Development of energy function identification system for hyperelastic materials by indenting thin films

Research Project

Project/Area Number	22K03814
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research Institution	Chuo University
Principal Investigator	辻知章中央大学, 理工学部, 教授 (80188531)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2022: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Keywords	超弾性材料 / エネルギー関数 / 円盤試験片 / 押し込み試験 / 材料定数同定 / 押し込み / 薄膜 / 同定
Outline of Research at the Start	薄い超弾性体円盤の円周を固定し，中央を種々の形状の押し込み棒で押し込み，押し込み棒に取り付けられたロードセルにより押し込み荷重を測定するとともに，円盤下部からレーザープロファイラーにより超弾性体円盤の側面形状の変化を計測する装置を開発する．この試験により得られるプロファイル（円盤の変形形状）と荷重の情報は，等2軸，1軸拘束を含む様々な2軸に対する変形形状を含んでいる. この結果を元に，有限要素法シミュレーションによる超弾性体のエネルギー関数のパラメーターの同定解析を行う.
Outline of Annual Research Achievements	人間や環境に優しい，人工筋肉に見られるソフトなアクチュエーターの開発には，ゴムの様な超弾性材料の変形挙動を詳しく知る必要がある．そのためには，2軸試験により，様々な変形と荷重の関係を求める必要がある．しかし，従来の多軸試験では，特殊な装置による複数回の試験が必要である．そこで，本研究では，薄い円板試験片の押し込みによる2軸試験を簡便に行う装置を作成し，その結果を用いてエネルギー関数の同定を行うシステムの開発を行う．最初の年度として、円盤状の薄板ゴム試験片の押し込み装置の開発を行なった。従来の万能試験機を用いた試験機を用いて、円盤試験片を押し込む装置を作成し、下面からプロファイルの測定を行い、超弾性材料としてのエネルギー関数の同定を行なった。これにより得られた成果は、2022年9月に開催された、 M&M 2022 材料力学カンファレンス　において、以下の題目で発表を行った題目：薄膜押し込み試験を用いた超弾性材料のエネルギー関数同定、著者：○宮本颯太(中央大), 辻知章この発表の概要は、以下のとおりである。レーザープロファイラーを用いて，円板試験片の押し込み変形を測定することにより，押し込み荷重と押し込み変形を同時に測定する装置を考案した．本装置により，単純引張を含む様々な2軸状態の変形と荷重との関係を同時に測定することが出来る．測定値と有限要素法のシミュレーション結果の差の二乗和を最小にすることにより，3種類のエネルギー関数のパラメータの同定を行った．パラメータの数が最も多いOgden model が実験値との一致度が若干（3%程度）であるが良かった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2022年度の目標である、押し込み試験機の作成を行い、エネルギー関数の同定が可能であることが示された。
Strategy for Future Research Activity	2022年の研究過程で、多くのゴム材料が粘弾性挙動を示すことから、 1）荷重制御の必要性、2）繰り返し実験の必要性がわかった。そこで、空気圧シリンダーによる荷重制御の押し込み装置の2023年度前期までの開発を目指している。