Development of digital twin framework based on full-field measurement of microscopic stress field and strain field

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H01592
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 近藤 明彦 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 港湾空港技術研究所, 主任研究官 (80755893)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高野 大樹 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 港湾空港技術研究所, グループ長 (80626218) ; 上田 恭平 京都大学, 防災研究所, 准教授 (60649490)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 有効応力 / 可視化 / 全領域計測 / 粒状体 / 有効応力解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，土粒子間のミクロな挙動がマクロな変形・破壊に発展するダイナミクスとして液状化現象に着目し，粒子単位の有効応力の計測を特徴として，マルチスケールな観察と機構解明によって高精度に再現する枠組みの開発を目的としている．
２０２２年度は，微視的応力場・変位場の全領域計測技術の開発として，粒子単位の有効応力の計測と変位場の計測を高精度に十分な空間・時間分解能で観察する方法を検討し，小型振動台実験を対象に構築した観察方法の検証を行った．微視的応力場は，応力発光材料を塗布した粒子を用いて粒子単位の有効応力増分を輝度で可視化する粒子を用いて，間隙流体として流動パラフィンを用いた地盤模型を対象に観察を行った．本検討では，土槽中央に質点を持つ板を配置しており，加振による板の変位と地盤の変形に応じて，粒子の発光の推移が観察できることを確認した．微視的変位場の観察にあたっては，同期撮影するとともに，照明と観察波長を工夫することでデジタル画像相関法による画像解析を高精度に行えることを確認した．なお，小型振動台実験では小型剛土槽を用いたため境界条件の影響が大きいと考えられ，地盤のせん断変形に追従する可視化に適した土槽を製作した．デジタルツイン解析技術の開発では，撮影された微視的応力場・変位場の推移をもとに，有効応力解析において，高精度に再現するためのマルチスケールな観点における検証方法と本研究に適したデータ同化手法などを検討した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の核となる液状化現象における粒子単位の微視的応力場・変位場の全領域計測技術の開発においては，上記の変位場観察における工夫を含めて検討を行い，構成部品・センサー等の長納期化による課題はみられたが，小型剛土槽を用いた振動台実験において観察できることを確認できた．デジタルツイン解析技術の開発では，得られたデータをもとにマルチスケールな観点における検証方法と本研究に適したデータ同化手法などを検討できていることから，おおむね順調に進展していると考えている．

Strategy for Future Research Activity

２０２３年度は，小型剛土槽を用いた振動台実験において様々な地盤・載荷条件における挙動を開発した全領域計測システムを用いて詳細に観察するともに，製作した土槽を用いた実験の準備を進めて，より境界条件の影響を除いた地盤条件での検討を予定している．得られた結果を踏まえ，有効応力解析による模型振動台実験の再現解析を行うことでマルチスケールな観点から検証を行い，中間の成果としてとりまとめる予定である．