JP2023005229A - Damage simulation method - Google Patents

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瑛介 黒澤
Eisuke KUROSAWA
翔太 椿
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Abstract

To provide a damage simulation method for performing evaluation by considering macroscopic dynamic behavior when deforming a structure composed of a heterogeneous material, such as a diploid material containing a metal material by operating a load to it, dynamic behavior regarding micro organization, and behavior of occurrence and development of damage.SOLUTION: In a damage simulation method for evaluating damage behavior of a diploid material by using an arithmetic circuit, the arithmetic circuit executes the processes of: creating a micro organization finite element model of a diploid material; setting and acquiring strength characteristics and damage criteria for each constituent phase of a diploid material; creating a macro structure finite element model and calculating a deformation history by executing analysis by using the macro structure finite element model assuming a homogeneous material; executing analysis by granting a deformation history to the micro organization finite element model and calculating deformation behavior; performing damage determination by comparing deformation behavior with the damage criteria; and changing a calculation formula of analysis by the damage determination.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、金属材料を含む複相材料の損傷挙動を評価するための損傷シミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a damage simulation method for evaluating damage behavior of multiphase materials including metallic materials.

金属材料の多くは、例えば製造過程の塑性加工時、該金属材料で形成された構造体を使用時に、大きな荷重を受けうる。大きな荷重を受けて、上記金属材料の破断ひずみ量を超える大きなひずみが発生した場合、金属材料は破断し、その結果、製造過程では製造不良となり、構造体として使用時にはその機能が失われる。よって、金属材料の破断特性を事前に把握すること、例えばあるひずみ発生下で材料が破断するかどうかを評価することは非常に重要である。 Many metal materials can receive a large load, for example, during plastic working in the manufacturing process or when using a structure formed of the metal material. When a large strain exceeding the breaking strain amount of the metal material is generated by receiving a large load, the metal material breaks, resulting in a manufacturing defect in the manufacturing process and loss of its function when used as a structure. Therefore, it is very important to know the rupture properties of metallic materials in advance, for example, to evaluate whether the material will rupture under the occurrence of a certain strain.

一方、上記金属材料は、ミクロ組織レベルにおいて不均質であることから、このミクロ組織の形態を考慮して、マクロ的なスケールで優れた特性を発現させることが試みられている。例えば非特許文献1には、材料内部のミクロ組織形態とマクロな強度特性の関係性を解析するためのマルチスケールシミュレーションの実例が示されている。また非特許文献2には、連続体損傷力学を適用したミクロ組織の解析モデルを用いて、応力解析により材料のマイクロボイド発生挙動を直接評価することが提案されている。 On the other hand, since the metal materials are heterogeneous at the microstructure level, attempts have been made to develop excellent properties on a macroscopic scale in consideration of the morphology of the microstructure. For example, Non-Patent Document 1 shows an example of multi-scale simulation for analyzing the relationship between the microstructure morphology inside the material and the macroscopic strength characteristics. Non-Patent Document 2 proposes direct evaluation of the microvoid generation behavior of a material by stress analysis using a microstructure analysis model to which continuum damage mechanics is applied.

黒澤瑛介ら,「Dual-Phase鋼のマルチスケール強度解析」,日本材料学会学術講演会講演論文集,67巻,p293-294,2018年5月25日Eisuke Kurosawa et al., "Multiscale Strength Analysis of Dual-Phase Steel", Proc. 米村繁ら,「メゾスケールでの変形と破壊の有限要素解析」,新日鐵住金技報,第410号(2018),page47-56Shigeru Yonemura et al., "Finite element analysis of deformation and fracture at the mesoscale", Nippon Steel & Sumitomo Metal Technical Report, No. 410 (2018), page 47-56

金属材料を含む複相材料は、その成分組成や製造条件の影響を受けて、内部に組織や強度の不均質性が発現する。当該不均質性は材料の力学特性に大きく影響する。非特許文献1では、DP鋼試料の実体の組織形態としてSEM観察画像に基づくミクロ組織モデルを用い、マクロ構造の機械的特性を予測する、マルチスケール強度解析を提案しているが、従来よりも優れた特性・品質を備えた材料の開発には、不均質な材料における、ミクロ組織レベルでの損傷発生および進展と、マクロ構造レベルの部材の変形とを関連付けて評価する必要があった。非特許文献2では、ミクロ組織レベルの損傷シミュレーションを実現しているものの、損傷形態毎に損傷モデルの設定が必要であり、解析が複雑であった。つまり、解析が容易であって、ミクロ組織レベルでの損傷発生および進展と、マクロ構造レベルの部材の変形とを関連付けた、マルチスケールシミュレーションはこれまで実現できていなかった。 A multi-phase material including a metallic material develops heterogeneity in structure and strength inside due to the influence of its component composition and manufacturing conditions. Such inhomogeneity greatly affects the mechanical properties of the material. Non-Patent Document 1 proposes a multi-scale strength analysis that predicts the mechanical properties of the macrostructure using a microstructure model based on SEM observation images as the actual structure of the DP steel sample. In order to develop materials with excellent characteristics and quality, it was necessary to evaluate the damage initiation and propagation at the microstructural level in inhomogeneous materials in relation to the deformation of members at the macrostructural level. In Non-Patent Document 2, although damage simulation at the microstructure level is realized, it is necessary to set a damage model for each damage form, and the analysis is complicated. In other words, multi-scale simulations that are easy to analyze and that correlate damage initiation and propagation at the microstructural level with deformation of members at the macrostructural level have not been realized so far.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも解析が容易であって、不均質材料の巨視的な力学挙動と、ミクロ組織に関する力学挙動、損傷発生および進展の挙動とを考慮して評価する、損傷シミュレーション方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is easier to analyze than conventional, macroscopic mechanical behavior of inhomogeneous materials, mechanical behavior related to microstructure, behavior of damage occurrence and propagation. To provide a damage simulation method for evaluation in consideration of

本発明の態様1は、
演算回路を用いて金属材料を含む強度特性の異なる複数の相で構成される複相材料の損傷挙動を評価するための損傷シミュレーション方法であって、演算回路が、
前記複相材料の組織観察結果に基づくミクロ解析対象のミクロ組織有限要素モデルを作成する工程と、
前記複相材料を構成する相毎に異なる強度特性および損傷クライテリアを取得し設定する工程と、
前記複相材料のマクロな領域を解析対象とするマクロ構造有限要素モデルを作成し、均質材であると仮定して前記マクロ構造有限要素モデルを用いて有限要素解析を実行し、評価対象領域の変形履歴を算出する工程と、
前記変形履歴を前記ミクロ組織有限要素モデルの各積分点に付与して均質化法に基づく有限要素解析により、前記ミクロ組織有限要素モデルの変形挙動を算出する工程と、
前記変形挙動と前記損傷クライテリアとを比較することで損傷判定を行う工程と、
前記損傷判定により、前記ミクロ組織有限要素モデル内で損傷発生と判定された積分点では応力を開放し、要素剛性をゼロまたは所定値まで下げる工程と、
を実行する、金属材料を含む強度特性の異なる複数の相で構成される複相材料の損傷挙動を評価する損傷シミュレーション方法である。
Aspect 1 of the present invention is
A damage simulation method for evaluating the damage behavior of a multi-phase material composed of a plurality of phases having different strength properties, including a metallic material, using an arithmetic circuit, the arithmetic circuit comprising:
creating a microstructure finite element model for microanalysis based on the structure observation results of the multiphase material;
obtaining and setting different strength properties and damage criteria for each phase constituting the multiphase material;
A macro structural finite element model is created for the macro region of the multiphase material to be analyzed, and assuming that it is a homogeneous material, finite element analysis is performed using the macro structural finite element model, and the evaluation target region is a step of calculating a deformation history;
a step of applying the deformation history to each integration point of the microstructure finite element model and calculating the deformation behavior of the microstructure finite element model by finite element analysis based on a homogenization method;
a step of determining damage by comparing the deformation behavior with the damage criteria;
a step of releasing the stress at the integration point determined to cause damage in the microstructure finite element model by the damage determination, and reducing the element stiffness to zero or a predetermined value;
is a damage simulation method that evaluates the damage behavior of a multiphase material composed of multiple phases with different strength properties, including metallic materials.

本発明の態様2は、
前記損傷クライテリアは、相当塑性ひずみおよび応力三軸度の関数である、態様1に記載の損傷シミュレーション方法である。
Aspect 2 of the present invention is
Aspect 1. The damage simulation method of aspect 1, wherein the damage criteria are functions of equivalent plastic strain and stress triaxiality.

本発明の態様3は、
前記損傷判定は、前記ミクロ組織有限要素モデルの特定の積分点における前記損傷挙動として算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度に基づいて算出される値が、前記損傷クライテリアより大きい場合、前記特定の積分点に関して損傷発生と判定する、態様2に記載の損傷シミュレーション方法である。
Aspect 3 of the present invention is
In the damage determination, if the value calculated based on the equivalent plastic strain and stress triaxiality calculated as the damage behavior at a specific integration point of the microstructure finite element model is greater than the damage criteria, the specific The damage simulation method according to aspect 2, wherein damage occurrence is determined with respect to the integration point of .

本発明の態様4は、
前記所定値は、前記要素剛性の初期値の1/50以下である、態様1から態様3のいずれか一つに記載の損傷シミュレーション方法である。
Aspect 4 of the present invention is
The damage simulation method according to any one of aspects 1 to 3, wherein the predetermined value is 1/50 or less of the initial value of the element stiffness.

本発明の態様5は、
前記複相材料は金属材料である、態様1から態様4のいずれか一つに記載の損傷シミュレーション方法である。
Aspect 5 of the present invention is
The damage simulation method according to any one of aspects 1 to 4, wherein the multi-phase material is a metallic material.

本発明によれば、金属材料を含む複相材料等の不均質材料で構成された構造体に荷重を作用させ変形させた際の巨視的な力学挙動と、ミクロ組織に関する力学挙動、損傷発生および進展の挙動とを考慮して評価する損傷シミュレーション方法を提供することができる。 According to the present invention, when a structure composed of heterogeneous materials such as multi-phase materials including metal materials is deformed by applying a load, the macroscopic mechanical behavior, the mechanical behavior related to the microstructure, the occurrence of damage, and the It is possible to provide a damage simulation method that considers and evaluates the behavior of propagation.

図1は、本実施形態に係る評価システムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an evaluation system according to this embodiment. 図2は、本実施形態に係る金属材料の損傷挙動を数値解析評価するためのフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart for numerical analysis evaluation of the damage behavior of the metal material according to the present embodiment. 図3は、本実施形態に係る金属材料のミクロ組織を模擬したFEM解析モデルを作成する手順の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the procedure for creating an FEM analysis model that simulates the microstructure of the metal material according to this embodiment. 図4は、マクロひずみを取得するためのフローチャートである。FIG. 4 is a flow chart for acquiring macro-distortion. 図5は、引張試験によって取得した二相鋼の応力-ひずみ曲線である。FIG. 5 is a stress-strain curve of a duplex steel obtained by tensile testing. 図6は、図5の応力-ひずみ曲線の一部を拡大した図である。FIG. 6 is an enlarged view of a portion of the stress-strain curve of FIG. 図7は、図5の応力-ひずみ曲線の両対数グラフである。FIG. 7 is a log-log graph of the stress-strain curve of FIG. 図8は、第2の応力Δσを説明するための応力-ひずみ曲線である。FIG. 8 is a stress-strain curve for explaining the second stress Δσ. 図9は、弾完全塑性体とみなせる硬質相の応力-ひずみ曲線である。FIG. 9 is a stress-strain curve of a hard phase that can be regarded as an elastic perfect plastic body. 図10は、二相鋼の応力とひずみの関係を、縦軸をln(σ-Δσ)、横軸をln(1+ε/α)としてプロットした両対数グラフである。FIG. 10 is a log-log graph plotting the relationship between stress and strain of a duplex steel with ln(σ−Δσ) on the vertical axis and ln(1+ε/α) on the horizontal axis. 図11は、マクロ構造有限要素モデルとミクロ組織有限要素モデルとの関係を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the macrostructure finite element model and the microstructure finite element model. 図12Aは、損傷を加味したマクロ構造有限要素モデルに対するFEM解析によって算出された応力-ひずみ曲線である。FIG. 12A is a stress-strain curve calculated by FEM analysis for the damage-weighted macrostructural finite element model. 図12Bは、ミクロ組織有限要素モデルに対するFEM解析によって損傷したと判定された積分点の数の推移を示すグラフである。FIG. 12B is a graph showing the evolution of the number of integration points determined to be damaged by FEM analysis for the microstructure finite element model. 図13Aは、FEM解析において所定のマクロひずみを付与した際に算出されたミクロ組織有限要素モデルである。FIG. 13A is a microstructure finite element model calculated when a predetermined macro strain is applied in FEM analysis. 図13Bは、図13Aでのマクロひずみより大きなマクロひずみを付与した際に算出されたミクロ組織有限要素モデルである。FIG. 13B is a microstructure finite element model calculated when applying macro strain larger than that in FIG. 13A.

本発明者らは、金属材料を含む複相材料の損傷挙動の評価を行うことのできる方法を実現すべく鋭意研究を行った。その結果、本発明者らは、材料のミクロ組織形状に基づいて作成したミクロ組織のFEモデルに基づいて、マクロ構造のFEモデルを作成し、それらを互いに関連付けたFEM解析を行えばよいことを見出した。具体的には、本発明者らは、均質材であると仮定してマクロ構造のFEモデルを用いてFEM解析を行って変形履歴を算出し、当該変形履歴を付与してミクロ組織のFEモデルを用いてFEM解析を行った。そして、本発明者らは、ミクロ組織に対するFEM解析において、所定の基準に基づいて損傷の有無を判定し、損傷したと判定された部位のFEM解析の計算式を変更した。本発明者らは、このようにマクロ構造に関するFEM解析とミクロ組織に関するFEM解析とを関連付けることで、変形中のミクロ組織側の損傷発生と進展に伴うマクロ構造側の変形抵抗の低下をシミュレーションで再現できることを見出した。なお、本明細書では特に記載している場合を除き、「応力」とは真応力(σ)のことを指し、「ひずみ」とは真ひずみ(ε)のことを指す。また、以下では、前記金属材料を含む複相材料として、強度特性の異なる複数の相で構成される金属材料を例に説明するが、本実施形態に係る方法はこれに限定されず、後述する通り、種々の複相材料に適用することができる。 The present inventors have conducted extensive research to realize a method capable of evaluating the damage behavior of multiphase materials including metallic materials. As a result, the present inventors created an FE model of the macrostructure based on the FE model of the microstructure created based on the microstructure shape of the material, and performed an FEM analysis in which they were associated with each other. Found it. Specifically, the present inventors performed FEM analysis using a macrostructure FE model assuming that it is a homogeneous material to calculate a deformation history, and added the deformation history to the microstructure FE model was used to perform FEM analysis. Then, in the FEM analysis of the microstructure, the present inventors determined the presence or absence of damage based on a predetermined criterion, and changed the calculation formula for the FEM analysis of the site determined to be damaged. By associating the FEM analysis on the macrostructure and the FEM analysis on the microstructure in this way, the present inventors can simulate the decrease in deformation resistance on the macrostructure side due to the occurrence and progression of damage on the microstructure side during deformation. I found that it can be reproduced. In this specification, unless otherwise specified, "stress" refers to true stress (σ), and "strain" refers to true strain (ε). In addition, hereinafter, a metal material composed of a plurality of phases with different strength characteristics will be described as an example of a multi-phase material containing the metal material, but the method according to the present embodiment is not limited to this, and will be described later. As shown, it can be applied to various multi-phase materials.

本実施形態に係る複相材料(強度特性の異なる複数の相で構成される金属材料)の損傷挙動を評価するための損傷シミュレーション方法を実行するための一例である、評価システム1について説明する。図1は、本実施形態に係る評価システム1のブロック図である。評価システム1は、撮影装置10と、制御装置20と、を含む。撮影装置10は、撮影部11と、通信回路12とを備える。制御装置20は、演算回路21と、記憶装置22と、インタフェース装置(入出力装置23および通信回路24)と、を備える。 An evaluation system 1, which is an example for executing a damage simulation method for evaluating the damage behavior of a multi-phase material (a metallic material composed of a plurality of phases with different strength characteristics) according to this embodiment, will be described. FIG. 1 is a block diagram of an evaluation system 1 according to this embodiment. The evaluation system 1 includes an imaging device 10 and a control device 20 . The imaging device 10 includes an imaging unit 11 and a communication circuit 12 . The control device 20 includes an arithmetic circuit 21, a storage device 22, and an interface device (input/output device 23 and communication circuit 24).

