Design strategy for brittle crack arrest to achieve innovative crack propagation control

脆性裂纹止裂设计策略以实现创新的裂纹扩展控制

基本信息

批准号：
22H00242
负责人：
柴沼一樹
金额：
$ 26.87万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

「破壊シミュレータの開発」では、弾性体を対象として亀裂前縁の幾何情報を基準とした「レベルセット法」によるローカルメッシュ生成アルゴリズムを構築し、高速亀裂伝播に伴う亀裂前縁形状変化と局所応力の高精度評価を同時に実現し、従来の手法における精度・効率性・安定性・アルゴリズムの煩雑性に関する本質的な課題を全て解決した手法を確立した。「材料破壊抵抗同定手法の開発」では、力学に立脚して試験片全体に圧縮応力を与える新たな脆性亀裂アレスト試験法のコンセプトを提案した。標準的な3点曲げ試験片を用いた従来のアレスト試験法と提案法とを2種類のフェライト鋼に対して適用して比較したところ、従来法では亀裂の停止が実現しない温度条件下であっても提案法により亀裂を停止できることが確認され、提案法の有効性を確認した。「最適構造設計手法の開発」では、最適化手法の開発に先立ち、構造体内部に不連続面を導入するための合理的な手法の開発を行った。具体的には、要素形状と独立に変位不連続を定義可能な拡張有限要素法の近似法をグローバル要素に実装し、ローカルメッシュを用いてグローバルメッシュ内部に自由表面を導入する際に生じる誤差を効果的に解消する手法を開発し、厳密解を有する問題に適用して精度検証を実施することでその有効性を示した。

在“断裂模拟器的开发”中，我们基于弹性体裂纹前缘的几何信息，采用“水平集法”构建了局部网格生成算法，并分析了由于裂纹前缘形状的变化。我们建立了一种能够同时实现高精度评估的方法，并解决了传统方法在准确性、效率、稳定性和算法复杂性方面的所有基本问题。在“材料抗断裂识别方法的发展”中，我们提出了一种基于对整个试件施加压应力的力学的新的脆性止裂试验方法。使用标准三点弯曲试件的传统止裂试验方法与所提出的方法在两种铁素体钢上的比较表明，传统方法无法在温度条件下止裂，而所提出的方法能够止裂。即使使用该方法也能停止裂纹，证实了该方法的有效性。在“最佳结构设计方法的开发”中，在开发优化方法之前，我们开发了一种在结构内部引入不连续表面的合理方法。具体来说，我们实现了扩展有限元法的近似方法，该方法可以独立于全局单元上的单元形状来定义位移不连续性，并解决了使用局部网格在全局网格内引入自由表面时出现的误差。一种有效解决该问题的方法，并通过将其应用于具有精确解的问题并验证其准确性来证明其有效性。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Implementation of an s-version finite element method for analyzing elastic-plastic problems

用于分析弹塑性问题的 s 版有限元方法的实现

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shengwen Tu;Naoto Mitsume;Naoki Morita;Kazuki Shibanuma
通讯作者：
Kazuki Shibanuma

S-version finite element strategy for accurately evaluating local stress in the vicinity of dynamically propagating crack front in 3D solid

DOI：
10.1016/j.cma.2022.115374
发表时间：
2022-09
期刊：
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
影响因子：
7.2
作者：
Kazuki Shibanuma;Kotaro Kishi;Tianyun He;Naoki Morita;N. Mitsume;Tsutomu Fukui
通讯作者：
Kazuki Shibanuma;Kotaro Kishi;Tianyun He;Naoki Morita;N. Mitsume;Tsutomu Fukui

A numerical modelling strategy for accurately simulating dynamic crack propagation in a 3D solid based on s-version of finite element method

基于 s 版有限元方法精确模拟 3D 实体中动态裂纹扩展的数值建模策略

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kazuki Shibanuma;Kota Kishi;Tianyu He;Naoki Morita;Naoto Mitsume
通讯作者：
Naoto Mitsume

High-speed crack propagation analysis in transparent elastic solid based on s-method compared with experiments

基于S法的透明弹性固体高速裂纹扩展分析与实验对比

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tianyu He;Hironori Matsushita;Kazuki Shibanuma
通讯作者：
Kazuki Shibanuma

Ductile crack propagation path depending on material properties: Experimental results and discussions based on numerical simulations

取决于材料特性的延性裂纹扩展路径：基于数值模拟的实验结果和讨论

DOI：
10.1016/j.matdes.2022.111158
发表时间：
2022
期刊：
Materials & Design
影响因子：
0
作者：
Shibanuma Kazuki;Tu Shengwen;Suzuki Shota;Yu Zhuocheng;Kato Ryoma;Hatamoto Asato
通讯作者：
Hatamoto Asato