Development of fracture mechanics model for innovative structural-material crack arrest design

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01354
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 粟飯原 周二 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10373599)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 克幸 東京大学, 人工物工学研究センター, 教授 (10235939) ; 柴沼 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30611826) ; 川畑 友弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50746815)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 破壊力学 / 脆性破壊 / き裂伝播 / 数値モデル

Outline of Annual Research Achievements

本研究は大型コンテナ船をはじめとする溶接構造物における脆性破壊を防止する技術を確認するための基礎研究で、特に、脆性き裂伝播の制御を対象とする。
これまでに多くの脆性き裂伝播の研究がなされてきたが、実構造部材の脆性き裂伝播の制御に適用するには問題が残されていた。本研究者を含むこれまでの科研費研究において、数十年来未解決であった長大き裂問題（小型試験の結果と部材レベル大型試験の結果が一致しない）を解決したものの、対象は平板構造で材料（厚鋼板）も均質なものに限定されていた。実際の溶接部材は3次元形状で、かつ、母材から溶接部にわたって強度・靭性が不均一である。また、脆性き裂伝播特性とミクロ組織因子との関係も不明確のままである。
かかる観点から、本研究では複雑3次元形状を有し、かつ、材質不均一を有する溶接構造部材における脆性き裂伝播と停止の挙動を再現できる数値モデルを開発すること、及び、結晶粒レベルの脆性き裂伝播を再現できる数値モデルを開発することを目的として、研究を開始した。
初年度は、3次元形状部材における脆性き裂伝播をモデル化するための基礎的研究を行い、き裂前縁形状が3次元的に変化する場合のモデル化の基礎を確立した。また、結晶粒レベルのき裂伝播モデルについては、X-FEMを用いてき裂が順次伝播、拡大することを再現できるモデルの基礎を確立した。
実験的検討は順次進めたが、次年度以降に集中的に実施する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

数値モデル開発は当初予定どおり進捗した。実験も順次進めたが、一部は鋼材調達遅れの影響もあり、次年度に持ち越したものもある。
初年度であり、論文投稿、及び、学会発表はなかったが、今年度成果も含めて次年度以降、公表していく予定である。

Strategy for Future Research Activity

3次元形状を有する部材における脆性き裂伝播モデルの開発においては、材質不均一の影響、溶接残留応力影響、及び、鋼板表面における塑性拘束緩和影響などを取り込んで、より現実的なモデルにしていく。結晶粒レベルのき裂伝播モデルの開発においては、結晶粒間に存在する段差が延性破壊を生じる現象など、より実際に近いモデルにしていく。
上記の数値モデルは実験による検証が必要であり、次年度は実験室レベルの脆性き裂伝播試験を行う。
論文投稿、学会発表を行い、成果を公表するとともに、対外的な意見も取り入れる。