【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】08044131 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 損傷 / メゾスコピック / 計算機シミュレーション / 不均質材料 / 界面強度 / 分子動力学 / 衝撃破壊

【研究成果の概要】

本研究は,日米中仏の4ヶ国の研究者の共同研究により実施するのもので,材料の破壊プロセスにおける微視的な内部構造変化について総合的に検討するとともに,それらを踏まえたメゾスコピック材料モデルを構築することを目的とする.すなわち,本研究では,原子レベルならびにナノレベルにおける微視的アプローチ,不均質材料,材料界面,高分子材料,複合材料の損傷・破壊モデルの検討,および,衝撃荷重や環境など外因の影響を踏まえた材料モデルの考察など,種々の立場から,材料モデルの構築を進めるとともに,相互に協力,啓発を行い,それらを統合化した材料の寸法尺度,時間尺度に対する階層構造を的確に捉えたメゾスコピック材料モデルの構築を目指している.
本研究において設定した調査テーマは下記の通りである.
(1)分子動力学法を基礎とする材料モデルの構築,(2)材料の損傷・破壊現象のミクロとマクロメカニクス,(3)界面強度特性とミクロ・マクロ材料モデル,(4)不均質材料の特性発現機構と損傷機構のミクロ・マクロモデル,(5)複合材料の損傷過程とミクロ・マクロモデル,(6)ミクロ構造を考慮した高分子材料モデルの形成とマクロ特性,(7)破壊のプロセスゾーンの損傷モデル,(8)衝撃荷重下における材料の破壊モデル,(9)材料の環境強度に及ぼす電気化学因子のモデル化
また,東京工業大学,カルフォルニア工科大学,エコールポリテクニークにおいて共同研究を実施するとともに,中国,カナダ,アイルランド,ポルトガルにおいて調査研究を実施した.それらの結果,材料の内部微細構造の変化のダイナミクスを多面的に捉えるための分子動力学法,境界要素法,有限要素法などの種々の方法に基づくモデリング手法についての知見が得られた.

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】13,100千円 (直接経費: 13,100千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】06805009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非極所性 / 非瞬時性 / 熱極性物質 / 分子動力学 / 熱伝導方程式 / Fourierの法則 / 連続体力学 / 不均質材料

【研究成果の概要】

古典連続体力学においては,エントロピー増大則が局所あるいは瞬時においても必ず成立することが前提となっている.本研究では強い非平衡条件下での現象を扱うために,この仮定を緩め,ある一定の空間領域あるいは時間領域にわたるエントロピーの積分値こそが増大するという立場をとった.
この前提から熱力学的な検討を行ない,第一法則と第二法則を連立させて議論を行なった.ここで特徴的なのは,内部エネルギー勾配に関する散逸関数に留意した点である.その結果Fourierの法則に関し,熱流束が温度勾配のみならず,その空間ならびに時間変化率も関係していることが明らかとなった.最終的に得られた熱伝導方程式は,従来の放物型の偏微分方程式とはならず,4階の偏微分方程式となり,熱伝導速度の検討などに関し,より好ましい形式を備えたものとなった.
次にこの現象を確認するために分子動力学を用いた検討を行なった.L-Jポテンシャルを用いたモデルにLeapfrog Methodを適用し計算を行なった.この際,熱源における粒子の運動の制御を非平衡部分に対応させて制御することで,安定した結果を得ることができた.
計算によれば,非定常熱伝導における熱流束は温度勾配のみならず,その空間ならびに時間変化率に関係していることが明らかとなった.同時にその関係の度合を示す新たな物質定数についても概算値を得ることができた.
以上の検討により,激しい非平衡条件の下では,いかなる構成式と熱伝導方程式を適用すべきであるかが明瞭となった.なお本研究の論法は,複合材料などの不均質材料に対しても適用することができる.これも今後の重要な検討課題の一つであると考えている.

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1994

【配分額】1,800千円 (直接経費: 1,800千円)