Benchmark analysis of ductile fracture simulation for circumferentially cracked pipes subjected to bending

曲げを受ける周方向亀裂を有する配管の延性破壊シミュレーションに関するベンチマーク解析

熊谷 知久*; 三浦 靖史*; 三浦 直樹*; Marie, S.*; Almahdi, R.*; 真野 晃宏 ; Li, Y. ; 勝山 仁哉  ; 和田 義孝*; Hwang, J.-H.*; Kim, Y.-J.*; 長嶋 利夫*; Huh, N.-S.*; 高橋 昭如*

Kumagai, Tomohisa*; Miura, Yasufumi*; Miura, Naoki*; Marie, S.*; Almahdi, R.*; Mano, Akihiro; Li, Y.; Katsuyama, Jinya; Wada, Yoshitaka*; Hwang, J.-H.*; Kim, Y.-J.*; Nagashima, Toshio*; Huh, N.-S.*; Takahashi, Akiyuki*

延性材料の破壊挙動を予測するため、いくつかの延性破壊シミュレーション手法が提案されている。ただし、これらの手法には実機器への適用性に関する懸念がある。本研究では、パラメータの決定を含めたシミュレーション手法の予測能力を確認するため、実機器を想定した破壊試験に関する2つの問題を設定し、ベンチマーク解析を実施した。1つ目の問題は、周方向の表面亀裂及び貫通亀裂を有する配管に対する単調曲げ荷重負荷試験、2つ目の問題は、周方向貫通亀裂を有する配管に対する繰り返し曲げ荷重負荷試験である。ベンチマークの参加機関は、独自に選択した手法によって延性亀裂進展挙動を予測した。用いられた手法は、ボイド率基準を有するGurson-Tvergaard-Needleman(GTN)モデルに基づく有限要素法(FEM)、応力三軸度により修正される破壊ひずみ基準また破壊エネルギー基準に基づくFEM、JまたはJ基準に基づく拡張FEM及び弾塑性粒子法等である。単調曲げ荷重負荷試験に関しては、すべての手法によるシミュレーションの結果が配管の変形と亀裂進展の挙動を精度よく再現し、シミュレーション手法の実機器への適用性が確認された。一方、繰り返し曲げ荷重負荷試験におけるこれらの挙動については、ほとんどの手法で再現できなかった。今後材料の繰り返し硬化特性等を考慮したパラメータの決定手法についてさらなる検討が必要であることを確認した。

To predict fracture behavior for ductile materials, some ductile fracture simulation methods different from classical approaches have been investigated based on appropriate models of ductile fracture. For the future use of the methods to overcome restrictions of classical approaches, the applicability to the actual components is of concern. In this study, two benchmark problems on the fracture tests supposing actual components were provided to investigate prediction ability of simulation methods containing parameter decisions. One was the circumferentially through-wall and surface cracked pipes subjected to monotonic bending, and the other was the circumferentially through-wall cracked pipes subjected to cyclic bending. Participants predicted the ductile crack propagation behavior by their own approaches, including FEM employed GTN yielding function with void ratio criterion, are FEM employed GTN yielding function, FEM with fracture strain or energy criterion modified by stress triaxiality, XFEM with J or delta J criterion, FEM with stress triaxiality and plastic strain based ductile crack propagation using FEM, and elastic-plastic peridynamics. Both the deformation and the crack propagation behaviors for monotonic bending were well reproduced, while few participants reproduced those for cyclic bending. To reproduce pipe deformation and fracture behaviors, most of groups needed parameters which were determined toreproduce pipe deformation and fracture behaviors in benchmark problems themselves and it is still difficult to reproduce them by using parameters only from basic materials tests.