金属延性破壊の中性子による内部構造計測に基づく高精度せん断加工解析システムの構築

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420078
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 須長 秀行 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, 研究員 (70442978)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高村 正人 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, 研究員 (00525595) ; 大竹 淑恵 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (50216777)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: せん断加工 / 弾塑性FEM / 延性破壊 / 中性子計測

Research Abstract

材料の亀裂進展により発生する現象であるせん断加工に対して、弾塑性FEM解析により材料変形過程を予測するために、亀裂（延性破壊）の発生時点とする延性破壊条件式及び材料固有の閾値（限界ダメージ値）の同定方法を明らかにした。
本研究では、材料の破断部位が亀裂に至るまでの変形履歴に沿った応力-歪関係の積分値を延性破壊条件式により延性破壊とする閾値（限界ダメージ値）として定義した。実際には単軸引張試験より得られた材料特性をもとに同条件にて弾塑性FEM解析を行ない、くびれ発生とともに応力集中が生じた部位の要素に対して実試験にて延性破壊が発生した時点との対比により限界ダメージ値を同定する手法として構築した。
さらに、任意要素の変形履歴に沿った応力-歪関係の積分値が適用材料固有の限界ダメージ値を超えた時点で延性破壊として、その要素を除去する方法にて亀裂発生を表現するアルゴリズムが導入された弾塑性FEMを使用して、板材のプレス加工による単純せん断加工解析を行なった。これにより、材料がせん断変形を伴なう亀裂進展により材料が分離させるまでの変形過程を計算機上で逐次可視化することができた。
また、引張強度及び加工性が異なる鋼板を使用して実際にプレス金型によるせん断加工実験を行ない、板材変形過程を高速度カメラで動画撮影することにより材料及びプレス加工条件（せん断条件）の違いが亀裂発生・進展に与える影響を観察した。これらのせん断加工実験結果対解析結果の比較により、亀裂発生箇所及び進展方向等せん断変形過程時の材料挙動を弾塑性FEM解析により予測できることを確認し、限界ダメージ値の同定手法及びFEM解析における取り扱いが適していることを明らかにできた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成２５年度の研究実施内容として計画していたFEM解析に適した延性破壊条件式を明らかにすることに関して、延性破壊条件式により延性破壊とする閾値（限界ダメージ値）の同定方法を構築し、その限界ダメージ値を使用したFEM解析にて実際のせん断加工実験結果との精度比較検証ができたことから、おおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

弾塑性FEMに関しては、今年度の研究成果を基盤として、現状の亀裂発生の表現方法に関する解析精度上の問題を解消するために、新たなアルゴリズムを検討する。また、中性子による計測技術に関しては、パルス中性子イメージングの実現に向けた装置開発を継続するとともに、塑性変形を与えた被測定物を準備して材料結晶歪等塑性変形の解析に重要な情報の計測を試みる。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

せん断加工解析のために必要とされるプログラムモジュール開発に関するコーディング及び解析作業等に対して、本事業開始時より補助研究員を予定していたが、当初の予定通りに補助研究員を確保できなかったために、使用額に差異が発生した。
今年度は、昨年度からの継続にて補助研究員を年度当初より確保し、翌年度分の人件費と合わせて使用する計画とする。