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マルチスケール・マルチステージ新破壊理論による構造物の精緻な崩壊予測への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0233
補助金の研究課題番号 22J10932 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分22020:構造工学および地震工学関連
研究機関東北大学

研究代表者

韓 霽珂  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード損傷モデル / 有限被覆法 / マルチステージ / 破壊 / マルチスケール
研究開始時の研究の概要

巨大地震発生時に想定される人命危機や交通網寸断などの被害対策として,構造物に生ずる部材のき裂進展,強度低下,崩壊といった現象を連 続的に評価することが求められる.本研究では,部材のき裂進展(ミクロ)と構造物全体の強度予測(マクロ)という異なる破壊スケールや, 構造物が健全な状態から崩壊に至るまでの異なる破壊ステージといった,スケール・ステージ間の相互影響を包括的に評価可能なマルチスケー ル・マルチステージ破壊理論を連続体力学の枠組みで創成する.また,提案手法を用いた数値シミュレーションを実施し,類似被害との比較・ 検討を行い,土木分野における補修・点検および防災・減災への応用を目指す.

研究実績の概要

本研究では,大変形や部材分離に伴う大回転問題を考慮した,破壊力学及び損傷力学の利点を併せ持つ遷移理論を構築した.まず,連続体力学における有限変形の枠組みにおいて,任意き裂の発生・進展・分岐をエネルギー最小化問題の解として予測する「phase-fieldき裂モデル(PFモデル)」の定式化を行った.PFモデルは不連続き裂面を正則化して 連続的な損傷領域として表現するため,構造物の崩壊で想定される部材の分離を表現することが不可能であった.そのため,定式化したPFモデルに,状態変数や物理量の不連続性を実現する「有限被覆法」の概念を統合し,き裂遷移理論を構築した.これにより,任意き裂進展問題はエネルギー最小化問題の解として予測する一方で,き裂経路は不連続なき裂面として記述される遷移理論が完成した. 得られた遷移理論をインハウスの有限要素プログラムへの実装を行い,モード1やモード2破壊試験などの数値シミュレーションを実施し,提案手法の性能や妥当性の確認を行った.
その後,提案手法を動的問題・弾塑性問題への拡張を行った.具体的には,塑性ひずみ・運動・散逸エネルギーを考慮したエネルギー保存則に対して,変分原理を用いた勾配損傷モデルの定式化を再度行った.これをインハウスの有限要素プログラムへと実装した上で,陰的き裂から陽的き裂へと遷移させるアルゴリズムの改良を適宜行った.提案手法は,塑性・損傷の双方に対して非局所手法を採用しているため,メッシュ依存性が小さいという利点がある一方で,陰的き裂(剛性低下要素)は陽的き裂へと遷移するため,従来法で課題となっている要素の破綻による数値シミュレーションの発散を抑制する.これらの改良を経て,提案手法は不連続き裂面を有する三次元動的・弾塑性破壊の数値シミュレーションが可能となった. これらの研究成果は,国内外の学会および学術論文として発表している.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] 勾配損傷モデルと有限被覆法を組み合わせた動的破壊シミュレーション手法の開発2024

    • 著者名/発表者名
      平山 大悟、韓 霽珂、森口 周二、寺田 賢二郎
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: 2024 号: 0 ページ: 20240001-20240001

    • DOI

      10.11421/jsces.2024.20240001

    • ISSN
      1344-9443, 1347-8826
    • 年月日
      2024-01-15
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Diffusive-discrete crack transition without remeshing achieved by extended B-spline-based implicit material point method2024

    • 著者名/発表者名
      Sugai Riichi、Han Jike、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 雑誌名

      Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering

      巻: 421 ページ: 116771-116771

    • DOI

      10.1016/j.cma.2024.116771

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Crack phase‐field enhanced finite cover method for dynamic fracture at finite strain2023

    • 著者名/発表者名
      Han Jike、Hirayama Daigo、Shintaku Yuichi、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: 125 号: 2