撮影部11は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等であり、金属材料の少なくとも一部を部分的に拡大したミクロ組織画像を撮影することができる。撮影部11は、撮影したミクロ組織画像のデータを通信回路12を介して制御装置20に送信する。後述するように制御装置20の演算回路21は、受け取ったミクロ組織画像のデータを記憶装置22に保存する。 The photographing unit 11 is, for example, a scanning electron microscope (SEM) or the like, and can photograph a microstructure image in which at least part of the metal material is partially enlarged. The photographing unit 11 transmits data of the photographed microstructure image to the control device 20 via the communication circuit 12 . As will be described later, the arithmetic circuit 21 of the control device 20 stores the received microstructure image data in the storage device 22 .

制御装置20の演算回路21は、モデル作成処理、パラメータ設定処理、解析処理および損傷判定処理等を実行する。演算回路21は、プログラムを実行することにより所定の機能を実現するCPUまたはMPUのような汎用プロセッサを含む。演算回路21は、例えば、記憶装置22に格納された演算プログラム等を呼び出して実行することにより、モデル作成処理、パラメータ設定処理、解析処理および損傷判定処理等を実現できる。演算回路21は、ハードウェアとソフトウェアの協働により所定の機能を実現するものに限定されず、所定の機能を実現する専用に設計されたハードウェア回路でもよい。すなわち、演算回路21は、CPU、MPU以外にも、GPU、FPGA、DSP、ASIC等、種々のプロセッサで実現され得る。このような演算回路21は、例えば、半導体集積回路である信号処理回路で構成され得る。 The arithmetic circuit 21 of the control device 20 executes model creation processing, parameter setting processing, analysis processing, damage determination processing, and the like. Arithmetic circuit 21 includes a general-purpose processor such as a CPU or MPU that implements a predetermined function by executing a program. The arithmetic circuit 21 can implement model creation processing, parameter setting processing, analysis processing, damage determination processing, and the like by calling and executing, for example, arithmetic programs stored in the storage device 22 . Arithmetic circuit 21 is not limited to one that achieves a predetermined function through cooperation of hardware and software, and may be a hardware circuit that is exclusively designed to achieve a predetermined function. That is, the arithmetic circuit 21 can be realized by various processors such as GPU, FPGA, DSP, ASIC, etc., in addition to CPU and MPU. Such an arithmetic circuit 21 can be configured by, for example, a signal processing circuit that is a semiconductor integrated circuit.

モデル作成処理は、撮影装置10で撮影された金属材料のミクロ組織画像から、FEM解析で使用するためのミクロ構造の解析対象のFEM解析モデルであるミクロ組織有限要素モデル(ミクロ組織FEモデル)を作成する。ミクロ組織有限要素モデルを作成するためのプログラム、パラメータ等は、例えば、記憶装置22に格納されており、必要に応じて演算回路21が読み出し、モデル作成に利用する。後述するように、演算回路21は、例えば、イメージベースモデリングにより、ミクロ組織有限要素モデルを作成することができる。イメージベースモデリングを行う場合、演算回路21は、ミクロ組織画像の少なくとも一部の領域に対して任意の画像処理フィルタを適用し、金属材料の当該領域のミクロ組織形状に基づいて形状データを形成する。そして、演算回路21は、後述するパラメータ設定処理において、設定されたミクロ組織有限要素モデルの各パラメータ(例えば、作成されるモデルの要素の種類、要素数、節点数等)に基づいて、上記領域を模擬したミクロ組織有限要素モデルを作成できる。作成されたミクロ組織有限要素モデルは、記憶装置22へと出力され、格納される。 In the model creation process, a microstructure finite element model (microstructure FE model), which is an FEM analysis model of the microstructure to be used in the FEM analysis, is generated from the microstructure image of the metal material captured by the imaging device 10. create. Programs, parameters, and the like for creating a microstructure finite element model are stored, for example, in the storage device 22, and are read by the arithmetic circuit 21 as necessary and used for model creation. As will be described later, the arithmetic circuit 21 can create a microstructure finite element model by, for example, image-based modeling. When performing image-based modeling, the arithmetic circuit 21 applies any image processing filter to at least a partial region of the microstructure image to form shape data based on the microstructure shape of that region of the metallic material. . Then, in the parameter setting process to be described later, the arithmetic circuit 21 calculates the region based on the set parameters of the microstructure finite element model (for example, the type of element of the model to be created, the number of elements, the number of nodes, etc.). It is possible to create a microstructure finite element model simulating the The created microstructure finite element model is output to the storage device 22 and stored.

また、モデル作成処理は、ミクロ組織有限要素モデルが模擬している領域より大きな領域を模擬したマクロ構造有限要素モデル(マクロ構造FEモデル)を作成できる。マクロ構造有限要素モデルは、任意の大きさを有するモデルが形成されてもよく、当該モデルは、均質な材料として構成される。 In addition, the model creation process can create a macrostructure finite element model (macrostructure FE model) that simulates an area larger than the area simulated by the microstructure finite element model. A macrostructural finite element model may be created with arbitrary dimensions, and the model is constructed as a homogeneous material.

パラメータ設定処理は、各種のパラメータを設定する。パラメータには、例えば、演算回路21がモデル作成処理により作成するミクロ組織有限要素モデルおよびマクロ構造有限要素モデルの要素の種類、要素数および節点数が含まれてもよい。また、パラメータには、FEM解析によって解析したい金属材料の特性(金属材料のヤング率、降伏応力および耐力、加工硬化指数並びに結晶方位など)、解析処理によりFEM解析を実行する際の境界条件等が含まれてもよい。また、パラメータ設定処理は、パラメータの1つとして、後述する損傷判定処理にて損傷を判定するための基準である損傷クライテリアを設定できる。損傷クライテリアは、後述するように、FEM解析にて積分点毎に算出される相当塑性ひずみおよび応力三軸度を変数とする関数として設定され得る。損傷クライテリアは、金属材料を構成する相ごとに設定され得る。パラメータは、記憶装置22へと出力され、格納される。そして、必要に応じて、各構成要素は記憶装置22からパラメータを読み出し、使用する。 The parameter setting process sets various parameters. The parameters may include, for example, the type of elements, the number of elements, and the number of nodes of the microstructure finite element model and the macrostructure finite element model created by the arithmetic circuit 21 by the model creation process. In addition, the parameters include the characteristics of the metal material to be analyzed by FEM analysis (Young's modulus, yield stress and yield strength, work hardening index and crystal orientation of the metal material, etc.), boundary conditions when performing FEM analysis by analysis processing, etc. may be included. In addition, the parameter setting process can set, as one of the parameters, a damage criterion, which is a criterion for determining damage in the damage determination process, which will be described later. As will be described later, the damage criteria can be set as a function with the equivalent plastic strain and the stress triaxiality calculated for each integration point in the FEM analysis as variables. Damage criteria can be set for each phase that constitutes the metallic material. The parameters are output to storage device 22 and stored. Then, each component reads the parameters from the storage device 22 and uses them as necessary.

解析処理は、作成されたミクロ組織有限要素モデルを用いて、金属材料に応力またはひずみが付与された際の形状変形のシミュレーションのためのFEM解析を行うことができる。また、解析処理は、作成されたマクロ構造有限要素モデルを用いて、金属材料に荷重が付与され又は変位が生じた際に金属材料に発生する応力またはひずみの履歴のシミュレーションのためのFEM解析を行うことができる。解析に使用するミクロ組織有限要素モデルまたはマクロ構造有限要素モデル、シミュレーションを行うためのプログラム、境界条件等は、例えば、記憶装置22に格納されており、解析に使用する。本実施形態に係る評価システム1の制御装置20の演算回路21は、解析処理により、ミクロ組織有限要素モデルに与えた応力またはひずみ別に、当該モデルの各要素の積分点における応力三軸度および相当塑性ひずみを算出し、出力することができる。また、演算回路21は、解析処理により、マクロ構造有限要素モデルに与えた荷重または変位別に、当該モデルの変形のシミュレーションを行い、当該モデルの変形履歴(マクロひずみの履歴)を算出し、出力することができる。なお、本実施形態では、マクロ構造有限要素モデルに対するFEM解析で算出されたマクロひずみが、ミクロ組織有限要素モデルに対するFEM解析の入力情報として用いられる。マクロひずみ並びに応力三軸度および相当塑性ひずみは、入出力装置23へと出力されて、入出力装置23で表示されてもよいし、記憶装置22に出力されて格納されてもよい。また、マクロひずみ並びに応力三軸度および相当塑性ひずみは、通信回路24へと出力され、別の制御装置へと伝達されてもよい。 Analysis processing can use the created microstructure finite element model to perform FEM analysis for simulating shape deformation when stress or strain is applied to the metal material. In addition, the analysis process uses the created macrostructure finite element model to perform FEM analysis for simulating the history of stress or strain generated in the metal material when a load is applied or a displacement occurs in the metal material. It can be carried out. A microstructural finite element model or macrostructural finite element model used for analysis, a program for performing simulation, boundary conditions, etc. are stored, for example, in the storage device 22 and used for analysis. The arithmetic circuit 21 of the control device 20 of the evaluation system 1 according to the present embodiment performs analysis processing, for each stress or strain applied to the microstructure finite element model, stress triaxiality and equivalent Plastic strain can be calculated and output. In addition, the arithmetic circuit 21 performs analysis processing to simulate the deformation of the macro structural finite element model for each load or displacement applied to the model, and calculates and outputs the deformation history (macro strain history) of the model. be able to. In this embodiment, the macro strain calculated by the FEM analysis for the macrostructure finite element model is used as input information for the FEM analysis for the microstructure finite element model. The macro strain, stress triaxiality and equivalent plastic strain may be output to the input/output device 23 and displayed on the input/output device 23, or may be output to the storage device 22 and stored. The macrostrain and stress triaxiality and equivalent plastic strain may also be output to communication circuitry 24 and transmitted to another controller.

損傷判定処理は、FEM解析で算出された各積分点に関する相当塑性ひずみおよび応力三軸度と、設定されている損傷クライテリアとに基づいて、当該積分点が損傷したか否かを判定することができる。演算回路21は、ある積分点が損傷したと判定すると、解析処理にてさらに応力またはひずみを付与してFEM解析を行う際、当該積分点が損傷したことを考慮して、応力またはひずみによるミクロ組織有限要素モデルの変形のシミュレーションを行う。より具体的には、演算回路21は、FEM解析を行う際、当該積分点に関する計算式の一部を変更して、応力またはひずみによるミクロ組織有限要素モデル変形のシミュレーションを行う(詳細は後述する)。 The damage determination process can determine whether or not the integration point is damaged based on the equivalent plastic strain and stress triaxiality for each integration point calculated by the FEM analysis and the set damage criteria. can. When the arithmetic circuit 21 determines that a certain integration point is damaged, when performing FEM analysis by further applying stress or strain in the analysis process, considering that the integration point is damaged, the microscopic Simulation of the deformation of the textured finite element model is performed. More specifically, when performing the FEM analysis, the arithmetic circuit 21 changes part of the calculation formula regarding the integration point, and performs simulation of microstructure finite element model deformation due to stress or strain (details will be described later). ).

記憶装置22は、種々の情報を記憶できる記憶媒体である。記憶装置22は、例えば、DRAMやSRAM、フラッシュメモリ等のメモリ、HDD、SSD、その他の記憶デバイスまたはそれらを適宜組み合わせて実現される。記憶装置22は、撮影装置10で撮影された画像、モデル作成処理で作成されたミクロ組織有限要素モデルおよびマクロ構造有限要素モデルを格納することができる。また、記憶装置22は、パラメータ設定処理で設定された、解析に使用する材料特性や境界条件等のパラメータ、および解析処理で算出し出力された解析結果のデータ等を格納することができる。さらに、必要に応じて、記憶装置22は、演算回路21、入出力装置23、通信回路24等の各構成要素へと格納している情報を送信することができる。各構成要素は、記憶装置22を介さずに各構成要素間で直接、情報を送受信してもよい。 The storage device 22 is a storage medium capable of storing various information. The storage device 22 is realized by, for example, memories such as DRAM, SRAM, flash memory, HDD, SSD, other storage devices, or an appropriate combination thereof. The storage device 22 can store images captured by the imaging device 10, microstructural finite element models and macrostructural finite element models created in the model creation process. In addition, the storage device 22 can store parameters such as material properties and boundary conditions used in the analysis set in the parameter setting process, analysis result data calculated and output in the analysis process, and the like. Furthermore, the storage device 22 can transmit the stored information to each component such as the arithmetic circuit 21, the input/output device 23, the communication circuit 24, etc., as necessary. Each component may transmit and receive information directly between each component without going through the storage device 22 .

入出力装置23は、ユーザからの情報の入力のための入力装置、およびユーザへの情報の出力のための出力装置としての機能を有する。入出力装置23は、1つ以上のヒューマン・マシン・インタフェースを備える。ヒューマン・マシン・インタフェースの例としては、キーボード、ポインティングデバイス(マウス、トラックボール等)、タッチパッド等の入力装置、ディスプレイ、スピーカ等の出力装置、タッチパネル等の入出力装置が挙げられる。入出力装置23は、例えば、金属材料のミクロ組織画像、ミクロ組織有限要素モデル、マクロ構造有限要素モデル、解析に使用する材料特性や境界条件等のパラメータ等、任意の情報を表示することができる。 The input/output device 23 functions as an input device for inputting information from the user and as an output device for outputting information to the user. Input/output device 23 comprises one or more human-machine interfaces. Examples of human-machine interfaces include keyboards, pointing devices (mouse, trackball, etc.), input devices such as touch pads, output devices such as displays and speakers, and input/output devices such as touch panels. The input/output device 23 can display arbitrary information such as microstructure images of metal materials, microstructure finite element models, macrostructure finite element models, and parameters such as material properties and boundary conditions used for analysis. .

通信回路24は、有線または無線により装置またはシステムと通信回線を介して接続するためのインタフェース装置である。インタフェース装置は、例えば、USB(登録商標)またはイーサネット(登録商標)等の有線通信規格に準拠した通信を行うことが可能である。また、インタフェース装置は、例えばWi-Fi(登録商標)、Bluetooth(登録商標)、携帯電話回線等の無線通信規格に準拠した通信を行うことが可能である。 The communication circuit 24 is an interface device for connecting to a device or system via a communication line by wire or wirelessly. The interface device can perform communication conforming to a wired communication standard such as USB (registered trademark) or Ethernet (registered trademark). Further, the interface device is capable of performing communication conforming to wireless communication standards such as Wi-Fi (registered trademark), Bluetooth (registered trademark), and mobile phone lines.

なお、評価システム1は、少なくとも制御装置20を有していればよい。例えば、演算回路21、は、インタフェース装置(入出力装置23および通信回路24)を介して別途撮影されたミクロ組織画像を受け取って各種処理を実行してもよい。 In addition, the evaluation system 1 should just have the control apparatus 20 at least. For example, the arithmetic circuit 21 may receive a separately captured microstructure image via an interface device (the input/output device 23 and the communication circuit 24) and execute various processes.

本実施形態に係る複相材料の損傷挙動を評価する方法について、図2の金属材料の損傷挙動評価のフロー図を例に説明する。図2は、金属材料の損傷挙動を数値解析評価するためのフローチャートである。 A method for evaluating the damage behavior of a multi-phase material according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of damage behavior evaluation of a metallic material in FIG. 2 as an example. FIG. 2 is a flow chart for numerical analysis evaluation of the damage behavior of metal materials.

[ステップ100:複相材料のミクロ組織画像の取得]
まず図2のステップ100(S100)の通り、演算回路21は、複相材料のミクロ組織画像を取得する。演算回路21は、例えば、記憶装置22に格納されたミクロ組織画像を読み出すことで取得してもよいし、通信回路24を介して他の装置またはシステムから取得してもよい。
[Step 100: Acquisition of Microstructure Image of Multiphase Material]
First, as in step 100 (S100) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 acquires a microstructure image of the multiphase material. The arithmetic circuit 21 may acquire, for example, by reading out the microstructure image stored in the storage device 22 , or acquire it from another device or system via the communication circuit 24 .

