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論文

レーザー加工のシミュレーション

山田 知典; 山下 晋; 杉原 健太; 村松 壽晴

プラズマ・核融合学会誌, 89(7), p.500 - 506, 2013/08

レーザー加工プロセスには、時間,空間スケールの異なる多くの物理機構が存在するため、複雑さや計算の難しさから、十分に解明されているとは言い難い。本章では、こうしたレーザー加工時の複合物理現象の解明に向けて開発されてきたシミュレーションモデルを紹介する。さらに、筆者らが開発を行った数値シミュレーションコード(SPLICE)を用いたレーザー溶接・切断の数値シミュレーション結果と、放射光高輝度単色X線を用いた高精度実験やレーザーによる厚板鋼材切断試験の結果との比較対比を通じて得られた知見・課題等について紹介する。

論文

A Round robin program of master curve evaluation using miniature C(T) specimens; First round robin test on uniform specimens of reactor pressure vessel materials

山本 真人*; 木村 晃彦*; 鬼沢 邦雄; 吉本 賢太郎*; 小川 琢矢*; 千葉 篤志*; 平野 隆*; 杉原 卓司*; 杉山 正成*; 三浦 直樹*; et al.

Proceedings of 2012 ASME Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2012) (DVD-ROM), 7 Pages, 2012/07

破壊靭性評価のためのマスターカーブ法は、最近試験規格として標準化され、原子炉圧力容器の信頼性を確保するための強力なツールであると期待されている。現行の監視試験において、マスターカーブ法のためのデータを得るためには、シャルピー試験片の試験後の半片から採取可能な小型の試験片の活用が重要である。著者らは、4mm厚のミニチュア破壊靭性試験片(ミニCT)によるマスターカーブ法の適用性を検証するため、典型的な日本の原子炉圧力容器鋼を用いて、国内の学界,産業界や研究機関の参加を得てラウンドロビン試験を開始した。この試験では、ミニCTデータの信頼性と堅牢性を検証するために、実際に適用する前に解決すべき詳細な調査項目を取り出すことを目標とした。この試験の第1ステップとして、4つの機関がミニCT試験片により、共通した試験実施要領でマスターカーブ法試験を実施した。この結果、すべての機関で有効な参照温度T$$_{0}$$を得られることが確認できた。ただし、T$$_{0}$$値は、機関間で最大34度の差があった。この差の原因に関して、参照温度T$$_{0}$$と試験機関間で設定した負荷速度の差との強い相関が示唆された。

論文

Numerical simulation of thermohydraulic characteristics of dross ejection process in laser steel cutting

杉原 健太; 中村 保之; 小川 剛充; 村松 壽晴

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 7 Pages, 2012/07

厚板鋼材レーザー切断の適切化及び制御に向けて、多相の熱流体モデルに基づいた数値シミュレーションコードを開発し、アシストガスや加工ヘッド移動速度が切断性能に与える影響を調べた。切断フロント形状や温度分布を解析した結果以下の知見が得られた。アシストガス噴射によって溶融金属排出を促さなかった場合、レーザー光は溶融金属に吸収されてしまい固相表面に直接吸収されず板裏の温度上昇が遅れてしまう。ヘッドの移動速度が速すぎる場合には、加工ヘッド位置に対する熱伝導の遅れによって、切断開始位置の板裏に切り残しが生じるという実験結果を数値シミュレーションによって定性的に裏付けた。以上の結果から、切断溝の形成にはアシストガスによる溶融金属排出が厚板レーザー切断において非常に重要であるといえる。

口頭

原子炉構造材へのレーザ切断技術適用に向けた研究開発,2; レーザ切断時におけるアシストガスの流動特性評価

小川 剛充; 杉原 健太; 中村 保之; 村松 壽晴; 社本 英泰*

no journal, , 

アシストガス噴流ノズルの形状及びその内部表面仕上げにより変化する噴流乱流強度がノズル流出後の流動特性に及ぼす影響を評価する。レーザ切断時に溶融金属をアシストガス噴流によって効率よく除去するためには、アシストガス噴流の運動量拡散を抑制可能な噴流ノズル形状及びノズル内面で発生する乱流強度を抑制可能な表面仕上げの検討が重要である。

