メールマガジン No.52（2022 年 8 月）

2022 JACM 総会のご案内
岡田 裕

例年、JACM は IACM 関連の計算力学会議開催に合わせて、JACM 総会を開催してきておりますが、一昨年、昨年ともに本年は関連国際会議がいずれもオンライン開催となったためオンライン（Zoom）にて JACM 総会を開催してまいりました。しかし、本年は新型コロナウイル
ス感染症流行が終息しつつありますので、対面・オンライン（Zoom）のハイブリッドにて JACM 総会を開催することと致しました。

第二部

JACM 会長（東京理科大学）

JACM 20 周年記念 特別講演 (15:15～16:45)

東京大学大学院工学系研究科システム創成学専攻 吉村忍教授（JACM 元会長、2011 年 JACM CM 賞受賞）
JACM の 20 年の歩みと今後への期待
東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻 高木周教
授（2021 年 JACM CM 賞受賞）
流体力学における自由境界問題と数値計算手法の選定について記2022 年 JACM 総会のご案内

懇親会：
時間：総会終了後～1 時間半程度
場所：会場近隣を予定
会費：別途申し受けます
実施するかどうかについては後日お知らせする予定です。

日時：2022 年 9 月 17 日(土) 13:30〜16:45
場所：
・東京理科大学森戸記念館第 1 会議室
東京都新宿区神楽坂 4-2-2
地図、案内：
https://www.tus.ac.jp/tuslife/campus/facility/
・Zoom 遠隔（オンライン参加の皆様には Zoom リンクを後日お知らせします。）
参加費: 無料

問い合わせ先：JACM 事務局 jim@ja-cm.org

第一部 2022 JACM 総会(13:30～15:00)

以 上

議題：
(1) 岡田会長挨拶(2) 名誉員証授与式(2) 2022 年 JACM Award 授賞式(3) 年間活動報告(4) 今後の活動計画(5) その他- 1 -JACM 賞受賞者セミナーシリーズ開催報告
岡田 裕
第 2 回 JACM 賞受賞者セミナーの開催報告を致します．
2022 年 3 月 17 日（木）夕刻に第一回を開催しました．これは， JACM 賞受賞者の皆様の最新の研究成果を JACM会員の皆様と共有する目的の下，JACM（Japan Associationfor Computational Mechanics）の新しい取り組みとして開始したセミナーシリーズ第２回目になります．今後，年 3 回程度，最近の JACM 賞受賞者の方々にご講演をお願いし，オンライン形式で開催していきます．なお，新型コロナウ
イルス感染症終息後は対面・オンラインハイブリッド形式として、講演終了後に簡単な懇親会を開催することで，ばらんな意見交換と研究交流の場になることを期待しています．

第二回目は下記の内容にて開催いたしました（写真 1）．
日時：3 月 17 日（木） 17:00–19:00
場所：オンライン開催
1．開会あいさつ

JACM 会長、東京理科大学

岡田裕

2．2018 JACM YIA 柴田和也氏（東京大学大学院工学系研究科 システム創成学専攻准教授）
粒子法の可変解像度の流体解析手法とその工学的応用
3．2021 JACM YIA Shunhua Chen 氏（School of Marine Engineering and Technology, Sun Yatsen University, China, Associate Professor）
Fracture simulations of laminated composite structuressubjected to various loading conditions
4．閉会あいさつ

JACM 副会長、早稲田大学

滝沢研二

第 2 回目は約 30 名の方々にご参加いただいています．
柴田和也先生と Shunhua Chen 先生から粒子法や粘着要素による最先端の解析事例をご紹介下さいました．内容については，本号の記事としてご寄稿頂いた記事をご覧ください．JACM 総会が 9 月に予定されておりますので，次回は2022 年 12 月に予定しております．今度こそ，対面・オンラインハイブリッド開催をしたく考えています．ぜひご参加下さいますようお願い致します．

