[論文レビュー] A critical evaluation of dynamic fracture simulations using cohesive surfaces

Michael L. Falk, A. Needleman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2001

High-Velocity Impact and Material Behavior参考文献 1被引用数 35

ひとこと要約

本稿は、有限要素モデルにおける cohesive 表面を用いた動的破壊シミュレーションを批判的に評価し、初期弾性を有する cohesive 法則が材料の意図しない剛性化を引き起こし、人工的な亀裂分岐を生じさせることを示している。一方、剛性のある cohesive 法則はこの問題を回避するが、標準メッシュ上では分岐を予測できない。本研究は、cohesive 表面間隔が物理的長尺度として果たす重要な役割を強調し、メッシュの細分化を制限し、動的破壊シミュレーションの精度に影響を及ぼすことを明らかにした。

ABSTRACT

Finite element calculations of dynamic fracture based on embedding cohesive surfaces in a continuum indicate that the predictions are sensitive to the cohesive law used. Simulations were performed on a square block in plane strain with an initial edge crack loaded at a constant rate of strain. Cohesive laws that have an initial elastic response were observed to produce spontaneous branching at high velocity, but to modify the linear elastic properties of the body. As a consequence the cohesive surface spacing cannot be refined arbitrarily and becomes an important length scale in the simulations. Cohesive laws that are initially rigid do not alter the linear elastic response of the body. However, crack branching behavior was not observed when such a cohesive relation was implemented using a regular finite element mesh.

研究の動機と目的

• 動的破壊シミュレーションにおける cohesive 表面を用いた有限要素解析の信頼性を評価すること。
• 異なる cohesive 法則が動的破壊における亀裂伝播および分岐挙動に与える影響を調査すること。
• cohesive 表面間隔およびメッシュの細分化がシミュレーション結果に与える影響を特定すること。
• cohesive 表面法が物理的破壊力学を人工的効果を導入せずに正確に捉えられるかどうかを評価すること。
• 弾性的および剛性のある cohesive 法律が動的亀裂挙動を予測する性能を比較すること。

提案手法

• 平面ひずみ状態下で一定ひずみ率荷重を受ける、初期に端部に亀裂を有する正方形ブロックを対象に、有限要素シミュレーションを実施した。
• 亀裂の成長をモデル化するために、連続体内に cohesive 表面を埋め込み、初期弾性応答を有する cohesive 法則または初期剛性を有するものを使用した。
• メッシュ構造が亀裂分岐挙動に与える影響を評価するために、規則的な有限要素メッシュを用いた。
• cohesive 法則による意図しない剛性化を検出するために、物体の線形弾性特性をモニタリングした。
• 亀裂経路の安定性、分岐、cohesive 表面間隔への感受性について結果を分析した。
• 初期弾性を有するか否かにかかわらず cohesive 法則を比較し、その影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 cohesive 法則の選択が動的破壊シミュレーションにおける亀裂分岐に与える影響は何か？
• RQ2 cohesive 表面間隔がシミュレーション結果およびメッシュ収束に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 cohesive 表面法は、体積材料の線形弾性応答を変更せずに動的破壊を正確にシミュレートできるか？
• RQ4 なぜ弾性的 cohesive 法律を用いたシミュレーションでは自発的な亀裂分岐が生じるのに対し、剛性法則では生じないのか？
• RQ5 有限要素メッシュ構造は、cohesive 表面を用いた場合の亀裂分岐予測にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 初期弾性応答を有する cohesive 法則は、材料の意図しない剛性化を引き起こし、線形弾性特性を変更し、高速度下で自発的な亀裂分岐を引き起こした。
• cohesive 表面間隔は、剛性化の影響により任意に細分化できず、シミュレーションにおける重要な長尺度となった。
• 初期剛性応答を有する cohesive 法則は、材料の線形弾性応答を保持し、人工的剛性化を回避した。
• 正しい弾性応答を保持したにもかかわらず、剛性 cohesive 法則は規則的な有限要素メッシュ上では亀裂分岐を発生させず、分岐予測におけるメッシュ依存性を示唆した。
• 結果から、cohesive 表面法は cohesive 法律の定式化およびメッシュ構造に敏感であり、動的破壊シミュレーションにおける予測精度を制限することがわかった。
• 本研究は、cohesive 表面法が動的破壊シミュレーションにおいて誤った結果を生じさせないよう、cohesive 法律のキャリブレーションおよびメッシュ解像度の注意深い選定が不可欠であると結論づけた。