解析事例 SMART 破壊

SMART 破壊

公開日:2019年2月

バテル記念研究所およびアメリカ国立標準局(現在のアメリカ国立標準技術研究所)による1983年のレポートによれば、破壊の経済的コストは米国単独で年間1,190億ドル(1983年時点でのドル)でした。今日、これと類似した調査を行えば、消費者向け製品、自動車、ならびに産業機器における長年にわたる大幅な増加によって、この数字が増加していることは確実です。消費者および企業にかかる破壊のコストを削減できるテクノロジが出現すれば、経済だけでなく顧客満足度にも大きな影響を与えます。

プロトタイプの構築という従来の破壊テスト手法のプロセスは、時間とコストがかかります。設計段階で製品の靭性を予測するために行う破壊のエンジニアリングシミュレーションは、1980年代の初期から、代替方法として使用可能でした。しかし、破壊のシミュレーションのセットアップと実行は、現在に至るまで容易なものではありませんでした。従来は、メッシング段階に長時間(最大7日間)費やされていました。これは、エンジニアが、六面体およびくさび形を含む精巧なメッシュを、亀裂前縁をキャプチャするように適合させる必要があったためです(六面体要素のみを使用した理想的なメッシュは、多くの場合、実現不可能です)。このため、エンジニアは、六面体のみのメッシュパターンに適合するように亀裂のジオメトリを簡略化し、それによって破壊解析における忠実性が損なわれる結果となっていました。

現在は、ANSYS Mechanicalの新しいUMM(Unstructured Mesh Method、非構造メッシュ手法)により、亀裂前縁にUMMが自動生成するすべて四面体のメッシュを採用することで、プリプロセス時間を短縮でき、理想的な六面体メッシュ構成でシミュレーションを実行した場合と同様の忠実性の高い結果を得られます。メッシング時間は、最大7日間から数分間に短縮されました。

UMMの使用に加えて、ANSYSはANSYS MechanicalにSMART(Separating Morphingand Adaptive Remeshing Technology、分離、モーフィング、アダプティブ、リメッシングテクノロジ)亀裂進展シミュレーションテクノロジも導入しており、シミュレーション中の自動リメッシングも可能になっています。SMARTシミュレーションは、長時間のプリプロセスセッションが排除されており、数回のクリックでセットアップできます。

目次

破壊解析パラメータおよび手法

従来の製造手法または付加製造技術を使用しても、完全な材料を作り出すことは困難です。含有物、結晶粒界の不一致、熱膨脹差、溶融液の汚染、またはほかの多数のメカニズムによって、不整が生じる場合があります。これらの不整から、亀裂が発生する場合があります。亀裂のサイズと形状およびコンポーネントの使用状態に応じて、亀裂が安定的でまったく問題を起こさない場合と、不安定で、それに作用する力とその亀裂が存在する材料の破壊靭性に応じた速度で進展する場合があります。周期対称荷重によって、コンポーネントの構造的に弱い領域に亀裂が発生し、その後、その亀裂が疲労のために進展することがあります。コンポーネントのボリューム全体にわたる亀裂の進展は、壊滅的な破壊につながることがあります。

どの材料でも欠陥のサイズは、その欠陥に対する応力およびその材料の破壊靭性(破壊計算における材料強度に代わるもの)と同様に破壊解析における重要な変数です。応力拡大係数(SIF)によって、線形弾性破壊力学(LEFM)に従う材料の破壊靭性が決まります。SIF変数は、KICとして表されます。弾塑性破壊力学(EPFM)の場合、破壊靭性は、亀裂の進展に必要なエネルギー(JIC(J積分パラメータとも呼ぶ)によって表される)によって決まります。疲労による亀裂の進展は、パリス則を使用してモデル化されています。

ここでAおよびBは、材料定数です。

さまざまな条件や材料の種類における亀裂進展を記述するそのほかの多くのパラメータが、長い年月のあいだに定義されました。

ANSYSは、最近、このリストに材料内力パラメータを追加しました。材料内力は、さまざまな線形材料または非線形材料に対応する汎用パラメータです。これにより、エンジニアは、1つのパラメータを使用してさまざまな材料モデルの特性を設定できます。材料内力は、今後数年間でますます価値が高まる破壊解析パラメータですが、ANSYS Mechanicalでは引き続きSIFおよびJ積分解析もサポートされます。

もう1つの考慮事項は、破壊のモードです。一般的に認識されているモードは3つあります。モードI(開口モード)では、力は亀裂に垂直であり、モードIIはせん断用、モードIIIは面外せん断用です。

これらのモードを組み合わせることもできます。このペーパーでは、モードIの亀裂の進展に限定して説明します。

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