エネルギートラッピングと非線形弾性波に基づく新しい衝撃吸収構造の創製
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22K14154
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
安田 博実 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 宇宙航空プロジェクト研究員 (10910903)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | マルチステイブル / 機械的メタマテリアル / 衝撃吸収構造 / 非線形波動 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、bistableな折り紙構造が持つエネルギートラッピングの性質に注目し、折り紙構造中における非線形波動に基づく新しい衝撃吸収構造の開拓を目指す。従来の衝撃吸収材はそれ自体を破壊してしまうのに対し、本研究では複数の折り紙ユニットセルを連結させたネットワークを形成し、弾性変形のみによる逐次的なエネルギー遷移を誘発する非線形波動を作り出すことで、塑性変形が伴わないエネルギー吸収・散逸を行う。また、本研究は構造中を伝搬する非線形波動の物理現象としての理解とその工学応用をつなぐ役割を果たす。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、複数のエネルギー的に安定な状態を有するマルチステイブルな特性を示す構造に注目し、エネルギートラッピングを伴った非線形波動伝播に基づく衝撃吸収機構の開拓を目指す。構成要素となるユニットセルの機械的特性を特定の材料に依存するのではなく、幾何形状の設計により特性の向上を図ることで、これまでの塑性変形を用いた衝撃吸収とは異なり、弾性変形のみによるエネルギーの吸収・散逸により繰り返し利用が可能な衝撃吸収構造の実現が期待できる。
2022年度は、折り紙構造に基づくマルチステイブル構造のデザインとそのモデル化を行った。モデル化では、折り紙に基づく構造を剛体要素とそれらをつなぐ折り目部を回転ばね要素として構成することで、大きな変形が伴う折りの挙動を表現できるようにした。このモデルを用いて、構造全体の変形挙動や静的な機械応答の解析の他に、数値解析によりユニットセルレベルでエネルギー的に安定な状態が1つのモノステイブルから複数有するマルチステイブルなデザインまで様々なコンフィグレーションを発見した。また、設計したユニットセルを複数連結させたチェーン構造の数値解析も実施し、与える衝撃に応じて孤立波の生成またはエネルギートラッピングを伴う非線形波動といった異なる波動伝播の現象を発現することを明らかにした。このようなマルチステイブル構造の製作に関して、樹脂材料を用いた積層造形装置による試作も行っている。
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| 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年度の目標としていた、マルチステイブル構造の静的・動的解析を行うための数値解析ツールの実装と、それを用いた波動現象の数値的な解析に関して、当初の予定通り研究が進展している。また構造の製作に関しては、異なる種類の積層造形装置による試作・比較を実施し、2023年度に予定している検証実験に用いるプロトタイプ試作の準備が整ってきている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度では、数値解析を中心にマルチステイブル構造のユニットセルレベルおよびチェーン構造における、マルチステイブル特性の評価およびエネルギートラッピングを伴う非線形波動伝播の解析を実施し、弾性変形のみによる衝撃吸収機構の可能性を数値的に検証することができた。この結果を踏まえ、2023年度では、数値解析による衝撃吸収におけるエネルギー吸収特性の最適化、およびプロトタイプを製作し衝撃吸収特性の実験的検証を行う予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
