Enhancing brittle crack arrest ability of ultra-thick steel structures by mechanism investigations

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20F20364
• Research Institution: The University of Tokyo
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TU SHENGWEN 東京大学, 大学院工学系研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2020-11-13 – 2023-03-31
• Keywords: 脆性破壊 / アレスト / 極厚鋼板 / PMMA

Outline of Annual Research Achievements

まず、PMMAが透明樹脂であることを利用して、高速度カメラを用いた高速亀裂伝播挙動の詳細な解析を実現するための実験手法の検討を行った。試験形態は高速度カメラにより板状構造内部の亀裂前縁形状の直接計測が可能となるよう、板状のDouble Cantilever Beam (DCB)試験を採用するものとし、試験治具の設計・製作を行った。
一方、数値解析モデル開発では、PMMAの高速亀裂伝播・停止挙動は動的応力拡大係数によって亀裂速度の関数として整理可能であるという従来の知見に基づき、研究代表者の研究グループで開発した3次元重合メッシュ法に基づく3次元亀裂伝播モデルに対し、高精度に応力拡大係数を評価可能なスキームの検討を行った。具体的には、領域積分形式の3次元J積分法を実装し、ローカルメッシュのサイズや分割法、J積分領域の範囲や定式化に使用する重み関数の定義等に関して、高精度を維持しつつも計算コストを最小限とするための解析条件を明確化した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

実験については、PMMAを用いた破壊試験は未実施であるものの、それに必要な治具の製作は完了しており、速やかに試験片の加工の後、速やかに実験実施に移行することができる。
一方、数値解析モデル開発では、PMMAを対象とした3次元動的亀裂伝播問題に適用可能な応力拡大係数の評価方法の開発が完了したことで、高速度カメラにより得られた亀裂進展挙動結果を計算条件として、応力拡大係数を基準とした破壊のクライテリオンの妥当性検証を含め、実現象の解明に向けた検討の準備が整った。

Strategy for Future Research Activity

PMMAを用いた板状試験体を製作して高速亀裂伝播試験を実施し、高速度カメラ計測によって亀裂進展挙動の詳細な計測を行う。その際、切り欠き形状を様々に変更することで破壊発生荷重を制御し、様々な荷重レベルでの亀裂挙動の計測を試みる。
上記の実験で得られた高速度カメラ計測の結果より亀裂前縁形状の時刻歴変化を抽出し、重合メッシュ法に基づく動的亀裂伝播モデルの計算条件として実験の再現解析を実行する。亀裂前縁に沿った動的応力拡大係数の分布やその時刻歴変化から動的応力拡大係数の破壊のクライテリオンとしての妥当性を検討する。
これまでのモデルは亀裂前縁形状の時刻歴変化を計算条件として亀裂伝播に伴うオウル力解析を実行する "Generation phase" 解析であったが、各計算ステップに逆解析ループを組み込むことで動的応力拡大係数を破壊のクライテリオンとして亀裂前縁形状の時刻歴変化を出力する "Application phase" 解析を実行可能な計算アルゴリズムの開発を行う。