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。

具有微小内部结构的材料系统包含预应力场（在主动引入的场的意义上称为预应力场，以区别于残余应力场）和微观旋转不稳定机制。本研究的目的是制定。并展示了一种描述机械超材料微观现象与宏观特性之间关系的粗粒度计算力学分析方法。为了实现这一目标，我们构建了基于纳米结构模拟、机械测试和验证的粗粒度计算力学理论，并通过比较两者对具有周期性图案的剪纸型机械超材料进行了研究。晶格模型。在直到2022年的研究中，我们在改变机械环境的同时对增材制造过程进行了初步实验。具体来说，我们使用 3D 打印机创建了一个带有切割图案的结构，在建模过程中，我们停止应用材料，约束压缩变形，然后继续分层。去除压缩变形的约束后，形成的结构预计将处于自平衡状态，残余应力逐层分布，并且发现自发曲率是通过局部旋转赋予的。明确了伴随该曲率变化的预应力的释放和重新分布可以通过理论计算来表达。在理论研究中，我们假设边界表面存在质量通量，公式化了在物体内部包含大量生产项的开放系统固体力学，并将其公式化为包含移动边界的初始值边值问题。此外，为了进行模拟，我们首先研究了以液相和固相相互作用为驱动力的机械现象的相场模型，并创建了分析代码的基本部分。