口頭

レーザー溶接中の溶融池内流動場の評価

山田 知典; 菖蒲 敬久; 山下 晋; 小川 剛充; 杉原 健太; 西村 昭彦; 村松 壽晴

no journal, , 

原子力施設をはじめ一般産業プラントに展開可能なレーザー溶接技術として、溶接後の残留応力の評価及び制御を目的とした研究を進めている。このためには、溶接中の加熱,溶融,対流,凝固,固相変態といった複雑な現象を定量評価する必要がある。このうちの対流現象は、大型放射光施設(SPring-8)からの高強度X線を利用した実験と、数値シミュレーションを相補的に利用して評価している。アルミニウム合金にレーザーをスポット照射した際には、溶融池内を移動するトレーサー粒子(タングステン)により、流れの可視化に成功した。さらに、実験において観察された溶融池内の流れは、計算でも再現できていることを確認した。実験及び数値シミュレーションを用いた溶融池内流動場の評価は、レーザー溶接複雑現象の定量化に非常に有効であり、今後はさらなる観察技術の向上,計算コードの開発を行う。

口頭

厚板金属のレーザ切断シミュレーション

杉原 健太; 小川 剛充; 中村 保之; 村松 壽晴

no journal, , 

厚板鋼材のレーザ切断制御に向けて、多相の熱流体モデルに基づいた数値シミュレーションコードを開発し、アシストガスや加工ヘッド移動速度が切断性能に与える影響を調べた。固・気・液界面形状と温度場の発達の様子を解析した結果、以下の知見を得た。アシストガスによって溶融金属排出を促さなかった場合、レーザ光は溶融金属に吸収・入熱されてしまい、固体表面への入熱を阻害してしまう。そのため固体金属には溶融金属を介して伝熱することになり、レーザ切断のメリットである高出力密度を十分に活用できてはいない。さらに、切断速度を過大に速めると切断深さが板の裏まで到達する前にレーザ加工ヘッドが進むことになり、凹面に溶融金属が滞留するために切断フロントの形成が遅れてしまう。以上よりレーザ切断による切断フロント形成にはアシストガスによる溶融金属排出が重要であることが数値シミュレーションにより裏付けられ、カーフ形成だけでなく固相表面への局所的な入熱効果を促すことが定性的に明らかになった。

口頭

レーザー溶接補修技術の標準化に向けた研究開発,8; レーザー溶接中の溶融池内流動場の特性評価

山田 知典; 山下 晋; 杉原 健太; 小川 剛充; 菖蒲 敬久; 村松 壽晴

no journal, , 

原子力機構では、原子力施設をはじめ一般産業プラントに展開可能なレーザー溶接技術の標準化を進めており、これまでに大型放射光施設(SPring-8)からの高輝度単色X線と溶融池内対流現象観察装置を利用して、直接観察することが難しいレーザー溶接中の溶融池内部の現象把握を行ってきた。本研究では、溶融池内を移動するトレーサー粒子の挙動を詳細に観察することで、各場所における流れの方向や速度を評価した。溶融池内現象の観察はSPring-8のビームラインBL19B2を使用した(研究課題番号: 2011B1975)。X線のエネルギーは30keVである。試験片はアルミニウム合金であり、試験片上部よりファイバーレーザーを集光照射し、試験片表面に塗布したトレーサー粒子の溶融池内過渡流動挙動を吸収コントラスト法により計測した。溶融池内部では、固液界面近傍では下降流が、中央部では上昇流が形成された。溶融池内部に気泡が発生した場合、上昇流や自身の浮力で浮上したが、レーザー照射時間の経過とともに気泡の数は増大し、凝固時に溶融池内部に取り残され溶接欠陥となった。したがって、溶接部の信頼性向上には気泡の抑制や、凝固速度の制御が非常に重要となることがわかった。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,1; レーザー切断プロセスの概要と研究全体計画

村松 壽晴; 杉原 健太; 小川 剛充; 中村 保之; 佐野 一哉

no journal, , 

原子力機構では、レーザー光を熱源とした鋼材切断技術の高度化を目指した研究を進めている。本研究では、レーザー切断性能を左右するドロス流動,アシストガス流動などの支配因子の適切化に向け、高精度実験と計算科学を有機的に組合せ、発生する複合物理過程の現象論に立脚した観点からこれを推進する。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,3; 数値解析によるレーザー切断時溶融金属排出挙動の現象論的評価