写真 1 参加者集合写真- 2 -JACM 会長（東京理科大学）

粒子法の可変解像度の流体解析手法とその工学的応用
Multi-resolution particle methods
for fluid analysis and their applications in engineering柴田2022 年３月 17 日にオンラインで開催された JACM 受
賞者講演会において講演した要旨を報告する。
１．はじめにMPS 法や SPH などの粒子法は自由表面流れの数値解析を得意としており、自由表面の大変形や分裂などを容易に計算できるという利点がある。ただし、自由表面流れの解析において空間解像度を局所的に変更することは、粒子の粗密による不安定性や計算誤差が生じやすくなり粒子法にとって難しい。そのため、通常の粒子法計算では計算領域全体に渡って均一な大きさの粒子（計算点）を使用することが多い。
流体現象の詳細を把握するためには、小さな粒子を用いる必要があることが多い。均一な大きさの粒子を計算領域全体に渡って使用する場合は、小さな粒子径の粒子を用いると粒子数が膨大になり、計算時間が長時間になる問題がある。そこで近年、空間解像度を局所的に変更可能な粒子法（可変解像度粒子法）[1～9]が開発されている。その多くは、あらかじめ大きさの異なる粒子を配置しておく方法や、粒子を分裂・合体させる手法である。
２．提案手法著者らが提案した可変解像度粒子法は、大きく分けて２つある。１つは楕円体粒子モデル[10]である。これは x, y, z軸の各方向に異なる径を持つ粒子のモデルである。座標変換を用いることで、通常の粒子法の計算プログラムを大きく変更することなく、ある座標軸方向の空間解像度を変更可能にしている点に特徴がある。
２つ目の可変解像度手法は、重合粒子[11]と名付けた手法であり、計算領域を複数の小領域に分割し、小領域ごとに異なる粒子径を用いて計算する。各領域内においては均一の粒子径の粒子を用いる。小領域の端部同士をある距離だけ重ね合うように配置しており、小領域の端部において、小領域同士が接続されるよう内挿によって得られた速度分布と圧力分布を境界条件として与えるとともに、粒子を生成・削除することで粒子を流入・流出させる。各小領域内では均一の粒子径となるため、粒子の粗密に起因する計算誤差や計算の不安定性が生じにくいという長所がある。
３．応用例
3.1 船舶に加わる波浪荷重の数値解析[12]楕円体粒子モデルと重合粒子という２つの可変解像度手法をＭＰＳ法に適用し、船舶に加わる波浪による衝撃荷重を計算した。結果、開発した計算手法を用いて求めた船首部に加わる波浪による圧力は実験値に近く、必要な粒子数を削減できることを示した。
3.2 流体潤滑解析[13]可変解像度手法の１つである重合粒子を用いて流体潤滑現象を効率的に計算する手法を開発した。２次元円筒/平面滑り軸受の計算を行い、圧力分布が理論解とほぼ一致することを示した。また、重合粒子法により、計算コストを低減できることを示した。
- 2 -和也（東京大学）

４．おわりに可変解像度手法により粒子法の計算時間の大幅な短縮が可能となり、粒子法の実用性が向上したことについて紹介した。
謝辞
The JACM Computational Mechanics Award を 2018 年度に授与いただいた。また、本講演で紹介した研究は科学研究費補助金（基盤 (C), 18K04576）の助成を受けた。ここに謝意を表す。
参考文献[1] Z. Tang, D. Wan, G. Chen, Q. Xiao, Numerical simulation of3D violent free-surface flows by multi-resolution MPS method,
Journal of Ocean Engineering and Marine Energy, 2 (2016) 355364.
[2] D.A. Barcarolo, D. Le Touzé, G. Oger, F. de Vuyst, Adaptiveparticle refinement and derefinement applied to the smoothed
particle hydrodynamics method, Journal of ComputationalPhysics, 273 (2014) 640-657.
[3] X. Chen, Z.-G. Sun, L. Liu, G. Xi, Improved MPS methodwith variable-size particles, International Journal for Numerical
Methods in Fluids, 80 (2016) 358-374.
[4] M. Tanaka, R. Cardoso, H. Bahai, Multi-resolution MPS
method, Journal of Computational Physics, 359 (2018) 106-136.
[5] Wei Hu, et al., A consistent multi-resolution smoothed
particle hydrodynamics method, Computer Methods in Applied
Mechanics and Engineering, 324 (2017) 278-299.
[6] L. Chiron, G. Oger, M. de Leffe, D. Le Touzé, Analysis andimprovements of Adaptive Particle Refinement (APR) throughCPU time, accuracy and robustness considerations, Journal ofComputational Physics, 354 (2018) 552-575.
[7] P.N. Sun, A. Colagrossi, et al., Multi-resolution Delta-plusSPH with tensile instability control: Towards high Reynolds
number flows, Computer Physics Communications, 224 (2018)
63-80.
[8] Balázs Havasi-Tóth, Particle coalescing with angularmomentum conservation in SPH simulations, Computers &Fluids, 197 (2020) 104384.
[9] Xiaoxing Liu, Shuai Zhang, Development of adaptive multiresolution MPS method for multiphase flow simulation,
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 387(2021) 114184.
[10] K. Shibata, S. Koshizuka, I. Masaie, Cost reduction ofparticle simulations by an ellipsoidal particle model, ComputerMethods in Applied Mechanics and Engineering, 307 (2016)
411-450.
[11] K. Shibata, S. Koshizuka, T. Matsunaga, I. Masaie, The
overlapping particle technique for multi-resolution simulation ofparticle methods, Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering, 325 (2017) 434-462.
[12] 柴田和也, 前田智紀, 馬場禎男, 金井健, 三段階の双方向重合粒子による可変解像度粒子法を用いた船舶に加わる波浪荷重の数値解析, 日本船舶海洋工学会春季講演会, 2021 年 6 月 1 日.
[13] D. Yamada, T. Imatani, K. Shibata, et al., Application of
improved multiresolution technique for the MPS method to fluid
lubrication, Comp. Part. Mech., 9 (2022) 421-441.

