2018 Fiscal Year Research-status Report
Elemental technology research for seamless development of the large deployment structures with shape-variable function in the ground and the space
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17K18924
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
向井 洋一 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (70252616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
勝又 暢久 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (60534948)
上田 政人 日本大学, 理工学部, 准教授 (80434116)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 展開構造 / 折り紙 / 板構造 / 折板構造 / 耐衝撃性能 / 3Dプリント / 折り畳みシェル / 接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
伝統的な「折紙」の技法を応用した構造システムの実用化に必要な要素技術検証を目的とし、本研究計画では、同期展開可能な代表的な剛体折紙の手法である「ミウラ折り」を応用した折畳・展開機構を有する構造物構築ための実用的な技術的課題の検討を進めた。２年目は、以下の3つの要素技術に関する問題に取組んだ。
①構造システムの要素技術検討：建築物への適用のために、折版構造要素を外装面材等に使用することを想定し、こうした一般的な建築用外装材が受ける外力作用に対する折板構造システムの安全性の問題に着眼した。そこで、面外荷重作用を受ける板要素（セラミクスやガラス素材を想定）の破壊性状を明らかにするために、可視化実験の実施と構造解析モデルの構築に取組んだ。
②可動機構と形状制御・安定化の要素技術検討：ミウラ折りを板構造に適用した展開板構造の展開状態において、幾何学的条件（辺の長さ、平行四辺形の内角、板厚）で決まる展開形状精度を機構解析により考察した。厚みがあること、また折り線が板厚方向に傾斜していることなど、厚みと折り線の複合的な作用により、面内方向の張力でのみ展開させた場合には、展開形状が幾何学的条件により一意に定まることが示された。また展開板構造の軌道上実証に向け、超小型衛星搭載用の展開板構造ミッション部を開発した。
③変形追従性に関する要素技術検討：変形追従性に関する検討課題である剛体部と柔軟部との接合要素技術に対し、昨年度に開発した手法よりも更に耐久性の高いヒンジ機構を開発した。具体的には、剛体部と柔軟部とで同じ材料を用いるが、柔軟部については充填率を低下させ、メッシュ状の構造とすることで柔軟性を付与する方法を提案した。同一材料であることから剛体部と柔軟部とで接合強度を確保でき、機械的ヒンジを持たない折畳み可能なシェルを一工程にて製作が可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①構造システムの要素技術検討については、折畳状態～完全展開の間の中間フェーズにある折版構造システム状態が有する面外剛性を利用し、自律構造システムとしての活用を検討した。こうした中間状態の構造システムを構成する板要素への面外からの作用荷重に対して、構造システム全体の抵抗性能を適切に評価するため、これを構成する板要素を対象とし、その脆弱破壊性状の定量的把握に取組んだ。まず、衝撃試験により高速度カメラを用いて板要素（ガラスを使用）の破壊挙動を可視化し、その挙動を定量化した。さらにその破壊挙動を再現するFEM解析モデルの構築に取組んだ。
②可動機構と形状制御・安定化の要素技術検討については、大型平面アンテナなどへの適用を視野に入れていることから、軌道上での平面精度に関連する展開後の形状について力学的に検討した。荷重方向と幾何学条件で展開形状が力学的には一意に決まることから、設計時には見通しの良い結果を得た。
③変形追従性に関する要素技術検討については、マルチマテリアル3Dプリンタを用いたヒンジ機構よりも耐久性や成形性に優れるメッシュ状柔軟部を新たに提案して、剛体部と柔軟部とを一工程にて製作する方法を開発した。また、この材料に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を用いることが可能であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで2年間の研究成果を整理し、国際雑誌への投稿を行う。また、レビューにより新たな検討課題が明らかになった場合は、追加解析や実験などによる検証を行う。
①地上構造物への適用のために、折板建築（折畳と展開の中間状態）における、構造体の剛性や耐衝撃性、振動性状等の特性に関する定量的検証をさらに進めていく。また、大規模な折版建築の可動性に関して本研究で検証を進めてきた、斜めヒンジ型ミウラ折りの力学機構と折畳性能に関する研究成果について国際雑誌への投稿を行う。さらに、板要素の脆弱破壊の可視化とそのシミュレーションに関する構造要素研究成果についても、国際雑誌への投稿準備を進める。
②宇宙構造への適用のためには、実際には収納状態で軌道上へ運搬し、その後軌道上で展開する必要がある。そのため、今年度の展開後の形状精度に関する知見を発展させ、収納状態から展開状態まで遷移する展開過程・展開挙動について、機構解析により検討を行う。
③今年度に提案したメッシュ状柔軟部によるヒンジ機構の有効性を検証するため、このヒンジ機構を有する折り畳み試験片の繰り返し曲げ試験を実施する。これより提案するヒンジ機構の柔軟性及び耐久性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本研究で検証を進めてきた、斜めヒンジ型ミウラ折りの力学機構と折畳性能に関する研究成果について国際雑誌への投稿を行うための準備を進めており、当該論文をオープンアクセスにより公表するための必要経費を計上していたが、掲載年度が2019年度になるものと見込まれるため、当該使用予定額を次年度に繰越利用する計画とした。当該経費の使用計画は、当初計画に従うものである。
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