杉原 健太; 中村 保之; 小川 剛充; 佐野 一哉; 村松 壽晴

no journal, , 

本報告では、レーザー切断における熱流動現象の現象論的解明及び適切化を目指し、気液固3相の熱流体力学モデルに基づく数値シミュレーションモデル及びコードを開発し、溶融金属排出がレーザー切断に与える影響を現象論的に評価した。気固液の界面形状と温度場の発達の様子を解析した結果、アシストガスによる溶融金属排出には切断フロントの形成だけでなく、固相表面への局所的な入熱を促進する効果があることが明らかになった。切断開始位置の裏側に切り残しがあるような実験結果が得られているが、切断初期の熱伝達不足が切断残りの原因となることが数値シミュレーションによって裏付けられた。切断条件の適切化にはアシストガスによる溶融金属排出だけでなく切断途中の熱伝達挙動の把握も重要であるといえる。

口頭

Real-time observation of laser heated metals with high brightness monochromatic X-ray techniques at present and future prospects

大道 博行; 山田 知典; 山下 晋; 杉原 健太; 西村 昭彦; 村松 壽晴; 菖蒲 敬久

no journal, , 

レーザー溶接,切断技術に関するX線撮影手法について報告する。SPring-8のエネルギー60キロボルトのアンジュレーター等を用いてファイバーレーザーを照射することにより溶融する金属の挙動をリアルタイムで観測できるようになった。この結果は計算機シミュレーションの結果と比較することによりレーザー照射による溶融現象の詳細な物理モデルの構築が可能になる。またレーザー照射後の凝固過程のリアルタイム観測から溶接品質を左右する溶接欠陥の発生、残留応力生成などの知見も得られる。これらをまとめるとともに、X線自由電子レーザーを用いた実験への展望にも触れる。

口頭

レーザー溶接標準化に向けた放射光X線による溶融池内流動場のその場観察

山田 知典; 山下 晋; 菖蒲 敬久; 西村 昭彦; 小川 剛充; 杉原 健太; 社本 英泰*

no journal, , 

原子力施設をはじめ一般産業施設に展開可能なレーザー溶接技術開発を進めている。溶接構造物の健全性を担保するには、残留応力などに影響される機械的特性を溶接中の複合物理過程と合わせて評価する必要がある。残留応力が溶接時の温度分布に関連するため、温度と関連する溶融池内の流動現象の高精度把握を行った。大型放射光施設(SPring-8)からの高輝度単色X線を利用して、レーザー照射部で形成した溶融池内部のトレーサー粒子の挙動を吸収コントラストイメージング法によってその場観察した。放射光高輝度単色X線を利用した吸収コントラストイメージング法により、レーザー光照射時の溶融池形状の時間変化と対流挙動のリアルタイム同時観察を世界に先駆けて成功し、溶融池近傍における熱流動特性を定量化するとともに、照射時間と溶け込み深さの関係、内部欠陥を発生させる影響因子なども明らかにした。今後は数値解析結果も援用し、残留応力評価・制御に繋げる。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,5; 狭隘部内アシストガスの流動特性評価

羽成 敏秀; 杉原 健太; 小川 剛充; 村松 壽晴

no journal, , 

レーザー切断はレーザー光の熱エネルギーで切断対象を溶融し、溶融金属をアシストガスにより排出する工法である。このため、レーザーの照射条件だけでなく、アシストガスの噴射条件も合わせて適切化する必要がある。切断溝深部での溶融金属の排出過程にはアシストガスの運動量、溶融金属の粘性や表面張力といった流体物性が大きく寄与していると考えられている。本研究では溶融金属排出制御による切断能力の向上を目的とし、噴射距離(スタンドオフ)が切断溝内でのアシストガス噴流の中心流速に及ぼす影響を評価する模擬試験を行った。L=14mmはそれ以下のスタンドオフと比較して、狭隘部流入直後から噴流中心流速は小さく、ほぼ線形に減少していく様子が確認できた。これより、スタンドオフを大きくとりすぎると、狭隘部内へのアシストガスの流入量が減少し、溶融金属の排出の効率が低下するものと考えられる。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,4; 厚板レーザー切断時の伝熱挙動の評価