    • DOI

      10.1002/nme.7371

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Extended B-spline-based implicit material point method enhanced by F-bar projection method to suppress pressure oscillation.2023

    • 著者名/発表者名
      Sugai, R., Han, J., Yamaguchi, Y., Moriguchi, S., Terada, K.
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: - 号: 11 ページ: 2423-2448

    • DOI

      10.1002/nme.7216

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gradient damage model for ductile fracture introducing degradation of damage hardening modulus: implementation and experimental investigations.2023

    • 著者名/発表者名
      Han, J., Matsubara, S., Nishi, S., Takada, K., Muramatsu, M., Omiya, M., Ogawa, K., Oide, K., Kobayashi, T., Murata, M., Moriguchi, S., Terada, K.
    • 雑誌名

      International Journal of Fracture

      巻: 240 号: 2 ページ: 183-208

    • DOI

      10.1007/s10704-022-00681-9

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A transition scheme from diffusive to discrete crack topologies at finite strain during the course of a staggered iterative procedure.2023

    • 著者名/発表者名
      Han, J., Shintaku, Y., Moriguchi, S., Terada, K.
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      巻: 124(6) 号: 6 ページ: 1405-1433

    • DOI

      10.1002/nme.7169

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Variational crack phase-field model for ductile fracture with elastic and plastic damage variables.2022

    • 著者名/発表者名
      Han, J., Matsubara, S., Moriguchi, S., Terada, K.
    • 雑誌名

      Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering

      巻: 400 ページ: 115577-115577

    • DOI

      10.1016/j.cma.2022.115577

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Crack phase-field enhanced finite cover method realizing diffusive-discrete crack transition2024

    • 著者名/発表者名
      Han Jike、Shintaku Yuichi、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 学会等名
      The 16th World Congress on Computational Mechanics and 4th Pan American Congress on Computational Mechanics (WCCM-PANACM2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On the transition from diffusive to discrete crack topologies in crack phase-field model2023

    • 著者名/発表者名
      Han Jike、Shintaku Yuichi、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 学会等名
      The 17th International Conference on Computational Plasticity, Fundamentals and Applications (COMPLAS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A transition scheme from diffusive to discrete crack topologies realized by crack phase-field-enhanced finite cover method2023

    • 著者名/発表者名
      Han Jike、Shintaku Yuichi、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 学会等名
      The 17th U.S. National Congress on Computational Mechanics (USNCCM17)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On the representation of discrete crack surfaces in crack phase-field model realized by finite cover method2023

    • 著者名/発表者名
      Han Jike、Shintaku Yuichi、Moriguchi Shuji、Terada Kenjiro
    • 学会等名
      The 28th Computational Engineering Conference of JSCES
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] CRACK PHASE-FIELD MODEL INTRODUCING EXPLICIT CRACK SURFACES2022

    • 著者名/発表者名
      Jike Han, Yuichi Shintaku, Shuji Moriguchi, Kenjiro Terada
    • 学会等名
      USACM Thematic Conference on Meshfree and Novel Finite Elements with Applications (MFEM)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Variationally consistent crack phase-field formulation for ductile fracture2022

    • 著者名/発表者名
      Jike Han, Seishiro Matsubara, Shuji Moriguchi, Kenjiro Terada
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Crack propagation simulations of advanced high strength steel sheet using crack phase-field model2022

    • 著者名/発表者名
      韓 霽珂,松原 成志朗,西紳之介,高田賢治,村松 眞由,大宮 正毅,小川 賢介,生出 佳,小林 卓哉,岡東 寿明,森口周二,寺田賢二郎
    • 学会等名
      第27回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] A variational formulation of crack phase-field modeling for ductile fracture equipped two damage variables2022

    • 著者名/発表者名
      韓 霽珂,松原 成志朗,森口 周二,寺田 賢二郎
    • 学会等名
      第25回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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