円筒状3次元き裂を含むポリエチレン電気融着継手の破壊力学的研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09650102
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 齋藤 憲司 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 教授 (20027775)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀 靖仁 産業技術短期大学, 助手 (10269889) ; 荒木 栄敏 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助教授 (60222741)
• Keywords: 破壊力学 / 破壊じん性 / ポリエチレン / 電気融着継手 / 応力拡大係数 / 有限要素法 / クリープ

Research Abstract

延性,可撓性に優れるポリエチレン管は,はからずも阪神大震災においてその耐震性が実証され注目を集めている管材である.このポリエチレン管の継手として用いられる電気融着継手は,構造上管末端に若干の不融着部が生じ,これが破壊起点となっている.このため,この不融着部をき裂と見なした破壊力学的な検討を行う必要がある.今年度はこの円筒状3次元不溶着き裂の応力拡大係数に及ぼす継手寸法やき裂長さの影響を明らかにした.また,破壊靭性試験については昨年度より高温側での試験を行った.さらに,昨年度のクリープ試験による構成式を用いて,切欠き周りのクリープひずみの変化をUpdated Lagrange型の有限要素法を用いて解析した.その結果,
1, 不融着き裂の応力拡大係数K_IとK_<II>は,管径Dで無次元化した継手部厚さt/Dの増加につれて減少するが,これが0.3を越えるとその減少割合は緩やかとなった.融着長さl/Dの増加につれてK_<II>は減少するが,K_Iは一定となった.不融着き裂長さaの増加についれてK_Iは増加する傾向にあるが,K_<II>はa/D=0.15で最小値を示す下に凸状の挙動を示した.これより,K_<II>を最小にする最適な不融着長さが存在することがわかった.
2, -150℃から-120℃における破壊靭性試験を行った結果,この温度範囲では荷重-変位曲線の最大荷重点に至るまでにき裂の進展か見られた.き裂進展時の荷重を用いて平面ひずみ破壊靭性値K_I_Cを求めた結果,K_I_Cは温度の増加につれてほぼ直線的に減少した.K_I_Cの最小値は3.47MPam_<1/2>であった.(1)の解析結果から,継手の最大負荷内圧でのK=√<K^2_I+K^2_<II>>の値は0.45MPam_<1/2>であり,これと比較すると安全率は7程度となることがわかった.
3, 単軸クリープ試験から得られたBailey-Norton型の構成式を用いて,Up-dated Lagrange型の有限要素法によりクリープ過程における切欠き先端の変形挙動を解析した結果,切欠き先端の相当クリープひずみは時間とともに増加するという傾向にあり,またその大きさは切欠き半径が減少するにつれて増加することがわかった.

Research Products

• [Publications] Y.Hori: "Evaluation of Creep Behavior of High Density Polyethylene" Proc.of the international conference on ADVANCED POLYMER,COMPOSITE MATERIALS,PROCESSING AND APPLICATIONS. 148-153 (1997)
• [Publications] Y.Hori: "Studies on Fracture Mechanics Design of Electro-Fusion Joint Made of High Density Polyethylene" Proc.of the Asian Pacific Conference on Fracture and Strength. (1999)