ミクロ組織画像は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡(OM)、電子線後方散乱回折(EBSD)、コンピュータ断層撮影(CT)、超音波探傷検査(UT)等で観察した画像を用いればよい。上記観察のために、ミクロ組織を構成する構成相の種類によっては、エッチング等の前処理をあらかじめ行ってもよい。上記ミクロ組織画像のサイズ、倍率等は、評価領域、評価位置等に応じて適宜設定すればよい。 The microstructure image is, for example, an image observed with a scanning electron microscope (SEM), an optical microscope (OM), electron beam backscatter diffraction (EBSD), computed tomography (CT), ultrasonic inspection (UT), or the like. You can use it. For the above observation, pretreatment such as etching may be carried out in advance depending on the type of constituent phases constituting the microstructure. The size, magnification, etc. of the microstructure image may be appropriately set according to the evaluation region, evaluation position, and the like.

上記では、金属材料のミクロ組織画像を取得する方法として、金属組織のミクロ組織を観察して画像を取得する方法を示したが、これに限定されず、金属組織のミクロ組織の観察を行わずに、模擬形状モデルを形成し、この模擬形状モデルを基に、ミクロ組織有限要素モデルを作成してもよい。 In the above, as a method of acquiring a microstructure image of a metal material, a method of observing the microstructure of the metal structure and acquiring an image is shown, but the method is not limited to this, and the microstructure of the metal structure is not observed. First, a simulated geometric model may be formed, and a microstructure finite element model may be created based on this simulated geometric model.

対象とする複相材料は、金属材料を含むものであればよい。対象とする金属材料の種類、強度レベル等は問わない。金属材料として、鉄鋼に限らず、アルミニウム系、チタン系、銅系、マグネシウム系の純金属または合金が挙げられる。金属材料が鉄鋼である場合、ミクロ組織の種類、組織形状、相分率は限定されない。ミクロ組織を構成する構成相として、例えば、フェライト、マルテンサイト、ベイナイト、パーライト、残留オーステナイト、MA(Martensite-Austenite constituent、「島状マルテンサイト」ともいう)のうちの1以上を含み、その他セメンタイト等の析出物を含みうる。前記組織形状は、結晶の形状をいい、例えば枝状、粒状、針状等が挙げられる。前記鉄鋼の成分組成も限定されない。前記金属材料の製造方法も限定されず、所望のミクロ組織が得られるように、例えば熱間圧延条件、熱処理条件等の製造条件が適宜設定されうる。複数の金属材料を評価、例えば複数の金属材料間で対比する場合は、例えばミクロ組織の構成相の種類、組織形状、相分率のうちの1以上が異なる複数の金属材料を用意することが挙げられる。 The target multi-phase material may be any material as long as it contains a metal material. The type and strength level of the target metal material do not matter. The metal material is not limited to steel, and includes aluminum, titanium, copper, and magnesium pure metals or alloys. When the metal material is steel, the type of microstructure, structure shape, and phase fraction are not limited. Constituent phases constituting the microstructure include, for example, one or more of ferrite, martensite, bainite, pearlite, retained austenite, MA (Martensite-Austenite constituent, also referred to as "island martensite"), cementite, etc. may contain precipitates of The structure shape refers to the shape of crystals, and examples thereof include branch-like, granular, needle-like, and the like. The chemical composition of the steel is also not limited. The method for producing the metal material is not limited, either, and production conditions such as hot rolling conditions and heat treatment conditions can be appropriately set so as to obtain a desired microstructure. When evaluating a plurality of metal materials, for example, when comparing a plurality of metal materials, it is possible to prepare a plurality of metal materials that differ in one or more of, for example, the type of constituent phase of the microstructure, the shape of the structure, and the phase fraction. mentioned.

対象とする複相材料は、金属材料以外に、セラミックスを含んでいてもよい。セラミックスとして、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、酸化セリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウム系、ヘキサフェライト、ムライトなどの金属酸化物、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ホウ素、ホウ化チタンなどの非酸化物セラミックスが挙げられる。 The target multi-phase material may contain ceramics in addition to the metal material. Ceramics include metal oxides such as silica, alumina, zirconia, titania, magnesia, cerium oxide, zinc oxide, barium titanate, hexaferrite, and mullite, silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, silicon carbide, titanium carbide, and carbide. Non-oxide ceramics such as tungsten, boron carbide, and titanium boride are included.

対象とする複相材料は、例えば、金属材料で構成されて、ミクロ組織を構成する構成相の種類、組織形状、相分率のうちの1以上が異なる複数の鉄鋼で構成された材料の他、鉄鋼と、鉄鋼以外のアルミニウム系等の非鉄金属で構成された材料、金属種の異なる非鉄金属で構成された材料、金属材料とセラミックスで構成された材料が挙げられる。 The target multiphase material is, for example, a material composed of a metal material and composed of a plurality of steels in which one or more of the types of constituent phases that make up the microstructure, the shape of the structure, and the phase fraction are different. , materials composed of steel and non-ferrous metals such as aluminum other than steel, materials composed of non-ferrous metals of different metal types, and materials composed of metal materials and ceramics.

簡便に説明するため、以下に記載する損傷シミュレーション方法では、複相材料としてミクロ組織を構成する構成相の種類が異なる金属材料、具体的には、軟質相としてフェライトおよび硬質相としてマルテンサイトから構成される二相鋼を、金属材料のミクロ組織損傷挙動を評価する対象としている。 For the sake of simplicity, in the damage simulation method described below, a metal material having different types of constituent phases constituting a microstructure as a multiphase material, specifically, ferrite as a soft phase and martensite as a hard phase. The dual-phase steels, which are manufactured in the same field, are targeted to evaluate the microstructural damage behavior of metallic materials.

[ステップ110:ミクロ解析対象の有限要素モデルを作成する工程]
図2のステップ110(S110)の通り、演算回路21は、モデル作成処理を実行して、FEM解析で使用するためのミクロ構造の解析対象のFEM解析モデルであるミクロ組織有限要素モデルとしてメッシュモデルを作成する。当該解析モデルは、例えば、金属材料の取得したミクロ組織画像を用いてイメージベースモデリングにより作成できる。モデル作成方法の一例を図3に記載する。図3Aは、取得されたミクロ組織画像を示す。演算回路21は、このようなミクロ組織画像の画素の濃度または輝度に対して所定の閾値を設定し、任意の画素位置の濃度等が当該閾値を超えるか否かによって当該画素一の値を設定する二値化処理を行うことで二値画像を作成する。図3Bは、図3Aのミクロ組織画像から作成された二値画像である。これにより、マルテンサイト相を抽出し、それ以外の相と分離することができる。
[Step 110: Step of creating a finite element model for microanalysis]
As shown in step 110 (S110) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 executes a model creation process to generate a mesh model as a microstructure finite element model, which is an FEM analysis model of a microstructure to be used in FEM analysis. to create The analysis model can be created, for example, by image-based modeling using acquired microstructure images of the metal material. An example of the model creation method is described in FIG. FIG. 3A shows the acquired microstructure image. Arithmetic circuit 21 sets a predetermined threshold value for the density or luminance of a pixel in such a microstructure image, and sets a value for the pixel depending on whether the density or the like at an arbitrary pixel position exceeds the threshold value. A binary image is created by performing binarization processing. FIG. 3B is a binary image created from the microstructure image of FIG. 3A. This allows the martensite phase to be extracted and separated from the other phases.

次に、演算回路21は、二値画像からマルテンサイト相に対応する領域の輪郭を取得する。当該輪郭は、例えば、エッジを検出する画像処理フィルタ(例えば、ソーベルフィルタ、ラプラシアンフィルタ等)を用いることで取得できる。図3Cは、二値画像から取得されたマルテンサイト相(硬質相)に対応する領域の輪郭を表す。 Next, the arithmetic circuit 21 acquires the contour of the region corresponding to the martensite phase from the binary image. The contour can be obtained, for example, by using an image processing filter (eg, Sobel filter, Laplacian filter, etc.) that detects edges. FIG. 3C represents the contour of the region corresponding to the martensite phase (hard phase) obtained from the binary image.

次に、演算回路21は、上記の輪郭から、マルテンサイト相に対応する領域の形状データと、フェライト相(軟質相)に対応する領域の形状データとを作成する。図3Dは、マルテンサイト層に対応する領域Mと、フェライト相に対応する領域Fとを作成した形状データである。その後、演算回路21は、当該形状データを所定の条件に基づいて設定されるメッシュに分割した2次元のメッシュモデルを作成する。本実施形態に係るメッシュモデルは、四辺形要素のメッシュに分割している。図3Eには、右上の一部の領域を部分的に拡大し。メッシュの形状を例示した。四辺形要素は長方形である必要はない。また、四辺形であることも必須ではなく、三角形以上の多角形であればよい。 Next, the arithmetic circuit 21 creates shape data of the region corresponding to the martensite phase and shape data of the region corresponding to the ferrite phase (soft phase) from the contours. FIG. 3D shows shape data for creating a region M corresponding to the martensite layer and a region F corresponding to the ferrite phase. After that, the arithmetic circuit 21 creates a two-dimensional mesh model by dividing the shape data into meshes set based on predetermined conditions. The mesh model according to this embodiment is divided into meshes of quadrilateral elements. FIG. 3E shows a partial enlargement of a region in the upper right. The shape of the mesh is exemplified. A quadrilateral element need not be rectangular. Moreover, it is not essential to be a quadrilateral, and it is sufficient if the polygon is a triangle or more.

本実施形態におけるFEM解析モデルとして、上記のメッシュモデルは、4節点アイソパラメトリック要素を設定して、総要素数が40,279、総節点数が40,507の2Dモデルで作成する。そして、当該2Dモデルを画像の奥行き方向へ1層分拡張し、8節点アイソパラメトリック要素により総要素数が40,279、総節点数が81,014の3Dモデルを作成し、当該3Dモデルを用いてFEM解析を行う。モデルの条件は上記に限定されるものではなく、例えば、要素の種類に関して、構成節点数が異なる要素を使用してもよい。また、総要素数や総節点数が異なる3Dモデルを作成して、FEM解析を行ってもよい。また、3Dモデルではなく、2Dモデルを作成してFEM解析モデルとして使用してもよい。 As the FEM analysis model in this embodiment, the above mesh model is created as a 2D model with a total number of elements of 40,279 and a total number of nodes of 40,507 by setting 4-node isoparametric elements. Then, the 2D model is expanded by one layer in the depth direction of the image, and a 3D model with a total number of elements of 40,279 and a total number of nodes of 81,014 is created by 8-node isoparametric elements, and the 3D model is used. FEM analysis is performed by The conditions of the model are not limited to those described above, and for example, elements with different numbers of constituent nodes may be used with respect to the types of elements. In addition, FEM analysis may be performed by creating 3D models with different total number of elements and total number of nodes. Also, instead of the 3D model, a 2D model may be created and used as the FEM analysis model.

[ステップ120:材料特性の取得、損傷クライテリアの決定]
図2のステップ120(S120)の通り、演算回路21は、パラメータ設定処理により、FEM解析を行うために金属材料を構成する各相に関する各材料の特性を取得し、パラメータとして設定する。ここで、取得する材料特性とは、例えば、フェライト相とマルテンサイト相それぞれのヤング率、降伏応力および耐力、加工硬化指数並びに結晶方位などである。また、演算回路21は、金属材料を構成する各相の材料に関する応力-ひずみ曲線(本実施形態においては、フェライトに関する応力-ひずみ曲線とマルテンサイトに関する応力-ひずみ曲線)をそれぞれ材料特性として取得する。これにより、演算回路21が解析処理にて、後述するFEM解析を行った際、ミクロ組織有限要素モデルに与える応力またはひずみに対して、当該モデルを構成する各相の形状および特性に基づいて、各積分点に与えられる応力またはひずみが算出される。
[Step 120: Obtain Material Properties, Determine Damage Criteria]
As shown in step 120 (S120) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 acquires the characteristics of each material related to each phase that constitutes the metal material and sets them as parameters in order to perform the FEM analysis by the parameter setting process. Here, the material properties to be obtained are, for example, Young's modulus, yield stress and yield strength, work hardening index and crystal orientation of each of the ferrite phase and the martensite phase. In addition, the arithmetic circuit 21 acquires a stress-strain curve (in this embodiment, a stress-strain curve for ferrite and a stress-strain curve for martensite) for each phase material constituting the metal material as material characteristics. . As a result, when the arithmetic circuit 21 performs the FEM analysis described later in the analysis process, the stress or strain applied to the microstructure finite element model is based on the shape and characteristics of each phase that constitutes the model. The stress or strain applied to each integration point is calculated.

演算回路21は、パラメータ設定処理により、ミクロ組織有限要素モデルを用いたFEM解析を行う際の境界条件を設定することができる。本実施形態において、演算回路21は、ミクロ組織有限要素モデルが周期的に配置されていると仮定して、擾乱変位成分に対して周期境界条件を与える。これにより、後述するように、演算回路21は、いわゆる均質化法に基づいて、マクロ構造有限要素モデルに対するFEM解析を行うことで算出されたマクロひずみの履歴を入力情報として、ミクロ組織有限要素モデルに対するFEM解析を行うことができる。 The arithmetic circuit 21 can set the boundary conditions when performing the FEM analysis using the microstructure finite element model by the parameter setting process. In this embodiment, the arithmetic circuit 21 assumes that the microstructure finite element model is arranged periodically, and gives periodic boundary conditions to the disturbance displacement components. As a result, as will be described later, the arithmetic circuit 21 uses, as input information, the history of macro strain calculated by performing FEM analysis on the macro structure finite element model based on the so-called homogenization method, and the micro structure finite element model can be performed for FEM analysis.

また、演算回路21は、パラメータ設定処理により、ミクロ組織有限要素モデルを用いたFEM解析において応力またはひずみを付与した際に、当該モデルの各要素に損傷が発生したか否かを判定するための基準である損傷クライテリアを設定する。損傷クライテリアを設定することにより、演算回路21は、損傷クライテリアと、後述するFEM解析により算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度とに基づいて、ミクロ組織有限要素モデルの各要素の損傷の有無を判定できる。それにより、演算回路21は、金属材料に一定以上の応力またはひずみが付与された際に生じる金属材料の局所的な損傷を加味したFEM解析を行うことができる。損傷クライテリアは、例えば、式(1)、(2)で表すことができる。
=εp(η+A) (1)
>fcr (2)
In addition, the arithmetic circuit 21 performs parameter setting processing to determine whether or not damage has occurred in each element of the model when stress or strain is applied in the FEM analysis using the microstructure finite element model. Set the damage criteria that are the criteria. By setting the damage criteria, the arithmetic circuit 21 determines the presence or absence of damage to each element of the microstructure finite element model based on the damage criteria and the equivalent plastic strain and stress triaxiality calculated by the FEM analysis described later. can be determined. As a result, the arithmetic circuit 21 can perform FEM analysis taking into consideration local damage to the metal material that occurs when a certain amount of stress or strain is applied to the metal material. Damage criteria can be represented by, for example, equations (1) and (2).
f ip (η+A) (1)
f i >f cr (2)

ここで、fは、損傷を判定する際のパラメータである。fcrは、損傷を判定するための基準値であり、任意の定数である。εpは、相当塑性ひずみである。ηは、応力三軸度である。Aは、任意の定数である。fcrおよびAは、金属材料を構成する各相毎に異なる値を設定され得る。構成相毎に設定することで、演算回路は、構成相別にFEM解析モデルを作成する必要がなく、FEM解析モデルを簡易にすることができる。fcrおよびAは、経験的に値を定められてもよいし、実験データに基づいて定められてもよい。 where f i is a parameter for determining damage. fcr is a reference value for determining damage and is an arbitrary constant. ε p is the equivalent plastic strain. η is the stress triaxiality. A is an arbitrary constant. fcr and A can be set to different values for each phase that constitutes the metal material. By setting for each constituent phase, the arithmetic circuit does not need to create an FEM analysis model for each constituent phase, and the FEM analysis model can be simplified. Values of fcr and A may be determined empirically or based on experimental data.

