Design of curvilinear CFRP structures for reduction of vibration magnification at resonance frequencies

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振動，騒音の低減が可能な高剛性構造を，CFRPの3Dプリンティングにより実現する研究を行った。特に，特定周波数帯での共振を抑制することを目的とし，ストップバンド型構造および高ダンピング構造の設計を試みた。ストップバンド型構造の研究では，構造の巨視的な剛性に関わる部分に炭素繊維を含有させることで剛性の向上を図った。振動減衰に関わる部分はCFRPの異方性や3Dプリンティングで実現可能な材料分布を利用し，低周波振動の抑制に適した柔軟構造とした。有限要素法解析によるシミュレーションで提案構造のバンドギャップを調査し，CFRPの軽量かつ高弾性である特性がバンドギャップ幅を大きく拡大できることを明らかにした。振動減衰性能が確認されたCFRP構造を複合材3Dプリンターにより印刷し，周波数応答を測定したところ，シミュレーションで予測された周波数範囲で透過率の著しい減少が見られた。ストップバンド型構造は特定周波数範囲でのみ機能する構造であるが，この周波数範囲を拡大できたことで，ある程度の振動周波数変動を伴った場合でも構造の振動を効果的に抑制できるようになる。また，既存のメタマテリアル構造と比較して，剛性，バンドギャップ周波数の低さの両面で優れた構造になっていることを確認した。高ダンピング構造の開発では，曲線繊維構造の構成により共振倍率の低減を試みている。曲線繊維構造を適切に設計することで，特定周波数以上であれば共振倍率を低減できる可能性をこれまで数値解析により示している。