[論文レビュー] Numerical simulation of fatigue under diametrical compression

H. Carmona, Ferenc Kun+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2006

Asphalt Pavement Performance Evaluation被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2次元離散要素モデルを用いて、直径方向圧縮荷重下における不規則な材料の疲労破壊をシミュレートし、損傷の蓄積とミクロクラックの修復を組み込む。中程度の荷重では、寿命にべき乗則のスケーリングが見られ、低荷重での修復により、宏观的破壊が発生しない疲労限界が生じることが判明。これは実験的アスファルトの結果と定性的に一致する。

ABSTRACT

We study the fatigue fracture of disordered materials by means of computer simulations of a discrete element model. We extend a two-dimensional fracture model to capture the microscopic mechanisms relevant for fatigue, and we simulate the diametric compression of a disc shape specimen under a constant external force. The model allows to follow the development of the fracture process on the macro- and micro-level varying the relative influence of the mechanisms of damage accumulation over the load history and healing of microcracks. As a specific example we consider recent experimental results on the fatigue fracture of asphalt. Our numerical simulations show that for intermediate applied loads the lifetime of the specimen presents a power law behavior. Under the effect of healing, more prominent for small loads compared to the tensile strength of the material, the lifetime of the sample increases and a fatigue limit emerges below which no macroscopic failure occurs. The numerical results are in a good qualitative agreement with the experimental findings.

研究の動機と目的

• アスファルトのような不規則な材料における疲労破壊の微視的メカニズムを理解すること。
• 繰返し荷重による損傷蓄積とミクロクラックの修復の相互作用を、制御されたシミュレーションフレームワークでモデル化すること。
• 直径方向圧縮下での実験的疲労挙動を再現・解釈すること、特に疲労限界の出現を明らかにすること。
• 荷重レベルの変化が、破壊の耐久性スケーリングと破壊閾値に与える影響を調査すること。

提案手法

• 2次元離散要素モデルを拡張し、損傷蓄積およびミクロクラックの修復メカニズムを組み込む。
• 実験的荷重条件を模倣するため、一定の直径方向圧縮荷重を受ける円形試料をシミュレートする。
• 局所的な強度閾値を累積ひずみと修復率に基づいて更新することで、ミクロおよびマクロレベルでの損傷進化を追跡する。
• 修復は、損傷を受けた要素の強度回復としてモデル化され、荷重レベルと時間に依存する。
• 損傷と修復の相対的影響を変化させることで、それらの組み合わせが寿命と破壊に与える影響を調査する。
• 寿命は、マクロな破壊が発生するまでの荷重サイクル数として定義される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適用される荷重レベルは、繰返し直径方向圧縮荷重下における不規則材料の寿命にどのように影響するか？
• RQ2 ミクロクラックの修復は、不均一な材料の疲労寿命を延長する役割を果たすか？
• RQ3 このモデルに疲労限界が存在するか、もしあるならば、どのような条件下で出現するか？
• RQ4 損傷蓄積と修復メカニズムの相互作用は、マクロな破壊をどのように決定するか？
• RQ5 シミュレーション結果は、実験的アスファルトで観察されたべき乗則の寿命スケーリングと疲労限界をどの程度再現するか？

主な発見

• 中程度の荷重では、試料の寿命が荷重の大きさに対してべき乗則の依存性を示す。
• 低荷重、特に材料の引張強度未満では、ミクロクラックの修復が顕著になり、寿命が著しく延長される。
• 効果的なミクロクラックの修復により、マクロな破壊が発生しない、疲労限界が出現する。
• 数値結果は、アスファルトの疲労破壊に関する実験的観察と良好な定性的一致を示す。
• 損傷蓄積と修復の相対的バランスが、寿命のスケーリングおよび疲労限界の有無を決定する。