損傷クライテリアは、εpおよびηを変数とする式(3)で表される関数と表現され得る。
cr=εp(η+A) (3)
当該関数は、横軸が応力三軸度η、縦軸が相当塑性ひずみεpであるグラフ上で、所定の曲線(より具体的には、εp=fcr/(η+A)となる反比例状の曲線)で表すことができる。したがって、演算回路21は、ある積分点の応力三軸度ηおよび相当塑性ひずみεpを当該グラフ上にプロットした際、当該曲線で表されるηとεpとの組み合わせよりも、ηまたはεpの少なくとも一方が大きい値を取る場合、当該積分点が損傷していると判定してもよい。損傷クライテリアは、上記のように反比例状に表される関数に限定されず、例えば、任意の一次関数として設定されてもよい。
The damage criteria can be expressed as a function represented by Equation (3) with εp and η as variables.
f crp (η+A) (3)
The function is a predetermined curve (more specifically, an inversely proportional curve). Therefore, when the arithmetic circuit 21 plots the stress triaxiality η and the equivalent plastic strain ε p at a certain integration point on the graph, η or ε If at least one of p takes a large value, it may be determined that the integration point is damaged. The damage criteria are not limited to functions expressed in inverse proportion as described above, and may be set as arbitrary linear functions, for example.

実験データに基づいて損傷クライテリアを定める場合、例えば、損傷クライテリアは次のように定められ得る。任意の試験片の組織画像に基づいてFEM解析モデルを作成し、当該試験片に対して引張試験を行い、演算回路21は、当該FEM解析モデルに対して当該引張試験と同等の応力またはひずみの履歴を付与してFEM解析を行う。引張試験の実施中、演算回路21は、任意のタイミングで試験片の組織画像を取得し、当該タイミングで試験片に生じているひずみと関連付ける。そして、組織画像を確認してマイクロボイドが発生している場合、演算回路21は、当該組織画像に関連付けられているひずみをFEM解析モデルに付与した際のFEM解析結果から、組織画像においてマイクロボイドが発生した位置に対応する積分点の相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出する。演算回路21は、相当塑性ひずみおよび応力三軸度を取得すると、グラフ上にプロットする。演算回路21は、複数のマイクロボイドに関する相当塑性ひずみと応力三軸度との組み合わせをグラフ上にプロットすることで、プロットした点が式(1)、(2)を満たすfcrおよびAを定め、それにより損傷クライテリアを定めることができる。 When defining damage criteria based on experimental data, for example, the damage criteria can be defined as follows. An FEM analysis model is created based on a tissue image of an arbitrary test piece, a tensile test is performed on the test piece, and the arithmetic circuit 21 applies stress or strain equivalent to that of the tensile test to the FEM analysis model. FEM analysis is performed by giving a history. During execution of the tensile test, the arithmetic circuit 21 acquires a tissue image of the test piece at an arbitrary timing and associates it with the strain occurring in the test piece at that timing. Then, when confirming the tissue image and microvoids are generated, the arithmetic circuit 21 determines the microvoids in the tissue image from the FEM analysis result when the strain associated with the tissue image is applied to the FEM analysis model. Calculate the equivalent plastic strain and stress triaxiality of the integration point corresponding to the position where When the arithmetic circuit 21 obtains the equivalent plastic strain and the stress triaxiality, it plots them on a graph. Arithmetic circuit 21 plots combinations of equivalent plastic strain and stress triaxiality for a plurality of microvoids on a graph to determine fcr and A where the plotted points satisfy equations (1) and (2). , whereby the damage criteria can be defined.

演算回路21は、式(2)に示すように、相当塑性ひずみ、応力三軸度および任意の定数に基づいて算出されるパラメータfがある基準値fcrより大きい場合、損傷が発生したと判定できる。相当塑性ひずみおよび応力三軸度は、後述する解析処理にて算出される。パラメータ設定処理においてパラメータを設定するための材料特性の取得および損傷クライテリアの設定の詳細は、後述する。 The arithmetic circuit 21 determines that damage has occurred when the parameter fi calculated based on the equivalent plastic strain, the stress triaxiality, and an arbitrary constant is greater than a certain reference value fcr , as shown in Equation (2). I can judge. The equivalent plastic strain and the stress triaxiality are calculated by analysis processing described later. Details of acquisition of material properties and setting of damage criteria for setting parameters in the parameter setting process will be described later.

[ステップ130:マクロひずみの取得]
図2のステップ130(S130)の通り、演算回路21は、ミクロ組織有限要素モデルに対してFEM解析を行う際に与えるマクロひずみを取得する。例えば、演算回路21は、次に説明するステップ131~133を行うことで、マクロ構造有限要素モデルを作成し、当該モデルに対してFEM解析を行ってマクロひずみを算出し、取得する。
図4は、マクロひずみを取得するためのフローチャートである。また、演算回路21は、あらかじめ算出して記憶装置22に格納していたマクロひずみを読み出すことで取得してもよいし、通信回路24を介してマクロひずみを取得してもよい。
[Step 130: Acquisition of Macro Strain]
As shown in step 130 (S130) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 acquires the macro strain given when performing the FEM analysis on the microstructure finite element model. For example, the arithmetic circuit 21 performs steps 131 to 133 described below to create a macro structural finite element model, perform FEM analysis on the model, and calculate and obtain macro strain.
FIG. 4 is a flow chart for acquiring macro-distortion. Further, the arithmetic circuit 21 may acquire the macro strain by reading out the macro strain calculated in advance and stored in the storage device 22 , or may acquire the macro strain via the communication circuit 24 .

[ステップ131:マクロ構造有限要素モデルの作成]
図4のステップ131(S131)の通り、演算回路21は、モデル作成処理を実行して、FEM解析で使用するため、マクロ構造の解析対象のFEM解析モデルであるマクロ構造有限要素モデルとしてメッシュモデルを作成する。当該メッシュモデルは、任意の大きさを有してよい。
[Step 131: Creation of macrostructural finite element model]
As shown in step 131 (S131) of FIG. 4, the arithmetic circuit 21 executes the model creation process, and for use in the FEM analysis, the mesh model is used as the macrostructure finite element model, which is the FEM analysis model to be analyzed for the macrostructure. to create The mesh model may have any size.

[ステップ132:均質材料としての強度特性取得]
図4のステップ132(S132)の通り、演算回路21は、パラメータ設定処理を実行して、FEM解析を行うためにマクロ構造有限要素モデルに関する金属材料の特性を取得し、パラメータとして設定する。ここで、取得する材料特性とは、例えば、当該金属材料のヤング率、ポアソン比、応力-ひずみ曲線、降伏応力および耐力、加工硬化指数並びに結晶方位などである。当該パラメータは、実験により取得することができる。例えば、金属材料に関する応力-ひずみ曲線および降伏応力は、当該材料で構成されている試験片に対して引張試験を行うことで取得することができる。またヤング率とポアソン比は、引張試験、共振法、超音波法等によって取得することができる。金属材料は、ミクロな構造では、金属材料を構成する各相に分離され得るため、演算回路21は、ミクロな構造では各相に関するパラメータを設定するが、マクロな構造では相構造に関係なく一様な材料としてパラメータを設定する。
[Step 132: Acquisition of strength characteristics as homogeneous material]
As shown in step 132 (S132) in FIG. 4, the arithmetic circuit 21 executes parameter setting processing to acquire the properties of the metal material for the macro structural finite element model for FEM analysis and set them as parameters. Here, the material properties to be acquired are, for example, Young's modulus, Poisson's ratio, stress-strain curve, yield stress and proof stress, work hardening index, crystal orientation, etc. of the metal material. The parameters can be obtained through experiments. For example, stress-strain curves and yield stresses for metallic materials can be obtained by performing tensile tests on specimens constructed of the material. Young's modulus and Poisson's ratio can be obtained by a tensile test, a resonance method, an ultrasonic method, or the like. Since the metallic material can be separated into each phase that constitutes the metallic material in the microscopic structure, the arithmetic circuit 21 sets the parameters for each phase in the microscopic structure, but in the macroscopic structure, the parameters are the same regardless of the phase structure. Set parameters as a material.

[ステップ133:マクロ構造有限要素モデルを用いたFEM解析の実行(ひずみの算出)]
図4のステップ133(S133)の通り、演算回路21は、解析処理により、作成したマクロ構造有限要素モデルを用いてFEM解析を実行する。FEM解析では、作成したマクロ構造有限要素モデルに対して所定の荷重または変位を与えることで、金属材料に発生する応力またはひずみの履歴をシミュレーションにより解析することができる。例えば、解析処理は、マクロ構造有限要素モデルに対して一軸引張に相当する荷重または変位条件を与え、マクロ構造有限要素モデルの変形のシミュレーションを行い、マクロ構造有限要素モデルの変形履歴(マクロひずみの履歴)を算出する。算出された変形履歴は、例えば、記憶装置22に出力され、格納される。なお、マクロ構造有限要素モデルに対して与える変形場は、一軸引張に限定されず、引張、圧縮およびせん断変形が同時に生じる複合的な変形場であってもよい。
[Step 133: Execution of FEM analysis using macrostructural finite element model (calculation of strain)]
As shown in step 133 (S133) in FIG. 4, the arithmetic circuit 21 performs FEM analysis using the created macrostructure finite element model by analysis processing. In the FEM analysis, by applying a predetermined load or displacement to the created macrostructure finite element model, the history of stress or strain generated in the metal material can be analyzed by simulation. For example, in the analysis process, load or displacement conditions corresponding to uniaxial tension are applied to the macrostructural finite element model, the deformation of the macrostructural finite element model is simulated, and the deformation history of the macrostructural finite element model (macro strain history). The calculated deformation history is output and stored in the storage device 22, for example. The deformation field applied to the macrostructure finite element model is not limited to uniaxial tension, and may be a composite deformation field in which tension, compression and shear deformation occur simultaneously.

このように、演算回路21は、マクロ構造有限要素モデルを作成し、当該モデルを用いてマクロひずみを算出して取得することができる。本実施形態において、演算回路21はマクロひずみの算出をミクロ組織有限要素モデルの材料特性の取得および損傷クライテリアの決定(すなわちステップ120)後に行っているがこれに限定されない。例えば、演算回路21は、ミクロ組織画像を取得する(すなわちステップ100)前に、マクロひずみを算出してもよい。また、後述するように演算回路21は、マクロひずみの履歴を与えることで、マクロひずみごとにミクロ組織有限要素モデルにおけるFEM解析を行う。したがって、マクロひずみは、ミクロ組織有限要素モデルのFEM解析を行う際に算出されていればよい。例えば、演算回路21は、まずステップ131とステップ132を実行し、必要に応じて適宜ステップ133を実行してもよい。すなわち、演算回路21は、後述するステップ160の実行後かつ後述するステップ140の実行前にステップ133を実行し、当該タイミングにおけるステップ140で使用するマクロひずみを算出してもよい。 In this manner, the arithmetic circuit 21 can create a macrostructure finite element model and calculate and acquire macroscopic strain using the model. In this embodiment, the arithmetic circuit 21 calculates the macro strain after acquiring the material properties of the microstructure finite element model and determining the damage criteria (that is, step 120), but is not limited to this. For example, arithmetic circuitry 21 may calculate macrostrain prior to acquiring a microtissue image (ie, step 100). In addition, as will be described later, the arithmetic circuit 21 performs FEM analysis in a microstructure finite element model for each macro strain by giving a history of macro strain. Therefore, the macro strain should be calculated when performing the FEM analysis of the microstructure finite element model. For example, the arithmetic circuit 21 may first execute steps 131 and 132 and then execute step 133 as appropriate. That is, the arithmetic circuit 21 may execute step 133 after execution of step 160 described later and before execution of step 140 described later, and calculate the macro distortion used in step 140 at that timing.

[ステップ140:ミクロ組織有限要素モデルを用いたFEM解析の実行(相当塑性ひずみおよび応力三軸度の算出)]
図2のステップ140(S140)の通り、演算回路21は、解析処理により、作成したミクロ組織有限要素モデルを用いてFEM解析を実行する。上記するように、ミクロ組織有限要素モデルのFEM解析に関する境界条件として、当該モデルが周期的に配置されていると仮定して、擾乱変位成分に対して周期境界条件を与えている。したがって、演算回路21は、FEM解析では、作成したミクロ組織有限要素モデルに対して、ステップ130で取得したマクロひずみの履歴をマクロひずみ増分として与える。それによって、演算回路21は、いわゆる均質化法に基づいて、金属材料にマクロひずみ増分が加えられた際にどのような挙動を示すかシミュレーションを行うことができる。演算回路21は、解析処理により、ミクロ組織有限要素モデルの各要素に与えたマクロひずみ別に、ミクロ組織有限要素モデルの変形挙動として各要素における相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出することができる。算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度は、記憶装置22に出力され、格納され得る。ミクロ組織有限要素モデルの各要素には、解析時の積分を行うための積分点が予め設定されている。相当塑性ひずみおよび応力三軸度は、積分点に与えられたひずみ別に算出される。なお、ミクロ組織有限要素モデルの各要素の積分点以外に、例えば積分点について算出された解から計算される要素解または節点解を用いて相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出してもよい。
[Step 140: Execution of FEM analysis using microstructure finite element model (calculation of equivalent plastic strain and stress triaxiality)]
As shown in step 140 (S140) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 performs FEM analysis using the created microstructure finite element model by analysis processing. As described above, as a boundary condition for the FEM analysis of the microstructural finite element model, a periodic boundary condition is given to the disturbance displacement component, assuming that the model is arranged periodically. Therefore, in the FEM analysis, the arithmetic circuit 21 gives the macro strain history obtained in step 130 as a macro strain increment to the created microstructure finite element model. Thereby, the arithmetic circuit 21 can simulate how the metallic material behaves when macro-strain increments are applied, based on the so-called homogenization method. The arithmetic circuit 21 can calculate the equivalent plastic strain and the stress triaxiality of each element as the deformation behavior of the microstructure finite element model for each macro strain applied to each element of the microstructure finite element model by the analysis processing. . The calculated equivalent plastic strain and stress triaxiality can be output to and stored in the storage device 22 . Each element of the microstructure finite element model has preset integration points for performing integration during analysis. Equivalent plastic strain and stress triaxiality are calculated for each strain applied to the integration points. In addition to the integration point of each element of the microstructure finite element model, for example, the equivalent plastic strain and stress triaxiality may be calculated using element solutions or nodal solutions calculated from the solutions calculated for the integration points. .

[ステップ150:ミクロ組織有限要素モデルの各積分点における損傷判定]
図2のステップ150(S150)の通り、演算回路21は、損傷判定処理により、ミクロ組織有限要素モデルの各積分点に損傷(すなわち、マイクロボイド)が生じたか判定する。損傷判定処理は、ステップ120で設定された損傷クライテリアと、ステップ140で実行されたFEM解析によって算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度とに基づいて、損傷の有無を判定する。損傷判定処理は、ステップ140において、相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出する毎に、損傷の有無を判定する。損傷判定処理の詳細は、後述する。
[Step 150: Damage determination at each integration point of the microstructure finite element model]
As shown in step 150 (S150) of FIG. 2, the arithmetic circuit 21 determines whether damage (that is, microvoids) has occurred at each integration point of the microstructure finite element model by the damage determination process. The damage determination process determines the presence or absence of damage based on the damage criteria set in step 120 and the equivalent plastic strain and stress triaxiality calculated by the FEM analysis performed in step 140 . In the damage determination process, in step 140, the presence or absence of damage is determined each time the equivalent plastic strain and stress triaxiality are calculated. Details of the damage determination process will be described later.

[ステップ160:FEM解析の続行可否の判定]
図2のステップ160(S160)の通り、演算回路21は、FEM解析を続行するか否か判定する。具体的には、演算回路21は、損傷判定処理により、ミクロ組織有限要素モデルの変形が所定の変形率まで到達したか否かを判定する。ミクロ組織有限要素モデルの変形が所定の変形率に至っていない場合、演算回路21は、ミクロ組織有限要素モデルに与えるマクロひずみを変更してFEM解析(S140)をさらに実行する(S160:Yes)。そして、当該マクロひずみが与えられた際のミクロ組織有限要素モデルにおける相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出する。ミクロ組織有限要素モデルの変形が所定の変形率まで到達した場合、演算回路21は、解析処理によるFEM解析を終了する(S160:No)。また、ミクロ組織有限要素モデルにおいて損傷したと判定された要素は、当該要素における要素剛性を低下させるため、損傷したと判定された要素が増加することで、マイクロボイドによる損傷が進展し、ミクロ組織有限要素モデルの変形抵抗が低下する。演算回路21は、変形抵抗が所定の値以下に低下すると、解析処理によるFEM解析を終了してもよい。
[Step 160: Determining whether to continue FEM analysis]
As in step 160 (S160) in FIG. 2, the arithmetic circuit 21 determines whether to continue the FEM analysis. Specifically, the arithmetic circuit 21 determines whether or not the deformation of the microstructure finite element model has reached a predetermined deformation rate through the damage determination process. If the deformation of the microstructure finite element model has not reached the predetermined deformation rate, the arithmetic circuit 21 changes the macro strain given to the microstructure finite element model and further executes the FEM analysis (S140) (S160: Yes). Then, the equivalent plastic strain and stress triaxiality in the microstructure finite element model when the macro strain is applied are calculated. When the deformation of the microstructure finite element model reaches the predetermined deformation rate, the arithmetic circuit 21 terminates the FEM analysis by the analysis process (S160: No). In addition, since the element determined to be damaged in the microstructure finite element model reduces the element rigidity of the element, as the number of elements determined to be damaged increases, the damage caused by the microvoids progresses, and the microstructure Deformation resistance of the finite element model is reduced. The arithmetic circuit 21 may end the FEM analysis by the analysis process when the deformation resistance drops below a predetermined value.

