耐熱性インテリジェント構造材料の最適設計に関する基礎的研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650112
• Research Institution: Shimane University
• Principal Investigator: 芦田 文博 島根大学, 総合理工学部, 教授 (60149961)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂田 誠一郎 島根大学, 総合理工学部, 助手 (80325042)
• Keywords: インテリジェント材料 / 最適設計 / 耐熱性材料 / 多層複合平板 / 圧電セラミックス / 非定常熱弾性問題 / 三次元解析 / 平面応力解析

Research Abstract

今年度は次の2つの課題について研究を行った.これらの研究で得られた新たな知見等は以下の通りである.
1.耐熱性構造材料層と圧電セラミックス層で構成された複合円板の過渡的なセンサ機能の発現に関する研究
昨年度までの研究成果に基づき,今年度は,時間変数に関する差分法を適用して,構造材料層の自由表面に未知の非定常媒質加熱が作用した場合に,圧電セラミックス層の自由表面に惹起された非定常電位分布が測定されたものと仮定し,この電位分布から未知の媒質加熱を決定する非定常熱弾性逆問題に関する数値シミュレーションを行った.また,このとき二層複合平板に生じた非定常温度,弾性変位,応力及び電気変位も数値的に明らかにした.この研究成果により,二層複合円板モデルにおいて過渡的なセンサ機能の発現が可能となった.これまでの研究で,非定常熱負荷に対応するセンサ機能とアクチュエータ機能の発現法が確立されたので,来年度は当初の研究目的である複合円板のインテリジェント機能に関する研究を行う予定である.
2.平面応力に基づく近似解析に関する研究
昨年度までの研究成果に基づき,今年度は,圧電セラミックス円板の非定常熱弾性問題を温度場と電気場は三次元で,弾性場は平面応力で近似して解析した.得られた近似解を三次元解と数値的に比較したところ,近似誤差は非定常状態において最大となることが明らかになった,しかし,円板に生じた量の最大値に対する近似の最大誤差は依然として小さく,非定常状態においても近似解の有効性を確認できた.さらに,三次元解で導かれた軸応力とせん断応力は非定常状態で最大となり,その時間は近似誤差が最大となる時間とほぼ一致した.従って,近似解において軸応力とせん断応力を無視した為に,非定常状態で近似誤差が大きくなったものと考えられる.

Research Products

• [Publications] F.Ashida: "A General Plane-Stress Soution in Cylindrical Coordinates for a Piezothemoelastic Plate"International Journal of Solids and Structures. 38・28-29. 4969-4985 (2001)
• [Publications] F.Ashida: "Analysis of Plane Thermoelastic Field in a Piezoceramic Circular Plate"Theoretical and Applied Mechanics. 50. 49-55 (2001)
• [Publications] F.Ashida: "Control of Transient Thermoelastic Displacement in a Piezoelectric Based Intelligent Plate"Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 12・2. 93-103 (2001)
• [Publications] F.Ashida: "Control of Transient Thermoelastic Displacement in a Composite Disk"Journal of Thermal Stresses. 25・2. 99-121 (2001)