2017 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of design method for mechanical properties of microcellular foam material by homogenization of microstructure
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15K05671
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
松田 昭博 筑波大学, システム情報系, 准教授 (20371437)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 均質化 / 有限要素法 / 力学試験 / マイクロセルラー発泡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポリウレタンやポリエチレンなどを発泡させた発泡材料の内部気泡を，マイクロセルラー発泡(MCF)プロセスなどで微細化し，均等に発泡させることによって，比強度や破壊エネルギーを向上させることができることが知られている．これらの発泡材料の樹脂材料を粘弾性体として扱い，有限要素解析に均質化理論を適用した数値解析プログラムを開発し，ガス気泡とポリマー樹脂の硬化による力学特性を解析的に再現することを目的として，以下の研究を実施した．
１）MCFにおけるポリマー樹脂のモデル化
本研究は，発泡材料内部の微細構造を構成する梁や膜の応力-ひずみ関係を非線形弾性体である超弾性体を用いて，梁や膜の形状を有限要素解析のメッシュ分割で再現した．そのため，平成28年度に引き続き，ポリウレタン発泡材料の母材の応力-ひずみ関係の取得と，発泡構造の形状測定を実施した．また，形状の異なる構造セルが規則的に含まれる試験片を作成し，スクリュー式静的荷重試験機であるオートグラフ（島津製作所製）を用いて，その変位と荷重の関係を取得した．得られた結果を均質化解析によってシミュレーションすることで，超弾性体を用いた均質化解析の適用性を示した．
２）MCF発泡材料の力学解析および力学試験
非線形の粘弾性体を材料モデルとして，均質化法を適用した有限要素法の数値解析コードを平成28年度に引き続き開発した．これまでに開発した切隅八面体および新たに開発した六面体のユニットセルを採用し，周期的な境界条件を付加することによって，ユニットセルが周期的に並ぶミクロ構造を再現した．ユニットセルの各辺を超弾性の梁でモデル化することによって，空隙が連続している発泡材料の空間と母材の比である相対密度を再現した．また，発泡材料のCTの結果からボクセル解析を実施し，セル構造のばらつきがMCF材料の巨視的な応力とひずみの関係に与える機構について良好に再現した．
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