Development of cohesive zone-based algorithms for impact failure oflaminated glass structures
Shunhua Chen (Associate Professor, Sun Yat-sen University, China)
Laminated glass structures that are comprised of several
glass layers bonded by plastic interlayers have found widespread
applications in various engineering fields, e.g., automotive,architectural, and marine industries. Such structures arenormally regarded as safety components, as the structures canabsorb some impact energies and keep most of the glass shards
adhered to the plastic interlayers for impact contact scenarios.
Increasingly, numerical simulations have been advocated as amain approach for impact failure analyses of laminated glass.
However, the impact failure phenomena of laminated glass arequite complicated and normally involve glass fracture,
glass/interlayer debonding, and non-smooth contact interactions
between cracks, thereby posing significant challenges fornumerical simulations. To date, various numerical algorithms,e.g., the element deletion method, the combined discrete/finite
element method, the extended finite element method, and theperidynamic method, have been developed and adopted for theapplication of interest. In this regard, the author and his coworkers have developed novel cohesive zone-based algorithms
to accurately reproduce the progressive impact failure behaviorof laminated glass. The main research works have been
published on Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering (2015, 294: 72-99), Composite Structures (2016,138: 1-11; 2019, 229: 111406; 2021, 256: 113112), Computers& Structures (2019, 215: 80-97), Composites Part B:Engineering (2017, 122: 47-60), International Journal of Impact
Engineering (2019, 126: 147-159; 2020, 141: 103577; 2020, 141:103564; 2022, 163: 104187), and International Journal ofComputational Methods (2018, 15(08): 1850077), and theachievements can be summarized as follows.
Firstly, a series of novel cohesive zone models that canprovide an efficient and effective way to model challenging
crack behaviors have been developed to describe the two main
failure patterns, i.e., glass fracture and glass/interlayer
debonding, of laminated glass subjected to impact loadings. In
our works, considering the structural characteristic of laminatedglass plates, we started by developing intrinsic and extrinsic
models in conjunction with solid-shell and shell elements forglass cracking. As for the debonding, we developed facet- andnodal-based intrinsic models that could effectively deal with thedebonding between material layers (e.g., glass and interlayer)with large modulus mismatch, which allowed the use of nonmatching cohesive elements. In order to address the artificial
compliance issue, a nodal-based Lagrange multiplier/cohesivezone model was developed, where the continuities acrossmaterial interfaces were effectively enforced via Lagrange
multipliers at finite element nodes before the onset of interfacial
cracking. In addition, a nodal-based extrinsic model wasproposed, and numerical results showed that the novel model
was computationally more efficient than traditional intrinsic
models. Another novelty of this model is that it can effectively
address the time continuity problem arising in conventional
extrinsic models. Some of the results are shown in Figure 1.

(a) Brittle cracking of a hemispherical shell(b) Delamination of a multi-layered structure using astructure using an intrinsic cohesive zone model
Lagrangian multiplier/cohesive zone model

Figure 1: Brittle cracking and delamination simulations.

Secondly, contact algorithms have been developed in thecontext of cohesive crack modeling. In view of the adaptive
insertion of extrinsic cohesive elements, an efficient global
contact search algorithm including a regular search and anadaptive search was developed. As the contact interactions
between cracks and fragments are typically non-smooth andmultiple collisions among glass fragments are involved, thetraditional segment-based contact algorithms are not sufficient.
A robust local search algorithm was therefore developed, whichfacilitated the judgements of node–face and edge–edge contacts
with a unified inside–outside approach. In the context of
extrinsic cohesive modeling, an unphysical phenomenon called
contact force jump may happen with the classical node-tosegment contact treatment, and thus mortar-based contact
algorithms have been developed. In addition, contact algorithms
were coupled with cohesive elements to achieve a smoothtransition from cohesive cracking to pure contact sliding.
Thirdly, the impact failure behaviors of laminated glass
have been thoroughly investigated via the developed cohesivezone-based numerical algorithms. We established high-fidelity
finite element models for laminated glass, where glass/interlayer
bonding was described via cohesive zone models as well. Our
simulation results were found in good agreement withcorresponding experimental data in terms of failure patterns andimpact force histories. The propagations of stress waves of thelaminated glass during the crack process were numericallyillustrated, and the glass-ply cracking mechanism was revealed.
The effects of interlayer film, the adhesion, impact velocity, andimpact angle on impact failure behavior and energy absorptionof laminated glass have been numerically investigated. Some of
the results are shown in Figure 2. The numerical conclusions canbe useful for the structural design of laminated glass structures.

(a) Results via anintrinsic cohesive model(b) Experimental
results(c) Results via element
deletion method

Figure 2: Comparisons of numerical and experimental results

編集責任者
滝沢- 1 -

研二（早稲田大学）