高度な複合材料製造：ビーム曲げの基本
に到達する前にATL / AFPと複合材料を使用して製造された部品の強度を決定する材料と設定では、その強度に影響を与えるさまざまな側面の背後にある物理学と理論を理解することが重要です。このセクションでは、強力なATL / AFPパーツの基礎となる3つの概念について説明します。
ビーム曲げの基本
ATL / AFPパーツが100％カーボンファイバーになることはめったにありません。これは、最も力がかかるセクションのみを補強することで、コストと材料の節約に役立つためです。これが、ほとんどの複合部品がサンドイッチのように構成され、最も外側のセクションが複合材料であり、内部構造がコアである理由です。
コアの主な目的は、高価な炭素繊維で部品を構築することなく、部品を目的の厚さに増やすことです。では、シェルの厚さやコア密度は、部品の強度に大きく影響しますか？答えは、単純なビーム曲げ理論に由来します。
ビーム曲げ理論からの重要なポイントは、ビームの上面と下面が曲げられたときに最大の力を受けることです。これらの極端な部分に材料を追加するだけで、ビームの強度をその重量に対して最適化できます。可能な限り少ない材料を使用します。
次の図に示すように、橋のような単純な梁が両側で支えられており、重量がエンドサポートの中央にあるとします。
画像1：中央に重りがあり、2点で支持された梁の基本的な荷重ケース
このモデルを、ビームが経験する3つの接触点（1つは重量用、2つは重量用）に抽象化できます。サポート。これにより、このように三角形が形成され、接触点が頂点になります。
画像2：接触点を単純化すると、力が加えられる三角形が作成されます
ウェイトがこのビームに力を加えるとき、この三角形の構造に沿って力が分散することを想像してください。 2つの角度の付いたセグメントが圧縮され、水平セグメントに張力がかかります。
画像3：力は三角形の長さに沿って分散されます
力は三角形の長さに沿って分散されます。水平方向の力の大きさは、最終的にはビームの厚さに依存します。荷重が一定のままでビームが太くなると、三角形の底角が大きくなり、ビームにかかる水平方向の力が減少します。このようにビームを増やすと、サポートに加えられる力の角度がより垂直になることがわかります。
画像4：ビームが太くなると、三角形の高さが高くなります。したがって、力の分布が変化します
これらの角度が大きくなると、結果として生じる引張力は減少します。これは、太いビームは細いビームよりもはるかに簡単に重りの曲げ引張力に耐えることができることを意味します。太い梁は細い梁よりも多くの重量を支えることができるのが常識であり、この理論がその理由を説明しています。
ビーム曲げ理論に関連する側面は、曲げられたビームに最大の荷重がかかることを示しています。梁に加えられた曲げ力は、「中立軸」と呼ばれる、荷重がかからない梁の平面の両側の引張力と圧縮力に分解されます。
この場合、中立軸より下の材料は引張りで荷重がかけられ、中立軸より上の材料は圧縮で荷重がかけられます。
画像5：中立軸から離れるほど、結果として生じる力は大きくなりますこの情報は、梁の強度と重量を最適化する場合、材料がの上面と下面に最大の影響を与えることを示唆しています。一方、中央は比較的小さなせん断力に耐えます。
特にATL / AFPでは、繊維の各層がストランドのように動作するため、引張荷重は圧縮荷重よりも重要で最適化が容易です（これについては後で詳しく説明します）。
これは、円形およびボックスチューブ、Iビーム、およびTビームが構造で非常に一般的である理由を説明しています。最も高い応力が発生する場所にのみ材料を追加することで、重量を節約します。円形のチューブは、力がどこから加えられても、極端に2つの「表面」があるため、すべての側面からの荷重を処理できます。
ボックスは、4つの側面からの荷重を処理できます。これは、どちらの側から荷重が加えられても、反対側が張力を受ける準備ができているためです。ただし、Iビームは、両側からの極端な力しか処理できません。同様に、Tビームは、片側からの荷重が発生した場合にのみ効率的です。
画像6：構造梁のさまざまな断面
さまざまなタイプの梁は、ロードされると予想される方法に基づいて、さまざまな領域で材料を切断します。したがって、曲げの部品について考えるときは、次の2つのことを覚えておいてください。
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太いビームは、細いビームよりも強力です
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曲げの梁は、その面に最大の荷重がかかります
ビーム曲げの基本について説明したので、航空機の翼、船のマスト、さらには自動車のシャーシなどの重要なコンポーネントを設計することで、この理論をさらに発展させることができます。しっかりとした把握が確立されると、コンポジットの可能性はほぼ無限に広がります！
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