| 研究課題/領域番号 |
21K14048
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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18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 中央大学 |
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研究代表者 |
小島 朋久 中央大学, 理工学部, 助教 (70802734)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 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 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
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| キーワード | メカニカルメタマテリアル / 衝撃吸収 / 応力波 / ラティス構造 / 圧力波 / 衝撃 / エネルギ吸収 / 流体構造連成 / 波動伝播 / メタマテリアル |
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| 研究開始時の研究の概要 |
プラントで配管内爆発事故が発生した最悪の事態における被害を低減するためには，発生する圧力波動のエネルギ吸収機構が極めて重要である．本研究では音響メタマテリアルが持つ構造の振動や波の干渉を利用した圧力波の調質・減衰機構の設計原理を抽出し，ラティス構造に適用することで，ラティス構造の変形によるエネルギ吸収と音響メタマテリアルの原理を適用したエネルギ減衰/散逸の2つの機構を併せ持つ『機能性ラティス構造』の設計学理を構築する．
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| 研究実績の概要 |
プラントで配管内爆発事故が発生した最悪の事態における被害を低減するためには，発生する圧力波動のエネルギ吸収機構が極めて重要である．本研究は音響メタマテリアルが持つ構造の振動や波の干渉を利用した圧力波の調質・減衰機構の設計原理を抽出し，ラティス構造に適用することで，ラティス構造の変形によるエネルギ吸収と音響メタマテリアルの原理を適用したエネルギ減衰/散逸の2つの機構を併せ持つ『機能性ラティス構造』の設計学理を構築することを目的としている．
本年度は以下の各点について研究を進め，それぞれ目標を達成した．
１．音響メタマテリアルの一つである，振動を利用して特定の周波数帯にある音波を完全反射するフォノニック結晶の設計パラメータをラティス構造の材料パラメータに置き換えることによって，特定の周波数帯の弾性波の透過を阻止するフォノニックバンドギャップを有するラティス構造の形状を決定した．また直交三軸方向に等方性を持つ多数のラティス構造を単軸圧縮する数値解析と実験を実施し，変形によるエネルギ吸収量がより大きくなる構造の特徴を抽出した．
２．前年度に構築したユニットセル内部の応力波伝播挙動を解析する数値解析モデルを基にして，境界条件や複数の時間積分法を適用して比較検討しつつ発展させ，ラティス構造の数値解析モデルを構築した．ラティス構造に圧力波による衝撃負荷が作用した場合の解析を行い，構造の内部で応力波が反射・干渉を繰り返しながら伝播することで構造の振動を誘起する可能性を示した．
３．前年度に作製した実験装置を使用して3Dプリンタにて造形した高分子製BCCラティス構造を弾性域内にて圧縮する実験を行い，ハイスピード撮影によりラティス構造が変形する様子を観察するとともに，負荷圧力履歴とラティス構造を介して後方に伝わった荷重履歴を得た．
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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
本年度は理論，数値解析，実験の各方面において研究を進め，以下の通り目標を達成した．理論面においては当初計画していた等価回路を用いた理論解析は実施できなかったものの，振動を利用して特定の周波数帯にある音波を完全反射するフォノニック結晶の理論をラティス構造に適用する方法を考案し，特定の周波数帯の弾性波の透過を阻止するフォノニックバンドギャップを有するラティス構造の形状を決定する理論原案を作成した．数値解析においては前年度に構築したユニットセルの解析モデルを基に境界条件や時間積分法を比較検討して発展させ，ラティス構造の解析モデルを構築するとともに，ラティス構造に圧力波による衝撃負荷が作用した場合の解析を行い，構造の内部で応力波が反射・干渉を繰り返しながら伝播することで構造の振動を誘起する可能性を示した．実験においては前年に作製した実験装置を使用して研究を進め，3Dプリンタにて造形した高分子製BCCラティス構造が水中圧力波による衝撃負荷を受けて圧縮変形する様子を観察するとともに，負荷圧力履歴とラティス構造を介して後方に伝わった荷重履歴を得た．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度にはこれまでの総括として，本年度までに構築した理論・数値解析モデル・実験手法を組み合わせて用いることによって応力波のエネルギ透過を阻止する特性を発現するラティス構造の設計原理を検証・発展させる．本年度に形状決定したフォノニックバンドギャップを有するラティス構造のエネルギ吸収/散逸特性を数値解析および実験により評価し，結果を理論にフィードバックすることにより発展させる．必要に応じてトポロジー最適化などの適用も検討する．
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