2018 Fiscal Year Research-status Report

微視的変形機構を考慮したマルチスケール数値材料試験による一般化材料モデルの構築

Research Project

Project/Area Number	18K03881
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	大家哲朗慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (10410846)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	成形シミュレーション / 材料モデル / 結晶塑性 / 加工硬化 / 数値材料試験
Outline of Annual Research Achievements	H30年度は，(1)任意負荷経路に対応できる加工硬化モデルの構築と，(2)数値材料試験法の確立の2課題に取り組んだ。 (1) 単調負荷のみならず，反転負荷や交差硬化を含む任意の複合負荷経路に対応した加工硬化モデルを提案することを目的とし，材料微視的構造に基づく一般化された硬化表現の検討を開始した。基本式として，反転負荷時と直交負荷時を両極端とし，任意加工硬化はその間の経路を指定することで得られるというモデルを提案した。モデル検証のために有限要素多結晶モデル(FEPM)を用いたシミュレーションを行い，負荷経路変化前後の結晶すべり系の活動/非活動の切り替わりの割合を交代率として定義し，各負荷経路に対して計算した。事前に仮定したとおり，反転負荷時には低く，直交負荷時には高い交代率となり，提案モデルの前提となる仮定の妥当性が示された。次に，実際の加工硬化曲線を表現する手段の検討として，バックラッシモデルを実装し，Teodosiu-Huモデルとの比較検証を行った。定量的な一致度には検討の余地があるものの，傾向としては材料の特徴をよく捉えており，提案手法の妥当性が示された。 (2) 高度な材料モデルを使用した成形シミュレーションを実施する際に問題となるのが，材料パラメータの決定である。その一部は二軸試験やせん断試験を要求しており，これらは一般的な試験法とは言えない。ゆえに，実施困難な材料試験の一部をシミュレーションで代替できれば高度材料モデルを活用した成形解析の実施機会が拡大する。我々はこれまでにFEPMと機械学習を組み合わせた数値材料試験法を検討してきた。H30年度にはその枠組みは概ね完成し，アルミニウム合金の材料データによる検証まで終えた。既知の材料データから未知の材料データをある程度精度よく予測することができたため，数値材料試験法としての信頼性はかなり高まったと考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason H30年度は研究計画初年度であり，提案モデルの基礎的検討と実験環境の整備が主な実施内容であった。まず，提案手法の基礎的検討であるが，概要で説明したように，新規・継続のテーマとも順調に進展した。特に，一般化された加工硬化モデルの検討では，提案モデルの検証を進めるとともに，バックラッシモデルの実装まで終えることができた。これはH31年度の検討項目まで先取りして進めることができたことを意味するため，十分な進捗である。数値材料試験法もFCC材料に関してはほぼ適用可能と考えられる段階まで進めることができた。ただし精度の検証や機械学習パラメータの決定手法に関しては検討が不十分と考えられるため，本年度も継続して検討を行う。また，実験環境の構築については，計画通り万能試験機を導入し，金型や計測システムの導入を行なった。一般的な実験については問題無く実施可能な段階まで進んだ。このように，H30年度はおおむね計画通りに研究を進めることができた。
Strategy for Future Research Activity	今年度の課題としては，理論面では実材料データを用いた数値実験による提案モデルの更なる検証，数値材料試験法のBCC材料への適用，実験面ではせん断試験用金型の設計と実験システムの構築が主なものとなる。理論面では初年度に構築したモデルとシミュレーションプログラムがそのまま活用可能であるために，実施面でのハードルはそれほど高く無い。しかし結晶塑性モデルのBCC材料への適用は研究事例は多いものの確立はしていないため，十分な調査と基本的方針の検討を行うことが当面の課題である。実験面では，せん断試験用金型の設計が必要となるが，基本的な仕様は固まっているため，それを図面化し，製作と計測システムの構築を行う予定である。以上のように，理論面・実験面とも主な課題の設定と当面の方針は定まっており，大きな研究計画の変更をすることなく着実に研究を推進できる。