2019 Fiscal Year Research-status Report
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
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17K06545
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
沖中 知雄 近畿大学, 理工学部, 准教授 (90298985)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Maddegedar a.L. 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20426290)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | き裂分岐 / 画像計測 / 超高速ビデオカメラ / PDS-FEM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，高時間分解能かつ高空間分解能な画像計測を利用してき裂の分岐メカニズムを詳細に検討することを目的とする．令和元年度はき裂の3次元挙動を解明する目的で，水平方向から角度をつけて設置した超高速ビデオカメラを用いた画像計測を行った．まず透明脆性材料であるエポキシ樹脂を用いて120m×140mm×2mmの矩形供試体を作成した．供試体の短辺中央部に10mmの初期き裂を設け，準静的な引張荷重下で初期き裂から進展したき裂先端部の分岐点前後の3次元挙動を画像計測した．画像計測方向は水平面からの仰角22°，計測の時間分解能は0.2μ秒/frame，空間解像度は0.058mm/pixelであった．
その結果，厚さ2mmの薄肉供試体中であっても分岐直前のき裂は供試体厚さ方向で一様には進展していないことが分かった．き裂の一部が部分き裂として先行して進展していることが計測され，分岐き裂を面内の2次元き裂と仮定することが困難であるケースがあることが示された．また複数の部分き裂がその進展方向を変えて進展した結果として分岐き裂に成長しており，既往の研究で指摘されていた通り，き裂の3次元挙動がき裂分岐に重要な役割を果たすことが示唆される結果となった．
またき裂の数値解析では，動的PDS-FEM解析手法の開発を行った．PDS－FEMを用いた動的解析手法にハミルトニアンベースの時間積分を導入し，時間積分の精度を改善する手法を開発した．提案された手法を動的き裂進展問題に適用してき裂パターンの再現とき裂周りの応力場を再現し，実験結果との比較を通してその精度が高いものであることを示した．
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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
本研究の目的は(1)高時間分解能かつ高空間分解能な画像計測手法の開発，(2)き裂先端部の分岐前後の挙動の詳細な画像計測，(3)数値シミュレーション手法の開発である．
まず画像計測手法の開発では，本年度までの研究を通して時間分解能100ナノ秒，空間分解能は水平方向の計測で0.017mm/pixel，斜め方向からの計測で0.058mm/pixelを実現した．また光源や同期装置といった撮影システムを構築し，分岐現象の画像計測への適用に成功している．時間分解能は10ナノ秒まで向上させることが可能であり，画像計測手法の開発は順調に推移しているといえる．
き裂先端部の挙動の画像計測では，き裂は破断後の供試体で確認できる分岐点以前に微小な間隔をもって進展する複数のき裂に分岐していることは昨年度までの研究成果として得られている．本年度は分岐点以前に進展するき裂から発生した部分き裂（非貫通亀裂）が主進展方向と同時に供試体厚さ方向にも進展して分岐き裂に成長していることが画像計測により明らかとなった．分岐点以前のき裂の3次元挙動が分岐に大きな影響を与えていることは既往の研究で既に報告されているが，3次元挙動やミクロな分岐過程を詳細に計測した既往の研究はなく，大きな研究成果であるといえる．
数値解析手法の開発では，き裂の進展解析に適した解析手法であるPDS-FEM（Particle Descritization Scheme）を動的問題に拡張した．特にハミルトニアンベースの時間積分手法の導入により時間積分の精度の向上に成功した．
以上を総合的に判断し，おおむね順調であると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度の研究方針を実験と数値解析に分けて記述する．
実験では，2軸の画像計測を予定している．分岐直前のき裂先端部の挙動として，昨年度の実績で分岐前にマイクロな分岐が発生し，複数のき裂が平行に進展することが明らかとなった．また本年度の実績では，部分き裂として発生したき裂が主進展方向と同時に供試体厚さ方向にも進展し，分岐き裂に成長することが確認された．両者の比較から主き裂から発生した部分き裂が平行に進展した後に進展方向を変え，かつ厚さ方向に進展することにより分岐き裂に成長することが推測されるが，1方向のみでの画像計測では確認することが困難である．そこで来年度は2台の超高速ビデオカメラを同期させ，分岐き裂の挙動を水平方向と水平から傾いた方向の2方向から同時に画像計測する．これにより，マイクロ分岐と部分き裂発生過程の関連を明らかにすることを試みる．この計測のためには時間分解能100ナノ秒程度の超高速ビデオカメラが2台必要である．1台は現在保有しているカメラを使用し，1台のレンタルを計画している．撮影用光源，撮影同期装置，撮影用レンズ等の撮影システムは本年度までに開発された画像計測システムをそのまま2台同時使用に拡張して使用することが可能である．
数値解析では，き裂分岐の数値解析を試みる．本年度の実績としてハミルトニアンベースの時間積分を導入することにより3次元PDS-FEM解析の数値解析精度と計算コストの改善に成功している．来年度は開発された数値解析手法を適用してき裂分岐の数値解析による再現を試みる．
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| Causes of Carryover |
本年度の研究から，進展するき裂先端部の分岐直前の挙動を明確化し，き裂分岐のメカニズムを解明するためには2台のカメラを用いた2方向からの画像計測が必要であると判断した．研究代表者が所有する超高速ビデオカメラは時間分解能0.1マイクロ秒，連続撮影枚数110枚の性能をもつ．計画している計測のためには同等の性能をもつ超高速ビデオカメラがもう1台必要である．時間分解能10ナノ秒の超高速ビデオカメラも利用可能であるが，このカメラは連続撮影枚数が8枚に留まり，計画中の計測には適さない．そこで外部からの超高速ビデオカメラをレンタルする必要があると判断し，この費用を確保するために繰越金の形で費用の確保を図った．
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Research Products
(1 results)
