相対密度と圧縮速度におけるジャイロイド構造の動的変形遷移とエネルギー吸収の機構的解明
Mechanistic Elucidation of Dynamic Deformation Transitions and Energy Absorption in Gyroid Structures Across Relative Densities and Compression Velocities
軽量な耐衝撃性材料の開発において、構造化格子構造の速度依存的な変形とエネルギー吸収挙動の理解は不可欠である。本研究では、積層造形されたアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)ジャイロイド構造の機械的応答に対する荷重速度と相対密度の影響を調査した。準静的および動的圧縮実験を実施し、PAM-CRASH有限要素シミュレーションを実験で調査された圧縮条件に対して検証し、その後、実験的にアクセス可能な速度範囲を超える応答を探求するために使用した。結果は、初期ピーク破砕力と平均破砕力の両方が、相対密度と荷重速度の増加に伴って増加し、準静的荷重から高速度衝撃までの明確な強化特性を示すことを示している。荷重速度の増加は、均一な層崩壊から局所的なせん断帯と破壊への変形挙動の遷移を誘発する。100 m/s では、数値シミュレーションはさらに、慣性支配の層別崩壊への遷移を予測する。低密度構造は荷重速度に対する感度が高く、より低い速度で変形遷移が発生する。総エネルギー吸収量は荷重速度とともに増加するが、比エネルギー吸収量は高速度荷重下では相対密度への依存性が限定的である。これらの結果は、ジャイロイド構造の変形とエネルギー吸収に対する荷重速度と相対密度の連成効果を強調し、耐衝撃性用途向けの軽量格子構造の設計への洞察を提供する。
- 積層造形ABSジャイロイド構造について、準静的〜動的圧縮実験とPAM-CRASH有限要素シミュレーションを組み合わせ、荷重速度と相対密度が機械的応答に与える影響を解明した研究。
- 初期ピーク破砕力と平均破砕力は相対密度と荷重速度の増加に伴い増加し、準静的から高速衝撃まで明確な強化特性を示す。
- 荷重速度の増加により、均一な層崩壊から局所的なせん断帯・破壊へ変形挙動が遷移し、100m/sでは慣性支配の層別崩壊への遷移が数値予測される。
- 低密度構造は荷重速度感度が高く、より低い速度で変形遷移が発生する。総エネルギー吸収は速度とともに増加する一方、比エネルギー吸収は高速度下で相対密度依存性が限定的。
ABS製ジャイロイド格子の耐衝撃特性を、準静的から100m/s超の高速衝撃まで実験+数値解析(PAM-CRASH)で体系化した研究。荷重速度と相対密度の連成効果、局所せん断帯への遷移、高速度域での比エネルギー吸収の密度依存性低下という設計指針は、AM(積層造形)による軽量衝撃吸収材の実用化・量産設計に直結する。材料メーカーやAM装置・CAEベンダーにとって、スポーツ用品、輸送機器、防護具向けの高付加価値部材の設計自由度が高まる材料技術基盤の進展として注目したい。ただし現段階は学術研究であり、直ちに企業業績を動かす発表ではない。