乾燥破壊現象における亀裂パターン形成の数値解析

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本研究は、乾燥収縮および熱応力による亀裂の形成・進展の全過程の予測・制御手法を確立することを目的とする。具体的には「拡散現象による亀裂パターン形成」の解析手法としての一般化を図ることで、提案手法が亀裂の進展予測・制御のためのツールとなることを示す。本年度は、昨年度提案した乾燥破壊現象に対する解析手法を熱拡散および動的破壊にまで拡張し、「拡散現象による残留応力場の発生と亀裂パターン形成」の解析手法としての一般化を図った。そのため、熱拡散による材料変形の影響の解析コードへの組み込み、拡散によって発生する残留応力場内での動的破壊の理論的枠組み・解析コードの構築を行った。理論および解析コードの妥当性確認のため、熱拡散による残留応力場内での準静的亀裂進展について解析を行った。既存の実験において、ヒーターで熱したガラス板を端部より水槽で冷却することで、準静的亀裂進展が観察されている。このとき、ヒーターと水槽の温度差・冷却速度・板サイズなどのパラメータの変化により、亀裂形状が直進・蛇行・分岐と遷移する。本年度の解析では、パラメータを変化させることで、実験で観察される全ての亀裂形状とその遷移過程まで再現することができた。さらに、残留応力場内の動的破壊に関する理論および解析手法の妥当性を確認するため、残留応力場を有する強化ガラスの動的破壊パターンの解析を行った。強化ガラス板中の亀裂は残留応力場パターンに応じた亀裂パターンを形成する。本年度は、動的破壊過程における残留応力場の解放と再分配および弾性波が亀裂進展に及ぼす影響を厳密に評価するため、新たな数理モデルを構築し適切な離散化を施すことで、残留応力場内の動的破壊進展の解析を可能にした。以上により、本研究が提案する「拡散現象による亀裂パターン形成」に関する理論および解析手法の妥当性が確認された。