JPWO2015037067A1 - Ductile fracture evaluation system and ductile fracture evaluation method - Google Patents

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Abstract

構造物の一部分や任意形状の欠陥を有する構造物を対象とした延性破壊評価システムを提供する。本発明は,入力部と,第一試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第一記憶部と,前記第一試験片と形状が異なる第二試験試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第二記憶部と,前記第一試験片における試験を模擬した数値解析結果から前記入力部から受信した材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第一数値解析部と,前記第二試験片における試験を模擬した数値解析結果から前記材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第二数値解析部と,前記第一及び第二記憶部に記憶する荷重及び変位関係と前記第一及び第二数値解析部での試験を模擬した数値解析である荷重及び変位関係とから,同時確率を用いた数理統計処理により,前記破壊を表現する構成式の材料定数を同定することを特徴とする。Provided is a ductile fracture evaluation system for a structure having a part of a structure or a defect having an arbitrary shape. The present invention includes an input unit, a first storage unit that stores a load and displacement relationship that is a test result of a first test piece, and a load that is a test result of a second test test piece having a shape different from that of the first test piece. And a second storage unit for storing the displacement relationship, and a first numerical analysis unit for obtaining a plurality of load and displacement relationships corresponding to the material constants received from the input unit from a numerical analysis result simulating the test on the first test piece A second numerical analysis unit for obtaining a plurality of loads and displacement relationships corresponding to the material constants from a numerical analysis result simulating a test on the second test piece, and a load stored in the first and second storage units, and From the displacement relationship and the load and displacement relationship, which is a numerical analysis simulating the tests in the first and second numerical analysis units, the material constants of the constitutive equation expressing the fracture are expressed by mathematical statistical processing using the joint probability. Specially identified To.

Description

本発明は,構造材料の破壊形態の一つである延性破壊を数値解析を用いて評価する延性破壊評価システム及び延性破壊評価方法に関する。   The present invention relates to a ductile fracture evaluation system and a ductile fracture evaluation method for evaluating ductile fracture, which is one of fracture modes of a structural material, using numerical analysis.

発電プラントや化学プラント,輸送機器や建設機器など各種構造物を構成する金属材料が負荷を受けることにより破壊する際の破壊荷重や破壊形態を求める終局強度評価は,過酷事象発生時における健全性評価や実耐力評価のために重要である。高炭素鋼や鋳鉄を除く構造用金属材料の破壊形態の一つとして延性破壊があり,実用構造材料の終局強度を評価する上では,延性破壊による破壊荷重の算出や破壊形態の評価が必要となる。金属材料の破壊荷重の算出に関連して,例えば特許文献1に記載の技術が知られている。   Ultimate strength evaluation to determine the breaking load and breaking mode when metal materials constituting various structures such as power plants, chemical plants, transportation equipment and construction equipment are damaged by load is a soundness evaluation at the time of severe event occurrence It is important for the evaluation of actual strength. Ductile fracture is one of the failure modes of structural metal materials excluding high carbon steel and cast iron. To evaluate the ultimate strength of practical structural materials, it is necessary to calculate the failure load due to ductile failure and to evaluate the failure mode. Become. For example, a technique described in Patent Document 1 is known in connection with calculation of the fracture load of a metal material.

特許文献1には,一軸方向からの引張荷重,又は荷重方向の異なる引張荷重と圧縮荷重とを受ける使用材料を破壊試験することにより計測した使用材料の破壊限界における限界界面応力と,この使用材料の加工条件に基づいて実施する数値解析で得られた使用材料の破壊時における最大界面応力とを求め,この破壊時における最大界面応力と前記破壊限界における限界界面応力とを比較し,最大界面応力が限界界面応力よりも小さくなるような前記加工条件を導出して,同一の使用材料における加工条件を導出することが記載されている。   Patent Document 1 discloses the critical interface stress at the fracture limit of the material used, which was measured by performing a destructive test on the material subjected to tensile load from a uniaxial direction or tensile load and compressive load with different load directions. The maximum interfacial stress at the time of fracture of the material used was obtained by numerical analysis performed based on the machining conditions of the above, and the maximum interfacial stress at the time of fracture was compared with the limit interfacial stress at the fracture limit. It is described that the above-mentioned machining conditions are derived so as to be smaller than the critical interface stress, and the machining conditions for the same material used are derived.

一方,破壊を表現する構成式を用いた数値解析による延性破壊の評価手法として,材料の塑性変形および破壊は,材料内部の微視的な欠陥を起点とする微小ボイドの発生と成長により進行するとした修正Gursonモデル(以下GTNモデル:Gurson Tvergaard Needlemanモデル)を用いた評価手法が知られている。GTNモデルには,材料定数が複数存在しており,構成式の材料定数同定に関連して,例えば非特許文献1に記載の技術がある。   On the other hand, as a method of evaluating ductile fracture by numerical analysis using a constitutive equation expressing fracture, plastic deformation and fracture of a material proceed as a result of the generation and growth of microvoids originating from microscopic defects inside the material. An evaluation method using the modified Gurson model (hereinafter referred to as GTN model: Gurson Tvergaard Needleman model) is known. There are a plurality of material constants in the GTN model, and there is a technique described in Non-Patent Document 1, for example, in connection with identification of material constants of constitutive equations.

特開2005-283130号公報JP 2005-283130 A

野口智弘,他2名,「簡便な実験からのGurson材特性値の同定」,機械学会論文集A編,Vol.69,No.681(2003),pp.13-23Tomohiro Noguchi and two others, “Identification of Gurson material property values from simple experiments”, Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol.69, No.681 (2003), pp.13-23

特許文献1に記載の技術において,任意形状の構造物や欠陥が存在する場合の評価方法は開示されておらず,薄板平板のみを対象としている。また,数値解析により最大界面応力を求めることが記載されているが,その詳細は開示されていない。従って,特許文献1に記載の技術によっては任意形状構造物の延性破壊評価を行うことは困難である。   In the technique described in Patent Document 1, an evaluation method in the case where a structure or a defect having an arbitrary shape exists is not disclosed, and only a thin plate is targeted. Further, although it is described that the maximum interface stress is obtained by numerical analysis, details thereof are not disclosed. Therefore, it is difficult to perform ductile fracture evaluation of an arbitrarily shaped structure depending on the technique described in Patent Document 1.

また,非特許文献1に記載のGTNモデルの材料定数同定手法を用いた延性破壊評価では,材料定数の多くに過去の文献値を採用した評価である。また,試験片形状は2つとしているが,それぞれ独立した数理統計処理による材料定数同定のため,応力三軸度が異なる場合を含めて,任意形状構造物の延性破壊評価においては,状況に応じた材料定数の同定が必要な場合も考えられるため,同定手法に改良の余地がある。   In the ductile fracture evaluation using the material constant identification method of the GTN model described in Non-Patent Document 1, the past literature values are adopted for many of the material constants. In addition, there are two specimen shapes, but in order to identify material constants by independent mathematical statistical processing, the ductile fracture evaluation of arbitrarily shaped structures, including the case where the stress triaxiality is different, depends on the situation. There is also room for improvement in the identification method because it may be necessary to identify the material constant.

本発明の目的は,このような課題に対して,延性破壊する任意形状構造物の延性破壊に伴う終局強度を評価する延性破壊評価システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a ductile fracture evaluation system that evaluates the ultimate strength associated with ductile fracture of an arbitrarily shaped structure that undergoes ductile fracture in response to such problems.

本発明は,入力部と,第一試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第一記憶部と,前記第一試験片と形状が異なる第二試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第二記憶部と,前記第一試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から前記入力部から受信した複数の材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第一数値解析部と,前記第二試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から前記複数の材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第二数値解析部と,前記第一及び第二記憶部に記憶する荷重及び変位関係と前記第一及び第二数値解析部での試験を模擬した数値解析である荷重及び変位関係とから,同時確率を用いた数理統計処理により,前記破壊を表現する構成式の材料定数を同定することを特徴とする。   The present invention includes an input unit, a first storage unit that stores a load and displacement relationship that is a test result of the first test piece, a load that is a test result of a second test piece having a shape different from that of the first test piece, and A plurality of material constants received from the input unit from a numerical analysis result using a finite element analysis that implements a constitutive expression that represents a fracture that simulates a test in the first test piece, and a second storage unit that stores a displacement relationship From the numerical analysis results using the first numerical analysis unit for obtaining a plurality of load and displacement relations corresponding to the above and the finite element analysis that implements a constitutive expression that represents a fracture simulating the test in the second test piece Simulates the second numerical analysis unit for obtaining a plurality of load and displacement relationships corresponding to material constants, the load and displacement relationship stored in the first and second storage units, and the test in the first and second numerical analysis units Load that is numerical analysis And a fine displacement relationship, by mathematical statistical processing using the joint probability, and identifying the constitutive equation of the material constants that represent the fracture.