杉原 健太; 小川 剛充; 山田 知典; 村松 壽晴

no journal, , 

厚板鋼材に対するレーザー切断条件の適切化・制御に向け、これまでに原子炉廃止措置に向けたレーザー切断の適用性確認試験やアシストガス噴流ノズルの適切化を目的とした噴流可視化試験などを実施してきた。厚板切断では主に、カーフ(切断溝)深部へのレーザー入熱及びアシストガスの運動エネルギーの輸送が重要であると考えられる。そのため、カーフ内の入熱量や熱流動場の定量化が求められている。本報告ではレーザー切断時の試験体内部の温度データを取得し、厚板切断時の伝熱挙動を評価した。熱電対を用いて取得した温度データから、300度を超えるような高温領域はレーザー照射部の8mm以内に集中し、急峻な温度勾配を示すことを確認した。また、切断溝深部の方が表面よりも高温であった。レーザー切断にかかわる熱量の試算により、溶融除去に最低限必要な熱量はレーザー照射エネルギーのわずか8%程度であり、熱拡散などによるエネルギーロスがほとんどであった。以上の結果から、厚板切断ではカーフ深部に熱や溶融金属が溜まりやすいため、アシストガスを適切に制御して溶融金属を効率よくカーフ深部から除くことが重要となると考えられる。

口頭

厚板鉄鋼材レーザー切断における熱流動現象の数値解析と実験による評価

杉原 健太; 中村 保之; 小川 剛充; 山田 知典; 村松 壽晴

no journal, , 

これまでにレーザー切断現象における熱流動現象に着目し、これまでにさまざまな加工条件による切断試験やアシストガス噴流の流動特性評価などを実施してきた。本報告では熱電対を用いて測定した試験体内部温度データや数値シミュレーションによる解析結果から、厚板レーザー切断現象の熱流動挙動を評価した。本試験結果からレーザー照射箇所から8mm以内に300$$^{circ}$$Cを超えるような高温領域が集中しており、表面近傍よりも切断溝の深部の方が高温になることを確認した。また、熱量の試算によりレーザー切断において切断箇所の溶融に最低限必要な熱量は照射エネルギーの約1割程度とわずかであり、9割以上は熱拡散(約6割)などのエネルギーロスであることが明らかになった。以上の結果から、厚板切断ではカーフ深部に熱や溶融金属が溜まりやすいため、アシストガスを適切に制御して溶融金属を効率よくカーフ深部から除くことが重要となると考えられる。また、切断可能板厚の評価に数値シミュレーションが有用であることを示せた。

口頭

レーザーを用いた厚板金属切断技術の高度化に関する研究開発

杉原 健太

no journal, , 

原子力機構では、原子炉構造材に使用されている厚板鋼材(ステンレス鋼や炭素鋼など)に対するレーザー切断技術の高度化を目指し、切断条件の適切化や制御に向けた基礎研究を進めている。レーザー切断は、レーザーのエネルギーで切断箇所を溶融し、溶融物をアシストガス噴流で除去することで切断する工法である。しかし、数10mmの厚板金属の切断となると切断中に溝内でドロス(溶融凝固物)が詰まりやすいので、溶融物の効率的な除去が厚板切断の大きな課題とされている。レーザー切断現象における熱流動現象に着目し、これまでに切断試験やアシストガス噴流の流動特性の評価、切断中の金属内部温度評価を行ってきた。また、数値シミュレーションコードの開発も進めており数値解析による現象論的評価も行っている。本講演では、数値シミュレーション結果を中心に実験結果を交えながら、レーザー切断現象を評価した結果を紹介する。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,7; 切断溝幅がアシストガス流入量に及ぼす影響の評価

