Coarse-grained computational solid mechanics for mechanical metamaterials drived by micro-rotational instabilities incorporated with pre-stress fields

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微細な内部構造を有する材料システムの中で、予応力場(能動的・積極的に導入する場の意味で、残留応力場とは区別してこう呼ぶ)と微視回転型不安定機構を内在する力学的メタマテリアルのミクロ現象とマクロ特性の関係を記述する粗視化計算力学解析法の定式化とその実証を行うことを目的としている。この目的を達成するために、周期的パターンを付与したキリガミ型の力学的メタマテリアルについて、ナノ構造シミュレーション、力学試験、両者の比較による妥当性確認に基づいた粗視化計算力学理論の構築、特徴を抽象化した格子モデルによる動力学特性について研究を進める。2022年度までの研究において、さらに力学環境を変化させながら付加製造を行う過程の準備的実験を行なった。具体的には、3Dプリンタにおいてカットパターンを有する構造を造形し、この造形の途中で、物質付与をストップし、圧縮変形の拘束を与えたのちに、積層を継続する過程を実現した。圧縮変形の拘束を取り除いた後の成形後の構造体は層ごとに残留応力が分布する自己釣合い状態であることが予想され、局所回転により自発曲率が付与されていることがわかった。この曲率変化に伴う予応力の解放や再分配について理論的な試算により表現できることを明らかにした。理論的検討においては、境界面に質量流束を仮定し、物体内部に質量の生成項を取り入れた開放系固体力学の定式化を行い、移動境界を含む初期値境界値問題としての定式化を行なった。また、そのシミュレーションのため、まず液相と固相の相互作用を駆動力とする力学現象のフェーズフィールドモデルについて検討を行ない、解析コードの基本部分を作成した。