高時間分解能画像計測と高次PDS-FEMを用いたき裂分岐についての検討

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06545
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 沖中 知雄 近畿大学, 理工学部, 准教授 (90298985)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Maddegedar a.L. 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20426290)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: き裂分岐 / PDS-FEM / 画像計測

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではき裂の分岐挙動について実験と数値解析による検証を行う計画である．
実験では超高速ビデオカメラと光弾性手法を組み合わせた動的光弾性手法を用いて，き裂先端部の挙動とき裂先端部近傍の応力場を可視化し，画像計測を行う予定である．き裂の分岐は高速かつ局所的に発生する現象であるため，高時間分解能かつ高空間分解能な画像計測手法の開発を目指す．平成29年度は7mmの初期き裂をもつ120mm×140mm×3mmの薄板供試体に引張荷重を載荷し，初期き裂から進展したき裂の分岐挙動の画像計測を行った．初年度は光弾性手法を用いた応力場の可視化は行わず，き裂分岐挙動の検討のみを行っている．その結果，空間分解能0.025mm/pixel，時間分解能1μ秒での画像計測に成功した．計測結果から，進展するき裂面の凹凸の凸部から進展を開始した部分き裂が供試体表面に進展した後に供試体板厚方向にも進展し，貫通亀裂に成長することが分かった．このことから，厚さ3mmの薄板供試体中でもき裂の分岐はき裂面の3次元挙動が重要であるといえる．その一方，き裂挙動の詳細を検討するためには時間分解能1μ秒では十分ではなく，より高い時間分解能が必要であることが分った．
数値解析では，動的な高次PDS-FEM法を用いたき裂分岐の数値解析を試みる計画である．本年度は開発された動的高次PDS-FEM法の精度を検証する目的で，分岐を伴わないき裂進展問題への適用が試みられた．比較の対象を得る目的で分岐を伴わないき裂の進展実験を行い，進展開始前後のき裂先端部の挙動とき裂先端部近傍の応力場を時間分解能1μ秒で画像計測した．解析結果は実験結果と比較され，良好な再現精度をもつことが確認された．

Current Status of Research Progress

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

Reason

光弾性感度をもつ透明エポキシ樹脂を用いて薄板の矩形供試体を作成して引張試験を行い，供試体中の初期き裂から進展するき裂の進展挙動と分岐挙動を超高速ビデオカメラにより画像計測した．供試体は120mm×140mm×3mmのサイズを持ち，短辺中央部に長さ7mmの切り込みを設けて初期き裂としている．波長532nmのYagレーザーを用いて直径10mmの平行光を供試体の側面に照射し，反対側に設置したカメラで透過画像を画像計測した．
き裂の分岐は高速かつ局所で発生する現象であるため，高時間分解能かつ高空間分解能な画像計測が必要である．そのため，画像計測には毎秒100万枚撮影可能な超高速ビデオカメラに24mmレンズを逆向きに取り付けたものを使用した．これにより，時間分解能1μ秒，空間解像度0.025mm/pixelを実現した．
3.06ｋNで破断した供試体中のき裂の分岐点近傍での挙動を画像計測することに成功した．記録された画像から，進展するき裂面の凹凸の凸部から進展を開始した部分き裂が供試体表面に進展した後に供試体板厚方向にも進展し，貫通亀裂に成長することが確認された．その一方，高速で分岐するき裂分岐を画像計測するためには1μ秒の時間分解能では十分ではない，焦点深度が浅いため供試体の奥側表面ではピントが外れて詳細な計測ができない等の問題点が確認された．
数値解析として高次PDS-FEM法の開発を行った．本年度は開発された高次PDS-FEM法を分岐を伴わないき裂進展挙動の動的解析に適用し，解析結果と実験結果の比較を行った．実験では光弾性手法を用いてき裂進展部近傍の応力場を干渉縞として可視化し，時間分解能1μ秒で画像計測を行った．計測された干渉縞パターンと数値解析により再現された干渉縞パターンを比較した結果，解析手法が高い精度をもつことが示された．
以上の理由により，概ね順調であると判断した．

Strategy for Future Research Activity

平成29年度に実施した実験結果の検討から，以下の問題点が明らかとなった：(1)超高速ビデオカメラの時間分解能が十分でなく，より高い時間分解能が必要である．(2)空間分解能を上げた結果焦点深度が浅くなり，供試体の透過画像を撮影する際に手前表面に合焦すると供試体奥側表面は焦点がずれる．これにより，詳細な計測が困難になる．(3)き裂先端部の挙動とあわせて先端部近傍の応力場を計測する必要がある．平成30年度は以上の問題点の解決を目指す．解決策として，(1)への対応として，毎秒1,000万枚撮影可能な超高速ビデオカメラを利用することで，時間分解能100nsでの画像計測を試みる．導入を検討している超高速ビデオカメラは高速である反面，撮影終了後も強い照明光が入射し続けると残像が発生して記録画像が損なわれる欠点がある．このため撮影終了後に照明光を遮断するシャッターの導入を図る．(2)への対応として，厚さ1mmの供試体を作成する．表側と裏側の距離を小さくすることにより，焦点深度内で供試体全域を計測することを試みる．(3)への対応として，光弾性手法を利用して応力場を干渉縞として可視化する．
数値解析の方針として，高次PDS－FEMを3次元に拡張し，3次元動的き裂進展解析に適用する．平成29年度の実験結果から薄板供試体中であってもき裂の分岐現象にはき裂先端部の3次元挙動が大きな影響を与えている可能性が示された．そのため，き裂先端部の3次元挙動，特にき裂面の凹凸を再現することを目標とする．

Causes of Carryover

平成29年度に超高速カメラの撮影タイミングとき裂の進展開始のタイミングを一致させるための同期装置を開発予定であった．予定されていた同期装置は，撮影対象の輝度を連続的に計測し，その変化を検出してカメラに対して同期信号を送信する装置である．この装置を設計するためには，き裂進展開始時に発生する輝度の変化量を把握する必要がある．平成29年度は研究代表者が以前に実施した画像計測で記録された画像を用いて，輝度の変化量について検討した．この検討に時間を要したため平成29年度は同期装置の製作を行えず，計上していた経費を次年度使用額として計上することとなった．平成30年度に改めて同期装置を製作する予定であり，予算はそのために使用する計画である．