動的界面破壊力学の基礎研究

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455063
• 研究機関: 神戸商船大学
• 研究代表者: 西岡 俊久 神戸商船大学, 商船学部, 教授 (60018067)
• キーワード: 動的J積分 / 分離動的J積分 / 移動有限要素法 / 経路独立積分 / 遷音速界面破壊 / 破壊経路数値予測 / 応用形シミュレーション / 界面き裂衝撃応答

研究概要

実験的研究では、はじめに、エポキシ・アルミ接合材によりせん断型破壊試験片を作成した。これにアルミ反射薄膜を貼付した反射型コースティックス法や、そのままの試験片を利用した透過型コースティックス法により、せん断型破壊試験を実施した。静的負荷試験では、試験片接合により生じている残留応力を評価するため、等価残留荷重の概念を示し、かつ残留応力拡大係数の評価を行なった。
次に、静的負荷下の動的破壊実験を行い、界面き裂の破壊開始時の応力拡大係数や伝播中の応力拡大係数、き裂伝播速度を評価した。また、せん断型衝撃破壊実験を実施した。本研究室現有の超高速度カメラは改修のため使用できなかったので高速度ビデオで衝撃破壊の様相を撮影した。これにより、エポキシ側のせん断波速度を超える遷音速界面破壊が観察された。
さらに、モアレ干渉法により、界面き裂先端近傍のモアレ干渉縞を撮影し、種々の混合モード荷重下で分離J積分や応力拡大係数、破壊靭性値の変化などを明らかにした。
計算力学的研究としては、はじめに、材料剛性のミスマッチを系統的に変化させ、界面き裂の衝撃応答の有限要素解析を行った。その結果、以下のことなどを解明した。(1)ミスマッチ比が同じでタイプが異なる二層平板に対し、適切に無次元化すると同一の応答曲線になることを明らかにした。(2)低剛性側の衝撃荷重縦波がき裂先端に入射した時に、動的J積分に主たる応答が生じる。(3)分離動的J積分より、低剛性側材料からのエネルギー解放率が、ミスマッチ比が大きくなるにつれて支配的になることを明らかにした。
次に、デローニー自動要素分割に基礎をおく移動有限要素法で荷重点および支持点に接触・非接触型境界条件を考慮したシミュレーション手法を開発した。さらに、これを用いて、混合形・破壊経路予測モードシミュレーションなどを行い、混合モード衝撃破壊の破壊経路の数値予測を行った。得られた数値破壊経路や応力拡大係数は実験と極めて良く一致した。これより、衝撃破壊開始および伝播中で、き裂先端面変形率基準がほぼ成立することを明らかにした。
さらに、上記シミュレーションより得られたき裂先端面変形率基準と局所対称性理論を用いて、コンピュータの破壊される応用形シミュレーションを開発した。これにより、ほぼ実験と一致する、数値破壊履歴および数値破壊経路を得ることに成功した。
理論的研究としては、分離J積分の剛体回転の影響を明らかにし、分離J積分、分離動的J積分および分離T積分が界面両側からの個別のエネルギー流入率を正確に評価していることを明らかにした。
また、遷音速界面破壊および超音速界面破壊の動的,J積分や動的分離.J積分の挙動から、引張型界面破壊の限界速度が低剛性材のせん断波速度であることを明らかにした。また、実験で観察されているせん断型遷音速界面破壊のエネルギー供給メカニズムがき裂先端近傍面のマクロ接触にあることを示唆した。

研究成果

• [文献書誌] Nishioka,T: "Computational Dynamic Fracture Mechanics" International Journal of Fracture,A special Issue on Computational Mechanics. Vol.86,No.1/2,. 127-159 (1997)
• [文献書誌] Nishioka,T: "Numerical Simulation Methodologies for Dynamic Crack Propagation in Homogeneous and Nonhomogeneous Materials" Damage and Failure of Interface. (H.P.Rossmanith,editor. 37-45 (1997)
• [文献書誌] Nishioka,T.and Yasin,A.: "The Dynamic J Integral,Separated Dynamic J Integrals and Moving Finite Element Simulations,for Subsonic,Transonic and Supersonic Interfacial Crack Propagation" JSME International Journal,Series A. Vol.42,No.1. 25-39 (1999)
• [文献書誌] 西岡俊久: "材料・構造物の衝撃破壊現象に関する基礎的研究" 日本機械学会、材料・構造物の衝撃破壊現象とその防止に関する調査研究シンポジウム講演論文集. 23-28 (1998)
• [文献書誌] 西岡俊久、Anwer Yasin、木下政広、徳留宏幸: "非直進および混合モード高速破壊進展の数値シミュレーション手法" 計算工学講演会論文集. 3巻、3号. 851-8540 (1998)
• [文献書誌] Nishioka,T and Yasin,A.: "Finite Element Simulations of Impact Interfacial Fracture Problems" Proceedings of the 3rd International Symposium on Impact Engineering. 6 (1998)
• [文献書誌] Nishioka,T.,Tokudome,H.,Kinoshita,M.and Nishida,H.: "Dynamic Fracture Path Prediction by Moving Finite Element Method Based on Delaunay Automatic Triangulation" Modeling and Simulation Based Engineering. Vol.II. 1335-1340 (1998)
• [文献書誌] Nishioka,T.: "On the Dynamic J Integral in Dynamic Fracture Mechanics for Homogeneous and Nonhomogeneous Materials" Modeling and Simulation Based Engineering. Vol.II. 2077-2086 (1998)
• [文献書誌] Nishioka,T.and Wang,Z.M.: "The T^* Integral and the Separated T^* Integrals for Elastic-Plastic Interfacial Cracks" Constitutive and Damage Modeling of Inelastic Deformation and Phase Transformation. 741-744 (1999)
• [文献書誌] 西岡俊久、徳留宏幸、木下政広: "デローニー自動要素分割に基礎をおく移動有限要素法による混合形・破壊経路予測モードシミュレーション" 日本機械学会論文集(A編). 65巻631号. 597-604 (1999)
• [文献書誌] 西岡俊久、艾尼瓦尓亜森: "衝撃界面き裂の分離動的J積分と応答シミュレーション" 日本機械学会論文集(A編). 65巻632号(掲載予定). (1999)
• [文献書誌] Nishioka,T.: "Theoretical and Computational Aspects of the Dynamic J Integral in Dynamic Fracture Mechanics for Homogeneous and Nonhomogeneous Materials" Computer Modeling and Simulation in Engineering. Vol.4,No.2(掲載予定). (1999)
• [文献書誌] 西岡俊久: "界面高速破壊および動的破壊伝播経路予測の数値シミュレーション" 第4回研究集会「破壊の理論研究と数値解析」東京大学地震研究所報告. (掲載予定). (1999)
• [文献書誌] 西岡俊久、徳留宏幸、坂倉慧悟: "衝撃下における破壊現象の高速度撮影と破壊経路予測シミュレーション" 九州大学応用力学研究所「衝撃下における材料の力学的挙動」研究集会報告. 10ME-S6. 80-89 (1999)