上記のように本実施形態に係る損傷シミュレーション方法は、金属材料のマクロ構造を模擬した有限要素モデルを用いてFEM解析を行い、マクロひずみの履歴を算出することができる。また、損傷シミュレーション方法は、金属材料のミクロ組織を模擬した有限要素モデルおよび算出されたマクロひずみの履歴を用いてFEM解析を行い、相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出することが可能である。そして、損傷シミュレーション方法は、算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度に基づいて損傷の有無の判定を行うことで、引張変形によるミクロ組織での損傷発生と損傷の進展に伴う、マクロ構造における引張方向の変形抵抗の低下を再現することができる。また、損傷シミュレーション方法は、ミクロ構造側では、金属材料のマクロな変形の進行に伴い、ミクロ組織の損傷が発生し、ミクロ組織の損傷が連結して進展していく挙動を同時に解析することができる。 As described above, the damage simulation method according to the present embodiment can perform FEM analysis using a finite element model that simulates the macrostructure of a metal material, and can calculate the history of macroscopic strain. In addition, in the damage simulation method, FEM analysis is performed using a finite element model that simulates the microstructure of the metal material and the calculated macro strain history, and the equivalent plastic strain and stress triaxiality can be calculated. . In the damage simulation method, the presence or absence of damage is determined based on the calculated equivalent plastic strain and stress triaxiality. A decrease in deformation resistance in the tensile direction can be reproduced. In the damage simulation method, on the microstructure side, damage to the microstructure occurs as the macroscopic deformation of the metal material progresses, and it is possible to simultaneously analyze the behavior in which the damage to the microstructure connects and progresses. can.

(各構成相の応力-ひずみ曲線等の取得)
パラメータ設定処理にて設定される、FEM解析を行うための材料特性の設定処理について説明する。金属材料を構成する各相に関する各材料に関する応力-ひずみ曲線は、例えば、当該材料で構成されている試験片に対して引張試験を行うことで、取得され得る。また、各材料に関する応力-ひずみ曲線および降伏応力は、例えば、以下に記載するような解析手法によって取得され得る。なお、各材料に関する応力-ひずみ曲線および降伏応力の取得方法は、当該手法に限定されず、例えばSwift則の式等、所定の式に基づいて定めて取得してもよいし、あらかじめ記憶装置22に記憶させておいた曲線等を用いてもよい。
(Acquisition of stress-strain curves, etc. of each constituent phase)
A material characteristic setting process for performing an FEM analysis, which is set in the parameter setting process, will be described. A stress-strain curve for each material for each phase that makes up the metallic material can be obtained, for example, by performing a tensile test on a test piece made up of that material. Also, the stress-strain curve and yield stress for each material can be obtained, for example, by analytical techniques such as those described below. Incidentally, the method of acquiring the stress-strain curve and yield stress for each material is not limited to this method, and may be determined based on a predetermined formula such as the Swift's law formula, or may be obtained in advance in the storage device 22 You may use the curve etc. which were memorize|stored in .

まず、演算回路21は、図3Aに示すようなミクロ組織画像から金属材料を構成する各相(図3Aにおいては、フェライト相およびマルテンサイト相)の面積分率を取得する。演算回路21は、例えば、ステップ110に記載した方法で金属材料のミクロ組織画像を各相に分離できるため、それぞれの面積分率を取得することができる。次に、演算回路21は、面積分率に基づいて、各相の体積分率を算出する。例えば、2つの構成相のうち、より小さい面積分率を有する構成相(構成相A)が、二相鋼内に均一に分散している、と仮定すると、演算回路21は、構成相Aの面積分率SAを3/2乗して、構成相Aの体積分率VAに換算できる。他方の構成相(構成相B)の体積分率VBは、100%から構成相Aの体積分率VAを引いて求められ得る。 First, the arithmetic circuit 21 acquires the area fraction of each phase (the ferrite phase and the martensite phase in FIG. 3A) constituting the metal material from the microstructure image as shown in FIG. 3A. The arithmetic circuit 21 can separate the microstructure image of the metal material into each phase, for example, by the method described in step 110, so that the area fraction of each phase can be obtained. Next, the arithmetic circuit 21 calculates the volume fraction of each phase based on the area fraction. For example, assuming that of the two constituent phases, the constituent phase having the smaller area fraction (constituent phase A) is uniformly dispersed in the duplex steel, the arithmetic circuit 21 calculates the The volume fraction VA of the constituent phase A can be obtained by multiplying the area fraction SA to the power of 3/2. The volume fraction VB of the other constituent phase (constituent phase B) can be obtained by subtracting the volume fraction VA of constituent phase A from 100%.

演算回路21は、図3Aの例では、フェライト相の面積分率が85%、マルテンサイト相の面積分率が15%と取得できる。演算回路21は、より小さい面積分率を有するマルテンサイト相の面積分率(15%)を3/2乗(すなわち、0.153/2)してマルテンサイト相の体積分率(約6%)を求める。演算回路21は、全体(100%)からマルテンサイト相の体積分率(6%)を引いてフェライト相の体積分率を算出できる。例えば、マルテンサイト相の体積分率が6%であれば、フェライト相の体積分率は、100%-6%=94%である。 In the example of FIG. 3A, the arithmetic circuit 21 can obtain the ferrite phase area fraction of 85% and the martensite phase area fraction of 15%. The arithmetic circuit 21 raises the area fraction (15%) of the martensite phase having a smaller area fraction to the power of 3/2 (that is, 0.15 3/2 ) to obtain the volume fraction of the martensite phase (approximately 6 %). The arithmetic circuit 21 can calculate the volume fraction of the ferrite phase by subtracting the volume fraction of the martensite phase (6%) from the total (100%). For example, if the martensite phase volume fraction is 6%, the ferrite phase volume fraction is 100%-6%=94%.

次に、演算回路21は、対象となる二相鋼に関する応力-ひずみ曲線を取得する。当該応力-ひずみ曲線は、例えば、二相鋼から引張試験用の供試材を作製して、一軸引張試験を行うことで取得され得る。一軸引張試験の試験方法および供試材の形状は特に限定されないが、例えばJIS Z2241:2011を参照することができる。図5は、二相鋼の応力-ひずみ曲線の実測データの一例である。 Arithmetic circuitry 21 then obtains the stress-strain curve for the duplex steel of interest. The stress-strain curve can be obtained, for example, by preparing a tensile test specimen from a duplex steel and conducting a uniaxial tensile test. Although the test method of the uniaxial tensile test and the shape of the test material are not particularly limited, for example, JIS Z2241:2011 can be referred to. FIG. 5 is an example of measured data of a stress-strain curve of a duplex steel.

次に演算回路21は、取得した応力-ひずみ曲線の実測データから、二相鋼の降伏応力σyDPを求める。図6は、図5の応力-ひずみ曲線のうち弾性域と塑性域との境界線近傍を拡大した図である。応力-ひずみ曲線は、弾性域において直線性を有しているが二相鋼が塑性変形し始めると(つまり、塑性域に入ると)、応力-ひずみ曲線は直線性を失う。直線性を失ったときの応力値を二相鋼の降伏応力σyDPとする。図6の例では、σyDP=220MPaである。 Next, the arithmetic circuit 21 obtains the yield stress σ yDP of the duplex steel from the obtained stress-strain curve measurement data. FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the boundary line between the elastic region and the plastic region in the stress-strain curve of FIG. The stress-strain curve is linear in the elastic region, but once the duplex steel begins to deform plastically (ie, enters the plastic region), the stress-strain curve loses linearity. The stress value when the linearity is lost is defined as the yield stress σyDP of the duplex steel. In the example of FIG. 6, σ yDP =220 MPa.

軟質相と硬質相で構成される二相鋼では、軟質相、すなわち本実施形態ではフェライト相が先に塑性変形し始めて、その後に硬質相、すなわち本実施形態ではマルテンサイト相が塑性変形し始めると考えられる。つまり、二相鋼の降伏応力σyDPは、フェライト相の降伏応力σySPにのみ依存すると考えられる。よって、フェライト相の降伏応力は、二相鋼の降伏応力σyDPおよびフェライト相の体積分率から、以下の式(4)のように求めることができる。
σySP=σyDP÷{(フェライト相の体積分率(%))/100} (4)
In a duplex steel composed of a soft phase and a hard phase, the soft phase, ie the ferrite phase in this embodiment, begins to plastically deform first, followed by the hard phase, ie the martensite phase in this embodiment, begins to plastically deform. it is conceivable that. That is, it is considered that the yield stress σ yDP of the duplex steel depends only on the yield stress σ ySP of the ferrite phase. Therefore, the yield stress of the ferrite phase can be obtained from the yield stress σyDP of the dual-phase steel and the volume fraction of the ferrite phase as shown in the following formula (4).
σ ySPyDP ÷ {(volume fraction of ferrite phase (%))/100} (4)

例えば、二相鋼の降伏応力σyDPが220MPa、フェライト相の体積分率が94%(0.94)の場合、フェライト相の降伏応力σySPは220÷(94(%)/100)=234MPaとなる。このようにして、フェライト相の降伏応力σySPを算出する。 For example, if the yield stress σ yDP of the duplex steel is 220 MPa and the volume fraction of the ferrite phase is 94% (0.94), the yield stress σ ySP of the ferrite phase is 220 ÷ (94 (%) / 100) = 234 MPa becomes. Thus, the yield stress σySP of the ferrite phase is calculated.

次に、演算回路21は、応力-ひずみ曲線の実測データから、応力とひずみとの関係を示すグラフ(例えば、縦軸が応力の自然対数、横軸がひずみの自然対数の両対数グラフ)を作成する。図7は、図5に示す応力-ひずみ曲線の両対数グラフである。そして、演算回路21は、応力-ひずみ曲線の塑性域内において、当該両対数グラフが直線となっている部分を決定する。当該直線部分を含む範囲を「範囲LA」とする。範囲LAは、フェライト相の応力-ひずみ曲線を示すSwift則の式(5)において、右辺の乗数(n乗)に従う範囲となる。
σ=σySP(1+ε/α) (5)
Next, the arithmetic circuit 21 generates a graph showing the relationship between stress and strain from the measured data of the stress-strain curve (for example, the vertical axis is the natural logarithm of the stress, and the horizontal axis is the natural logarithm of the strain). create. FIG. 7 is a log-log graph of the stress-strain curve shown in FIG. Then, the arithmetic circuit 21 determines the part where the log-log graph is a straight line within the plastic region of the stress-strain curve. The range including the straight line portion is defined as "range LA". The range LA is a range that follows the multiplier (nth power) on the right side in the Swift's law formula (5) that shows the stress-strain curve of the ferrite phase.
σ 1y SP (1+ε/α) n (5)

ここで、σはフェライト相が負担している第1の応力である。σySPはフェライト相の降伏応力である。εはフェライト相のひずみである。αはフェライト相の固有定数である。nはフェライト相の加工硬化指数である。図7において実線が応力-ひずみ曲線の両対数グラフを示す。当該実線における直線部分(領域LAの範囲内にある部分)に沿って、近似直線(破線)を引くと、近似直線の傾きは、フェライト相の加工硬化指数nと相関性がある。 where σ1 is the first stress borne by the ferrite phase. σySP is the yield stress of the ferrite phase. ε is the strain of the ferrite phase. α is the intrinsic constant of the ferrite phase. n is the work hardening index of the ferrite phase. In FIG. 7, the solid line indicates a log-log graph of the stress-strain curve. When an approximation straight line (dashed line) is drawn along the straight line portion (the portion within the area LA) of the solid line, the slope of the approximation straight line correlates with the work hardening index n of the ferrite phase.

なお、本明細書では、「直線部分」とは、応力-ひずみ曲線の両対数グラフにおいて、直線と見なせる部分の一部または全部のことである。範囲LAは、「直線と見なせる部分の一部または全部」を含む範囲であればよい。本明細書においてまた、「直線と見なせる部分」には、完全には直線ではないが、ほぼ直線となっている部分も含まれる。具体的には、応力-ひずみ曲線の両対数グラフ上に最小二乗法で近似直線を引いた際に、両対数グラフと近似直線との縦軸方向(応力の自然対数方向)の「ずれ」が、両対数グラフ上で1MPa相当の数値以下となる場合、「直線と見なせる部分」とする。 As used herein, the term “linear portion” refers to part or all of the portion that can be regarded as a straight line in the double-logarithmic graph of the stress-strain curve. The range LA may be a range including "part or all of the portion that can be regarded as a straight line". In this specification, the "portion that can be regarded as a straight line" also includes a portion that is not perfectly straight, but is almost straight. Specifically, when an approximate straight line is drawn on the double-logarithmic graph of the stress-strain curve by the method of least squares, the "deviation" in the vertical axis direction (natural logarithm direction of stress) between the double-logarithmic graph and the approximate straight line is , If the value is equal to or less than 1 MPa on the double logarithmic graph, it is regarded as "the part that can be regarded as a straight line".

二相鋼が受ける応力σは、フェライト相が負担している第1の応力σと、マルテンサイト相が負担している第2の応力Δσとに分けることができる。図8は、第2の応力Δσを説明するための応力-ひずみ曲線である。図8に示す応力-ひずみ曲線において、実線は二相鋼の応力-ひずみ曲線の実測データであり、破線はフェライト相の応力-ひずみ曲線のイメージである。フェライト相の応力-ひずみ曲線からは、フェライト相が負担している第1の応力σを読み取ることができる。この実線と破線の間の縦軸方向の離間距離が、マルテンサイト相が負担している第2の応力Δσに相当する。 The stress σ experienced by the duplex steel can be divided into a first stress σ 1 borne by the ferrite phase and a second stress Δσ borne by the martensite phase. FIG. 8 is a stress-strain curve for explaining the second stress Δσ. In the stress-strain curve shown in FIG. 8, the solid line is actually measured data of the stress-strain curve of the duplex steel, and the dashed line is an image of the stress-strain curve of the ferrite phase. The first stress σ 1 borne by the ferrite phase can be read from the stress-strain curve of the ferrite phase. The distance between the solid line and the dashed line in the vertical axis direction corresponds to the second stress Δσ borne by the martensite phase.

このことを踏まえて、両対数グラフ上で特定した範囲LAに対応する範囲C-LA(図8参照)を応力-ひずみ曲線上に規定し、その範囲における二相鋼の応力σを、第1の応力第1の応力σと第2の応力第2の応力Δσとに分ける手順を説明する。応力-ひずみ曲線上における対応する範囲を単に「範囲C-LA」と称することがある。 Based on this, a range C-LA (see FIG. 8) corresponding to the range LA specified on the log-log graph is defined on the stress-strain curve, and the stress σ of the duplex steel in that range is calculated as the first The procedure for dividing the stress into the first stress σ1 and the second stress Δσ will be described. The corresponding range on the stress-strain curve is sometimes simply referred to as "Range C-LA."

