高精度疲労き裂成長シミュレーション手法の構築

高精度疲劳裂纹扩展模拟方法构建

基本信息

批准号：
17760647
负责人：
後藤浩二
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

疲労強度評価の現状は,a)S-N曲線と作用応力頻度分布をデータとして累積損傷被害則を適用する方法,b)破壊力学に基づくき裂成長予測,に大別されるが,前者では経験的に得られた安全率の適用が必要であり,後者ではき裂開閉口挙動の考慮が必要不可欠であるにも関わらず,取り扱いの難解さからこれを定量的に考慮している研究は少数に留まっている。本研究では,従来の研究が有する問題点を解決するための新しい疲労き裂成長シミュレーション手法の開発を目指し,これに必要な基礎検討(以下の1〜3)を実施した。1.シミュレーションの土台となる数値解析手法に関する調査。き裂進展シミュレーションに関する優位性が提唱されているXFEMに関し,プロトタイプとなるシミュレーションコードの作成を行ったが,XFEMでは,き裂形状を「線」として表現するため,疲労寿命の定量的評価に必要不可欠な,き裂開閉口挙動のモデル化が不可能であることを確認した。また,弾塑性FEMにリメッシュ機能とき裂面の接触影響を考慮する手法についても検討したが,メッシュ分割の度合いが計算結果に大きく影響を与えること,計算時間の観点から実用的ではないこと,き裂進展時期の設定法について,指針が確立出来ないことを確認した。2.SEM内疲労試験機を用いた,き裂開閉口挙動の詳細観察。き裂成長シミュレーションの高度化には,き裂発生初期段階での成長挙動及び1サイクル中のどの時期にき裂が進展しているのかをシミュレーションで忠実に再現することが必要であるため,SEM内疲労試験機を用いて,繰り返し載荷中のき裂開閉口挙動を直接観察し,停留き裂では最大荷重時にき裂先端は尖った"cusp"型となるが,伝播するき裂では鈍い"blunt"型になることを確認した。1サイクル中の疲労き裂進展時期については,観察を試みたが,明確な結論を得るには至らなかった。3.長大疲労き裂の成長予測。疲労き裂成長解析に適用する事に適した数値解析ツールに関して種々調査した結果,現状ではき裂結合力モデルに棒要素を導入することでき裂開閉口挙動を定量的にシミュレーションすることが,最も高精度なき裂成長曲線推定手法であることを確認した。また,この手法がこれまでに適用されたことがない,長大き裂の成長予測への適用可能性を検討するため,船体外板を模擬した大型試験体を用いた疲労試験結果に対して,同手法を適用して疲労き裂成長曲線の推定を行い,妥当性を確認した。

疲劳强度评估的现状大致可分为a）以S-N曲线和施加应力频率分布为数据应用累积损伤损伤定律的方法，以及b）基于断裂力学的裂纹扩展预测的方法。虽然在后一种情况下需要考虑裂纹的张开和闭合行为，但由于处理起来很困难，只有少数研究对此进行了定量考虑。在本研究中，我们旨在开发一种新的疲劳裂纹扩展模拟方法来解决以前研究的问题，并为此进行了必要的基础研究（下面的1至3）。 1. 研究作为模拟基础的数值分析方法。我们为 XFEM 创建了一个原型模拟代码，该代码被认为在裂纹扩展模拟方面具有优越性，但是，由于 XFEM 将裂纹形状表示为“线”，因此已证实不可能对基本的裂纹打开和闭合进行建模。行为。我们也考虑了弹塑性有限元中考虑重网格功能和裂纹面接触效应的方法，但发现网格划分程度对计算结果影响很大，从计算角度来看不太实用已证实无法制定有关如何设置裂纹扩展时间的指南。 2. 使用 SEM 中的疲劳测试仪详细观察裂纹张开/闭合行为。为了改进裂纹扩展模拟，需要忠实地再现裂纹萌生初始阶段和一个周期内裂纹扩展期间的扩展行为，我们使用内部疲劳试验机直接观察裂纹扩展。和重复加载过程中的闭合行为，发现在静止裂纹中，裂纹尖端在最大载荷下变成尖锐的“尖点”形状，但在传播裂纹中，它会变成钝的。类型。尽管我们试图观察一个循环中疲劳裂纹扩展的时间，但我们无法得出明确的结论。 3.长疲劳裂纹扩展的预测。通过对适用于疲劳裂纹扩展分析的数值分析工具进行各种研究，我们发现定量模拟裂纹张开/闭合行为的最佳方法是将杆单元引入裂纹结合力模型中，这一点得到了证实。方法是一种估算裂纹扩展曲线的高精度方法。此外，为了检验该方法对预测以前从未应用过的长而大的裂纹扩展的适用性，我们比较了使用模拟船舶外蒙皮的大型试验样本进行的疲劳试验的结果。采用同样的方法估算裂纹扩展曲线，并验证了其有效性。