変態誘起歪み構成モデルの援用によるレール用形状記憶合金継ぎ目板設計

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「研究の目的」Fe-Mn-Si-Cr系形状記憶合金(SMA)における形状記憶効果は、オーステナイト中に応力誘起されたhcpマルテンサイトがAf温度以上に加熱することによって、Shockley Partial Dislocationが可逆的に移動して逆変態することで発現する。その工業的応用の一つに、レールの継ぎ目板(fishplate)がある。これは従来溶接で行っていたレールの接続を形状記憶効果で発生する応力を利用して行うもので,既に重荷重クレーン用レールで短時間施工と長時間の使用が可能となっている。しかし、その応用範囲拡大にはレールの継ぎ目に発生する応力を正確に制御して、確実に継ぎ合わせると同時に固定用ボルトが塑性変形しない様にする必要がある。その為にはfishplateの形状、加熱時の熱膨張、ボルト固定による塑性変形、一軸部分加熱による形状記憶効果等を考慮した設計が必要となる。本研究ではマルテンサイト変態時に生じる体積膨張を考慮した有限要素法(FEM)によりfishplate、固定用ボルト及びレールの形状変化(ねじり,たわみ)、内部歪み、マルテンサイト変態量等をシミュレートする。これにより、有限要素法によるFe-Mn-Si-Cr系SMAのfishplate設計最適化モデルを確立する。「研究実施計画」プロトタイプのfishplateを用いて、レール接続に必要な発生応力値は既に測定されている。本研究では有限要素法で、その応力値を計算するために必要な物性値、即ち、レールの基本的な機械的性質、設置加熱時におけるfishplate内の温度分布、応カ-歪み-温度応答、熱膨張率、熱伝導率,静的荷重状態における境界条件を知る必要がある。それら物性値により形状と大きさを決めて計算をする。有限要素法による形状記憶合金材料モデルは、4つの現象的寄与、即ち、弾性、塑性、熱歪み、及び相変態による歪みを解析することによって出来上がる。このうち、相変態による歪みは更にTRIP歪み(相変態及びその逆変態)とTWIP歪み(双晶による塑性歪み)に分類される。有限要素法による上記の付加荷重解析により、破壊や欠損を引き起こす条件を明らかにし、それらを再現,可視化することができれば、次のステージとして、fishplateのデザイン、設置施工時の構造・機械的条件、施工時の最適加熱プロセスの決定が可能になる。