図9は、弾完全塑性体とみなせるマルテンサイト相の応力-ひずみ曲線の模式図である。マルテンサイト相は弾完全塑性体とみなせるので、マルテンサイト相のみだった場合の応力-ひずみ曲線は図9のような形となる。したがって、範囲C-LA内における応力σHPは一定で、かつ降伏応力σyHPと等しくなる。また、マルテンサイト相が負担している第2の応力Δσは、応力σHPに体積分率を掛け算して求めた値に相当する。これらのことから、範囲C-LA内において、第2の応力Δσは一定となる(つまり、図8において、範囲C-LAの範囲内では実線と破線の間の縦軸方向の離間距離は一定)。また、第2の応力Δσは、マルテンサイト相の降伏応力σyHPに体積分率を掛け算した値に等しくなる。また、フェライト相が負担している第1の応力σは、フェライト相のみだった場合の応力σSPに体積分率を掛け算して求めた値に相当する。 FIG. 9 is a schematic diagram of a stress-strain curve of a martensite phase that can be regarded as an elastic perfect plastic body. Since the martensite phase can be regarded as an elastic perfect plastic body, the stress-strain curve in the case of only the martensite phase has the shape shown in FIG. Therefore, the stress σ HP within the range C-LA is constant and equal to the yield stress σ yHP . Also, the second stress Δσ borne by the martensite phase corresponds to a value obtained by multiplying the stress σ HP by the volume fraction. From these, the second stress Δσ is constant within the range C-LA (that is, in FIG. 8, the separation distance in the vertical axis direction between the solid line and the broken line is constant within the range C-LA ). Also, the second stress Δσ is equal to the yield stress σ yHP of the martensitic phase multiplied by the volume fraction. The first stress σ 1 borne by the ferrite phase corresponds to a value obtained by multiplying the stress σ SP in the case of only the ferrite phase by the volume fraction.

上記した内容は、以下の式(6)~(9)で表され得る。なお、フェライト相の体積分率は例えば94%(0.94)であり、マルテンサイト相の体積分率は例えば6%(0.06)である。
σ=σ+Δσ (6)
σHP=σyHP (7)
Δσ=σHP×(マルテンサイト相の体積分率)
=σyHP×(マルテンサイト相の体積分率) (8)
σ=σSP×(フェライト相の体積分率) (9)
The above contents can be represented by the following formulas (6) to (9). The volume fraction of the ferrite phase is, for example, 94% (0.94), and the volume fraction of the martensite phase is, for example, 6% (0.06).
σ=σ 1 +Δσ (6)
σHP = σyHP (7)
Δσ = σ HP × (volume fraction of martensite phase)
= σ yHP × (volume fraction of martensite phase) (8)
σ 1 = σ SP × (volume fraction of ferrite phase) (9)

上述したように、フェライト相については、式(5)で表されるSwift則が適用できる。そして、式(5)を以下の手順(i)~(ii)で変形することで、フェライト相とマルテンサイト相の関係を1つの式で表すことができる。
手順(i)両辺の自然対数を取り、式変形をする。
lnσ=lnσySP(1+ε/α)
=ln(1+ε/α)+lnσySP
=n・ln(1+ε/α)+lnσySP (5-1)
手順(ii)式(6)を式(10)に変形して、式(5-1)に代入する
σ=σ-Δσ (10)
ln(σ-Δσ)=n・ln(1+ε/α)+lnσySP (5-2)
As described above, the Swift's law represented by Equation (5) can be applied to the ferrite phase. The relationship between the ferrite phase and the martensite phase can be represented by one equation by transforming the equation (5) according to the following procedures (i) to (ii).
Procedure (i) Take the natural logarithm of both sides and transform the formula.
lnσ 1 = lnσ y SP (1+ε/α) n
=ln(1+ε/α) n + lnσySP
=n ln(1+ε/α)+ lnσySP (5-1)
Procedure (ii) Transform equation (6) into equation (10) and substitute it into equation (5-1) σ 1 =σ−Δσ (10)
ln(σ-Δσ)=n ln(1+ε/α)+ lnσySP (5-2)

式(5-2)を、縦軸をln(σ-Δσ)、横軸をln(1+ε/α)としてプロットすると、一次関数のグラフが作成され得る。当該グラフは、傾きがn、切片がlnσySPである。図10は、二相鋼の応力とひずみの関係を、縦軸をln(σ-Δσ)、横軸をln(1+ε/α)としてプロットした両対数グラフである。ここで、フェライト相の降伏応力σySPは上記のように求められ得るため(例えば234MPa)、切片lnσySP=ln234=5.45となるように、αの値が決定される。αの値が決まると、傾きnも一義的に決まる。図10では、傾きn=0.23である。 Plotting equation (5-2) with ln(σ−Δσ) on the vertical axis and ln(1+ε/α) on the horizontal axis can produce a graph of a linear function. The graph has a slope of n and an intercept of lnσ ySP . FIG. 10 is a log-log graph plotting the relationship between stress and strain of a duplex steel with ln(σ−Δσ) on the vertical axis and ln(1+ε/α) on the horizontal axis. Here, since the yield stress σ ySP of the ferrite phase can be obtained as described above (for example, 234 MPa), the value of α is determined so that the intercept lnσ ySP =ln234=5.45. When the value of α is determined, the slope n is also uniquely determined. In FIG. 10, the slope n=0.23.

得られたα、nの値を式(5-2)に代入すると、式中の変数は、二相鋼の応力σおよびひずみεと、第2の応力Δσの3つとなる。そして、二相鋼の応力σおよびひずみεは、二相鋼の引張試験の実測データから特定できるため、実質的には変数は第2の応力Δσのみとなる。したがって、演算回路21は、第2の応力Δσに適当な初期値(例えば200MPa)を設定し、二相鋼の引張試験の実測データから、有限要素法の逆解析を行うことで、Δσを求めることができる。なお、最終的に得られるΔσの値は、初期値に依存しないので、初期値にはどのような値を設定してもよい。 Substituting the obtained values of α and n into equation (5-2), the variables in the equation are the stress σ and strain ε of the duplex steel and the second stress Δσ. Since the stress σ and the strain ε of the dual-phase steel can be specified from the actual measurement data of the tensile test of the dual-phase steel, the only variables in practice are the second stress Δσ. Therefore, the arithmetic circuit 21 sets an appropriate initial value (for example, 200 MPa) for the second stress Δσ, and performs reverse analysis of the finite element method from the actual measurement data of the duplex steel tensile test to obtain Δσ. be able to. Since the value of Δσ finally obtained does not depend on the initial value, any value may be set as the initial value.

演算回路21は、得られた第2の応力Δσを式(10)に代入することにより、第1の応力σを求められる。これにより、演算回路21は、応力-ひずみ曲線の応力σを、フェライト相が負担している第1の応力σとマルテンサイト相が負担している第2の応力Δσとに分けることができる。 The arithmetic circuit 21 obtains the first stress σ1 by substituting the obtained second stress Δσ into the equation (10). As a result, the arithmetic circuit 21 can divide the stress σ of the stress-strain curve into the first stress σ 1 borne by the ferrite phase and the second stress Δσ borne by the martensite phase. .

このように、変数が第2の応力Δσの1つとなるように処理することにより、演算回路21は、有限要素法の逆解析にかかる計算負荷を減らすことができる。演算回路21は、例えば、Swift則の式(5)におけるフェライト相の固有定数αおよび加工硬化指数nも、第2の応力Δσと同様に変数として取り扱ったまま、有限要素法の逆解析を行うことも可能である。しかしながら、複数の変数の組み合わせの中から、一義的にその組み合わせを決定することは容易ではない。したがって、第2の応力Δσのみを変数とすることにより、演算回路21は、比較的容易にΔσを逆解析で特定することができる。 In this way, by processing the variable to be one of the second stresses Δσ, the arithmetic circuit 21 can reduce the calculation load on the inverse analysis of the finite element method. The arithmetic circuit 21 performs inverse analysis of the finite element method while also treating the intrinsic constant α of the ferrite phase and the work hardening exponent n in the Swift's law equation (5) as variables in the same manner as the second stress Δσ. is also possible. However, it is not easy to uniquely determine the combination of multiple variables. Therefore, by using only the second stress Δσ as a variable, the arithmetic circuit 21 can relatively easily identify Δσ by inverse analysis.

演算回路21は、式(8)を以下の式(11)ように変形し、上記のように求めた第2の応力Δσを代入することにより、マルテンサイト相の降伏応力σyHPを求めることができる。なお、上述しているとおり、マルテンサイト相の体積分率の値の6%は、一例であり、これに限定されない。
σyHP=Δσ/(マルテンサイト相の体積分率)
=Δσ/0.06 (11)
The arithmetic circuit 21 transforms the equation (8) into the following equation (11), and substitutes the second stress Δσ obtained as described above to obtain the yield stress σ yHP of the martensite phase. can. As described above, the value of the martensite phase volume fraction of 6% is just an example, and the value is not limited to this.
σ yHP =Δσ/(volume fraction of martensite phase)
=Δσ/0.06 (11)

次に、演算回路21は、上記のように求めたフェライト相の降伏応力σySP、加工硬化指数n、およびフェライト相の固有定数αを用いて、フェライト相の応力-ひずみ曲線を計算によって求める。フェライト相の応力-ひずみ曲線はSwift則の式(5)のσySP、α、nに、上記のようにして得られた値を代入することにより描くことができる。 Next, the arithmetic circuit 21 calculates the stress-strain curve of the ferrite phase using the yield stress σ ySP of the ferrite phase, the work hardening exponent n, and the intrinsic constant α of the ferrite phase obtained as described above. The stress-strain curve of the ferrite phase can be drawn by substituting the values obtained as described above for σ ySP , α, and n in equation (5) of Swift's law.

次に、演算回路21は、上記のようにして求めたマルテンサイト相の降伏応力σyHPを用いて、マルテンサイト相の応力-ひずみ曲線を計算によって求める。マルテンサイト相は弾完全塑性体とみなせるため、応力-ひずみ曲線は図9に示すような形の応力-ひずみ曲線となる。弾性域では、応力σはひずみεに比例し、塑性域では、応力σはひずみεの値にかかわらず一定となる。弾性域における応力とひずみは、以下の式(12)の関係を満たす。
応力=ヤング率×ひずみ (12)
Next, the arithmetic circuit 21 obtains the stress-strain curve of the martensite phase by calculation using the yield stress σ yHP of the martensite phase obtained as described above. Since the martensite phase can be regarded as an elastic perfect plastic body, the stress-strain curve becomes a stress-strain curve of the form shown in FIG. In the elastic region the stress σ is proportional to the strain ε, and in the plastic region the stress σ is constant regardless of the value of the strain ε. The stress and strain in the elastic region satisfy the relationship of Equation (12) below.
Stress = Young's modulus x Strain (12)

したがって、マルテンサイト相において、弾性域と組成域との境界となる点(降伏点YP)における応力(降伏応力σyHP)とひずみ(降伏ひずみεyHP)は、以下の式(13)により求めることができる。なお、マルテンサイト相のヤング率は、公知の値を用いることができ、例えば、200GPa程度である。
σyHP=マルテンサイト相のヤング率×εyHP (13)
Therefore, in the martensite phase, the stress (yield stress σ yHP ) and strain (yield strain ε yHP ) at the boundary point (yield point YP) between the elastic region and the composition region can be obtained by the following equation (13). can be done. A known value can be used for the Young's modulus of the martensite phase, and is, for example, about 200 GPa.
σ yHP =Young's modulus of martensite phase×ε yHP (13)

これらに基づいて、マルテンサイト相の応力-ひずみ曲線を作成すると、降伏点YPまでは、傾きが「マルテンサイト相のヤング率」である直線となり、降伏点YPを超えると、応力が「降伏応力σyHP」で一定となる、図9に示すグラフが得られる。 Based on these, when the stress-strain curve of the martensite phase is created, up to the yield point YP, it becomes a straight line whose slope is the "Young's modulus of the martensite phase". A graph shown in FIG. 9 is obtained, which is constant at σ yHP .

以上のように、演算回路21は、フェライト相の応力-ひずみ曲線、およびマルテンサイト相の応力-ひずみ曲線を取得することができる。上記するように、当該手法は、フェライト相およびマルテンサイト相で構成される二相鋼に限定されず、任意の軟質相および硬質相によって構成される二相鋼に用いることができる。 As described above, the arithmetic circuit 21 can acquire the stress-strain curve of the ferrite phase and the stress-strain curve of the martensite phase. As noted above, the technique is not limited to duplex steels composed of ferritic and martensitic phases, but can be used for duplex steels composed of any soft and hard phases.

(FEM解析および損傷判定による処理)
解析処理にて実行されるFEM解析および損傷判定処理によって行われる損傷判定および損傷判定における処理について説明する。FEM解析で用いられるミクロ要素剛性方程式は、以下の式(14)で表される。ここでx(xは、xの上部にドット符号)は、各節点における特性変位、F(Fは、Fの上部にドット符号)は、各節点に対する節点荷重を表す。
(Processing by FEM analysis and damage determination)
The damage determination and damage determination processing performed by the FEM analysis and the damage determination processing executed in the analysis processing will be described. A micro-element stiffness equation used in FEM analysis is represented by the following equation (14). Here, x (x is a dot code above x) represents a characteristic displacement at each node, and F (F is a dot code above F) represents a nodal load for each node.

Figure 2023005229000002
Figure 2023005229000002

式(14)に関して、[K]、{x}、{F}は、それぞれ以下の式(15)~(17)で表される。 Regarding the formula (14), [K], {x}, and {F} are represented by the following formulas (15) to (17), respectively.

Figure 2023005229000003
Figure 2023005229000003

Figure 2023005229000004
Figure 2023005229000004

Figure 2023005229000005
Figure 2023005229000005

ここで[B]は、変位速度-変形速度を関連付けるマトリクスである。[B]は、変位速度-速度勾配を関連付けるマトリクスである。[Cep]は、ミクロ弾塑性構成則マトリクス、[σ]は、幾何学的非線形に起因する応力マトリクスである。これらは、3次元問題では具体的には次の式(18)~(21)で表される。 Here, [B D ] is a matrix that associates displacement velocity-deformation velocity. [B L ] is a matrix relating displacement velocity-velocity gradient. [C ep ] is the microelastic-plastic constitutive law matrix, and [σ L ] is the stress matrix due to geometric nonlinearity. These are specifically represented by the following equations (18) to (21) in a three-dimensional problem.

Figure 2023005229000006
Figure 2023005229000006

Figure 2023005229000007
Figure 2023005229000007

Figure 2023005229000008
Figure 2023005229000008

Figure 2023005229000009
Figure 2023005229000009

ここでNは、節点iに関する形状関数を示す。式(17)の右辺内の{j}は、j成分のみが1であり、かつ他成分がゼロの列ベクトルである。式(21)の右辺内のIは、3×3の単位行列である。式(15)は、弾塑性剛性マトリクスであり、式(17)で与えられる6つの変形モードに対応する荷重速度ベクトルを別途計算できれば、通常のFEMソルバー(すなわちソフトウェア)を用いてミクロ構造の特性変位速度の算出が可能となる。なお、式(14)を解く際の幾何学的境界条件として、周期境界条件を与える必要があり、MPC(多点拘束)機能が必要である。式(15)で表される弾塑性剛性マトリクスおよび式(17)で表される荷重速度ベクトルを算出する際は、全ての既知の諸量(時刻tにおける諸量)を用いて、静的陽解法によって特性変位速度を求めることとする。 where N i denotes the shape function for node i. {j} in the right side of equation (17) is a column vector in which only the j component is 1 and the other components are zero. I in the right side of Equation (21) is a 3×3 identity matrix. Equation (15) is the elasto-plastic stiffness matrix, and if the load velocity vectors corresponding to the six deformation modes given by Equation (17) can be separately calculated, the microstructural properties can be determined using a regular FEM solver (i.e. software) It becomes possible to calculate the displacement speed. A periodic boundary condition must be given as a geometric boundary condition when solving equation (14), and an MPC (multipoint constraint) function is required. When calculating the elastoplastic stiffness matrix represented by the formula (15) and the load velocity vector represented by the formula (17), using all known quantities (various quantities at time t), static explicit method The characteristic displacement velocity is obtained by

上記しているように解析処理は、マクロ構造有限要素モデルに対してFEM解析を実行することで取得したマクロひずみの履歴をマクロひずみ増分としてミクロ組織有限要素モデルに与えることで、金属材料の変形挙動のシミュレーションを行う。例えば、解析処理は、一軸引張相当のマクロひずみ増分の6成分をミクロ組織有限要素モデルに与える。引張方向を11方向、11方向に直交する方向を22方向および33方向とすると、解析処理は、11成分:22成分:33成分:12成分:23成分:31成分=1:-0.5:-0.5:0:0:0となるような比率のひずみ増分を全積分点に与えてもよい。なお、12成分、23成分および31成分は、せん断成分を意味する。比率は上記に限定されない。例えば、解析処理は、マクロ構造有限要素モデルに対して与える変形場を、一軸引張ではなく多軸ひずみ場とする場合、上記した比率とは異なる比率のひずみ増分を全積分点に与えてFEM解析を実行することができる。 As described above, the analysis process is performed by applying the macro strain history obtained by executing the FEM analysis on the macro structure finite element model as a macro strain increment to the micro structure finite element model, so that deformation of the metal material Simulate behavior. For example, the analysis process provides a microstructure finite element model with six components of macro strain increments equivalent to uniaxial tension. Assuming that the tensile direction is the 11th direction and the directions orthogonal to the 11th direction are the 22nd and 33rd directions, the analysis processing is as follows: 11 components: 22 components: 33 components: 12 components: 23 components: 31 components = 1: -0.5: A ratio of strain increments such as −0.5:0:0:0 may be applied to all integration points. The 12th, 23rd and 31st components mean shear components. The ratio is not limited to the above. For example, in the analysis process, when the deformation field given to the macrostructure finite element model is a multiaxial strain field instead of a uniaxial tension, FEM analysis is performed by giving a strain increment of a ratio different from the above ratio to all integration points can be executed.

