Investigation into damage/fracture mechanism of stiffened panels subjected to compression for risk assessment of hull-girder collapse

Research Project

Project/Area Number	22K04561
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 24020:Marine engineering-related
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	辰巳晃大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (60736487)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords	船体縦曲げ崩壊 / 座屈崩壊 / 延性破壊 / 損傷モデル / 流力弾塑性解析 / 座屈 / 損傷 / 破壊 / 縦曲げ崩壊 / リスク
Outline of Research at the Start	波浪荷重が船体の縦曲げ最終強度を超過した場合，船体が２つに折れ曲がる縦曲げ崩壊が生じる．その変形量が大きいと，船体表面にき裂が生じ，浸水・沈没に至る重大な事故に発展する．本研究では材料的な損傷・破壊を考慮しながら，船体の構造部材（防撓パネル）の座屈・最終強度後の挙動を数値シミュレーションおよび実験により明らかにする．これら部材レベルの解析・調査から得られる知見を活かし，波浪中における船体桁の縦曲げ崩壊を対象とした実用的なリスク評価法の開発を行う．
Outline of Annual Research Achievements	船体が縦曲げ崩壊する際に延性破壊が生じる箇所を推定することを目的に，非線形有限要素法を用いて純曲げ状態のボックスガーダおよび軸圧縮下の防撓パネルの座屈崩壊解析を行った．板が面内圧縮を受けて座屈を生じる際，座屈の有効幅部に高い応力が生じ，有効幅部が降伏することで最終強度を迎える．このとき，外板とガーダー（桁材）の交差部のように周辺の構造と比較して相対的に剛な箇所では，変形が拘束される影響によって有効幅部に高い塑性ひずみを生じることが分かった．板の座屈変形が成長するにつれて，板は圧縮荷重と垂直な面内方向（板の幅方向）に引張りを受ける．前述の桁材と板の交差部での塑性ひずみ集中により延性破壊が生じ，桁材に沿う方向に亀裂が成長する可能性が示唆される．以上の考察の検証を行うため，正方形板を用いてより詳細な座屈崩壊解析を実施した．桁材は十分に剛と仮定し，その位置で正方形板のたわみを支持した．板のモデル化にはソリッド要素を用いた．延性破壊のクライテリアにMMC（Modified Mohr-Coulomb criterion）を採用した損傷モデルを定義し，非線形有限要素法による座屈崩壊解析に考慮することで，板の座屈後の延性破壊の発生個所の推定を試みた．その結果，板の座屈後にたわみの支持部（＝桁材の近傍）で破壊が生じると推定された．このような亀裂の発生は別の研究で行われた防撓パネルの圧壊試験でも確認されている．本研究では，船体桁の波浪中での動的逐次崩壊応答を予測するための実用的な流力弾塑性梁モデルも開発している．2022年度は繰り返し荷重の影響を考慮した防撓パネルの平均応力－平均ひずみ関係を流力弾塑性梁モデルに導入した．コンテナ船を用いたケーススタディを実施し，大きな波が繰り返し船体に作用することで塑性変形が累積し，縦曲げ崩壊に至る可能性があることを示した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り，防撓パネルレベルでの損傷・破壊を考慮した詳細解析および船体桁レベルでの波浪中縦曲げ崩壊応答解析を実施し，いくつかの新たな知見を得た．よって，研究はおおむね順調に進展していると判断する．
Strategy for Future Research Activity	応力三軸度が小さい（＝ゼロ近傍の）応力状態では，せん断破壊によって破壊ひずみが低下すると言われている．延性破壊の推定に用いたMMCは，この現象を考慮できるよう導出されたクライテリアである．一方，自動車用の高張力鋼板を対象に行われた最近の研究では，応力三軸度がゼロ近傍の領域であっても，破壊ひずみが低下しないとの実験結果が報告されている．このように，応力三軸度がゼロ近傍での延性破壊挙動については明確になっていないと言える．そこで，2023年度に造船用鋼板（あるいはそれに準ずる鋼板）を対象に複数の応力状態での破壊ひずみを測定するための材料試験を計画する．また，座屈を伴った板の延性破壊挙動を実験的に観察するため，2023年度に角柱構造の試験体を設計し，2024年度に座屈崩壊試験を実施する． 2022年度はMonotonicな圧縮荷重下にある板の延性破壊挙動について研究した．本研究の対象である縦曲げ崩壊の場合，大きな圧縮（あるいは引張）を受ける部材は，その後の揺り返しによって，大きな引張（あるいは圧縮）を受ける可能性が高い．圧縮で座屈崩壊した後に大きな引張を受ける場合の防撓パネルの挙動についても研究を進める．