高精度疲労き裂成長シミュレーション手法の構築

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疲労強度評価の現状は,a)S-N曲線と作用応力頻度分布をデータとして累積損傷被害則を適用する方法,b)破壊力学に基づくき裂成長予測,に大別されるが,前者では経験的に得られた安全率の適用が必要であり,後者ではき裂開閉口挙動の考慮が必要不可欠であるにも関わらず,取り扱いの難解さからこれを定量的に考慮している研究は少数に留まっている。本研究では,従来の研究が有する問題点を解決するための新しい疲労き裂成長シミュレーション手法の開発を目指し,これに必要な基礎検討(以下の1〜3)を実施した。1.シミュレーションの土台となる数値解析手法に関する調査。き裂進展シミュレーションに関する優位性が提唱されているXFEMに関し,プロトタイプとなるシミュレーションコードの作成を行ったが,XFEMでは,き裂形状を「線」として表現するため,疲労寿命の定量的評価に必要不可欠な,き裂開閉口挙動のモデル化が不可能であることを確認した。また,弾塑性FEMにリメッシュ機能とき裂面の接触影響を考慮する手法についても検討したが,メッシュ分割の度合いが計算結果に大きく影響を与えること,計算時間の観点から実用的ではないこと,き裂進展時期の設定法について,指針が確立出来ないことを確認した。2.SEM内疲労試験機を用いた,き裂開閉口挙動の詳細観察。き裂成長シミュレーションの高度化には,き裂発生初期段階での成長挙動及び1サイクル中のどの時期にき裂が進展しているのかをシミュレーションで忠実に再現することが必要であるため,SEM内疲労試験機を用いて,繰り返し載荷中のき裂開閉口挙動を直接観察し,停留き裂では最大荷重時にき裂先端は尖った"cusp"型となるが,伝播するき裂では鈍い"blunt"型になることを確認した。1サイクル中の疲労き裂進展時期については,観察を試みたが,明確な結論を得るには至らなかった。3.長大疲労き裂の成長予測。疲労き裂成長解析に適用する事に適した数値解析ツールに関して種々調査した結果,現状ではき裂結合力モデルに棒要素を導入することでき裂開閉口挙動を定量的にシミュレーションすることが,最も高精度なき裂成長曲線推定手法であることを確認した。また,この手法がこれまでに適用されたことがない,長大き裂の成長予測への適用可能性を検討するため,船体外板を模擬した大型試験体を用いた疲労試験結果に対して,同手法を適用して疲労き裂成長曲線の推定を行い,妥当性を確認した。