界面計算力学の接合加工および強度評価への展開

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15656220
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 村川 英一 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (60166270)
• 研究分担者: 柴原 正和 金沢工業大学, 工学部, 講師 (20350754) ; 芹澤 久 大阪大学, 接合科学研究所, 助教授 (20294134)
• キーワード: 界面要素 / 表面エネルギー / 複合材料 / 異材接合 / 高温割れ / 狭開先溶接

研究概要

本研究では、物体の表面間あるいは界面における各種の物理現象、すなわちき裂面の生成、接合による界面の生成、溶接による表面の消滅、摩擦などの現象を記述できる力学的モデルを提案し、それぞれが適用可能な工学的問題と適用限界を明らかにすることを目的にしている。平成15年度においては、以下の研究を実施した。
1.様々な物体の破壊は、その破壊様式によりモードI型(引張破壊)、II型(せん断破壊)、III型(捩れ破壊)に大別される。平成15年度においては、モードI型およびII型が複合して起こる破壊現象に対応したモードI・II型複合界面モデルを開発し、この界面モデルの適用可能性を検証するため、セラミックス系繊維強化型複合材料の突合せ接合体を対象に、その接合界面における引張およびせん断破壊挙動解析を行った。具体的には、引張破壊試験として四点曲げ試験を、せん断破壊試験として非対称四点曲げ試験を対象に解析を行い、開発した複合界面モデルを用いて、両試験を再現することができた。また実験結果との比較から、接合界面の表面エネルギーが約30N/mであることを明らかにした。
2.狭開先溶接法は、I型の狭い開先を用いて厚板の突合せ溶接を行う溶接法であり、通常の開先を用いる溶接と比べ、総入熱量を小さくすることが可能で、なおかつ溶接パス数も少なくすることができるため、高効率な溶接方法であると考えられている。しかしながら溶接条件により、梨形ビード割れが発生することが報告されている。平成15年度においては、この梨形ビード割れを含め様々な溶接高温割れ現象を解析可能な、高温割れ界面モデルを開発し、本界面モデルを用いて、梨形ビード割れの発生条件について検討を行った。その結果、高温割れ界面モデルを用いて、梨形ビード割れを再現することができ、入熱量および溶け込み形状のアスペクト比が大きい時および開先幅が小さいときに割れが発生しやすいことを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Murakawa, H.Serizawa, K, Miyamoto, I.Oda: "Strength of Joint between Dissimilar Elastic Materials"Proceedings of the 2003 International Conference on Computational & Experimental Engineering & Science. Chapter 6(CD-ROM). (2003)
• [文献書誌] H.Serizawa: "Theoretical Prediction of Welding Hot Cracking and Its Control"Transactions of JWRI. Vol.32 No.1. 223-226 (2003)
• [文献書誌] 柴原正和, 芹澤 久, 村川英一: "温度依存型界面要素を用いた高温割れのモデル化と割れ発生予測"軽金属溶接. Vol.41 No.8. 363-373 (2003)
• [文献書誌] H.Serizawa, C.A.Lewinsohn, H.Murakawa: "Finite Element Analysis of Mode-I&II Type Fracture Behavior on Ceramic Composite Joints"Ceramic Engineering and Science Proceedings. Vol.24 No.3. 535-540 (2003)
• [文献書誌] M.Shibahara, S.Itoh, H.Serizawa, H.Murakawa: "Numerical Simulation of Pear-shaped Bead Cracking in Narrow Gap Welding"Transactions of JWRI. Vol.32 No.2. 335-342 (2003)
• [文献書誌] 柴原正和, 芹澤 久, 村川英一: "温度依存型界面要素を用いた溶接横断面における高温割れ解析と提案手法に含まれる諸パラメータの定量化"溶接学会論文集. Vol.22 No.1. 94-100 (2004)