本発明によれば,延性破壊する任意形状構造物の延性破壊に伴う終局強度を評価する延性破壊評価システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ductile fracture evaluation system which evaluates the ultimate strength accompanying the ductile fracture of the arbitrarily-shaped structure to which a ductile fracture can be provided.

GTNモデルにおける破壊進行過程の模式図である。It is a schematic diagram of the destruction progress process in a GTN model. 実施例1の延性破壊評価システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the ductile fracture evaluation system of Example 1. 延性破壊構成式の材料定数同定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the material constant identification method of a ductile fracture constitutive formula. 実施例1の中で使用した平滑丸棒試験片の模式図である。1 is a schematic diagram of a smooth round bar test piece used in Example 1. FIG. 実施例1の中で使用した切欠き付き丸棒試験片の模式図である。2 is a schematic diagram of a round bar test piece with a notch used in Example 1. FIG. 実施例1の平滑丸棒試験片の引張試験で得られた応力−塑性ひずみ関係である。It is the stress-plastic strain relationship obtained by the tensile test of the smooth round bar test piece of Example 1. 試験模擬の数値解析で用いる軸対称要素を用いた解析モデルである。This is an analysis model using axisymmetric elements used in numerical simulation of test simulation. ボイド発生に関する材料定数同定に対する試験模擬の数値解析に用いる材料定数一覧表である。It is a material constant list used for the numerical analysis of the test simulation with respect to material constant identification regarding void generation. ボイド発生に関する材料定数27通りの組合せの試験模擬の数値解析結果である。It is the numerical analysis result of the test simulation of the combination of 27 material constants regarding void generation. εN=0.00082におけるP(x|y1,y2)の逆解析結果である。This is a result of inverse analysis of P (x | y 1 , y 2 ) when ε N = 0.00082. 補正係数に関する材料定数同定に対する試験模擬の数値解析に用いる材料定数一覧表である。It is a material constant list used for the numerical analysis of the test simulation with respect to the material constant identification regarding a correction coefficient. 補正係数に関する材料定数9通りの組合せの試験模擬の数値解析結果である。It is the numerical analysis result of the test simulation of the combination of nine material constants regarding the correction coefficient. 補正係数に関するP(x|y1,y2)の逆解析結果である。It is an inverse analysis result of P (x | y 1 , y 2 ) regarding the correction coefficient. 補正係数に関する材料定数同定に対する試験模擬の数値解析に用いる材料定数一覧表である。It is a material constant list used for the numerical analysis of the test simulation with respect to the material constant identification regarding a correction coefficient. 損傷に関する材料定数9通りの組合せの試験模擬の数値解析結果である。It is the numerical-analysis result of the test simulation of the combination of nine material constants regarding damage. 同定した材料定数における試験模擬の数値解析結果と試験結果の比較の図である。It is a figure of the comparison of the numerical analysis result of a test simulation, and a test result in the identified material constant. 実施例2における延性破壊評価システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the ductile fracture evaluation system in Example 2. FIG. 本発明を実装したコンピュータシステムの説明図である。It is explanatory drawing of the computer system which mounted this invention.

以下,図面を参照して,本発明の実施例を示す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の延性破壊評価システムは,各種構造物を構成する材料が延性破壊する際の破壊荷重や破壊形態を数値解析により求めるものである。また,構造物の一部にき裂状欠陥を有する場合についても同様に破壊荷重や破壊形態の評価が可能となる。すなわち,図1に示したように構造物を構成する材料1が破壊荷重以上の負荷3で引張られると微小ボイド2(局所的な減肉や欠陥)が進展して構造材料が破壊する。このような破壊挙動を数値解析により評価する本発明のシステムは,延性破壊が想定される構造物の評価に対して適用される。構造物の破壊荷重や破壊挙動を求めることは,過酷事象発生時における健全性評価や構造物の実耐力評価のために重要である。   The ductile fracture evaluation system of the present invention obtains a fracture load and a fracture mode by numerical analysis when materials constituting various structures undergo a ductile fracture. In addition, in the case where a part of the structure has a crack-like defect, it is possible to evaluate the fracture load and the fracture mode. That is, as shown in FIG. 1, when the material 1 constituting the structure is pulled with a load 3 equal to or greater than the breaking load, the microvoids 2 (local thinning and defects) develop and the structural material is destroyed. The system of the present invention for evaluating such fracture behavior by numerical analysis is applied to the evaluation of a structure that is supposed to be ductile fracture. Determining the fracture load and behavior of a structure is important for evaluating the soundness of a severe event and evaluating the actual strength of the structure.

延性破壊評価システムにおいて,破壊荷重や破壊形態を求めるには試験を模擬した数値解析を行う。試験模擬の数値解析には一般的に有限要素解析(以下FEA:Finite Element Analysis)が用いられる。汎用FEAコードには,一般にいくつかの構造材料の破壊を表現する構成式が実装されている。本発明においては,微小ボイドの発生と成長により破壊が進行するとしたGTNモデルを適用した場合を例に説明する。   In the ductile fracture evaluation system, a numerical analysis simulating a test is performed to determine the fracture load and fracture mode. Generally, finite element analysis (hereinafter referred to as FEA) is used for numerical simulation of test simulation. In general-purpose FEA codes, constitutive expressions that express the destruction of some structural materials are generally mounted. In the present invention, a case will be described as an example in which a GTN model in which destruction progresses due to generation and growth of microvoids.

次に,式1に本実施例の延性破壊評価システムにおける処理部での試験模擬の数値解析部に実装される延性破壊構成式であるGTNモデルの降伏関数Φを示す。   Next, Equation 1 shows the yield function Φ of the GTN model, which is a ductile fracture constitutive equation implemented in the numerical simulation unit of the test simulation in the processing unit in the ductile fracture evaluation system of the present embodiment.

Figure 2015037067
ここで,σeqはボイドの影響を含んだ巨視的な相当応力,pは静水圧応力,σyは母材の相当応力である。q1,q2およびq3はTvergaardおよびNeedlemanによって導入された補正係数である。一般的にq3=q1 2で表わされる。f*はボイドを含む材料がボイドの合体によって急速に応力負担能力を失う現象を表現するために,Tvergaardにより提案されたパラメータであり,ボイド体積分率fの関数である。なお,GTNモデルにおいてf=0とした場合は,材料内部にボイドが存在しないことを意味し,等方均質のMisesの降伏条件と一致する。
Figure 2015037067
Here, σ eq is a macroscopic equivalent stress including the influence of voids, p is a hydrostatic pressure stress, and σ y is an equivalent stress of the base material. q 1 , q 2 and q 3 are correction factors introduced by Tvergaard and Needleman. Generally, q 3 = q 1 2 . f * is a parameter proposed by Tvergaard in order to express a phenomenon in which a material containing voids rapidly loses the stress bearing ability due to coalescence of voids, and is a function of the void volume fraction f. Note that when f = 0 in the GTN model, it means that no void exists in the material, which is consistent with the isotropic homogeneous Mises yield condition.

Figure 2015037067
ここで初期ボイド体積分率f,母材の体積分率rとすると,f=0(r=1)は,材料にボイドが存在しないことを意味する。このモデルは,一般にf<0.1(r>0.9)の場合にのみ妥当な結果を与える。
Figure 2015037067
Here, assuming that the initial void volume fraction f and the base material volume fraction r, f = 0 (r = 1) means that no void exists in the material. This model generally gives reasonable results only when f <0.1 (r> 0.9).

