2021 Fiscal Year Annual Research Report
Measurement and analysis of deformation behavior of polyethylene pipe subjected to biaxial repeated loading-unloading
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21H01667
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
桑原 利彦 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 卓越教授 (60195609)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 二軸応力 / 材料試験 / 制御 / 大ひずみ / 塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
サーボ制御二軸バルジ試験機を設計・製作した．最大軸力は5kN，最大内圧は10MPa，軸方向および円周方向の最大公称ひずみは100％，制御可能なひずみ速度範囲は10-3～10-2/s である．円管試験片に軸力と内圧を作用させて，試験片中央部に管軸方向真応力σφと円周方向真応力σθを発生させることに成功した．2台のCCDカメラを3組用いた全方向デジタル画像相関法（DIC）による非接触式ひずみ・曲率測定装置を開発し，本二軸バルジ試験機に組込んだ．本測定装置により，変形初期から破断に至るまでの真応力－全ひずみ曲線が円管試験片のすべての表面に対して連続測定可能となった．
開発した二軸バルジ試験機を用いて，PE管の代替材料であるHI-PVC円管試験片を用いて，２軸バルジ試験を行った．9通りの線形応力経路を負荷し（σφとσθの比を一定に保ちつつ負荷する），変形挙動を詳細に測定した結果，以下の知見を得た．
（１）σφ:σθ= 4:1, 2:1, 4:3, 1:1, 3:4, 1:2において成形限界ひずみおよび成形限界応力の測定した．
（２）全9経路の真応力-対数塑性ひずみ線図およびε0p=0.45までの等塑性仕事面を作成した．
（３）ε0p=0.45における等塑性仕事面に対してvon Mises, Hillの2次，Yld2000-2d降伏関数を同定した．Yld2000-2d降伏関数が等塑性仕事面の再現に最も優れた．
（４）ε0p=0.45の等塑性仕事面に対する各種降伏関数の同定結果を，塑性ひずみ速度方向の実験値と比較すると，HI-PVCは法線則を満足することがわかった．
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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
2021年度の計画書に記載した通りの試験機が完成した．ここまでの研究進捗により，計画通り達成できたと言える．さらに，高密度ポリエチレンの代替材料である硬質ポリ塩化ビニル(PVC)円管試験片を用いて，二軸バルジ試験を実施し，材料モデルや成形限界の測定まで達成できたので，「当初の計画以上に進展している」と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
高密度PE管の代替として採用されることが多い耐衝撃性ポリ塩化ビニル(HI-PVC) を使用する．肉厚が不均一であると，肉厚の最も薄い部位に変形が集中し，試験片に付与できる最大ひずみ（破断限界ひずみ）は著しく低下する．従って，肉厚のばらつきが±5％未満のものを厳選して使用する．
上記円管試験片を用いて，9通りの線形応力経路（σφ：σθ＝1:0, 4:1, 2:1, 4:3, 1:1, 3:4, 1:2, 1:4, 0:1）において，繰返し負荷－除荷を試験片に付与し，測定された真応力－対数全ひずみ曲線から等塑性仕事面を求める（負荷中の全ひずみから除荷時に測定された弾性ひずみを引くことで塑性ひずみを求め，真応力―塑性ひずみ曲線を決定する）．そして等塑性仕事面の形状変化（異方硬化）をモデル化するために，異方性降伏関数のパラメータを単位体積当たりの自由エネルギーの関数として表現する（現象論材料モデル）．
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