2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of an auxetic surface with high fatigue resistances on acetabular cup for loosening-free
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21H01208
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
大塚 雄市 長岡技術科学大学, 技術経営研究科, 准教授 (80467084)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 界面破壊力学 / 力学的メタマテリアル / フレッティング疲労 / 摩耗 / 臼蓋カップ / トポロジー最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1 形状・トポロジー最適化によるオーセチック構造設計）
界面端と接触部の特異応力場を制御し，疲労特性を考慮したオーセチック構造の設計手法を構築するを目指し，単位胞の構造例をもとに負のポワソン比を有するリンク構造を見出した．圧縮荷重下における有限要素解析により，負のポワソン比を示すことを明らかにした．一方でリンク接続部の応力集中の影響が大きく，降伏強度に影響しうることが示された．
2 オーセチック構造の疲労損傷評価
赤外線カメラでの2次元測定およびAEでの位置推定を圧縮過程の多孔質体に対して実施し，降伏強度に到達する以前に気孔端部からのき裂が発生しており，これにより強度特性が変化することや，AEと温度変化に相関関係があることを明らかにした．
3 マルチスケール有限要素解析による臼蓋カップゆるみ量評価 臼蓋カップの界面損傷に伴う有限要素解析を実施し，荷重点での非弾性変形領域が臼蓋カップー模擬骨界面でのはく離進展が寄与していることを示した．また，負荷形態とはく離進展挙動，非弾性ひずみの蓄積がゆるみ挙動に与える影響を定量的に評価し，はく離進展と非弾性ひずみの交互作用を考慮することでゆるみ挙動を評価しうることを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
1 形状・トポロジー最適化によるオーセチック構造設計については，形状最適化の取り組みで応力集中部を緩和する評価と，３Dプリンターでの造形時の形状誤差などとの対応を検討する必要があり，その点でやや遅れていると評価した．
2 オーセチック構造の疲労損傷評価
赤外線カメラおよびAEでの損傷位置の同定についてはすでに完了しており，多孔質体の圧縮過程においてのき裂発生までの損傷蓄積挙動については一定程度の相関性を明らかにしつつある．
3マルチスケール有限要素解析による臼蓋カップゆるみ量評価 臼蓋カップの界面損傷と模擬骨の非弾性ひずみがゆるみ挙動に与える影響において，それらの交互作用を考慮する必要が有ることを示した点で進捗が見られた．今後はポワソン比の変化による歪集中の影響を考慮していく必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
1 形状・トポロジー最適化によるオーセチック構造設計については，形状最適化を行い，オーセチック構造のパターンを早期に決定し，３Dプリンターなどを用いた実際の機械的強度試験を行う．
２．オーセチック構造の疲労損傷評価
赤外線カメラおよびAEによる損傷同定手法の構築はすでに完了しており，AE計測の多次元化による損傷位置の同定手法の高精度化に取組むともに，オーセチック構造の疲労特性評価を実施する．
3マルチスケール有限要素解析による臼蓋カップゆるみ量評価 臼蓋カップ表面へのオーセチック構造のテクスチャ処理法を早期に決定するとともに，有限要素解析モデルを構築してゆるみ挙動解析を実施する．
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