上記しているように損傷判定処理にてある積分点にて損傷が発生したと判定した場合、解析処理は、要素剛性の計算式を変更して、FEM解析を行う。例えば、解析処理は、式(15)における[σ]を全成分ゼロにし、[Cep]の値を初期値の1/100の値に変更する。これにより、解析処理は、損傷が発生したと判定された積分点に関して、応力を開放し、要素剛性を1/100に低下させた状態で、FEM解析を実行することができる。これにより、解析処理は、各積分点における損傷の発生を加味したFEM解析を行うことができる。変更後の[Cep]の値は、上記数値に限定されず、任意の値、例えば初期値の1/50以下にすることができる。より具体的には、[Cep]の値は1/50、1/200、1/500、1/1000、ゼロ等に変更され得る。 As described above, when it is determined in the damage determination process that damage has occurred at a certain integration point, the analysis process changes the calculation formula for the element stiffness and performs FEM analysis. For example, in the analysis processing, all components of [σ L ] in Equation (15) are set to zero, and the value of [C ep ] is changed to 1/100 of the initial value. As a result, the analysis process can perform FEM analysis with the stress released and the element stiffness reduced to 1/100 with respect to the integration point where it is determined that damage has occurred. As a result, the analysis processing can perform FEM analysis taking into consideration the occurrence of damage at each integration point. The value of [C ep ] after change is not limited to the above numerical value, and can be any value, for example, 1/50 or less of the initial value. More specifically, the value of [C ep ] can be changed to 1/50, 1/200, 1/500, 1/1000, zero, and so on.

[実施例]
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。すなわち、以下では軟質相であるフェライト相と硬質相であるマルテンサイト相の二相で構成される二相鋼を用いた実施例を示しているが、これに限定されない。また、以下ではマクロ構造有限要素モデルに対して与える変形場を、一軸引張により与えているがこれに限定されない。また、以下で損傷の有無を判定するための基準としてある関数で表される損傷クライテリアを与えているが、これに限定されない。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited by the following examples, and can be implemented with appropriate modifications within the scope that can match the spirit described above and below. subsumed in That is, although the examples using the duplex steel composed of the two phases of the ferrite phase as the soft phase and the martensite phase as the hard phase are shown below, the present invention is not limited to this. Moreover, although the deformation field given to the macrostructure finite element model is given by uniaxial tension below, it is not limited to this. In addition, although damage criteria represented by a certain function are given below as criteria for determining the presence or absence of damage, the present invention is not limited to this.

本実施例では、複相材料として、フェライト相とマルテンサイト相の二相で構成される二相鋼を対象とし、この二相鋼に基づいて作成した有限要素モデルに基づいて、金属材料の損傷の評価を下記の通り行った。 In this example, as a dual-phase material, a dual-phase steel composed of two phases of a ferrite phase and a martensite phase is targeted. was evaluated as follows.

1.複相材料(金属材料)の準備
二相鋼として、C:0.063質量%、Si:0.50質量%、およびMn:1.46質量%(実績)を含む鋼を溶製し、インゴットを得てから鍛造し、熱処理を施して、マルテンサイトとフェライトの二相鋼を用意した。上記二相鋼を用いて、下記の手順によりミクロ組織を模擬したFEM解析用モデルを作成した。
1. Preparation of dual-phase material (metal material) Steel containing 0.063% by mass of C, 0.50% by mass of Si, and 1.46% by mass of Mn (actual results) is melted as a dual-phase steel, and an ingot is obtained. A martensitic and ferritic dual phase steel was prepared by forging after obtaining and heat treating. Using the dual-phase steel, a model for FEM analysis simulating the microstructure was created by the following procedure.

2.金属材料のミクロ組織画像の取得
上記材料を、顕微鏡観察面がおおよそ10mm×10mm程度のサイズに切り出し、ナイタールでエッチングしてから、走査型電子顕微鏡にて倍率1000倍で顕微鏡写真を撮影し、ミクロ組織の画像を取得した。上記材料の顕微鏡写真を図3Aに示す。図3Aにおいて、白色部分は硬質相であるマルテンサイト相を示し、グレー部分は軟質相であるフェライト相を示す。なお図3Aにおいて、該顕微鏡写真の画像解析を行ったところ、硬質相であるマルテンサイトの面積分率は約15%であった。
2. Acquisition of microstructure image of metal material The above material is cut into a size of about 10 mm × 10 mm with a microscopic observation surface, etched with nital, and then photographed with a scanning electron microscope at a magnification of 1000 times. Images of tissues were acquired. A photomicrograph of the above material is shown in FIG. 3A. In FIG. 3A, the white portion indicates the martensite phase, which is the hard phase, and the gray portion indicates the ferrite phase, which is the soft phase. In FIG. 3A, image analysis of the micrograph revealed that the area fraction of martensite, which is a hard phase, was about 15%.

3.ミクロ組織有限要素モデルの作成
次に、評価システム1の演算回路21にモデル作成処理を実行させて、FEM解析に使用するミクロ組織有限要素モデルを作成するために上記材料のミクロ組織の画像を模したメッシュモデルを作成した。メッシュモデルは、上述のステップ110と同様の方法で作成され得る。本実施例では、ステップ110に記載したモデルと同様、メッシュモデルは、4節点アイソパラメトリック要素を設定して、総要素数が40,279、総節点数が40,507の2Dモデルで作成されている。演算回路21にモデル作成処理を実行させることで、当該2Dモデルに対して、画像の奥行き方向へ1層分拡張し、8節点アイソパラメトリック要素により総要素数が40,279、総節点数が81,014の3Dモデルを作成した。
3. Creation of microstructure finite element model Next, the arithmetic circuit 21 of the evaluation system 1 is caused to execute a model creation process to simulate an image of the microstructure of the material in order to create a microstructure finite element model to be used for FEM analysis. A mesh model was created. A mesh model may be created in a manner similar to step 110 described above. In this example, similar to the model described in step 110, the mesh model was created as a 2D model with a total number of elements of 40,279 and a total number of nodes of 40,507 by setting 4-node isoparametric elements. there is By causing the arithmetic circuit 21 to execute the model creation process, the 2D model is expanded by one layer in the depth direction of the image, and the total number of elements is 40,279 and the total number of nodes is 81 with 8-node isoparametric elements. , 014 was created.

なお、作成された2Dのメッシュモデルは、硬質相であるマルテンサイトに対応する領域の面積分率が、約15%となるように作成されている。同様に、3Dのメッシュモデルは、硬質相であるマルテンサイトに対応する領域の体積分率が、約15%となるように作成されている。 The created 2D mesh model is created so that the area fraction of the region corresponding to martensite, which is the hard phase, is approximately 15%. Similarly, a 3D mesh model is created such that the volume fraction of the region corresponding to the hard phase martensite is approximately 15%.

4.材料特性の取得および損傷クライテリアを設定
次に、評価システム1の演算回路21にパラメータ設定処理を実行させて、金属材料を構成する各相に関する各材料特性を取得した。各相のヤング率およびポアソン比は、公知の値を用い、フェライト相のヤング率を206GPa、ポアソン比を0.3とし、マルテンサイト相のヤング率を206GPa、ポアソン比を0.3として設定した。また、応力-ひずみ曲線として、Swift則の式(22)で表現される曲線データを与えた。フェライト相およびマルテンサイト相に関する応力とひずみとの関係は、次の式(22)で表すことができる。ここで、σは、相当塑性ひずみがεとなった際の各相の降伏応力(後続降伏応力)である。σは、各相の初期降伏応力(相当塑性ひずみが零の際の降伏応力)である。εは、相当塑性ひずみである。aは、各相に固有の定数である。nは、各相の加工硬化指数である。上記手法により、各相に関するパラメータを算出し、パラメータ設定処理により材料特性として入力した。本実施例において、フェライト相に関する各パラメータは、σ=230MPa、a=7×10-3、n=0.23と算出された。マルテンサイト相に関する各パラメータは、σ=2100MPa、a=1×10-5、n=0.015と算出された。
σ=σ(1+ε/a) (22)
4. Acquisition of Material Properties and Setting of Damage Criteria Next, the arithmetic circuit 21 of the evaluation system 1 was caused to execute a parameter setting process to acquire material properties of each phase constituting the metal material. Known values were used for the Young's modulus and Poisson's ratio of each phase, and the Young's modulus of the ferrite phase was set to 206 GPa and the Poisson's ratio to 0.3, and the Young's modulus of the martensite phase was set to 206 GPa and the Poisson's ratio of 0.3. . Also, as a stress-strain curve, curve data expressed by Swift's law equation (22) was given. The relationship between stress and strain for ferrite and martensite phases can be expressed by the following equation (22). Here, σy is the yield stress (subsequent yield stress) of each phase when the equivalent plastic strain becomes εp . σ 0 is the initial yield stress of each phase (the yield stress when the equivalent plastic strain is zero). ε p is the equivalent plastic strain. a is a constant specific to each phase. n is the work hardening index of each phase. Parameters for each phase were calculated by the above method and input as material properties by parameter setting processing. In this example, each parameter regarding the ferrite phase was calculated as σ 0 =230 MPa, a=7×10 −3 , and n=0.23. Parameters for the martensite phase were calculated as σ 0 =2100 MPa, a=1×10 −5 , n=0.015.
σ y0 (1+ε p /a) n (22)

また、演算回路21にパラメータ設定処理を実行させて金属材料を構成する各相に関して損傷クライテリアを設定した。式(1)、(2)に基づいて、フェライト相に関しては式(23)を満たした場合、マルテンサイト相に関しては式(24)を満たした場合、当該積分点に関する組織が損傷したと判定するように損傷クライテリアを設定した。ここで、εpは、相当塑性ひずみである。ηは、応力三軸度である。εpおよびηは、後述するFEM解析によって算出された各積分点に関する相当塑性ひずみおよび応力三軸度が入力される。
εp(η+4.5)>5 (23)
εp(η+1.4)>2.2 (24)
Also, the arithmetic circuit 21 was caused to execute parameter setting processing to set damage criteria for each phase constituting the metal material. Based on the formulas (1) and (2), when the ferrite phase satisfies the formula (23) and the martensite phase satisfies the formula (24), it is determined that the structure related to the integration point is damaged. We set the damage criteria as follows. where ε p is the equivalent plastic strain. η is the stress triaxiality. For ε p and η, the equivalent plastic strain and stress triaxiality for each integration point calculated by FEM analysis, which will be described later, are input.
ε p (η+4.5)>5 (23)
ε p (η+1.4)>2.2 (24)

5.マクロ構造有限要素モデルの作成
次に、演算回路21にモデル作成処理を実行させて、マクロ構造有限要素モデルを作成した。図11は、マクロ構造有限要素モデルとミクロ組織有限要素モデルとの関係を示す模式図である。図11(a)は、マクロ構造有限要素モデルの模式図である。図11(b)は、ミクロ組織有限要素モデルを周期的に配置した模式図である。図11(c)は、ミクロ組織有限要素モデルの一例である。図11(b)に示す模式図は、図11(c)に示すミクロ組織有限要素モデルが周期的に配置されて、構成されている様子を示す。また、図11(b)は、図11(a)の一部の領域に対応し、マクロ構造有限要素モデルの一部の領域とミクロ組織有限要素モデルを周期的に配置した領域とが対応していることを示す。
5. Creation of Macro Structure Finite Element Model Next, the arithmetic circuit 21 was caused to execute model creation processing to create a macro structure finite element model. FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the macrostructure finite element model and the microstructure finite element model. FIG. 11(a) is a schematic diagram of a macrostructure finite element model. FIG. 11(b) is a schematic diagram in which microstructure finite element models are arranged periodically. FIG. 11(c) is an example of a microstructure finite element model. The schematic diagram shown in FIG. 11(b) shows how the microstructure finite element model shown in FIG. 11(c) is arranged periodically. FIG. 11(b) corresponds to a partial region of FIG. 11(a), and the partial region of the macrostructure finite element model corresponds to the region in which the microstructure finite element model is periodically arranged. indicates that

6.均質材料としての材料特性の取得
次に、演算回路21にパラメータ設定処理を実行させて、マクロ構造有限要素モデルに対してFEM解析を実行するための材料特性を取得し、一様な材料特性としてパラメータを設定した。上述しているように、金属材料で構成されている試験片に対して一軸引張試験を行うことで、金属材料に関する応力-ひずみ曲線を取得した。また、当該一軸引張試験にて、金属材料の降伏応力を取得した。
6. Acquisition of Material Properties as Homogeneous Material Next, the arithmetic circuit 21 is caused to execute parameter setting processing to acquire material properties for executing FEM analysis on the macrostructure finite element model, and as uniform material properties set the parameters. As described above, the stress-strain curves for metallic materials were obtained by subjecting specimens composed of metallic materials to uniaxial tensile tests. Moreover, the yield stress of the metal material was obtained in the uniaxial tensile test.

7.マクロ構造有限要素モデルに対するFEM解析の実行(マクロひずみの履歴の算出)
次に、演算回路に解析処理を実行させて、マクロ構造有限要素モデルを用いてFEM解析を実行した。当該FEM解析では、マクロ構造有限要素モデルに対して、一軸引張試験に相当する荷重または変位条件を与え、マクロ構造有限要素モデルの変形の挙動のシミュレーションを行い、マクロ構造有限要素モデルの変形の履歴を算出した。なお、一軸引張試験における引張方向は、図11(a)に矢印で示す方向と対応している。以下、当該引張方向を適宜「11方向」という。本実施例では、図11(a)に示すように、マクロ構造有限要素モデルの左右方向を11方向とし、引張方向に直交する方向を22方向および33方向としている。なお、本実施例では、図11(a)に示すように境界条件を設定した。具体的には、マクロ構造有限要素モデルの左下端部を完全拘束し、当該モデルの右端、および左下端部を除く左端を11方向に関して拘束した。当該境界条件の下、マクロ構造有限要素モデルに対して11方向に右端部を引っ張るような強制変位を与え、一軸引張試験相当のFEM解析を行うことで、任意の評価領域において所定のマクロひずみを算出した。本実施例では、11成分:22成分:33成分:12成分:23成分:31成分=1:-0.5:-0.5:0:0:0となるような比率のマクロひずみが算出された。そして、一軸引張において設定した荷重ごとに算出されたマクロひずみをマクロひずみの履歴として出力した。なお、以下において「マクロひずみ」とは、特別に記載した場合を除き、上記の11方向に関するひずみを意味する。なお、12成分、23成分および31成分は、せん断成分を意味する。
7. Execution of FEM analysis on macrostructural finite element model (calculation of macro strain history)
Next, the arithmetic circuit was caused to perform analysis processing, and FEM analysis was performed using the macrostructure finite element model. In the FEM analysis, a load or displacement condition equivalent to a uniaxial tensile test is applied to the macrostructural finite element model, the deformation behavior of the macrostructural finite element model is simulated, and the deformation history of the macrostructural finite element model is analyzed. was calculated. The tensile direction in the uniaxial tensile test corresponds to the direction indicated by the arrow in FIG. 11(a). Hereinafter, the pulling direction is appropriately referred to as "11 directions". In this embodiment, as shown in FIG. 11A, the left-right direction of the macrostructure finite element model is the 11th direction, and the directions perpendicular to the tensile direction are the 22nd and 33rd directions. In this example, boundary conditions were set as shown in FIG. 11(a). Specifically, the left lower end of the macrostructure finite element model was fully constrained, and the left end of the model excluding the right end and the left lower end was constrained in 11 directions. Under the boundary conditions, a forced displacement that pulls the right end in 11 directions is applied to the macrostructure finite element model, and an FEM analysis equivalent to a uniaxial tensile test is performed to obtain a predetermined macrostrain in an arbitrary evaluation area. Calculated. In the present embodiment, the ratio macro strain is calculated such that 11 components: 22 components: 33 components: 12 components: 23 components: 31 components = 1: -0.5: -0.5: 0: 0: 0 was done. Then, the macro strain calculated for each set load in the uniaxial tension was output as the macro strain history. In the following description, "macro strain" means strain in the above 11 directions, unless otherwise specified. The 12th, 23rd and 31st components mean shear components.