Figure 2015037067
Figure 2015037067

式2において,fCはボイドが急速に合体し始める際のボイド体積分率であり,臨界ボイド率と呼ぶ。また,fFは材料が応力負担能力を完全に失う際のボイド体積分率であり限界ボイド率と呼ぶ。ボイド体積分率fが臨界ボイド率fCを上回り,限界ボイド率fF未満の場合(fC<f<fF)は,ボイドの合体などの材料破壊がモデル化される。また,ボイド体積分率fが限界ボイド率fFを上回った場合(f≧fF)は,材料が完全に破壊して,解析モデル上の要素は削除されるように設定することもできる。In Equation 2, f C is the void volume fraction when the voids start to coalesce rapidly, and is called the critical void fraction. F F is the void volume fraction when the material completely loses the stress bearing ability and is called the critical void fraction. When the void volume fraction f exceeds the critical void fraction f C and is less than the critical void fraction f F (f C <f <f F ), material fracture such as void coalescence is modeled. In addition, when the void volume fraction f exceeds the limit void fraction f F (f ≧ f F ), it can be set so that the material is completely destroyed and the element on the analysis model is deleted.

Figure 2015037067
は完全に材料が破壊した時点におけるf*の値であり,以下の式4により表わされる。なお,汎用FEAコードの種類によっては,以下の式5で表わされることもある。
Figure 2015037067
Is the value of f * when the material is completely destroyed, and is expressed by the following equation (4). Depending on the type of general-purpose FEA code, it may be expressed by the following formula 5.

Figure 2015037067
Figure 2015037067

Figure 2015037067
材料中のボイド体積分率は,ボイドの発生および成長によって変化する。すなわち,以下の式6のようにボイド体積分率の時間微分
Figure 2015037067
The void volume fraction in the material changes with the generation and growth of voids. That is, the time derivative of the void volume fraction as shown in Equation 6 below.

Figure 2015037067
は,ボイドの発生および成長によるボイド体積分率の変化
Figure 2015037067
Is the change in void volume fraction due to void generation and growth

Figure 2015037067
および
Figure 2015037067
and

Figure 2015037067
の和で表わされる。
Figure 2015037067
It is expressed as the sum of

Figure 2015037067
ここで,ボイドの成長によるボイド体積率の変化
Figure 2015037067
Here, change of void volume fraction due to void growth

Figure 2015037067
は,塑性変形の非圧縮性の仮定から母材の塑性体積ひずみ増分
Figure 2015037067
Is the plastic volume strain increment of the base metal from the assumption of incompressibility of plastic deformation.

Figure 2015037067
を用いて以下の式7により表わされる。
Figure 2015037067
Is expressed by the following equation (7).

Figure 2015037067
また,ボイドの発生によるボイド体積率の変化
Figure 2015037067
In addition, the change in void volume fraction due to the generation of voids

Figure 2015037067
は,母材に生じる微視的な相当塑性ひずみ増分
Figure 2015037067
Is the microscopic equivalent plastic strain increment occurring in the base metal

Figure 2015037067
を用いて以下の式8により表わされる。
Figure 2015037067
Is represented by the following formula 8.

Figure 2015037067
ここで
Figure 2015037067
here

Figure 2015037067
式9は一次元の正規分布であり,平均εN,標準偏差がsNの形の確率密度関数である。式9において,ボイドが発生する塑性ひずみは,平均値がεN,標準偏差がsNおよびボイド発生の核の体積分率がfNによる正規分布に従うとしている。
Figure 2015037067
Equation 9 is a one-dimensional normal distribution, which is a probability density function having a mean ε N and a standard deviation s N. In Equation 9, the plastic strain in which voids are generated follows a normal distribution with an average value of ε N , a standard deviation of s N, and a volume fraction of void generation nuclei of f N.

式1から式9に示したGTNモデルにおける材料定数は,q1,q2,q3,r,fF,fC,εN,sNおよびfNである。これら材料定数が求められれば,延性破壊する任意形状構造物の延性破壊に伴う終局強度を評価することが可能となる。これら材料定数の同定手法について次に記載する。なお,FEAによる試験模擬の数値解析には当該材料のヤング率E,ポアソン比ν,降伏応力σyおよび応力−ひずみ関係が必要であるが,これらの数値は後述する平滑丸棒試験片の測定結果より求める。The material constants in the GTN model shown in Equation 1 to Equation 9 are q 1 , q 2 , q 3 , r, f F , f C , ε N , s N and f N. If these material constants are obtained, it is possible to evaluate the ultimate strength associated with the ductile fracture of an arbitrarily shaped structure that undergoes ductile fracture. The identification method of these material constants will be described next. It should be noted that the numerical analysis of the test simulation by FEA requires the Young's modulus E, Poisson's ratio ν, yield stress σ y and stress-strain relationship of the material. Find from the result.

本発明の延性破壊構成式に用いる材料定数の同定方法について記載する。この処理は数理統計処理部で計算される。本実施例では,GTNモデルに用いる材料定数を,平滑丸棒試験片を含む形状の異なる複数の試験片の静的引張試験結果から同定する。引張試験から得られた荷重値を測定量yとして,GTNモデルの材料定数をxとする。このとき,h(x)が引張試験を模擬した数値解析より得られる荷重とすると,一般に,測定量と系の状態変数との関係は以下の式10のように表わされる。   It describes about the identification method of the material constant used for the ductile fracture constitutive formula of this invention. This processing is calculated by a mathematical statistical processing unit. In this embodiment, the material constant used for the GTN model is identified from the static tensile test results of a plurality of test pieces having different shapes including a smooth round bar test piece. The load value obtained from the tensile test is defined as a measurement amount y, and the material constant of the GTN model is defined as x. At this time, if h (x) is a load obtained by numerical analysis simulating a tensile test, the relationship between the measured quantity and the system state variable is generally expressed as in the following equation (10).

Figure 2015037067
式10において,yはm次元測定量ベクトル,xが同定すべきシステムの状態を表すn次元ベクトル,hは問題を表現するm次元の非線形ベクトル関数,νは測定の誤差を表すm次元確率変数ベクトルである。νはxに関して独立であり,式11で表わされる正規分布に従うと仮定する。式11や式12は多次元の正規分布である。
Figure 2015037067
式11において
Figure 2015037067
In Equation 10, y is an m-dimensional measurement quantity vector, x is an n-dimensional vector representing the state of the system to be identified, h is an m-dimensional nonlinear vector function representing the problem, and ν is an m-dimensional random variable representing a measurement error. Is a vector. It is assumed that ν is independent with respect to x and follows a normal distribution represented by Equation 11. Expressions 11 and 12 are multidimensional normal distributions.
Figure 2015037067
In Equation 11

Figure 2015037067
はνの平均値,Rはνの共分散行列を示す。
Figure 2015037067
Is an average value of ν, and R is a covariance matrix of ν.

同定する材料定数xに関する確率的な性質が正規分布によって与えられると仮定して,xに関する先験情報として,平均値が   Assuming that the stochastic nature of the material constant x to be identified is given by a normal distribution,

Figure 2015037067
,共分散行列がMで与えられるとすると,xの確率密度関数(事前確率)は以下の式12で表わされる。
Figure 2015037067
If the covariance matrix is given by M, the probability density function (prior probability) of x is expressed by the following Equation 12.

Figure 2015037067
材料定数xが与えられた時のyの条件付き確率密度分布(尤度)は,以下の式13で表わされる。
Figure 2015037067
The conditional probability density distribution (likelihood) of y when the material constant x is given is expressed by the following Expression 13.

Figure 2015037067
ただし
Figure 2015037067
However,

Figure 2015037067
このときのyの条件付き確率密度分布(周辺尤度)は,以下の式15で表わされる。
Figure 2015037067
The conditional probability density distribution (marginal likelihood) of y at this time is expressed by the following Expression 15.

Figure 2015037067
ここでwはm次元ベクトル,Sは期待値を表わす行列であり,式16および式17で表わされる。
Figure 2015037067
Here, w is an m-dimensional vector, and S is a matrix that represents an expected value, which is expressed by Expression 16 and Expression 17.

Figure 2015037067
Figure 2015037067

Figure 2015037067
式17におけるEは期待値を表す。ここで,
Figure 2015037067
E in Equation 17 represents an expected value. here,

Figure 2015037067
で表わされるベイズの定理を用いると,測定量yが与えられた時のxの条件付き確率密度分布関数P(x|y)は,以下の式19のように表わされる。
Figure 2015037067
When the measured quantity y is given, the conditional probability density distribution function P (x | y) of x when the measured quantity y is given is expressed as the following Expression 19.

