[論文レビュー] Interdependent evolution of robustness, force transmission and damage in a heterogeneous quasi-brittle granular material: from suppressed to cascading failure

Antoinette Tordesillas, Sanath Kahagalage+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2018

Rock Mechanics and Modeling参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、不均一な準破壊的凝集材の強靭性、力の伝達、損傷の相互依存的進化をモデル化するデータ駆動型でマルチスケールのフレームワークを開発した。離散要素シミュレーションのデータを分析することで、損傷伝播とマクロクラック形成を予測する2つの主要な伝達パターン—最適化されたフロールートと力のボトルネック—を同定した。これにより、ボトルネック同士の協働的メカニズムが、破壊を遅らせるが、最終的には連鎖的崩壊を可能にすることが明らかになった。

ABSTRACT

A heterogeneous quasi-brittle granular material can withstand certain levels of internal damage before global failure. This robustness depends not just on the bond strengths but also on the topology and redundancy of the bonded contact network, through which forces and damage propagate. Despite extensive studies on quasi-brittle failure, there still lacks a unified framework that can quantify the interdependent evolution of robustness, damage and force transmission. Here we develop a framework to do so. It is data-driven, multiscale and relies solely on the contact strengths and topology of the contact network for material properties. Using data derived from discrete element simulations of concrete specimens under uniaxial tension, we uncover evidence of an optimized force transmission, characterized by two novel transmission patterns that predict and explain damage propagation from the microstructural to the macroscopic level. The first comprises the optimized flow routes: shortest possible paths that can transmit the global transmission capacity. These paths reliably predict tensile force chains. The second are the force bottlenecks. These provide an early and accurate prediction of the ultimate pattern, location and interaction of macrocracks. A two-pronged cooperative mechanism among bottlenecks, enabled by redundancies in transmission pathways, underlies robustness in the pre-failure regime. Bottlenecks take turns in accommodating damage, while member contacts spread the forces to confine damage to low capacity contacts which leave behind a web of strong contacts to support and curtail the failure of tensile force chains in the region. This cooperative behavior, while serving to minimize the inevitable reduction in global transmission capacity, progressively heightens the interdependency among these contacts and elicits the opposite effect.

研究の動機と目的

• 不均一な準破壊的凝集材における強靭性、力の伝達、損傷の進化の統一的フレームワークの欠如を補うため。
• 微細構造のトポロジーと接触強度の冗長性が、グローバル破壊前の強靭性と最終的な連鎖的破壊にどのように寄与するかを理解するため。
• 破壊の抑制から連鎖的破壊への移行を説明する力伝達の予測可能なパターンを同定するため。
• 微細スケールの接触特性をミクロスケールの力学的挙動にマッピングするネットワークベースのアプローチを開発するため。
• 微細構造の最適化を通じて機械的強靭性を持つ粒子材料を合理的に設計可能にするため。

提案手法

• 単軸引張試験におけるコンクリート試験片の離散要素法（DEM）シミュレーションを用い、接触強度とネットワークトポロジーに関する微細スケールのデータを生成した。
• 接触強度と接続性から複雑なフローネットワークを構築し、各接触を定義された伝達容量を持つリンクとして扱った。
• 最適化されたフロールートは、グローバル伝達容量を伝達する最短経路として特定され、引張力鎖の形成を予測した。
• 力のボトルネックは、力の伝達を支配する重要な接触であり、その破壊がマクロクラックの始発を引き起こすと特定された。
• 冗長な経路を通じてボトルネック接触間での力の再分配が追跡され、損傷が低容量のリンクに限定された。
• 強靭性は、ネットワークの冗長性によって媒介され、進行的損傷に対しても負荷耐力の維持能力として定量化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一な準破壊的凝集材において、進行的損傷の過程で力伝達経路はどのように進化するか？
• RQ2 ネットワークトポロジーと接触強度の冗長性は、グローバル破壊以前の強靭性をどのように可能にするか？
• RQ3 力のボトルネックは、マクロクラックの位置、パターン、相互作用を早期に予測できるか？
• RQ4 ボトルネック接触間の協働的挙動は、破壊を遅らせる一方で、同時に相互依存性を高める仕組みは何か？
• RQ5 破壊前段階において、抑制的から連鎖的破壊への移行を引き起こすメカニズムは何か？

主な発見

• 損傷伝播とマクロクラック形成を信頼性高く予測する2つの新しい伝達パターン—最適化されたフロールートと力のボトルネック—が同定された。
• 最適化されたフロールートは、グローバル伝達容量を伝達する最短経路に対応し、力鎖の出現を説明する。
• 力のボトルネックは、最終的な破壊パターン、位置、マクロクラックの相互作用を早期かつ正確に予測できる。
• 冗長な伝達経路によって可能になる、ボトルネック間の二重の協働的メカニズムにより、損傷が低容量のメンバー接触に分散されることで破壊が遅らされる。
• この協働により損傷は弱いリンクに限定され、強靭な接触のネットワークが維持され、力鎖を支えることで破壊前強靭性が向上する。
• しかし、支配的ボトルネック接触間の進行的相互依存性は、最終的に、わずかな力の増加が連鎖的破壊シーケンスを引き起こす臨界点に至る。