任意の荷重条件下における塑性誘起閉口を考慮した疲労き裂進展解析; 重合メッシュ法を活用した直接数値シミュレーションおよび簡易手法の提案

Numerical simulation of fatigue crack propagation with plasticity-induced crack closure under different loading conditions; Development of direct numerical simulation using S-version FEM and simplified method

新宅 勇一*; 篠崎 勇人*; 藤原 宇希*; 高橋 昭如*; 菊池 正紀

Shintaku, Yuichi*; Shinozaki, Yuto*; Fujiwara, Takaki*; Takahashi, Akiyuki*; Kikuchi, Masanori

本稿は、異なる繰返し荷重条件下での塑性誘起亀裂閉口による疲労亀裂伝搬の数値シミュレーション法の開発に係るものである。開発した手法の1つは、重合メッシュ法FEMを用いた直接数値シミュレーション法であり、構造全体を表すグローバルメッシュと亀裂を含むローカルメッシュを組み合わせたシミュレーションを可能とする。応力拡大係数が重合メッシュ法FEMによって計算された後、塑性誘起亀裂閉口による亀裂開口レベルが亀裂先端の塑性域を表現するために十分に細分された局所メッシュを用いた弾塑性解析によって決定される。塑性誘起亀裂閉口の影響を考慮した亀裂進展速度は、周期荷重下の応力拡大係数範囲が亀裂開口レベルによって実効値に変換されるという修正パリス則によって予測される。もう一つの手法は、有効応力拡大係数範囲が二次元直接数値シミュレーション法を用いた事前分析の結果に基づく最大応力拡大係数と亀裂開口レベルとの間の関係によって近似的に決定されるという単純な手法である。実験結果と比較することにより、開発した方法が曲げ及び引張荷重条件下で試験片中の表面亀裂の伝播を予測できることを確認した。

The contribution of this paper is to develop two kinds of numerical simulation method for fatigue crack propagation with plastic-induced crack closure under different cyclic loading conditions. One of the developed methods is Direct Numerical Simulation (DNS) using S-version FEM that allow us to simulate by combining with global mesh only representing whole structure and local mesh including crack. After stress intensity factor is calculated by S-version FEM, crack opening level due to plastic-induced crack closure is determined by elastic-plastic analysis using local mesh which is enough subdivided to realize small plastic zone around crack tip. The crack growth rate considering effect of plastic-induced crack closure is predicted by modified Paris' law in which the stress intensity factor range under cyclic loading is converted into the effective value by the crack opening level. Then, the local mesh is updated by new crack shape determined from crack growth rate. By repeating these processes, our developed method can provide us to simulate fatigue crack propagation with plastic-induced crack closure directly. Another method is simplified one that the effective stress intensity factor range is approximately determined by the relationship between the maximum stress intensity factor and crack opening level as a result of preanalysis using two-dimensional DNS. By comparison of experimental results, it can be confirmed that our developed methods predict propagation of surface crack in specimen under bending and tensile loading conditions.