Figure 2015037067
今,応力三軸度の異なる2つの試験片の試験結果,すなわち測定量y1およびy2と,材料定数xを用いて試験を模擬した解析結果が存在すると,同時確率の観点から式18および式19は以下のように書き換えられる。
Figure 2015037067
Now, if there are test results of two specimens with different stress triaxiality, that is, analysis results simulating the test using the measured quantities y 1 and y 2 and the material constant x, Equation 18 and Equation 19 can be rewritten as follows:

Figure 2015037067
すなわち
Figure 2015037067
Ie

Figure 2015037067
Figure 2015037067

となる。ここで,

Figure 2015037067
以上により得られたP(x|y1,y2)が最大値を取る時,h(x)とy1およびy2の差が最も小さくなる。すなわち,解析結果と試験結果が最もよく一致することになる。It becomes. here,
Figure 2015037067
When P (x | y 1 , y 2 ) obtained as described above takes the maximum value, the difference between h (x) and y 1 and y 2 becomes the smallest. In other words, the analysis results and test results are the best match.

そこで,以下のようにh(x)をxの成分(q1,q2,q3),(fF,fC)および(εN,sN,fN)を引数とした関数に書き換える。なお,本実施形態においては,q3=q1 2とする。

Figure 2015037067
Thus, h (x) is rewritten as a function with the components (q 1 , q 2 , q 3 ), (f F , f C ) and (ε N , s N , f N ) as arguments as follows: . In the present embodiment, and q 3 = q 1 2.
Figure 2015037067

P(x|y1,y2)が最大値を取るときのxの値を決定するため,(q1,q2),(fF,fC)および(εN,sN,fN)の様々な組み合わせに対して,引張試験を模擬した数値解析を行い,h(q1,q2),h(fF,fC)およびh(εN,sN,fN)を得なければならないが,その場合,組合せ数は膨大に存在するため計算時間が膨大になる。そこで本実施形態では,(q1,q2),(fF,fC)および(εN,sN,fN)のいくつかの組合せに対して数値解析を行い,得られたh(q1,q2),h(fF,fC)およびh(εN,sN,fN)の値を以下の式24もしくは式25に示す二次多項式を用いて補間することでh(q1,q2),h(fF,fC)およびh(εN,sN,fN)を連続関数として定義する。
引数が2つの場合は
In order to determine the value of x when P (x | y 1 , y 2 ) takes the maximum value, (q 1 , q 2 ), (f F , f C ) and (ε N , s N , f N ) To perform numerical analysis simulating a tensile test and obtain h (q 1 , q 2 ), h (f F , f C ) and h (ε N , s N , f N ). In this case, the number of combinations is enormous, and the computation time is enormous. Therefore, in this embodiment, numerical analysis is performed on some combinations of (q 1 , q 2 ), (f F , f C ) and (ε N , s N , f N ), and h ( q 1 , q 2 ), h (f F , f C ) and h (ε N , s N , f N ) are interpolated using a second-order polynomial shown in the following Expression 24 or 25 to obtain h (Q 1 , q 2 ), h (f F , f C ) and h (ε N , s N , f N ) are defined as continuous functions.
If there are two arguments

Figure 2015037067
また,引数が3つの場合は以下の多項式で補間する。
Figure 2015037067
When there are three arguments, interpolation is performed using the following polynomial.

Figure 2015037067
式24において,n次元ベクトルの成分(X1,X2)は(q1,q2),(fF,fC)を表わす。また式25において(X1,X2,X3)は(εN,sN,fN)を表わす。Ci(i=0,1,2)は定数であり,最小二乗法によってh(X1,X2)もしくはh(X1,X2,X3)の値が数値解析により得られた離散データに最もよく一致するように決定する。任意の値の範囲内で材料定数の引数が2つの場合は3水準×3水準(9通り),引数が3つの場合は3水準×3水準×3水準(27通り)を格子状に設定する。例えば,引数が2つである(q1,q2)の場合,X1およびX2がそれぞれq1およびq2に該当するため,q1を3水準およびq2を3水準設定して,これら(q1,q2)に対するh(q1,q2)の値,すなわち荷重を解析により求める。同様に(fF,fC)および(εN,sN,fN)に対するh(fF,fC)およびh(εN,sN,fN)の離散データを求める。求められた離散データを式24もしくは式25により補間して,それぞれを連続関数として定義する。式21および式22に試験結果および数値解析結果を代入して,P(x|y1,y2)が最大値を取る時の材料定数を同定値として採用する。なお,f(q1,q2)およびf(fF,fC)に入力する任意範囲の材料定数は,0〜1に正規化する。正規化した材料定数を0。01刻みでh(x1,x2)に入力して求めた荷重の推定値は,9通りの解析を実施すると10,201通りの結果が得られる。同様に,h(εN,sN,fN)の場合,27通りの解析を実施すると1,030,301通りの結果が得られる。
Figure 2015037067
In Equation 24, the components (X 1 , X 2 ) of the n-dimensional vector represent (q 1 , q 2 ), (f F , f C ). In Expression 25, (X 1 , X 2 , X 3 ) represents (ε N , s N , f N ). C i (i = 0, 1, 2) is a constant, and the value of h (X 1 , X 2 ) or h (X 1 , X 2 , X 3 ) is obtained by numerical analysis by the least square method. Decide to best match the data. Set 3 levels x 3 levels (9 ways) when there are 2 material constant arguments within the range of arbitrary values, and 3 levels x 3 levels x 3 levels (27 ways) when there are 3 arguments. . For example, if there are two arguments (q 1 , q 2 ), X 1 and X 2 correspond to q 1 and q 2 respectively, so q 1 is set to 3 levels and q 2 is set to 3 levels, the values of these (q 1, q 2) for h (q 1, q 2), i.e. determined by analyzing the load. Similarly (f F, f C) and (ε N, s N, f N) h for (f F, f C) and h (ε N, s N, f N) obtaining the discrete data. The obtained discrete data is interpolated by Expression 24 or 25, and each is defined as a continuous function. Substituting the test results and the numerical analysis results into Equation 21 and Equation 22, the material constant when P (x | y 1 , y 2 ) takes the maximum value is adopted as the identification value. Note that the material constants in an arbitrary range input to f (q 1 , q 2 ) and f (f F , f C ) are normalized to 0 to 1. The estimated load values obtained by inputting the normalized material constants into h (x 1 , x 2 ) in increments of 0.01 will yield 10,201 results when nine ways of analysis are performed. Similarly, in the case of h (ε N , s N , f N ), if 27 kinds of analysis are performed, 1,030,301 kinds of results are obtained.

以後,具体例を用いて本実施例を説明する。   Hereinafter, this embodiment will be described using specific examples.

