岩盤切削に関する実写とFEMシミュレーション

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本コンピューターシミュレーションに用いた解析プログラム、２次元粒状体挙動解析システム（PFC2D）、および３次元粒状体挙動解析システム（PFC3D）は、個別要素法による粒状体挙動解析コードです。基本となる要素形状は、PFC2D（２次元版）では円、PFC3D（３次元版）では球であり、それらの円または球の粒子を集合あるいは接着することにより様々な形状をモデル化することができます。そして、力学原理に基づき、粒子の集合体の移動及び相互作用を評価するプログラムです。
PFC は土粒子、砂、粉体などの粒状体の流動・混合挙動だけでなく、粒子の集合体として様々な物質、構造体、岩盤、コンクリートなどの動的な破壊を含めた固体材料の挙動も取り扱うことができ、変形から破壊、亀裂の進展、崩壊といった非連続体挙動解析、大規模な崩壊・破壊および流動シミュレーション解析が可能です。

解析プログラムの紹介Ｗｅｂ：
http://www.civil-eye.com/software/jiban/pfc/index.htm



scene 1

最初に、岩盤切削の実写映像をお見せします。
これは、高強度鋼のカッターによって岩盤片を切削するもので、切削カッターを水平方向（向かって右方向）に移動させながら、岩盤片を削り取っていくものです。



scene 2
ここでは、試験片として、砂岩を用いており、高強度ではあるが非常に脆いため、小さな塊が剥離しながら削られていく様子がわかる。


scene 3
切削の様子を仔細に観察すると、カッター前面では砂岩が粒子状態でサラサラ落下していくものと、その後方にて小塊化して分離するものとに分かれ、所定の厚さに切り取られていることがわかる。




scene 4
今度は、粒子解析プログラム（コード名：PFC）を用いて、画像１の実写挙動を再現するため、岩盤切削挙動の数値シミュレーションを行いました。
ここでは、半径0.1mm〜0.2mmの均一な粒径分布の粒子の集合体で構成し、かつ、粒子間をPFCのパラレルボンド機能によって接着し、対象とする岩盤片（ここでは、砂岩）をモデル化した。


scene 5
高強度鋼製カッター（解析モデルとしては、弾性剛体）による切削によって、粒子間の接着が切れ、切削前面（右側）に小さな塊が剥離しながら切削されていく様子わかります。　
カッター前面よりかなり前方に接着の破壊箇所が出現することも興味ある解析結果である


scene 6
図中の赤い粒子は接着が切れた粒子を表現し、その切れた粒子間の中央に青い線分が描かれており、亀裂の生成した位置を示している。また、破面が連続することにより、岩盤の小塊が上方の押し出されることがわかる。
解析コードPFCによる解析シミュレーションによって、岩盤切削挙動が忠実に再現されていることがわかる。