2018 Fiscal Year Research-status Report
形状記憶合金の新たな座屈後力学特性の解明とそれを用いたパッシブ除振系の高性能化
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18K04025
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
佐々木 卓実 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (80343432)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長 弘基 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (00435421)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 形状記憶合金 / 座屈 / 静的復元力 / 負剛性特性 / 有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまでに (i) 形状記憶合金の材料非線形性と構造非線形性および材料の寸法パラメータがはり座屈後の負勾配特性に与える影響の検討、および (ii) 材料の組成・使用温度条件と負勾配特性の関係の検討を行った。以下にその概要を示す。
まず、形状記憶合金の材料非線形性と構造非線形性の関係を検討するため、有限要素解析を用いた数値的な検討を行った。この際、材料非線形性は、Ti-Ni系形状記憶合金の応力-ひずみ曲線における非線形特性およびヒステリシス特性を4本の直線で近似したものを用い、また、構造非線形性は、構造の大変形による非線形性を考慮して解析を行った。その結果、変形したはり要素内部で形状記憶合金がオーステナイトからマルテンサイトに相変態すること、およびその変形形状が構造非線形性を伴う大変形であることが組み合わさることで、座屈後の静的復元力が負勾配特性を示すこと、また除荷時にはヒステリシス特性を示すことを確認した。さらに、Ti-Ni系形状記憶合金が示す超弾性特性ではなく、Fe系形状記憶合金などが示す擬弾性特性をもつ材料においても負勾配特性を示すことを確認した。このような特性を数値的に検討した例はこれまでになく、本特性を工業的に利用するための基盤となる解析を行えたものと考える。
次に、材料の組成・使用温度条件と負勾配特性の関係を実験的に検証した。ここでは主にTi-Ni系形状記憶合金を用いて実験を行った。その結果、使用温度条件によって異なる座屈荷重および負勾配特性を示すことを確認した。特に、マルテンサイト変態を発生する体積割合の多くなる低温度環境下では、大きな負勾配を示すことを確認した。また、Ti-Ni系以外の材料として、Ti-Al系形状記憶合金においても、負勾配特性を示すことを確認した。
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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
当初の計画通り、座屈後形状記憶合金の負勾配特性に与える材料非線形性と構造非線形性の影響を数値解析により検証することが出来た。形状記憶合金の寸法パラメータと負勾配特性との間の関係性は、有限要素解析の結果から、定性的な推定を行うことが可能となった。また、材料非線形性と負勾配特性との関係から、必要な負勾配特性に応じた材料特性、すなわち熱処理方法を検討することが可能となった。
また、材料の組成・使用温度条件と負勾配特性の関係を実験的に検証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も計画に沿って研究を遂行する。まず、材料の熱処理条件と負勾配特性の関係については、上記の数値解析の結果から概ね推定することが可能となったが、本年度は実験的に検証し、推定結果の検証を行う。また、同時に材料の寸法パラメータと復元力特性、および材料の動的力学特性を数値解析により検証する。これに加えて、座屈後形状記憶合金の復元力の変形速度依存性について、実験的に検証する。これは、形状記憶合金の変形に伴う相変態速度と復元力の関係を検証するもので、現在のところ、数値解析で再現することが非常に困難な現象と考えられる。この現象を実験的に明らかにすることで、以降の研究で除振装置に適用した際の力学特性を把握する上での基礎データを構築する。
次に、上記の結果を踏まえた上で、座屈後形状記憶合金をパッシブ除振系へ適用し、除振性能検証のための予備実験を行う。まずは、実験モード解析により、除振系の力学特性の基礎データの取得を目指す。
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