図2に本実施例の延性破壊評価システム50を示すブロック図を示す。各種設定値を入力する入力部51と,平滑丸棒試験片の測定結果を記憶する平滑丸棒試験片測定結果記憶部52と,切欠き付き丸棒試験片の測定結果を記憶する切欠き付き丸棒試験片測定結果記憶部53と,各種計算を行なう処理部54と,結果を表示する表示部66から構成されている。処理部54には,平滑丸棒試験片の測定結果よりヤング率及び降伏応力を求めるヤング率,降伏応力解析部55と,平滑丸棒試験片の測定結果より応力とひずみの関係を求める応力−ひずみ関係解析部56と,平滑丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるεN,sN,fNの試験模擬の数値解析部57と,切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるεN,sN,fNの試験模擬の数値解析部58と,材料定数であるεN,sN,fNの各設定値の入力を受け付け,受け付けたεN,sN,fNの各数値の組合せを入力した数値解析部での平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した解析結果と平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の試験結果が最もよく一致するεN,sN,fNの組合せを求める数理統計処理部(εN,sN,fN)59と,平滑丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるq1,q2の試験模擬の数値解析部60と,切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるq1,q2の試験模擬の数値解析部61と,材料定数であるq1,q2の各設定値の入力を受け付け,受け付けたq1,q2の各数値の組合せを入力した数値解析部での平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した解析結果と平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の試験結果が最もよく一致するq1,q2の組合せを求める数理統計処理部(q1,q2)62と,平滑丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるfF,fCの試験模擬の数値解析部63と,切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した数値解析より荷重−変位関係を求めるfF,fCの試験模擬の数値解析部64と,材料定数であるfF,fCの各設定値の入力を受け付け,受け付けたfF,fCの各数値の組合せを入力した数値解析部での平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した解析結果と平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の試験結果が最もよく一致するfF,fCの組合せを求める数理統計処理部(fF,fC)65と,を備えている。FIG. 2 is a block diagram showing the ductile fracture evaluation system 50 of this embodiment. Input section 51 for inputting various set values, smooth round bar test piece measurement result storage section 52 for storing measurement results of smooth round bar test pieces, and notches for storing measurement results of notched round bar test pieces A round bar test piece measurement result storage unit 53, a processing unit 54 for performing various calculations, and a display unit 66 for displaying the results are included. The processing unit 54 includes a Young's modulus for obtaining a Young's modulus and a yield stress from the measurement result of the smooth round bar test piece, and a stress for obtaining a relationship between the stress and the strain from the measurement result of the yield stress analysis unit 55 and the smooth round bar test piece. Strain relation analysis unit 56, ε N , s N , f N test simulation numerical analysis unit 57 for obtaining a load-displacement relationship from a numerical analysis simulating a tensile test of a smooth round bar specimen, and a round bar with a notch Ε N , s N , f N test simulation unit 58 for obtaining the load-displacement relationship from numerical analysis simulating the tensile test of the test piece, and each setting of ε N , s N , f N as material constants Analysis results simulating a tensile test of a smooth round bar test piece and a notched round bar test piece in a numerical analysis unit that accepts input of values and inputs a combination of received values of ε N , s N , and f N And smooth round bar specimens and notched round bar specimens The mathematical-statistical processing unit (ε N , s N , f N ) 59 for finding the matching ε N , s N , f N combination and the numerical analysis simulating the tensile test of the smooth round bar specimen show the load-displacement relationship. q 1, q and test numerical analysis portion 60 of the simulated 2, the load from the numerical analysis simulating the tensile test notched round specimens for determining - determining the displacement relationship q 1, numerical analysis of the test simulated q 2 61 and accepts input of each set value of q 1 and q 2 which are material constants, and receives a combination of received q 1 and q 2 numerical values. Mathematical statistical processing unit (q 1) for finding a combination of q 1 and q 2 that best matches the analysis result simulating the tensile test of a round bar test piece and the test result of a smooth round bar test piece and a notched round bar test piece , Q 2 ) 62 and numerical analysis simulating a tensile test of a smooth round bar specimen, load-displacement relationship F F and f C test simulation numerical analysis unit 63, and f F and f C test simulation numerical analysis to obtain a load-displacement relationship from a numerical analysis simulating a tensile test of a notched round bar test piece The smooth round bar test piece and the notch in the numerical analysis unit that accepts the input of each set value of f F and f C that is the unit 64 and the material constants and receives the combination of the received values of f F and f C Mathematical Statistical Processing Unit (f) for finding a combination of f F and f C that best matches the analysis result of a tensile test of a round bar test piece with a smooth round bar test piece and the test result of a round bar test piece with a notch F , f C ) 65.

ここで,平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の引張試験を模擬した解析結果と平滑丸棒試験片及び切欠き付き丸棒試験片の試験結果が最もよく一致する材料定数を求めることを,二つの試験片の解析結果と測定結果を同時に満たすことが必要になることから同時確率を考慮した数理統計手法と呼び,計算は上述のP(x|y1,y2)が最大値を取る時の値を求める方法である。Here, find the material constant that best matches the analysis result of the tensile test of the smooth round bar test piece and the notched round bar test piece with the test result of the smooth round bar test piece and the notched round bar test piece. This is called the mathematical statistical method considering the joint probability because it is necessary to satisfy the analysis result and the measurement result of the two specimens at the same time, and the above calculation is performed with the maximum P (x | y 1 , y 2 ). This is a method for obtaining a value when taking a value.

図3に材料定数同定のフローチャートを示す。本実施形態においては,材料定数同定に平滑丸棒試験片と切欠き付き丸棒試験片を用いる。図4は平滑丸棒引張試験片4である。また,図5は,R1.5mmの切欠き付き丸棒引張試験片5である。R1.5mmの切欠き6を有している。   FIG. 3 shows a flowchart of material constant identification. In this embodiment, a smooth round bar test piece and a notched round bar test piece are used for material constant identification. FIG. 4 shows a smooth round bar tensile test piece 4. FIG. 5 shows a round bar tensile test piece 5 with an R1.5 mm notch. It has a notch 6 of R1.5 mm.

数値解析にあたり,当該材料のヤング率E,ポアソン比ν,降伏応力σyおよび応力−ひずみ関係が必要である。これら材料の特性は,平滑丸棒試験片を用いた引張試験結果から決定することが好ましい。引張試験以外にも,円柱の圧縮試験からこれらの特性を決定することも可能であるが,本実施例においては引張試験結果を用いるものとする。なお,ヤング率E,ポアソン比νおよび降伏応力σyは,日本工業規格(以下JIS:Japanese Industrial Standards)にも取得方法が規定されているが,本実施例ではステップS201において,静的な単軸引張試験から得られた応力−ひずみ関係の比例限からヤング率を決定する。ポアソン比は,実用材料で一般的に用いられる0。3とする。ステンレス鋼やアルミニウム合金など降伏応力が不明瞭な場合,降伏応力σyの代りに0。2%耐力σ0。2を用いる場合もある。応力−ひずみ関係は,材料内部でのボイドの発生,成長および合体に伴い,応力負担能力が低下する(降伏曲面がちいさくなる。)すなわち,GTNモデルに用いる応力とひずみの関係は,図6に示すように空孔発生による応力の低下を考慮するため,試験で取得した応力とひずみの関係よりも同一ひずみに対する応力を大きく設定する必要がある。なお図6中の11は平滑丸棒試験片の公称応力−公称塑性ひずみ関係,12は平滑丸棒試験片の真応力-対数塑性ひずみ関係,13はLudwik型硬化則をそれぞれ示す。本実施例においては,ステップS202で降伏後の応力−塑性ひずみ関係を対数塑性ひずみ5。0%までの結果からLudwik型硬化則の材料定数を決定して数値解析に用いた。式26にLudwik型硬化則を示す。In the numerical analysis, the Young's modulus E, Poisson's ratio ν, yield stress σ y and stress-strain relationship of the material are necessary. The properties of these materials are preferably determined from the results of a tensile test using a smooth round bar specimen. In addition to the tensile test, it is possible to determine these characteristics from a cylindrical compression test, but in this embodiment, the tensile test result is used. The Young's modulus E, Poisson's ratio ν, and yield stress σ y are also defined in the Japanese Industrial Standards (JIS: Japanese Industrial Standards). The Young's modulus is determined from the proportional limit of the stress-strain relationship obtained from the axial tensile test. The Poisson's ratio is 0.3, which is generally used for practical materials. If the yield stress is unclear, such as stainless steel or aluminum alloy, 0.2% proof stress σ 0.2 may be used instead of yield stress σ y . The stress-strain relationship decreases with the generation, growth and coalescence of voids inside the material (the yield surface becomes smaller). That is, the relationship between stress and strain used in the GTN model is shown in FIG. As shown in the figure, in order to take account of the decrease in stress due to the generation of vacancies, the stress for the same strain must be set larger than the relationship between the stress and strain obtained in the test. In FIG. 6, 11 is the nominal stress-nominal plastic strain relationship of the smooth round bar test piece, 12 is the true stress-logarithmic plastic strain relationship of the smooth round bar test piece, and 13 is the Ludwik type hardening law. In this example, the stress-plastic strain relationship after yielding in step S202 was the logarithmic plastic strain of 5. The material constant of the Ludwik type hardening rule was determined from the results up to 0% and used for numerical analysis. Formula 26 shows the Ludwik-type curing rule.

