A Novel method to uniquely determine the parameters in Gurson-Tvergaard-Needleman model

GTNモデルのパラメータを一意に決定する新たな手法

Zhang, T. ; Lu, K. ; 真野 晃宏 ; 山口 義仁 ; 勝山 仁哉  ; Li, Y. 

Zhang, T.; Lu, K.; Mano, Akihiro; Yamaguchi, Yoshihito; Katsuyama, Jinya; Li, Y.

GTNモデルは、延性金属の微細組織の力学挙動を考慮するモデルであるとともに、式が明確な物理的意味を表すことから、延性金属の破壊予測のためのアプローチとして期待されている。一方、強い相関のある8つのモデルパラメータの決定が困難なため、工学的な応用はほとんど進んでいない。本研究では、GTNモデルの物理的背景に基づいて、GTNモデルのパラメータを決定するための一連の手法を提案した。具体的には、連続体損傷力学の考え方を活用し、一軸引張試験における有効ヤング率の変化からボイドの体積分率の増加を実験的に求めることで、ボイドの生成に関する3つのパラメータの値を決定した。その他のGTNモデルのパラメータに関しては、化学組成分析、ボイドが含まれる単位セルモデルを用いた解析及び有限要素逆解析により一意に決定した。また、これらのパラメータ決定手法の妥当性を、炭素鋼STPT410の亀裂付き試験片と亀裂のない試験片の両方の破壊試験の結果と決定したパラメータを用いた数値解析結果との比較を通じて確認した。

The Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model is considered a promising approach in failure prediction as it takes the micromechanical behavior of ductile metals into consideration and its function exhibits a relatively clear physical meaning. Although the GTN model has been widely investigated in the past decades, its engineering applications have scarcely progressed due to the difficulty in determining the eight strongly coupled parameters. Based on the physical background of GTN model, a set of methods was established to determine the parameters in the GTN model. The knowledge of continuum damage mechanics was used to experimentally determine the development of void volume fraction through the variation of effective Young's modulus in a uniaxial tensile test, and three parameters regarding void nucleation were analytically derived using a newly established method. Other parameters in the GTN model were also uniquely determined through a joint use of the chemical composition analysis (for the initial void volume fraction), the cell model analyses (for the two constitutive parameters), and the inverse finite element method (for the two failure parameters). The reliability of this novel parameter determination method was verified through the failure prediction of both cracked and uncracked specimens of carbon steel STPT410.