Design strategy for brittle crack arrest to achieve innovative crack propagation control
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22H00242
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴沼 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30611826)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 克幸 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10235939)
三目 直登 筑波大学, システム情報系, 助教 (10808083)
森田 直樹 筑波大学, システム情報系, 助教 (20789010)
川畑 友弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50746815)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
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| Keywords | 破壊力学 / 有限要素法 / 高速亀裂伝播 / 構造最適化 / 脆性破壊 / アレスト / 重合メッシュ法 / モデル化 / 亀裂伝播解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、「革新的亀裂伝播制御を実現する脆性亀裂アレスト設計戦略」により、構造体としてのアレスト性能を最大化する手段を示し、材料特性のみに特化した従来の脆性亀裂アレスト設計のあり方を根本的に革新する。具体には、「破壊シミュレータ」、「材料破壊抵抗同定手法」および「最適構造設計手法」を統合することで「脆性亀裂アレスト構造設計システム」を構築し、「実証実験」によりその有効性を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
破壊シミュレータの開発では、まず、有限幅の板構造を対象として、高速伝播する亀裂前縁の形状が時々刻々と変化することに対応した新たなローカルメッシュ生成のアルゴリズムを開発した。
また、構造表面部を超過するローカルメッシュの存在領域で亀裂前縁近傍における局所応力評価に大きな影響を与える数値計算上の誤差が生じることを明らかとしたが、それを解決するために、昨年度の成果を参照し、要素形状と独立に変位不連続を定義可能な拡張有限要素法の近似法をローカル要素の構造表面（つまりグローバルメッシュ境界）に実装することで、生じる誤差を効果的に解消する手法を開発した。
さらに、亀裂前縁形状を多項式関数で近似し、その係数および亀裂速度を未知数として、最急勾配法および黄金分割法を組み合わせた最適化手法を用いることで高速に伝播する亀裂の進展挙動を予測するための Application phase 解析の実行アルゴリズムを開発した。
開発した破壊シミュレータを用いて弾性樹脂PMMAで製作した試験片を用いた高速亀裂伝播・アレスト試験の再現を試みた結果、構造体の弾性振動による亀裂伝播速度の変動および亀裂停止位置に関して両者は良い一致を示し、開発したシミュレータの妥当性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
独自の最適化アルゴリズムを構築し、初めて3次元構造体の高速亀裂伝播挙動を再現・予測可能な数値解析のツールを確立したため。
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| Strategy for Future Research Activity |
重合メッシュ法の材料非線形問題への適用性拡大を検討し、弾塑性体を対象とした破壊シミュレータの開発を進める。
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Report
(3 results)
Research Products
(12 results)
