Functionalization of tensegrity network structures based on stress relaxation and redundancy of cables

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K21921
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中谷 彰宏 大阪大学, 工学研究科, 教授 (50252606)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): LEI XIAOWEN 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (50726148)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 変形体力学 / メタマテリアル / ひずみエネルギー / マルチスケール解析 / インテリジェント構造

Outline of Annual Research Achievements

機構の“あそび”（バックラッシュ、クリアランスなどとも称される）が持つ、構造系の力の分散、さらには、安全・安心の担保に関連する能動的意義を、積極的に評価するために、本研究では、ケーブル（線材）と剛な部材を組み合わせにより決定される三次元空間の中で自立する広義のテンセグリティネットワーク構造を考える。ケーブルの一部に応力弛緩性を導入し、力学特性の変化、さらには力学的メタ構造と呼ばれる特異な機能性を見出すことを目的としている。
この目的を達成するために、２０１９年度は、T3と呼ばれるケーブル（柔部材）と棒（剛部材）からなるテンセグリティユニットを連結した構造体の力学モデルを作成した。このモデルはケーブルに引張力、棒に圧縮力がはたらくとき自己釣り合い状態を作ることができるが、その一次元変形では引張圧縮とねじりに幾何学的な条件が要求される。一方、力学的には柔部材の初期張力によって剛性が異なる。さらに剛性は幾何非線形性を示す。研究では、まず、単位構造に対して、ケーブルの自然長を初期張力と対応付けるパラメータに選定し、これらの釣り合い状態と、あそびについて、解析解を導出した。次に、単位構造を30個直列に連結した構造に対して、さまざまなケーブルの自然長に対して、端部に初速度を付与したときの波動伝ぱ現象を計算機シミュレーションによって解析した。初期構造におけるケーブルの長さがその自然長よりも小さいとき、ケーブルは応力弛緩性を有しており、構造は“あそび”を有している。そのような構造に対して、与える初速度を変化させると、波動伝ぱに対する時間遅れ、および伝ぱするエネルギーの違いが現れた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画で想定していた弛緩部の内力の再分配の動力学的メカニズムの解明について、計算機シミュレーションによって新規な知見を得ることができた。得られた成果は、「ケーブルの弛みを考慮した構造体の振動特性解析」と題して口頭発表予定であったが、採択されたものの感染症拡大防止のため講演会が中止されたため、成果の公表は別の機会に延期となっている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、自立テンセグリティ構造の力学モデルに対して、外力の付与、強制変位条件での応答につて、力学的解析、幾何学的解析を行い、特に変位制御下での運動特性について周波数応答における振幅フィルターとしての機能化手法を確立する。さらには、メタ構造のプロトタイプの設計手法を確立する。剛部材の長さをリアルタイムに変化させるメカニズムを想定し、あそびを積極的に生み出す機構を内在した人工物創製の可能性に挑戦する。

Causes of Carryover

2019年度は、力学モデルの定式化と理論解析および計算機シミュレーションのためのコードの実装に重点的に取り組むとともに、予定していた学会発表や調査が感染症拡大予防のため中止となったため、次年度使用額が生じた。2020年度は、計算機シミュレーションを実施するとともに、成果を順次公表するために、次年度使用額と翌年度分として請求した助成金を合わせて使用する計画である。