8.境界条件の設定
次に、ミクロ組織有限要素モデルに与える境界条件を演算回路21にパラメータ設定処理を実行させて設定した。より具体的には、ミクロ組織有限要素モデルが周期的に配置されていると仮定して、擾乱変位成分に対して周期境界条件を与えた。
8. Setting of Boundary Conditions Next, the boundary conditions given to the microstructure finite element model were set by causing the arithmetic circuit 21 to execute parameter setting processing. More specifically, we assume that the microstructure finite element model is arranged periodically and give periodic boundary conditions to the disturbance displacement components.

9.ミクロ組織有限要素モデルに対するFEM解析の実行(相当塑性ひずみおよび応力三軸度の算出)
次に、演算回路21に解析処理を実行させて、作成したミクロ組織有限要素モデルを用いてFEM解析を実行させた。FEM解析では、得られたマクロひずみの履歴を境界値問題の入力情報としてミクロ組織有限要素モデルの全積分点に与えた。そして、マクロひずみの履歴に基づくマクロひずみ増分がミクロ組織有限要素モデルに与えられた際、擾乱変位成分に対する周期境界条件の下で、当該モデルがどのように変形するかシミュレーションにより変形挙動を解析した。それにより、マクロひずみごとに当該モデルの変形挙動として各位置における相当塑性ひずみおよび応力三軸度を算出し、出力した。本実施例では、各位置として、ミクロ組織有限要素モデルの各要素の積分点における値を用いた。
9. Performing FEM analysis on the microstructure finite element model (calculation of equivalent plastic strain and stress triaxiality)
Next, the arithmetic circuit 21 was caused to perform analysis processing, and FEM analysis was performed using the created microstructure finite element model. In the FEM analysis, the obtained macro strain history was given to all integration points of the microstructure finite element model as input information for the boundary value problem. Then, when macro strain increment based on macro strain history is applied to the microstructural finite element model, the deformation behavior of the model is analyzed by simulation to see how the model deforms under periodic boundary conditions for the disturbance displacement component. . As a result, the equivalent plastic strain and stress triaxiality at each position were calculated and output as the deformation behavior of the model for each macro strain. In this example, as each position, the value at the integration point of each element of the microstructure finite element model was used.

10.ミクロ組織有限要素モデルの各積分点での損傷判定およびFEM解析の続行
次に、演算回路21に損傷判定処理を実行させて、あるマクロひずみ増分にてFEM解析を行った際に算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度に基づいて、各積分点に損傷が発生したか判定させた。損傷を判定するための損傷クライテリアは、上記しているように、式(1)および(2)で与えられる。本実施例では、式(23)、(24)に示すように、フェライト相に関してA=4.5、fcr=5として、マルテンサイト相に関してA=1.4、fcr=2.2として各積分点を構成する相に基づいて、損傷の有無を判定した。すなわち、ある積分点において算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度を式(1)、(2)に代入し、f≦fcrの場合、当該積分点に損傷が発生していないと判定する。f>fcrの場合、当該積分点に損傷が発生したと判定する。本実施例では、f=fcrとなった積分点に関して、損傷は発生していないと判定したが、これに限定されず、f=fcrのとなった積分点に関して、損傷が発生していると判定してもよい。ある積分点に関して損傷が発生したと判定した場合、演算回路21により、当該積分点の応力を開放し、要素剛性を初期値の1/100まで下げた。そして、マクロひずみ増分を増加させて、さらにFEM解析を実行した。
10. Continuation of damage determination and FEM analysis at each integration point of the microstructure finite element model Based on plastic strain and stress triaxiality, it was determined whether damage had occurred at each integration point. Damage criteria for determining damage are given by equations (1) and (2), as described above. In this example, as shown in formulas (23) and (24), A = 4.5 and f cr = 5 for the ferrite phase, and A = 1.4 and f cr = 2.2 for the martensite phase. The presence or absence of damage was determined based on the phases constituting each integration point. That is, the equivalent plastic strain and stress triaxiality calculated at a certain integration point are substituted into formulas (1) and (2), and if f i ≤ f cr , it is determined that no damage has occurred at that integration point. do. If f i >f cr , it is determined that damage has occurred at the integration point. In the present embodiment, it is determined that no damage has occurred with respect to the integration point where f i =f cr , but the present invention is not limited to this, and damage has occurred with respect to the integration point where f i =f cr . It may be determined that When it was determined that damage had occurred at a certain integration point, the calculation circuit 21 released the stress at that integration point and lowered the element stiffness to 1/100 of the initial value. Further FEM analysis was then performed with increasing macro strain increments.

ミクロ組織有限要素モデルのひずみが所定の変形率に達する、またはFEM解析による相当塑性ひずみおよび応力三軸度の算出ができなくなるほど、損傷が発生したと判定された積分点が増加すると、FEM解析を終了した。 When the strain in the microstructure finite element model reaches a given deformation rate, or when the integration points at which damage is determined to have occurred increase to such an extent that the equivalent plastic strain and stress triaxiality cannot be calculated by the FEM analysis, the FEM analysis is performed. finished.

図12Aは、ミクロ組織有限要素モデルに対する上記FEM解析によって算出された応力およびひずみに関して、全積分点における体積平均を計算することで求めた、11方向成分の応力-ひずみ曲線を示す。図12Bは、ミクロ組織有限要素モデルに対するFEM解析において、付与されたひずみに応じて損傷クライテリアに基づいて損傷したと判定されたミクロ組織有限要素モデルの積分点の数の推移を示す。 FIG. 12A shows stress-strain curves of 11 directional components obtained by calculating volume averages at all integration points for the stresses and strains calculated by the above FEM analysis for the microstructure finite element model. FIG. 12B shows changes in the number of integration points of the microstructure finite element model determined to be damaged based on the damage criteria according to the applied strain in the FEM analysis for the microstructure finite element model.

図12Bは、引張方向成分のマクロひずみが約27%を超えた付近から損傷したと判定された積分点の数が急激に増加していることを示す。また、図12Aは、同じく引張方向成分のマクロひずみが約27%を超えた付近から、変形に必要な応力が低下しているため、変形抵抗が低下していること示す。図12Aは、金属材料により構成される試験片に対して行った一軸引張試験により取得された応力-ひずみ曲線の実測データと同様の傾向を再現できている。 FIG. 12B shows that the number of integration points determined to be damaged increases sharply from around when the macrostrain in the tensile direction component exceeds about 27%. Also, FIG. 12A shows that the stress required for deformation decreases from around when the macro strain in the tensile direction exceeds about 27%, and thus the deformation resistance decreases. FIG. 12A reproduces the same trend as the measured data of the stress-strain curve obtained by the uniaxial tensile test performed on the test piece made of the metal material.

図13Aは、当該FEM解析において、30%の引張方向成分のマクロひずみを付与した際にシミュレーションにより算出されたミクロ組織有限要素モデルである。図13Bは、当該FEM解析において、35%の引張方向成分のマクロひずみを付与した際にシミュレーションにより算出されたミクロ組織有限要素モデルである。図13A、13Bそれぞれにおいて、実線の円で囲った領域は、各ミクロ組織有限要素モデルにおいて発生しているマイクロボイドを示す。また、図13Bにおいて、破線の円で囲った領域は、30%のマクロひずみを付与した際に発生していたマイクロボイドが、マクロひずみを増加させることで成長し、複数のマイクロボイドが連結していることを示す。 FIG. 13A is a microstructure finite element model calculated by simulation when a macro strain of 30% in the tensile direction component is applied in the FEM analysis. FIG. 13B is a microstructure finite element model calculated by simulation when applying a macro strain of 35% in the tensile direction component in the FEM analysis. In each of FIGS. 13A and 13B, the solid-line circled regions indicate microvoids occurring in each microstructure finite element model. In FIG. 13B, the area surrounded by the dashed circle shows that the microvoids generated when 30% macro strain is applied grow by increasing the macro strain, and multiple microvoids are connected. indicates that

図12A~図13Bに示されているように、本シミュレーション方法により得られた解析結果は、実験により得られたデータを再現できており、精度良く解析できている。このように、本発明によれば、引張変形中のミクロ組織側の損傷発生と進展に伴うマクロ構造側の引張方向の変形抵抗の低下をシミュレーションで再現可能である。また、ミクロ構造側では、マクロ変形の進行に伴ってミクロ組織の損傷が発生し、それらが連結して進展してく挙動を同時に解析することが可能である。したがって、マクロ構造に関する力学挙動と、ミクロ組織に関する力学挙動、損傷発生および損傷の進展の挙動とを考慮して評価するマルチスケールシミュレーションを実現することができる。 As shown in FIGS. 12A to 13B, the analysis results obtained by this simulation method can reproduce the data obtained by the experiment, and can be analyzed with high accuracy. As described above, according to the present invention, it is possible to reproduce by simulation the decrease in deformation resistance in the direction of tension on the macrostructure side that accompanies the occurrence and progression of damage on the microstructure side during tensile deformation. In addition, on the microstructure side, it is possible to simultaneously analyze the behavior in which microstructural damage occurs as macroscopic deformation progresses, and these damages are linked and propagated. Therefore, it is possible to realize a multi-scale simulation that considers and evaluates the mechanical behavior of the macrostructure, the mechanical behavior of the microstructure, and the behavior of damage initiation and damage progression.

当業者は、このようなシミュレーションを実行させることで、ミクロ組織の損傷発生および進展を加味した変形の進行に伴う材料の特性を予測し、複数の材料で比較して判断することができる。それにより、当業者は、どの材料が要求されている品質や材料特性を満足できるかを解析により予測することができる。また、当業者は、複数の材料のどれがより優れているかを解析により判断することができる。 By executing such a simulation, a person skilled in the art can predict the properties of a material accompanying the progress of deformation taking into account the occurrence and progress of microstructural damage, and make judgments by comparing multiple materials. This allows a person skilled in the art to predict by analysis which material will satisfy the required quality and material properties. Also, those skilled in the art can determine by analysis which of the multiple materials is superior.

近年、金属材料の成分組成と製造プロセスが複雑となりつつあることに伴い、金属材料のミクロ組織のスケールでは、組織や強度の分布(不均質性)が不可避的に発現しやすく、該組織等の不均質性はマクロな強度特性に大きく影響する。更に、上記金属材料で形成の構造体に要求される強度特性は近年ますます厳しくなっている。しかし、本実施形態に係る方法によれば、上記組織等の不均質性の影響を正確に考慮して、実用スケールの構造体(部材)のマクロ強度特性を精度高く評価することができる。 In recent years, as the component composition and manufacturing process of metallic materials have become more complex, on the scale of the microstructure of metallic materials, the distribution (heterogeneity) of the structure and strength inevitably tends to occur. Inhomogeneity greatly affects macroscopic strength properties. Furthermore, the strength characteristics required for structures formed from the above metal materials have become more and more severe in recent years. However, according to the method according to the present embodiment, it is possible to accurately evaluate the macro-strength characteristics of a practical-scale structure (member) by accurately considering the influence of the inhomogeneity of the structure and the like.

本開示の金属材料を含む複相材料の損傷挙動を評価するための損傷シミュレーション方法は、ハードウェア資源、例えば、プロセッサ、メモリ、と、ソフトウェア資源(コンピュータプログラム)との協働などによって実現される。 The damage simulation method for evaluating the damage behavior of multiphase materials including metallic materials of the present disclosure is realized by cooperation of hardware resources, such as processors, memories, and software resources (computer programs). .

本実施形態に係る方法は、より厳しい強度特性の求められる、例えば建築物、船舶、海洋構造物、橋梁、タンク等の構造体を構成する金属材料の開発に有効に活用することができる。 The method according to the present embodiment can be effectively utilized in the development of metal materials that constitute structures such as buildings, ships, offshore structures, bridges, tanks, etc., which require stricter strength characteristics.

1 評価システム
10 撮影装置
11 撮影部
12 通信回路
20 制御装置
21 演算回路
22 記憶装置
23 入出力装置
24 通信回路
REFERENCE SIGNS LIST 1 evaluation system 10 imaging device 11 imaging unit 12 communication circuit 20 control device 21 arithmetic circuit 22 storage device 23 input/output device 24 communication circuit

Claims (5)

演算回路を用いて金属材料を含む強度特性の異なる複数の相で構成される複相材料の損傷挙動を評価するための損傷シミュレーション方法であって、演算回路が、
前記複相材料の組織観察結果に基づくミクロ解析対象のミクロ組織有限要素モデルを作成する工程と、
前記複相材料を構成する相毎に異なる強度特性および損傷クライテリアを設定し取得する工程と、
前記複相材料のマクロな領域を解析対象とするマクロ構造有限要素モデルを作成し、均質材であると仮定して前記マクロ構造有限要素モデルを用いて有限要素解析を実行し、評価対象領域の変形履歴を算出する工程と、
前記変形履歴を前記ミクロ組織有限要素モデルの各積分点に付与して均質化法に基づく有限要素解析により、前記ミクロ組織有限要素モデルの変形挙動を算出する工程と、
前記変形挙動と前記損傷クライテリアとを比較することで損傷判定を行う工程と、
前記損傷判定により、前記ミクロ組織有限要素モデル内で損傷発生と判定された積分点では応力を開放し、要素剛性をゼロまたは所定値まで下げる工程と、
を実行する、損傷シミュレーション方法。
A damage simulation method for evaluating the damage behavior of a multi-phase material composed of a plurality of phases having different strength properties, including a metallic material, using an arithmetic circuit, the arithmetic circuit comprising:
creating a microstructure finite element model for microanalysis based on the structure observation results of the multiphase material;
setting and obtaining different strength characteristics and damage criteria for each phase constituting the multiphase material;
A macro structural finite element model is created for the macro region of the multiphase material to be analyzed, and assuming that it is a homogeneous material, finite element analysis is performed using the macro structural finite element model, and the evaluation target region is a step of calculating a deformation history;
a step of applying the deformation history to each integration point of the microstructure finite element model and calculating the deformation behavior of the microstructure finite element model by finite element analysis based on a homogenization method;
a step of determining damage by comparing the deformation behavior with the damage criteria;
a step of releasing the stress at the integration point determined to cause damage in the microstructure finite element model by the damage determination, and reducing the element stiffness to zero or a predetermined value;
damage simulation method.
前記損傷クライテリアは、相当塑性ひずみおよび応力三軸度の関数である、請求項1に記載の損傷シミュレーション方法。 2. The damage simulation method of claim 1, wherein the damage criteria are functions of equivalent plastic strain and stress triaxiality. 前記損傷判定は、前記ミクロ組織有限要素モデルの特定の積分点における前記損傷挙動として算出された相当塑性ひずみおよび応力三軸度に基づいて算出される値が、前記損傷クライテリアより大きい場合、前記特定の積分点に関して損傷発生と判定する、請求項2に記載の損傷シミュレーション方法。 In the damage determination, if the value calculated based on the equivalent plastic strain and stress triaxiality calculated as the damage behavior at a specific integration point of the microstructure finite element model is greater than the damage criteria, the specific 3. The damage simulation method according to claim 2, wherein damage occurrence is determined with respect to an integration point of . 前記所定値は、前記要素剛性の初期値の1/50以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の損傷シミュレーション方法。 4. The damage simulation method according to any one of claims 1 to 3, wherein said predetermined value is 1/50 or less of the initial value of said element stiffness. 前記複相材料は金属材料である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の損傷シミュレーション方法。 5. A damage simulation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the multi-phase material is a metallic material.
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