2017 Fiscal Year Research-status Report
機能性不均質材料平板を伝播する応力振動の挙動解明と制御法開発
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26420015
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
芦田 文博 島根大学, 総合理工学研究科, 教授 (60149961)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 応力振動 / 傾斜機能性圧電材料 / 動的弾性問題 / 動的熱弾性問題 / 薄板 / 理論解析 / 特性曲線解析 / 印加電位差 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
衝撃圧力と電位差が作用する圧電不均質材料平板の動的弾性問題を，現実的な場合，つまり構成材料に絶縁材料のステアタイトと圧電材料のPZT-4を選び，平板の物性値が構成材料の体積分率に従って変化する場合について，特性曲線法を適用して数値解析を行い，応力振動の挙動を調査した．
その結果，負の印加電位差が大きくなるのにつれて，応力振動は小さくなって，やがて消滅し，その後再び大きくなることが分かった．そこで，応力振動が完全に消滅し，応力が作用した衝撃圧力に恒等的に等しくなるときの印加電位差を試行錯誤法によって決定した．ここで，平板の物性値が指数関数状に変化する理想的な場合の理論解析結果から導かれた応力振動項が消滅するときの条件式を，体積分率に従って物性値が変化する場合に適用して印加電位差を計算したところ，試行錯誤法によって決定した印加電位差に等しくなった．さらに，電位差を印加する表面に関する圧電材料の体積の一次モーメントの逆数は応力振動が完全に消滅するときの印加電位差とほぼ線形関係になった．よって，応力振動を完全に消滅させる印加電位差を条件式から求めることができ，支配因子は圧電材料の体積の一次モーメントであることが分かった．
学術講演会で研究成果を発表したときに，応力振動の減衰を考慮することの重要性が指摘された．そこで，当初の研究計画には無かったが，圧電不均質材料平板において減衰項を考慮した場合の動的弾性問題の特性曲線解析も行い，減衰項が応力振動に及ぼす影響を調査した．その結果，減衰項は応力振動を消滅させる印加電位差に影響しないことが示された．
熱衝撃負荷が作用する圧電不均質材料平板の動的熱弾性問題を，平板の物性値が指数関数状に変化する理想的な場合について，理論解析と特性曲線法による数値解析を行ったが，未だ妥当な数値結果が得られていない．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の研究計画では，平成２９年度中に，熱衝撃負荷が作用する圧電不均質材料平板の動的熱弾性問題を，平板の物性値が指数関数状に変化する理想的な場合について，理論解析と特性曲線法による数値解析を終える予定であったが，未だ妥当な数値結果が得られていない．そこで，研究の進捗状況は「やや遅れている」と自己評価した．
研究の進行が遅れた主な理由は，動的熱弾性問題の理論解析において，変位や応力の関数形が非常に複雑になったことから，解析解や数値計算プログラムの検証に手間取っているためである．また，同問題の特性曲線解析において，特性曲線方程式がかなり複雑になったことから，数値解析プログラムの検証に手間取っているためである．さらに，研究実績の概要で述べたように，応力振動の減衰を考慮した場合の動的弾性問題の解析に取り組んだことなども研究の進行が遅れた一因である．
平成３０年度も圧電不均質材料平板の動的熱弾性問題の理論解析と特性曲線解析を続け，妥当な数値結果を出す予定である．
なお，平成２９年度に行った圧電不均質材料平板の動的弾性問題の研究において，平板の物性値が指数関数状に変化する理想的な場合の理論解析結果から導かれた応力振動が消滅するときの条件式を，平板の物性値が構成材料の体積分率に従って変化する一般的な場合に適用して応力振動を消滅する印加電位差が求められることを示した．さらに，応力振動を消去する印加電位差の支配因子が圧電材料の体積の一次モーメントであることを明らかにした．これらは進捗状況の遅れを相殺するような成果であると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度に完了できなかった熱衝撃負荷が作用する圧電不均質材料平板の動的熱弾性問題の解析を平成３０年度も継続して行う．つまり，圧電不均質材料平板の物性値が指数関数状に変化する場合の解析解と数値計算プログラムおよび特性曲線法による数値解析プログラムの検証を行い，妥当な数値結果を得る．また，圧電不均質材料平板の物性値が構成材料の体積分率に従って変化する場合についても，特性曲線法による数値解析を行う．さらに，得られた数値結果を考察して熱応力振動の挙動を明らかにし，熱応力振動を抑制する印加電位差を求めるとともに, 支配因子を調査する．
次に，当初の研究計画に沿って，圧電効果と磁歪効果を有するマルチフェロイック材料で作製された不均質材料平板に衝撃圧力または熱衝撃負荷が作用する場合の弾性波動伝播問題を，特性曲線法を適用して数値解析する．得られた数値結果に基づいて，応力振動の挙動や支配因子について調査する．次に，マルチフェロイック材料製不均質材料平板に電界や磁界を印加することによって，応力振動を抑制する手法を開発する．さらに，圧電効果または逆圧電効果と磁歪効果を組み合わせることによって，適応的に応力振動を制御する手法についても検討する．
最後に，本研究による成果を取りまとめる．
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