2020 Fiscal Year Research-status Report

縦型単層ラチス構造の座屈および座屈後挙動に関する研究

Research Project

Project/Area Number	18K04440
Research Institution	Kogakuin University
Principal Investigator	山下哲郎工学院大学, 建築学部(公私立大学の部局等), 教授 (80458992)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	円筒ラチスシェル / ３Dプリント / アルミ合金 / 軸圧縮座屈 / せん断座屈 / 接線係数理論
Outline of Annual Research Achievements	コロナ禍で実験の実施が不可能であったため、１）前年度に実施した実験の試験体であるアルミ製３Dプリント円筒ラチスシェルの形状分析とその手法の確立、２）軸圧縮を受ける円筒ラチスシェルの塑性座屈耐力の接線係数理論による推定方法の検討、３）せん断座屈に関する線形座屈荷重の、連続体置換法による座屈荷重推定法の精度評価、の３点を実施した。１）ラチスシェル構造は骨組構造であり、通常解析モデルには線材要素を用いるが、３Dプリントされた円筒ラチスシェル試験体は実際の体積を有する固体であるため、実験の追解析に線材要素からなる有限要素解析モデルを構築する場合には、節点の位置を試験体のボリュームの内部に特定する必要が生じる。また初期不整の抽出も重要である。２０２０年度においては東京都産業技術研究所によりスキャンした高精度な３Dスキャン（.stl）データより、Rhinoceros-grasshopperの最適化機能を用いて円筒の軸と節点の位置を定め、同時に円筒の初期不整を抽出する手法を考案した。２）円筒ラチスシェルに座屈後の変形性能を期待する場合は弾性域でなく塑性域で座屈が生じるように設計する必要があり、アルミや高張力鋼などの降伏点の不明確な材料で塑性座屈荷重を簡易に推定する方法として古典的な接線係数理論（材料学的非線形性の接線剛性を線形座屈解析に用いて塑性座屈荷重を推定する方法）がある。その適用性を有限要素解析を用いて検証した。座屈荷重は比較的精度よく推定可能であるが、座屈に至る塑性変形（変形性能）の評価の精度は低いためさらなる検討が必要である。３）搭状構造物では水平荷重がクリティカルとなることが多いため、連続体円筒シェルのねじり座屈荷重解に連続体置換法を適用して算定するせん断座屈荷重と数値解析（線形座屈解析）を比較し、その精度の評価を実施した。アスペクト比が精度に大きく影響する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason コロナ禍で実験が実施できなかったため、次の実験のための検討（計測精度の向上や試験体・加力治具の再検討）や、試験体製作技術に関する企業へのヒアリングが大幅に遅滞している。また大学教育のオンライン化のための多大な授業負担の影響も大きく、特に前期はほとんど研究が不可能であった。一方、試験体の形状分析手法の開発や、接線係数理論の適用性検証など、有限要素解析で可能な研究に関してはそれなりの進捗を得ている。しかしながら、金属製円筒ラチスシェルの軸圧縮座屈のような材料学的ならびに幾何学的非線形性の双方の影響を受ける強非線形問題において、数値解析を実験の代用とした研究を行うには、数値解析結果と実験結果を比較検証して解析精度を確認する必要がある。この点については、１）２０１９年度の試験体の形状分析に時間を費やしたこと、２）実験材料のアルミ合金の靭性が低く、実験では亀裂が生じてその再現が難しいこと、の２点より現時点では不十分であり、解析と実験結果の間に最大で３割程度の隔たりがある。
Strategy for Future Research Activity	１）ステンレスなど靭性の高い材料を探索し、予算の範囲で可能であれば再度３Dプリント試験体を製作して実験を実施する。これにより破断の影響を回避して有限要素解析と比較検証を実施する。また実験時の計測精度の改良を試みる。２）有限要素解析により、弾塑性せん断座屈解析を実施し、連続体円筒シェルにおける径厚比のような、荷重保持能力と変形性能に影響する因子を抽出する。このとき鉛直荷重と組み合わせてその影響を調べる。また解析精度の検証も兼ねてせん断座屈実験を試みる。３）4年間の成果をとりまとめて論文化する。研究成果はwebページやSNS等でも発信を試みる。
Causes of Carryover	2020年度ではコロナ禍により実験の実施と国際学会参加が不可能となったため、予算の内訳である実験費用と旅費を執行していない。研究はすべて既存ソフトによる数値解析によるもので、特に経費が発生していない。 2021年度は実験（試験体、加力治具、計測ソフトと交通費、謝金）と結果の分析ならびに解析に使用するPC等、成果発表のための論文搭載料などに使用する予定。