2021 Fiscal Year Annual Research Report
A multiscale analysis for crack propagation in metallographic structure to realize mechanism of material strength
| Project/Area Number |
17K17627
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
新宅 勇一 筑波大学, システム情報系, 助教 (80780064)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | マルチスケール解析 / 破壊力学 / 計算力学 / 結晶塑性 / 脆性破壊 / 有限要素法 / 異方性損傷モデル / き裂進展 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、金属の結晶組織の不均一性に起因する材料強度発現のメカニズムを解明するために、ミクロ構造を考慮可能なマルチスケールき裂進展解析手法を構築した。具体的には、従来のマルチスケール解析の欠点である周期境界による実現象とのかい離を解消し、ミクロ構造におけるき裂進展を微視的メカニズムに基づいてシミュレートすることで、無用な近似を使うことなく忠実にマクロ構造へ接続可能とし、材料強度の予測を行った。
まず、採択者が提案している結合力埋込型構成則を応用し、金属材料のミクロ・スケールにおける結晶格子の異方性弾性変形・結晶すべりによる異方性塑性変形・へき開面の破壊を表現した微視的メカニズムに基づく材料構成則の開発を行った。これにより、結晶方位毎に異なる変形プロセスを弾性から塑性、そして最終的な破断に至るまでの過程を、微視的メカニズムに着目することで無用な近似を行うことなく、網羅的にシミュレート可能とした。
次に、従来のマルチケール解析の基礎理論である均質化法は周期的なミクロ構造を前提して、周期的な数値解析モデルを用いる必要がある。そのため、当初は非周期的な数値解析モデルに周期境界を付加する手法を開発した。しかし、根本的に非周期的な構造に対して周期境界を強制的に付与すると、境界面において不自然な応力集中が生じていた。これにより、境界上から破壊が生じ、結果として数値解析が不安定になる問題が生じていた。そのため、均質化法の理論を一から見直し、ミクロとマクロの２つの空間スケールにおいてエネルギー保存則が成り立つ「非周期性を許容するマルチスケール解析手法」の開発に成功した。
最終的に、提案手法によって周期境界が不要となり、ミクロ構造の微視的なメカニズムに基づいて忠実にマクロ構造へ接続可能となったことで、金属の結晶組織の不均一性に起因する材料強度および、そのバラつき評価が可能となった。
|
