塑性変形を考慮した粒子系解析法の構築とマクロ解析法との結合

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650084
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 森 謙一郎 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (80127167)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原田 泰典 豊橋技術科学大学, 工学部, 助手 (30218656) ; 牧 清二郎 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (20124315)
• Keywords: 粒子系解析法 / 粉末成形 / 粉末粒子 / 塑性変形 / 有限要素法 / 多孔質体

Research Abstract

最近複合材料,傾斜機能材料,金属粉末射出成形材などの製造において,粉末粒子レベルで制御を行って製品の特性および機能を向上させることが検討されている.しかしながら,有限要素法などの連続体力学に基づく解析法では,粒子レベルのミクロな挙動が取扱えないため,粒子レベルでの製造条件を検討することができない.粒子レベルでの挙動を解析するために,個別要素法,粒状要素法などの粒子系解析法が提案されている.しかしながら,従来の粒子系要素法は粒子の単純な弾性変形しか取扱うことができなく,粒子の形状が変化する塑性変形を考慮することはできない.
圧粉成形における粉末粒子レベルの微視的なシミュレーション方法を,多孔質体の有限要素法を基礎として提案した.この方法では,個々の粒子の接触を従来の粒子系解析法と同様に判定し,接触した粒子の中心を結ぶことによって有限要素法における要素を生成し,多孔質体の有限要素法で計算を行った.従来の粒子系解析法では,粒子が大きく塑性変形すると単純な剛性を仮定していたため計算誤差が大きくなるが,有限要素法を導入することによって粒子の塑性変形に対する剛性の精度を向上することができた.
本解析法を用いて平面ひずみ圧粉成形のシミュレーションを行った.粉末粒子を多数の円形粒子でモデル化し,粒子どうしの接触を求める.接触している粒子の中心を結んで有限要素法の要素を生成し,粒子間の粒子と空隙の体積から要素の相対密度を求め,その相対密度を持つ多孔質体の変形を粒子間の変形として近似して有限要素法の計算を行った.本解析法の計算精度を評価するために,金属捧材を用いたモデル実験を行い,ほぼ一致する結果が得られた。