2018 Fiscal Year Research-status Report
Quest for statistical mechanics theory of complex granular matter based on micro x-ray CT and particle-based simulation
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18KK0115
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
松島 亘志 筑波大学, システム情報系, 教授 (60251625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高野 大樹 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 港湾空港技術研究所, 主任研究官 (80626218)
渡邊 保貴 一般財団法人電力中央研究所, 地球工学研究所, 主任研究員 (80715186)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2021-03-31
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| Keywords | 粒状体 / 可視化実験 / X線μCT / Discrete Element Method / 3Dプリンタ / 粘土 / 統計力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，X線μCTや大気圧SEMなどの最新ミクロ可視化実験手法およびLS(Level-Set)-DEMなどの最新粒子ベース解析手法を用いて，地盤材料(粘土・砂・軟岩など)のような複雑粒状体の力学挙動を統一的に記述できる粒状体統計力学理論を構築することを目的とする．
今年度は，人工球形粒子および粘土粒子の凝集体を作成する手順の確立と，それによって得られた凝集体の形状分析，および２次元DEM解析との比較を行った[1]．また，2019年３月にグルノーブル・アルプス大学の3SR研究所にて，協力研究者らと研究打ち合わせおよび予備実験を行った．打ち合わせでは，高精細3Dプリンタ粒子の試作品を準備し，２年目以降の実験のために作成する粒子モデルのサイズや形状の種類を確定した．予備実験では，グルノーブル大所有の高解像度x線μCT装置を用いて20ミクロンの人工球形粒子の堆積構造を取得するための条件を試した．さらに，LS-DEMによる３軸圧縮試験シミュレーション結果を基に，不規則形状粒子の３次元力学ベース形状指標の提案を行った[2]．最後に，３次元粒状体の堆積構造を統計力学的に記述するための要素体積の定義の仕方について検討を行った．
[1] 瀬口拓遼, 松島亘志 (2018) 人工球形粒子および粘土粒子の凝集体形状分析とDEM解析，土木学会論文集A2(応用力学), 74, 2, I_411-I_420.
[2] Kawamoto, R., Andrade, J., Matsushima, T. (2018). A 3-D mechanics-based particle shape index for granular materials. Mechanics Research Communications, 92, 67-73.
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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
人工微粒子の堆積構造可視化実験に関しては，重力の影響を極力排除するために，水とほぼ同じ密度を有するラテックス粒子を用いて凝集実験を行い[1]，既往文献と同様の結果が得られ，さらに２次元DEM解析と合わせて，粒子間力が及ぼす影響についての新しい知見を得ることができた．
不規則形状３次元粒子の力学ベースの形状指標に関しては，研究代表者によって過去に得られた２次元での形状指標[3]を拡張することによって，ローカルなせん断強度や回転抵抗と相関の高い指標を提案することができた．
グルノーブル・アルプス大学との国際共同連携に関しても，3Dプリンタを用いた実験の詳細打ち合わせ，同大学のX線マイクロCT装置のスペックとの関係や，試料の準備方法の検討などについて明確な方向性が定まった．
[3] Matsushima, T., Chang, C.S., Quantitative evaluation of the effect of irregularly shaped particles in sheared granular assemblies, Granular Matter, 13, 269-276, 2011.
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| Strategy for Future Research Activity |
文献[1]で用いたラテックス粒子は，水との密度差がないことからX線CTでは粒子が可視化できない．そこで10ミクロン程度のシリカ粒子を用いて可視化を試みたが，陽イオン濃度の影響などがラテックス粒子と異なるために，同様の堆積構造を取得することができなかった．この点は次年度の課題である．
また，大気圧SEMに関しては，解像度の面から現状では粘土の微視構造の可視化は難しく，通常のSEMにイオン液体を用いる方法などを試みている．
３次元粒状体の堆積構造を統計力学的に記述するための要素体積の定義については，現在，いくつかの手法を試しているが，力学的な観点から最も適切な定義は何か，という問いに関しては，次年度の課題となった．
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| Causes of Carryover |
端数が残ったため，次年度に繰り越した．
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