LRM構成モデルを用いた知能複合材料(人工筋肉)の構築と評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650093
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 中垣 通彦 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (90207720)
• 研究分担者: 堀江 知義 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (40229224)
• キーワード: 知能複合材料 / 繊維分散複合材料 / 等価介在物理論 / Self-consistent / Localised Rigidity法 / 人工筋肉 / ピエゾ弾性材料 / マイクロアクチュエーター

研究概要

本研究では人工筋肉の機能を発現する機構として、微小な繊維状のマイクロ・アクチュエー夕を多数分散した柔軟弾性体を考案してきた。それらのマイクロ・アクチュエータにピエゾ弾性材料を用い、生じさせるピエゾひずみを固有ひずみとして取り扱う。これらのマイクロ・アクチュエータを分散した弾性体のマクロ挙動を、従来当研究者らが開発してきたSCC-LRM粒子分散構成則モデルを用いて予測する。SCC-LRMモデルの精度を検証するため、実際の粒子分散複合材料の引き張り試験を行い、本モデルを用いた計算モデルの予測と比較検討した。粒子剛性がマトリックスに比較して固い場合として、ポリアセタールをマトリックスとし球状ガラス・ピーズを介在物とする複合材料試験片を作成し、これの単軸引き張り鼠験を実施し、材料特性挙動を検証した。一方、マトリックスが固く、介在物粒子が柔らかい場合として、エポキシをマトリックスとし、ゴム粒子を介在相とする複合材料の引き張り甘験を実施した。これらの実験と有限要素法によるメゾ解析、SCC-LRMモデルによる理論結果の三者を比較して、モデルの精度を確認した結果、弾性領域、塑性領域における挙動および熱伝達特性においてよい一致が得られる事を検狂した。この事から本モデルの精度が十分高い事が検狂され、アクチュエーター機能を持つ知能材料の設計に利用できる事が判明した。
通常、ピエゾ素子が発生するひずみは小さく、筋肉として作動させるだけのひずみを生じさせる事ができない。そのため、ピエゾ素子と弾性金属板を組み合わせたユニモルフ型の螺旋構造体素子を考案した。これにより約10? 20倍のひずみ増幅が可能となる事が分かった。さらにマイクロ繊維状のユニモルフ螺旋体素子を配向分散した知能複合材料のSCC-LRMモデルによる解析を行った結果、梁構造の自由度の高い任意の変形挙動を実現する事ができた。これを利用して、人工的に脈動する動脈モデルの原型モデルを仮想的に造り、その動的挙動を解析した。その結果によれば、人の心臓の血液排出量に見合うだけの流量が見込めることが分かった。人工心臓として完成させるためには多数の課.題を乗り越えなければならないが、生体の心臓に最も近い形態と機能をもつ、従来にない人工心臓の創成が可能であり、次年度の科学研究費補助への申請謀題として挙げている。

研究成果

• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKI: "Analysis of Particle-Dispersed Composites Accounting Stochastically for Interfacial Damage"Proceedings of 10th International Conference on Nuclear Engineering. 7 (2002)
• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKI: "Effects of Interfacial Damage and Local Plasticity on Overall Properties of Particle-Reinforced Composite Materials"Proceedings of 23rd International Symposium on Space Technology and Science. 6 (2002)
• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKi: "Modeling of Particle Dispersed Composite in Elastoplastic Regime Treating Interfacial Delamination"Proceedings of International Conference on Computational Engineering and Science. 6 (2002)
• [文献書誌] Michihiko NAKAGAKI, Huajian CHANG, Kenichi YAMAZAKI: "Estimate of crack speed in functionally graded material based on T* crack parameter"Proceedings of the Seventh International Symposium on Functional Graded Materials. 6 (2002)
• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKI: "Assessment on Anisotropic Properties of Particle-Dispersed Composites with Debonded Interface"Proceedings of Seventh International Symposium on Functionally Graded Materials. 6 (2002)
• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKI: "Modeling of meso-sliding and/or delamination at inclusion interface"日本機械学会材料力学部門講演会MM2002論文集. 93-94 (2002)
• [文献書誌] Huajian CAHANG, Michihiko NAKAGAKI: "On the delamination problem of particle-dispersed composite with equivalent inclusion method"日本機械学会材料力学部門講演会MM2002論文集. 563-564 (2002)
• [文献書誌] Huajian CHANG, Michihiko NAKAGAKI: "Imperfection modeling in particle dispersed composite with combined self-consistent equivalent inclusion method and stress function approach"日本計算工学講演会論文集. Vol.7. 477-480 (2002)
• [文献書誌] 中垣通彦, 篠原武志, Amany Tawadros: "相変態材料構成則に仮定する混合則の妥当性"日本材料学会第51期学術講演会講演論文集. 215-216 (2002)
• [文献書誌] 中垣通彦, 春日悠, Nabil Zakhary: "FGM中を横断伝播するき裂速度の予測解析"日本材料学会第51学術講演会講演論文集. 317-318 (2002)