2020 Fiscal Year Research-status Report
残留応力を伴う場でのカタストロフィック破壊の全過程を予測可能な数値解析手法の開発
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20K14812
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
廣部 紗也子 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), 特任研究員 (50837565)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 動的破壊解析 / 残留応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、構造物のカタストロフィックな破壊の全過程の詳細な予測のため、固体連続体の動的破壊進展過程における残留応力の解放と再分配を厳密に評価できる理論の確立、および「不均一な塑性変形による残留応力場の発生」と「残留応力を伴う自己つりあい場での動的破壊進展」を同時に扱える動的弾塑性破壊進展解析手法の開発を行う。また、これらの理論と数値解析手法を用いて、本研究が提案する「残留応力を伴う自己つりあい場の僅かな乱れを引き金とする材料の動的破壊」が、ダメージが蓄積した構造物のカタストロフィックな破壊過程の支配的な要因であるという仮説の正否を検証し、新たな工学的知見を得る。
本年度は、固体連続体の動的破壊進展過程における残留応力の解放と再分配を厳密に評価できる理論を確立し、残留応力を伴う自己つりあい場での動的破壊進展解析コードの実装を行った。また、本解析コードの妥当性を検証するために、残留応力場におけるカタストロフィックな破壊の典型例である強化ガラスの動的破壊進展解析を行い、実験結果との比較を行った。
残留応力場の強度が異なる化学強化ガラスについて実験と数値解析の比較を行ったところ、残留応力場強度に応じて変化する亀裂パターンを数値解析によって完全に再現することができた。さらに、残留応力場強度と亀裂の枝分かれに応じた亀裂進展速度の遷移についてもよく再現できた。
以上から、本解析手法により残留応力場における動的破壊進展解析が可能になったと言える。これまでに、残留応力場を伴う場における動的破壊進展に関する有用な理論や数値解析手法は提案されておらず、学術及び産業応用の観点から大きな成果であると言える。
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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
初年度は、残留応力場を伴う場における動的破壊過程について実験と解析を比較し、提案手法の妥当性の検証を行うことを予定しており、これらは達成されたと考えている。
実験については、「残留応力場と破壊パターンの関係」に主眼をおき、試料形状・面内残留応力パターンが異なる熱強化ガラス板試料の破壊試験を行うことで、弾性波の試料境界からの反射波と残留応力場が破壊パターンに与える影響を観察することを予定していたが、化学強化ガラスを用いた動的破壊実験の詳細なデータを他機関から得られたため、こちらの実験データと数値解析結果を比較することで、数値解析結果の妥当性の検証を行うことができた。また、動的破壊進展解析では、残留応力場が異なる強化ガラスにおいて、亀裂数・亀裂形状・亀裂分岐位置が完全に再現することを目標としていたが、今年度の数値解析ではこれらの点に加えて亀裂進展速度まで完全に再現でき、論文投稿も行った。
以上より、今年度の予定は達成されたため、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、次のステップである「不均一な塑性変形による残留応力場の発生」と「動的破壊進展に伴う残留応力場の解放と再分配」を同時に扱う動的弾塑性破壊進展解析の理論的枠組みの構築を行う。亀裂面形成によるエネルギー散逸を伴うHamiltonianの時間発展において、永久ひずみと残留応力をどのように取り扱うかは、ここまでの「残留応力場を伴う場における動的破壊進展解析手法」の開発過程で明らかにされている。そのため、このステップにおける最大の課題は、弾塑性体の動的変形過程におけるHamiltonianの定義および亀裂進展を伴う弾塑性体挙動のモデル化である。
さらに、破壊に伴うそれらの力の変化を厳密に評価するための仕組みを導入することで、残留応力場を伴う場における動的破壊進展解析でも用いている粒子離散化有限要素法(PDS-FEM: Particle Discretization Scheme Finite Element Method)に弾塑性構成則を組み込んだ実装を行う。
また、実大構造物のカタストロフィックな破壊過程の解析を大型並列計算機ではなく、PCワークステーションで行えるようにする。そのため、提案する動的弾塑性破壊進展解析手法についてOpenMPによる並列化効率の向上と、メモリ量削減のためのデータ構造の見直しを行い、大規模高速化する。
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| Causes of Carryover |
今年度、予定していた熱強化ガラスの動的破壊実験を行なわず、他機関から得られた化学強化ガラスの動的破壊実験データを数値解析との比較対象としたことと、新型コロナウイルス感染症の影響により予定していた学会が中止になったことにより、次年度使用額が生じた。
今年度目標としていた、数値解析手法の妥当性検証には化学強化ガラスの動的破壊実験データで十分であったが、残留応力場における動的破壊メカニズムの知見（亀裂進展経路が残留応力場の影響を受ける仕組み）を得るためには、面内残留応力分布を付与できる熱強化ガラスの動的破壊実験解析が必要であるといえるので、翌年度この実験を行うとともに、学会発表を積極的に行う。
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