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

由微旋转不稳定性与预应力场驱动的机械超材料的粗粒计算固体力学

基本信息

批准号：
20H02030
负责人：
中谷彰宏
金额：
$ 10.65万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

这项研究的目的是制定和证明一种粗粒度的计算机械分析方法，该方法描述了具有良好内部结构的机械超材料的微波和宏观性能之间的关系（从主动和主动引入的字段的意义上），并从残基压力领域区分了这一点，并将其称为残基压力领域）。为了实现这一目标，我们将继续研究Kirigami-type机械超材料，具有周期性模式，例如纳米结构模拟，机械测试以及基于两者进行比较的验证确认的粗粒度计算机械理论的构建，以及使用两者进行比较的验证确认，并使用晶格模型来抽象功能。在研究直到2022年期间，我们对执行加法制造过程的过程进行了预备实验，同时进一步改变了动态环境。具体而言，3D打印机具有带有切割模式的结构，并且在此建模过程中，材料应用将停止，应用压缩变形约束，并在实现过程后继续进行层压。据预测，去除压缩变形约束后成型后的结构是自平衡的，每一层中分布着残留的应力，发现局部旋转给出了自发的曲率。据透露，由于这种曲率变化而导致的预应力和重新分布可以通过理论估计来表达。在理论研究中，假定质量通量在边界表面上，并制定了开放系统的固体力学，并在物体内部纳入了质量生成的项，并将其作为初始边界值问题配制，包括移动边界。此外，对于模拟，我们首先检查了由液相和固相的相互作用驱动的机械现象的相位场模型，并创建了分析代码的基本部分。