Establishment of fatigue crack propagation law without stress intensity factor as parameter

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K21048
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 後藤 浩二 九州大学, 工学研究院, 教授 (60274487)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Keywords: 疲労 / 疲労亀裂伝播則 / 両振り塑性仕事 / 応力拡大係数 / 構造・材料

Outline of Annual Research Achievements

現在の疲労亀裂伝播挙動の評価法は，破壊力学パラメータである応力拡大係数範囲をパラメータとするParis則等を用いることが常識と認識されているが，実構造物中に存在する亀裂に対する応力拡大係数範囲を与えることは容易ではない．本研究では通常の構造強度評価で得られる応力解析結果のみを用いて疲労亀裂伝播現象を定量的に考慮できる疲労亀裂成長手法の構築の足がかりを得ることを目的した．
研究初年度は，亀裂先端近傍に生じる繰返し塑性仕事をパラメータとする疲労亀裂伝播則を弾塑性FE解析に実装させ，リメッシング処理を活用して疲労亀裂伝播シミュレーションを可能とした．この際に一定応力振幅条件に留まらず，二段ブロック荷重振幅条件，スパイク荷重条件，船舶が嵐に遭遇した際に船体に作用する荷重履歴をモデル化した条件などの実働荷重条件下で検証した．
一方，FE解析に入力した応力～ひずみ関係は単調引張条件下におけるものであるため，繰返し負荷かつ亀裂先端近傍の高ひずみ集中条件にも適用するため，できるだけ大きなひずみ範囲にも適用できるものに更新する必要性を確認した．そこで研究最終年度に，砂時計型丸棒試験片に繰返し負荷を付与し，最小断面部の直径変化履歴を測定することで，繰返し負荷条件下における真応力～真ひずみ関係を測定し，この結果を初年度に実施した弾塑性FE解析による亀裂伝播解析に適用することで，疲労亀裂伝播履歴の推定精度改善を達成した．
研究期間全体に渡る検討の結果，応力拡大係数を不要とする疲労亀裂伝播則の確立の目途は確認できたが，以下の課題も確認できた．これらについては今後の研究で解決を目指す．（1）繰返し負荷条件下における応力～ひずみ関係の測定数の積み増し，（2）FEモデルのリメッシングの精度改善，（3）デジタル画像相関法による繰返し塑性仕事と亀裂伝播速度の関係の測定誤差低減方法．