算例２：高圧タンクの疲労寿命に対する安全性評価

対象とするCFRP製の高圧タンクが設計基準「例：繰返し数 (N) が 10⁴回、破壊する確率 (Pf) が 10^-3以下（信頼水準 95％）」を満たすかを判定します。

方法

1. 高圧タンクの解析を行い、最大の引張応力値を得ます。
2. 疲労試験データから疲労プログラムを用いて S-N 線図を取得します。
   ここで S-N 線図は基準（破壊確率 Pf = 10^-3(信頼水準95%)）のものとします。
3. Goodman 線図を用いて設計寿命に対する安全性を評価します。

以上の手法を用いて、定格圧 60 MPa （引張応力の最大は 1640 MPa）の高圧タンクに対し、設計基準を満たすか判定します。

1. 圧力が 0 から定格圧 (60 MPa) まで変化する条件 (R=0) では：
   平均応力 820 MPa, 振幅 820 MPa. ⇒ 安全でない
2. 圧力が定格の半分から定格まで変化する条件 (R=0.5) では：
   平均応力 1230 MPa, 振幅 410 MPa. ⇒ 安全である