羽成 敏秀; 杉原 健太; 村松 壽晴; 山下 真範*; 榊原 潤*

no journal, , 

原子力機構では、レーザーを用いた厚板鉄鋼材料切断技術の高度化を目指して研究を進めている。本報では、切断溝を模擬したアクリル製スリット内の流速場をPIVにより計測し、スリット間隙などがアシストガスのスリット内への流入に及ぼす影響の定量化を目的として、影響を及ぼす因子の評価を行った。計測により得られた流速から求められた運動量とノズル出口部運動量の比はノズル径がスリット間隙と同程度か大きい場合、間隙の増加によって増加し、アシストガス噴流軸と間隙とのずれの増加によって減少することが確認できた。また、スタンドオフを変化させても、運動量比はほとんど変化しなかった。これはスタンドオフが噴流のポテンシャルコア領域の長さに対して短く、スリット内への流入量があまり変化しないためと考えられる。

口頭

レーザー切断技術の標準化に向けた研究開発,6; 厚板金属のレーザー切断における照射熱量に対する切断可能板厚の評価

杉原 健太; 羽成 敏秀; 村松 壽晴

no journal, , 

厚板鋼材に対するレーザー切断条件の適切化・制御に向けて、これまでに原子炉廃止措置に向けたレーザー切断の適用性確認試験を実施し、さまざまな加工パラメータにおける切断の可否を評価してきた。切断が失敗したほとんどのケースでは、切断溝内部で溶融金属が凝固し、溶融金属の排出経路が塞がれていた。切断可能板厚評価において、レーザー照射条件と溶融金属挙動の影響を切り分けるために、本報告では溶融金属が切断溝に詰まらない条件で試験を実施して切断可能板厚のレーザー照射熱量依存性を評価した。レーザー出力3ケース(1.84, 3.73, 5.63kW)、加工速度5ケース(15$$sim$$360mm/min)で切断試験を実施し、切断深さを単位切断長さあたりのレーザー照射熱量をもとに評価した。照射熱量が多いほど深く溝が掘れていた。また、同じ熱量であってもレーザー出力が高い方が深く切断できており、低出力で加工する場合には熱伝導によるエネルギーロスが大きくなる。以上の結果から、切断可能板厚を大きくするためには熱伝導によるエネルギーロスを減らし、高出力のレーザーを用いて短時間に切断することが重要であると結論づけられる。

口頭

J-PARCのMLFTS2における中性子特性の標的形状の最適化

原田 正英; 杉原 健太*; 勅使河原 誠; 高田 弘; 池田 裕二郎

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設の将来計画として、第2核破砕中性子源(TS2)の検討を開始した。検討では、3GeV陽子ビームを標的に入射させ、液体水素減速材により冷熱中性子ビームを取り出す既存システム基本構成を踏襲した。中性子標的の候補として、高電流密度の陽子ビームを受けられると期待される回転式タングステンを選択した。まず、中性子強度を最大とする標的形状の最適化を行った。評価では、粒子輸送計算コードPHITSを用い、回転標的(直径90cm、厚さ8cmの円盤状)の下部に、液体水素減速材(12cm角の立方体)を設置し、ベリリウム反射体(外形:直径60cm、高さ60cmの円柱状)及び鉄反射体(外形:直径1.5m、高さ1.5mの円柱状)で囲った簡素なモデルを用い、3GeVの陽子ビームを入射させた。ポイントタリー及び面タリーを用いて、減速材表面から漏洩する中性子強度を計算した。標的の表面材質、位置、サイズ及び陽子ビームプロファイル等をパラメータとして、中性子強度が最大となる条件を求めた。中性子強度は、標的の表面材質や陽子ビームプロファイルにはあまり依存性が無く、標的厚さが6cmのときに最大になることが分かった。

口頭

気液二相流計算における適切なPhase-Field変数の検討

杉原 健太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 山下 晋

no journal, , 

原子力機構では過酷事故時における原子炉内溶融物の移行挙動解析のために多相多成分熱流動解析コードJUPITERの開発を進めている。現在、JUPITERコードではTHINC/WLIC法という高精度な界面追跡法を採用しているが界面から微小な流体率が剥がれるという問題を抱えているため、保存型Allen-Cahn方程式というPhase-Field法を界面追跡法として代わりに適用することを検討している。3次元の液滴振動問題の振動周波数と減衰率を理論解と比較することで、適切なPhase-Fieldパラメータを検討する。

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