応力波の伝播(スポーリング)をFEMで解析する



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高速(超高速)飛翔体が,目標物(ターゲット)に衝突すると, 衝突界面の裏面が破壊が発生する場合があります. これを「スポーリング」と呼びます. スポーリングは,ターゲット内部の応力波伝播干渉 によって起こります. ターゲット内部で応力波の干渉により引張り応力が発生し, その応力がターゲット材料の引張り強度を超えると, そこで破壊が起こります. すなわち,物体に衝突した界面の損傷では無く,衝突した面 の裏面が大きく破壊します.

下図のアニメーションは,高速で飛翔する弾丸が, 目標物に衝突した場合のシミュレーション結果の例で, 応力分布を示しています. 計算は,当研究室で開発した 陽解法による動的熱弾塑性FEMソフト(RDynFfem)で行いました.

弾丸がターゲットに衝突すると,弾丸の頭は塑性変形します. ターゲット材の中には,応力波が伝播し,衝突面の裏面に到達すると, 反射して戻ってきます. この時,応力波の干渉により, 衝突面の裏面(自由面側)では,応力波の干渉によって場合によっては 大きな引張り応力となります. この引張り応力が材料の引張り強度を超えると,そこで破壊が生じます.

「弾性応力波の伝播」のページで分かるように, 出力棒の長さが,入力棒の長さよりも長い場合, 衝突後の出力棒には,圧縮と引張りの応力が交互に出現します. 最初に引張り応力が出現する位置は,出力棒の自由面から,ちょうど入力棒 の長さと同じ距離の所です. 一次元の応力波を考える場合,スポーリングはこの位置で起こります. 今回は,一軸応力では無く,弾塑性変形なので,応力波の干渉は 複雑になります.

下図のアニメーションで,圧縮応力波(青い色)がターゲットの自由面に到達した後, 自由面側に近い内部で赤い領域(引張り応力)が発生している 様子が分かります. もしも,この引張り応力が材料の引張り強度以上であるなら, ターゲット材は,自由面側の内部で大きく破壊することになります.

result1 result2

左は,水平方向の応力分布,右は平均垂直応力(静水圧)分布を示しています.

These results were simulated by the FEM software "RDynFem" that has been developed by Dr.Jun Shinozuka.


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