Generalization of brittle crack arrest evaluation in large structures: Development of fracture mechanics model and establishment of effective testing procedures

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18H03811
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Shibanuma Kazuki 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30611826)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 克幸 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10235939) ; 川畑 友弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50746815) ; 三目 直登 筑波大学, システム情報系, 助教 (10808083) ; 森田 直樹 筑波大学, システム情報系, 助教 (20789010)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 破壊力学 / 脆性破壊 / 高速亀裂伝播 / アレスト / 有限要素法 / 重合メッシュ法

Outline of Final Research Achievements

In this study, (1) clarification of the effects of structural factors, and (2) development of a numerical simulation model based on local fracture stress criterion, were performed as studies for generalizing the evaluation of the performance in large structures for brittle crack propagation. We clarified that improving the arrest performance by the structural factor was extremely high by the combined analyses based on the high-speed camera measurements and the numerical simulations using the extended finite element method. In addition, we developed a dynamic crack propagation model based on the s-version of the finite element method. The proposed model demonstrated both extremely high accuracy and computational efficiency.

Free Research Field

破壊力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果により、大規模構造体における最も危険な損傷形態である「脆性亀裂伝播」に対して、全く新しいアプローチによる制御方法への道が開かれた。それは脆性亀裂アレスト設計の対象をアレスト靭性という単一の材料特性のみから構造体全体のアレスト性能へと拡張し、さらにそのアレスト性能を最大化するための数値シミュレーションによる構造設計によって実現可能できると考えられる。本研究の成果はその新たな設計コンセプトの基盤であり、高い学術的・社会的意義を有する。