2018 Fiscal Year Annual Research Report
Generalization of brittle crack arrest evaluation in large structures: Development of fracture mechanics model and establishment of effective testing procedures
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18H03811
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴沼 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30611826)
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| 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)
川畑 友弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50746815)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 脆性破壊 / 高速亀裂伝播 / アレスト / 設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
局所限界破壊応力理論を基礎とした有限要素解析手法の確立に向けて，最も基本的な動的亀裂伝播の再現手法である節点力解放法の検証を実施した．その結果，材料の密度および弾性係数として適切に数値減衰を設定することで，効果的に数値振動を抑制し，極めて高精度に亀裂先端前方の局所応力を評価可能であることが明らかとなった．本提案手法を実装しなかった場合，数値振動により，動的亀裂伝播を模擬した計算が途中で破綻してしまうことも明らかとなった．
一方，想定される非常に高い計算コストを合理的に解消するために，2次元高速亀裂伝播問題を対象とした動的重合メッシュ法の開発を行った．本手法は，構造全体を模擬したグローバルメッシュに対し，動的亀裂伝播による亀裂先端位置の変化を追従するように可動な亀裂先端近傍のローカルメッシュを配置するものである．ローカルメッシュの境界条件に関して，ひずみエネルギーが散逸しないような定式化を提案した．
また，当初の研究計画には含めていなかったが，PMMA材を用いた高速亀裂伝播を実現する試験方法を検討した．具体的には，PMMA材を用いた動的亀裂伝播試験に対して高速度カメラ撮影を行うことで，亀裂の伝播性状を直接的に計測することができる．これにより最終目的である鋼の構造アレスト設計に向けた有益な基礎知見を得た．
更に，試験体形状および境界条件を工夫することで，鋼板の脆性亀裂の停止を確実に実現するこれまでにない試験方法の基礎を確立した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
破壊モデル開発については概ね計画通り順調に進捗しているが，それに加え，当初計画していなかったPMMA材を用いた亀裂伝播・停止試験を考案し，構造諸元が亀裂停止性能に与える影響を実験を通じて詳細に検証できる目処を得たため．
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| Strategy for Future Research Activity |
開発した動的亀裂伝播を対象とした重合メッシュ法を汎用ソフトウェアへ実装し，パッケージ化するとともに，3次元問題および弾塑性問題への拡張を同時に行う．
PMMA材を用いた構造諸元が亀裂停止性能に与える影響を評価可能な破壊試験を実施す．本試験で得られた結果は，3次元問題へ拡張した重合メッシュ法の妥当性検証にも適用する．続けて，焼ならしにより，機械的特性を均一化した鋼板を使用した脆性亀裂伝播試験を段階的に実施する．本試験は翌年度に完成予定の弾塑性3次元問題へと拡張した重合メッシュ法の妥当性検証に適用予定である．
上記鋼板を使用して，合理的に局所破壊応力を取得する試験法の開発も進める．
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