2013 Fiscal Year Annual Research Report
インデンテーションによる動的構成式定数の導出方法の開発
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25709004
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Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
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| Research Institution | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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Principal Investigator |
山田 浩之 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工, その他部局等, 講師 (80582907)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | インデンテーション / ひずみ速度 / 構成式 / 有限要素解析 / 逆解析 / 応答曲面 |
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| Research Abstract |
現在，材料強度のひずみ速度依存性を評価するためには，準静的から衝撃のひずみ速度範囲の材料試験を行わなければならない。これらの試験は，同一の試験機では行えず，動的・衝撃試験においては，その手法自体に様々な問題を有している。一方，材料強度の評価手法の一つに押込試験（インデンテーション）がある．この試験の結果において押込深さの小さい領域で，硬さが増加してしまう現象が報告されており，この原因の一つとして，ひずみ速度の影響が指摘されている。そこで，本研究では，インデンテーションを利用した動的構成式定数の決定手法の確立を目的とし，平成25年度は下記の研究を行った。
1．微小押込試験の実験結果からひずみ速度依存性を確認した。2．微小押込試験におけるひずみ速度の影響の調査を数値実験で行うため，動的構成式にCowper-Symondsの式を用いることで，微小押込試験の結果を有限要素解析（ANSYS）によって再現した。数値実験により，ひずみ速度が荷重－変位曲線に影響を及ぼしているのは，圧子直下の高ひずみ領域ではなく，圧子縁の低ひずみ領域であることが明らかになった。3．数値実験による荷重－変位曲線に及ぼす影響因子：荷重－変位曲線に影響を及ぼす因子（圧子の押込速度・圧子角度・圧子の先端丸み形状）を数値実験によって調査し，その影響を明らかにした。4．動的構成式定数の決定手法：数値実験を用いて，微小押込試験の結果におけるひずみ速度の影響（C-h曲線）と動的構成式定数との関係を表すデータベースを構築し，応答曲面を作成した．作成した応答曲面に未知の材料に対する押込試験の結果を代入することで動的構成式定数を決定した。
本手法により1種類・1度の試験で材料強度のひずみ速度依存性を評価することが可能となった．
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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
平成25年度は，インデンテーションの逆解析による動的構成式の導出方法の検討が主な目的である。
（1）まず，既存の微小押込試験データのさらなる充実化を行った。速度範囲は大きければ大きい程，精度の高い材料構成式を作成できるため，既存の微小押込試験装置の最大押込速度70mN/s から350mN/s への改造を行い，様々な材料（純アルミニウム（99.9％～99.9999%），アルミニム合金（5052，5083，7075），純鉄，ステンレス（SUS304））幅広い押込試験速度のデータを蓄積した。
（2）応答曲面法を利用した動的強度特性の評価方法（逆解析）を確立するため，幅広い押込速度による荷重変位関係の変化と材料定数の関係を多項式関数，すなわち応答曲面を利用した。応答曲面の作成には，計算ソフトウェアMathCAD の最小二乗近似アルゴリズムを利用する。応答曲面法を利用し，構成式定数（Cowper-Symonds の式：2個）を決定する逆解析手法を構築した。
上記の通り，平成25年の目標であるインデンテーションの逆解析を利用した動的構成式の導出方法について今後の道筋が開けたことから，本研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度からは，既存の微小押込試験装置の問題点を解決し，逆解析精度を上げることを目的とする。
（1）マイクロからミリへの押込試験マルチスケール化：金属の結晶粒径サイズや結晶方位による強度特性の変化を解決するため，万能試験機を利用した押込試験を行う。数mm 程度押込めるサイズの超硬合金製圧子を作製し，既存の万能試験装置に取り付けて押込試験を行う。この際，圧子サイズと試験片サイズの関係を数値実験で予め検討する。押込速度を0.1mm/min~500mm/minの幅広い範囲で行い，実験結果と数値実験の比較・検討を行う。
（2）マルチスケール化による既存装置を利用した構成式取得方法の一般化：万能試験機による結果を前年度確立したCowper-Symonds の式の導出手法へ適用することで，押込試験による材料構成式取得方法の一般化（既存装置を利用した簡便な導出手法）を確立する。
（3）高速押込試験装置の開発と構造材料の高速押込特性の評価：万能試験機では押込速度に限界があるため，さらなる構成式の精度向上のためにSHPB 法で使用される応力波伝播解析を利用し，新しい高速（衝撃）押込試験装置の開発を行う。圧子付き打撃棒には，断面積比の変化を利用した反射応力波の低減手法を利用し，長時間の荷重測定を可能とする。変位の測定は，高速測定対応のレーザー変位計とハイスピードカメラによる同時計測を行うことで高精度な測定を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
購入予定の試験対象の材料（ひずみ速度依存生の大きいチタン合金）を別のもの（高純度アルミニウム）で代わりに行ったため次年度使用額が生じた。
押込試験のマルチスケール化に合わせて，新しい試験対象として，大型の試験片（直径300mm）の購入に使用する。
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