2017 Fiscal Year Research-status Report
超高速飛翔体衝突による材料の損傷進展の微視的過程に関するマルチフィジックス解析
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16K14499
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
相原 智康 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (00231100)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超高速飛翔体衝突 / 超高速変形 / 衝撃波 / 分子動力学法 / 塑性変形 / スペースデブリ / 金属 / ポリマー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スペースデブリ等を想定した超高速飛金属飛翔体（～10 km/sレベルの相対速度）と、金属ないしはポリマー被衝突体の衝突について、分子動力学法（MD）によるシミュレーションを行い、衝突に起因する超高速変形・弾性波伝播・破壊・相変化についてのマルチフィジックス解析を行った。
昨年度に比較して衝突方向に十分な厚さを有する金属被衝突体への金属柱状飛翔体の衝突のシミュレーションを行った。これにより、被衝突体を構成する金属により柱状飛翔体の侵徹の形態が変化すること、金属被衝突体が衝撃波・弾性変形領域・塑性変形による多結晶化領域・ランダム構造化領域の複合進展により変形・破壊することを明らかにした。また、原子構造全体の時空相関の定量解析を行い、衝突の前後で結晶中のフォノンの状態が大きく変化することを明らかにした。
上述の金属被衝突体の計算モデルは、高速変形と破壊の過程についての多くの情報を持たらすが、固体中を伝播する衝撃波面の形状は複雑であるため、衝撃波自体の詳細解析は困難である。そこで、本年度では新たに、完全な平面波の弾性波として発生・伝播する衝撃波のMDシミュレーションを行い、結晶面毎のマルチフィジックス解析により原子の変位・運動量ベクトルの局所的な時空相関を明らかにした。これらは、高速変形と破壊に関する原子レベルでのより深い理解をもたらすとともに、衝撃波を用いた爆着等の加工技術の進展について有益な知見をもたらすものである。
さらに、ポリマー被衝突体への超高速飛金属飛翔体についても、昨年度よりも大規模化したモデルに対してより高速な衝突シミュレーションを行い、被衝突体の変形に伴うポリマー分子の形状変化を定量解析した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算モデルとしては、計算手法の見直しにより1,000,000原子超の計算がPCで可能になり、被衝突体のサイズを十分なものにすることができた。また、60 nm強の全長を有する同一サイズの金属結晶同士の高速衝突モデルを持ちいることで、完全な平面波の弾性波として発生・伝播する衝撃波のMDシミュレーションの実施を可能とした。
解析方法としては、弾性波の原子構造全体の時空相関の定量解析として、MDシミュレーションから得られる時系列データの解析対象時間を適切に選定し、空間的な相関をみる方向を限定することで、角振動数と波数ベクトルの関数としての動的構造因子が有効であることが明らかとなった。昨年度に判明した、材料中で原子サイズよりは大きいが局所的な重心速度の影響を除外した各原子の変位・運動量を考慮した解析として、結晶面毎のマルチフィジックス解析を行い、結晶中の衝撃波の波束としての微細構造、衝撃波の反射・衝撃波同士の衝突とそれらによる衝撃波の微細構造の変化、衝撃波の正確な位置と速度、衝撃波通過前後の結晶の定量的な変形状態と精密な局所温度分布を明らかにした。また、所定の時刻0と任意の時刻tにおける末端炭素間距離自己相関関数を、各ポリエチレン分子の両端のC原子の相対位置ベクトルr(0)とr(t)の内積として新たに定義し、変形・破壊に伴うポリマー分子形状の時間変化を定量解析した。
本年度は、当初は予定していなかった完全な平面波の弾性波として発生・伝播する衝撃波のMDシミュレーションを行ったため、界面構造を含むモデルについての計算を実施するには至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本計算モデルにおけるマルチフィジックス解析として、解析対象物理量を材料中で原子サイズよりは大きいが局所的なサイズで、弾性力学および流体力学における力学量まで拡張して行い、分子動力学法の計算結果を弾性力学および流体力学の基礎方程式と比較する。これにより、原子系（質点系）における衝撃波構造が、両力学の特異点としての衝撃波構造とどのように異なるかを明らかにする。
金属結晶において、ユゴニオ弾性限界を超えた塑性変形領域における流体力学上の力学量を解析する。また、被衝突体のシールド材料としてのマクロな性質として、飛翔体の運動エネルギーの吸収率を評価する。
現在国際宇宙ステーション等におけるスペースデブリへのシールドとして利用されている金属とポリマーからなる複合構造について、超高速衝突のMDシミュレーションを行い、異種材料界面近傍での原子レベルでの変形・破壊挙動を明らかにし、シールド材料中での温度上昇による相変化や運動量の発生を積極的に利用し、超高速飛翔体の持つ運動量の相殺や効果的な分散がなされるシールドの構造について検討する。
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Research Products
(4 results)
