2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of evaluation system for dynamic characteristics with two-dimensional nonlinear viscoelastic model of sport surface
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18K10869
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| Research Institution | Aichi University |
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Principal Investigator |
湯川 治敏 愛知大学, 地域政策学部, 教授 (40278221)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スポーツサーフェス / 2次元着地衝撃 / 2次元非線形粘弾性モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，2次元非線形粘弾性モデルを用いたスポーツサーフェスの動的特性評価法の開発を行う．従来，スポーツサーフェスの特性評価としては①衝撃試験による鉛直方向の衝撃減衰率と最大変位による緩衝性能評価および②特定の条件における動的な摩擦係数の測定によって評価していたが，この方法では人間の動作特性である斜め方向の衝撃やサーフェスとの接触期間全般にわたるような比較的長い作用時間を持つ衝撃力に対する特性を評価していない．そこで，これまでに筆者らが開発した2次元衝撃試験と新たに開発した作用時間の長い衝撃発生装置を組み合わせることにより鉛直方向だけでなく水平方向も含めた人間の動作特性を踏まえた衝撃試験を実施し， 2次元非線形粘弾性モデルによるモデル化およびパラメータ同定を行い，コンピュータ・シミュレーションによって様々な衝撃様式に対する動的特性を検討する．しかしながら， 2次元衝撃試験器のセンサユニットが充分には小型化されていないため，実際の足部と比較するとかなり大きな面積でサーフェスに衝撃を与えていることが課題として挙げられる．そこで初年度はまずセンサユニットの小型化を図ることを計画した．しかしながら，申請段階では3軸小型荷重センサを2セット購入することで小型化と精度の高い測定が可能となると考えていたが，査定額の減少によって3軸小型荷重センサは1セットしか購入することが出来なかった．そのため従来からは設計変更せざるを得なくなり3軸小型荷重センサ2個を前後に配するのではなく前方の3軸センサの替わりに鉛直1軸の小型荷重センサとスライドユニットを組み合わせることによりセンサユニットを構成することとした．このため従来の計画よりもスライドユニット分の厚みだけセンサユニットが大きくなった．しかしながら目的とする測定には利用可能であることが確認出来た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要でも述べたとおり，従来の研究計画では3軸小型荷重センサを2個用いたセンサユニットを設計しており，小型化及び高精度化が期待された．しかしながら査定段階で予算の削減となり，計画していた2個の3軸小型荷重センサを購入することは出来なかった．そこで2個目の3軸小型荷重センサの替わりとして1軸小型荷重センサを用い，更にその上部と3軸小型荷重センサをスライドユニットを介して組み合わせることにより，鉛直方向荷重を2センサに分配し，水平方向荷重については3軸小型荷重センサで計測する設計変更を行った．この設計変更によっても2次元衝撃試験は可能となるが当初予定していたセンサユニットのサイズよりはやや大きめのサイズとなった．初年度はセンサの購入，設計変更，センサユニット試作，および衝撃作用時間が長い衝撃試験の改良を行った．衝撃作用時間が長い衝撃試験とは従来の衝撃試験は人のランニング動作によって生じる地面反力のうち，着地直後のPassive Load（受動的衝撃）に相当する10～20msec前後の作用時間となる衝撃試験器を用いて衝撃試験を実施してきた．しかしながらランニング動作における地面反力後半のActive Load（能動的衝撃）の評価も必要であると考えられる為，同様の衝撃を発生可能な衝撃試験器を作成した．この試験器は従来人工芝の応答性能を評価するために作成されたものであるため，センサ固定部分や落下重錘の接触部分，装置全体の高さ調整などを2次元衝撃試験器およびセンサユニットに適合するよう改良を加えた．更に実験室内での測定だけでなく屋外での測定が可能となれば実際の施工済みのサーフェスの特性把握に利用することが出来る為，将来的な改良計画も検討しながらの改良となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は3軸小型荷重センサの購入及びセンサユニットの設計変更，長い衝撃作用時間を発生させる衝撃試験器に2次元衝撃センサユニットを装着する為の改良，モデルの再検討を行ってきた．今年度はセンサユニットの製作を完了させ，センサユニットの試験的な運用と設定可能な初期角度の確認，衝撃力，衝撃加速度の確認を行う．具体的には作成したセンサユニットをフォースプレート上に設置し，様々な初期角度の状態でセンサユニット上部から重錘を落下させ，センサユニットにおける鉛直・水平衝撃力とフォースプレートで計測された衝撃力との比較を行い，3軸小型荷重センサと1軸小型荷重センサによって鉛直・水平双方向の衝撃力が精度良く測定可能であるかどうかを確認する．また，衝撃時の2次元変位を測定するために3軸小型加速度センサを用いて鉛直・水平2方向の加速度を測定し，2階積分によって衝撃時の変位を算出する．この確認の為にはフォースプレートでは変形が起きないためウレタン系素材上にセンサユニットを設置し，側方から高速ビデオカメラを用いて2次元変位を測定し，加速度の2階積分から求めた変位との比較を行う．また，側方のカメラから撮影することでセンサユニット情報から重錘を落下させた際に測定器本体に装着したセンサユニット上下動をサポートする為の鉛直方向スライダやセンサユニットの衝撃力を鉛直・水平方向に分配するための平行四辺形リンクの遊びによってセンサユニット自体が側方を貫く軸での回転が生じていないかどうかを確認する．これらの確認後にスポーツサーフェスに対し，初期角度5度から25度まで5度ずつ，衝撃力を7段階，更に20msec以下の短い衝撃作用時間の落下重錘および300msec程度の長い衝撃作用時間の落下重錘を用いた衝撃試験を行う．それらのデータを一括処理することで様々な衝撃条件を加味した2次元粘弾性モデルのパラーメータ同定を行う．
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| Causes of Carryover |
申請段階の研究計画では3軸小型荷重センサを2個用いたセンサユニットを設計しており，小型化及び高精度化が期待された．しかしながら査定段階で予算の削減となり，計画していた2個の3軸小型荷重センサを購入することは出来なかった．このため3軸小型荷重センサは1個のみ購入し，測定及びその後のデータ処理に必要な高性能ノートPCを購入した．これが次年度使用額が生じた理由である．次年度に持ち越した予算によりセンサユニットおよび衝撃試験器本体の改良を行う．
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