高時間分解能画像計測と高次PDS-FEMを用いたスーパーシア破壊についての検討

利用高分辨率图像测量和高阶 PDS-FEM 研究超剪切断裂

• 批准号: 21K04241
• 负责人: 沖中 知雄
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Kindai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04241/
• 关键词: スーパーシア破壊; 画像計測; 超高速ビデオカメラ; PDS-FEM; PDS－FEM; 衝撃破壊試験; 高次PDS-FEM

本研究ではスーパーシア破壊を実験と数値解析を用いて検討し，その発生メカニズムや地盤の不均一性が断層のスーパーシア破壊に与える影響を明らかにするとともに，スーパーシア破壊を再現できる数値解析手法を確立することを目的とする．実験では衝撃破壊試験を行う．高速で飛翔する飛翔体を供試体に衝突させ，供試体内部でき裂を発生させる．超高速ビデオカメラと光弾性手法を組合せてき裂の進展状況と応力分布を1μ秒単位で画像計測する．実験の供試体の作成材料として光弾性感度をもつ透明材料であるエポキシ樹脂とポリカーボネート樹脂を採用した． 2個の供試体の長辺を突き合せて長辺側に圧縮荷重を載荷し，短辺に飛翔体を衝突させることにより，接合部でき裂を進展させた．供試体側面から平行光を照射，透過像を超高速ビデオカメラで撮影する．照射光を偏光させることにより形成された光弾性縞をき裂の進展状況と合わせて画像計測することにより，き裂の進展状況と合わせて供試体中の応力場を画像計測する．計測結果からスーパーシアき裂発生のメカニズムを実験的に検討する．また計測された干渉縞は後述する数値計算手法の精度の検証にも使用する．数値解析として高次PDS―FEMを用いたき裂進展解析を行う．PDS－FEMは解析対象をボロノイ領域と共役なデネルイ領域に分割し，変位をボロノイ領域で，変位の微分項であるひずみをデルネイ領域で離散化する解析手法である．ボロノイ領域の境界上で変位の不連続性が許容されるため，き裂の進展解析に適している．離散化に高次関数を採用することにより解析精度を向上させた高次PDS－FEM解析に，き裂面を解析するための接触要素を導入することによりき裂進展解析を行う．実験により得られた光弾性干渉縞と解析結果により再現された干渉縞を比較することにより解析精度を検証し，スーパーシア破壊を再現できる解析手法を確立することを目標とする．

在本研究中，我们通过实验和数值分析来研究超剪切破裂，阐明其发生机制以及地面非均质性对超剪切破裂的影响，并使用可以再现超剪切破裂的数值分析方法，目的是建立超剪切破裂。在实验中，将进行冲击断裂试验。高速飞行的飞行物与试样碰撞，导致试样内部产生裂纹。通过结合超高速摄像机和光弹性方法，以 1 微秒为单位测量裂纹扩展和应力分布的图像。环氧树脂和聚碳酸酯树脂是具有光弹性敏感性的透明材料，用于制作实验样本。将两个样本的长边对接在一起，向长边施加压缩载荷，并将弹丸物体与短边碰撞，在接缝处产生裂纹。从标本侧面照射平行光，用超高速摄像机拍摄传输图像。通过测量照射光偏振形成的光弹性条纹和裂纹扩展情况，可以对试样中的应力场和裂纹扩展情况进行成像和测量。根据测量结果对超剪切裂纹萌生机理进行了实验研究。测量的干涉条纹也将用于验证后面描述的数值计算方法的准确性。作为数值分析，我们使用高阶 PDS-FEM 执行裂纹扩展分析。 PDS-FEM是将分析对象分割为与Voronoi区域共轭的Denely区域，在Voronoi区域中离散化位移，在Delney区域中离散化作为位移微分项的应变的分析方法。由于 Voronoi 区域的边界允许位移不连续，因此适合裂纹扩展分析。裂纹扩展分析是在高阶PDS-FEM分析中引入接触单元对裂纹表面进行分析，利用高阶函数进行离散化，提高了分析精度。目的是通过比较实验获得的光弹干涉条纹和分析结果再现的干涉条纹来验证分析的准确性，并建立能够再现超剪切断裂的分析方法。