【研究領域課題番号】18H03811 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊力学 / 脆性破壊 / 高速亀裂伝播 / アレスト / 有限要素法 / 重合メッシュ法 / アレスト設計 / 設計

【研究成果の概要】

本研究では、大型構造物における脆性亀裂伝播停止性能評価の一般化に向けた研究として、(1) 継手等の複雑な構造因子が亀裂伝播に与える影響の解明、(2) 局所限界破壊応力理論を実装した数値解析手法の開発、を行った。構造不連続を含む継手構造に対し、高速度カメラ計測拡張有限要素法による数値解析を行った結果、構造因子によるアレスト性能向上効果が極めて高いことが明らかとなった。さらに、実用性の高い構造設計手法の確立に向けて重合メッシュに基づく高速亀裂伝播モデルを開発した結果、提案手法は極めて高い精度と計算効率の両立を達成した。

【研究の社会的意義】

本研究の成果により、大規模構造体における最も危険な損傷形態である「脆性亀裂伝播」に対して、全く新しいアプローチによる制御方法への道が開かれた。それは脆性亀裂アレスト設計の対象をアレスト靭性という単一の材料特性のみから構造体全体のアレスト性能へと拡張し、さらにそのアレスト性能を最大化するための数値シミュレーションによる構造設計によって実現可能できると考えられる。本研究の成果はその新たな設計コンセプトの基盤であり、高い学術的・社会的意義を有する。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】14350058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イメージベース手法 / 重合メッシュ法 / マルチスケール法 / 有限要素法 / モルフォロジー / 均質化法 / 多孔質セラミックス / ノンローカル問題 / 立体視 / 繊維強化プラスチック

【研究成果の概要】

独自の重合メッシュ法(mesh superposition method)を用い、実際の不均質材料の3次元ミクロ構造モデリングを高分解能X線CTを用いるイメージベース手法により行う新たな「イメージベースト重合メッシュ法」を提案した。この手法は、これまでのマルチスケール法で取り扱うことが不可能であった継手界面や、局部的に集中して現れる塑性域、損傷域の考慮、ひずみ勾配を考慮した問題などのノンローカル問題に適用可能である。
具体的に、数マイクロメートルの高分解能で微視形態をとらえ、大規模3次元マルチスケール解析を行う。ミクロモデリングを行うために、モルフォロジー分析法についての研究も行った。マクロモデルでは均質化材料モデルを用いるが、任意の複雑なミクロ構造に対応するため均質化法を適用する。すなわち、均質化法と重合メッシュ法の併用解法といえる。重合メッシュ法においてミクロメッシュとマクロメッシュの相関を表す剛性項のために大規模問題となる点については、RCM法によるリナンバリングが有効であることを見いだした。これにより、本研究においても通常のパソコンで約10万要素の3次元解析が可能となった。適用例として多孔質セラミックスをとりあげ、モルフォロジー分析、ミクロ・マクロモデリング、マクロき裂先端におけるミクロ応力解析を実施した。また、精度検証として、イメージベースモデリング手法の妥当性について計測結果と比較して誤差1%程度という良好な結果を得たほか、2次元重合メッシュ法において界面でのミクロ応力解析の精度検証を行った。これらの精度検証の結果は、今後の提案手法の実用化に向けて貴重なデータとなる。また、得られた3次元ミクロ応力分布の可視化および定量的評価のために、応力ヒストグラムなどが容易に処理できるソフトV-SEMを開発した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【研究分野】海洋工学

【研究領域課題番号】12450405 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マルチスケール解析 / 重合メッシュ法 / 大規模解析 / ズーミング / クラック解析 / ズーミング解析 / シェル・ソリッド混合解析 / 大型構造物 / 重合メッシュ解析 / 大規模浮体構造物 / グローバルメッシュ / 非線形問題 / 有限要素法

【研究成果の概要】

近年,海上空港の実現に向けて超大型浮体構造物に関する研究が盛んになされ,メガフロートをはじめとする各種の実証実験も行われている.このような超大型浮体物の構造に対して,実証実験による強度評価は困難で,計算による手法に頼らざるを得ない.大規模構造物に対し,波浪荷重による全体の挙動を解析しながら詳細部分の応力状態を調べるためには,異なるスケールのモデルを連成させるマルチスケール解析が必要である.
そこで本研究では,グローバル・ローカル解析を連成させた重合メッシュ法を用いた解析手法による,ズーミング解析の高精度化を行った.重合メッシュ解析は異なるメッシュを重ね合わせることにより,グローバル解析とローカル解析を同時に行い,従来のズーミング解析に比べはるかに高精度の解析を行う解析方法である.さらに,2つのモデルの境界での一致などを考える必要がないためモデリングの手間も削減できる方法である.この手法を大規模浮体構造物に適用するため,異なる形状モデル(シェル・ソリッドモデル),異なる解析条件(線形・非線形解析)を用いた混合解析に対する定式化及び実装を行った.さらに,この重合メッシュ法を発展させ,リメッシュを行うことなく亀裂進展解析が行える解析方法の定式化及びプログラムへの実装を行った.
本研究により,重合メッシュ解析を用いれば従来のズーミング法にくらべ格段によい精度でグローバル・ローカル解析が行えることが示された.また,異なる形状モデル(シェル要素とソリッド要素)を用いたマルチスケール解析,ローカルモデルにのみ非線形解析を行い、グローバルなモデルについては線形解析のみを行うような,異なる解析条件のマルチスケール解析など,従来のマルチスケール解析にくらべより高精度に船体などの大規模な解析を非常に合理的に行うことができる.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】10,700千円 (直接経費: 10,700千円)

【研究分野】船舶工学

【研究領域課題番号】10555337 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マルチグリッド法 / 重合メッシュ法 / ズーミング法 / グローバル要素 / 有限要素法 / 船体構造

【研究成果の概要】

船体構造のような大規模な構造に対して有限要素解析を行う場合,全体構造を詳細形状まで表現したモデルで解析を行うことは非現実的であるため,一般的にグローバルな解析結果をもとに適当な境界条件を与えて詳細解析を行うズーミング解析と呼ばれる方法が用いられる。しかし,現実には,グローバルな挙動とローカルな挙動は互いに影響を及ぼしあうものであり,より正確な解析にはグローバルな解析とローカルな解析を連動させることが望ましい。そこで,本研究では,船体構造の解析におけるズーミング法の精度の改善のため,グローバルなメッシュとローカルなメッシュを重ね合わせ,グローバルな解析とローカルな解析を同時に行う重合メッシュ法を,2次元弾性問題,板曲げ問題に適用し,ズーミング法に比べ良い解が得られることを示した。また,グローバルな解析とローカルな解析を反復的に行うことによって重合メッシュ法を汎用有限要素コードを用いて行うことができることを示し,船体構造解析に適用した。船体構造解析の解析例は,21万トンのバルクキャリアーとし,汎用コードとしてMSC/NASTRANを使用した。本例題により,船体構造解析における重合メッシュ法の有効性が確かめられ,船体構造の設計者が通常用いている汎用コードを用いて,従来のズーミング解析法よりも精度の良い重合メッシュ法を容易に利用できることを示した。また,詳細解析を行う部分の剛性が部分的に異なる場合,グローバル領域は一様の剛性とし,ローカル領域の剛性のみを変化させれば良いということを数学的に証明した。この事実を応用すれば,全体モデルを線形解析で行い,ローカル領域のみに弾塑性等の非線形性を考慮すればよいため,非常に合理的な解析が行える。また,従来のズーミング解析では,このような非線形解析は不可能であったため,本開発手法の今後の発展が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】9,100千円 (直接経費: 9,100千円)