| 研究課題/領域番号 |
20K14428
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 東京農工大学 |
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研究代表者 |
高田 智史 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00843757)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | 破砕 / 離散要素法 / レオロジー / 粉体 / 弾性論 / 運動論 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
粉体粒子の破砕が流動特性に及ぼす影響について理論・シミュレーションの両面から調べる。その目的のため、破砕を起こす粒子を結合ボンドで結ばれた多数の小さな粒子から構成し、その結合ボンドが一定の応力の下で破砕するというモデルを考える。このモデルを使用し、破砕性粉体の外力下での破砕様式をミクロな視点から明らかにするとともに、そのような粉体粒子が多数集まった系に外力を加えた際のレオロジーと破砕進行の関係などについてもシミュレーションにより明らかにする。さらに運動論的な視点からそれらを記述する現象論の構築も試みる。
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| 研究実績の概要 |
3年目ということでこれまでに得られた知見を踏まえ、研究のさらなる発展を目指した。
2年目まではマクロな破砕性粉体のモデル化、およびそれが示すレオロジーの解明を行ってきた。それとは別の視点として、破砕性粉体内部における応力の空間分布およびその発達を動弾性理論の枠組みから主に検証を行った。具体例として対向集中荷重を受ける弾性円板を考え、応力が円板内部に伝播していく様子を理論的に調べた。その結果、長時間極限の結果が弾性学や土質力学でよく知られている解と一致すること、および時間発展解がP波成分、S波成分を含むだけでなく、円板表面を伝播するレイリー波なども再現していることがわかった。また研究途中ではあるものの、円板内部に空洞を含むような系、具体的には対向集中荷重を受ける2次元同心中空円板における解や、3次元弾性球の場合の解などの導出にも部分的に成功している。
一方、これまでにも進めてきた機械学習的なアプローチの研究も進めている。具体的には剪断下における粒子シミュレーションで得られたスナップショットの時系列データを用い、そこからある時刻の範囲で応力降下が出現するか、またその応力降下の値がどのような値を取るかについて調べている。定量的な評価および大規模な系での実証は今後の課題ではあるものの、小規模な系において応力降下現象の予測可能性を示唆するような結果が得られている。
さらにそれらとは別に、電荷を帯びた粉体ガスを模したモデルを考え、プラスとマイナスの荷電粒子が混じり合う系に剪断をかけた際のレオロジーについて運動論を用いた解析を行った。有限領域で相互作用する粉体ガスに対する運動論の適用限界を議論するとともに、適用範囲内における理論とシミュレーション結果の定量的一致を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
主として、破砕性粉体内部の応力伝播のモデル化として動弾性理論を用いる解析を進めたが、それについては順調に理論解を得ることに成功している。
また機械学習的なアプローチに関しても、比較的小規模な系ではあるものの、応力降下現象の発生予測可能性についての肯定的な結果が得られ始めた。
さらに機械工学、惑星科学や土木工学分野の研究者との議論の機会も得られており、多面的な視点で着目している系を捉える機会が増えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
破砕性粉体に関するシミュレーションモデルの構築、並びに破砕性粉体内部での応力伝播モデルの解析を踏まえ、両者を統合したアプローチを進めていきたい。特に粒子内部においてどのような基準で破砕が進行していくことを定量的に明らかにしていくとともに、破壊力学や塑性力学で知られている破壊基準などとの類似点／相違点などについて解明していきたい。
また機械学習的なアプローチにおける大規模系での予測可能性についても、それを実行することで解き明かしていきたい。
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