セル状固体の動的変形遷移メカニズムに関する研究

• 研究課題/領域番号: 18H01334
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 田中 展 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70550143)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2018年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: セル状固体 / 変形遷移 / 動的変形挙動 / 粘弾性特性 / 非線形構造力学

研究成果の概要

近年，微視的内部構造を制御して機能・特性を発現させるセル状固体の研究開発が盛んであり，大変形を伴うセル状固体の非線形力学特性を適切に表現できるモデルが必要とされている．本研究課題では，セル状固体の骨格を形成する接合部（節）に着目して，静解析・動解析によってセル状固体の特殊な変形メカニズム（動的変形遷移機構および負のポアソン比）の解明に注力した．結果として，上述の変形メカニズムを表現できる周期構造の数理モデルを構築することに成功し，次世代材料設計に繋がるような荷重負荷速度に依存して剛性を切り替える粘弾性モデルや低周波数の膨張収縮振動特性をもつ稜共有型4面体構造を新しく提唱することができた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

機械工学の観点において，固体の変形は，材料の機能・特性を向上させる上で最も重要でかつ基本的な要素です．特に，内部構造に空隙が多く存在するセル状固体の場合，材料設計においてその大変形能を上手く利用するためには，数学的に解くことが困難な非線形変形挙動を正確に理解することが必要です．本研究課題では，先行研究で独自に考案した新しい変形メカニズムを数学的に記述するために，最小限の自由度に低減したモデルを開発しました．そして，静的・動的解析を行った結果，圧縮の負荷速度を速くすると自分自身が柔らかくなる構造や，非常にスローな膨張収縮振動が引き起こされる構造を世界で初めて提唱することができました．

研究成果

• [雑誌論文] Auxetic vibration behaviours of periodic tetrahedral units with a shared edge (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Asao, Y. Shibutani
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 8 号: 10
  • DOI: 10.1098/rsos.210768
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Creep trajectory transition of a nonstationary viscoelastic model onto a single rate parameter (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, G. Yamanokuchi, Y. Shibutani
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 104 号: 4
  • DOI: 10.1103/physreve.104.045001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Primitive rotation mechanism of periodic stellated octahedron units with sharing edges (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, K. Suga, Y. Shibutani
  • 雑誌名: International Journal of Solids and Structure 巻: 185-186 ページ: 485-499
  • DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.09.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macroscopic out-of-plane auxetic features of a laminated open-cell structure with in-plane negative Poisson's ratios induced by bridging beam components (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Suga, H. Tanaka, D. Okumura, Y. Shibutani
  • 雑誌名: Smart Materials and Structures 巻: 27 号: 8 ページ: 085011-085011
  • DOI: 10.1088/1361-665x/aacd31
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition mechanism for a periodic bar-and-joint framework with limited degrees of freedom controlled by uniaxial load and internal stiffness (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, K. Hamada, Y. Shibutani
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 5 号: 6 ページ: 180139-180139
  • DOI: 10.1098/rsos.180139
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Slow auxetic vibration of a tetrahedral framework with sharing edges (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Asao, Y. Shibutani
  • 学会等名: The 11th European Solid Mechanics Conference (ESMC2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 稜共有型四面体構造の低周波数振動とポアソン効果に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅生隼希，田中展，渋谷陽二
  • 学会等名: 関西支部第97期定時総会講演会
• [学会発表] 回転摩擦を考慮した多関節線状弾性体の変形立体化シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 関悠治，田中展，渋谷陽二
  • 学会等名: 関西支部第97期定時総会講演会
• [学会発表] 周期構造の低自由度モデル（メカニカルメタマテリアル）とその非線形力学解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中展
  • 学会等名: 関西支部第97期定時総会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanical and auxetic properties of polyhedral units with sharing edges (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Asao, Y. Shibutani
  • 学会等名: SIAM Conference on Mathematical Aspects of Materials Science (SIAM-MS21)
  • 国際学会
• [学会発表] 2次元粘弾性構造体の形態変化分岐に関する力学応答解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山之口岳杜，田中展，渋谷陽二
  • 学会等名: 関西支部第96期定時総会講演会
• [学会発表] 弾性波バンドギャップをもつ格子構造の有限セルにおける波動伝搬評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安達亮弥，田中展，渋谷陽二
  • 学会等名: 関西学生会2020年度学生員卒業研究発表講演会
• [学会発表] Switching behaviors in a viscoelastic structural model depending on loading rate (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiro Tanaka, Gakuto Yamanokuchi, Yoji Shibutani
  • 学会等名: The 3rd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2020),
• [学会発表] 周方向圧縮力を受ける環状弾性体の立体構造と非線形線形挙動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中 展, 南條 隆正，関 悠治, 渋谷 陽二
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2019材料力学カンファレンス
• [学会発表] Nonlinear tensile deformation of periodic polyhedral units induced by three-dimensional rotation (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, K. Suga, Y. Shibutani
  • 学会等名: 56th Annual Technical Meeting of the Society of Engineering Science (SES2019)
• [学会発表] 単軸引張負荷における4面体ブロック構造体の膨張効果と特殊変形機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中 展, 須賀 海斗, 渋谷 陽二
  • 学会等名: 日本機械学会 2019年度年次大会
• [学会発表] 負のポアソン比を持つ多面体ブロック構造のモデリングと力学特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 須賀海斗, 田中 展, 渋谷陽二
  • 学会等名: 関西支部第94期定時総会講演会
• [学会発表] 負荷速度に依存した周期リンク構造の変形遷移メカニズムに関する力学応答解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山之口岳杜，田中展，渋谷陽二
  • 学会等名: 関西学生会2018年度学生員卒業研究発表講演会
• [学会発表] 周期構造システムの変形パターンの切り替えと負荷速度依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 展, 山之口 岳杜，浜田 一駿, 渋谷 陽二
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [学会発表] 計算力学に基づくセル状固体の非線形力学特性の解明とその応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 展
  • 学会等名: 日本学術会議 第８回計算力学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 単軸引張変形下において負のポアソン比を示す積層セル構造体の面外力学応答のモデル化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 展, 須賀 海斗，奥村 大, 渋谷 陽二
  • 学会等名: 日本機械学会 第31回計算力学講演会
• [学会発表] Elastic and viscoelastic transition responses of specific repetitive structural systems subjected to uniaxial compressive loading (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, K. Hamada, G. Yamanokuchi, Y. Shibutani
  • 学会等名: International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Homogenized linear and nonlinear elastic properties of a type of laminated open-cell structures with negative Poisson's ratios (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Suga, H. Tanaka, D. Okumura, Y. Shibutani
  • 学会等名: 15th International Symposium on Functionally Graded Materials (ISFGMs2018)
  • 国際学会
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/pmx003
• [備考] 大阪大学研究者総覧
  • URL: https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/cd0794924bc41e39.html
• [備考] 渋谷研究室HP
• [備考] 大阪大学研究者総覧
  • URL: http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/view?l=ja&u=6364
• [備考] 渋谷研究室HP
• [備考] 渋谷研究室HP
  • URL: http://www-comec.mech.eng.osaka-u.ac.jp/index.html