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

创建基于能量捕获和非线性弹性波的新型减震结构

• 批准号: 22K14154
• 负责人: 安田 博実
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14154/
• 关键词: マルチステイブル; 機械的メタマテリアル; 衝撃吸収構造; 非線形波動

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。

在这个研究项目中，我们重点关注具有多个能量稳定状态的多稳态特征结构，旨在开发一种基于非线性波传播和能量捕获的减震机制。我们的目标不是依靠特定材料来提高作为组件的单元电池的机械性能，而是通过几何设计来提高性能。与使用塑性变形的传统减震方法不同，现在可以通过吸收弹性变形。并利用凿子消散能量，我们有望实现可重复使用的减震结构。 2022年，我们基于折纸结构设计并建模了多稳态结构。在建模中，我们将基于折纸的结构配置为刚性元素，并将连接它们的折叠配置为旋转弹簧元素，从而可以表达涉及大变形的折叠行为。使用该模型，除了分析整个结构的变形行为和静态机械响应之外，我们还进行数值分析，以创建从单稳态到多稳态设计的设计，我发现在晶胞水平上具有多个能量稳定状态。一个配置。我们还对连接多个设计的晶胞的链结构进行了数值分析，发现根据影响会发生不同的波传播现象，例如产生孤立波或伴随能量捕获的非线性波。对于这种多稳定结构的生产，我们也在使用树脂材料的增材制造设备进行试生产。

项目成果

University of Pennsylvania(米国)

宾夕法尼亚大学（美国）

Collisions of nonlinear waves in flexible mechanical metamaterials

柔性机械超材料中非线性波的碰撞

• 发表时间: 2022
• 作者: Hiromi Yasuda;Hang Shu;Weijian Jiao;Vincent Tournat;Jordan Raney
• 通讯作者: Jordan Raney

マルチステイブル構造中を伝搬する非線形波動解析

多稳态结构中传播的非线性波分析

• 发表时间: 2022
• 作者: T.Sannomiya;D.Nakamura;J.Arakawa;T.Kado;T.Tsudo;S.Takahashi;M.Hiraoka;H.Akebono;A.Sugeta;臼井康貴,四ツ谷隆太,荒川仁太,曙 紘之,菅田 淳;板谷拓実,藤田一輝,荒川仁太,曙 紘之,菅田 淳,青木祥宏,藤井英俊;安田博実
• 通讯作者: 安田博実

Triggering of transition waves by the collision of solitons or breathers in bistable mechanical metamaterials

双稳态机械超材料中孤子或呼吸器碰撞触发过渡波

• 发表时间: 2023
• 作者: Vincent Tournat;Apostolos Paliovaios;Vassos Achilleos;Georgios Theocharis;Hiromi Yasuda;Hang Shu;Weijian Jiao;Jordan Raney;Katia Bertoldi
• 通讯作者: Katia Bertoldi