Figure 2015037067
ここで,σyは降伏応力,εplは塑性ひずみ,Cおよびnは材料定数を示す。本実施例では,Ludwik型硬化則を用いるが応力−ひずみ関係に用いる硬化則はこの限りではない。ここまでの計算により,引張試験を模擬した解析における基本的な変形挙動は評価できるが,最大応力を超えたひずみが加わった場合の応力低下挙動については評価が出来ない。そこで本発明ではGTNモデルを用いて,材料が損傷に至るまでの応力−ひずみ関係を求められるようにする。
Figure 2015037067
Here, σ y is the yield stress, ε pl is the plastic strain, and C and n are the material constants. In this embodiment, the Ludwik type hardening rule is used, but the hardening rule used for the stress-strain relationship is not limited to this. Based on the calculations so far, the basic deformation behavior in an analysis simulating a tensile test can be evaluated, but the stress reduction behavior when a strain exceeding the maximum stress is applied cannot be evaluated. Therefore, in the present invention, the GTN model is used to obtain the stress-strain relationship until the material is damaged.

延性破壊評価システムの数値解析に用いるGTNモデルのボイド発生に関する材料定数εN,sNおよびfNを同定する。まずステップS203にて,破壊に関わる材料定数の臨界ボイド率fCおよび限界ボイド率fFは,他の材料定数同定時に影響を与えないように十分に大きな値を設定する。また,補正係数のq1,q2およびq3は文献値を設定する。図7は試験模擬の数値解析における材料定数の一覧表である。ステップS204およびステップS205にて,ヤング率,ポアソン比,降伏応力,応力−ひずみ関係,図8に示した材料物性およびεN,sN,fNについて3水準×3水準×3水準(27通り)についてFEAを用いて引張試験を模擬した数値解析を行う。本実施例では,数値解析に軸対称要素を用いているが,三次元要素を用いた数値解析でもよい。図7は,試験模擬の数値解析に用いた解析モデルである。図7(a)が平滑丸棒試験片で,図7(b)がR1.5mmの切欠き付き丸棒引張試験片である。27通りの材料定数の組合せについて引張試験を模擬した数値解析の結果を図9に示す。図9(a)が平滑丸棒試験片の荷重−変位関係で,図9(b)がR1.5mmの切欠き付き丸棒引張試験の荷重−変位関係である。図9には,実際の平滑丸棒試験片の測定結果14及び切欠き付き丸棒試験片の測定結果15もあわせて示した。ステップS206において,解析により得られた荷重を式25により補間することでh(εN,sN,fN)の値が連続関数として得られる。測定結果およびh(εN,sN,fN)を式21および式22に代入して,P(x|y1,y2)が最大値を取る時の材料定数を同定値として採用する。すなわち同時確率を考慮した逆解析手法を用いて材料定数を同定する。なお,ピークが出ない場合には,27通りの組合せを見直す。図10に正規化したεNが0.08におけるP(x|y1,y2)の結果を示す。最大値を示す点を材料定数の同定値として採用する。ここでは,εN,sNおよびfNについてP(x|y1,y2)が最大値を示したピーク値からεN=0.00082,sN=0.080,fN=0.064を同定値として採用する。The material constants ε N , s N and f N relating to the void generation of the GTN model used for the numerical analysis of the ductile fracture evaluation system are identified. First, in step S203, the critical void rate f C and the critical void rate f F of material constants related to fracture are set to sufficiently large values so as not to affect other material constants. Further, correction values q 1 , q 2 and q 3 are set to literature values. FIG. 7 is a list of material constants in the numerical simulation of the test simulation. In step S204 and step S205, Young's modulus, Poisson's ratio, yield stress, stress-strain relationship, material properties and ε N , s N , f N shown in FIG. ) Is subjected to numerical analysis simulating a tensile test using FEA. In this embodiment, an axially symmetric element is used for numerical analysis, but numerical analysis using a three-dimensional element may be used. FIG. 7 shows an analysis model used for numerical simulation of test simulation. FIG. 7A shows a smooth round bar test piece, and FIG. 7B shows an R1.5 mm notched round bar tensile test piece. The results of numerical analysis simulating a tensile test for 27 combinations of material constants are shown in FIG. FIG. 9A shows the load-displacement relationship of the smooth round bar test piece, and FIG. 9B shows the load-displacement relationship of the R1.5 mm notched round bar tensile test. FIG. 9 also shows the measurement result 14 of the actual smooth round bar test piece and the measurement result 15 of the notched round bar test piece. In step S206, the value of h (ε N , s N , f N ) is obtained as a continuous function by interpolating the load obtained by the analysis using Equation 25. The measurement result and h (ε N , s N , f N ) are substituted into Equations 21 and 22, and the material constant when P (x | y 1 , y 2 ) takes the maximum value is adopted as the identification value. . That is, the material constant is identified using an inverse analysis method considering the joint probability. If no peak appears, review the 27 combinations. FIG. 10 shows the result of P (x | y 1 , y 2 ) when normalized ε N is 0.08. The point showing the maximum value is adopted as the identification value of the material constant. Here, ε N, s N and f N for P | adopted (x y 1, y 2) ε from the peak value showing the maximum value N = 0.00082, s N = 0.080 , a f N = 0.064 as identified values To do.

次に,補正係数のq1,q2およびq3を同定する。前述のボイド発生に関する材料定数を含め,図11に試験模擬の数値解析における材料定数の一覧表を示す。補正係数は,文献値と大きく差がないことが予想されるため,材料定数の範囲は狭い。ステップS207およびステップS208において,q1およびq2について3水準×3水準(9通り)について引張試験を模擬した数値解析を行う。9通りの組合せについて引張試験を模擬した数値解析の結果を図12に示す。図12(a)が平滑丸棒試験片の荷重−変位関係で,図12(b)がR1.5mmの切欠き付き丸棒引張試験の荷重−変位関係である。図12には,実際の平滑丸棒試験片の測定結果16及び切欠き付き丸棒試験片の測定結果17もあわせて示した。ステップS209において,解析により得られた荷重を式24により補間することで,h(q1,q2)の値が連続関数として得られる。h(q1,q2)を式21および式22に代入して,P(x|y1,y2)の分布を求める。図13に試験結果と数値解析結果を用いたP(x|y1,y2)の結果を示す。最大値を示す点を材料定数の同定値として採用する。すなわち同時確率を考慮した逆解析手法を用いて材料定数を同定する。ここでは,q1およびq2についてP(x|y1,y2)が最大値を示したピーク値からq1=1.428,q2=1.068,q3=q1 2=2.039を同定値として採用する。Next, the correction coefficients q 1 , q 2 and q 3 are identified. FIG. 11 shows a list of material constants in the numerical simulation of the test simulation, including the material constants related to the generation of voids. The range of material constants is narrow because the correction factor is not expected to differ greatly from the literature value. In steps S207 and S208, numerical analysis simulating a tensile test for 3 levels × 3 levels (9 patterns) is performed for q 1 and q 2 . FIG. 12 shows the results of numerical analysis simulating a tensile test for nine combinations. FIG. 12A shows the load-displacement relationship of the smooth round bar test piece, and FIG. 12B shows the load-displacement relationship of the R1.5 mm notched round bar tensile test. FIG. 12 also shows the measurement result 16 of an actual smooth round bar test piece and the measurement result 17 of a round bar test piece with a notch. In step S209, the load obtained by the analysis is interpolated by Expression 24, whereby the value of h (q 1 , q 2 ) is obtained as a continuous function. By substituting h (q 1 , q 2 ) into Equations 21 and 22, the distribution of P (x | y 1 , y 2 ) is obtained. FIG. 13 shows the result of P (x | y 1 , y 2 ) using the test results and the numerical analysis results. The point showing the maximum value is adopted as the identification value of the material constant. That is, the material constant is identified using an inverse analysis method considering the joint probability. Here, the q 1 and q 2 P (x | y 1 , y 2) is q 1 = 1.428 from the peak value showing the maximum value, q 2 = 1.068, the q 3 = q 1 2 = 2.039 as identified values adopt.

