材料の加工硬化特性を考慮した亀裂結合力モデルに基づく疲労亀裂の開閉口モデルと亀裂伝播解析

摘要

大型溶接構造物の疲労強度評価手法の主流はS-N曲線に基づくMiner則等の線形累積被害則の適用であるが，同手法による疲労強度評価では,繰返し荷重サイクル数と疲労亀裂成長量の定量的な関係を与えることが出来ない.これに対して破壊力学的手法を適用することで載荷に伴う亀裂成長量を推定できる上，亀裂成長の結果，構造物が不安定破壊を生じるか否かの判断まで下すこともできるが，一般的な破壊力学的手法（Paris貝IJ)では疲労亀裂伝播挙動に大きな影響を及ぼす荷重履歴の効果を定量的に考慮出来ないという問題がある.この問題に対し豊貞ら"は，疲労急裂成長には，応力変動1サイクル（最大応力4[除荷過程]-最小応力-[再負荷過程]-次ステップの最大応力）中の再負荷過程で，亀裂先端が開口した後に再び引張塑性域が形成される応力Srpg(RPG hh-Jl；Re-tensile Plastic zone's Generated stress;カュら次ステップの最大応力Smaxに至る過程で，亀裂先端近傍で塑性ヒステリシスが出現し，疲労龜裂成長のエネルギが供給されると考えた.そして，再引張塑性域が形成される応力範囲に対応する応力拡大係数範囲A&k;を，疲労亀裂伝播速度を律するパラメータに採用することで，定量的な疲労寿命評価が可能であると提案し，この疲労亀裂伝播則を実装した疲労亀裂開閉口シミュレーションりを開発し，一定荷重振幅条件に加えて種々の変動荷重条件下における疲労亀裂伝播の数値シミュレーションを実施し，実測結果と比較することで，同手法の妥当性を示している.しカゝしながら，同シミュレーシヨンでは，比較的大きな荷重履歴変動条件下で，亀裂成長履歴の推定精度が低下する場合があることも確認、された.亀裂成長履歴の推定精度低下が生じる原因として，同シミュレーションでは，疲労亀裂伝播履歴に大きく影響を及ぼす亀裂開閉口挙動の数理モデル(疲労龜裂伝播に伴レ、亀裂面に取り込まれるcrackwakeの表現）を，亀裂結合カモデル（Stripyieldmodel)に基づいて構築しているが，亀裂結合力モデルでは材料を弹完全塑性体と仮定しているのに対し，実材料は一般に加工硬化現象を生じるため，弹完全塑性体としての取り扱いでは，crack wakeや亀裂先端近傍で生じる塑性変形が過大に与えられるという問題が生じるためである.この結果，特に荷重履歴が急変する場合に実現象以上の亀裂閉口，亀裂成長の遅延や停留を推定すると推察された.この問題を克服するため，塑性拘束係数ゃ塑性収縮係数いといった各種係数をシミュレ一シヨンに導入することで実験値と比較して良好な解析結果を得ている.