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Coarse-grained computational solid mechanics for mechanical metamaterials drived by micro-rotational instabilities incorporated with pre-stress fields

Research Project

Project/Area Number 20H02030
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

中谷 彰宏  大阪大学, 工学研究科, 教授 (50252606)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywords変形体力学 / 計算力学 / 不安定性理論 / マルチスケール理論 / メタマテリアル
Outline of Research at the Start

微細な内部構造を有する材料システムの中で、予応力場と微視回転型不安定機構を内在する力学的メタマテリアルのミクロ現象とマクロ特性の関係を記述する粗視化計算力学解析法の定式化とその実証を行うことを目的とします。特に、付加製造技術による造形プロセスを念頭に、その機構設計だけでなく、造形中に力学環境を変化させることによって応力場を織り込んだ予応力設計法を新たに発明し、力学的不均一性と幾何学的なミクロ運動の束縛の両面から研究を行い、メタマテリアル創製のための計算機援用工学技術の礎を築きます。特性や機能を発現する微細構造を設計する手法にブレークスルーをもたらすことを目指してメカニズムを探究します。

Outline of Annual Research Achievements

微細な内部構造を有する材料システムの中で、予応力場(能動的・積極的に導入する場の意味で、残留応力場とは区別してこう呼ぶ)と微視回転型不安定機構を内在する力学的メタマテリアルのミクロ現象とマクロ特性の関係を記述する粗視化計算力学解析法の定式化とその実証を行うことを目的としている。
この目的を達成するために、周期的パターンを付与したキリガミ型の力学的メタマテリアルについて、ナノ構造シミュレーション、力学試験、両者の比較による妥当性確認に基づいた粗視化計算力学理論の構築、特徴を抽象化した格子モデルによる動力学特性について研究を進める。
2020年度は、セル・オートマトンによる微視的内部幾何構造の時間発展とマクロな形状によって決定される力学状態の変化についてのシミュレーション、双安定な微視的内部構造を有する周期的セル構造体の変形シミュレーションを実施し、単位構造の力学応答や、分岐が、マクロな力学応答にどのように影響するかを解析した。また導入した力学的メタマテリアル造形装置により、準備的検討として面内・面外回転機構を有するセル構造体のプロトタイプを造形し、変形理論の礎となる変形を見出した。さらに付加製造による予応力場の付与の可能性を検討するために、成長する固体の変形論の基礎を提案し、変動する内・外圧を受ける円筒の成長シミュレーションを通じて残留応力場形成過程を解明した。結論として、検討した現象のいずれもが、非適合性という観点をから統一的に論じることができることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

計上している力学的メタマテリアル造形装置を年度前半に速やかに導入し、予備的検討としてのプロトタイプの作成と、力学モデルの考案、簡易シミュレーションなどを行い、微視回転型不安定機構を内在する力学的メタマテリアルの検討を行い、理論構築の基礎を見出した。

Strategy for Future Research Activity

微視回転型不安定機構を内在する力学的メタマテリアルのミクロ現象とマクロ特性の関係を記述する粗視化計算力学解析法の理論の構築を行い、その有効性を確認するためのパラメータスタディを行う計画である。特に付加製造技術による形態創製プロセスを念頭に、その機構設計だけでなく、造形中に力学環境を変化させることによって応力場を織り込んだ予応力設計を新たに発明し、力学的不均一性と幾何学的なミクロ運動の束縛の両面から研究を行い、メタマテリアル創製のための計算機援用工学技術の礎を築く。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(8 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Crack sensitivity of nacre-like laminate composite materials: Monte Carlo simulation based on stability theory2020

    • Author(s)
      Yan Yi、Nakatani Akihiro
    • Journal Title

      International Journal of Solids and Structures

      Volume: 202 Pages: 646-659

    • DOI

      10.1016/j.ijsolstr.2020.06.043

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 非なるものへの挑戦:不安定現象を積極的かつ安全に利用するための力学2020

    • Author(s)
      中谷彰宏
    • Journal Title

      生産と技術

      Volume: 72-3 Pages: 29-32

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] セル・オートマトンによる内部幾何構造の時間発展と力学特性に関する研究2021

    • Author(s)
      小池康裕,永島 壮,土井祐介,中谷彰宏
    • Organizer
      日本機械学会関西支部第96期定時総会講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 双安定な微視的変形機構を内在する周期的セル構造体の力学特性評価2021

    • Author(s)
      石村祐也,中谷彰宏,土井祐介,永島 壮
    • Organizer
      日本機械学会関西支部第96期定時総会講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ミクロ不安定性に基礎をおく機能構造の実現に向けた理論応用力学アプローチ2020

    • Author(s)
      中谷彰宏
    • Organizer
      デジタル造形工学第一回フォーラム“異方性/等方性の視点から見たモノづくり”
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 真珠層材料のじん性とき裂進展挙動の関係2020

    • Author(s)
      叶 笑言,永島 壮,土井祐介,中谷彰宏
    • Organizer
      日本材料学会第6回材料WEEK材料シンポジウム若手学生研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 内部変形機構に注目したセル構造体の力学特性評価2020

    • Author(s)
      石村祐也,永島 壮,土井祐介,中谷彰宏
    • Organizer
      日本材料学会第6回材料WEEK材料シンポジウム若手学生研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 成長する固体の残留応力場形成過程の解析2020

    • Author(s)
      新田雄大,永島 壮,土井祐介,中谷彰宏
    • Organizer
      日本材料学会第6回材料WEEK材料シンポジウム若手学生研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-07-01  

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