同様に,ステップS210およびステップS211にて,これまで同定してきた材料物性を用いて,fFおよびfCについて3水準×3水準(9通り)について引張試験を模擬した数値解析を行う。数値解析により得られた荷重を式24により補間することにより,h(fF,fC)の値が連続関数として得られる。h(fF,fC)を式21および式22に代入して,P(x|y1,y2)の分布を求める。ステップS212において,P(x|y1,y2)が最大値を取る時の材料定数を同定値として採用する(同時確率を考慮した逆解析手法を用いて材料定数を同定する。)が,最適値が見つからなかった場合には,ステップS210に戻り,3水準×3水準(9通り)の組合せから再度数値解析を行う。Similarly, in step S210 and step S211, numerical analysis is performed by simulating a tensile test for 3 levels × 3 levels (9 types) for f F and f C using the material physical properties identified so far. By interpolating the load obtained by the numerical analysis using Expression 24, the value of h (f F , f C ) is obtained as a continuous function. By substituting h (f F , f C ) into Equations 21 and 22, the distribution of P (x | y 1 , y 2 ) is obtained. In step S212, the material constant at the time when P (x | y 1 , y 2 ) takes the maximum value is adopted as the identification value (the material constant is identified using an inverse analysis method considering the joint probability). If the optimum value is not found, the process returns to step S210, and the numerical analysis is performed again from the combination of 3 levels × 3 levels (9 ways).

図16に前述の方法で求めた材料定数を用いてGTNモデルより評価したFEAを用いた数値解析結果と実際の試験結果を示す。平滑丸棒試験片,R1.5mm切欠き付試験片,R3.0mm切欠き付試験片のいずれの測定結果に対しても荷重と変位の関係は精度良く評価できることが分かる。   FIG. 16 shows the numerical analysis results and actual test results using FEA evaluated from the GTN model using the material constants obtained by the above-described method. It can be seen that the relationship between the load and the displacement can be accurately evaluated for any of the measurement results of the smooth round bar test piece, the R1.5 mm notched test piece, and the R3.0 mm notched test piece.

本実施例によれば,平滑丸棒試験片と切欠き付き丸棒試験片を用いて同定したGTNモデルの材料定数が求められ,延性破壊する任意形状構造物の延性破壊に伴う終局強度を評価することが可能となり,各種構造物の延性破壊評価に適用することが可能となる。   According to this example, the material constant of the GTN model identified using the smooth round bar test piece and the notched round bar test piece is obtained, and the ultimate strength accompanying ductile fracture of the arbitrarily shaped structure that undergoes ductile fracture is evaluated. Therefore, it can be applied to ductile fracture evaluation of various structures.

本発明の実施例2における延性破壊評価システムについて説明する。図17に実施例2における機能ブロック図を示す。なお実施例1と同様の部分については説明を省略する。   A ductile fracture evaluation system in Example 2 of the present invention will be described. FIG. 17 shows a functional block diagram in the second embodiment. The description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted.

図17に示したように,延性破壊評価システムは,さらに,評価対象の構造物の図面やCAD(Computer Aided Design)データを記憶するCADデータ記憶部67と,CADデータである構造物図面から解析に用いるモデルを作成するモデル作成部68と,数理統計処理部で求めた各材料定数とモデル作成部で作成したモデルからFEAによる数値解析を行ない破壊荷重や破壊形態などの終局強度を評価する数値解析部69を備えている。本実施例では実施例1で求めた各材料定数を用いて,実際の構造物において,荷重を加えた際の破壊荷重や破壊形態などの終局強度を評価する機能を備えている点が実施例1と異なる。本実施例によれば,実際の構造物における破壊荷重や破壊形態などの終局強度を評価することが可能となる。   As shown in FIG. 17, the ductile fracture evaluation system further analyzes from a structure data as a CAD data storage unit 67 for storing a drawing of a structure to be evaluated and CAD (Computer Aided Design) data, and a structure drawing as CAD data. Numerical value that evaluates ultimate strength such as fracture load and fracture form by performing numerical analysis by FEA from model creation unit 68 that creates model to be used and each material constant obtained by mathematical statistical processing unit and model created by model creation unit An analysis unit 69 is provided. In this embodiment, using the material constants obtained in the first embodiment, the actual structure has a function of evaluating the ultimate strength such as the breaking load and the breaking mode when a load is applied. Different from 1. According to the present embodiment, it is possible to evaluate the ultimate strength such as a breaking load and a breaking mode in an actual structure.

図2や図17に示した延性破壊評価システム50は,例えば,CPU100(Central Processing Unit),RAM101(Random Access Memory),ROM102(Read Only Memory),HDD103(Hard Disk Drive),入力部104および表示部105を備えたコンピュータシステムに実装される。なお記憶領域は,HDDに限らない。本実施例の処理部は,ROMやHDDなどに格納された所定の汎用FEAコードがRAMなどに展開されて,CPUにより実行されて具現化される。なお入力部は,マウス,キーボードおよびテンキー等であってもよい。また,表示部は,ディスプレイやモニタ等であってもよい。   The ductile fracture evaluation system 50 shown in FIGS. 2 and 17 includes, for example, a CPU 100 (Central Processing Unit), a RAM 101 (Random Access Memory), a ROM 102 (Read Only Memory), an HDD 103 (Hard Disk Drive), an input unit 104, and a display. The computer system including the unit 105 is mounted. The storage area is not limited to the HDD. The processing unit of the present embodiment is embodied by developing a predetermined general-purpose FEA code stored in a ROM, HDD, or the like on a RAM or the like and executing it by a CPU. The input unit may be a mouse, a keyboard, a numeric keypad, or the like. Further, the display unit may be a display, a monitor, or the like.

以上,本実施形態について具体例を挙げて説明したが,本実施形態は前記の内容に限定されるものではない。   Although the present embodiment has been described with specific examples, the present embodiment is not limited to the above contents.

例えば,破壊を表現する構成式は,GTNモデルに限らず複数の材料定数がある構成式を延性破壊評価システム演算部の数値解析に用いてもよい。また,延性破壊を表現する構成式の材料定数同定において,平滑丸棒試験片を含む形状の異なる複数の試験片の静的引張試験結果から同定するが,平滑丸棒試験片と応力三軸度が異なる試験片を用いることが好ましい。   For example, the constitutive equation expressing the fracture is not limited to the GTN model, and a constitutive equation having a plurality of material constants may be used for the numerical analysis of the ductile fracture evaluation system calculation unit. In addition, in identifying the material constants of the constitutive equation expressing ductile fracture, identification is made from the static tensile test results of a plurality of test pieces with different shapes including smooth round bar test pieces. It is preferable to use test pieces having different values.

また,本実施形態においては,平滑丸棒引張試験片とR1.5mm切欠き付き丸棒引張試験片の2つとしたが更に多くても構わない。材料定数の同定時には,同時確率の考え方を用いるため,同一材料定数を用いた数値解析結果と試験結果との比較が増えることで,材料定数の同定値の精度が上がる。また,本実施例における延性破壊評価システムでは,まずボイド発生に関わる材料定数(εN,sN,fN)を同定して,補正係数(q1,q2,3)を同定して,最後に破壊に関わる材料定数(fF,fC)を同定した。これら材料物性を1つずつ順番に同定する方法,または全ての引数を同時に同定する方法も本実施例を基本として発展できる。また,数値解析に用いる応力−ひずみ関係を表現する硬化則の材料定数も,P(x|y1,y2)の最大値を同定値とする手法により,最適な値とすることができる。In the present embodiment, there are two smooth round bar tensile test pieces and R1.5 mm notched round bar tensile test pieces. When identifying material constants, the concept of coincidence probability is used, so the comparison between numerical analysis results and test results using the same material constants increases the accuracy of the material constant identification values. In the ductile fracture evaluation system in this embodiment, first, material constants related to void generation (ε N , s N , f N ) are identified, and correction coefficients (q 1 , q 2, q 3 ) are identified. Finally, material constants (f F , f C ) related to fracture were identified. A method for sequentially identifying these material properties one by one or a method for identifying all the arguments at the same time can be developed based on this embodiment. Also, the material constant of the hardening rule that expresses the stress-strain relationship used in the numerical analysis can be set to an optimum value by using the maximum value of P (x | y 1 , y 2 ) as the identification value.

さらに延性破壊評価システムによって破壊荷重や破壊形態などの終局強度を評価する対象は,どのような形状でもよい。丸棒引張試験片だけでなく平板試験体や実機構造物を模擬した形状,構造物中に任意形状のき裂状欠陥が存在するような形状でも本実施形態の延性破壊システムは好適である。   Furthermore, the target for evaluating the ultimate strength such as the fracture load and the fracture mode by the ductile fracture evaluation system may be of any shape. The ductile fracture system of the present embodiment is suitable not only for round bar tensile test pieces but also for shapes that simulate a flat specimen or an actual machine structure, or in a shape in which a crack-shaped defect of an arbitrary shape exists in the structure.

