マルチレベルモデリングによる微細組織変化を考慮した高温変形解析法の開発

Coupled,macro-micro modeling based on real microstructure for hot deformation

相澤 龍彦*

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原子力構造・機器の安全性、特に長期間にわたる安全保障を説明するための高信頼性・統一的評価手法開発の第一段階として、均質化法に基礎を置くマルチレベルモデリングによる実材料組織を考慮・記述した高温変形、損傷現象評価手法を開発した。この手法の特徴は以下の5点にまとめられる。 (1)階層化:試験片・部材レベルの高温変形と材料組織レベルの高温変形・破壊とを独立して解析することで、材料固有の構成関係および高温破壊マイクロメカニクスのみでマクロな損傷も評価できる。 (2)連成化:階層化の各レベルにおいて、変形場-温度場-拡散場の相互作用を考慮することが可能となる。 (3)実組織モデル:組織写真から画像処理-自動要素分割機能を併用することで、多相の物質の連続体力学挙動を記述できる。特にボイド発生なども適切に取り扱うことが可能となった。 (4)高温破壊マイクロメカニクス:従来のマイクロメカニクスと異なり、ボイド生成・ボイド合体・クラック形成を直接取り扱うことで、無損傷の材料から破断直前の材料までを表現することができるようになった。 (5)試験片・部材損傷:材料組織上の力学量から、均質化した力学特性を解析し、損傷を受けた組織の損傷度を推定することができた。 これらの特徴により、これまで全くといってよいほど利用されてこなかった材料組織データと、試験片レベルでの実験データならびに部材レベルでの実験データとを結合することが可能となった。

Coupled, macro-micro modeling based on real microstructure have been developed for hot deformation of structures and equipments of nuclear plant. This modeling method is based on the homogenization method and related computational and theoretical mechanics for materials. Its features are summarized below. (1)Hierarchical modeling:Hot deformations of structual members and specimens as well as deformation of microstructure are evaluated independently. Therefore, macro-level damage can be avaluated only with the constitutional relations among materials and micro-machanics of hot deformation. (2)Coupled modeling:Models for deformation, thermal conduction and diffusion are strongly coupled in each level of hierarchy. (3)Real microstructure:Automatically modeling based on real microstructure taken from optical microscope enabled to describe the continuum mechanics of polycrystalline materials. Especislly void generation can be treated appropriately. (4)Micro-mechanics of hot deformation:Degradation procedure of materials from virgin materials to failure can be expressed because void generation, void coalescence and crack formation are treated directly. (5)Damage of structural members and specimens: Damage of structural members and specimens could be evaluated from homogenized mechanical properties calculated from mechanical properties of micro-structure. Developed modeling method makes full yse of the micro-structure obtained from microscopic observation and experimental data of mechanical properties of structual members and specimens toward the quantitative avaluation of material and structural integrity.