エネルギートラッピングと非線形弾性波に基づく新しい衝撃吸収構造の創製

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本研究課題では、複数のエネルギー的に安定な状態を有するマルチステイブルな特性を示す構造に注目し、エネルギートラッピングを伴った非線形波動伝播に基づく衝撃吸収機構の開拓を目指す。構成要素となるユニットセルの機械的特性を特定の材料に依存するのではなく、幾何形状の設計により特性の向上を図ることで、これまでの塑性変形を用いた衝撃吸収とは異なり、弾性変形のみによるエネルギーの吸収・散逸により繰り返し利用が可能な衝撃吸収構造の実現が期待できる。2022年度は、折り紙構造に基づくマルチステイブル構造のデザインとそのモデル化を行った。モデル化では、折り紙に基づく構造を剛体要素とそれらをつなぐ折り目部を回転ばね要素として構成することで、大きな変形が伴う折りの挙動を表現できるようにした。このモデルを用いて、構造全体の変形挙動や静的な機械応答の解析の他に、数値解析によりユニットセルレベルでエネルギー的に安定な状態が1つのモノステイブルから複数有するマルチステイブルなデザインまで様々なコンフィグレーションを発見した。また、設計したユニットセルを複数連結させたチェーン構造の数値解析も実施し、与える衝撃に応じて孤立波の生成またはエネルギートラッピングを伴う非線形波動といった異なる波動伝播の現象を発現することを明らかにした。このようなマルチステイブル構造の製作に関して、樹脂材料を用いた積層造形装置による試作も行っている。