2013 Fiscal Year Research-status Report
岩質材料における3次元複雑き裂進展シミュレーターの構築に関する研究
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25870013
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福田 大祐 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80647181)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 岩質材料 / 数値破壊解析 / 亀裂進展 / 高速制御破砕 / 発破 / 有限要素法(FEM) / 3次元リメッシュ / X線CT |
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| Research Abstract |
本年度より、資源開発・土木工学において極めて重要である発破等の高速制御破砕問題を主な研究対象として，動的有限要素法(FEM)に基づいた岩質材料の3次元亀裂進展シミュレーターの開発に着手した。本年度の成果は以下のとおりである。
(i)著者は既に2次元破壊シミュレーターを構築しており、これを3次元に拡張することにした。基礎検討として、10節点四面体要素による3次元動的FEM解析コードを自作し、弾性波動問題で厳密解が得られている球震源モデルを題材として、数値解が厳密解と良く一致することを確かめ、良好な解を得るために必要な要素分割条件も検証した。
(ii)続いて、亀裂進展を動的FEMで詳細にモデル化するために，これまで筆者が2次元破壊解析で用いてきた，各々の要素境界に一定以上の力が作用した際に要素を分離（リメッシュ）することで亀裂をモデル化する手法を上記ツールに組み込んだ。当然，2次元に比べて3次元のリメッシュアルゴリズムは非常に煩雑となったが、計算幾何学分野で開発されているリメッシュアルゴリズムを応用することでこれを可能にした．そして、強度が極端に低いスリットを有した薄板を高速で引張り板を二分する単純な問題に適用し、3Dリメッシュが機能することを確認した。
また、交付申請書でも述べたように、著者は上記と並行して、X線CTを用いて岩質材料の破壊を評価し、これを上記シミュレーターの解析結果を検証するために用いようと試みている。本年度はCTを用いて岩石供試体に亀裂生じる前後の画像を撮影し、岩質材料（本年度は褐炭供試体）内に生じるひずみ分布の評価手法を開発した。さらに，亀裂を有する岩質材料が水環境下で示す自己治癒現象の定量評価にCTを適用することで、亀裂が閉塞する様子を3次元的に評価することに成功し、上記の亀裂進展シミュレーターの検証を行うために必要なノウハウも着実に蓄積してきている。
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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
交付申請書に記載した【研究の目的】や【研究実施計画】、さらに上記の【研究実績の概要】で述べたように、本年度は主たる研究目的を、動的有限要素法(FEM)に基づいた岩質材料の3次元亀裂進展シミュレーターの土台を構築することとして設定した。ここで、シミュレーターの土台とは、コアとなる3次元動的FEM解析コードの構築と、それにリメッシュアルゴリズムを実装することであった。また、上記のリメッシュアルゴリズムの実装は本研究において最も難易度の高い課題の一つであったため、これを達成できたことは非常に大きいと考えている。
さらに、H25年度は、交付申請書および上記【研究実績の概要】に記載したX線CTを用いた検証・評価に関しても研究の進展があり、X線CTを用いて岩石供試体に亀裂生じる前後の画像を撮影し、この際に材料内に生じるひずみの分布を評価する画像解析手法の開発に成功するなど、現在取り組んでいる3次元亀裂進展シミュレーターの計算結果の検証に大きく役立つと考えられる。
他方、3次元シミュレーションを実施する場合、ある程度規模の小さな問題であっても、必要な計算量・計算時間は2次元のそれと比較して非常に大きくなるため、簡単な検証計算にもある程度の時間を要した。このため、上述した開発自体は順調に進んだが、当初想定していたよりも解析結果を得るために時間を要した。本研究の最終目標は、資源開発・土木工学において極めて重要である発破等の高速制御破砕問題であるため、これに対応する規模の問題を解くためには、計算手法の高速化に関する検討も必須であり、次年度以降はこれにかかる情報収集・検討も並行して行う必要がある。
以上から、本年度の研究の進捗状況はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
【研究実績の概要】で述べたように、岩質材料の3次元亀裂進展シミュレーターの基礎は構築できた。よって、H26年度以降では、より詳細なチューニングに取り組む。具体的には、Cohesive lawあるいは引張軟化則に基づき、モデル内の生成亀裂の初期結合力をWeibull分布により確率的に分布させ、亀裂開口・すべりに伴う軟化挙動を3次元シミュレーターに組み込むことを試みる。また，破砕に伴い，要素（亀裂）間の接触問題が生じるため，この取扱いについても検討する．これらにより、実際に観察される破砕形態を高精度に表現できると考えられ、岩質材料に特有の不均質性を考慮した亀裂進展シミュレーションが可能になると考えられる。以上により、3次元的に複雑な破壊過程を解析可能なツールの土台が完成すると考えられる。
さらに、構築したツールを用いて、高速載荷における材料強度を評価する場合に頻繁に用いられ、かつ、実験的に深く研究されているSHPB(Split Hopkinson pressure bar)試験や動的裂引張試験などの種々の材料試験結果を再現可能か否かの解析（ベンチマーク解析）を実施し、3次元亀裂進展シミュレーターのチューニングを実施する。この場合、種々の材料試験結果を想定したベンチマーク解析の結果が良好な場合とそうでない場合が考えられる。後者の場合、問題点の同定および試行錯誤・文献調査によりその問題を解決する。逆に、前者の場合、より規模の大きな諸問題(トンネル発破や露天掘り鉱山におけるベンチ発破)に対してシミュレーターを適用し、それらに特有の破壊機構の分析を行い、ここでも解析法の適用性を検証する。得られた結果が経験的事実・実験結果と調和的である場合、申請者が2次元破壊解析を用いて検証してきた問題を3次元破壊解析法によりこれまで扱えなかった部分の破壊プロセスについて詳細に検証を実施していく。
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[Journal Article] Dynamic Fracture Process Analysis in Rock-like Materials for Axisymmetric Problem, H.M. Kim, D. Fukuda, J. Ikezawa, K. Moriya, S.H. Cho and K. Kaneko2013
Author(s)
H.M. Kim, D. Fukuda, J. Ikezawa, K. Moriya, S.H. Cho, K. Kaneko
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Journal Title
Science and Technology of Energetic Materials
Volume: 74
Pages: pp.74-81
Peer Reviewed
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