Challenge to predict elaborate failures of structures using a novel multiscale-multistage fracture theory

使用新型多尺度多级断裂理论预测结构的复杂失效的挑战

• 批准号: 22KJ0233
• 负责人: 韓 霽珂
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0233/
• 关键词: 損傷モデル; 有限被覆法; マルチステージ; マルチスケール; 破壊

本年度は，大変形や部材分離に伴う大回転問題を考慮した，破壊力学及び損傷力学の利点を併せ持つ遷移理論を構築した．まず，連続体力学における有限変形の枠組みにおいて，任意き裂の発生・進展・分岐をエネルギー最小化問題の解として予測する「phase-fieldき裂モデル（PFモデル）」の定式化を行った．PFモデルは任意き裂進展問題をエネルギーベースで議論できる一方で，不連続き裂面を正則化して 連続的な損傷領域として表現するため，構造物の崩壊で想定される部材の分離を表現することが不可能であったため，定式化したPFモデルに，場の不連続問題の記述を得意とする「有限被覆法」の概念を統合し，遷移理論を構築した．これにより，任意き裂進展問題はエネルギー最小化問題の解として予測する一方で，そのき裂経路は不連続なき裂面として記述される遷移理論が完成した．定式化した遷移理論をインハウスの有限要素プログラムへの実装を行った．PFモデルの実装は通常の材料サブルーチンと同等の手順で行う 一方，数学被覆および物理被覆の実装は有限要素法の要素アセンブリアルゴリズムを大きく変更する必要があったため，まずは2次元問題の実装を行った．提案手法は一つの荷重増分ステ ップ間の非平衡状態中に進展するき裂進展を追随してシミュレートすることが可能であり，モード1やモード2破壊試験などのベンチマークを含んだ数値シミュレーションを実施し，提案手法の性能や妥当性の確認を行った．研究成果の報告および本研究に関わる破壊理論や計算手法の情報収集のために，国内学会2件（応用力学シンポジウム，計算工学講演会）および国際学会2件（WCCM,EFEM）への出張を行った．また，本研究を遂行するにあたり，同分野の専門書籍による学習を通じて専門性の理論基盤を修得した．

今年，我们构建了一种结合断裂力学和损伤力学优点的过渡理论，考虑到与大变形和部件分离相关的大旋转问题。首先，在连续介质力学的有限变形框架中，我们制定了“相场裂纹模型（PF 模型）”，该模型可以预测任意裂纹的萌生、扩展和分支，作为能量最小化问题的解决方案。虽然PF模型可以在能量基础上讨论任意裂纹扩展问题，但它规范了不连续的裂纹表面并将其表示为连续的损伤区域，因此很难表达结构倒塌时预期的构件分离，因为这是不可能的。为此，我们将擅长描述不连续场问题的“有限覆盖方法”的概念融入到公式化的 PF 模型中，并构建了过渡理论。结果，完成了过渡理论，其中预测任意裂纹扩展问题作为能量最小化问题的解决方案，而裂纹路径被描述为不连续的裂纹表面。我们将制定的过渡理论应用到内部有限元程序中。 PF 模型的实现采用与普通材料子程序相同的程序。另一方面，数学和物理覆盖的实现需要对有限元方法的单元组装算法进行重大更改，因此我们首先实现。二维问题．．所提出的方法可以跟踪和模拟一个载荷增量步骤之间的非平衡条件下的裂纹扩展，并且可以用于包括模式 1 和模式 2 断裂测试等基准的数值模拟。所提出的方法。为了报告研究成果并收集与本研究相关的断裂理论和计算方法信息，我们参加了两次国内会议（应用力学研讨会、计算工程讲座）和两次国际会议（WCCM、EFEM）。此外，在开展这项研究的过程中，我通过学习同一领域的专业书籍，获得了专业知识的理论基础。

项目成果

Gradient damage model for ductile fracture introducing degradation of damage hardening modulus: implementation and experimental investigations.

引入损伤硬化模量退化的韧性断裂梯度损伤模型：实施和实验研究。

• DOI: 10.1007/s10704-022-00681-9
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 2.5
• 作者: Han; J.; Matsubara; S.; Nishi; S.; Takada; K.; Muramatsu; M.; Omiya; M.; Ogawa; K.; Oide; K.; Kobayashi; T.; Murata; M.; Moriguchi; S.; Terada; K.
• 通讯作者: K.

A variational formulation of crack phase-field modeling for ductile fracture equipped two damage variables

配备两个损伤变量的延性断裂裂纹相场建模的变分公式

• 发表时间: 2022
• 作者: 韓 霽珂;松原 成志朗;森口 周二;寺田 賢二郎
• 通讯作者: 寺田 賢二郎