2020 Fiscal Year Research-status Report
A Study of the Effects of Microstructure on Mechanical Properties of Mechanical Metamaterials and Its Application
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19K15216
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
津島 夏輝 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (20815948)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メカニカルメタマテリアル / 数値均質化法 / 空力弾性 / マルチスケール解析 / ラティス構造 / 積層造形技術 / 熱可塑プラスチック / 航空構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来材料では実現不可能な超高性能でエキゾチックな特性を持ち、高自由度な多機能材料として、航空宇宙構造物の革新的な性能向上が期待されているメカニカルメタマテリアルについて、本研究では、任意の微視格子構造により構築されるメカニカルメタマテリアルにおける微視構造設計とマクロな構造応答の関連性を明らかとし、その構造特性の特徴及び性能、実用性を評価するための解析手法及び検証に取り組んでいる。具体的には、メカニカルメタマテリアルの微視的・形態的特質を正確に踏まえた数値均質化法を応用する事で、異なる特質を持つ微視構造から構成される人工材料により構築された巨視的な構造の材料物性を予測できる手法を構築している。さらに、そのような材料物性を可能とする数値均質化法を、申請者が独自開発した超異方性構造の非線形空力弾性解析技術と組み合わせる事で、メカニカルメタマテリアルを航空宇宙構造へ適用した場合のマクロな構造応答と空力特性を評価できる非線形マルチスケール空力弾性解析手法として開発を進めている。現在は、モーフィング翼や柔軟翼、軽量翼設計への適用を例に、メカニカルメタマテリアルを航空宇宙構造へ適用した際の構造特性に着目し、その妥当性検証と精度・効率の評価も目指している。
前年の研究実績に基づき、今年度は航空構造の軽量化のためのコンフォーマルラティス構造としてのメカニカルメタマテリアル設計の適用を検討し、そうした翼設計により軽量性と剛性を両立した翼構造を実現できる事が確認された。さらに、空力弾性解析により、微視構造設計における軽量性と剛性の最適設計指標となるデータを得ることにも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、2020年度において数値解析的なメゾ・マクロのマルチスケール均質化解析手法の検討と実験値との比較による解析手法の妥当性検証を進める予定であった。それに対して、上記の数値均質化法の開発・検証及び実験・解析的なメカニカルメタマテリアルの評価が完了しており、さらに予定していたメカニカルメタマテリアルを適用した翼構造の試作及び風洞試験にも先行着手して、その性能評価を実施している。また、開発を目指しているマルチスケール空力弾性解析手法に関しても、数値均質化法の統合が完了している。
このため、現在の研究進捗状況は、当初の計画以上に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに、基礎的なメカニカルメタマテリアルの構造特性評価が実施できているため、今後は設計変数を増やして異なる微視構造における構造特性の変化を評価する。また、現在は造形の容易な熱可塑プラスチック材料を用いた熱溶解積層法（FDM）による試作を実施しているが、金属粉末等を用いたメカニカルメタマテリアルの特性評価も評価していく。さらに、風洞試験において取得した実験値との比較によるマルチスケール空力弾性解析手法の妥当性検証も実施する。また、構造健全性を評価するためのメカニカルメタマテリアルの強度予測を可能とする解析手法の検討を進める。これについては、メゾ・マクロのスケール間の相関を考慮した強度設計が可能な汎用性の高い手法として、マルチスケールな簡易設計法の検討を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響により、学会開催が延期・中止またはオンライン開催となり、学会参加費及びその旅費として計上していた費用と支出額に差が生じている。また、緊急事態宣言の影響により、計画していた試作の造形等も困難であった。これらの費用に関しては、次年度における試験片等の試作のための物品費及びコロナの状況が落ち着いた場合の旅費等へ使用予定である。また、これまでの研究成果を広く公表するための手段として、学術論文誌への投稿を検討しており、その投稿費用にも使用予定である。
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