| 研究課題/領域番号 |
22K04996
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
福田 大祐 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80647181)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 鉱物資源開発 / 破砕エネルギー効率向上 / 穿孔発破による岩盤破砕の高度制御 / 発破起砕物の物質移動の高度制御 / 多軸応力作用下での岩盤の複雑な破壊機構 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は，多軸応力下での岩石の衝撃載荷試験(Multiaxial-SHPB)と独自開発してきているCombined Finite-Element-Method（FDEM）に基づいた岩石破壊解析法をハイブリッドさせることで，多軸応力下における岩石・岩盤の極めて複雑な動的破壊過程を合理的にシミュレートし，その破壊機構を解明可能な高度破壊解析シミュレータの開発を目指した．具体的には，以下の検討をおこなった．
・3次元FDEMを用いて，Multiaxial-SHPBの実験手順（＝(i)所定の多軸応力を静的に載荷，(ii)この状態で衝撃載荷を加えて多軸応力下の岩石の動的変形，強度や破壊形態を試験）を忠実に表現可能な解析手順の構築に成功した．FDEMは陽解法ベースであることから，(i)および(ii)の異なる時間スケールを一つの解析プラットフォームで実現することが挑戦となったが，GPGPUによる大規模並列計算および種々のアルゴリズム上の工夫を施し，これを解決した．
・FDEMによる複雑き裂進展解析による離散体の形成情報を基に，発破問題で極めて重要な評価指標となる破砕粒度分布算定アルゴリズムを実装した．多軸応力下の影響を受ける発破問題に対して開発した解析法を適用する際に，発破起砕物内の微視/巨視き裂群の造成機構を議論するために有用と考えられる．
・1軸～3軸応力下のMultiaxial-SHPB実験結果と開発したFDEMを用いた解析結果との比較に取り組んだ．具体的には，Multiaxial-SHPBシステムを構成する金属棒上で取得されたひずみの経時変化，マイクロX線CTおよび目視による岩石の破砕パターンなどの観点から，実験結果とFDEMの結果が，種々の応力状態を想定したケースにおいて良好な対応を示すことを確認できた．
以上の成果を岩盤動力学の世界最高峰の国際会議RockDyn-4で発表した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度に予定していた検討項目については，ほぼ計画通りに進行している．本年度の成果だけでも，英文雑誌に投稿が可能と考えており，現在成果をまとめて論文投稿の準備をしている．
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| 今後の研究の推進方策 |
申請書の計画に従い，1年目で構築した3次元FDEMによるMultiaxial-SHPBのモデル化手順に基づき，岩石の微視構造が本試験結果に与える影響を分析する．そこで，岩石の内部構造情報を詳細に模擬したデジタルロックモデル(Digital Rock Model, DRM)を構築し，DRM内の各点に与える物性のばらつき考慮した岩石モデルの高度化に取り組む．更に構築したDRMを用いて，各載荷速度・多軸応力のレベルに応じて，き裂が鉱物粒界や鉱物粒子内部にどの程度生成するかを含めた破壊機構の解明に取り組む．また，システムに与えたエネルギーの内，き裂生成にどの程度のエネルギーが費やされるかを分析し，破砕工程上流側を見据えたエネルギー破砕効率の最適化を議論するための基礎的知見の集約にも取り組みたい．ただし，現在別途進めている予備検討から，ここで対象としている現象を3次元FDEMでモデル化する場合，要素寸法が極めて小さくなり，かつ，要素数がGPU大規模並列計算を用いても極めて莫大となることがわかっており，この解決法の模索が急務である．他方，3年面で取り組む発破起砕物の粒度・物質移動特性を評価するためのフレームワーク構築については，発破における爆轟，岩盤破砕，さらには生成ガスの亀裂内移動などの複雑連成現象をシミュレートする必要があり，現在，2次元シミュレーションを用いた予備検討により，発破シミュレータの高度化に取り組んでいる．こちらの予備検討においても，上記と同様に3次元問題を考える場合，GPU大規模並列計算の更なる大規模化が必要であることがわかっている．以上から，今後の本研究推進を考える上で，現在までに開発したFDEM解析コードの更なる計算高速化・計算対象の大規模化にも取り組む必要があり，次年度以降取り組む．
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