Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

破壊力学 / 脆性破壊 / 信頼性設計 / 有限要素法 / き裂伝播 / 鉄鋼材料 / 微視力学 / 数値モデル / ミクロモデル / 高張力鋼 / アレスト / 脆性亀裂伝播 / アレスト靭性 / 構造最適化 / マルチスケール

海上物流量の増大に伴い、1万個を超えるコンテナを輸送する大型船舶が建造されるようになったが、船体の安全性を確保するための脆性き裂伝播を抑制する技術が未完成である。本研究はこれを解決するもので、1000m/sを超える速度で高速伝播する脆性き裂の挙動を実験と数値シミュレーションによって解明することを試みた。従来の破壊力学では説明ができなかった1m以上の長大き裂におけるき裂伝播／停止挙動を説明することが可能となった。さらに、船体用鋼材のアレスト特性を向上させるためには脆性き裂伝播のミクロ挙動を解明することが重要であり、結晶粒レベルのき裂伝播解析を行い、アレスト挙動とミクロ組織の関係を明確化した。

近年の世界的な経済規模拡大に伴い、海上物流量が飛躍的に増大し、1万個を超えるコンテナを輸送できる超大型コンテナ船が建造されるようになった。これら船舶においては脆性破壊を防止することが極めて重要であるが、高速で伝播する脆性き裂の挙動には未解明な点が多く、大型コンテナ船の脆性き裂アレスト設計やアレスト性能に優れた船体用鋼材の開発を合理的に行うことが困難であった。本研究成果はこれらの要求に直接的に適用できるものであり、本研究者らはアレスト靭性の評価試験方法のISO規格策定や船体アレスト設計の策定にも関与してきた。本研究はこれらの社会貢献に直接的に役立つものである。

梁 / 塑性変形能力 / 延性破壊 / 局部座屈 / 高張力鋼 / 有限要素法

本研究は,梁の最大耐力決定要因として圧縮フランジの局部座屈と,引張フランジの延性破壊の両方を対象とし,梁の塑性変形能力がこれらの要因の相互効果により決定されるものとして捉えた。ここでは降伏比の高い高張力鋼を用いた梁を対象として,各板要素の幅厚比、材長を変数とし,実験を通してこれらの要因が梁の崩壊性状に与える基本的な影響を確認した。
具体的には,梁の塑性変形能力を高める上で構成板要素の幅厚比を小さくすることは必要であるが,特定の幅厚比以下のものを使用する場合には,梁の最終崩壊形式が引張フランジの延性破壊となることがあり,小さい幅厚比の梁ほど塑性変形能力は小さくなることを明らかにした。また,ウエブ幅厚比の小さい梁は,フランジの局部座屈を抑制する効果によりフランジの局部座屈が成長せず,最大耐力が引張フランジの延性破壊で決まる可能性があり,延性破壊に関してもウエブ,フランジの相互作用を考慮する必要があることを示した。さらにウエブ,フランジの幅厚比が共に等しい同断面の梁においても材長が短くなると最大耐力が延性破壊が決定される可能性があり,梁の崩壊形式及び塑性変形能力評価にはモーメント勾配も考慮する必要があることを示した。
同時に数値解析を通して,局部座屈と延性破壊の相互効果で決定される高張力鋼梁の塑性変形能力をフランジ幅厚比で整理し、最大耐力の決定要因が局部座屈から延性破壊に遷移するフランジ幅厚比の境界は,ウエブ幅厚比,材長により変化し,ウエブ幅厚比が小さいほどフランジ幅厚比の境界値は大きくなり,モーメント勾配がきついほど同様に大きくなることを明らかにした。また,梁の塑性変形能力を局部座屈と延性破壊の両面から評価し構成板要素の幅厚比で整理することができることを示した。

【研究分担者】
鈴木克幸	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	教授	(Kakenデータベース)
柴沼一樹	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)
川畑友弥	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)