形状記憶合金を用いた複合材料のスマート化に関する基礎的研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750082
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中谷 彰宏 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (50252606)
• キーワード: 形状記憶合金 / 有限変形 / 有限要素法 / 力学特性 / 構成式 / 超弾性 / 複合材料 / スマート材料

研究概要

近年、生物的な自己強化や恒常性維持機能をも持つ適応的材料構造の実現への要求が、安全性、省エネルギー性、さらには環境確保という科学技術とその工業化への時代的要請の増大とともに、次第に高まりをみせてきている。本課題では、形状記憶合金を用いた知的複合材料および知的構造体のマクロな力学特性・変形特性をミクロな構成要素の特性から評価し、さらには、外場の変化に適応して、能動的に振舞う機能を設計するための有効な方法論を提案することを目的としている。ここでは、その基礎研究として、Ni-Ti形状記憶合金線を組み合わせた構造体を対象とし、内部構造の違いによる巨視的応答の違いを調べるとともに、目的とする巨視的応答を得るための内部構造の設計についてモデル解析を行なった。得られた成果は以下の通りである。
(1)実験的検討として、知的構造体のセンサー・アクチュエーターとしての役割を担う形状記憶合金線の単軸引張試験を行ない、弾性および超弾性域の力学特性、および、その再現性を検討した。さらに、ここで得られた荷重変位曲線に対して、簡便な表式を用いた関数近似を行なった。また、複数の部材を簡便に組み合わせて、全体として複雑な応答をする構造を組み立てるために必要なジョイント部分の基礎的検討を行なった。
(2)解析的検討として、形状記憶線材を組み合わせた構造体の有限変形問題を解くことができる有限要素コードを開発し、(1)で得られた荷重変位近似曲線を用いて、外力が作用する様々な構造体に対して、構造全体の変形と局所構造の変化を調べた。超弾性域の材料非線形性と負荷除荷過程のヒステリシスを利用することにより、様々な全体挙動を実現できることを示した。
(3)以上で得られた知見をもとに、形状記憶線を組み合わせた構造、および、それを内部構造として用いる知的複合材料の設計に対する方法論を提案した。
(以上)

研究成果

• [文献書誌] 下川智嗣, 中谷彰宏, 北川 浩: "ナノ多結晶体中の粒界の構造と力学特性に関する分子動力学法による研究"日本機械学会論文集,A編. 68巻・670号. 858-865 (2002)
• [文献書誌] 下川智嗣, 中谷彰宏, 北川 浩: "Fccナノ多結晶金属の力学特性の粒径依存性に関する分子動力学法による研究"日本機械学会論文集,A編. 68巻・676号. 1708-1715 (2002)
• [文献書誌] A.Nakatani, A.Needleman, E.van der Giessen, W.J.Drugan: "Discrete Dislocation Analysis of Near Tip Fields for a Crack Along an Interface between a Single Crystal and a Rigid Substrate"Proceedings of the Fifth World Congress on Computational Mechanics (WCCM V). (CD-ROM). (2002)
• [文献書誌] A.Nakatani, A.Needleman, E.van der Giessen: "Multiscale Analysis of Near Tip Fields for a Metal-Ceramic Interface"Advances in Computational Engineering & Sciences. (CD-ROM). (2002)
• [文献書誌] J.-W.Shi, A.Nakatani, H.Kita-gawa: "Effect of In-Plane Constraints on the Vibration Behavior of Symmetric Laminated Doubly Curved Composite Shells"Proceedings of The Fifth China-Japan-US Joint Conference on Composite (CJAJCC-5). 176-183 (2002)
• [文献書誌] 川中政嗣, 北川 浩, 中谷彰宏, 比嘉吉一: "形状記憶線の引張試験とその応用に関する研究"日本機械学会関西学生会平成14年度卒業研究発表講演会前刷集. (発表予定). (2003)