A Study of the Effects of Microstructure on Mechanical Properties of Mechanical Metamaterials and Its Application

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15216
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: Tsushima Natsuki 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 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 / 航空構造

Outline of Final Research Achievements

This study developed a multi-scale analysis framework to efficiently evaluate the stiffness and strength characteristics of mechanical metamaterials. Equivalent structural characteristics of mechanical metamaterials were effectively captured by accommodating a computational homogenization method to mechanical metamaterials. The obtained equivalent structural properties were used to perform multi-scale structural and aeroelastic simulations of a structure with the mechanical metamaterials by modeling the mechanical metamaterials as equivalent solid substructures. In addition, the manufacturing methodology for an integrated structure with mechanical metamaterials as substructures had also been established. Structural properties and functionalities with various designs of mechanical metamaterials were evaluated based on the numerical framework. This study demonstrated the feasibility and capability of such structures with mechanical metamaterials.

Free Research Field

構造力学、空力弾性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、メカニカルメタマテリアルを航空宇宙構造へ適用することで、性能向上が可能であることが明らかとなった。また、航空構造の軽量化や多機能化に向けたメカニカルメタマテリアルの微視構造設計の設計指標となるデータが蓄積され、効果的なメカニカルメタマテリアル設計の指針・知見が得られた。こうしたデータ・知見は先行研究等において報告されていないため、本研究の独自成果であると考えられる。加えて、本研究において構築された解析手法や製造手法は、多様なメカニカルメタマテリアル設計に適用可能であり、これまで概念検討に留まっていたメカニカルメタマテリアル技術における早期の実用化に寄与するものとして期待できる。