2020 Fiscal Year Annual Research 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 / 堆積構造 / 可視化実験 / ３Dプリンター / 粘土粒子 / 個別要素法 / 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している．特に，粒子形状および粒子間付着力の影響に着目しながら研究を進めている．今年度は，以下の研究を行った．
(1)2次元個別要素法を用いて，楕円形粒子の堆積構造に関する基礎的検討を行った．特に隣り合う粒子の長軸が同じ方向に揃う結晶化現象について，その統計的な性質と間隙セル構造に及ぼす影響を明らかにした．
(2)2次元粒状体の間隙セル構造に作用するセル応力についての統計的性質について検討し，バルク応力や降伏基準との関連性を明らかにした．また，せん断を受ける粒状体中の間隙セルの離散集合について，発展方程式による理論解析を行い，個別要素法結果と比較して，そのメカニズムの考察を行った．
(3) 3Dプリンタで異なるアスペクト比の人工粒子を作製した．異なる堆積方法で作製した供試体をX線CTにより可視化することで，粒子形状が堆積構造に及ぼす影響について検討した．アスペクト比が大きく，より粒子形状が扁平になるほど粒子の配向はばらつきが小さくなることが確認できた．三軸試験の結果，せん断時の変形挙動は粒子形状が扁平なほどダイレイタンシーによる体積変化が小さく，一次元圧密に近い挙動が確認できた．
(4)電子顕微鏡による液中観察により、粘土の凝集体同士が一定以上の距離を保って運動する様子を捉えた。また、粒度試験を通じて、一次凝集での寸法や形状が擾乱に対してより安定的であることが示唆された。より大きな凝集体についても、せん断変形では力学的役割を担うことが顕微鏡下での無拘束せん断により示唆された。
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[Journal Article] spam: Software for Practical Analysis of Materials2020
Author(s)
Stamati Olga、Ando Edward、Roubin Emmanuel、Cailletaud Remi、Wiebicke Max、Pinzon Gustavo、Couture Cyrille、Hurley Ryan、Caulk Robert、Caillerie Denis、Matsushima Takashi、ほか16名
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Journal Title
Journal of Open Source Software
Volume: 5
Pages: 2286～2286
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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