1…材料
2…微小ボイド
3…負荷
4…平滑丸棒試験片
5…R1.5mm切欠き付き丸棒試験片
21…軸対称要素を用いた平滑丸棒試験片の解析モデル
22…軸対称要素を用いた切欠き付き丸棒試験片の解析モデル
50…延性破壊評価システム
51…入力部
52…平滑丸棒試験片測定結果記憶部
53…切欠き付き丸棒試験片測定結果記憶部
54…処理部
55…ヤング率,降伏応力解析部
56…応力−ひずみ関係解析部
57,58…εN,sN,fNの試験模擬の数値解析部
59,62,65…数理統計処理部
60,61…q1,q2の試験模擬の数値解析部
63,64…fF,fcの試験模擬の数値解析部
66…表示部
67…CADデータ記憶部
68…モデル作成部
69…数値解析部
100…CPU
101…RAM
102…ROM
103…HDD
104…入力部
105…出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Material 2 ... Micro void 3 ... Load 4 ... Smooth round bar test piece 5 ... R1.5mm notched round bar test piece 21 ... Analytical model of smooth round bar test piece using axisymmetric element 22 ... Axisymmetric element Analytical model of notched round bar test piece using 50. Ductile fracture evaluation system 51. Input unit 52 ... Smooth round bar test piece measurement result storage unit 53 ... Notched round bar test piece measurement result storage unit 54 ... Processing 55: Young's modulus, yield stress analysis unit 56 ... Stress-strain relationship analysis unit 57, 58 ... Numerical simulation unit 59, 62, 65 ... Mathematical statistical processing unit 60, 61 of ε N , s N , f N ... Q 1 , q 2 test simulation numerical analysis unit 63, 64... F F , f c test simulation numerical analysis unit 66... Display unit 67... CAD data storage unit 68. ... CPU
101 ... RAM
102 ... ROM
103 ... HDD
104 ... Input unit 105 ... Output unit

Claims (8)

入力部と,
第一試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第一記憶部と,
前記第一試験片と形状が異なる第二試験片の試験結果である荷重及び変位関係を記憶する第二記憶部と,
前記第一試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から前記入力部から受信した材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第一数値解析部と,
前記第二試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から前記材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求める第二数値解析部と,
前記第一及び第二記憶部に記憶する荷重及び変位関係と前記第一及び第二数値解析部での試験を模擬した数値解析である荷重及び変位関係とから,同時確率を用いた数理統計処理により,前記破壊を表現する構成式の材料定数を同定することを特徴とする延性破壊評価システム。
An input section;
A first storage unit for storing a load and displacement relation as a test result of the first test piece;
A second storage unit for storing a load and displacement relationship which is a test result of a second test piece having a shape different from that of the first test piece;
First, a plurality of loads and displacement relationships corresponding to the material constants received from the input unit are obtained from a numerical analysis result using a finite element analysis that implements a constitutive expression that simulates a failure in the first test piece. A numerical analysis section;
A second numerical analysis unit for obtaining a plurality of loads and displacement relationships corresponding to the material constants from a numerical analysis result using a finite element analysis in which a constitutive expression expressing a fracture simulating a test in the second test piece is implemented;
Mathematical statistical processing using simultaneous probabilities from the load and displacement relationship stored in the first and second storage units and the load and displacement relationship which is a numerical analysis simulating the tests in the first and second numerical analysis units A ductile fracture evaluation system characterized by identifying a material constant of a constitutive expression expressing the fracture by:
請求項1に記載の延性破壊評価システムにおいて,
前記第一試験片は平滑丸棒試験片であり,前記第二試験片は切欠き付き丸棒試験片であることを特徴とする延性破壊評価システム。
In the ductile fracture evaluation system according to claim 1,
The ductile fracture evaluation system, wherein the first test piece is a smooth round bar test piece, and the second test piece is a notched round bar test piece.
請求項1又は請求項2の延性破壊評価システムにおいて,
評価対象の構造物の形状を記憶するCADデータ記憶部と,
前記CADデータより解析に用いるモデルを作成するモデル作成部と,
前記同定した材料定数と前記作成したモデルより有限要素解析を用いて評価対象である構造部の終局強度を評価する延性破壊評価システム。
In the ductile fracture evaluation system according to claim 1 or claim 2,
A CAD data storage unit for storing the shape of the structure to be evaluated;
A model creation unit for creating a model used for analysis from the CAD data;
A ductile fracture evaluation system that evaluates the ultimate strength of a structural part to be evaluated using finite element analysis from the identified material constants and the created model.
請求項3における延性破壊評価システムにおいて,
前記破壊を表現する構成式はGTNモデルであり,
前記材料定数の同定は,前記同時確率が最大値を取る時の材料定数を同定値として採用することを特徴とする延性破壊評価システム。
In the ductile fracture evaluation system according to claim 3,
The constitutive equation expressing the destruction is a GTN model,
The ductile fracture evaluation system is characterized in that the material constant is identified by using a material constant when the joint probability takes a maximum value as an identification value.
第一試験片の試験結果である荷重及び変位関係を取得するステップと,
前記第一試験片と形状が異なる第二試験片の試験結果である荷重及び変位関係を取得するステップと,
前記第一試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から,入力された材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求めるステップと,
前記第二試験片における試験を模擬した破壊を表現する構成式を実装した有限要素解析を用いた数値解析結果から,前記入力された材料定数に対応した複数の荷重及び変位関係を求めるステップと,
前記第一及び第二試験片における試験結果である荷重及び変位関係と前記第一及び第二試験片を模擬した数値解析である荷重及び変位関係とから,同時確率を用いた数理統計処理により,前記破壊を表現する構成式の材料定数を同定するステップを有することを特徴とする延性破壊評価方法。
Obtaining a load and displacement relationship which is a test result of the first specimen;
Obtaining a load and displacement relationship which is a test result of a second test piece having a shape different from that of the first test piece;
Obtaining a plurality of load and displacement relationships corresponding to the input material constants from a numerical analysis result using a finite element analysis that implements a constitutive equation that represents a fracture simulating a test in the first test piece;
Obtaining a plurality of loads and displacement relationships corresponding to the input material constants from a numerical analysis result using a finite element analysis that implements a constitutive equation that represents a fracture simulating a test in the second specimen;
From the load and displacement relationship, which is the test result in the first and second test pieces, and the load and displacement relationship, which is a numerical analysis simulating the first and second test pieces, by mathematical statistical processing using the joint probability, A ductile fracture evaluation method comprising the step of identifying a material constant of a constitutive expression expressing the fracture.
請求項5に記載の延性破壊評価方法において,
前記第一試験片は平滑丸棒試験片であり,前記第二試験片は切欠き付き丸棒試験片であることを特徴とする延性破壊評価方法。
In the ductile fracture evaluation method according to claim 5,
The ductile fracture evaluation method, wherein the first test piece is a smooth round bar test piece, and the second test piece is a notched round bar test piece.
請求項5又は請求項6の延性破壊評価方法において,
評価対象の構造物のCADデータを取得するステップと,
前記CADデータより解析に用いるモデルを作成するステップと,
前記同定した材料定数と前記作成したモデルより有限要素解析を用いて評価対象である構造部の終局強度を評価するステップを有することを特徴とする延性破壊評価方法。
In the ductile fracture evaluation method of claim 5 or claim 6,
Acquiring CAD data of the structure to be evaluated;
Creating a model for analysis from the CAD data;
A ductile fracture evaluation method comprising a step of evaluating the ultimate strength of a structural part to be evaluated using finite element analysis from the identified material constant and the created model.
請求項7における延性破壊評価方法において,
前記破壊を表現する構成式はGTNモデルであり,
前記材料定数の同定は,前記同時確率が最大値を取る時の材料定数を同定値として採用することを特徴とする延性破壊評価方法。
In the ductile fracture evaluation method according to claim 7,
The constitutive equation expressing the destruction is a GTN model,
The material constant is identified by adopting a material constant at the time when the joint probability takes a maximum value as an identification value.
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